（电力系统及其自动化专业论文）与有载调压器配合的静止无功补偿控制研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e a c t i v ep o w e r v o l t a g ec o n t r o lo ft _ h ep o w e rs y s t e mi sa ne f f i c i e n tm e t h o d ， w h i c hc o u l dg u a r a n t e et h es e c u r ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m a t t h es a m et i m e ，i ti sa ni m p o r t a n tw a yt or e d u c et h en e t w o r kl o s s ，t os a v et h ee n e r g y a n dt oi m p r o v et h eo p e r a t i o nl e v e lo ft h ep o w e rs y s t e m t h es t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) h a sf a s td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ss ot h a ti ti sw i d e l yu s e di nt h ep o w e rs y s t e m o n l o a dt a pc h a n g e r ( o l t c ) i sa l s ou t i l i z e da sam a i nm e t h o dt oc o n t r o lt h ev o l t a g e h o wt os u p p o r te f f e c t i v es y s t e mv o l t a g ef o l l o w i n gd i s t u r b a n c e sa n dk e e pr e a c t i v e p o w e r r e s e r v ei ns v c d u r i n gs t e a d y s t a t eo p e r a t i o n t op r o v i d er e a c t i v ep o w e r r e q u i r e m e n t sd u r i n gs y s t e md y n a m i c sh a v eb e e nt h em a i nc o n c e r n s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r e s e n t so ft h er e a c t i v ep o w e ra n dt h ev o l t a g ec o n t r o l ， a n dp o i n t so u t ：t h ep e r f o r m a n c eo ft h es t a t i cv a rc o m p e n s a t o ri sa f f e c t e db yt h e r e a c t i v es i g n a ld e t e c t i o nl i n ka n dt h ev o l t a g er e g u l a t i o nl i n k m e t h o d sa r ep r o p o s e dt o d e a lw i t ht h es i t u a t i o n ，w h i c ha r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep r e s e n t a t i o no ft h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yp r o v i d e san e w w a yf o rt h ed e t e c t i o no ft h es v cs i g n a l s t h ea p p l i c a t i o no fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e rt h e o r yi nt h ed e t e c t i o no ft h es v cs i g n a l si nt h et h r e e - p h a s es y s t e mi m p r o v e s t h ea c c u r a c yo ft h es i g n a l s ，t h er e a lt i m es t a b i l i t y , a n dt h ea b i l i t y , a n de n s u r e st h e p r e c i s eo ft h es v c ( 2 ) t h i sp a p e rp r e s e n t san e ws v c c o n t r o ls t r a t e g yw i t ht w os t a