（电力电子与电力传动专业论文）基于可控电抗器的负荷无功和负序综合控制.pdf

基于可控电抗器的负荷无功和负序综台控制 a b s t r a c t i np o w e r s y s t e m ，t h el o a du n b a l a n c e a n d i n s u f f i c i e n c yo f r e a c t i v ep o w e r w i l lh a v ea g r e a t e f f e c to nt h eq u a l i t yo fe l e c t r i cp o w e rs u p p l y t h r o u g ht h ea p p r o p r i a t ea n de f f e c t i v ew a yo f c o m p e n s a t i o n , t h eb a l a n c eo f 3 - p h a s el o a d sc a l lb em a i n t a i n e di nt h em a x i m u md e g r e e ，a sw e l l a st os u s t a i nt h ev o l t a g ea tt h el o a dp o i n ti nt h er a t e dr a n g e q u a i i t yo f p o w e rs u p p l yc a r lb e a c h i e v e db yt h ea p p l i c a t i o no f c o m p r e h e n s i v e c o m p e n s a t i o no f r e a c t i v ep o w e r a n du n b a l a n c e d l o a d a tf i r s t , t h i sp a p e rd o e ss o m et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l eo fu n b a l a n c e dl o a d c o m p e n s a t i o ni n3 - p h a s e - 3 - w i r ec i r c u i t , a n da n a l y z e st h e3 - p h a s eu n b a l a n c e dl o a dw i t ht h e m e t h o do fs y m m e t r i c a lc o m p o n e n ti nd e t a i l m e a n w h i l e , t h i sp a p e rp r e s e n t st h ef u n c t i o no f r e s o n a n c eo f t h e c o m p e n s a t o ra n dl o a dc u r r e n t , w h i c hc a nb eu s e d t oc a l c u l a t et h er e s o n a n c eo f t h ec o m p e n s a t o rw h e nm e a s u r i n gt h el o a dc u r r e n t w i t ht h i s3 - p h a s ep a s s i v er e s o n a n c e ，t h e r e a c t i v ep o w e ro fl o a dc a nb ec o m p e n s a t e dt ot h er a n g ew h a ty o uw a n t f u r t h e r m o r e ，t h i s c o m p e n s a t o rc a n b e u s e dt ob a l a n c et h e3 - - p h a s el o a d t l l i sp a p e ra l s op r e s e n t st h er e a l i z a t i o no f t h er e a c t i v ep o w e ra n d n e g a t i v eo r d e rc u r r e n to f 3 - p h a s el o a dc o m p e n s a t o rm e n t i o n e da b o v e ，w h i c hi s s oc a l l e df c + m c r ( f i x e dc a p a c i t o r + m a g n e t i c - v a l v ec o n t r o l l a b l er e a c t o r ) ，a n di so n eo ft h es v c ( s t a t i ev a rc o m p e n s a t o r ) t h i s p a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo f m c r i nd e t a i l ，a n dd e d v e st h ec h