（控制科学与工程专业论文）高压静止无功补偿器的研制.pdf

、 麟y , t 9 0 6 m 8 r e s e a r c ho nh i g h v o l t a g es t a t i cv a rc o m p e n s a t o r b y y a n g x i a o f e n g b e ( c h a n ga nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rp e n gc h u w u a p r i l ，2 0 1 1 本人 取得的研 何其他个 献的个人 法律后果 作者签名：饧 日期：2 口，年j 月2 矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：加年j 一月加日 日期：拶f 年r 月加日 犸别1 、 、 高压静止无功补偿器的研制 摘要 电力能源作为人类生活中最重要的能源之一，越来越受到人们的关注。特别 是近年来，随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，人们对电能要求也越来越 高，由电能质量问题造成的危害也越来越突出。诸如电网中的电压，电流发生畸 变，电压不稳，闪变和三相不平衡的问题时有出现。因此，进行电能质量控制技 术的研究迫在眉睫，对于保障电网稳定，提高电网的利用效率具有十分重要的现 实意义。 作为提高电能质量、保障电能可靠性传输的主要装置静止无功补偿器( s v c ) 以其优越的性能，在电力系统动态电压支撑和无功补偿方面发挥了重要作用。 虽然在现代电力系统中，高压静止无功补偿器得到了广泛的应用，但由于各 个补偿器的厂家产品结构及实现方式不同，补偿器的实用性与可靠性亦有不同。 为了获得更好的性能、更合理的系统结构，一方面，本文以高压静止无功补 偿器的研制为主要内容，分析无功补偿的意义及原理，比较各种无功优化与补偿 方法的优点与不足，提出切实可行的高压静止无功补偿器的系统结构，分析了结 构与原理。 另一方面，文章以6 k v 高压静止无功补偿器的设计为例，提出补偿器具体的 设计思路与方法。从系统整体设计、各个部分的结构与原理入手，着重对系统的 硬件部分与软件部分实现流程，包括晶闸管触发电路板和控制管理系统、监视控 制系统的构成进行详细阐述。其中硬件部分，采用电子电路图设计为主进行分析 描述，包括原理说明，元件器选型的原则，实验效果等方面。系统的软件部分以 实时监控、故障检测、电压控制、功率因数控制为目标提出系统软件设计的实现 方式与程序设计流程。 最后，进行取能回路仿真、触发实验、滤波器研究与设计，并针对所提控制 方法进行仿真及实验验证，证明所设计系统的可行性。 关键词：高压静止无功补偿器；无功补偿；晶闸管触发板；控制管理系统；监视 控制系统 a b s t r a c t e l e c t r i c a le n e r g yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te n e r g y i nh u m a nl i l e ，柚dg e t s m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n e s p e c i a l l yi n r e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e r i to f a d v 明c e dt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , p e o p l ep u t t ot h ed e m a n d a b o u te l e c t r i c a le n e r g yb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r ，a n dt h ed a m a g e t h a tp o w e rq u a l i t y r e s u l t si ni sm o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g s u c ha sh a p p e n e d i nt h eg r i dv o l t a g e ，c u r r e n t ， v o i t a g ei n s t a b i l i t y , d i s t o r t i o nf l i c k e r a n du n b a l a n c e dt h r e e 。