g e so fr e g u l a t i o n s l o p e sa n dt w ov o l t a g er e g u l a t i o nc o n t r o l s ，w h i c ha r ef i x e d - v o l t a g er e f e r e n c ec o n t r o l a n dv a r i a b l e ( f l o a t i n g ) v o l t a g er e f e r e n c ec o n t r 0 1 t h ea i mo ft h i sc o n t r o li st ol i m i tt h e r e a c t i v ep o w e ro u t p u tf r o mt h es v ct ot h ed e s i r e dv a l u ed u r i n gt h es t e a d y s t a t e v o l t a g er a n g ea n dc o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e rr e q u i r e m e n tf r o mt h eu p s t r e a m n e t w o r k sv i at h ec o o r d i n a t i o nw i t ht h eo n l o a dt a pc h a n g e r ( o l t c ) h o w e v e r ，w h e n t h ev o l t a g ed e v i a t e st h es t e a d y - s t a t ev o l t a g er a n g e ，t h es v cw i l lr e a c tt os u p p o r tt h e s y s t e mv o l t a g eu s i n gt h es v c r e a c t i v ep o w e rr e s e r v e w h e nad i s t u r b a n c er e s u l t si na n e w o p e r a t i n gp o i n t ，丽t has t e a d y s t a t er e a c t i v e p o w e ro u t p u t , t h ev a r i a b l ev o l t a g e i i i 山东大学硕士学位论文 r e f e r e n c ec o n t r o le f f e c t i v e l yc h a n g e st h es v c o u t p u ts l o w l ya n dr e t u r n si tw i t h i nt h e s t e a d y s t a t em a r g i nt ok e e pt h ev o l t a g es t a b l ea n di m p r o v et h ep o w e rq u a l i t y ( 3 ) c o n s i d e r i n gt h ep o w e rs y s t e mw i t ho n l o a dt a pc h a n g e rt r a n s f o r m e r sa n d s h u n tc a p a c i t o r s ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dam a t h e m a t i c a lm o d e lw h o s ep u r p o s ei st o r e g u l a t et h ev o l t a g ea n dr e d u c et h em o v e m e n t so ft h eo l t co f t h es y s t e m t h e nw e a n a l y z et h ed y n 枷cp e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e ma n dg i v et h ep a r a m e t e ro f d e v i c e c l i n gt ot h ed e v i c em o d e la n db u i l das i m u l a t i o nm o d e lb ye m p l o y i n g m a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o na n da n a l y z i n go f t h er e s u l t sv a l i d a t et h a tt h e c o n t r o lm e t h o dc a ns u p p o r te f f e c t i v es y s t e mv o l t a g ef o l l o w i n gd i s t u r b a n c e sa n dk e e p r e a c t i v ep o w e rr e s e r v ei ns v c d u r i n gs t e a d y s