a r a c t e r i s t i c s t l l i sp a p e rp r e s e n t sac o n t r o l l e rw i t ha l ls c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) a st h eg o r e w h i c hc a na u t o m a t i t a l l yc o n t r o lt h ep r a c t i c a lm c r i tc o n s i s t so fm e a s b r et i r e u i t , c o n t r o l c i r c u i t , 筋n gc i r c u i t , k e y b o a r d , d i s p l a yc i r c u i ta n dc o m m u n i c a t i n gc i r c u i t t h em e a s u r i n g c i r c u i ti st om e a s u r et h ec u r r e n to ft h e3 - p h a s el o a da n dc a p t u r et h es y n c h r o n o u ss i g n a l ；t h e c o n t r o lc i r e u i ti st oe a l c u i a t et h ec o n t r o lo u t p u t sw i t ht h em e a s u r i n g3 - p h a s ec u r r e n t sa n dt h e i n p u tp a r a m e t e ra c c o r d i n gt h er e l e v a n tc o n t r o ls c h e m e ；t h ef i r i n gc i r c u i tp r o d u c t st h ep u l s e st o f i r et h et h y r i s t o r sw i t ht h ec o n t r o l o u t p u t s ；o s e rc a ni n p u tc o n t r o li n s t r u c t i o nw i t ht h ek e y b o a r d ， a n dt h ed i s p l a yc f f c m tc s h o ws t a l e so ft h es y s t e mi n t u i t i o n i s t i c l y ；c o m m u n i c a t i n gc i r c u i t p r o v i d e s t h ed a t at oe o n t r o ls t a t i o n , t h i sc a nr e a l i z at h ec o n c e n t r a t i v ec o n t r 0 1 t or e a l i z et h ec o m p e n s a t i n go b j e c t i v e ，p 1 dc o n t r o lm e t h o di sa d o p t e di nt h ec o m p e n s a t o r a tt h ee n do f p a p e r , s i m u l a t o ra n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha r ec a r r i e do u tf o rt h ec o m p e n s a t o r m o d e l ；t h er e s u l t sa c c o r dw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s e sd o n eb e f o r e s ot h ec o m p e n s a t o ri s p r o v e d t ob ea c c u r a t ei nt h e o r ya n df e a s i b l ei np r a c t i c e k e y w o r d ：3 - p h a s e u n b a l a n c e dl o a dm c rs v cm e t h o d o f s y m m e t r i c a lc o m p o n e n t i i 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申请学位的论文是本人在导师的指 导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：皲建砰日期：夕一。3 年5 月石日 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、使用学应论文大规定，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。