（电气工程专业论文）静止无功补偿器的研究.pdf

江苏犬学挈硕七学位论文 摘要 随着电力电子整流、换流技术和大功率晶闸管装置在各种电气设备中的广泛应 用，谐波和无功问题在电力系统中已日趋严重，影响了电网的安全运行和广大工农业 生产的正常用电，抑制电网谐波和无功补偿成了一个紧迫的课题。 论文对目前公共电网补偿使用最为广泛的静止无功补偿的基本理论及装置结构 进行了深入分析，研究了无功功率检测的理论和方法。 作为静止无功补偿装置的重要部分，l c 滤波器中的电容器和电感线圈的参数， 在运行过程中会因周围温度的变化、自身发热和电容器绝缘老化等影响而发生变化， 在安装和调试过程中会存在误差，从而使实际参数和相应的谐振频率偏离设计值，导 致滤波器失谐，这就要求对滤波器进行优化设计。论文利用混沌的遍历性，用改进的 遗传算法对无源滤波器进行优化，实例仿真证实了该方法的可行性。 论文最后构建了基于t m s 3 2 0 c 3 2d s p 的实验平台，研究了设计系统的硬件实现 方案和软件实现方案。 关键词：静止无功补偿，检测，遗传算法，无源滤波器，优化设计 静一犁无功补偿器的研究 a b s t r a c t w i t ht h ef a r - r a n g i n g a p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i c s r e c t i f y i n g a n dc o n v e r t i n g t e c h n o l o g ya n dh i g hp o w e rt h y r i s t o rd e v i c ei nv a r i o u sk i n d so fe l e c t r i ce q u i p m e n t s ，t h e p r o b l e mo fh a r m o n i c sb e c o m e sm o r ea n dm o t es e r i o u s t h eh a r m o n i c sp o l l u t i o na f f e c t s t h es a f eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e ma n dt h en o r m a ls u p p l yo fp o w e ri nt h ei n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r e i tb e c o m e sap r e s s i n gt a s kt os u p p r e s s i o nh a r m o n i c so fp o w e r n e t w o r ka n dt o r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t h i sp a p e rf u r t h e rd i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l ea n di t se q u i p m e n ts t r u c t u r eo ft h es t a t i c v a rc o m p e n s a t o rw h i c hi sm o s tf a r - r a n g i n g l yu s e dt oc o m p e n s a t ep u b l i cp o w e rn e t w o r ks o f a r a n dt h er e a c t i v ep o w e rd e t e c t i o nt h e o r ya n di t sr e a l i z a t i o nm e t h o da r es t u d i e d l cf i l t e ri st h ei m p o r t a n tp a r to fs v c t h ep a r a m e t e r so fc a p a c i t o ra n di n d u c t i v e w i n d i n go fl cf i l t e rc h a n g ed u r i n go p e r a t i o nw i t l lt h ec h a n g i n gs u r r o u n d i n gt e m p e r a t u r e 。 t h es e l f - h e a t i n ga n dt h ei n s u l a t i o na g e i n go fc a p a c i t o r , e r e s od u r i n gi n s t a l l a t i o na n d d e b u g g i n g ，t h e r ei s e r r o rt h a tm a k e sa c t u a lp a r a m e t e r sa n dc o r r e s p o n d e n th a r m o n i c o s c i l l a t i o nf r e q u e n c yd e v i a t ed e s i g n e dv a l u ea n dr e s u l t si nf i l t e rd i s a r r a n