t a t eo p e r a t i o nt op r o v i d er e a c t i v e p o w e rr e q u i r e m e n t sd u r i n gs y s t e md y n a m i c s k e yw o r d s ：i n s t a n t a n e o u sp o w e r ；s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ；o n l o a dt a pc h a n g e r ；r e a c t i v ep o w e r r e s e r v e i v 山东大学硕士学位论文 s v c o l t c t c r t s c s c 符号说明 s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r静止无功补偿器 o n - l o a dt a pc h a n g e r 有载调压器 t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r 晶闸管控制电抗器 t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r 晶闸管投切电容器 s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r 同步调相机 s t a t c o ms t a t i cc o m p e n s a t o r 静止同步补偿器 u p f cu n i t e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r 统一潮流控制器 v 原创性声明 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 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 乏盘垂 日期：q 堑：复：! 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 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 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：差整密一导师签名：日期：硅簟：么f 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 近年来，我国的经济水平在迅速发展，而与此相对应的电力需求增加的比例 更大，近两年甚至出现了电力供应不足的现象，这就要求进一步增加电力的装机 容量。随着电力系统容量的增大，系统的各种损耗也随之增加。据统计，电力系 统的无功功率损耗可达总发电量的2 0 - 3 0 ，在我国有些农村地区甚至可达4 0 。 也就是说有很大一部分的发电容量都用来抵消输电过程中的功率损耗，这不仅仅 大大增加了发电机和变电所的设备容量，同时也是对电力资源的巨大浪费。虽然 在电力系统的运行过程中，有功和无功损耗都是不可避免的，但是应该采取措施 去尽量降低它，这从节省能源、降低电能成本、增大有功传输容量、提高设备利 用率等方面来说都是必要的。 目前，我国电网( 尤其是广大的农村电网和一些大型厂矿的配电网络) 普遍的 功率因数较低【1 1 ，造成了网线损耗较大。配电网中存在着较多的感性负荷一比如 电动机消耗的电能占全国用电量的7 0 以上，而大部分的电动机由于设计和实用 上的原因其功率因数往往偏低，一般只有o 7 左右。这些感性负载在运行时需要 吸收大量的无功功率来保持系统的功率平衡。另外，随着现代电力电子技术的发 展，各种电力电子装置，尤其是大功率变流、变频装置在电力系统的广泛应用给 工业和电力企业的电能变换带来巨大方便，并在工业生产过程中得到了广泛的应 用，有些甚至已成为大型工矿企业的关键环节。但这些装置功率因数往往很低， 给电网带来额外负担并影响供电质量。为保证发电机的出力效率，通常系统电源 只提供少量的无功功率，大量的无功功率需要在各级变( 配) 电站( 所) 进行补偿。 随着工业的发展，精密仪器的大量使用，电力系统的电压质量越来越受到重 视。在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标。 为确保电力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。频率的 控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一是对电力系统的无 功功率进行控制。这从电网中电压损耗的公式：a u ：p r _ + _ q x 中可以看出：在 山东大学硕士学位论文 电网结构确定的情况下( i j r , i x 为定值) ，电压损耗与输送的有功功率及无功功率 有关，而在输送有功功率一定的情况下，电压损耗主要取决于输送的无功功率。 电网在低电压或高电压状态下运行时，都将带来很大的危害。例如当低电压 运行时，会导致发电厂的出力降低，减少输变电设备的送电能力；增加电网的功 率损耗和电能损耗；电动机起动困难，长期运行会导致电动机烧毁；降低用电电 器的效率；降低产品的质量，影响精密仪器的运行；压降过大时会导致电压崩溃 和系统解列。