（农业电气化与自动化专业论文）磁饱和可控电抗器及不平衡无功补偿的研究.pdf

摘要 本课题首先介绍了目前国内外无功补偿的发展状况和现有无功补偿方式的优缺点，指出了基 于磁饱和可控电抗器的无功补偿方法。 第二章通过对磁饱和可控电抗器电磁特性的研究，得到其数学模型。并利用该模型，对其控 制特性、伏安特性等进行了研究。研究结果表明，磁饱和可控电抗器的电感量受控于晶闸管触发 角的大小，通过调整触发角即可达到控制电抗器电感的目的。通过比较仿真试验波形与物理试验 波形，两者基本吻合，表明磁饱和可控电抗器在无功补偿方面具有广阔的应用前景。 第三章重点研究了即适合三相三线制接线形式又适合三相四线制接线形式的不平衡负荷无 功补偿方法。采取的方法是首先对几种基本情况下不平衡负荷进行分析，求得此情况f 的补偿模 型。利用叠加原理，得到最终的补偿模型。利用该模型，在只知补偿前各相有功和无功功率的情 况下，即可确定需要补偿的容量。 结合无功补偿只使用电容，而尽量不使用电感的实际情况，本文第四章对上述方法进行了改 进。改进的原则是充分利用负荷中含有的电感，而只补偿电容。结果表明在功率因数比较低的情 况f ，可以完全补偿不平衡；在功率阂数较高的情况下，可以改善不平铜。 最后，第五章对几种典型的不平衡系统进行了实际算例研究，结果证明了文中提出方法的正 确性。 关键词：磁饱和可控电抗器，无功补偿，不平衡电流。 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ts t a t eo fp r e s e n tr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nf r o mn a t i v ea n df o r e i g nl a n da n dt h e a d v a n t a g e sa n d 出s a d v a n t a g o sa r ei n t r o d u c e da tf i r s t ，a n di ti sp o i n t e dt h a tt h er e a c t i v ec o m p e n s a t i o n c o u l db ed e v e l o p e db a s e do nl h en l a g n e t i c a l l yc o n t r o l l e ds a t u r a t e dr e a c t o r f r o mt h es t u d yo ft h em a g n e t i c a l l yc o n t r o l l e ds a t u r a t e dr e a c t o r se l e c t r o m a g n e t i s m ，i t sm o d e li s s e tu p f r o mt h i sm o d e l ，t h ev o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i ca n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i ca r es t u d i e d t h e r e s u l ts h o wt h a tt h em a g n e t i c a l l yc o n t r o l l e ds a t u r a t e dr e a c t o r sc h a r a c t e r i s t i c sa l ec o n t r o l l e db yt h e a n g l eo f t h y r i s t o r f r o mc h a n g i n gt h ea n g l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa r cc h a n g e d ，f r o mt h ec o m p a r i s o no f t h e a r t i f i c i a le x p e r i m e n tr e s u l ta n dt h ep r a c t i c a le x p e r i m e n t ，s h o w st h a tt h e ya r ej u s ts i m i l a r t h er e s u l t s h o w st h a tt h em a g n e t i c a l l yc o n t r o l l e ds a t u r a t e dr e a c t o ra r ev e r yu s e f u lo nt h er e a c t i v ec o m p e n s a t i o n t ot h eu n b a l a n c e dl o a dc u i r e n tc o m p a r i s o n ，t h em e t h o dt o - c o n n e c t i o ni ss t o d i e df u l l y an e w m e t h o dt oy - c o n n e c t i o