（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的tsc型动态无功补偿装置的研究.pdf

s u b j e c t ：as t u d yo ft s cd y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e o nd s p s p e c i a l i t y ：p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e r d r i v e r n a m e：l iy a o b i n i n s t r u c t o r ：s unl o n g ji e a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 匕丝丛(上生! 翌丝竺 ( s i g n a t ur e ) r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni so n eo ft h ep o t e n tm e t h o d so fm a i n t a i n i n gt h ee f f e c t i v e a n d r e l i a b l e o p e r m i o n o ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m ad s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) l c o n t r o l l e dt h y r i s t o r s w “c h e dc a p a c i t o r ( t s c ) s y s t e mi sd e s i g n e db a s e do n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 af o rt h ep r e s e n te l e c t r i c a lp o w e rm a r k e t t h ep a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w e dp a r t s ：t h ep r i n c i p l eo ft h et s c ，s i m u l a t i o nt ot h e s y s t e m ，t h ec o n t r o lm e t h o da 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 nd e v i c ea n dt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ed e v i c e i nh a r d w a r ed e s i g n ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p i s u s e di nt h ec o n t r o l l e r , w h i c hc a r r i e so u tt h ef u n c t i o ns u c ha ss a m p l i n ga n dc a l c u l a t i n ge t c t h e d e v i c eh a sm a n ym e r i t ss u c ha sh i g ho p e r a t i n gs p e e da n dh i g hr e a l - t i m e t h et h y r i s t o ri s a d o p t e da ss w i t c ht o c o n n e c tc a p a c i t o r st om a i nc i r c u i t ，w h i c ha c t u a l i z e st h ec a p a c i t o r s s p e e d i n e s s ，n oa r c ，n oi m p a c ts w i t c h i n g ，a n dh a ss u p e r i o rp e r f o r m a n c e t h ec a n da s s e m b l e l a n g u a g e sa r eb o t hu s e di nt h es o f t w a r ed e s i g n m e n t i o no fs w i t c h i n gl a w , c o n t r o lm e t h o d r e a c t i v ep o w e ra n dp o w e rf a c t o r , c o m p a r i n gw i t hf a m i l i a rc o n t r o lm e t h o dc o n s i d e r i n gp o w e r f a c t o r , a v o i d so s c i l l a t i o no nt h ec o n d i t i o no fl i g h tl o a d i