p h a s ep r o b l e m sa l w a y s a p p e a r s o ，r e s e a r c h i n gp o w e rq u a l i t yc o n t r o lt e c h n o l o g yh a s a ni m p o r t a n ts l g n l n c a n c e ， w h i c hi st og u a r a n t e et h es t a b i l i t ya n di m p r o v ep o w e rg r i dp o w e re f f i c i e n c yh a sv e r y i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e s t a t i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r ( s v c ) w i t hi t ss u p e r i o rp e r f o r m a n c e ，w h l c h a c t sa st h e m a i nd e v i c eo fe l e c t r i cp o w e rt r a n s m i s s i o nw i t hi m p r o v i n gp o w e r q u a l i t y a n de n s u r i n gt h er e l i a b i l i t y ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo fd y n a m i cv o l t a g es u p p o r t 锄d r e a c t i v ec o m p e n s a t i o ni np o w e rs y s t e m - a l t h o u g h i nm o d e mp o w e rs y s t e m ，h ig h v o l t a g e s t a t i c r e a c t l v e p o w e r c o m p e n s a t o r h a sb eu s e dw i d e l y ， b e c a u s ee a c hd e v i c em a n u f a c t u f e r s p f o d u c t s t m c t u r ea n dr e a l i z a t i o nw a yi sv a r i o u s l y , c o m p e n s a t o rp r a c t i c a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y a l s oi sd i f f e r e n t i no r d e rt 0o b t a i nt h eb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dm o r e r e a s o n a b l es y s t e ms t m c t u r e ， o nt h eo n eh a n d ，i nt h i sp a p e r , i tm a k e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fh l g h - v o l t a g e s t a t i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o ra sm a i nc o n t e n t s ，w h i c hi n v o l v er e s e a r c h i n g t h e s i g n i f i c a n c e a n dp r i n c i p l eo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ， c o m p a r l n gk l n d s o f a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n a n dc o m p e n s a t l o n m e t h o d s s ， a n dp r o p o s i n gt h ef e a s i b l i n gs y s t e m s t r u c t u r eo fh i g h 。