ni si n t r o d u c e di nt h i sp a p e rw h i c hc o u l db eu s e dn o to n l yo n - c o n n e c t i o n b u t a l s oo ny - c o n n e c t i o n t h et a k e nw a yi st h a ts o m eb a s i cc o n n e c t i o n sa r cs t u d i e da n dw h i c hr e s u l t sa r e s u p e r p o s i t t e dt og e tt h ef i n a lr e s u l tt h e 一c o n n e c t i o na r es t u d i e di nt h i sm e t h o dl o o k e do na s as p e c i a l f o r mt h er e s u l ti se x a c t l ye q u a l i t yt ot h ee x i s tm e t h o d ， t h ei m p r o v e m e n to ft h en e wm e t h o di ss t u d i e da c c o r d i n gt op r a c t i c a ls t a t i o nw h i c hi so n l y c a p a c i t a n c e sa r eu s e d w h e np o w e rf a c t o r sa r el o w , t h eu n b a l a n c e dl o a dc n i t e n tc o u l db ef u l l y c o m p e n s a t e db a s e do nt h ei m p r o v e dm e t h o d w h e np o w e rf a c t o r sa l eu p p er ，t h eu n b a l a n c e dl o a d c u r r e n tc o u l db em i n i s h e dg r e a t l y a tl a s t ，s e v e r a lt y p i c a lu n b a l a n c e dl o a d sa l es t u d i e dt ov e r i t yt i l em e t h o d ，a n di ti sp r o v e dt h a tt h e m e t h o di n t r o d u c e di nt h i sp a p e rh a v eab r o a d l yv a l u eo nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：t h em a g n e t i c a l l yc o n t r o l l e ds a t u r a t e dr e a c t o r ；r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n ；u n b a l a n c e dl o a d c u r r e n t u 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生繇丝欤磁 帆腼年胁曰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 蚕燃 时间： 柳r 年6 月砑三【 新签名：榴勿匀、时间：。矿年厂月西日 中国农业大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 交流电功率有两种；有功功率和无功功率。有功功率是进行屯能的利用，转换为其它形式能 鲑，做出有效功用的功率；无功功率是建立交流电磁场的功率【1 。 随着我国各种产业的迅速发展，现代电力系统规模日益扩大。因此，对电网运行的可靠性要 求也越来越高。改善电网运行质量、提高电网功率因数、减少网络损耗是一项重要的工作。在电 力负荷中，有相当一部分属于感性负荷，这些负荷投入运行除了消耗大量的有功之外，还要吸收 大量的无功。根据有关资料分析i 】，电力系统中的无功负荷约为有功负荷的1 3 倍。在有功功率不 变的情况f ，无功功率的存在会使功率因数降低，从而需要增大发、输电设备的容量；增加投资 和电力损耗；增加运行费用；增大输电线路压降：不利于电力的输送与合理应用 4 1 。大量的无功 功率如果完全由发电厂提供，造成线路有功损失加大、用户电压降低、电力设各得不到充分应用。 当整个系统无功严重缺乏时，还会使整个电力系统崩溃，“美 1 1 8 1 4 大停电”其中一个很重要的 原因就是系统无功储各不足。 