本人授权武汉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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：械建j 牟日期：z 口口；年岁月巧日 导师签名：日期：年 月 日 弛 基于可控电抗器的负荷无功和负序综台控制 第一章绪论 在电力系统中，无功功率不能得到合理补偿时，就会造成功率因数低下。这早己为 人们所关注，并且制造了各种补偿装置对其进行补偿。但电网中三相不平衡问题的补偿 却未引起人们足够的重视。固然可通过合理的设计使电网中的负荷达到基本平衡( 电气化 铁路中应用平衡变压器实现三相线路的平衡) ，但很多场合难于达到完全一致，有时不平 衡现象甚至很严重。虽然人们可通过“拉负荷”来实现平衡，很明显这不是最好的方法， 本文采用计算机技术，通过检测电网参数，使用静态无功补偿器作为执行器件，在进行 无功补偿的同时实现三相不平衡补偿。 1 1 无功和负序电流的产生原因及其危害和不良影响 1 1 1 负序电流和无功的产生原因 在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大的比例。感应电动机、变压器、传统 的日光灯镇流器等都是典型的感性负载。感应电动机和变压器所需要的无功功率在电力 系统所提供的无功功率中占有很高的比例。一些电力电子装置，特别是各种相控装置， 如相控整流器、相控交流电力调节装置等，在工作时基波电流滞后于电网电压，要吸收 大量的无功功率。电气化铁路和工业用电弧炉在工作时，不但要吸收大量的无功功率， 而且所吸收的无功功率的波动也很大。所有这些负载在正常工作时，都需要大量的无功 功率【1 】。 三相电力系统中产生负序电流的因素可以归纳为事故性和正常性两类，前者是由于 三相电力系统中某一相或两相出现故障所致，而后者是由于三相元件不对称所致1 2 1 。 对于事故性因素，一般可由继电保护、自动装置动作切除故障元件后在短期内使系统恢 复正常，从而使负序电流得到消除。目前在我国，电气化铁路和交流电弧炉产生的负序 电流占电力系统中负序电流的主要部分【3 】。 1 1 2 负序电流和无功的危害和不良影响 1 1 2 1 负序电流的危害 配电网中的三相电压和电流不平衡对电力系统和用户造成了一系列的危害，而现在 配电网中的众多的单相负荷造成了配电网的三相电压和电流的不平衡，危害主要体现在 以下几个方面【2 ，4 】 a 引起旋转电机的附加发热和振动，危及正常运行和出力。 b 引起以负序分量为起动条件的多种保护装置发生误动作，电网中有谐波时更容易 误动，危及电网的安全运行。 c 会造成家用电器的损坏或影响使用。 d 会使变压器负荷较大地一组绕组过热而寿命缩短并且造成附加损耗。 l 基于可控电抗器的负荷无功和负序综合控制 e 使发动机的容量利用率下降，引起半导体变流设备产生谐波电流。 三相不平衡时，将使网络损耗增加。 1 1 2 2 无功功率的不良影响 在电力负荷中，感性负荷投入运行之后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，电力系统的无功负荷约为有功负荷的1 3 倍。大量的无功如果 完全由发电厂来提供，就会使用户功率因数降低，其结果造成线路有功损失加大，用户 电压降低，电力设备得不到充分应用。当整个系统无功严重缺乏时，还会使电力系统崩 溃。我们知道，无功功率增加将使实在功率增加，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【l ，3 ，1 7 ，1 9 1 ： a 。总电流增加会使设各容量的增加。无功功率的增加，会使发电机、变压器及其 它电气设备容量和导线的容量增大。同时，电力用户的起动及控制设备、测量 仪表的尺寸和规格也要加大，因而使投资费用增大。 b 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。 o 线路及变压器的电压损耗增加。 d 导致原动机效率的相对降低。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，如过度增加励磁电流，则使转子绕 组超过允许温升。 e 无功功率的变化会引起电网电压的波动，使一些用电设各无法正常工作，降低 供电质量。 1 2 负序电流和无功的抑制方法及存在的问题 1 2 1 负序电流的抑制方法及存在的问题 电力系统三相电压不平衡度的标准涉及到各种电气设备、用电器具以及某些继电保 护和自动装置的相关标准。这些标准大致上可以分为三大类：一类是对负序干扰源的限 制：第二类是被干扰设备( 和装置) 承受不平衡的能力；第三类是从保障供电电能质量 或电磁兼容角度规定的不平衡度。国标( g b f f l 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 电能质量三相电压允许不 平衡度是国家技术监督局发布的电能质量系列五个标准之一。它对标准的内容和适用 范围、关于电压不平衡度的允许值、对用户负序发生量的监测、测量和取值的问题和有 关的计算公式进行了相应的规定。 特别指出，在国标颁布之前，为了限制电网中三相不平衡度，在些专业规程或导 则中对此有些较具体的规定，这些具体的规定便于实际操作，但是否和现行的国标协调， 尚需作验算和论证。