（电力系统及其自动化专业论文）svc的优化设计及基于matlab的仿真研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 传统的t c r 型静止无功补偿装置都是在高压侧直接补偿无功， 对串 联晶闸管的特性 以 及绝缘、 保护和测量都有较高的要求， 装置的成本较高。为了 解决 这一问 题， 课题提 出一种新型动态无功补偿装置， 采用可控电抗器在低压侧进行无功补偿。 论文工作有学 术意义和实用价值。 论文根据实际电网的需要， 采用多组低压t c r 无功单元模块并联后通过多绕组变 压器接入系统，不但具有t c r 的各种优点，同时注入系统谐波小，无需额外的滤波 装置;避免了器件串联，降低了器件成本，提高了系统可靠性;控制器采用 d q变 换法，检测更准确:采集采用低压模块结构，便于系统容量扩展等特点。仿真计算 表明，提出的算法和设计的电路都是可行的。 关键词:s v c , t c r ，无功补偿，仿真 abs t ract t r a d i t i o n a l t c r s c o m p e n s a t e r e a c t i v e p o w e r f r o m h i g h v o l t a g e s i d e o f t r a n s f o r m e r , s o i t d e m a n d s h i g h l y o f t h y r i s t o r a n d i t s p r o t e c t i o n a n d m e a s u r e m e n t , t h u s t h e c o s t o f e q u i p m e n t i s h i g h e r . i n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m , t h e p a p e r a d v a n c e a n e w d y n a m i c c o m p e n s a t o r , w h i c h c o m p e n s a t e f r o m l o w v o l t a g e s i d e . t h e p a p e r h a s l e a r n i n g m e a n i n g a n d p r a c t i c a l v a l u e . a c c o r d i n g t o t h e n e e d o f p r a c t i c a l g r i d , m a n y l o w t c r u n i t s w e r e p a r a l l e l e d a n d c o n n e t w i t h p o w e r s y s t e m t h r o u g h t r a n s f o r m e r . i t h a s a d v a n t a g e s o f t c r a n d l o w h a r m o n i c , a n d i t n o n e e d a d d i t i o n a l f i l t e r . i t a v o i d t h y r i s t o r s s e r i e s , r e d u c e c o s t a n d i n c r e a s e r e l i a b i l i t y . t h e c o n t r o l l e r a p p l y d q r o t a t i o n , s o i t m e a s u r e m o r e e x a c t l y . i t a p p l y l o w v o l t a g e u n i t , t h u s e a s y t o e x p a n d s y s t e m . s i m u l a t i o n a n d c a l c u l a t e i n d i c a t e t h a t i t i s f e a s i b l e i n a r i t h me t i c a n d c i r c u i t d e s i g n e d . d o n g l i t a o ( p o w e r s y s t e m a u t o m a t i o n ) d i r e c t e d b y p r o f . z h a n g j i a n h u a k e y wo r d s : s v c , t c r , v a r c o mp e n s a t i o n , s i m u l a t i o n 声明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 s v c 的优化设计及基于m a t l a b 的仿真 研究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。 据本人所知， 除了 文中 特别加以 标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人己 经发表或撰写过的 研究成果， 也不包含为获得华北电 力大学或其他教育机构的学位 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。 