无功功率增加将使视在功率增加，从而使流过供电系统的电流增加，这将对系统产生如下影 响1 5 q ： ( 1 ) 总电流增加会使电力系统中的元件容量增大，因而投资费用增大； ( 2 ) 在传输同样有功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增加； ( 3 ) 线路及变压器的电压损失增大； ( 4 ) 对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压 降低，如果过度增大励磁电流，则使转子绕组超过允许温升； 此外，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。显然，这些无功功率如果都要由发 电机提供井经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是对需要消耗的无功 功率的地方安装无功补偿设备。 解决以上所说的无功补偿问题，需要自动、动态、具有连续调节能力的无功补偿装置，这样 的装置既能保证经济运行，也能保证系统的安全运行。因此，对无功补偿的研究已经成为电力电 子技术、电力系统、电气自动化技术等多领域的重大课题。 1 2 国内外现有无功补偿方式的发展现状 由于无功功率存在的上述问题，人们很早就对各种补偿技术进行研究。在电力系统中，控制 无功功率的方法很多，包括采用同步发电机、同步电动机、同步调相机、并联电容器和静止无功 补偿装置等f 1 4 。 考虑到无功功率是由系统中各种电容和电感所产生的，人们最初使用无源形式的补偿方法 6 l 。 该方法是将一定容量的电容器或电抗器以并联或串联连接的方式，安装在系统的母线中。例如， 并联电容器在高峰负荷下可接入系统，以防止电压降低；在轻载时，切除电容器，以防止过电压。 在干扰期间，它们都不会投入或切除。这些补偿措施对系统发生影响，是由于它们改变了网络参 一2 一 中国农业大学硕士学位论文 数，特别是l = ! 殳变了波阻抗、电器长度和系统母线上的输入阻抗。一般来说，如果要它们纠正短时 f o 5 s ) 电压升高和电压f 降，则必须把它们迅速地投入和切除，在某些场合下，这种操作要反复 进行，使用传统的机械开关装置，实际上是做不到这一点的。 近年来电力电子技术及其元器件飞速发展，主要表现为以下三个方面”1 ： ( 1 ) 器件类型不断增加。大功率电子器件由原来的不可控及半控器件。发展到全控器件和 功率集成屯路。 ( 2 ) 器件的开关速度不断提高。半控器件晶闸管触发导通以后，只能在电流自然过零时关 断，开关动作至少二分之一个周波。而新型的全控器件门极可关断晶闸管的关断时间仅为0 0 0 1 秒左以。 ( 3 ) 器件的开断能力不断增加。目前晶闸管的制造水平，已经达到单个元什耐压i o k v 电压。 随着电力电子器件的飞速发展，无功补偿控制器在其性能和功能上也出现不同的发展阶段。 1 2 1 基于半控器件的无功补偿装置一一静止无功补偿器( s v o ) 。1 早期的无功补偿装置是饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r ) 型。1 9 6 7 年英国g e c 公司制成了 世界上第一批饱和电抗器型s v c 。饱和电抗器与同步调相机相比，具有响应速度快等优点。但冈 其自身的一些问题，未能占据静止无功补偿装置的主流。1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电力系 统中运行了使用品闸管的补偿装置。1 9 7 8 年美国西屋公司制造的使用晶闸管的静补装置投入实际 运行。随后世界各大电气公司都竟相推出了各具特点的系列产品。由于使用晶闸管的s v c 具 有良好的性能，所以十年来占据了静i j _ = 无功补偿装置的主导地位。 s v c 是利用晶闸管作为固态开关，来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输电 系统的导纳。按照控制对象和控制方式的不同，分别称之为晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h c a p a c i t o r - - t s c ) p 】、晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o lr e a c t o r - - t c r ) i 】以及这两者的混台 装置( t c r + t s c ) ，t c r 与固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r - - f c ) 配合使用的静i r 无功补偿器 ( t c r + f c ) 。t s c 及t c r 的单相原理如图1 1 和1 2 所示。 图1 1t s c 单相原理圈囝l ，2 t c r 单相原理图 对于t s c ，两个反并联晶闸管起将电容器并入电网或从电网断开的作用。串联的小电感用来 抑制电容投入电网时，可能造成的冲击电流。在工程实际中一般将电容器分成组，每组都可由品 闸管投切，因而可根据电网的无功需求投切电容器组。实际上就是断续可调的发出无功功率的动 一3 一 己r 中国农业大学硕士学位论文 态无功补偿装置； 对于t c r ，其晶闸管触发角的有效移相范围在9 0 0 1 8 0 0 之间时，晶闸管部分导通。