g e m e n t s ot h e d e s i g no ff i l t e rm u s tb eo p t i m i z e d i nt h i sp a p e r , b a s i cg e n e t i ca l g o r i t h mi si m p r o v e da n d u s e dt oo p t i m i z et h el cf i l t e rb a s e do nt h ee r g o d i cp r o p e r t yo f c h a o s e x p e r i m e n tp l a t f o r mb a s e do nt m s 3 2 0 c 3 2d s pi sb u i l d e d t h es c h e m eo fs y s t e m i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei ss t u d i e d k e y w o r d s ：s t a t i c r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n ；d e t e c t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；r e a c t i v ef i l t e r ； o p t t m t z a t i o nd e s i g n 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密匝扩 学位论文作者躲李姚。 签字日期：万年f 二月刃日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 庐况人吖 l 签字日期：一卅年f l 月p 日 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名，挑玉 日期：碑i v 月沙日 江苏大学1 稃硕十学伊论文 1 1 本文的研究背景 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置日益广泛的应用，电力系 统中的谐波污染问题也越来越严重，而大多数电力电子装置功率因数较低，也给电网 带柬额外负担，严重影响供电质量。因此谐波问题和无功功率问题对电力系统和电力 用户都是十分重要的问题，谐波抑制和无功功率补偿已经成为电力电子技术和电力系 统等领域所面临的一个重大课题，引起人们越来越多的关注，成为近年来各方面关注 的热点之一1 1 埘。 解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题不外乎两种途径：一种是装 设补偿装臀，如有源滤波器、无功功率补偿器等，设法对谐波进行抑制和对无功功率 进行补偿；另一种是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波同时也不消耗无 功功率，或根掘需要对其无功功率进行调节。其中后一种措施需要对现有的电力电子 设备进行大规模的改造和更新，其代价巨大，并且只适用于作为主要谐波源的电力电 子装置，因此有一定的局限性。相比较而占，前一种措施则适合用于各种谐波源和所 有低功率因数的设备，实施起来方法简单，已经得到应用，并且应用前景十分广阔。 传统的补偿无功功率和谐波的主要手段是设置无功补偿电容器和无源滤波器，这 种方法结构简单，既能抑制谐波，又可以补偿无功功率，一直以来得到了广泛的应用。 但这种方法的主要缺点是它们的补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易于和系统发 生并联谐振；此外它们只能补偿固定频率的谐波，难以对电网动态变化的无功功率和 谐波进行有效的补偿。 传统的无功功率动念补偿装置是同步调相机( s c s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ) ，自二 三十年代以束的几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中，一度发挥着主要 作用。然而由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都很大，运行维护复杂，而且响应速 度慢，在很多情况下已经无法适应快速无功功率控制的要求。7 0 年代以来，同步调 相机丌始逐渐被s v c 所取代，目前有些国家甚至已经不再使用同步调相机。早期的 静止氆无功补偿器的研究 静止无功补偿装冒是饱和电抗器( s r s a t u r a t e dr e a c t o r ) 型的，1 9 6 7 年英国g e c 公 司研制了世界第一批该种装置。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点， 相应速度快；但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在 非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静 止无功补偿装胃的主流。 然而随着电力系统的发展，对无功功率和谐波进行快速动念补偿的需求越柬越 大；7 0 年代以来，现代电力电子技术的出现和发展为谐波和无功功率装置的动态控 制提供了可能；近几十年来电力电子技术在电气拖动领域中的广泛应用，积累了大量 的应用经验，技术上也只趋成熟。