如两者出现矛盾，应以国标为基础作相应的修改。 由不对称负荷引起的电网三相电压不平衡可以采用下列方法解决： a 对称负荷分散接到不同的供电点，以减小集中连接造成不平衡超标问题： b 使不对称负荷合理分配到各相尽量使其平衡化； 基于可控电抗器的负荷无功和负序综合控制 c 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奠足够太( 例如 对于单项负荷。大于5 0 倍负荷容量时，就能保证连接点的电压不平衡度小于2 ) ； d 采用平衡装置。 目前，对于像电气化铁路这类大容量的单相负载，实际上目前主要有两种方案： a ，从变压器着手，采用一定接法的变压器，如s c o t t 和逆s c o t t 接法的变压器【5l 、 平衡变压器【4 ，6 ，7 】等，使不平衡负荷在三相线路中尽可能的表现为平衡。 b 采用更高电压级供电。目前我们采用的是1 1 0 k v 电压供电，以后将采用2 2 0 k v 电压供电，这体现了上面的第三种方法的思想。 虽然上述的两种方案在解决负荷不平衡的平衡化问题上确实起到了很重要的作用， 但是产生的负序电流仍很难得至b 根本抑伟和消除。 1 2 2 无功功率的补偿方法及存在的问题 在电网中，网络元件的阻抗主要是电感性的，需要无功功率，大多数负载也需要无 功功率。显然，网络元件和负载所需的无功功率如果都由发电机提供并经过长距离传送 是不合理的。通常也是不可能的。合理的方法应是在需要无功功率的地方产生无功功率， 实行就地补偿， 早期的无功功率补偿装置的典型代表是同步调相机。同步调相机不仅能补偿固定的 无功功率对变化的无功功率也能进行动态补偿。随着控制技术的进步，其控制性能有 所改善。 并联电容器的成本较低，与同步调相机比较，在调节效果相近的条件下，前者的费 用要节省得多。因此，并联电容器的方法得到了迅速发展。 静止无功发生器( s t a t i cv a t g e n e r a t o r - - s v g ) 是一种现代电力电子无功补偿装置， s v g 在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可。s v g 通过不同的控制，即可 使其发出无功功率，呈电容性。也可使其吸收无功功率。呈电感性。 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 是一种新型的谐波、无功和负序电流综合补 偿系统。和前面论述的无功和负序电流抑制方法相比，有源电力滤波器具有以下一些特 点【8 ，9 ，1 0 ，1 i ，1 2 】 a 实现了动态补偿。有源电力滤波器可对频率和幅值都变化的谐波以及变化的无功 和负序电流进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应； b 可同时对谐波、无功和负序电流进行补偿。也可单独补偿谐波、无功或负序电流， 且补偿无功的程度可连续调节： c 在实际应用中，有源电力滤波器的贮能元件窖量很小： d 即使需要补偿的电流超过其额定值，也不会发生过载情况，并能在其额定容量内 继续正常工作； e 受电网阻抗的影响较小。不易与电网阻抗发生谐振； 既可对特定的谐波源和需要无功及产生负序电流的负载进行补偿，也可对多个谐 波源和需要无功及产生负序电流的负载进行补偿。 可见，采用有源电力滤波器可以获得比以往谐波、无功及负序电流抑制方法优越的 3 基于可控电抗器的负荷无功和负序综合控制 补偿性能。不过，有源电力滤波器的大量使用，还有赖于电力电子技术的发展和控制理 论的完善。只有电力电子器件容量的增加，成本降低。控制理论的完善，有源电力滤波 器在谐波、无功和负序电流综合补偿中的良好应用前景才能得以实现。 众所周知，国外7 0 年代发展起来的静止型无功动态补偿器是一种快速调节无功功率 的装置，已成功地应用于电气化铁路、冶金、电力、采矿和高能加速器等负荷的补偿上。 这种装置在调节的快速性、功能的多样性、工作的可靠性、投资和运行费用的经济性等 方面比调相机具有显著的优点，能够获得较好的技术经济效益，因而在国内外取得了较 快的发展。 应注意，本文中的静止无功补偿器( s t a t i cv a t c o m p e n s a t o r - - s v c ) 是国际上的通称， 其中“静止”是指其构成的元件设备没有“旋转”而言。国内有的部门按补偿功能，把 这类装置叫“动补”装置，而把电容器、电抗器之类的补偿器叫“静孙”装置。 s v c 其典型代表是固定电容器+ 晶闸管控制电抗器( f i x e dc a p a c i t o r + t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t o r _ f c + t c r ) 。晶闸管投切电容器( t h y r i s t o r s w i t c h i n gc a p a c i t o r - t s c ) 也获得了广泛地应用。可控电抗器的结构形式千变万化，特性各异。近年来的研究表明， 其中最有应用前景的为裂芯式和磁阀式可控电抗器，它们各具特色，适应于不同的应用 范围【1 3 】。