v o l t a g e s t a t l c r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r , a sw e l la sa n a l y s i s i n gt h ep r o p o s e d s t r u c t u r ea n d p r i n c i p l e 0 nt h eo t h e rh a n d ，6 k v sh i g h v o l t a g es t a t i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o rd e s l g n i st a k e na se x a m p l ea n dp r o p o s e dt h ed e t a i l e dd e s i g ni d e a s a n dm e t h o d s f r o mt h e s v s t e md e s i g n ，t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f e a c hp a r t ，i t f o c u s e so nt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo fr e a l i z a t i o np r o c e s so fr e s e a r c h e ds y t e m ，w h i c hi n c l u d et h y r l s t o rt r l g g e r b o a r da n dc o n t r o lm a n a g e m e n ts y s t e m ，a sw e l l a st h es t r u c t u r eo ft h em o n i t o r i n g c o n t r o ls y s t c m a m o n gt h eh a r d w a r ed e s i g np a r t ，t h ed e s i g no f h a r d w a r ec o m p o n e n t s i i i o fe l e c t r o n i cc i r c u i t i sg i v e n ，w h i c hi n v o l v et h ed e s c f i p t i o n o f p r i n c i p l e o p t l o n p r i n c i p l e so fc o m p o n e n t s ，a n de x p e r i m e n t a l e f f e c t s i nt h es o f t w a r ep a r t o f s y s t e m , t h e ；m p i e m e n t a t i o nw a y sa n dp r o c e d u r e sd e s i g np r o c e s s f o rr e a l t m em o n i t o n n g ，士。a u l t d e t e c t i o n ，v o i t a g ec o n t r o la n dp o w e rf a c t o rc o n t r o l i sp r o p o s e dl nt h l ss e c t l o n f i n a l l y i nt h i sp a p e r ， s i m u l a t i o no fc a nl o o pa n dt r i g g e re x p e n m e n t a sw e l la s f n t e rd e s i g n 盯et a k c n ，a n di n a l l u s i o nt ot h ep r o p o s e d c o n t r o lm e t h o dt o ? s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta b o u tt h ep r o p o s e d c o n t r o lm e t h o da r ec a 玎i e do u t 士o r s h o w i n gt h ev a l i d i t yo ft h ed e s i g n e ds y s t e m k e y i v 泓 锄 肌对 盯 要 曲 姐c 吼 唱唧：萋 c 帆 盯 m v 瞒墨= c 腮哳 c 吨 撕 倒 萨矾 竺 m i = 戤吖 ? 