而在高电压下运行时会出现的问题有：使供电设备绝缘加速老化， 缩短其使用寿命，危及电网的安全运行：可能会迫使部分无功补偿设备退出运行， 增加变压器、电动机的无功功率损耗以及配电网的电能损耗；加大电网的谐用率 和经济效率；影响生产过程的正常运行和产品质量。所以，在i e c 和国家标准中 都对供电电压的波动范围作了规定，并且作为考核电压质量最重要的指标之一。 而无功功率不足或者过剩是造成电压质量下降的主要原因之一，所以对无功功率 进行合理的补偿也是解决电压质量问题的一个重要方面。 众所周知电力系统的负荷是时刻在变化的，那么需要平衡的无功功率亦随时 间在变化。因此要做到真正意义上的无功平衡，最好的方法是要实现跟随电力系 统动态变化的无功功率补偿。实施动态无功功率补偿不仅能做到正常运行无功平 衡，在系统事故或遭遇大的冲击后，枢纽点电压迅速下降，无功平衡突然破坏时 还能够提供能快速反应的动态无功支撑，有利于维持暂态时系统电压的稳定。所 以动态无功补偿是以后配电系统无功补偿的发展方向，也是用户电力技术 ( c u s t o mp o w e r ) 的重要组成部分。 对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下的功i i - ( 1 ) 对动态无功负载的功率因数校正 ( 2 ) 改善电压调整率 ( 3 ) 提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡 ( 4 ) 降低过电压 ( 5 ) 减少电压闪烁 ( 6 ) 防止阻尼次同步振荡 ( 7 ) 减少电压和电流的不平衡 2 山东大学硕士学位论文 1 2 电压调压手段及无功补偿技术的发展 1 2 1 电力系统的调压手段 1 2 1 1 借助改变发电机端电压调压 现代的同步发电机可在额定电压的9 5 一1 0 5 范围内保持以额定功率运行 在发电机不经升压直接用发电机电压向用户供电的简单系统中，如供电线路不很 长、线路上电压损耗不很大，一般就借调节发电机励磁、改变其母线电压，使之 实现逆调压以满足负荷对电压质量的要求。发电机经多级变压向负荷供电时，仅 借发电机调压往往不能满足负荷对电压质量的要求。随着目前厂网系统的分开， 通过改变发电机端电压调压变得更加困难。 1 2 1 _ 2 通过改变变压器变比调压 双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的高、中压绕组往往有若干分接 头可供选择，例如，可有觋5 或者h 2 x 2 5 ，合理地选择变压器的分接头 也可调整电压。 般，如系统中无功功率不缺乏，凡采用普通变压器不能满足调压要求的 场合，诸如由长线路供电的，负荷变动很大的、系统间联络线两端的变压器以及 某些发电厂采用有载调压器后，都可满足调压要求。 1 2 1 3 通过补偿设备调压 借助无功补偿装置，在重负荷时发出感性无功功率，补偿负荷所需。以减少 由于输送这些感性无功功率而在线路上产生的电压降落，提高负荷端电压。 综上所述在各种调压手段中，应首先考虑利用发电机调压，因这种措施不用 附加设备，从而不需要附加投资。当发电机母线没有负荷时，一般可在9 5 一 1 0 5 范围内调节；发电机母线有负荷时，一般采用逆调压。合理使用发电机调 压通常都可减轻其他调压措施地负担。 对无功功率比较充裕地系统，采用各种类型有载调压变压器器调压显得灵活 而有效。尤其是系统中个别负荷的变化规律以及它们距电源的远近相差悬殊时， 不采用有载调压变压器结合无法实现所有负荷对电压质量的要求。有载调压变压 器还体现在系统间联络线以及中低压配电网络的应用方面。 山东大学硕士学位论文 在需要附加设备调压措施中，对无功功率不足的系统，首要问题是增加无功 功率电源，因此以采用并联电容器、调相机或静止无功补偿器为宜，这些装置可 以有效降低网络中的功率和能量损耗。作为调压措施，串连补偿电容器由于设计、 运行等方面的原因，目前应用较少 2 】。 1 2 2 无功补偿技术的发展 设置无功补偿电容器 3 】是静态无功补偿的传统方法之，目前在国6 j 夕i - 均得 到广泛的应用。设置并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便的优点。 但其缺点也是明显的：并联电容器的容量是按正常供电情况设计的，为了留有发 展余地，还有适当裕量。这样，当变电所处于低谷负载时，电容器的补偿容量势 必过大，出现过补偿的情况，母线电压升高，由于电容器的补偿容量与实际供电 电压成正比，电压升高使补偿容量进一步增大，反过来又会使电压升高。若变电 所处于高峰负载，电压水平低于额定电压，则电容器提供的补偿容量下降，并使 电压进一步下降，严重时会使局部电压崩溃。 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 sc o n d e n s e r - - 一 s c ) 。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2 0 世纪2 0 年代以来的几十年 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7 0 年代以来，同步调相机开始逐渐 被静止无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r 一一- s v c ) 所取代，目前有些国家甚 至已不再使用同步调相机【) j 。 