n g i no r d e rt or e a l i z es y s t e m s r e q u i r e df u n c t i o n ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n dr e a l i z e sc o m p a r a t i v e l yi n t e g r a t em i c r o c o m p u t e r c o n t r o l l e dc i r c u i ta n di t sp e r i p h e r a l sc i r c u i t t h ew h o l ec o n t r o l l i n gp r o g r a mo ft h es y s t e mi s d e s i g n e d a n dt h ec o n t r o l l i n gs o f t w a r es t r u c t u r ef l o wc h a r ti sg i v e na sw e l l r e s u l t sr e v e a lt h a t b o t ht h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ea r eo fr e a s o n a b l ed e s i g n ，t h ec o n t r o lm e t h o di sf e a s i b l e a n dt h es y s t e mr u n sr e l i a b l y t h ed e v i c ec a nr e a l i z et h ef u n c t i o na n t i c i p a t e d k e yw o r d s ：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 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 ) z e r o c r o s s i n gt r i g g e r i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文巾不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同t 作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名- 玉甥孔九日期：弦刁勿弋力，1 9 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适朋本声明。 学位论文作者签名劣耀文气指导教师幺：b ，乞纱 为眵罗年弋月，1 日 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 绪论 据统计，输电线路、高压配电网、低压用户的三大部分的线损中，低压用户线损最 大，因此，降损节能主要围绕低压3 8 0 v 用户进行。长期以来，我国低压配电网网架薄 弱、线径小、设施老化，负荷电流大，自然功率因数低，而且结构复杂，电压质量不易 控制，无功功率靠上级电网远距离输送，不能及时了解无功潮流变化，不能就地补偿无 功功率，降低了电网的经济效益1 3 j 。 无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的，电网的无功状况是衡量电网运 行水平的重要指标之- - 。随着电力工业的不断发展，发电、输电和配电部门正在成为 独立的企业。在这种新的形势下，输电公司必须对电力转运的需求作出响应，即在任何 节点接收功率的注入，并在任何节点与负荷连接；在较小的范围内，配电公司也应与输 电公司一样对电力转运的需求作出响应【2 】。配电网处于电网的最末端，用户多为低压用 户，大多数电器设备功率因数比较低，且不带补偿装置，这将给电网带来很大的功率负 担和额外线损。补偿低压无功负荷，不仅可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提 高配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低线损，对用户和供 电部门均有益。在低压配电系统中，采用并联电容器装置对无功功率进行集中补偿或者 分散就地补偿是降低线损、提高电网供电质量、节约电能的有效途径。我国配电网建设 和运行中长期存在的一个问题是无功补偿容量的不足，特别是可调的无功容量不足，快 速响应的无功调节设备更少，电力系统中经常过补偿和欠补偿，造成了很大的损耗，因 此，新的补偿技术取代传统落后的补偿技术是大势所趋。现代的无功补偿装置几乎都是 不同性质的电力电子装置。 自2 0 世纪7 0 年代起，静止无功补偿器( s v c ，s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 作为第一代 f a c t s 控制装置在全世界得到了广泛的应用【2 l 2 2 。