硕士 目 学位论文原创性声明和学位论文版权使 摘要 a b s t r a c t 插图索引 第l 章绪 论1 1 1 无功补偿的意义及现状1 1 1 1 无功补偿的意义1 1 1 2 无功补偿技术的分类及发展状况2 1 2 本文所做的主要工作3 第2 章高压静止无功补偿器的理论与结构研究4 2 1 高压静止无功补偿器的基本结构与原理4 2 1 1s v c 的结构与原理4 2 1 2t c r 的原理5 2 2 高压s v c 整体设计6 2 2 1t c r 主回路的设计7 2 2 2t c r 控制系统设计8 2 3 本章小结9 第3 章高压静止无功补偿器晶闸管触发板设计1 0 3 1 高压静止无功补偿器晶闸管触发板原理1 0 3 1 1 晶闸管触发板系统原理l l 3 1 2 晶闸管触发板的研究现状1 2 3 2 高压静止无功补偿器晶闸管触发板设计1 4 3 2 1 取能回路设计1 4 3 2 2 电源转换电路设计1 5 3 2 3 电源监测回路设计15 3 2 4 电压检测电路设计1 6 3 2 5 逻辑回路设计1 7 3 2 6 晶闸管触发回路设计一2 2 3 2 7 光电信号转换电路2 3 3 2 8 静态均压及b o d 保护电路设计2 4 3 2 9d u d t 回路设计一2 5 v 3 3 本章小结 第4 章高压静止无功补偿器 4 1 高压静止无功补偿器监控管理系统的结构功能2 8 4 2 控制管理系统设计发展现状及原理2 8 4 2 1 控制管理系统设计思路与方案2 9 4 2 2 控制管理系统接口电路板设计3 0 4 2 3 控制管理系统d s p 控制器的设计3 3 4 2 4 控制管理系统软件设计。3 4 4 3 高压静止无功补偿器监视控制系统基本结构功能。3 7 4 3 1 监视控制系统基本结构及硬件构成3 7 4 3 2 监视控制程序设计流程3 7 4 4 本章小结3 9 第5 章高压静止无功补偿器的滤波器设计及应用实验4 0 5 1 滤波器的设计4 0 5 2 基于粒子群算法与神经网络的p i d 调节器在高压s v c 中的应用4 3 5 2 1s v c 控制器基本结构4 3 5 2 2 改进粒子群优化算法基本原理4 4 5 2 3 基于粒子群算法与神经网络的控制器参数优化算法4 5 5 2 4 仿真及实验结果4 7 5 3 取能回路仿真与实验：4 9 5 4 触发及控制回报性能实验5 3 5 5 本章小结5 4 总结与展望5 5 参考文献_ 5 7 致 谢6 l 附录a 攻读学位期间获得的研究成果6 2 硕 插 图2 1 静止无功补偿器分类4 图2 2t c r 基本结构5 图2 3 高压s v c 整体结构图6 图3 1 晶闸管触发板位置结构图1 0 图3 2 晶闸管触发板结构图。1 0 图3 3 脉冲控制方式1 3 图3 4 取能回路原理图l4 图3 5 电源转换电路1 5 图3 6 电压监测回路1 6 图3 7 电压检测电路设计1 7 图3 8 逻辑电路结构原理图1 9 图3 9 晶闸管触发回路2 3 图3 1 0 光电转换电路图2 3 图3 1 l 静态均压及b o d 保护电路图2 5 图3 1 2d u d t 检测电路原理图2 6 图3 1 3 晶闸管触发板实物图2 7 图4 1 监控管理系统结构图? 2 8 图4 2 控制管理系统原理图一2 9 图4 3 过零检测电路原理图3 1 图4 4 功率转换电路原理图3 2 图4 5 信号发送电路。3 2 图4 6 信号接收电路3 3 图4 7d s p 控制板实物图一3 3 图4 8 控制管理系统软件流程图。3 6 图4 9 监视控制系统实物图3 7 图4 1 0 监视控制系统软件流程图3 8 图4 1 l 控制界面图3 8 图5 1 高压静止无功补偿器实物图4 0 图5 2 滤波效果仿真图4 2 图5 3 滤波实验效果图4 3 图5 4s v c 电压稳定控制框图4 3 v i i 高压静止无 图5 5 控制算法的控制框图 图5 6b p 神经网络结构 图5 7 平衡负载下系统电压波形 图5 8s v c 接入公共点电压响应曲线 图5 9u s 对取能回路影响仿真图 图5 1 0r 、c 对取能回路影响仿真图 图5 1 l 负载对取能回路影响仿真图 图5 1 26 k v 电压取能回路仿真一 图5 1 3 触发与控制脉冲波形图 第1 章绪论 电力能源是人类生活中最重要的能源之一。