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 dr e a c t o r - - - - s r ) 型的。 1 9 6 7 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。 此后各国厂家纷纷推出各自的产品。饱和电抗器和同步调相机相比，具有静止型 的优点，响应速度快；但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而其损耗和噪声都 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 4 山东大学硕士学位论文 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 力系统演示中运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，美国电力研 究院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e e p r i ) 的支持下，西屋电气公司 ( w e s t i n g h o u s ee l e c t r i cc o r p ) 制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际 运行。随后世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。 由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近2 0 多年来， 在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止无功补偿装置的主 导地位。因此静止无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r - - - s v c ) 这个词往往 是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，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 dr e a c t o r 一一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 d c a p a c i t o r - - - - t s c ) ，以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者晶闸管控制电 抗器与固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r - - - - f c ) 或机械投切电容器( m e c h a n i c a l l y s w f f c h e dc a p a c i t o r - - 一m s c ) 混合使用的装置( 如t c r + m s c 等) 。 随着电力电子技术的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代以来，一种更为先进的静 止无功补偿装置出现了，这就是采用自变换相交流电路的静止无功补偿装置一一 静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r - - s v g ) ，或者高级静止无功补偿器 ( 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 a s v g ) 、静止调相机( s t a t i c c o n d e n s e r 一- - s t a t c o n ) ，静止补偿器( s t a t i cc o m p e n s a t o r - - - - s t a t c o m ) 。 随着变流技术和数字控制系统的发展，自关断变流器的无功补偿器不仅可以 补偿无功，也可以进行电压调节、抑制闪变、消除谐波、补偿有功和无功、改变 传输线阻抗和相移角。利用自关断变流器，实现了以下特性较好的电力系统控制 器【5 l ：s t a t c o m ( 静止同步补偿器) 、s s s c ( 静止同步串联补偿器) 、d v r ( 动态 电压恢复器) 、u p f c ( 统一潮流控制器) 、i p f c ( 相间潮流控制器) 和s m e s ( 超 导磁能存储) 等。 1 3 目前无功补偿的不足和本文主要工作 1 3 1 目前无功补偿的不足 现代静止无功功率补偿器可提高电力系统的性能和协助增强电能供应的可 山东大学硕士学位论文 靠性和质量。事实表明，在电网性能和可靠性成为更重要因素的情况下，无功功 率补偿器将获得更广泛的应用。利用无功补偿对电网更好的控制能力，可减少输 电线路的投资。现代控制、实时信息和信息技术的结合，将使电网的传输能力接 近它们的物理极限。 