f a c t s ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m s ) 是被学术界喻为“现代电力系统中三项具有变革性影响的前沿性课题 和“未 来输电系统新时代三项支柱之一”的柔性交流输电系统技术【4 】，是指应用于交流输配电 系统的电力电子控制装置，其中的“柔性”( f l e x i b l e ) 是指对电压和电流的可控性。f a c t s 技术的实质是将电力电子技术、微处理机技术和控制技术相结合，以实现对系统无功功 率和电压进行控制( 对于并联结构) 或对潮流进行控制( 对于串联结构) ，从而大幅度提高 电能质量，降低线路损耗。但目前应用最多的还是s v c 。s v c 的基本类型是晶闸管投 切电容器( t s c ) 和晶闸管控制电抗器( t c r ) ，这两种s v c 的性能比较如表1 1 ： 西安科技大学硕士学位论文 表1 1t s c 和t c r 性能比较 与t c r 相比，t s c 虽然不能连续补偿无功，且只能输出容性无功，但凭借其成本 低，运行时不产生谐波，自身能耗小等优点，在配电系统中得到了广泛应用。与机械投 切电容器相比，晶闸管的开、关无触点，其操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投切 时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将电容器接入电网，大大减少了投切时的冲击电 流和操作困难，其动态响应时间约为o 0 l 0 0 2 s 【5 、6 ot s c 能快速跟踪冲击负荷的突变， 随时保持最佳馈电功率因数，实现动态无功补偿，减小电压波动，提高电能质量，节约 电能。而且，近年来出现的v q c ( 电压无功综合控制) 理论，由于是建立在频繁投切电容 器和调节有载开关的基础上，在实际应用中存在很大的局限性，主要原因就是机械投切 开关的性能达不到要求，而晶闸管开关就可以很好的解决这个问题。 因此，基于此种现实意义，并且针对目前无功补偿控制器补偿速度较慢、补偿精度 较差等现象，本论文在深入研究t s c 无功补偿技术的基础上，对t s c 无功补偿装置进 行优化设计。 1 2 动态无功补偿研究发展概况 动态无功补偿是相对于传统无功补偿并联电容器而言的。虽然并联电容器简单 经济，灵活简便，应用范围广泛，只是控制器在不断的更新发展，但其阻抗是固定的， 不能跟踪负荷无功需求的变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。而随着电力系 统的发展，对无功功率进行快速、动态补偿的需求越来越大。 传统的无功功率动态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 ) 。它是专 门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同 大小的容性或感性无功功率。自上世纪二、三十年代以来的几十年中，s c 在电力系统 无功功率控制中一度发挥着主要的作用。然而，由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都 较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的 要求。所以二十世纪7 0 年代以来，s c 开始逐渐被s v c 所取代，目前有些国家甚至已 不再使用s c 。 随着半导体制造技术和变流技术的发展，新型电力电子器件不断问世，电力电子技 术对无功补偿技术也带来了新的发展契机，各种新型的、自动的、快速的无功补偿装置 相继出现【6 1 。s v c 、s t a t c o m 、u p f c 及c s c 就是具有动态无功补偿功能的最重要的 几种设备品种，下面分别进行介绍： ( 1 ) 静止无功补偿器s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 。由于使用晶闸管的s v c 具有优良 2 l 绪论 性能，所以十多年来占据了s v c 的主导地位。因此，s v c 一般专指使用晶闸管的静止 无功补偿装置。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，从而改变输配电系统的无功功率。按控制对象和控制方式不同，可分为晶闸管控制 电抗器( t c r ，t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t 0 0 、晶闸管投切电容器( t s c ，t h y r i s t o rs w i t c h e d c a p a c i t o r ) 以及两者的混合装置( t c i h t s c ) ，或者t c r 与固定电容器( f c ，f i x e d c a p a c i t o r ) 配合使用的静补装置( t c r + f c ) 等。 ( 2 ) 静止同步补偿器s t a t c o m ( s t a t i cs y n c h o r o n o u sc o m p e n s a t o r ) ，也称为新型静止 无功补偿器( a s v c ，a d v a n c e ds t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 、静止调相机( s t a t c o n ，s t a t i c c o n d e n s e r ) 、静止无功发生器( s v o ，s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 。