此时增大 触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减少补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角 的大小，就可以连续改变补偿器吸收无功功率的大小。由于单独的t c r 只能吸收无功功率，而 不能发出无功功率，因此往往与电容器配合使用【l “。 世界上已经投运的输电用s v c 大约有1 5 0 套，我国运行于5 0 0 k v 输电系统的有5 台，型式 为t c r + t s c ，均为进口设备。 配网中现有自动无功补偿装置主要为t s c 和t c r ，而t s c 造价高，控制复杂，不能连续调 饥目前，国内外应用较多的是t c r 型s v c ，其具有动态响应速度快，可连续调节，平滑跟踪 负荷变化等优点。但应用过程中暴露出很多问题【1 1 】： ( 1 ) 可控硅阀串联在电抗器的主回路，承受1 0 k v 3 5 k v 及以上的运行电压，目前国内外制 造不出这么高电压等级的可控硅。为了提高承受高压的能力，将很多可控硅串联起来使用，形成 可控硅堆，事故率高，可控硅经常被击穿。 ( 2 ) 为了避免可控硅承受过高的电压，有的采用增加降压变压器的方式。这样一是增加了损 耗和费用；二是影响了速度和补偿效果。 ( 3 ) 由于可控硅串联在电抗器主回路里面，温度很高，需要另配散热装置，增加了投资。 ( 4 ) 普通的空芯电抗器产生很强的磁场，对运行人员身体健康危害大。 ( 5 ) 整套装置结构组成复杂，维护困难。费用高。 1 2 2 基于全控器件的无功补偿装置一一静止无功发生器( s v g ) “” 静止无功发生器( s v g ) 也称为静l t 调相机( s t a t i c c o n d e n s e r - - s t a t c o m ) 。新型静止无功 发生器( a d v a n c e ds t a t i c v a t g e n e r a t o r - - a s v g ) 分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。 电压型桥式电路，其直流侧采用电容作为储能元件，交流侧通过串联电抗器并入电网；电流 型桥式电路，直流侧采用电感作为储能元件交流侧并联上电容器后接入电网。迄今投入使用的 s v g 火都采用电压型桥式电路。因此s v g 往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功 补偿的装置。 s v g 的基本工作原理，是将桥式变流电路直接并联或通过电抗器并联到电网上，适当调节 桥式变流电路交流侧输出电压的相位和幅值或直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或发出满 足要求的无功电流。从而实现动态无功补偿的目的，就象一个电压型逆变器。只不过其交流侧输 出接的不是无源负载而是电网。 与s v c 相比，s v g 具有5 个优点： 1 、调节速度快。s v c 内部的电力电子开关元件多为晶闸管，晶闸管导通期间处于失控状态， 使s v c 每步补偿时间间隔至少约达半个工频周期，而s v g 采用g t o 作为开关元件，g t o 可在 o 0 0 1 秒左右关断，因而其补偿速度快。 2 、运行范围宽。在欠压条件f ，s v g 可通过调节其变流器交流侧电压的幅值和相位，使其 所能提供的最大无功电流维持不变，仅受其电力半导体器件的电流量限制。而对s v c 系统，由 丁其所能提供的最大电流受其并联电抗器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小； 4 3 、 可以在从感性到容性的整个范围中进行连续的无功凋节： 4 、s v g 不需大容量的电容、电感等储能元件，其直流侧所使用的电抗器和电容元件的容量 远比s v c 中使用的要小，这将大大缩小装置的体积和成本； 5 、谐波含量小，s v g 在采用多重化技术，多电平技术或p w m 技术等措施后，可大大减少 补偿电流中的谐波含量。 1 2 3 发展前景比较 作为较早出现的无功补偿装置s v c ，由于采用传统的半控器件，成本低，因此是目前广泛使 用的无功补偿装置。但由于自身存在的一些问题人们一直在寻找新的材料，作为无功补偿的介 质，磁饱和可控电抗器是非常有前途的一种。 而s v g 目前的应用仅局限于个别工程，尚无法大规模应用。一方面是由于这些无功补偿装 置需要大量借助于全控器件，而全控器件目前价格非常昂贵，使得目前该类无功补偿装置的工程 造价比s v c 高；另一个方面，此类无功补偿装置技术不够完善，还有许多技术问题尚待解决。 1 3 磁饱和可控电抗器的发展及应用前景 1 3 1 磁饱和可控电抗器的发展“” 可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的，早在1 9 1 6 年就有美国人e f w 亚历山德逊 提出“磁放大器”的报告。到了4 0 年代，随着高磁感应强度及低损耗的晶粒的发展，将饱和电 抗器的理论与应用提高到一个新水平。1 9 5 5 年，世界上第一个可控电抗器在英国制造成功，其额 定容揖为1 0 0 m v a 工作电压为6 6 k v 2 2 k v 。