随着各种大功率耐高压的i g b t 及i g c t 新型器件的发明及应用，电力系统无功 补偿技术向着更快、节能以及减少装置产生谐波方向发展。目前，没有无源设备 ( 大电感、电容) 的纯电力电子无功补偿装置，3 n s t a t c o m 技术在实用化过程中存 在一些问题：结构复杂、控制难度大、制造与维修不便、成本较高等。目前，应 用在实际电力网络中的s t a t c o m 仅有几十台。 由于s v c 的快速响应，s v c 已成为电力系统提高电压质量和保证稳定性的主 要手段。s v c 具有足够的能力来处理动态情况，既可以保持电压稳定还可以处 理暂态稳定，系统阻尼振荡等。 当s v c 还有其他慢响应的电压调整装置( 例如，有载调压器o l t c ) 应用到 电压控制时，s v c 要比o l t c 响应速度快。如果s v c 由于稳态负荷增加或者系 统波动而使输出达到极值，其作用就跟并联电容器组一样，达不到动态控制的要 求【5 - 6 】。 1 3 2 本文的主要工作 基于上述原因，本文在三相系统中采用基于瞬时无功功率理论的无功信号检 测方法，提高了信号检测的准确性及实时性。采用稳态电压控制与浮动电压控制 的静止无功补偿新策略，实现了与有载调压器配合进行电压调整，在系统稳态运 行的状态下进行无功备用，满足了电力系统的动态需要，并利用分时控制策略， 约束了有载调压器的动作次数。具体策略如下：在稳态情况下，通过与有载调压 器的配合，减少s v c 输出，使其留有一定裕量，进行无功备用，以保证s v c 的快速 响应。当电压达到新的稳定点时，通过浮动电0 压控制，使其返回到稳定电压运 行区域，从而达到了稳定电压和保证电能质量的目的。 利用电力电子的相关技术，建立了装置的数学模型。依据其数学模型，对其 控制系统进行了动态性能分析并初步给出了系统参数。然后利用 m a t l a b s i 叫l i n k 模块对该系统进行建模，并通过仿真对系统的设计参数进行校 6 山东大学硕士学位论文 正。最后通过对仿真结果的分析，证明了此装置用于电力系统网络中后，实现了 不同响应时间的s v c 与o l t c 的配合，并减少了变压器分接头的动作次数，满足了无 功备用要求，提高了电能质量，保证了电压稳定性。 7 山东大学硕士学位论文 第二章无功补偿原理简介 2 1 并联电容器补偿原理及计算 设置无功补偿电容器 刀是无功补偿的传统方法之一，目前在国内外均得到广 泛的应用。设置并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便的优点。其原 理如下： q q c 上， 图2 i 电容器补偿原理图 设负荷为伊+ j 纠，补偿无功率为q ，则电源输送的无功功率减少为0 = 口 一q ，功率因数由c o s 妒1 提高到c o s 伊2 ，视在功率s 减少到s ，可根据补偿前后 功率因数的变化，由功率三角形( 见图2 ) 可以确定补偿容量q 。 计算公式为：q c = p 木( t a n1 - t a n 孕, 2 ) ( k v a r ) ( 2 1 ) 电压损失的简化计算补偿前： u = ( 尸木r + q 术x ) u , ( 2 2 ) 安装补偿设备容量q 后，线路电压降为u - ： a u l = 【p 幸尺+ ( q q c ) 木x 】u l( 2 3 ) 很明显，a u i au ，即安装补偿电容后电压损失a 4 , t 。由式可得出接入无功补 偿容量0 c 后电压升高，计算如下： q e = ( u a w l ) u l x ( 2 4 ) 根据计算量来确定所要投入的电容值。 9 山东大学硕士学位论文 2 2 无功功率动态补偿的原理 如图2 2 所示为系统、负载和补偿器 3 1 的单相等效电路图。其中，u 为系统 线电压；r 和x 分别为系统电阻和电抗。设负载变化很小，故有a u u ，则假定 r x 时，反映系统电压与无功功率关系的特性曲线如图中虚线所示，可以看出， 该特性曲线是向下倾斜的，即随着系统供给的无功功率q 的增加，供电电压下降。 系 u 、- i 、， c 1 ：1 玑 。、 、全 i j q ；q ， i 。 、 7 ：、 ： i i。 f ni 图2 2 无功动态补偿原理图 由电力系统分析可知，系统的特性曲线可近似用下式表示： u = u 。( 一等 浯5 ， 或者写为 了一一 ( 2 - 6 ) u o s s c 、。 式中 u 。一无功功率为0 时系统电压； s 熨一一系统短路容量。 可见，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。 静止无功补偿器( s v c ) 自6 0 年代中期被研制成功以来得到了快速的发展，其 基本无功元件是并联电容器和并联电抗器。电抗器采用晶闸管控制，而电容器则 可以是固定数量的或用晶闸管开关分组切换的。由这两种基本元件组成了各式各 样的补偿器。两个最主要的特点：一是静止型，其主要部件无转动部分；二是动 态补偿，其反应速度很快，能及时跟踪快速无功功率变化做出补偿，以达到所设 山东大学硕士学位论文 计的各种控制目标。s v c 作为一种新型无功补偿装置，和传统的无功补偿设备相 比，具有响应速度快，调节性能好，运行损耗和维护费用低，并且可作为多方面 应用等优点。 2 2 1 晶闸管控制电抗器基本原理 晶闸管控制电抗器( t c r ) 基本原理【8 - 1 0 1 如图所示。