学 位 论 文 作 者 签 名 二 壁 立 生一 日期 : 、. 0 3 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电 力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向 有关部门 送交学 位论文的原 件与复印 件; 学校可以 采用影印、 缩印 或其它复制手 段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以 学术交流为 目 的 ， 复制赠送和交换学位论文; 同 意学校可以 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。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守 此规定 ) 作者签名:孤 祷导师签名: 日期卜 i q v s o / j日期: _ 华北电力大学硕 七 学位论文 第一章 引言 1 . 1 论文课题提出的意义 无功平衡对提高电网的经济效益和改善供电质量至关重要。随着电力工业的高 速发展，超高压、特高压电网相继投入运行，人们对供电质量及可靠性的要求越来 越高。由此产生了一系列问题:超高压大电网的形成及负荷变化加剧，要求大量快 速响应的可调无功电源来补偿系统所缺无功，进而调整电压，维持系统无功潮流平 衡，减少损耗，提高供电可靠性。 电力系统中，异步电动机和变压器等设备要消耗大量的无功功率。这些无功功 率如果不能及时地得到补偿，会对电网安全、稳定运行产生不利影响:一方面，无 功功率的增加会导致电流的增大，不仅使设备及线路的损耗增加，还会威胁到设备 的安全运行;另一方面，电流和视在功率的增大会导致发电机、变压器及其他电气 设备容量的增加，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要相应加 大，这使得电网的经济运行大打折扣;另外，无功储备的不足会导致电网电压水平 的降低。如果是冲击性的无功功率的负载，还会使电压产生剧烈的波动，例如电弧 炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，使电网的供电质量更加恶化。 当前，人们对电能质量的要求越来越高，保持适量的无功裕度是电网安全、稳定、 经济运行的重要保障。鉴于以上所述种种危害，如何快速有效地补偿电力系统中的 无功缺额，具有重要的现实意义。 对于6 -2 2 0 k v 电网，系统用户负荷通常为感性， 一般采用固定电 容器组进行 集中或分散补偿，以提高功率因数，降低损耗。当负载运行处于低谷时期， 若不 切除电容器组( 实际上大部分情况便是如此) ， 剩余的容性无功会在线路中流动造 成电压波动和损耗增加。 传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机 ( s y n c h r o n o u s c o n d e n s e r - s c ) 它是专门用来产生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。由 于它是旋转电机，损耗和噪声都较 大，运行维护复杂，响应速度慢，在很多情况下已经不能满足快速无功功率控制的 要求。 2 0 实际7 0 年代以来， 同步调相机开始逐渐被无功功率补偿装置 ( s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r - s v c )取代。 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器 ( s a t u r a t e d r e a t o r - s r ) 型的。1 9 6 了 年， 英国 g e c 公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。 此后各国 华北电力大学硕 七 学位论文 第一章 引言 1 . 1 论文课题提出的意义 无功平衡对提高电网的经济效益和改善供电质量至关重要。随着电力工业的高 速发展，超高压、特高压电网相继投入运行，人们对供电质量及可靠性的要求越来 越高。由此产生了一系列问题:超高压大电网的形成及负荷变化加剧，要求大量快 速响应的可调无功电源来补偿系统所缺无功，进而调整电压，维持系统无功潮流平 衡，减少损耗，提高供电可靠性。 电力系统中，异步电动机和变压器等设备要消耗大量的无功功率。这些无功功 率如果不能及时地得到补偿，会对电网安全、稳定运行产生不利影响:一方面，无 功功率的增加会导致电流的增大，不仅使设备及线路的损耗增加，还会威胁到设备 的安全运行;另一方面，电流和视在功率的增大会导致发电机、变压器及其他电气 设备容量的增加，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要相应加 大，这使得电网的经济运行大打折扣;另外，无功储备的不足会导致电网电压水平 的降低。