但该装置由于三角形线圈的存在，其控制直流 的改变，会导致三角形线圈内部电流的变化，过度过程时间取决于三角形线圈的时间常数，其值 一般很大故该装置调节速度慢。7 0 年代以来，由于可控硅器件迅速发展及相控电抗器的出现， 可控电抗器被打入“冷宫”。1 9 8 6 年，原苏联学者提出了可控电抗器的一种新型结构，从而使可 控电抗器的发展有了突破性进展，进入了实用阶段。 1 3 2 磁饱和可控电抗器的应用前景”“” 磁饱和可控电抗器在电力系统中应用的潜力很大，主要有l 三l 下几个方面： 1 、电力系统无功补偿中的应用 可控电抗器用于无功补偿主要与电容器补偿配合。现有的电容补偿主要形式有固定电容补 偿、可投切电容器组、可控电抗器+ 固定电容器。 固定电容器和可投切电容器组补偿，其容量不能调节或不能连续调节，所以补偿效果大大降 低，为了使调节容量比较灵活，一股希望组合产生的电容值越多越好，但这会使设备变得复杂， 控制起来也比较麻烦。 可控电抗器+ 固定电容器则完全解决了这方面的问题，磁饱和可控电抗器可以平滑调节其电 感值，与电容器配合以后总体的无功输出可以连续调节。 2 、远距离输电系统中抑制过电压中的应用 远距离输电系统由于长线路的电容效应，而使末端电压升高。如果使用固定大容量的并联电 抗器，将会增大等效波阻抗，减少自然功率值和线路传输能力；在重载输电时，仍需给电抗器提 供无功。而可控电抗器能直接接在高压线路侧，同时发挥同步补偿机和并联电抗器的作用，还可 以限制因开关操作而引起的操作过电压。 3 、提高系统稳定性中的应用 磁饱和可控电抗器有快速的动态响应能力，可以在系统受到干扰时，维持母线电压，提高系 统稳定性。当系统出现故障的时候，可以抑制系统功率震荡。在直流输电系统中，同样可以起到 交流系统中的作用。 4 、不平衡负荷平衡化中的应用 在不平衡负荷电力用户中的应用，可消除不平衡负荷所带来的影响。在谐振接地配电网中， 则可用作可调消弧线圈和故障选线。单相可控电抗器接入三相整流电路的零序回路中根据负荷 变化自动调节，可使系统功率因数接近1 0 ，高次谐波大大减小。 1 4 不对称电流无功补偿方法研究的必要性 1 41 三相不对称的产生 根据产生因素的不同，电力系统的不对称可以分为事故性和正常性两大类【l ”。事故性的不对 称是由于三相系统中某一相或某两相出现故障所致。这种不对称工况是系统运行不允许的，一般 由继电保护、自动装置动作切除故障元件后，在短期内使系统恢复正常。但由于故障造成的系统 不对称往往比较大，因此对系统设备( 尤其是故障点附近的设备) 造成的影响也比较大。正常性 的不对称是由于系统三相元件或负荷不对称所致，根据元件或负荷的线一陛与否，它又可以分为线 性不对称和非线性不对称两类。作为电能质量指标之一的“三相电压允许不对称度”，是针对正 常不对称运行工况制定的【l 。 1 4 2 三相不对称的危害 三相电压或电流不对称会对电力系统中的发电、输电、配电设备及用电设备造成一系列的危 害。分别叙述如下： 1 、增加了线路损耗 电流通过导线时由于导线电阻的作用，将在导线上产生功率损耗。不平衡度越人，线路损 耗也越大。f 面举例说明： 设某系统的三相线路及变压器绕组的总电阻为r ，如果三相电流平衡，i a = 1 0 0 a ，i b = 1 0 0 a ， i c = 1 0 0 a ，则总的损耗p = 1 0 0 2 r + 1 0 0 2 r + 1 0 0 2 r = 3 0 0 0 0 r 。 如果三相电流不平衡，i a = 5 0 a ，i b = 1 0 0 a ，i c = 1 5 0 a ，则总的损耗p = 5 0 2 r + 1 0 0 2 r + 1 5 0 2 r = 3 5 0 0 0 r ，比平衡状态的损耗增加了1 7 。 在最严重的状况下，把三相负荷接在一相上，其实质就是单相供电情况，i a = 0 a ，i b = 0 a ， i c = 3 0 0 a ，则总的损耗p = 3 0 0 2 r = 9 0 0 0 0 r ，比平衡状态的损耗增加了三倍，运行极不经济，造成巨 大的浪费。 一6 一 中国农业大学硕士学位论文 2 、增加了配电变压器的有功损耗 现有的1 0 04 k v 低压配电变压器多为y y n 0 接法。这种类型的变压器，当二次侧负载不平衡 且有零线电流时，零线电流即为零序电流，而一次侧由于无中点引出线，因此零序电流无法流通， 故零序电流无法安匝平衡。对铁心而言，有一个激磁零序电流，它受零序激磁阻抗控制，根据磁 路的设计，这一零序激磁阻抗较大，相对地电压的对称会受到影响，中性点会偏移。对三相三柱 的磁路而言，零序磁通不能在磁路内形成回路，必须在油箱壁及紧固件内形成回路，而油箱壁及 紧同件内的磁通会产生较大的涡流损耗，因而使变压器的铁损增加。当零序电流过大导致零序磁 通过大时，由于中性点漂移过大会引起某些相电压过高而导致铁心饱和，使铁损急剧增加【l 。 3 、降低了配电变压器出力 变压器容量的设计和制造是按照三相负荷平衡条件确定的，其三相绕组结构和性能是一致 的，每相额定容量相等，最大允许出力受每相额定容量限制。三相负荷不平衡时，其最大出力只 能按三相负荷中最大一相不超过额定容量为限，负荷轻的相就富裕容量，从而使变压器出力降低， 而变压器出力降低程度与平衡度有关，不平衡度越大，出力降低程度越大。