静止无功补偿装置的重要特性是它能连续调节补偿装置产生的无功功率；这 种连续调节是依靠调节可控电抗器中晶闸管的触发延迟角得以实现的。t s c 只能分组投 切；必须和可控电抗器配合使用，才能连续调节无功功率。t s c 和可控电抗器配合使用， 进行分组控制，还能平衡三相不对称负载，对负序电流起到一定的抑制作用。 晶闸管相控电抗器( t c r ) 可以平滑调节容量，但是t c r 是通过控制晶闸管触发相 位角，来直接控制电抗器输出电流的，这样不仅电抗器的输出电流畸变非常严重，产生 很大的谐波，而且在工作过程中晶闸管需要承受全部的工作电压和工作电流。这使t c r 的电压等级无法做得很高，晶闸管的容量也要求很严格，从而使t c r 的占地面积变大， 控制复杂，价格昂贵。 而磁阀式可控电抗器的控制晶闸管所承受的电压只有额定电压的2 左右，其电流 也只要求额定的控制电流，主回路的电压电流将由电抗器部分承受。这可以使磁阀式可 控电抗器应用于任何电压等级的网络，没有由于晶闸管容量而带来的种种问题。而且磁 阀式可控电抗器输出电流的谐波性能比t c r 好。从经济性来考虑，磁阀式可控电抗器结 构简单，价格便宜。在很多领域都有使用磁阀式可控电抗器代替t c r 的趋势。 本文采用的是固定电容器+ 晶闸管控制磁阀式电抗器( c a p a c i t o r + m a g n e t i c v e t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r - - f c + m c r ) 。 目前的无功功率补偿方法主要存在下面一些问题【3 】： a 从总体上讲，同步调相机的补偿手段己显陈旧，而且其难以维护； b 对于并联电容器，只能补偿固定的无功功率； c 因晶闸管控制电抗器装置采用相控原理，在动态调节基波无功功率的同时，产生 大量的谐波( 使用m c r 可得到减少谐波的效果) ； d s v g 是先进的现代补偿装置，若采用多重化或p w m 控制技术，可以使其输出电 流谐波成分较小，但其只能补偿无功功率，功能略显单一； 4 基于可控电抗器的负荷无功和负序综合控制 e 有源电力滤波器的优越性是无可非议的，目前，a p f 已开始从实验室原理型转变 为工业生产实用型，在世界发达国家获得了工业应用【l 】。目前，有源电力滤波器在日 本的应用最为广泛，补偿范围包括谐波、无功、负序以及电压调节等，补偿对象有电气 化铁路、工业整流负载和电弧炉等。不过，我国有源电力滤波器的研究还停留在实验室 研究和工业化实验阶段，其可靠性和经济性还不允许我们大规模的实现工业化应用。 1 3 可控电抗器的发展 可控电抗器是借助控制回路直流控制电流的激励改变铁芯的磁饱和度，从而达到平 滑调节无功输出的目的。可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的【1 3 】。早在1 9 1 6 年就由美国的e k w 亚历山德逊提出了“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取向硅钢带的高磁导、高矩形系数的坡奠台金材料的出现，把饱和 电抗器的理论于应用提高到一个新水平。1 9 5 5 年美国h e 斯托姆所著磁放大器一书， 1 9 5 6 年前苏联m a 罗津布拉特也著了磁放大器一书，标志着磁放大器发展的高峰。 与此同时，科学家们把磁放大器的工作原理引入电力系统，1 9 5 5 年英国通用电气公司制 造了世界上第一台可控电抗器，其额定容量为1 0 0 ；j g _ , 伏安，工作电压为6 6 2 2 千伏。它的 主绕组为2 组，均为之字形连接，对应相的两个基波电流在相位上相差3 0 度，并且由于有 三角形绕组，3 倍频及7 次以下的奇次谐波自我抵消而不注入电网。该可控电抗器有很大 的缺点：控制直流的改变会导致接成三角形线圈内部电流的变化，过渡过程的时间常数 取决于三角形线圈的时间常数。其值一般很大，故调节很慢。另外，其有功损耗和材料 消耗都较大。这些缺点限制了可控电抗器的推广。 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”。对可控电抗器认真的理论研究和实践探索还是近十几年才开始的( 开始主要在原苏 联) ，1 9 8 6 年，原苏联学者首先提出了可控电抗器磁阀的概念。使可控电抗器的发展有了 突破性进展。由于认识到可控电抗器的巨大应用潜力，欧美一些国家也开始对可控电抗 器进行研究【1 4 ，1 5 ，1 6 】。我校于9 0 年代初期开始新型可控电抗器的研究，目前，已在电 力系统得到初步应用，在国内处于领先水平【1 2 1 3 】。 可控电抗器在电力系统中的应用前景和潜力是十分广阔和巨大的。下面列出其主要 的应用范围和功能。 ( 1 ) 在超高压电网中用作调相调压设备 可控电抗器可作成任意电压等级直接接入超高压电网，因此具有显著的技术、经济 性。目前，我国电网缺少的调相容量相当大，今后随着更多的大型水电站的投运，为了 改善系统的稳定性能和减少输电损耗有功电源侧一般很少送出无功，受端所需无功必 须自行补偿，所以调相容量将更为缺乏。因此可控电抗器将为我国今后解决这个矛盾提 供了一个理想的途径。 ( 2 ) 可控电抗器在远距离输电系统的应用主要有以下功能 a 抑制系统过电压 b 提高系统稳定性，增大输电能力 基于可控电抗器的负荷无功和负序综合控制 c 抑制系统功率振荡 ( 3 ) 可控电抗器在有冲击负荷的电力用户和变电站应用可达到的效果 抑制电压闪变 电力机车、电弧炉、大型轧钢机、加速器等都属于大功率无功冲击负荷。其特点是 变动周期短，变化速度快，通常用具有快速调节能力的静止补偿器( t c r ) 进行补偿， 抑制电压闪变，改善电压质量。由于无功冲击负荷的补偿要求快速的补偿装置，常规的 可控电抗器达不到要求。近期的研究表明，可控电抗器的调节时间可以大大缩短到一个 工频周期内，从而为可控电抗器在抑制电压闪变方面的应用打下良好的基础。 b 补偿用户无功，提高功率因数 可控电抗器配合电容器组可连续平滑地调节系统的无功功率，大大提高用电企业的 功率因数，从而避免用户交纳电费受罚。甚至转为受奖， c 平衡负荷 可控电抗器可用来消除负荷的不平衡运行给电网带来的影响，丛而使不平衡负荷处 的供电电压平衡化。 d 提高三相整流电路功率及抑制谐波 单相可控电抗器接入三相整流电路的零序回路中。根据负荷变化而自动调节，可使 系统功率因数接近1 0 ，高次谐波分量大大减小。由对称分量法分析得出：在三相供电电 源理想情况下，三相可控电抗器配合固定电容器三角形接法接入三相不平衡电路，根据 负荷变化而自动调节，不仅可使系统功率因数为1 ，而且可使三相负荷平衡n 7 ，1 8 ，1 9 1 。 1 4 负荷平衡化补偿的发展 在三相电力系统中，负荷不平衡会导致负序电流的产生，从而使发电机、传输线和 变压器的损耗增加。由负序电流产生的负序电压是影响电能质量的一个重要因素，它会 导致电机损耗增加，也会使整流器中的纹波增加。 g y u g y i 等人很早就对负荷不平衡问题的补偿进行了研究，并在1 9 7 8 年发表了一篇 关于使用晶闸管控制的并联补偿器进行无功电压综合控制的文章，这篇论文是最早对负 荷平衡补偿问题的论述 2 0 1 。之后，很多作者都引用了这篇论文，并且在g y u g y i 等人 的研究基础上，进行优化合完善。 现在，并联补偿器( s h u n t c o m p e n s a t i o n s - - s c s ) 已经广泛应用于电压一无功综合补 偿控制中，对工业不平衡大用户，并联补偿器可以通过补偿负序电流来实现负荷平衡。 工业不平衡大用户包括单相电力拖动系统、电弧炉和焊接设备等，它们会使供电电压发 生明显的畸变，从而影响电动机、发电机和其它用电设备的运行。通常不平衡度超过了 系统允许值，就应该在公共联接点处配置一个适当容量的s c 。 目前，负荷平衡最常用的方法都是基于s t e i n m e t z 方法的，这种方法被用来计算s c 的负荷平衡化公式的参数。基于s t e i n m e t z 方法的平衡s c s ，既可消除不平衡负荷产生的 负序电流，也可补偿正序电流的无功部分，实现全补偿。从经济性考虑，为了减少补偿 设备的投资n i k o l a e n k o 2 1 】提出应对不平衡系统进行部分补偿，即指定功率因数和 6 基于可控电抗器的负荷无功和负序综合控制 不平衡度的补偿，使补偿效果最优。 s v c 是s c s 中的一种，其负荷平衡和功率因数校正功能已为大家所熟知 2 2 ，2 3 】， 它的补偿功能是通过控制可控电抗器的导通角来调整投入系统的电纳值。t c r 是s v c 的一种，通常采用的方法是f c - - t c r 结构。由于t c r 的费用比较高，而且产生很大的 谐波，所以电力专家又开始研究更加经济有效的s v c 补偿方式。1 9 8 6 年，原苏联学者 首先提出了可控电抗器磁阌的概念，这为s v c 提供了更大的发展空间。磁阀式可控电抗 器( m c r ) 比t c r 容易控制、谐波小和经济，所以越来越受到了人们的关注【1 3 】。我 校陈柏超等人对m c r 进行了深入的研究，并且研制成功了实际可行的产品，为m c r 在 我们国家的推广作出了很大的贡献。 r g r u n b a u n 2 4 1 等人应用f a c t s 技术对交流电力拖动负荷的动态平衡问题进行了 研究，并且提出了一种很好的解决方法。他们提出s v c 和s v cl i g h t ( 电压源逆变器) 两种补偿方案，陪合适当的算法，实现了负荷的平衡目的。 b h a v 口a j u 2 5 】等人提出用有源滤波的技术来实现负荷平衡。他们采用p w m 控制 的静止a c d c 变换器结构对工业负荷进行平衡，其工作原理是：不断检测负荷电流的负 序分量，然后用有源滤波器注入一个等值反向的电流，从而实现负荷的平衡。 目前，对不平衡负荷的补偿绝对多数是针对三相一三线系统的，b 1 1 i m 【2 6 】等人尝 试得出一种适合所有三相系统的方法。对三相一四线系统，他们提出了三种解决中线电 流的方案，每种方案采用不同的补偿元件，并且都得到了很好的补偿效果。对三相一三 线系统，他们则采用了种综合补偿方案。 随着对电能质量要求的提高，对不平衡情况下测量精度的要求也越来越高。在实际 应用中用来计算补偿电纳的电气量的选择也相当关键。为了便于测量和简化计算， s a n l e e 【”】等人推导出一个基于对称分量法的简洁算法。这种算法只需在电路中 采用两个单相有功和无功变换器和三个相电压变换器作为测量电路。 