如果是冲击性的无功功率的负载，还会使电压产生剧烈的波动，例如电弧 炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，使电网的供电质量更加恶化。 当前，人们对电能质量的要求越来越高，保持适量的无功裕度是电网安全、稳定、 经济运行的重要保障。鉴于以上所述种种危害，如何快速有效地补偿电力系统中的 无功缺额，具有重要的现实意义。 对于6 -2 2 0 k v 电网，系统用户负荷通常为感性， 一般采用固定电 容器组进行 集中或分散补偿，以提高功率因数，降低损耗。当负载运行处于低谷时期， 若不 切除电容器组( 实际上大部分情况便是如此) ， 剩余的容性无功会在线路中流动造 成电压波动和损耗增加。 传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机 ( s y n c h r o n o u s c o n d e n s e r - s c ) 它是专门用来产生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。由 于它是旋转电机，损耗和噪声都较 大，运行维护复杂，响应速度慢，在很多情况下已经不能满足快速无功功率控制的 要求。 2 0 实际7 0 年代以来， 同步调相机开始逐渐被无功功率补偿装置 ( s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r - s v c )取代。 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器 ( s a t u r a t e d r e a t o r - s r ) 型的。1 9 6 了 年， 英国 g e c 公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。 此后各国 华北电力大学硕士学位论文 厂家纷纷推出自己的产品。 但是由于铁芯工作在饱和状态， 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，故此 未能占据静止无功补偿装置的主流。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿 装置推上了电力系统无功功率控制的舞台。1 9 7 7 年美国g e公司首次在实际电力系 统中演示运行了使用晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8年，在美国电力研究院 ( e l e c t r i c p o w e r r e s e a r c h i n s t i t u t e ) 的支持下， 西屋电 i 公司( w e s t i n g - h o u s e e l e c t r i c c o r p ) 制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运用。 随后各大公 司都推出了自己的系列产品。我国也先后引进了数套这类产品，西安电力机械制造 公司己经具备自 行研制这类装置的能力，自2 0 世界8 0 年代末一会，已先后承接了 1 0 多各此类工程，并向泰国出口。 由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能， 所有近1 0 年来， 在世界 范围内其市场一直在迅速而稳定增长，已经占据了静止无功补偿装置的主导地位。 静止无功补偿装置 ( s v c )包括晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o r c o n t r o l l e d r e a t o r - 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 e d c a p a c i t o r - t s c )、自 饱和 电抗器( s a t u r a t e d r e a t o r -s r ) 和晶闸管控制高漏抗变压器( t h y r i s t o r c o n t r o l l e d t r a n s f o r m e r - t c t ) 型 静止无功补偿装置，由 于技术的 进步，这些装置的混合使用 也属于静止无功补偿装置，如t s c + t c r 型混合装置，或者晶闸管控制电抗器t c r 与 固定电容器 ( f i x e d c a p a c i t o r - f c )的混合装置即 t c r + f c ，或者晶闸管控制电 抗 器t c r 与机械投切电容卡 ( m e c h a n i c a l l y s w i t c h e d c a p a c i t o r - m s c )混合使用的装 置即t c r + m s c 等。 但在目 前的工程实际运用中， 选用t c r 十f c 型静止无功补偿装置占据了大多数。 因为t c r 可以进行连续无功功率的控制，三相平衡能力和改善闪变能力更好，有限 制过电压的能力，无功调节容量大，功率因数较低、负荷波动特别快的无功补偿场 合具有很高的应用价值， 而且能得到较好的补偿效果。 而且混合装置中的f c( 固定 电容器)具有较好的滤波效果，不仅能将t c r 本身产生的谐波滤除掉，而且还能将 负荷波动产生的谐波滤去，以减少对系统电能质量的影响。 