同时，配电变压器的 过载能力也降低。国标gb5 0 0 5 2 9 5 第6 0 8 条规定“当选用y y n o 接线组别的三相变压器，其由 单相不平衡负荷引起的电流不得超过低压绕组额定电流的25 ，且其中一相的电流在满载时不 得超过额定电流值。”由于上述规定，限制了y y n o 接线配电变压器接用单相负荷的容量，也影响 了变压器设备能力的充分利用。 4 、造成三相电压不对称 配电变压器是按照三相对称运行设计制造的，各相绕组的电阻、漏抗和激磁阻抗基本致。 三相负荷平衡时变压器内部压降相同，其输出电压是对称的。三相负荷不平衡时，各相电流不一 致，中性线有电流通过，三相四线制线路中，中性线截面一般比较小，具有较大的阻抗压降，从 而使中性点位移，各相电压发生变化，造成三相电压不平衡，三相负荷不平衡度越大，三相电压 不平衡程度越严重。如果此时中性线因故断路，所接负荷小的相电压就会异常升高，接在此相上 的用电设备和家用电器将被烧毁。 5 、影响电动机输出功率，并使绕组温度升高 三相负荷不平衡造成的三相电压不对称，将在感应电动机定予中产生逆序旋转磁场，电动机 在正、逆两序旋转磁场的作用下运行。由于正序旋转磁场比逆序旋转磁场强，所以电动机旋转方 向不变。但由于转子逆序阻抗小，因此逆序电流大。逆序磁场、逆序电流将产生较大的制动力矩， 使电动机输出功率降低，绕组温度升高，危及电动机安全运行。 1 。4 。3 现有的减小三相不平衡方法介绍 减小不对称负荷引起的系统三相不对称的方法有多种，例如： 1 、将不对称负荷分散到不同的供电点，以减小集中连接造成不对称度超标问题； 2 、使不对称负荷合理分配到各相，尽量使其对称化： 3 、将不对称负荷接到更高电压级上供电，以使连接点的短路容量足够大； 4 、采用不对称补偿装置等。 前三总方法并不能总是能实现和有效的。现在一般采用不对称补偿装置来减少不对称负荷引 起的系统三相不对称“】。 负荷不对称补偿即根据三相负荷的平衡化原理( s t e i n m e t z 原理) ，通过在负荷点串、并入无 功导纳网络，从而把三相不对称负荷补偿成对于供电系统米说是三相对称的。在此基础上，人们 又提出了分相控制的静止无功补偿器( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o rs v c ) 。通过调整可控硅触发角米改 变svc 各相的补偿度，从而达到补偿负荷负序分量和调整负荷功率因数的目的。 中国农业大学硕士学位论文 但纵观目前的研究现状发现目前绝大多数不对称补偿方面的研究是针对三相三线制系统展 开的，通常只考虑到系统存在负序分量的情况。只有少数学者对含有零序分量系统的不对称补偿 进行了研究2 ”。 因此本文对配网的不平衡无功补偿进行了深入的研究，得出即适合于三相三线制，又适合于 三相四线的不平衡电流补偿模型。 1 5 本文的主要研究内容 1 、简要回顾了无功补偿的发展过程和目前存在的问题。 2 、对磁饱和可控电抗器的结构、基本工作原理和状态转换进行研究。通过对其基本方程的 分析，建立仿真模型，对其特性进行分析，并将仿真实验数据与物理实验数据对比，验证模 型的可行性。 3 、对不平衡电流无功补偿方法进行研究，得出即适合于三相三线制，又适合于三相四线的 不平衡电流补偿模型，并根据电力系统实际情况，对其进行了必要的改进，在仅知补偿前各 相有功、无功的情况下，得出补偿所需容量。 4 、对儿种典型的不平衡情况算例进行分析，并通过对比，说明本文所提的不平衡电流补偿 方法更有效。 一8 一 中国农业大学硕士学位论文 第二章可控电抗器工作原理和特性研究 可控电抗器的结构形式千变万化。特性各异。资料显示，最具有应用前景的是磁阀式可控电 抗器，即磁饱和可控电抗器。磁饱和可控电抗器的发展和应用前景已经在第一章中做了介绍。本 章首先说明磁饱和可控电抗器的基本工作原理和结构，然后对其特性进行研究。 2 1 基本工作原理 2 1 。1 基本结构“1 单相可控电抗器的结构原理图如图2 1 所示。电抗器有两个结构相同的主铁芯1 、2 和两个 旁轭组成。主铁心分为两半，上。f 两部分，中间有段凹槽，其面积小于主铁心其他部分面积。每 个铁芯上绕有总匝数为n 的上、下两个绕组，每个绕组各有一个抽头，分别与晶闸管t ，、r 相连， 抽头比为6 = n ，而n = n ，+ 。不同铁芯上的上f 两个绕组交叉顺连后并联接至电网。续流二极 管d 跨接在两个绕组交叉处。绕组的直流环流i n 受控于晶闸管触发角a 的人小，通过调整a 的大 小，就可以达到连续调节电抗器容量的目的 圈2 ，1 可控电抗器的结构原理图 图中“。和i 为工作电压和工作电流。i d 为直流励磁电流，由一、耷z 分别为铁心l 、2 的磁通。 21 2 基本工作原理”3 2 3 磁饱和可控电抗器的基本工作原理是用直流励磁电流控制铁心的饱和度，来达到平滑调节电 感的目的。其输出感性电流大小取决于可控硅触发角a a 越小，产生的控制电流越强，输出 的感性电流越大。所以通过改变晶闸管的触发角来改变直流励磁电流的大小，进而改变铁心的饱 和程度，平滑调节电抗器的无功功率和s v c 装置的无功容量。 21 3 工作状态及状态间的转换 幽2 2 为相应的电路原理图。