正是在电气拖动领域中得到广泛应用的相控技术， 脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n - - p w m ) 技术和四象限变流技术为各种形式 的静止无功功率补偿装晋和有源滤波器提供了原型。静止型无功补偿装胃丌始逐步走 上无功补偿的历史舞台。 晶闸管获得广泛应用以后，以晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r - - t c r ) 和晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r - t s c ) 为代表的静止无功补偿 装w ( s v c s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 有了长足的发展，可以对变化的无功功率进行动态 补偿【“。 近十几年来，电力电子器件也由不可控器件、半可控器件及全控器件发展到智能 化的功率器件。这些新型器件的出现，使得电力电子变换电路本身及其控制系统产生 了巨大的变革，从传统的以整流为主的电力电子技术跨入了以直流逆变成各种频率的 交流为主的逆变时代，从而为各种形式的变流器在交流系统中的应用提供了可能。 8 0 年代以来，随着电力电子技术的进一步发展以及瞬时无功功率理论的提出，一 种更为先进的静止无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的新型静止补偿 器( s t a t c o m 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 ) 。在谐波抑制方面，则出现了电力 有源滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r - - a p f ) ，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电 流，由补偿装置产生一个与该谐波大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流 只含有基波分量。这在基本原理上和新型静止无功补偿装置是相同的。 近年来，随着以g t o 、i g b t 和i g c t 为代表的全控型器件向大容量和高频化化 发展【5 叫，采用电力电子技术的各种新型有源补偿装置发展非常迅速，新近出现的新 型静止无功功率补偿装置，链式结构s t a t c o m ，摈弃了常规s t a t c o m 的多重化变 江苏大学t 稃硕士学位论文 压器，在体积、性能等诸方面显著优越于常规的装置。 1 9 8 6 年美国电力科学研究院( e p r i ) n g h i n g o r a n i 博士提出了f a c t s ( f a c t s - f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 的概念，它是基于电力电子技术改造交流输电的 系列技术，其对交流电的无功( 电压) 、电抗和相角可以进行控制，从而能有效提高 交流输电系统的安全性和稳定性，使传统的交流输电系统具有更高的柔性和灵活性， 使输电线路得到充分利用，以满足电力系统安全、可靠、经济运行的目标。f a c t s 技术已经得到了极大的发展，相继出现了多种f a c t s 设备。实际上s v c 、s t a t c o m 、 a p f 、统一潮流控制器( u p f c - - u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) 以及可控串连补偿器等 都属于“柔性交流输电系统”中的元件。f a c t s 技术( 包括系统应用技术及控制器 技术) 已被国内外的一些权威性的输电技术研究者和工作组称为“未来输电系统新时 代的三项支撑技术( f a c t s 技术、先进的控制中心和综合自动化技术) 之一”，或是 “现代电力系统中的三项具有变革性影响的前沿性课题( 柔性输电技术、智能控制、 基于全球卫星定位系统( g p s ) 的新一代动态安全分析与检测系统) 之一”。 1 1 2 静止无功补偿的发展趋势 随着电力电子技术的同新月异以及各门学科的交叉影响，静止无功补偿的发展趋 势主要有以下几点： ( 1 ) 在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿 控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化的 问题。 ( 2 ) 快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以 满足工作条件较恶劣的情况( 如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合) 。随着计算机 数字控制技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法， 如模糊控制等。数字化( 微机控制) 的调节器也将逐步取代传统的模拟调节器。 ( 3 ) 目前无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到晶闸管耐压水平 的限制，是通过变压器降压接入的，如用于电气化铁道牵引变电所等。研制高压动态 无功补偿的装置则具有重要意义，关键问题是要解决补偿装置晶闸管和二极管的耐 压，即多个晶闸管元件串联及均压、触发控制的同步性等。 ( 4 ) 由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。随着电力电子技术 静j 型无功补偿器的研究 的发展和电力电子产品的推广应用，供电系统或负荷中含有大量谐波。研制开发兼有 无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑 制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。 现在s v c 已成为一种有效的无功功率控制手段。s v c 对于电弧炉、轧机等波动 性负荷的补偿技术已r 趋成熟，基本实现国产化。电力系统和电气化铁道等应用领域 还有待于丌发，提高s v c 装置国产化程度，研制出具有自主知识产权的、性能优异 可靠的s v c 具有十分重要的意义。当代电网无功补偿发展的趋势是朝着优化补偿和 动念平滑调节的方向发展，今后的s v c 将在数据处理和动态响应方面有更大的提高。 随着电网管理部门对功率因数考核的提高，s v c 在电网中的使用有着非常广阔的前 景。 1 2 静止无功补偿的工程应用 1 2 1 国际上的s v c 应用 世界上最早投入运行的静补，是英国g e 公司1 9 6 4 年在埃塞俄比亚投运的一套 用于抑制电弧炉闪变的自饱和电抗器s r 型装黄。该公司在1 9 6 7 年又研制出了可控 饱和电抗器c s r 型装置，但由于后来又设计出了更为完善的s r ，从而又放弃了c s r 的生产。但在7 0 年代初，比利时的a c e c 公司仍致力于开发c s r 型静补，并在轧钢 厂大力推广应用。我国在7 0 年代中后期引进的武钢1 7 0 0 m m 轧制工程中作为配套， 也从该公司引进了四套此类装置。早期的这两类静补均用于工业负荷补偿领域川，直 至6 0 年代木爿丌始在输电系统引人这两种装置用于提高输电系统的输送功率，后又 用于直流输电换流器的动态电压控制。这两类装置在7 0 年代得到推广应用，但到了 8 0 年代中期，除了s r 型静补在运行可靠性、响应速度、过载能力以及维护简单方面 仍有一定的优势，在某些应用场合仍有一定的市场外，c s r 型静补由于整体技术性 能差，在国外已趋于逐渐放弃这种型式。s r 型装置是利用电抗器铁心的饱和特性原 理来工作的，为静补的第一代产品；而c s r 型已初步利用了电力电子技术，采用了 晶闸管整流器输出直流来控制饱和电抗器的饱和程度，从而可以附加外部输入信号进 行反馈控制，在控制的灵活性方面和s r 型相比有了显著的进步。但其主体设备仍是 饱和电抗器，故仍把它划归为静补的第一代产品，或把它看作是第1 5 代产品。随着 江苏大学1 ：程硕七学位论文 电力电子技术的发展，国外在7 0 年代初开发出采用大功率晶闸管作为固态开关组成 三相a c a c 变流器( 也称交流控制器) 控制电抗器或电容器的第二代静补产品。1 9 7 2 年瑞典a s e a 公司将第一套此类装置一晶闸管投切电容器( t s c ) 在某钢厂投入试运 行。1 9 7 4 年瑞士b b c 公司又开发成功并投运了晶闸管控制高阻抗变压器( t c l ) 或电 抗器t c r 型静补。生产这些装置的主要厂家还有美国g e 公司，德国西门子公司、 r 本的富士和同新公司等。早期的这类装置也主要用于工业供电网络补偿，直至1 9 7 7 年彳由美国g e 公司引人输电系统的电压控制和提高传输功率方面。到8 0 年代中期， 此类装霄已臻成熟。特别是t c r 和t s c ，目前在工业供电网络和输电系统已得到广 泛的应用。至于t c t 型静补，由于需要特殊设计的变压器阻抗高达8 0 - - 1 0 0 在设 计制造和运行上都有困难，并且滤波电容器组必须连接于高压侧也使得其设计、制造 技术复杂化等原因，目前己较少采用这一方案。近年来，国内外掀起了利用全控型电 力电子器件研制逆变器型静补装置的热潮。这是一种不需要电抗器和电容器作为无功 源的静止无功电源( s v g ) ，国外也称之为新型静补( a s v c ) ，为静补的第三代产品。 实际上，早在8 0 年代初日本的关西电力公司和三菱电机公司合作己研制出此类装置， 但限于当时只能采用半控型的晶闸管作为开关元件，必须使用强迫换向电路，使得设 备结构复杂化、损耗增大和可控性降低，因而在电力系统中没有得到推广应用。而随 着各种全控型器件性能的不断提高，在8 0 年代末已有一些小容量的s v g 投人运行。 由同本制造的采用g t o 的容量达8 0 m v a r 的s v g 已在1 9 9 3 年投人运行；由美国开 发的容量为1 0 0 m v a r 的此类装置，也在1 9 9 5 年投入试运行。采用全控型器件的a s v c ， 可以说无论在性能还是价格方面都比上述静补更具竞争力。 目阿，世界上安装的s v c 总容量已经超过了9 3 0 0 0 m v a r ，装设于超高压输电系 统的s v c 已有2 0 0 多台。并且绝大多数s v c 项目，特别是1 0 0 m v a r 以上的大容量项 目，都是由少数大型跨国公司如a b b ，a l s t o n 和日本东芝等公司承接的。 