与t c r 相比，s r 型静止无功补偿装置不能附加其他控制信号，因此控制灵活性 较差，运行噪声大，为降低噪声对环境的影响，有时要专门为饱和电抗器建造一个 隔音室。不能分相调节，不能直接连接与超高压，由于自 饱和电抗器在额定电压时 铁芯需要工作于饱和状态，磁通密度较高，铁芯截面积比普通变压器要小，所以 单 位容量损耗大，且散热较难，制作要求高。自 然相对来说价格较高。 t s c 型静止无功补偿装置动态响应时间较长，无功输出只能是级差的容性无功， 而不是连续地进行无功调节，限制过电压的能力弱，由于本身没有设置滤波器组， 华北电力大学硕士学位论文 所有没有谐波吸收能力，不可直接接于超高压，由于采用多组反并联晶闸管串联的 形式，使得晶闸管的散热、导通的同时性、损坏的检测、以及维护等都带来了一定 的难度。 t c t 型s v c 虽然是t c r 型s v c 的变型， 但有其自 身的缺点， 由于高漏抗变压器的 漏磁大，对漏磁屏蔽和无磁性夹件的技术措施要求较高;由于t c t 变压器一、二次 绕组损耗都很大，效率比t c r 低的多，另外动态响应时间较长，噪声大。如果需要 与并联电容器配合使用，则电容器只能接在一次侧的高压母线上，这显然又增加了 成本。 厂 谐振 电抗器 电 容 生呈左 t t.t tcr 图 1 - 1 t c r型s v c系统原理接线图 因此， 研究t c r 型s v c 对于现在中国电力短缺的国情、薄弱的电网以及以 及电 力负荷现状来说， 对电网进行无功补偿， 维持电压稳定， 抑制谐波， 提高电能质量， 是十分必要的。 本文提出了一种新型无功电源的新结构，它由多组低压t c r 无功单元模块并联 后通过多绕组变压器接入系统，不但具有t c r 的各种优点，同时注入系统谐波小， 无需额外的滤波装置;避免了器件串联，降低了器件成本，提高了系统可靠性;采 用低压模块结构，便于系统容量扩展及冗余设计;触发控制及散热系统设计简单等 特点。 廊坊地区地处我国 环渤海经济区的腹地，近几年来经济高速发展，售电 量成倍 增长。廊坊地区电力负荷中钢铁加工项目 所占比重较大，高频电焊和电弧炉等非线 性用电设备广泛应用，产生大量谐波电流注入电网，造成电压波形畸变，使电网电 能质量下降，电容器和计量装置损坏严重;电容器无法投入又造成电压水平降低， 无功缺额增大，网损增加。因此，谐波和无功的综合治理问题已经成为廊坊电力系 统要解决的重要课题之一。 华北电力大学硕士学位论文 项目旨 在通过对大王务变电站的综合治理试点，研究适合不同的用电性质和谐 波含量的自 适应控制策略，研制动态无功补偿兼谐波治理装置。本项目实施后，将 对治理前后的效果进行对比和效益分析，提出一套适合廊坊电网的无功谐波综合治 理方案，为改善该地区的电能质量，提高供电能力和可靠性水平做出贡献。 项目 针对廊坊地区多个变电站由于电冶炼负荷造成的谐波和电压问题，研究综 合治理解决方案。以大王务变电站为试点，综合考虑现有的各种方案，研制适合变 电站运行特点的、采用先进控制策略的、l o k v 新型动态无功补偿与滤波装置，解决 大王务变电站负荷波动大，谐波严重超标，电能计量装置大量损坏，电量严重丢失 等问题，并将试点经验推广应用于廊坊其它变电站。项目 完成后，将形成具有自主 知识产权的无功谐波治理方案及控制系统，完成的 l o k v新型动态无功补偿与滤波 装置将根据变电站实测的谐波和无功情况确定滤波器的配置，自适应地调节无功补 偿度，达到动态谐波治理和无功补偿的综合调节目的。对解决变电站的谐波无功治 理具有重要的推广价值。 本项目的特色和创新之处在于，采用先进的控制技术，利用低压器件构成高压 的新型动态无功补偿与滤波装置， 具有谐波小、 响应快、 冷却系统简单、 可靠性高、 成本低廉的优点:根据变电站实测的负荷谐波情况，研究无功谐波治理的自适应控 制系统，实现无功动态补偿和滤波器的优化配置。 1 . 2 t c r 型 s v c的研究现状 在应用上，目前，我国输电系统中一共有5 地6 套大容量s v c 投入使用，它们 分别被装设在广东江门、湖南云田、湖北凤凰山 ( 2 套) 、河南小刘以及辽宁沙岭的 5 0 0 k v 变电站中。此类s v c 多为进口，其中有3 套是a b b 公司的产品。但是由于触 发的不对成等问题，高电压等级下s v c 面临的最为严重的问题是电容器爆炸，如广 东江门5 0 0 k v 变电站中s v c 运行5 年后并联电容器爆炸，湖南云田5 0 0 k v 变电站 中s v c自1 9 8 8 年以来发生了4 次电容器组爆炸事故。 在生产制造上，国外知名的电气厂商如 a b b , g e , s i e m e n s都有技术较为成熟 的规格系列化产品，例如 a b b生产的 s v c装置中的高压 t c r用单相可控硅开关阀 ( l v v a 2 4 / 2 5 8 0 )额定电压为3 6 k v ，单硅耐压为6 k v ，最大持续通流水平为3 5 0 0 a , 阀对地绝缘水平为2 0 0 k v . 目前在国内输配电网中，较高电压等级和大容量的静止无功补偿装置多为国外 大公司生产的，国内的应用见表2 , 随着国内在生产生活中对电能质量要求的不断提高，国内一些厂家也纷纷研制 了一些t c r 装置投放市场，主要以低压型的为主，高压型产品化的主要厂家包括鞍 华北电力大学硕士学位论文 项目旨 在通过对大王务变电站的综合治理试点，研究适合不同的用电性质和谐 波含量的自 适应控制策略，研制动态无功补偿兼谐波治理装置。