近年来，随着工业的不断发展， 科学技术日新月异，高新技术尤其是信息技术的飞速发展，使得现代社会对电能 的依赖程度越来越大。但是随着工业化带来的电力系统感性负荷的大量增加，使 得电力系统的稳定性经受了巨大的考验。 电能质量造成的问题，如电网中的电压，电流发生畸变，电压不稳，闪变和 三相不平衡的问题时有出现。因此，进行电能质量控制技术的研究迫在眉睫，对 于保障电网稳定，提高电网的利用效率具有十分重要的现实意义【l _ j 。 作为近年来柔性交流输电技术的主要装置一静止无功补偿器( s v c ) 以其优 越的性能，在电力系统动态电压支撑和无功补偿方面发挥了重要的作用，其主要 用于补偿供电网络的无功、改善不平衡度、抑制电压闪变方面等，因此s v c 得到 了广泛的应用。 目前，国内外在对电能质量方面的研究大多集中在固定容量的无功补偿的技 术研究，虽然发达国家固定容量电容器的自动投切率已达9 0 以上，但大多数国 家包括我国企业就地无功补偿补偿装置多采用分散的控制，易引起反复调节。因 此，固定容量无功补偿技术急需进行技术改进，大力发展动态无功补偿技术，满 足人们对电力能源的要求。动态无功补偿装置目前有s v c ，s t a t c o m ，但大容 量的s t a t c o m 成本较高，在设计和广泛工程应用上存在困难。 s v c 以其低廉的价格，优越的性能，在电力系统动态电压支撑和无功补偿方 面发挥了重要的作用，其主要用于补偿供电网络的无功、改善不平衡度、抑制电 压闪变方面等，因此s v c 的研究也成为热点。特别是在电力系统中，高压静止无 功补偿器更是得到了广泛应用。 1 1 无功补偿的意义及现状 1 1 1 无功补偿的意义 无功功率对于电力系统的稳定运行是十分重要的。但是电网中的许多元件， 如线路阻抗，感性负荷都是需要消耗无功功率，这就造成了许多由于无功功率引 起的问题。首先，无功功率的增加会使线路和设备的损耗增加，不利于电力网络 的经济运行。其次，无功功率的增加会使诸如发电机等电力设备的容量增大，势 必加大电力网络的投资成本。再有，当电网提供的无功容量不足或过剩都会引起 负荷端的电压降低或是升高，影响人们正常的生产和生活用电。可是，如果电网 高压静止无功补偿器的研制 中所需的无功功率都由发电机提供是不合理的”】，这是因为首先如果无功功率的 增加，会导致变压器和发电机及其他电气设备容量增加了系统成本；其次，无功 功率的增加会加大电力设备的损耗；再有，系统电压产生波动许多情况下是由无 功功率的变化引起的。由此可知，无功功率的传输对电网稳定性及经济性运行会 产生很大影响，所以若要解决电网中的无功需求设备的无功功率需要的问题，最 经济合理的方法是在需要无功功率的地方发出无功功率。 无功补偿可以分为系统补偿和负荷( 包括配电网) 补偿。系统补偿的主要是 为了提高输电网的传输容量、改善电网的稳定性；负荷补偿的主要是为了提高系 统的功率因数和供电质量、减少线路损耗等【6 以们。 1 1 2 无功补偿技术的分类及发展状况 从无功补偿的发展历史来看，经历过同步调相机、并联电容器、饱和电抗器、 静止无功补偿器、静止同步补偿器等几个发展阶段。随着电力电子技术的不断发 展，无功补偿装置以向快速性、低损耗、高可靠性方向发展，这里，仅就近年来 电力系统应用研究最多的静止无功补偿器和静止同步补偿器做一个简单介绍。 ( 1 ) 静止无功补偿装置( s v c s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) ，作为一种动态无 功补偿装置，s v c 使得如电抗器和电容器等器件的动态响应速度明显加快，而且 可以实现频繁投切。s v c 的主要结构有晶闸管投切电容器( t s c ) 和晶闸管控制 电抗器( t c r ) 、t c r + t s c 、t c r + m s c ( 晶闸管控制电抗器与机械投切电容器混 合使用的装置) 等1 1 1 1 6 】。 目前，t c r f c 型静止无功补偿装置得到了最为广泛的应用，因为装置中的 f c 具有较好的滤波效果，不但能滤除t c r 本身产生的谐波，还能滤除负荷波动 产生的谐波；t s c 型补偿器主要补偿系统的容性无功。t c r t s c 型补偿器由t s c 提供容性无功，t c r 提供可调感性无功，我国已成功应用了这种类型补偿器【1 7 1 。 