其基本电路分为电压型桥式 电路和电流型桥式电路两种类型。电路基本结构如图1 1 所示。由于运行效率的原因， 迄今投入使用的s t a t c o m 大都采用电压型桥式电路。 s t a t c o m 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在电网 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 该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的。与s v c 相 比，s t a t c o m 具有五个优点：调节速度快、运行范围宽、调节范围广、元件容量小、 谐波含量小。到目前为止，国内外对s t a t c o m 的基本原理、控制策略、主回路结构和 不对称控制等做了很多研究 7 1 0 】，但还是有很多理论有待于进一步研究。 ( a ) 电压型桥式电路 ( b ) 电流型桥式电路 图1 1s t a t c o m 电路基本结构 3 西安科技大学硕士学位论丈 ( 3 ) 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 ) 。把一台s t a t c o m 与一台 静止同步串联补偿器s s s c ( s t a t i cs y n c h o r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r ) 的直流侧通过直流电 容耦合，就构成了统一潮流控制器u p f c 。 u p f c 是迄今为止通用性最好的f a c t s 装置，包括了电压调节、串联补偿和移相等 所有能力。与其它f a c t s 的无功补偿装置相比，u p f c 控制范围较大，控制方式更为灵 活。世界上许多国家都在开展这方面的研究工作。目前哈工大和清华大学正在联合进行 u p f c 物理模型的研究工作【1 1 j 。 ( 4 ) 可转换静止补偿器c s c ( c o n v e r t i b l es t a t i cc o m p e n s a t o r ) 。c s c 是美国e p r i 、西 门子公司及许多电气公司在f a c t s 领域长期合作研究的结果，它实际上是将已有的基 于同步变流器的串并联补偿器技术，通过在结构上实现柔性化，使其可以更加灵活地应 对不断变化的电力系统要求。 c s c 由多个同步电压源逆变器构成，可以同时控制2 条以上线路潮流( 有功、无功) 、 电压、阻抗和相角，并能实现线路之间功率转换。其实质是一种u p f c 的多重组合。c s c 被认为是最新一代的f a c t s 装置，目前仅在美国m a r c y 变电站中安装了此装置【l 2 。 1 3t s c 装置存在的一些问题 目前国内外低压配电网主要使用t s c 型无功补偿装置，然而它在实际应用中，存 在着以下诸多问题： ( 1 ) 电容器的分组、接线形式和控制方式相互结合起来，形成了诸多的补偿方案，而 很多控制器不能同时适用于多种补偿方案。 ( 2 ) 由于采取的补偿目标算法不合理，补偿装置普遍存在投切振荡问题。如以功率因 数为补偿目标就会产生投切振荡现象。 ( 3 ) 采样方式不当，会造成无功倒送。有的控制器为了降低成本和提高运算速度，只 采样单相电压电流信号，使得当三相负载不平衡时，很难准确测量无功功率，造成有的 相过补，有的相欠补。 ( 4 ) 没有考虑到谐波对电容器的影响，使得电容器寿命大大缩短，甚至经常被烧毁。 ( 5 ) 补偿速度慢，补偿精度差。在采样三相电压、三相电流信号，进行f f t 变换， 计算出高次谐波电压、谐波电流的情况下，单片机一般难以实现无功功率的实时检测和 动态补偿，或者补偿精度比较差。而且在生产制造上，国外一些电气厂商已形成规格系 列化产品。与国外大公司相比，我国企业在技术水平和生产规模上仍有差距。 本文采用以d s p 作为主控制器，同时采样三相电压和三相电流信号计算控制物理 量进行t s c 无功补偿，可实现配电网无功功率的动态调节，从根本上解决补偿的快速 性、准确性和合理性，并且提高供电质量，确保配电网的安全、经济运行。 4 1 绪论 1 4 本论文研究的主要内容 根据目前无功补偿装置的发展状况，分析目前比较重要的几种动态无功补偿装置的 原理、性能及适用场合，在此基础上，为了满足电力系统对实时性更高的要求，提出采 用d s p 进行控制的动态无功补偿装置，并进行系统软、硬件设计。 本文要做的工作如下： ( 1 ) 了解和熟悉无功补偿的理论。分析动态无功补偿装置的发展现状，对目前流行 的几种动态无功补偿装置在原理、性能、使用场所等方面进行比较，提出采用d s p 进 行控制的无功补偿装置既能快速地补偿无功功率，满足电能质量的要求，并降低电网运 行成本。 ( 2 ) 提出采用晶闸管过零触发电路应用于低压动态无功补偿装置，从而保证在硬件电 路上实现电容器组的无过渡过程投切，解决以往由于电容器残压过高而必须延时投切的 问题。 ( 3 ) 了解相关的数字信号处理理论，根据系统设计的要求选择采用同步采样技术的 f f t 算法。