以上s v c 的结构是以t c t 和t c r 为主，占到了s v c 安装数量和容量的8 0 以 上。s v c 的主要安装领域包括闪变抑制、维持电压稳定、不平衡补偿及实验装置等， 而且s v c 主要是用柬抑制闪变和维持系统电压衡定，在这2 个方面的应用量远远超 过了其他方面。 墨西哥t e m a s c a l4 0 0k v 变电站于1 9 8 2 年投入了s v c 装置，以提高墨西哥南部 水电站与主要电能消费中心一墨西哥城地区之间4 0 0 k v 输电线路系统的传输能力和 静止型无功补偿器的研究 送电安全性。在安装了s v c 后，这个4 0 0 k v 输电线路的有功传输容量达到了将近 2 0 0 m w 是一个较为成功的应用。同时，该项目也是当i j 有记载的容量最大的s v c 项 目。 1 2 2 国内的s v c 应用 在输电补偿方面，国内运行于5 0 0 k v 系统的s v c 有6 套，全部为进口产品，分 别安装在广东江门变电站( 1 套) ，河南郑州小刘变电站( 1 套) ，东北沙窝变电站( 1 套) ，湖南株洲云用变电站( 1 套) 和湖北武昌风凰山变电站( 2 套) 。国内钢铁企业 中，s v c 也得到了应用，如河南平顶山舞阳钢铁公司( 士9 0 m v a r ，a b b 制造) ，河 南安阳钢铁厂( a b b 制造) ，上海宝山钢铁总三厂( s i e m e n s 制造) ，广州钢铁厂( 2 套，分别为b b c ，a b b 制造) 等。近几年来的消化吸收，我国已有能力独立开发成 套的s v c 装置，如中国电力科学研究院、西安电力电容器厂等已有负荷用s v c 产品， 但是在技术水平上与a b b 、a l s t o m 等国外大公司仍然有较大的差距。然而，国外 的s v c 装霄不但价格昂贵，而且在我国实际的运行情况并非理想。掘有关文献报道， 在上世纪8 0 年代术9 0 年代初期，在武汉凤凰山( a b b ) 、广东江门( a b b ) 、湖南云 前( 意大利a n s a l d 0 ) 及郑州小刘庄等处安装的国外s v c 先后发生了多起事故， 造成了很大损失。 2 0 0 4 年1 1 月3r 上午，在辽宁省鞍山市红一变电站s v c ( 静止无功补偿技术) 7 - 程的建成运行，标志着我国拥有自主知识产权的s v c 技术进入了实用化阶段。该项 目的实施，不仅可以为企业带来显著的经济效益，而且对推动我国电力行业的技术进 步和s v c 国产化、产业化都具有重要意义。 1 3 本课题的研究内容 电力系统负荷是动态的、变化的，要维持电网运行环境的稳定性，就需要对在进 行谐波抑制的同时，对系统进行无功功率补偿，从而提到电力系统的功率因数，达到 降低设备容量、减少功率损耗的目的，并且稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。 在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善供电系统的稳定性， 提高输电能力；在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过合适的无功补偿可以平 衡三相的有功及无功负载。稳定电网电压，提高供电质量，同时还可以补偿三相负载 6 江苏大学丁稃硕十学位论文 不平衡的情况。 传统的t c r 的控制方式都是采用模拟器件实现的，其主要缺陷是：灵活性差、 数掘运算能力差、检测速度慢、人机界面差随着微处理器的高速发展和数字信号处 理技术的广泛应用，采用高性能的数字信号处理器设计全数字的静止型无功补偿控制 器取代传统的模拟器件成为必然趋势。本论文在系统分析无功检测的理论与方法的基 ， 础上，对s v c 中t c r 与t s c 及其系统的实现方法进行了研究，最后以数字化取代 现用的模拟控制器，实现对系统中主要电量的实时采样和分析，以实现对t c r 的实 时精确的数字控制。 7 静j r 型无功补偿器的研究 第2 章静止型电力系统无功补偿 无功补偿装置与负载的关系有并联和串联两种，串联型需要处理负载所有的有功 和无功功率，故不适于电力系统大功率负载的无功补偿。并联型只需处理负载的无功 和谐波，适于电力系统大功率负载的无功补偿。 2 1 饱和电抗器型无功补偿( s r ) 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就 分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电 压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过 改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一 步控制无功电流的大小。这类装置组成的静止无功补偿装置属于第一批静止补偿器。 早在1 9 6 7 年，这种装置就在英国制成，后来美国通用电气公司( g e ) 也制成了这样的 静止无功补偿装置，但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4 倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大2 3 倍， 另外这种装霄还有振动和噪声，而且调整时问长，动态补偿速度慢。