经过几十年的不断发展，s v c 在国内外已是相对成熟的技术。在我国，工业 经济的发展，特别是电网的发展，对于自动化的无功补偿装置的需求越来越旺盛。 生产s v c 的厂家也得到了很大的发展，例如位于辽宁鞍山的荣信电力电子公司就 是国内s v c 的著名生产厂家，国内s v c 的技术水平不断提高。 但是，s v c 的研究与开发关键要完成对系统及电子线路进行计算机仿真，并 且进行电子技术的开发和测试、其光电触发、状况回报、系统管理等关键技术， 需要进一步的研究与改进，并且向着高电压、大电流、大容量的方向发展。为此， 本文就以6 k v 的高压s v c 的研制为例，提出一套新的s v c 研制方案。 ( 2 ) 静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，s t a t c o m ) ，是 一种基于脉宽调制技术的静止无功补偿装置【1 8 以1 1 。这种装置与s v c 相比，具有 需要的元器件体积小【2 2 以5 1 ，既可以补偿感性无功也可以补偿容性无功，且有较高 2 硕士学位论文 的动态性能的优点。此外，s t a t c o m 使电流以正弦波输出 2 6 2 5 】，不仅能够补偿 无功而且能够抑制电压跌落或闪变、补偿电压不平衡，因此得到了广泛的关注。 虽然s t a t c o m 作为电力系统无功补偿装置的最新技术，近年来取得了一定 的研究成果，但是由于受制于s t a t c o m 的经济性、装置容量、技术现状、可靠 性等问题，距离大规模应用还尚需时日，所以对现有的s v c 技在现有的技术基础 上，研制更先进的s v c 更有现实意义。 1 2 本文所做的主要工作 本文以6 k v 高压静止无功补偿器为例，对高压静止无功补偿器进行研究，提 出设计方案，并以研制的装置为实验平台，进行电压控制、功率因数控制实验， 具体章节安排如下： 在第2 章，介绍高压静止无功补偿器基本结构及原理，包括装置整体结构， 各个部分实现功能与分类，分析各部分的各种类型的优劣，提出较好的系统结构。 在第3 章，文章将对高压静止无功补偿器的晶闸管触发板的设计进行说明。 本章将首先对晶闸管触发板的组成与工作原理进行说明，其中包括对现有的取能 回路、光电触发系统的分类进行介绍。此外，将以晶闸管触发板各个部分的设计 为核心进行说明，其中包括取能回路、电源转换电路、电压检测电路、晶闸管触 发电路、逻辑电路、光电转换与回报电路、b o d 保护电路、静态均压电路的详细 设计思路与器件选型原则。 在第4 章，文章将对高压静止无功补偿器的控制管理系统电路和监视控制系 统进行设计。本章分别对控制管理系统电路和监视控制系统进行设计说明，其中 控制管理系统电路系统包括接口电路、软件系统进行设计，其中接口电路包括电 压过零检测电路、信号接收电路、信号发送电路的设计思路与元器件选型原则； 软件系统设计以系统整体功能实现为目标进行说明。监视控制系统将以界面设计 为主要内容进行说明。 在第5 章，将对取能回路、触发回路、b o d 保护电路等关键部分进行仿真实 验，验证所设计方案的有效性与实用性。此外，将提出一种基于神经网络粒子群 优化算法的p i d 控制，以电压跌落为控制目标，分析高压静止无功补偿器的控制 性能。 总结和展望，对所作工作做了总结，同时指出了工作不足和下一阶段的研究 方向。 3 高压静止无功补偿器的研制 第2 章高压静止无功补偿器的理论与结构研究 2 1 高压静止无功补偿器的基本结构与原理 2 1 1s v c 的结构与原理 静止无功补偿器按结构可以分为晶闸管控制电抗器( t c r ) 、晶闸管投切电容 器( t s c ) ，按使用类型可分为【5 】：t c r + 固定电容器( f c ) 、t c r + t s c m s c ( 机 械投切电容器) 等三种，如图2 1 所示。 l 3 ( a ) t c r ( c ) t s c ( b ) t c r + f c l 3 t c r t s c ，m s c 图中s 代表机械 断路开关或晶甲j 管 ( d ) t c r + t s c i m s c 图2 1 静止无功补偿器分类 下面分别对上面的各类型进行介绍： ( 1 ) t c r ，即晶闸管控制电抗器。其结构如图2 1 ( a ) 所示，即主要由两个 反并联的晶闸管与电抗器相串联。其基本原理就是通过调节触发角口来控制实际 接入到电网中的等效电纳。触发角口的移相范围是9 0 度18 0 度，当口为9 0 度时， 4 容器。