本项目实施后，将 对治理前后的效果进行对比和效益分析，提出一套适合廊坊电网的无功谐波综合治 理方案，为改善该地区的电能质量，提高供电能力和可靠性水平做出贡献。 项目 针对廊坊地区多个变电站由于电冶炼负荷造成的谐波和电压问题，研究综 合治理解决方案。以大王务变电站为试点，综合考虑现有的各种方案，研制适合变 电站运行特点的、采用先进控制策略的、l o k v 新型动态无功补偿与滤波装置，解决 大王务变电站负荷波动大，谐波严重超标，电能计量装置大量损坏，电量严重丢失 等问题，并将试点经验推广应用于廊坊其它变电站。项目 完成后，将形成具有自主 知识产权的无功谐波治理方案及控制系统，完成的 l o k v新型动态无功补偿与滤波 装置将根据变电站实测的谐波和无功情况确定滤波器的配置，自适应地调节无功补 偿度，达到动态谐波治理和无功补偿的综合调节目的。对解决变电站的谐波无功治 理具有重要的推广价值。 本项目的特色和创新之处在于，采用先进的控制技术，利用低压器件构成高压 的新型动态无功补偿与滤波装置， 具有谐波小、 响应快、 冷却系统简单、 可靠性高、 成本低廉的优点:根据变电站实测的负荷谐波情况，研究无功谐波治理的自适应控 制系统，实现无功动态补偿和滤波器的优化配置。 1 . 2 t c r 型 s v c的研究现状 在应用上，目前，我国输电系统中一共有5 地6 套大容量s v c 投入使用，它们 分别被装设在广东江门、湖南云田、湖北凤凰山 ( 2 套) 、河南小刘以及辽宁沙岭的 5 0 0 k v 变电站中。此类s v c 多为进口，其中有3 套是a b b 公司的产品。但是由于触 发的不对成等问题，高电压等级下s v c 面临的最为严重的问题是电容器爆炸，如广 东江门5 0 0 k v 变电站中s v c 运行5 年后并联电容器爆炸，湖南云田5 0 0 k v 变电站 中s v c自1 9 8 8 年以来发生了4 次电容器组爆炸事故。 在生产制造上，国外知名的电气厂商如 a b b , g e , s i e m e n s都有技术较为成熟 的规格系列化产品，例如 a b b生产的 s v c装置中的高压 t c r用单相可控硅开关阀 ( l v v a 2 4 / 2 5 8 0 )额定电压为3 6 k v ，单硅耐压为6 k v ，最大持续通流水平为3 5 0 0 a , 阀对地绝缘水平为2 0 0 k v . 目前在国内输配电网中，较高电压等级和大容量的静止无功补偿装置多为国外 大公司生产的，国内的应用见表2 , 随着国内在生产生活中对电能质量要求的不断提高，国内一些厂家也纷纷研制 了一些t c r 装置投放市场，主要以低压型的为主，高压型产品化的主要厂家包括鞍 华北电力大学硕 : 学位论文 表2 . s v c 装置在国内的应用举例 用途 电炉功 率 m v a 供电 电压 k v s v c容 量 m v a r s v c 补偿 谐波 次数 生产单 位 投运年 份 结构类 型 使用器 件 大冶钢厂电 弧炉 2 x 5 0 t 2 x 2 5 / 3 0 3 53 5t c r 晶闸管 2 ,3 、 4 , 5 瑞士b b c 西安电 力公司 1 9 8 9 , 6 广 州钢厂电 弧炉 3 0 t 2 4 / 2 83 53 5t c 尺 晶闸管3 , 4 瑞典a b b 1 9 8 0 . 9 舞阳钢厂电 弧炉 9 0 t( 一 期) 6 03 51 0 0t c r 晶闸管 2 , 3 , 4 瑞典a b b 攀枝花钢厂 初轧机 1 . 1 5 m 1 01 5t c t 晶闸管 浙江春江变 电站 1 1 0 / 3 5 / 1 0 k v 1 0 感性 0 . 8 容性 0 . 5 8 s r/ 5 西安电 力公司、 杭州电 力局 武汉站家矾 变电站 1 1 0 / 3 5 / 1 0 k v 1 00 . 5t c r 晶闸管 电力科 学研究 院、 湖北 电力设 计院 1 9 7 6 山荣信公司、北京金自 天正公司 ( 冶自 院) 、中国电力科学院、保定三伊公司、西 安电力电子研究所、深圳波宏公司等。 中国电力科学院开发生产的高压t c r 型s v c 在国内具有为先进，动态响应时间 小于 1 5 m s ， 可直挂于3 5 k v电压等级。控制系统采用基于d s p 的全数字化控制器， 动态响应快、控制精度高、编程功能强，高压晶闸管阀采用国外半导体公司的晶闸 管元件串联连接，能承受s v c 装置的最大过流/ 过压水平和较高的d v / d t , d i / d t 水 平，采用国外著名公司阀元件和水冷散热器，采用光电触发方式、高电位板高压取 能、晶闸管8 0 d 保护，系统抗干扰能力强，保护可靠。多功能自动化接口，具备远 方操作和自 动化系统接口功能。 荣信是中国最大的s v c 厂商，专业研制开发的t c r 型s v c 产品，技术指标达国 际先进水平，拥有国内唯一的s v c高压全载试验中心，特有先进的全系列自冷及风 冷结构，与国际同类进口 产品相比具有最优性能价格比，他们的产品在国内己 取得 广泛应用。1 9 9 8 年，国家发展计划委员会还立专项在荣信建立国内第一条 s v c 重点 工业性试验示范生产线。 能生产电压等级为6 -3 5 k v , t c r 额定功率为 一 6 一工 8 0 m v a r . 