由于具有这些缺 点，所有饱和电抗器的静止无功补偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路 j 有使用。 2 1 1 自饱和电抗器型静止无功补偿 自饱和电抗器型静止无功补偿装置可以认为是同步调相机的静止装詈，他利用铁 心的饱和特性，使滞后相位的无功功率随端电压的升降而增减，图2 - l ( a ) 是无斜率校 正的自饱和电抗器型静止无功功率补偿装置的原理图，图( b ) 为该装置的工作特性曲 r ，1 线。装置中电容器的电流l = 手，当以= 专为定值时，i c 与外加电压u 之间的 a c 关系为超酊相位的线性关系( 曲线1 ) ，装置中自饱和电抗器的电压与电流的关系如 曲线2 ，它们的合成曲线3 就是装置的外特性曲线。由图b 可以看出，当母线电压波 动升高4u 时，则按特性曲线规律之后电流增加4 ，这之后电流在网络电抗蕊上产 江苏大学t 程硕七学位论文 生压降4c ，以维持电力系统的电压不变。反之，当母线电压波动下降4 【，时，则超 酊电流增加4 ，这超前电流在网络电抗承上产生升压+ 4 u ，以维持电力系统的电压 不变。 u j 多安：k n ”：一j ， ( a ) ( b ) 幽2 - i白饱和电抗器( 无斜率校正) 静止无功补偿装置 ( a ) 原理图( b ) 电压电流特性 网络电抗琢负载等效电抗( 包括变压器) 这种装詈与同步调相机相比，具有静止型的优点，对电压波动的响应速度较好； 缺点是磁钢片需磁化到饱和状态，因而是铁心的损耗大，而且有震动和噪声。 图2 2 为带有斜率校正的自饱和电抗器型静止无功补偿装置的原理图。斜率校正 装詈靠电抗器侧电容器g 实现，因感抗噩比容抗肠大得多，所以该支路的电流仍 为滞后电流，电流i s 与加于白上的电压比的关系见b 图中第4 象限的曲线3 ，改变 6 的大小，便能调节略。的斜率，从而改变本装置的外特性的斜率( 曲线5 ) 。考 虑到电抗器的电感在改变过程中工和q 有可能出现串联谐振，引起过压，为了抑制 ( a ) ( b ) 图2 - 2 自饱和电抗器( 有斜率校正) 静止无功补偿装置 c a ) 原理图 ( b ) 电压电流特性 过电压，设胃阻尼电阻五以抑制震荡。设计电容器白时，要是饱和电抗器在饱和工 作于a b 段时( 曲线2 ) ，在电容器两端的电压降u c 与电抗器两端的电压降观相抵 9 静止犁无功补偿器的研究 消，表现为零阻抗，因此，综合后的电压和电流关系4 呈现一近似水平线，最后并联 电容器坼特性曲线l 与曲线4 合成曲线5 。 c r ：二= 寸。 三鲁慝工b l i 1 疗if ) i i i !： i !工 系统 阻抗 特性 | 墨l2 - 3自饱和电抗器型静补装置l 作曲线 自饱和电抗器的稳压作用可通过图2 3 所示特性曲线说明e d 为静补装置特性 曲线的工作段，e d 与纵坐标的交点上为系统空载时的电压，设在感性负载下，由于 系统中的阻抗压降使电压与电流的关系如直线一b 所示，假定系统在空载电压升高至 k 点，过k 点作爿b 的平行线交e d 于d ，则补偿装置将提供滞后电流丘，五在网络 阻抗撼上产生压降肛，以保持电压阢恒定。 假定系统负载电流七为感性，流经网络阻抗题，使电压降至d ，作 临平行于 横坐标，并与e d 线相交于h ，即由补偿装置产生相应的容性电流而抵偿七，使工作 点沿特性曲线上升至，即由并联电容器c l 发出的容性电流七p 与饱和电抗器吸收的 感性电流尽相互匹配，以补偿系统的感性负载电流，达到保持电压恒定的目的。 自饱和电抗器在结构上与变压器基本相似，由于它在额定电压时铁心需工作于饱 和状态，磁通密度高，铁心面积较普通变压器小，所以单位容量的损耗大，且散热较 难，制作要求较高。饱和电抗器在工作状态下所产生谐波分量，可以采取三折星型自 饱和电抗器和3 3 柱自饱和电抗器来消除【4 l o 2 1 2 可控饱和电抗器型静止无功补偿 图2 - 4 是可控饱和电抗器型静止无功功率补偿装置的原理图。它包括3 个主要部 分：饱和电抗器、电容器组( 兼作滤波器) 和调节器( 由直流单元和控制单元组成) 。 三相饱和电抗器的工作绕组联结在电网上，改变饱和电抗器控制绕组睢中电流 的厶大小，就可改变工作绕组的感抗，从而改变无功功率q 的值，以补偿负载无 o 江苏大学t 稃硕十学臂论文 功功率的冲击。当负载无功功率q - 突然增大时，使控制回路的电流厶减小。饱和电 一呸 + q 图2 - 4 可控饱和电抗器型静上卜无功补偿装置原理图 峨一 仃绕组阡。一控制绕组q 广负载所需的冲击无功负荷堑一电容器组输出的基波恒定 无功功率9 饱和电抗器吸收的可调无功功率9 一从电网输入的无功功率 抗器的盈增大，从而使电抗器吸收的无功功率q l = u z x l 减小。这样，负载无功功率 的恒定部分由电容器补偿，而变动部分由饱和电抗器调节，以保证电网输入的无功功 率函= ( g p q l ) + q t 保持恒定。 2 2 晶闸管投切电容器( t s c ) 型静止无功补偿 图2 5 为晶闸管投切电容器型静止无功补偿装置。其中图2 5 a 是单相电路图，两 个反相并联的晶闸管是电容器的投切开关，串联电感( 小电感) 是用来抑制电容器投 入电网时可能造成的冲击电流的，在很多情况下这个电感不画出来。在工程实际中， 一般将电容分成几组，如图2 5b 所示，每组都通过晶闸管投切。这样，每组就可以 根掘负载的无功要求进行投切。t s c 实际上就是分级可调的吸收电网容性无功的动态 静止无功补偿器，其电压电流特性按照投入电容器组数的不同可以是图2 5 c 中的 o a 、o b 、o c 。