与f c 一样，t s c m s c 与t c r 联合使用时，可以使补偿器的总体无功电 流偏置到可吸收容性无功的范围内。 2 1 2t c r 的原理 目前，s v c 的应用较为广泛，在冶金、石化、电力行业的电力系统的高低压 侧都有使用，例如在低压配电网t s c 被用来提高功率因数。在高压电力系统中， t c r + f c 与t c r + t s c 也有应用。由于t s c 、f c 的研制较t c r 来说较为简单， 故而本文着重针对高压s v c 中的t c r 进行讨论，对t s c 、f c 的研制只做简略介 绍。 从上节的讨论可知，t c r 就是晶闸管控制电抗器，通过改变触发角控制投入 到电网中的电感量，进而达到吸收感性无功的目的。对其的作用原理，具体分析 如下： t c r 的基本结构如图2 2 所示。当这两个晶闸管两端加上交流电压u s 时，在 电影的正负半波给t 1 和t 2 分别发触发脉冲，触发其导通。 u s t l 图2 2t c r 基本结构 晶闸管的门极触发脉冲的触发时刻，通常以触发角来量化，即触发角以其两 端之间电压的过零点时刻作为计算的起点。t c r 触发角的可控范围是9 0 0 1 8 0 。 通过控制晶闸管的触发延时角，可以调节流过电抗器的电流，使晶闸管在关断到 5 高压静止无功补偿器的研制 晶闸管全导通之间变化。 t c r 电流的基波分量有效值可以表示为 l l ( a ) = 4 2 u b , r c r ( a ) ( 2 1 ) 其中，u 为电源电压的有效值。这里将万定义为导通角，且万= 2 万一2 c t 。 b t c r ( 仪) = b 眦( 2 一孕+ 三s i n 2 0 ) = b m a x ( 警 ( 2 2 ) 从上述的分析可知，调节t c r 的作用可以看成一个可变的电纳，通过改变触 发角就可以改变电纳值，进一步改变基波电流，从而吸收感性无功。 此外，当其触发角超过9 0 0 以后，电流变为非正弦的，随之就产生谐波。谐 波可以通过傅里叶分析得到。谐波有效值与口的关系可以用下式来表达： i n 一旦c o l 兰 墅专萨 3 ) 一l 谣面一i “j 夕 这里的n 代表第n 次谐波，且n 为大于3 的正整数。 所以，当仅有t c r 在电网中工作时必然产生谐波，必须有相应的滤波装置， t s c 及f c 在发挥无功补偿功能的同时，也能进行对t c r 产生的谐波进行滤除， 其滤波作用，在第5 章将具体介绍。 2 2 高压s v c 整体设计 由前面的分析可知，t c r 通过改变导通角，进行电纳控制，进而达到无功补 偿的目的。如何控制t c r 特别是高电压情况下准确的捕捉电压过零点，并及时改 变导通角，达到改变导纳值成为t c r 工作的重点。为此，根据高电压环境下的实 际工况，本文提出的高压s v c 的结构如图2 2 图2 3 高压s v c 整体结构图 6 则： x ，：上c r - s i n o 。 l ) 万 额定电抗为： k 2鲁坐=0573x7鲁圳引4 c 欧姆， l p n lp n 电抗器的电感值为： y 三：丑：3 2 8 4 ( m h ) j 2 氕l 每相主电抗器由两个干式空心串联电抗器组成，每个电抗器的电抗值为： 厶= 厶= 丢上= 1 6 4 2 ( m h ) 考虑到实验室的试验条件的限制，将s v c 的容量改为2 0 0 k v a r ，从而可以计 算出，每个电抗器的电抗值为厶= 2 = 丢三= 0 8 6 ( - ) ，如：1 1 1 l ( a ) 。 根据上述的计算结果，我们可以选择额定电压6 5 0 0 伏晶闸管反并联进行实 验。 高压静止无功补偿器的研制 ( 2 ) 晶闸管串联个数选择 根据技术规范要求，可以选择晶闸管阀的承受电压为工况下电压峰值的2 5 倍。电压可靠性系数为： 知= 面n s v t x 虢t2 老霈圯5 ，n s 3 2 1 且阀组的冗余度至少应为1 个，于是这里选择5 个晶闸管串联的形式。 k p x1 1 0 0 6 5 基本参数： 肼= = 6 5 0 0 v 鲥= = 6 6 0 0 v i d 咖= i 兑刚= 3 0 0 m a ( a v w = 1 1 7 0 a ( 嬲) = 1 8 4 0 a i r a u = 1 8 7 k a k 删= 1 5 0 v r r = 0 6 5 6 m f f 2 晶闸管额定电流的选择可以通过下式进行计算： i n i = l 阳- 5 x 鱼丘 万 这里的5 代表5 倍的裕量，经过计算可以得到，枷= 2 5 a ，选择的晶闸管符合 电流要求。 