若不考虑晶闸管和二极管的瞬时开关特性，电抗器在一个j 一频 周期的运行状态可分析如下： 一9 中国农业大学硕士学位论文 状态i ：r 、d 断开，t ，导通 状态2 ：t ，、t z 断开。d 导通 状态3 ：t 、d 断开，n 导通 各种工作状态f 的 ( a ) 状态l( b ) 状态2( c ) 状态3 围2 3 各种工作状态下的等效电路 设电网电压为“= 撕s i i l 出f ，则上述各状态与”h 和晶闸管触发角n 之间的关系如幽2 4 所示。 的。 1 嚣 o c i ) t 工。 状态2 状态i 状态2 状态3 图2 4 工作状态示意图 可控电抗器的不同工作状态，是由晶闸管与二极管所承受的电压、电流及触发脉冲信号决定 当a = “，晶闸管t - 、t z 不触发导通，电抗器为空载状态。如a n ，当电源为正半波，u t 一1 0 中国农业大学硕士学位论文 c i 时，电抗器处于状态2 ，即t 1 、n 断开，d 导通；此时t 承受正向电压，t z 承受反向电压。当 u t = a 时，n 触发导通，可控电抗器进入状态l ，此时t 。不会截止，t 。也不会导通。当电源电压 为负、| 波时，t - 截止，d 导通此时t 承受反向电压，t ：承受正向电压。当t = d + 时，r 触发 导通，进入状态3 。这样可控电抗器在一个周期内按照状态2 一状态l 一状态1 一状态3 的次序轮 流切换、工作。 2 2 基本方程研究 由以上分析可以看出，磁饱和可控电抗器两个铁芯和绕组的结构是完全对称的，而且它们的 i 一作状态在正负半周里呈镜像对称因此，在图2 3 中，若设： i i = i 1 ( c o t ) ( 2 - 1 ) 则有： i 2 = i l ( c o t z ) ( 2 2 ) 对( 2 - 1 ) 和( 2 - 2 ) 进行傅里叶分解，得 f 】= + ks i n ( k a ) t 坳) 】+ s h a ( k c o 帅。) k = 2 n 2 _ 一l 式中n 为正整数，。为直流分量，h 和吼为k 次谐波的幅值和初相角。令 所以，( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 可表示为 式( 2 - 6 ) 、( 2 7 ) 相加可得总工作电流为 由文献 3 0 可知，如图2 ，3 所示的各绕组电流为 ( z 一3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 吼 +七 n 蓦 。“ 卿 出七 呱 蛔 。 + 毛 一 j | b 砌 k 。 + k 一一 + 伊 +七h - 毫 ， 。一 = 妒 + - 基 。一 l | 妒 +n，k圳 薯 。一 2 女 1 | 中国农业大学硕士学位论文 f，t = 屯= 丢r + ，。，：= r 。= 圭r 一，。 i 扣扣扣c - - m 2 - - , 心 1r 。= z s = 圭，一c 一卅2 + ，”，r d l ：m 。：= ：m n ( m 一。+ d ：，i ，d 。毋2 2 ”一1 。 式中： f0 ，笺麓 m = 10 u t + o il+ q t 2 所以，铁心1 、2 的磁势和工作电压分别为： e = ( 妻f ) ( 2 ) + 2 n ( i m 2 占一m a ) i d 兄= ( 去f ) ( 2 ) + 2 n ( i 一2 占+ m d ) 】i d ”肌：m 黝一+ ( 警+ 警) r 、rz 表示绕组n 、n z 的电阻。通过以上对基本方程的分析 的等效电路。 2 ，3 仿真研究及特性分析 2 3 1 仿真研究。” ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 可以进而得出磁饱和可控电抗器 根据2 2 分析可知，磁饱和式可控电抗器等效电路相当于一次侧顺串联，二次侧反串联的两 个完全相同变压器，如图25 所示。 rm 肝j 丽 u ；出 图2 5 磁饱和可控电抗器等效电路图 图2 5 的左半部分相当于电抗器的工作回路，右半部分相当于电抗器的控制回路，“日、尺。表 示等效控制电压和等效控制电阻。 为了进一步研究可控电抗器的基本特性，本文采用了目前世界上被广泛使用的电力系统分析 一1 2 中国农业大学硕士学位论文 软件p s c a d e m t d c 对以上的分析，进行了仿真研究。仿真模型如图2 6 所示。 固2 6 磁饱和可控电抗器仿真模型 其中r g l 和r 9 2 分别接至触发脉冲l 和2 ，由于篇幅关系，图中没有画出触发脉冲。对于等 效控制电压“。用带续流二极管的单相桥式整流电路来模拟。仿真实验参数分别为：单相变压器容 量为：1 0 0 0 v a ：c ，。= 6 0 0 v ：艿= o 0 5 ；n = 5 0 0 匝：r = 5 0 q 。实验数据如表2 1 所示。 表2 1 仿真实验数据 u3 0 03 6 04 2 04 8 05 4 06 0 0 il0 31 1 71 3 516 417 51 8 0a = 0 io 9 810 212 014 4l6 917 4t l = 4 5 】0 7 90 9 3i 0 9l 3 215 51 6g = 6 0 。 06 8 0 8 10 9 7 10 6 l2 1 1 2 5 q ：9 0 10 3 60 4 l0 4 7 0 5 4 0 5 8 06 3 a ：1 2 5 10 303 103 203 2a = 1 4 0 从表2 1 中，可以看出：当电源电压相等时， 抗增大即电感增大。