5 华北电力大学硕 七 学位论文 调节系统响应时间小于 l o m s 的t c r 型s v c 装置。 但总体来看，国内对无功和电压进行实时、动态补偿和自动调节的技术还相对 落后， 国内对高压t c r 装置研制和生产还处于起步阶段， 加速高压t c r 装置国产化， 使高压t c r 装置早日在我国电力系统中得到推广应用，具有重要意义。 1 .3论文工作介绍 本文围绕t c r 在无功补偿中的应用展开了一系列研究，根据工程实际，设计新 型t c r 型动态无功补偿装置，并进行仿真研究，设计控制策略，硬件实现，以及应 用于谐波环境时所应注意的问题等。主要包括: 1 )本文详细分析s v c 的类型及原理，研究新型t c r 装置主电路和及其控制方式。 2 )进行电压无功主控制器系统的功能、程序结构、控制策略和装置实现的设计， 使整套装置能发挥更强大的功能，使用更为方便。 3 )建立新型t c r 装置的仿真模型，并进行详细的仿真。 4 )改进晶闸管阀控制器的监控方式，改善其硬件结构和软件结构，增强投切装置 的工作可靠性，控制功能更趋完善，调试及运行维护更加简便实用。对控制器性能 进行实际测试。研究新型t c r 装置的保护措施，提高了装置的可控性。 5 )研究电冶炼炉的电能质量问题以及新型 t c r 装置在实际无功补偿中需要注意的 谐波问题。 华北电力大学硕 七 学位论文 调节系统响应时间小于 l o m s 的t c r 型s v c 装置。 但总体来看，国内对无功和电压进行实时、动态补偿和自动调节的技术还相对 落后， 国内对高压t c r 装置研制和生产还处于起步阶段， 加速高压t c r 装置国产化， 使高压t c r 装置早日在我国电力系统中得到推广应用，具有重要意义。 1 .3论文工作介绍 本文围绕t c r 在无功补偿中的应用展开了一系列研究，根据工程实际，设计新 型t c r 型动态无功补偿装置，并进行仿真研究，设计控制策略，硬件实现，以及应 用于谐波环境时所应注意的问题等。主要包括: 1 )本文详细分析s v c 的类型及原理，研究新型t c r 装置主电路和及其控制方式。 2 )进行电压无功主控制器系统的功能、程序结构、控制策略和装置实现的设计， 使整套装置能发挥更强大的功能，使用更为方便。 3 )建立新型t c r 装置的仿真模型，并进行详细的仿真。 4 )改进晶闸管阀控制器的监控方式，改善其硬件结构和软件结构，增强投切装置 的工作可靠性，控制功能更趋完善，调试及运行维护更加简便实用。对控制器性能 进行实际测试。研究新型t c r 装置的保护措施，提高了装置的可控性。 5 )研究电冶炼炉的电能质量问题以及新型 t c r 装置在实际无功补偿中需要注意的 谐波问题。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 静止无功补偿器s v c的原理 2 . 1概述 静止无功补偿器 ( s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r - - s v c ) ，全称为静止型动态无功补 偿装置，它是一种可以控制无功功率的补偿装置。通常是由并联电容器组 ( 或滤波 器)和一个可调节电感量的电感元件组成。 s v c与一般的并联电容器补偿装置的区 别是能够跟踪电网或负荷的无功波动， 进行无功的适时补偿， 从而维持电压的稳定。 s v c装置主要用于对冲击性负荷用户的就地补偿和用于对电力系统的无功补 偿: 一、 用于冲击性负荷用户的无功补偿， 如用于轧钢机、 矿山绞车、电弧冶炼炉、 电焊机、电气机车、高能加速器、频繁启动的电动机等。其作用是: 1 、补偿负载在动态过程中所需的无功; 2 、调整电压，减少电压波动和电压闪变; 3 、改善功率因数; 4 ,滤除大部分高次谐波，改善电压波形; 5 、在不平衡负载处起平衡化作用: 6 、提高冲击负载设备及其邻近电气设备的运行安全性。 二、用于电力系统，其作用是: 1 、在枢纽变电所或终端变电所灵活的补偿无功功率，提供随机性调相功能; 2 、按指定要求调整系统电压; 3 、提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性， 4 、提高输电线路的输送功率。 5 、提供阻尼力矩以抑制电力系统的功率振荡; 6 、抑制电力系统的次同步谐振; 7 、吸收电力系统中突然涌现的过剩无功，抑制暂时过电压; 8 ,减少系统中的负序电流分量，对连接点的三相电压起平衡作用; 9 、对直流输电系统的换流站，提供换相无功和实施电压控制。 2 . 2 s v c的分类 常见的s v c 有四种形式: s r ( s a t u r a t e d r e a c t o r自 饱和型电抗器型) 、 t c r ( 晶 闸管控制电抗器) 、t c t( 晶闸管控制高漏抗变压器) 、t s c( 晶闸管投切电容器) 。 国际大电网会议将 s v c分为:机械投切电容器型 ( m s c ) 、机械投切电抗器型 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章 静止无功补偿器s v c的原理 2 . 1概述 静止无功补偿器 ( s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r - - s v c ) ，全称为静止型动态无功补 偿装置，它是一种可以控制无功功率的补偿装置。