选用计算精确性高且计算量相对较小的算法来测量谐波量。 ( 4 ) 运用m a t l a b 软件搭建并仿真基于d s p 控制的t s c 型s v c 补偿系统。对原理的 可行性和算法的正确性进行验证。 ( 5 ) 研究d s p 的使用，根据测量和控制要求设计相应的硬件电路。基于t i 公司的 c o d ec o m p o s es t u d i 0 2 0 0 0 集成开发环境，利用c 语言和汇编语言编写计算和控制程序。 ( 6 ) 对低压无功补偿装置的控制策略进行研究并加以改进，采用以无功功率作为主投 切判据，以电网电压作为辅助判据的综合控制策略，解决以往投切判据中轻载时产生投 切振荡而重载时补偿不充分的问题。 5 西安科技大学硕士学位论文 2t s c 无功补偿的基本原理 随着电力系统的发展，对无功功率进行快速、动态补偿的需求越来越大。同时在电 力电子技术以及微控制器技术的推动下，f a c t s 技术迅猛发展，目前已成为电力系统动 态无功补偿的主力军。但由于s t a t c o m 、u p f c 及c s c 目前工程造价偏高，且许多技 术问题尚未解决，所以s v c 理所当然成为当前应用最广的动态无功补偿装置。t s c 就 是s v c 的典型代表之一，t s c 又称晶闸管投切电容器。本章从无功补偿的基本概念出 发，对t s c 无功补偿的工作原理及其关键技术进行深入分析l i 卜j 。 2 1 无功补偿的基本概念 ( 1 ) 功率因数。对电网中负载的电压和电流来说，其相位存在一定的差异，这个相位 差的角度g o 的余弦值c o s g o 就是功率因数。功率因数在数值上等于有功功率和视在功率 的比值，即： i 尝：c 唧 ( 2 1 ) = ：i l x f 口i 上_ - s 、 其物理意义是线路的视在功率s 供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中， 我们所希望的是功率因数越大越好，如果能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分 用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。 ( 2 ) 有功功率，无功功率，视在功率。有功功率是指负载直接消耗的功率。比如使灯 发亮、使电机转动、使电子电路工作等等。对于有功功率有： p = u 木i 木c o s g o ( 2 2 ) 人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并非易事。现在很多电 器设备是根据电磁感应原理制成的，如异步电机、变压器等，磁场的能量由电网供给， 在这些电器的运行中，上半周期和下半周期一个吸收功率，一个释放功率，功率只是在 电器和电网中间流动变换，并没有真正的作为热量或者功率作用出去，即能量并没有消 耗掉。这样的功率就叫做无功功率l l 引。 无功功率又分为感性无功功率和容性无功功率。对电机、变压器等设备来说，感性 无功功率是主要的。对电容器来说就只有容性无功功率了。感性无功功率代表电流滞后 于电压，相位角度差g o 为正。容性无功功率代表电流超前于电压，相位角度差g o 为负。 对同一个端口来说，感性无功功率和容性无功功率是可以互相抵消的。也有人说感性负 荷从电网吸收无功功率，容性负荷向电网发出无功功率，这是因为当前电网大部分用电 设备都为感性，即电网为感性。而容性负荷将抵消掉电网中的感性无功功率，所以看起 来就是感性无功功率是从电网获得的，而容性无功功率是设备自己发出的。对无功功率 6 2t s c 无功补偿的基本原理 有： 对视在功率有： p = u 木i 幸s i n 矽 p，( 2 3 ) s = 厕= u ， ( 2 4 ) 所以有功功率、无功功率和视在功率满足直角三角形的关系，即所谓功率三角形， 如图2 1 所示： p 图2 1 功率三角形关系 由功率三角形可以看出，在一定的有功功率下，用电企业功率因数c o s 越小，则 所需的无功功率q 越大，其视在功率s 也越大。为了满足用户用电的需要，供电线路导 线截面和变压器的容量也越大，因而将增加供电系统的设备投资2 0 1 。 2 2 晶闸管投切电容器原理 2 2 1 基本原理 t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) 又称晶闸管投切电容器，是一个对供电网络波动 无功功率进行动态补偿的相对独立系统，广泛应用于配电系统的动态无功功率补偿。与 机械投切电容器相比，晶闸管的开、关无触点，其操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管 的投切时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将电容器接入电网，大大减少了投切时的 冲击电流和操作困难，其动态响应时问约为o 0 1 o 0 2 s 。 t s c 的基本原理如图2 2 所示。图2 2 ( a ) 是其单相电路图，其中的2 个反并联晶闸 管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器 投入电网时可能造成的冲击电流，在很多情况下，这个电感往往不画出来【l4 1 。