通过改变晶闸管的触发角， 232 特性分析阶“ 随着晶闸管触发角的增大，电流减小，说明感 达到了控制电抗器的目的。 1 、伏安特性 改变电源电压，可咀得到电抗器电压与电流的关系曲线，即伏安特性。在不同导通角( 0 0 、 4 5 0 、9 0 0 和1 2 5 0 ) 下，改变磁饱和可控电抗器两端的电压，并测出此时的电流。可得出对应不同 导通角的伏安特性。本实验磁饱和可控电抗器两端的电压从3 0 0 v 增加到6 0 0 v ，实验数据如袁 2 1 ，伏安特性如图2 7 所示。 图中横坐标为电流基波分量幅值标幺值，基准值为额定电流幅值；纵坐标为电压幅值标幺值， 基准值为额定电压幅值。黑点为实验测量值。可以看出，磁饱和可控电抗器的伏安特性近似为线 性，所以能有效地消除其运行时可能产生的参数震荡现象。 2 、控制特性 所谓的控制特性，是指在额定电压下，磁饱和可控电抗器电流幅值( 基波) 1 ，随控制角。的 关系，即： i = ( 口) 控制特性实验是磁饱和式可控电抗器所有实验中最莺要的实验之一，其目的就是要找出起控 制规律。 一1 3 中国农业大学硕士学位论文 通过表2 1 描绘控制特性如图2 8 所示。其中，横坐标为触发角，纵坐标为基波电流幅值标 幺值，黑点为实验测量点。 由图可见，可控电抗器电流幅值与触发角具有明显的非线性，随着触发角的增火，电感增大 电抗器电流随着减小。以此可以调节无功。 3 蚓 对 蛙 v 趔 馨 出 唧 基波电流幅值( 标么值) r = 0 。 。g _ 掣 肇 h 窭 孽 莲 亡l 舄 绺 图2 7 伏安特性圉圈2 8 控0 特性 3 、谐波特性 由于磁饱和，电抗器将产生谐波，利用m a a b 中提供的傅立叶级数分解模块，对表21 中的 仿真实验数据进行谐波分析，得到不同晶闸管触发角时的三次、五次谐波电流值，将它 f 与基波 电流幅值相比，就可以得到对于不同触发角的电流各次谐波含量值率。如图2 9 所示。 图中横坐标为导通角。纵坐标为3 、5 次谐波电流占基波电流幅值的百分比。由图可知，此 种情况f ，磁饱和可控电抗器的三次谐波含量为7 7 ，五次谐波为3 2 ；而可控硅控制电抗器 ( t c r ) 所产生的三次谐波为1 3 。7 ，五次谐波为5 。5 。与t c r 相比。磁饱和可控电抗器具有 较小的谐波，人约为t c r 的一半。 导通角 图2 9 谐波特性曲线 1 4 7 6 5 4 3 2 0 犟埘摧兽单孽w蓐蔷捌船 中国农业大学硕士学位论文 2 4 物理实验数据研究 物理实验对于磁饱和式可控电抗器特性的研究，分为以下几个方面：控制特性研究；伏安特 性研究：有功损耗研究。 研究的模型采用沈阳变压器有限责任公司为清华大学投资制造的可控电抗器实验模型。 模型的结构参数为： 额定容鼙：6 6k v a r 额定电压：2 2 0 v 型式：干式 相数：单相 冷却方式：空气自冷 铁芯结构：单相四柱结构，即两个铁芯柱，两个旁轭。 线圈结构：该模型只有一个工作线圈，多层层式结构，每柱线圈总匝数为n = 3 9 7 2 = 7 9 4 匝。 在每个线圈都各有4 个分接头，用于调整变比6 的大小，6 值有3 种组合： 1 ) 、1 分接： 6 = 2 8 7 9 4 = 0 0 3 5 3 ： 2 ) 、2 分接： 6 = 5 6 7 9 4 = 0 0 7 0 5 ： 3 ) 、3 分接： 6 = 8 4 7 9 4 = 0 ，1 0 5 8 ： 2 4 1 控制特性实验研究 本文研究了在1 分接情况下，电压分别为1 5 0 v 和1 6 0 v 时的控制特性。具体数据见表2 2 。 由表2 2 画出控制特性曲线，如图2 1 0 和图2 1 1 所示。由图可见，该模型的控制特性与上面仿真 研究的控制特性图形吻合。 表2 2 宴验模型在1 5 0 v 和1 6 0 v 时的控制特性数据 1 8 0 01 4 4 01 0 8 07 2 03 6 00 0 1 5 0 v i ( a )o 2 5o 3 62 15 36 77 3 1 8 0 01 4 4 01 0 8 07 2 03 6 0o o 1 6 0 v i ( a )o 3 20 4 32 55 ，67 47 9 中国农业大学硕士学位论文 图2 1 01 5 0 v 时的控制特性曲线 图2 1 11 6 0 v 时的控制特性曲线 表23 为模型在不同电压下的控制特性数据。 表2 3 模型在不同电压下的控制特性数据 1 8 0 01 4 4 01 0 8 07 2 03 6 00 0 1 0 0 v0 0 6 30 0 6 30 7 42 7 039 04 2 5 1 2 0 vo 1 0 3o 1 21 3 036 55 1 05 5 5 1 7 0 v0 4 40 6 02 8 05 7 57 8 881 5 1 8 0 v0 6 40 7 03 1 56 4 08 5 092 5 2 0 0 v1 4 81 6 04 ，3 07 3 89 7 5l o 5 表2 4 是模型在不同分接头下的控制特性数据。 表2 4 不同分接头下的控制特性数据 u ，( v ) 1 2 01 4 01 6 01 8 02 0