通常是由并联电容器组 ( 或滤波 器)和一个可调节电感量的电感元件组成。 s v c与一般的并联电容器补偿装置的区 别是能够跟踪电网或负荷的无功波动， 进行无功的适时补偿， 从而维持电压的稳定。 s v c装置主要用于对冲击性负荷用户的就地补偿和用于对电力系统的无功补 偿: 一、 用于冲击性负荷用户的无功补偿， 如用于轧钢机、 矿山绞车、电弧冶炼炉、 电焊机、电气机车、高能加速器、频繁启动的电动机等。其作用是: 1 、补偿负载在动态过程中所需的无功; 2 、调整电压，减少电压波动和电压闪变; 3 、改善功率因数; 4 ,滤除大部分高次谐波，改善电压波形; 5 、在不平衡负载处起平衡化作用: 6 、提高冲击负载设备及其邻近电气设备的运行安全性。 二、用于电力系统，其作用是: 1 、在枢纽变电所或终端变电所灵活的补偿无功功率，提供随机性调相功能; 2 、按指定要求调整系统电压; 3 、提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性， 4 、提高输电线路的输送功率。 5 、提供阻尼力矩以抑制电力系统的功率振荡; 6 、抑制电力系统的次同步谐振; 7 、吸收电力系统中突然涌现的过剩无功，抑制暂时过电压; 8 ,减少系统中的负序电流分量，对连接点的三相电压起平衡作用; 9 、对直流输电系统的换流站，提供换相无功和实施电压控制。 2 . 2 s v c的分类 常见的s v c 有四种形式: s r ( s a t u r a t e d r e a c t o r自 饱和型电抗器型) 、 t c r ( 晶 闸管控制电抗器) 、t c t( 晶闸管控制高漏抗变压器) 、t s c( 晶闸管投切电容器) 。 国际大电网会议将 s v c分为:机械投切电容器型 ( m s c ) 、机械投切电抗器型 7 . 华北电力大学硕士 一 学位论文 ( m s r ) 、自饱和电抗器型 ( s r ) 、晶闸管控制电抗器型 ( t c r ) 、晶闸管投切电容器 型 ( t s c ) 、晶闸管投切电抗器型 ( t s r ) 、自换相或电网换相器型 ( s c c / l c c ) 7 种。 下面对以上i l 种主要的s v c 型式做一个简要的比较。 2 . 2 . 1 s r ( s a t u r a t e d r e a c t o r 自饱和型电抗器型)型 s v c 原理图如图 2 - 1 所示。 口 f 时，! ” 斜率校正 电容器 并联电容器电路 保护 电路 图2 - 1 s r 型静止无功补偿器原理图 2 . 2 . ， . 1 s r 型静止无功补偿器的 组成: 主要由二一三柱式或三一三柱式自 饱和电抗器、斜率校正电容器、旁路阻尼滤 波器以及并联电容器组成，如图1 0 它是利用铁芯的饱和特性，是滞后相位的无功功率随端电压的升降而增减。 s r 型静止无功补偿器在正常运行范围内 输出特性是线性的。 输出 特性可以 通过 调节抽头位置和投切并联电容器来改变。自 饱和电抗器的动态相应很快，在无斜率 校正时相应时间小于l m s 。在斜率校正不考虑旁路滤波器影响时相应时间也达1 0 - 2 0 m s 。但在经斜率校正电容器和旁路滤波器后，最快动态相应时间将减缓到 1 -2 个周波。 饱和电 抗器和变压器一样， 具有相当大的短时过负荷能力。 在感性范围内特性 基本上是线性的。这种特性使 s r型 s v c除了稳定电压外，还最为适用于降低短时 过电压的要求。 2 .2 . 1 .2 s r 型s v c 的 优缺点 s r 型s v c的主要优点有: . 华北电力大学硕士 一 学位论文 ( m s r ) 、自饱和电抗器型 ( s r ) 、晶闸管控制电抗器型 ( t c r ) 、晶闸管投切电容器 型 ( t s c ) 、晶闸管投切电抗器型 ( t s r ) 、自换相或电网换相器型 ( s c c / l c c ) 7 种。 下面对以上i l 种主要的s v c 型式做一个简要的比较。 2 . 2 . 1 s r ( s a t u r a t e d r e a c t o r 自饱和型电抗器型)型 s v c 原理图如图 2 - 1 所示。 口 f 时，! ” 斜率校正 电容器 并联电容器电路 保护 电路 图2 - 1 s r 型静止无功补偿器原理图 2 . 2 . ， . 1 s r 型静止无功补偿器的 组成: 主要由二一三柱式或三一三柱式自 饱和电抗器、斜率校正电容器、旁路阻尼滤 波器以及并联电容器组成，如图1 0 它是利用铁芯的饱和特性，是滞后相位的无功功率随端电压的升降而增减。 s r 型静止无功补偿器在正常运行范围内 输出特性是线性的。 输出 特性可以 通过 调节抽头位置和投切并联电容器来改变。自 饱和电抗器的动态相应很快，在无斜率 校正时相应时间小于l m s 。在斜率校正不考虑旁路滤波器影响时相应时间也达1 0 - 2 0 m s 。但在经斜率校正电容器和旁路滤波器后，最快动态相应时间将减缓到 1 -2 个周波。 饱和电 抗器和变压器一样， 具有相当大的短时过负荷能力。 在感性范围内特性 基本上是线性的。这种特性使 s r型 s v c除了稳定电压外，还最为适用于降低短时 过电压的要求。 2 .2 . 