2 2 2t c r 控制系统设计 控制系统包括晶闸管触发板、控制管理系统、监视控制系统及其传输介质等。 具体介绍如下： ( 1 ) 晶闸管触发板主要承担晶闸管的触发与状态检测，包括取能回路、电 源转换电路、电压检测回路、逻辑判断回路、晶闸管触发电路、光电转换与回报 电路、b o d 保护电路、静态均压电路。 ( 2 ) 控制管理系统主要承担触发及状态检测脉冲的生成与接收，主要包括 信号接口电路和d s p 控制器回路。接口电路板进行信号接收与反馈，d s p 控制器 担任信号处理与发送的指挥角色。 ( 3 ) 监视控制系统，进行系统状态显示及状态数据的发送。包括工控机与交 换机等硬件设备。工控机显示系统状态信息，并发送控制信号；交换机将信号进 行分配传输给控制管理系统板。 8 系统 系统 2 3 等类 高压 包括 提出 传输 9 高压静止无功补偿器的研制 第3 章高压静止无功补偿器晶闸管触发板设计 3 1 高压静止无功补偿器晶闸管触发板原理 高压静止无功补偿器( s v c ) 晶闸管触发板是高压s v c 的中具有晶闸管触发 与状态检测功能的部分。该部分所处具体位置结构图如图3 1 所示2 9 】： 图3 1 晶闸管触发板位置结构图 如图3 1 所示，晶闸管触发板的功能简单可以概括为与控制管理系统进行信 号交换，实现对进行晶闸管的监测与控制。晶闸管触发板并联在晶闸管的两端， 对晶闸管的状态进行监测并将控制管理系统板发送上来的指令转换为控制信号， 对晶闸管进行控制。根据其功能，可将晶闸管触发板分为如图3 2 的几部分。 图3 2 晶闸管触发板结构图 1 0 硕士学位论文 图3 2 的七个方框图就是晶闸管触发板的主要的组成部分，下面将对这几个 部分的结构功能进行详细说明。 3 1 1 晶闸管触发板系统原理 晶闸管触发板主要承担晶闸管的触发及状态检测的任务，其结构可分为： ( 1 ) 取能回路。由于晶闸管阀组两端接的是上千伏的高电压，所以没有现成 的低电压供晶闸管触发板使用。这是因为，晶闸管触发板由若干个电子芯片及小 功率的元器件组成，而这些元器件要正常工作，必然需要电压为较低幅值的电源 为其提供能量，例如c m o s 芯片的工作电压都是在几伏或是十几伏电源电压以 下，而晶闸管触发板是并联在晶闸管两端，缺少现成的低电压对芯片直接供电， 故而就需要考虑设计这样的电路出来以满足芯片的要求。为此，取能回路的功能 就是将晶闸管两端的高电压“取 来，并进行相应转换，转换为适合元器件工作 的工作电源电压。 ( 2 ) 电源转换电路。顾名思义，此电路就是将取能回路“取 来的电压转换 为更低幅值的电压，以供其他耗能元器件的使用。 ( 3 ) 电源监测回路。取能回路是否正常取能，电源转换电路是否正常转换， 必须采取一定的措施进行监测，而电源监测电路就是实现这一目的的。 ( 4 ) 晶闸管触发电路。晶闸管触发板的一个重要功能就是将控制系统发来的 触发命令转换为触发脉冲对晶闸管进行触发，此电路就是实现这个功能，它将接 收到的触发命令转换为具有一定宽度的脉冲信号发送给晶闸管的门极，实现触发 功能。 ( 5 ) 静态均压及b o d 保护电路。由于工艺误差的原因，造成每个晶闸管自 身阻抗不一致，这就会导致各个晶闸管自身承受的电压不一样，如果对于某单个 晶闸管承受的电压超过自身所能承受的电压就会将其击穿，造成其损坏。所以就 需要在晶闸管两端并联相同的电阻，实现即使不在触发的情况下，即静态时，使 各个晶闸管所承受的电压保持相等，从而达到保护晶闸管的目的。再有，如果由 于某一个晶闸管发生了损坏，导致其不能正常触发，而与其串联的晶闸管都成功 触发，这样阀组的电压全部加在了这一个晶闸管上，这时，就需要有一个强制触 发的电路实现其触发功能，b o d 保护电路就是实现这一功能。 ( 6 ) 电压检测电路。要实现晶闸管的正常触发，一方面要有触发脉冲，另一 方面要对触发的时刻进行限制，即要保证当晶闸管两端电压低于一定值时不能触 发，这是因为，晶闸管的触发角与触发电压两端的关系是个非线性的，各个晶闸 管由于本身特性不完全相同，如果触发角过大，就会导致有些晶闸管可能导通， 但同时有些晶闸管不能导通，这样全部的电压将会加在不导通的管子上。为此， 需要对晶闸管的触发角进行限制，因此在软件限制的同时，在硬件上使晶闸管两 高压静止无功补偿器的研制 端电压低于一定的值时不能触发，以其达到保护的目的。此外，由于触发的信号 传送到触发板之后，为了可靠的进行触发，必须对其进行处理，这样就需要制定 一定的时序，使其在低于一定电压值时，不能进行触发。基于以上两个原因，电 压检测电路就是