因此，当 电容器投入时，t s c 的电压一电流特性就是该电容器的伏安特性，即如图2 2 ( c ) 中o a 所示。在实际工程中，一般将电容器分成几组，如图2 2 ( b ) 所示，每组都可由晶闸管投 切。这样，可根据电网的无功需求投切这些电容器，t s c 实际上就是断续可调的吸收感 性无功功率的动态无功补偿器，其电压一电流特性按照投入电容器组数的不同可以是图 2 2 ( c ) 中的0 a 、0 b 或0 c 。当t s c 用于三相电路时，可以是连接，也可以是y 连接， 7 西安科技大学硕士学位论文 每一相都设计成图2 2 ( b ) 所示的那样分组投切。晶闸管投切电容器采用整数半周控制， 可以根据电网对无功功率的需求改变投入电容器的容量，使晶闸管投切电容器成为分级 可调的动态无功功率补偿装置。如果级数分得足够细化，基本可以实现无级调节。 u ( a ) 单相结构图 ， 学一 ( b ) 分组投切的t s c 单相图 u l ( c ) 电压一电流特性 图2 2t s c 的基本原理 晶闸管阀通常有2 种接线方式：2 个晶闸管反并联和1 个晶闸管与1 个二极管反并 联。两者都是投切电容器的开关，所不同的是，前者晶闸管阀承受最大反向电压低，为 8 2t s c 无功补偿的基本原理 电源电压峰值，但投资较大，控制较复杂；后者投资小，控制简单，但晶闸管阀承受最 大反向电压高，为电源电压峰值的2 倍，所以在选择使用哪种连接方式时，应根据技术、 经济比较来确定。 电容器的投切是根据电网负荷变化情况来决定的，当电网无功功率增加，电压下降 时，投入电容器，反之，切除电容器。电容器分组有等容分组和不等容分组2 种。前者 易于实现自动控制，但补偿级差大，后者利用较少的分组就可获得较小的补偿级差，但 不易控制。考虑系统的复杂性以及经济性问题，实际中可采用所谓二进制的方案，即采 用k 一1 个电容值均为c 的电容，和一个电容值为c 2 的电容，这样系统从零到最大补偿 量的调节则有2 七级。最小电容量那一路作为单位电容量，它的大小决定了补偿精度。 2 2 2 补偿回路的构成及工作原理 交流电路中，纯电阻负载的电流，舟与电压u 同相位；纯电感负载的电流，比电压u 滞后9 0 。；纯电容负载的电流厶比电压u 超前9 0 。如图2 3 所示： o l ic i r 己 ll rr r ， 图2 3 电流相位图 而电网中一般的用电设备都是电感性负载( 个别情况例外) ，因此负荷回路模型可采 用r 、三串联电路表示。图2 4 ( a ) 为补偿回路模型，m 为补偿点，设鱿为负载所需的无 功负荷，如果没有补偿装置，则负载将从电源侧取得无功功率绕，即q o = 鲮；当设置 补偿装置后，由于补偿电容器提供无功功率q ，那么电源所提供的无功功率减少为 q = q 一鳞，如图2 4 ( b ) 所示，功率因数由c o s 伊提高到c o s 缈7 ，视在功率由s 减少到s “6 1 。 q m q 一 一 q j ： 一ic 厂 ( a ) 补偿回路模型 9 西安科技大学硕士学位论文 ( b ) 补偿原理不慈图 图2 4 补偿原理 视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投 资。例如一台1 0 0 0 k v a 的变压器，当负荷的功率因数为0 7 时，可供7 0 0 k w 的有功负 荷，当负荷的功率因数提高到0 9 时，可供9 0 0 k w 的有功功率。同一台变压器，因为负 荷的功率因数的提高而可多供2 0 0 k w 负荷，是相当可观的。 丛：p + 必q ：兰丛掣( r4 - ) ( 2 5 ) u 可见，因采用无功补偿装置后，电源输送的无功功率减少了，相应的使电力网和变 压器中的功率损耗降低，从而提高了供电效率。又由电压损耗计算公式 u ：p r + ( q - q c ) x ( 2 6 ) u 、。 可知，采用无功补偿措施后，因通过电力网无功功率减少，降低了电力网中的电压 损耗，提高了用户处的电压质量【4 。 补偿回路的工作原理也可以用图2 5 加以说明。其中d 为端电压，j ，为补偿前的线 路电流，当设置补偿装置后，将有电流t ，流过电容，此时流过r 、三串联支路的电流仍 为，但并联点m 之前的电流则为j ，和j f 的向量和，即j = j ；：4 - t 。一般情况下 j ，一丘，这时有两种情况：若电容器的电容较小，负荷中的感性无功电流没有被完全 补偿，这时电源的j 滞后矽，即如图2 5 ( a ) 所示，该补偿称为欠补偿；若电容器的电容 较大，会出现图2 5 ( b ) 所示的情况，这时负荷中的感性无功电流被完全补偿之后还有剩 余容性电流，电源的，超前d ，这种补偿称为过补偿。通常不希望出现过补偿的情况， 因为这样会引起变压器二次侧电压的升高，且容性无功功率在线路上传输同样会增加电 能损耗，还会增加电容器自身的损耗，影响电容器的寿命。 1 0 2t s c 无功补偿的基本原理 0 0 ( a ) 欠补偿 、l c 2 兰h 移 j 【一叼l o r i c ( b ) 过补偿 图2 5 补偿同路工作原理 2 3 低压网无功补偿方式介绍 由于在无功补偿装置的设计中，电容器补偿容量的确定不仅和未补偿时的负载情 况、以及具体的电容器接线方法有关，而且和采用的补偿方式有关。所以有必要对低压 网无功补偿的方法进行介绍。 根据补偿装置安装位置的不同，可以将低压网无功补偿分为个别补偿( 随机补偿或 就地补偿) 、集中补偿、分组补偿( 分散补偿) 。