1 .2 s r 型s v c 的 优缺点 s r 型s v c的主要优点有: 华北电力大学硕 f : 学位论文 工作可靠、维护简单 由于主要部件电力变压器、电抗器和电 容器都是标准化的产品，可靠性高，并 且不需要特殊的维护。 可以进行连续快速的感性/ 容性调节 固有的快速响应尤其适合对闪变负荷的补偿，同时还具有抑制不对称负荷的能 力。 在感性工作范围内有较大的过载能力 例如，在持续5 m i n 以内，可以过载到 1 . 5 p u ，或在数秒内过载到3 p u o特殊设 计时，过载能力甚至可以达到 4 -5 p u ( i s ) ，如根据需要可以更长一些。这一固有 的过负荷能力特别适合于用来控制瞬时过电压。 自 生谐波含量低 由于采用了曲折接线和网格调谐电 抗器这两种内部谐波抑制技术，所产生的谐 波相当低，在大多数应用中不需要另外设置滤波器。这两种谐波抑制技术同时还具 有改善补偿器输出特性和平直度的作用。 s r 型s v c 的主要缺点: 控制灵活性较差 由于它不能附加其他控制信号，因此控制灵活性较差，从而也就限制了它的应 用范围。 运行噪声大 在电抗器附近噪声水平可能很高 ( 约为1 0 0 d b ) ， 这是由于高频磁致伸缩力造成 的。为降低噪声对环境的影响，有时要专门为饱和电抗器建造一个隔音室。 不能分相调节 不能直接连接与超高压 单位容量损耗大 由于自 饱和电抗器在额定电压时铁芯需要工作于饱和状态，磁通密度较高，铁 芯截面积比普通变压器要小，所以单位容量损耗大，且散热较难，制作要求高。 价格较高 因其制造复杂且价格较高而得不到广泛应用。 2 .2 . 1 .3 s r型s v c的应用场合 s r 型s v c 是由 基于传统技术的无源元件构成的。 它们可靠、 无需维护， 而且过 负荷能力强。因此在重要的应用场合，这些方面显示出了它的优越性。 典型应用场合: 在交流输电系统中由于稳定电压以及降低短时过电压 在高压电网中负荷的变化引起电压的波动，特别是在空载 ( 或轻载)长送电线 华北电力大 学硕士 学位论文 路上，线路电容在线路的末端会产生不允许的过电压;而在另外一些情况下，满负 荷又需要对电压降进行校正。并且在突然甩去负荷或开关操作时，需要快速的电压 控制。对于这些情形，s r 型s v c 对稳定电压以及降低过电压都是非常有效的。 在工业供电网络中用于抑制急剧的无功波动造成的电压波动或闪变 消除闪变的理想装置应是恒压无功补偿器， s r 型s v c 可以说是一种接近于这种 理想运行性能的补偿设备。在负荷急剧变化的工业企业电网的运行经验表明，其快 速抑制作用可以保证最好的电压稳定。 在高压直流输电系统中用于降低由于换流装置闭锁引起的动态和短时过电压 在直流输电系统故障 ( 直流闭锁、全停)或交流系统故障后而直流输电不能迅 速起动时，换流阀不能消除无功功率，多余的无功功率将引起工频动态过电压，如 交流系统的短路容量或短路比愈小，产生的过电压愈高。过高的工频过电压将对 交、直流系统的安全运行构成严重威胁。利用 s r 型 s v c动作迅速和过负荷能力强 的特点，可以有效地抑制此类工频动态过电压;此外配合并联电容器的调节，可以 较好地控制交流侧 电压。 s r 型s v c 反应速度快， 并且有部分平衡化功能， 作为以电压稳定为目 的的动态 无功功率补偿设备曾有较好的效果 2 . 2 . 2 t c r ( t h y r i s t o r c o n t r o l l e d r e a c t o r 晶闸管相控电抗器)型 s v c t c r 型 s v c的原理图，如图 2 - 2 所示。 c是控制器 图2 - 2 t c r 型s v c 原理图 2 .2 . 2 . 1 t c r型s v c构成 包括四个主要组成部分:高阻抗变压器 ( 或降压变压器) 、电容器组 ( 兼作滤 波器) 、晶闸管阀和调节器。 华北电力大 学硕士 学位论文 路上，线路电容在线路的末端会产生不允许的过电压;而在另外一些情况下，满负 荷又需要对电压降进行校正。并且在突然甩去负荷或开关操作时，需要快速的电压 控制。对于这些情形，s r 型s v c 对稳定电压以及降低过电压都是非常有效的。 在工业供电网络中用于抑制急剧的无功波动造成的电压波动或闪变 消除闪变的理想装置应是恒压无功补偿器， s r 型s v c 可以说是一种接近于这种 理想运行性能的补偿设备。在负荷急剧变化的工业企业电网的运行经验表明，其快 速抑制作用可以保证最好的电压稳定。 在高压直流输电系统中用于降低由于换流装置闭锁引起的动态和短时过电压 在直流输电系统故障 ( 直流闭锁、全停)或交流系统故障后而直流输电不能迅 速起动时，换流阀不能消除无功功率，多余的无功功率将引起工频动态过电压，如 交流系统的短路容量或短路比愈小，产生的过电压愈高。过高的工频过电压将对 交、直流系统的安全运行构成严重威胁。利用 s r 型 s v c动作迅速和过负荷能力强 的特点，可以有效地抑制此类工频动态过电压;此外配合并联电容器的调节，可以 较好地控制交流侧 电压。 s r 型s v c 反应速度快， 并且有部分平衡化功能， 作为以电压稳定为目 的的动态 无功功率补偿设备曾有较好的效果 2 . 2 . 2 t c r ( t h y r i s t o r c o n t r o l l e d r e a c t o r 晶闸管相控电抗器)型 s v c t c r 型 s v c的原理图，如图 2