对称分量法的出现可以追溯到1 9 1 8 年1 2 8 1 ，当时a e 学报( t i l et r a n s a c t i o l l so f t h e a m e f i c 锄 t l s t i m t eo f e l e c 缸c a ie n g i n ) 收录了一篇由c h a r l e sl eg e y tf o r t e s c u e 编写的 文章，题名是“用于解决多相网络问题的对称坐标法”，文中的分析方法是这篇论文的主 题。这种分析法很快得到了普遍的认可被称为“对称分量法”，这种分析法使得多相不 平衡系统的分析变得很容易。在电力系统中，对称分量法主要应用于不平衡多相交流系 统的分析补偿和一些系统保护的场合1 2 9 ，3 0 1 。 1 5 本文所作的主要工作 不论是无功还是负序电流，从物理本质上看，都可以归结为波形的问题。无功是电 压电流波形相位不同，负序是三相电流波形不对称。正是由于这种物理本质的统一性， 可以对电力系统中的无功和负序电流进行综合补偿。 如前所述，现在电力系统的无功和负序电流问题仍然很严重，负荷平衡和无功补偿 的方法也很多寻找一种适合我国国情的综合补偿方案是我们急需解决的问题。有源滤 波由于成本高，经济性差，目前在我国还不能得到大面积的推广。s v c 是一种很好的补 7 基于可控电抗器的负荷无功和负序综合控制 偿方案，并且在世界各国都有很广泛的应用，s v c 中现在人们使用最多的是t c r 。本文 采用晶闸管控制磁阀式可控电抗器( m c r ) 来实现无功和负序电流的综合补偿，这种方 案比t c r 补偿可靠性高、经济。 本文进行了如下工作： a 三相不平衡补偿和基波无功功率补偿的理论分折。 b 分析磁阀式可控电抗器的数学模型和特性，主要包含磁阀式可控电抗器的工作原 理、磁化曲线的数学模型、碰路系统和可控电抗器的特性。 c 基于磁阀式可控电抗器的三相不平衡单片机控制装置的硬件设计，包括模拟量输 入、数据采集、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通信接口、显示电路、脉冲触发电路。 d 三相不平衡补偿控制策略的的研究及软件设计。 三相不平衡补偿的计算机仿真及实验。 8 基于可控电抗器的负荷无功和负序综合控制 第二章三相不平衡及其补偿的原理 2 1 对称、平衡和三相不平衡度的概念 根据电工理论，多楣系统可以分为对称的和不对称的两大类。所谓对称的m 相系统， 是指各相电量( 电动势、电压或电流) 大小相等而且顺序相邻间的相移等于2 ，r m 。由 上述对称的定义，可以直接得出如下结论：一个对称多相系统各电量的相量如果每一个 的始端都聚集在一起，就形成个对称的星形；而若前一个相量的末端衔接着下一个相 量的始端，则它们就形成一个等边的多角形1 2 1 。因此，这些相量全部几何和等于零。 也就是说，组成对称多相系统的全部电量其瞬闻值之和在任何时刻均等于零，而表示这 些电量的全部相量，其总和也等于零，亦即 f 一 l 2 u k = u i + 沈+ + u 。= 0 1 = 【= u t + 吻+ + “m = o 上式反映了多相系统的基本性质。但是应注意，只满足上式不一定是对称多相系统 ( 例如含负序而不含零序的系统) 。 对于三相对称系统，电压瞬时值为 u 。= u ，s i n ( o j t + 痧) 三相电压的相量为 悸 = ue j 9 - - j ( p - - 娶) = ue ：6 。巾一争 塌懈子，孚= 一吉+ ，萼，跳l + a t + a 2 = 0 o 须黜所够 纷，纷， 一 一 r 庐 + + 甜 甜 龇 龇 u u i l 二 如 绯 基于可控电抗器的负荷无功和负序综合控制 相系统，只要不符合本节开头所提出盼对称条件之一，就称为不对称系统。 多相系统又可分为平衡的和不平衡的，前者总功率瞬时值与时间无关，而后者总功 率瞬时值随时间而变。 可以证明，相数m 2 的对称系统定是平衡的。以k 相的电压和电流而论，有 卜- d 2 - us i n 一( ) 争 l f 。：玉s i n o ) t 一妒一( _ j 一1 ) 2 - - 5 - x 而此相内功率瞬时值为 仇= “l = u i c o s 9 , 一u i c o s 2 c o t 一伊一2 ( k 1 ) 堡】 整个多相系统功率瞬时值p 为 p = 兰k = l p t = 荟mw c 。s 妒一明若mc 。s 【z 耐- q ，- 2 ( t t ) 鲁】t 一， 一l 上式对于m 2 第二项等于零，因为此项如以向量来表示，便得到一个对称的星形。所以 当m 2 时p = u ! c o s = m u i c o s 妒= p 这就是说，r t l 2 的对称多相系统的总功率瞬时值与时间无关，因此这样的多相系 统是平衡的。若电压是对称的。但多相电路参数不对称，则一般说整个多相系统的功率 瞬时值是随时间变化的，并且以角频率的两倍脉动。 一个多相系统的不对称性并不表明它一定是不平衡的。