三种补偿方式如图2 6 所示3 1 。 图2 6 低压无功补偿装设方式 西安科技大学硕士学位论丈 ( 1 ) 个别补偿，又称为就地补偿或随机补偿。它就是根据个别用电设备( 主要是电动 机) 对无功功率的需求量，将低压电容器组分散地与用电设备的供电回路相并联，一般 与用电设备合用一组开关【5 1 ，如图2 6 中c l 所示。低压电容器组随电动机同时投入或退 出运行，使电动机消耗的无功功率部分得到就地补偿，从而使装设点以上输配电线路输 送的无功功率减少，能获得明显的降损效益。 低压个别补偿的优点是：当大中型异步电动机比重较大、利用小时又较多时，这种 补偿方式的降损节电效果是显著的。但存在的不足是：对一些年运行小时少或利用率低 的设备，补偿电容器的利用率不高。而且因为是逐台补偿，会使补偿容量增大，从而使 补偿装置的总投资增大。 ( 2 ) 集中补偿。低压集中补偿是指将低压无功功率补偿装置通过低压开关接在用户专 用变电所或配电室低压母线侧，如图2 6 中c 2 所示。用以补偿配电变压器的无功功率损 耗以及变电所以上输电线路的损耗，还可以就近供应3 8 0 v 配电线路的i j 段部分及所带 用电设备的无功功率损耗。适用于低压供电半径短、负荷集中的地方或不适宜就地补偿 的用电设备( 如快速正、反转工作及有反接制动的电动机等) 。利用补偿电容器的分组投 切，还能进行调压，改善电压质量。 低压集中补偿的优点是：接线简单，便于维护和控制，具有较高的经济性，是目前 无功功率补偿中常用的手段之一。但也存在下列缺点： 节能效果差。它只能减少装设点以上线路和变压器因输送无功功率所造成的损 耗，而不能减少用户内部配电网络的无功负荷所引起的损耗。从而降低了补偿设备投入 使用的价值。 降低电容器的寿命。由于集中补偿装置安装于配电室内，电容器柜紧靠配变，当 自动补偿装置失控时，会引起电容器过压运行、发热、变形、击穿等现象的发生。 ( 3 ) 分组补偿，又称分散补偿。这种补偿方式是将电容器组按低压配电网无功负荷的 分布分组装设在相应的母线上，或者直接与低压干线相连接，形成低压电网内部的多组 分散补偿方式，如图2 6 中c 3 所示。该方式使被补偿的无功功率不再通过主干线以上线 路输送，从而使变压器和配电主干线路的无功功率损耗相应地减少。 分组补偿与集中补偿相比，降损节电效益显著，尤其当用电负荷点较多( 比如多个 车间) 时，而且距离较远时，补偿效率更高。分组补偿的优点： 有利于对配电变压器所带的无功进行分区控制，实现无功负荷就地平衡，减少无 功功率在变配电所以下配电线路中的流动，使线损显著降低。 分组电容器的投切随总的负荷水平而变化，其利用率较单台补偿高，分组补偿虽 然不如集中补偿管理方便，但比单台电动机补偿易于控制。缺点是：分组补偿方式的一 次性投资大于集中补偿方式，操作控制上也比集中补偿方式麻烦很多1 3 乳4 3 1 。 1 2 2t s c 无功补偿的基本原理 2 4t s c 型s v c 安装地点的选择 在现场实践中，投切点位置的选择： ( 1 ) 电压偏移最大的母线； ( 2 ) 容量给定的s v c 能为系统提供最大电气阻尼的母线； ( 3 ) 联接关键电压敏感负荷的母线； ( 4 ) 两个区域之间输电线路的电气中点，该处没有装设s v c 时可能出现最大的电压波 一i 动。 从狭义上讲，s v c 实际上是负荷的一种特例，其目的只是为了给负荷的动态行为提 供充足的无功支持。从这个角度来讲，s v c 的选址必须考虑相应备选点的负荷特性，即 必须依据相应负荷特性量身定做。所以关于负荷的设计、分析方法也可以成为s v c 安装 地点中的重要参考。目前常用的分析方法主要有：灵敏度方法、规划分析方法和时域仿 真法等。 灵敏度方法是依据潮流分析给出电力系统相应运行工况的潮流分布，以灵敏度分析 法计算相应参数对无功功率的灵敏度指标，通过这些指标来判定所有备选点的优劣程 度。这种方法能给规划者提供一种相对精确的分析结果，相应的研究成果也表明这样的 方法能够改善电力系统的电压稳定性。但是这种方法有一个致命的弱点就是电力系统的 运行工况的变动会改变最终的分析结果，即分析结果有很强的工况针对性。一般来说， 这种方法适合做备选点的初步筛选工作，仅适合选择单个安装地点。 规划分析方法属于一种以最优潮流为基础的定量分析方法。这种方法针对不同的 s v c 安装地点的选择组合，通过计算相应的最优潮流，比较不同备选方案的目标函数的 大小来判定相应方案的优劣。这种方法在规划中考虑了多个s v c 的作用，一般来讲可以 给出特定系统的相应工况的合理方案，但是对于广域电力系统来说，s v c 的备选点可能 有很多个，相应的方案也很多，因此在采用这种方法时需要辅助一定的分类技巧等，如 电压易失稳区域( 母线) 的判别，组合分类方法等，相比于灵敏度分析法，这种方法更具 有工程实践意义。 时域仿真法是一种综合多种分析方法的尝试法。针对特定系统的特定事件序列，对 不同的s v c 安装地点的选择效果作计算机仿真，依据仿真结果评价s v c 安装地点的优 劣。这种方法可以给出相对合理的解决方案，但是鉴于仿真工具的局限性和实际电力系 统的复杂多变性，其结果仅可作为一种估测。s v c 安装地点的选择可以看作是一个比较 复杂的工程性问题，多个s v c 以及s v c 与其它多种控制器之间的配合协调可以等效视为 求解电力系统模型的普遍问题。