其单相基本结构就是两 个反并联的晶闸管和一个电抗器相串连，而三相多采用三角形连接。这样的电路 并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路的结构。 可 控 电 路 图2 3t c r 原理图 如图2 3 所示为交流电压。t h l 、t h 2 为2 个反并联晶阚管组，分别在电源电压 基波的2 个半周内导通。理想控制触发角口在9 0 - 、一1 8 0 范围内调节。当口- - 9 0 度时， 晶闸管完全导通，导通角为1 8 0 度，与晶闸管串连的电抗器相当于直接接到电网 上，这时吸收的基波电流和无功功率最大。控制这2 个晶闸管在一定范围内导通， 则可控制电抗器流过的电流，其基波分量的有效值为： ，l = 去( 2 万一2 口+ s i n 2 口) ( 2 - 7 ) 式中：u 一一电源相电压有效值v ； 以一一电抗器的基波电抗n ； 口一一晶闸管的触发角r a d 。 因此，可以通过控制电抗器l 上串联的2 个反并联晶闸管的触发角来控制电 抗器吸收的无功功率的值。 山东大学硕士学位论文 2 2 2 晶闸管投切电容器工作原理 晶闸管投切电容器( t s c ) 原理【1 卜1 5 1 与t c r 类似，其中的两个反并联晶闸管 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的。一般将电容器分成几组，每组都可由晶 闸管投切。这样可以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 可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器。 2 。2 3 混合型s v c ：丁o _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j 图2 4t s c i 作原理图 击电流 电感 菇 z z 7 k向妥 一，a 图2 5s v c 三相接线图 s v c 系统【1 6 1 9 1 的组成如图2 5 n 示，一般由t c r 、t s c 及控制系统组成。通过 控制与电抗器串联的2 个反并联晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电 1 2 山东大学硕士学位论文 流，又可以向系统输送容性无功电流。该补偿器响应时间快( 小于半周波) ，灵活 性大，而且可以连续调节无功输出，缺点是产生谐波，但加上滤波装置则可以克 服。 2 3 控制系统 s v c 的控制系统通过检测系统的有关变量，并根据检测量的大小以及给定 ( 参考) 量的大小，产生相应的晶闸管触发延迟角，以调节补偿器吸收的无功功 率。其控制系统一般应包括以下三部分电路： ( 1 ) 检测电路：检测控制所需的系统变量和补偿器容量。 ( 2 ) 控制电路：为获得所需的稳态和动态特性对检测信号和给定( 参考) 输入量进行处理。 ( 3 ) 触发电路：根据控制电路输出的控制信号产生相应触发延迟角的晶闸 管触发脉冲。 2 3 1 信号检测 根据对补偿器所期望的功能，被检测的信号一般包含下列物理量中的一个或 多个： ( 1 ) 系统电压； ( 2 ) 流过传输线或补偿器本身的无功功率； ( 3 ) 传输线输送的有功功率或其变化率； ( 4 ) 电压相角偏差； ( 5 ) 系统频率及其导数等。 控制中需要的信号是反映以上这些量有效值或幅度大小的直流信号，需要对 传感器所得的信号作进一步的处理。对系统电压，实际需要的是反映系统电压有 效值的直流信号，所以，对从电压互感器检测出来的三相电压信号常采用的进一 步处理方法有：整流、取平均值、取方均根植、取正序分量、滤波等。 2 3 2 控制方法 常用的控制策略口1 分为开环控制和闭环控制两大类。开环控制的优点是响应 山东大学硕士学位论文 速度快，它适用于负载补偿的场合，尤其在减少电压闪烁方面有成功的应用；而 闭环控制的优点是精确，对于输电或配电系统补偿，特别是哪些离负载和电源都 比较远的输电线的中点，则更适用闭环控制。本文以电压调整为目标，因此采用 闭环控制，其原理如下： 根据控制理论的基本原理，要得到稳定的电压，必须引入电压的负反馈控制。 如图2 6 给出了电压闭环的控制方法示意图。它通过检测到的系统电压u 与系统 参考电压u 彤，的比较，由其偏差来控制系统的运行。其调节器一般为比例调节器。 t c r 电压一电流特性在电压轴上的截距由电压参考值u 决定，而特性的斜率由闭 环系统的开环放大倍数决定。补偿器的动态特性和稳定性由闭环系统的开环放大 倍数和时间常数共同来决定。 图2 6 闭环控制 在此基础上引入补偿器电流反馈，将调节器设计成具有积分作用，在稳态时 电压偏差为零，实现对电压的精确控制。引入的补偿器电路反馈根据补偿器无功 电流的大小对电压参考值进行修正。这样，电流反馈通道的增益是用来决定补 偿器电压电流特性斜率的。而整个补偿器的动态性能是由调节器的积分增益 以及系统的时间常数决定的。如图2 7 所示： 图2 7 具有附加电流反馈的电压反馈控制图 2 3 3 触发脉冲的产生 1 4 如果采用锯齿波作为触发脉冲的同步信号，或者采用数字控制电路，则触发 山东大学硕士学位论文 电路的控制信号与触发角口以及晶闸管导通角都是线性关系，但是触发延迟角与 补偿器实际的等效电纳之间却不是线性关系。