当t s c 用于三相电路时，可以是三角形连接，也可以是星形连接， 每一相都设计成如图2 5 b 所示的分组投切形式。 电容器分组的方法很多，从理论上讲，分组越多越好，但是，综合考虑到成本和 系统的复杂性等要求，分组还是有限制的。 早期的电容器分组投切都是用机械开关投切的，由于机械开关动作比较慢，投切 时日j 不好掌握，一般会产生较大的冲击电流。和机械断路器相比，晶闸管的操作寿命 几乎是无限的，而且采用晶闸管进行投切，可以精确控制投切时刻，减小投切时的冲 静止犁无功补偿器的研究 击电流。 u n ( a ) ( b )( c ) 图2 5 晶闸管投切电容器型静止无功补偿装置 ( a ) 单相原理翻( b ) 多组t s c 并联电路( c ) 电压电流特性 t s c 型无功补偿装詈控制简单，损耗小，缺点是投切时易产生冲击电流，响应速 度慢，不能实行平滑调节。为了能实时地平滑调节无功，往往将t c r 和t s c 联合起 柬组成混合型静补装置。 2 3 晶闸管控制电抗器( t c r ) 型静止无功补偿 t c r 的基本原理如图2 - 6 所示，单相基本结构就是两个反并联晶闸管与一个电抗 器相串联，三相多采用三角形连接。工程上常采用t c r + f c 的形式，图2 6 a 中虚线 框内的串联的电阻电容是滤波器，实际上有许多组滤波器，每组的谐振频率分别是各 次谐波的频率，可以滤掉负载和t c r 所产生的谐波。对于基波来说，这些滤波器是 容性的，可以吸收容性无功电流，同时充当f c 。t c r 接到电网上，相当于可调节的 u 1 静电流仑。 o少 。 毛 “ u 、。v ( a ) ( b ) 图2 - 6t c r 基本原理 ( a ) 单相t c r 结构简图( b ) t c r 电流波形 电抗器，通过晶闸管调节电抗器的触发角，就可以调节t c r 的电流，改变t c r 的等 效电抗。t c r 的电流波形如图2 6 b 所示，通过改变触发角口就可以控制屯。 江苏大学t 稃硕十学臂论文 与t s c 相比t c r 型无功补偿装置可以做到平滑地调节无功，但是t c r 在工作 过程中产生谐波，需要精心设计滤波器才能避免谐波对电网的影响2 2 1 。 由于t c r 型无功补偿器无功调节范围宽，控制简单，在国内外得到了广泛的应 用。 2 4 采用全控器件的静止无功发生器( s v g ) 静止无功发生器( s v o ) 【6 3 ”，就是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行无 功补偿的装置。上个世纪7 0 年代就有人提出了采用电力半导体变流器实现无功补偿 的思想。1 9 7 2 年只本发表了用强迫换相的晶闸管桥式电路作为调相装詈的论文，1 9 7 6 年l g y u g y i 提出利用变流器进行无功补偿的理论以来，逐步出现了应用变流技术进行 动态无功补偿的静止补偿器。它是通过将自换相桥式电路直接并联到电网上或者通过 电抗器并联到电网上。a s v g 根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件，可以 分为电压型和电流型两种，如图2 7 所示。图2 7 a 所示的原理图为电压型补偿器，图 2 7 b 所示的为原理图为电流型补偿器。交流侧所接的电感工和电容c 的作用分别为 阻止高次谐波进入电网和吸收换相时产生的过电压。无论是电压型，还是电流型的 a s v g 其动态补偿的机理是相同的。当逆变器脉宽恒定时，调节逆变器输出电压及系 统电压之间的央角占，就可以调节无功功率及逆变器直流侧电容电压，同时调节 央角j 和逆变器脉宽，既可以保持砝恒定的情况下，发出或吸收所需的无功功率p j 。 根据这一原理，从1 9 8 0 年日本研制出第一台2 0 m v a r 的强迫自换相的桥式a s v g 之后，经过1 0 多年的发展，a s v g 的容量不断增大，1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美国又 相继研制出8 0 m v a r 和1 0 0 m v a r 的a s v g ，在1 9 9 5 年，清华大学和河南省电力局共 同研制了我国第一台a s v g ，其容量为3 0 0 k v a r ，开辟了我国研制a s v g 补偿设备的 先河【5 11 6 1 。a s v g 通过采用桥式电路的多重化技术，多电平技术或p w m 技术进行处 理，以消除较低次的谐波，并使较高的谐波限制在一定范围内；由于a s v g 不需储能 元件束达到与系统交换无功的目的，实际上它使用直流电容束维持稳定的直流电源电 压，和s v c 使用的交流电容相比，直流电容量相对较小，成本较低；另外，在系统电 压很低的情况下，仍能输出额定无功电流，而s v c 补偿的无功电流随系统电压的降 低而降低。正是由于这些优点，a s v g 在改善系统电压质量，提高稳定性方面具有 s v c 无法比拟的优点，这也显示出a s v g 是今后静止无功补偿技术发展的方向。另 静止型无功补偿器的研究 外随着电力电子技术的发展，电力有源滤波器也f 1 益得到完善，由于电力有源滤波器 在滤除谐波的时候与电力系统不发生谐振，因此目i j 不少电力系统工作者致力于将电 力有源滤波与a s v g 相结合的研究，以消除传统的a s v g 设备中并联无源滤波器的 所产生的谐振问题。 