例如两个大小相等而互成兰 角的电动势组成正交的不对称二相系统，在电路参数相同时就是平衡的，证明如下：若 p l = e l i l = 4 2 e s mg o t 4 2 1 s h a ( g o t 一9 ) = 日【c o s 9 一c o s ( 2 c o t 一妒) 】 p ：吼= 4 2 e s i n ( o ) t 一知x d s i n ( o u ，一要一妒) = e i c o s 伊一c o s ( 2 c o t p 一，r ) 】 则p = p l + p 2 = p l = 2 e i c o s 9 = p 单相系统可算是不平衡的典型例子，其功率在p ( 1 + ! _ p ( 1 一! 一) 之间波 c o s 妒c o s 妒 动，其中p 代表系统的有功功率。 目前国际电工委员会( 1 e c ) 制定的电磁兼容匝c 1 0 0 0 系列标准中，将“不平衡” 1 0 基于可控电抗器的负荷无功和负序综合控制 列入其中，这主要是由于平衡与否涉及的是功率和电磁转矩等与供用电质量直接相关的 量，而对称与否反映的是电路结构参数。 三相系统的不平衡工况对于电力系统的发电、输变配电和用电等设备的运行都有危 害，因此必须予以限制。并采取措施加以改善。 三相不平衡度通常以负序分量比正序分量的百分数表示。已知三相电量，用对称分 量法计算，即可得出相应结果。当三相电流( 电压) 中不含零序分量时( 例如三相线电 压、线电流) 可求出三相不平衡度的更为简洁的算式。对于三相不平衡度的具体应用公 式我们将在三相不平衡度的国标一节中介绍。 2 2 负荷补偿的对称分量分析法 在这里再次强调一下平衡和对称的区别，以便明确为什么要针对平衡系统来讨论。 平衡三相系统：三相系统总功率的瞬时值为与时间无关的恒量。 对称三相系统：三相系统的全部正弦波形电动势、电压和电流的大小相等，而且各 相之间的相位差又都相等并相差1 2 0 o 。 一个不对称的多相系统并不表明它是不平衡的。 在大功率的单相负荷直接连接至三相电源时，将导致三相系统的不平衡，这时对于 发电、输电和变电等设备的运行都会引起不良影响和危害。 平衡的三相系统总功率是恒定的且与时间无关，而不平衡的三相系统的总功率却是 在其平均值舱上下脉动。因此在将不平衡三相系统变换成平衡的三相系统时，在变换设 备中应该设有能够暂时储积电磁能量的储能元件。 下面再解释一下为什么要用电流、电压表示。 除同步调相机之外的所有实际的并联补偿器都是依靠控制流经装置中的电流来进行 工作的，或则控制流经电容器组中的电流，或则控制流经电感器组中的电流。例如，饱 和电抗器通常都要求至少部分地偏置到超前象限中去，所用的方法是并联电容器。一个 固定电抗比一个具有相同额定无功功率的可交补偿器便宜，所以有时仅根据负荷无功功 率的变化量来确定补偿器的容量，同时采用固定并联电抗以得到所需之平均功率因数。 这样做，在经济上是合算的。 到目前为止，对不平衡负荷的分析无疑地是用实际的线宅流和电压，即在“相坐标 系”中进行的。因为电流和电压是最易测量得到的量，所以求所需补偿电纳的公式也将 用这些量来建立。为了说明补偿后系统中的电流一定是平衡的，可以用对称分量法：首 先把电流和电压分解成对称分量，然后施用反变换便可求得用实际电流、电压表示的所 需的补偿电纳【2 ，4 ，1 3 ，1 7 ，1 b ，3 l ，3 2 ，3 3 1 。 对称分量法对确定不平衡负荷下不同型式补偿器的性能也是很有用的。各种补偿器 在负序电压下的特性是不同的。 假定电源电压是平衡的，负荷用图2 - - 1 ( a ) 的三角形连接的网络来表示，图中f “ 基于可控电抗器的负荷无功和负序综台控制 耳”和e 。是复数并且互不相等。任何不接地的星形连接负荷通过y 一变换都可以表 示成图2 一l ( a ) 的三角形连接形式。 图2 1 ( b ) 中各支路的补偿电纳均等于负荷电纳的负值，这就使得负荷导纳变成 纯电导，虽然三相负荷是不平衡的，但整体功率因数为1 。 普通的不平衡三湘负荷( b ) 各相功率因数技正电纳的连接 ( 0 补偿后的负荷不平衡，但功率因数为l 图2 - - 1 下面我们对图2 1 的负荷进行分析 相一中性点电压 线一线电压 其中a t 一吾+ ，粤 ( 2 _ 1 ) 2。2 u = u 。一瓯= ( 1 - 2 1 u = 玑一阢= 2 一u u 。= u 。一u 。= ( 口一1 ) u 三角形接法支路负荷电流 i ，面= 巧口6u 曲= 巧面( 1 口2 ) u ，葩= z 拓u 如= 蚱k 2 一a ) u 1 i ，“= 巧“u m = z “( a - 1 ) u ( 2 2 ) ( 2 3 ) 1 2 u r 而方 u 口 岱 = = = uuu 基于可控电抗器的负荷无功和负序综合控制 线电流 j 。；j 。一j 。：【( 1 岱：) 一z m 一1 ) 】玉 ，6 = i b 。一曲= 巧妇( a2 一a ) 耳曲( 1 口2 ) u ( 2 4 ) 。= ，甜，扯= 巧阳( 口一1 ) 一e 如( a2 一口) 】u 线电流的对称分量由下式给出： 所以得 i o = u n + i b + i c ) 4 3 一 i i = q q + g i b + c e 21 0 | _ 3 。 ， ，2 = u 。+ 口2 ，6 + 口，。) 6 i o = 0 一 ，= 3 ( r 曲+ r 如+ z 甜) 【， j ：i ( a ：巧m + 巧“+ g 巧。) 6 ( 2 5 ) 式中j 。，五，j 2 分别为零序、正序