因此我们选择s v c 的安装地点需要综合多个方面的参考 信息，最终的选择方案不一定是最优方案，而必须是非最差方案5 2 , 5 3 , 5 4 】。 t s c 型s v c 的最终控制目标是为了维持电力系统的母线电压在一个正常的范围内， 1 3 西安科技大学硕士学位论文 因此相应关于电力系统电压稳定的指标都可以为s v c 的安装地点的选择提供参考。 ( 1 ) v c p i 是一种描述电力系统电压接近崩溃程度的指标。定义为电力系统中的无功 功率出力变化之和相对于单个母线有功功率或无功功率变化的灵敏度。 q g t 。1 i ( 2 7 ) g 2 瓦矿 ( 2 8 ) ( 2 ) 灵敏度指标包括：纨灵敏度、特征值灵敏度等等。 q v 灵敏度指标是描述电力系统相应母线电压波动引起的无功功率需求变化的一种 局部指标，可理解为母线处的等价负荷无功功率：电压静态特性。 如k = q j ( ) 或k = q y 等。 j = l 特征值灵敏度定义为系统特征值兄对控制参量声的灵敏度，即：，：塑。 a ( 3 ) 参与因子：基于特征分析法，t a k o u tm a n s o u r 等研究人员根据参与因子来确定 s v c 的最佳安装地点。参与因子是描述特定状态向量与特定的模式所对应的特征根的相 关性的一种物理量，又可称为相关因子。定义为：量度第k 个状念向量凰同第f 个特征值的 相关性的物理量，即，相关因子凡i 又称参与因子。 圪= 丁v k l z k v 蔚，分别为系统状态矩阵的左、右特征向量矩阵y ，u 中的后 哆 行f 列元素。 2 5s v c 设计所需的电力系统参数及负荷资料 ( 1 ) 公共供电点 如s v c 设置原则所述，s v c 的设置就是要满足供电系统公共供电点处谐波滤波和无 功补偿指标的要求。所以首先要明确公共供电点( p c c 点) ，该点通常在供电部f - q 电力 用户的产权分界处。 ( 2 ) s v c 设计所需要的电力系统资料有： 电力系统电压：电力系统额定电压，电压波动和电压偏差及偏差的持续时间。 电力系统频率：电力系统额定频率，频率漂移和频率偏差及偏差的持续时间。 t 要) p c c 点：电网最大、最小运行方式和正常小方式的系统阻抗或短路容量。 绝缘水平，过电压及现有避雷器水平。 1 4 2t s c 无功补偿的基本原理 瞬态及暂时性过电压幅值及其持续时间。 系统中性点接地情况。保护配置( 包括时限配合) 及自动重合闸设置状况。 现有电力系统背景谐波情况( 最好是实测数据) 。 供电部f - 对p c c 点功率因数的要求。 ( 3 ) p c c 点以下的企业供配电系统资料 企业供配电系统单线图。图中应注明各主要元件的电气参数和运行方式，例如电 力变压器发电机、大型同步电动机、电力电容器及整流设备等额定参数。 p c c 点电压控制方式。如变压器采用无载或有载调压分接开关，分接开关档数及 每档电压百分值，以及其它的调压方式等。 其它负荷。与冲击负荷接于同一母线的其他负荷参数，如非线性负荷的额定参数、 功率因数、谐波发生量。 ( 4 ) 波动负荷数据 负荷曲线( 有功、无功) ，谐波发生量，负荷电气特性参数等。碎矿机是最典型的波 动负荷，需收集的数据如下： 碎矿机的容量、工艺过程简况、作业制、年工作天数。 典型电力负荷曲线。 碎矿机变压器参数，包括连续额定容量、额定电流，最大允许过负荷电流、损耗、 短路阻抗电压( 包括可能的相不平衡阻抗) 、接线组别、电压及调压分接开关档数、每档 百分电压值。 短网阻抗( 包括阻抗和电阻值) 。 碎矿机的自然功率因数。 谐波电流发生量( 最好是现有碎矿机的实测数据) 。 除上述类似参数外，尚需了解整流变压器电气参数。 ( 5 ) 晶闸管供电的动力负荷： 单线系统图。包括运行方式、各主要元件的电气参数如整流变压器的额定容量、 额定电流、额定电压、接线组别、变流相数、变流器的过负载能力等。 负荷曲线图。标明运行周期、各阶段的功率水平的时间。 谐波发生量。包括特征谐波、非特征谐波，交一交变频设备产所产生边频波。单 个变流器的谐波发生量，多组变流器的谐波发生量，现有设备最好是实测数据。 三相触发脉冲不对称度。 自然功率因数值。 ( 6 ) 环境条件 气象条件。包括年平均温度，最热月平均温度，最冷月平均温度，最高温度，最 低温度，相对湿度，年平均湿度，室外安装需降雨量、雷电活动日、最大风速等资料。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 水质条件。包括p h 值、悬浮物，总硬度等。 海拔高度。 地震烈度。 2 6t s c 补偿器的控制系统 t s c 作为一种动态无功补偿设备可以等效改变电力系统输电线路的阻抗值，提高输 电线路的传输功率极限；减小系统的振荡频率，提升电力系统的动态稳定性等。为了实现 不同的补偿目的，t s c 控制系统也不尽相同，且具体的控制系统比较复杂，本文对此 没进行深入研究，仅参考有关文献作简单介绍。t s c 的控制系统有三种形式：开环系统、 闭环系统和微机控制系统。t s c 控制框图如图2 7 所示。 三e _ o 图2 7t s c 控制系统框图 ( a ) 开环控制系统c ：尺g ；( b ) 闭环控制系统c _ ! 竺，_ l + a 爿 r ：基准值( 参考信号) ；g - 正向传递函数；c ：控制变量；h - 网