【a )【b ) 图2 - 7s v g 原理图 ( a ) 电压型桥式电路( b ) 电流型桥式电路 作为无功补偿和谐波抑制研究的热点，人们提出了许多a s v g 的控制方法。典 型的控制方法有线性电流控制、数字死区控制、滞环控制等【6 i 。另外，为了提高a s v g 的性能，人们提出了自适应预测滤波器【7 1 1 钔、神经元网络控制器【9 】【1 0 1 等一系列的控制 器，为了实现快速、实时的控制，需要使用高性能的数字信号处理器。也有人提出了 一种单循环控制的三相有源滤波器，其控制器的核心是一只可复位的积分器，采用固 定频率综合( u c i ) 控制方法。其工作原理是通过积分器控制a s v g 的功率变换器， 使得负载和s v g 的总的输入电流跟踪电网电压波形，达到补偿无功和抑制谐波的目 的f 6 】。 a s v g 的性能无疑是优越的，但是高压、大容量的全控器件价格比较高。前面所 提的我国第一台a s v g ，造价相当于t c r + f c 型a s v c 的2 5 倍。而且为提高a s v g 的性能，要使用高开关频率的电力半导体器件，目前最为理想的电力半导体器件是 i g b t ，但是高压、大容量的i g b t 价格昂贵，而且驱动和保护电路更加复杂1 2 l ，成 套系统的造价必然很高，制约了a s v g 的推广。 江苏大学r = 程硕十学位论文 第3 章无功检测的理论与方法 进行无功补偿，实时、精确地测量和分析无功是至关重要的。静止无功补偿系统， 不仅要补偿无功，还要抑制负载所产生的谐波。因此要能够准确、快速地从畸变的负 载电流和电网电压中检测无功和各次谐波，就得采取适当的快速检测无功的方法。以 下是目前采用的几种检测方法。 3 1 基于f r y z e 功率定义的检测方法 其原理是在时域上将负荷电流砸) 分解为与电压波形一致的分量屯( r ) ，将其余分 量作为广义无功电流( 包括谐波电流) ( f ) 即： i p ( t ) = ( f )( 3 1 ) 其中i p ( t ) 有功电流： ( ，) 电压：g 一比例常数，其取值应使一周期 f 。( ，) 内所消耗的平均功率和f ( f ) 消耗的平均功率相等，即： p = ；= 亭弘协冲 z ， 把( 3 1 ) 代入上式可得 出此可得 p = 争2 0 皿= g u 2 c s 3 ， 定义无功电流( f ) 为 g 寺 “归言砸) i q ( t ) = f ( f ) 一i 。( f ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 静止型无功补偿器的研究 由式( 3 2 ) 可得： ；“西= o ( 3 7 ) 即和毛j 下交。因此可得f 、和得有效值之间得关系为： ，2 = 土tr f 2 西= 咖巧 。 ( 3 8 ) 它的缺点是：因为f r y z e 功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要求得瞬时 有功电流需要进行一个周期的积分，再加其它运算电路，要有几个周期延时。因此， 用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际是几个周期前的电流值。 3 2 基于频域分析的f f i 检测法 快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ，f f t ) 是当今谐波检测中应用最广泛的 一种谐波检测方法，相关的研究文献不计其数。 f f t 是离散傅立叶变换( d f t ) 算法的改进。同时，快速傅立叶变换的采样点数 是由运算的过程决定的，为电网系统中工频周期内的采样点数，通常取n = 2 ”，m 为币整数。由于n 为偶数，则可将 五 分成由偶数点和奇数点组成的两个序列来计 算，即： e = 咄+ z 嘭 ( 3 9 ) n 为偶魏n y s 牙毂 当n 为偶数时，令n = 2 r ，即由偶数点的采样序列组成新序列 五， ； 当n 为奇数时，令”= 2 r + l ，即由奇数点的采样序列组成新序列 石。) 。 经过上述变换，就可将原一个d f t 转换为两个序列d f t 。f f t 算法的实质就是不 断地把长序列的d f t 分解成几个短序列的d f t ，并利用阡常的周期性和对称性来减少 d f t 的运算次数，最常用的f f t 算法是基2 f f t 。 在谐波分析的过程中，是对电压和电流两个连续时间信号进行采样，同时作频谱 分析的。如果分别做分析，要进行两次f f t 变换。为了加快分析的速度，可以将u ( n ) 和f ( ) 两个离散序列组合成一系列复数，即： 6 江苏大学r 稃硕十学位论文 则其对应的d f t 为： z = “( ) + _ ，f ( 甩) ( 3 1 0 ) e = d f t u ( n ) + j i ( n ) 】 ( 3 1 1 ) 根据( 3 8 ) 、( 3 9 ) 式可以得出： f h = u h + j l h 或f n 。= un h + j i h h 由“一= 矿“= “、w ”一= 矿6 = w 6 可得： u n _ h ：m u * h 及陉： 因此，可得： ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 式一产u k h j i n - h = uh j ih 0 1 4 ) 所以，对上述推导进行分离，从而可以得到u ( n )