t c r 电流的基波分量与晶闸管导通 角之间的关系为： 胪等挚u 陋8 ， 式中u 一一系统电压； x 工一一与晶闸管串联电抗的感抗值。 因此t c r 的等效电纳即为： b l = 百6 - s i n 6 = b 上懈丁6 - s i n 6 ( 2 9 ) 可见导通角与t c r 等效电纳之间是非线性关系。将其绘成曲线，如图所示： 触发延迟角酬( ) 导通角6 ( c ) 图2 9 导通角与导纳的非线性关系 为了克服这种非线性【2 1 】的影响，通常在触发电路的输入端与触发脉冲形成 环节之间插入一个非线性环节，以补偿导通角与实际导纳之间的非线性。这个非 线性环节被称为线性化环节。在数字控制电路中采用查表的方法实现。线性化环 节的插入实现了等效电纳的参考值口珂与实际值b 。之间的线性关系。 山东大学硕士学位论文 第三章无功功率理论与无功电流检测 3 1 无功功率理论及其发展 3 1 1 传统的无功功率理论 在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得 公认的无功功率定义。但对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要性的认 识，却是一致的。无功补偿都是专指对基波无功功率的补偿。 国际电工委员会( i e c ) 规定发电机实际的端电压波形在任何瞬间与基波波形 之差不得大于基波幅值的5 ，因此可以认为发电机电势具有纯正弦波形，没有谐 波分量。如果负荷是纯电阻性的，那么电流波形将是与电压同频率同相位的纯正 弦波形。理想的供电系统就是要求电网中的电压和电流具有同频率同相位的纯正 弦波形。但是负荷中储能元件的存在，使得电流波形与电压波形之间产生了相移。 随着电力系统中电力电子装置等非线性负荷的广泛使用，电网的波形畸变日益加 剧。而以前的电压和电流都为正弦波形条件下的经典的功率定义和物理过程的解 释已适应不了实际需要，因此有必要重新认识和分析在各种条件下的无功功率的 定义和理论【2 5 1 。 3 1 1 1 正弦电路的无功功率和功率因数 在正弦电路中，负载是线性的电路中的电压和电流都是正弦波。设电压和电 流可分别表示为： l i - - - 压u s i nr o t( 3 - i ) i = 压i s i n ( 研一伊) = 压i c o scs i n 叫一压i s i n 伊c o s 耐= + ( 3 2 ) 式中伊电流滞后电压的相角。 0 2 压i c o s 9s i n r m 元2 一2i s i n 9 c o s c o t 电路的有功功率p 就是其平均功率，即 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 1 7 山东大学硕士学位论文 p 2 去庐d ( = 去肛+ i 。m = 石1f 靠( u i c 。s 伊u t c 。s 弘o s 2 硼d ( 硼+ 去庐叩s i n s h 2 0 ) t ) d ( c o t ) - - u i c o s 妒 电路的无功功率定义为 o = u l s i n 伊 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 可以看出q 就是式( 3 5 ) 中被积函数的第2 项无功功率分量u i 。的变化幅度。 其平均值为零，表示了其有能量交换而并不消耗功率。在单相电路中，这种能量 交换通常是在电源和具有储能元件的负载之间进行的。 工程上把电压电流有效值的乘积作为电器设备功率设计极限值，这个值就是 电气设备的最大可利用容量。引入视在功率的概念： s = u i( 3 - 7 ) s 、p 和q 具有如下关系： s2 = p2 + q 2 ( 3 8 ) 3 1 1 2 非正弦电路的无功功率和功率因数 在含有谐波的非正弦电路中，有功功率，视在功率和功率因数定义与正弦电 路相同。其有功功率为 p = _ 2 l 万i ：i 讹垆弘小o s ( 3 - 9 ) 肛p 2 卜善厶2 s u i = 辱每 ( 3 - 1 0 ) 山东大学硕士学位论文 3 1 2 三相电路瞬时无功功率理论 主要是未对有关的电流量进行定义。下面将介绍的是以瞬时有功电流i ，和瞬时无 功功率乞为基础的理论体系，以及它与传统功率定义之间的关系。 设三相电路电压和电流的瞬时值分别为乞、e 。和乇、f 6 、f c 。为分析问 筇两相瞬时电压乞、和筇两相瞬时电流乞、。 除：目 p * ：豳 睁埘 热印厉隧勤 1 9 山东大学硕士学位论文 竖羹a 型3 1 瞬时无功理论刁恿图 在图3 1 所示的口一平面上，矢量瓦、易和乏、易分别可以合成为( 旋转) 电压矢量虿和电流矢量7 虿e a + 乙= e l g ( 3 1 3 ) i = 屯+ = f 么仍 ( 3 1 4 ) 式中，e 、i 为矢量虿、7 的模：仍、仍分别为矢量虿、7 的幅角。 定义2 一1 ：三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为矢量7 在矢量虿 及其法线上的投影。即： = i c o s 伊 ( 3 1 5 ) 岛= i s i n 妒 ( 3 1 6 ) 式中，9 = 吼一仍。口一平面中的、f g 如图2 1 所示。 定义2 2 ：三相电路瞬时无功功率g ( 瞬时有功功率p ) 为电压矢量孑的模和 三相电路瞬时无功电流( 三相电路瞬时有功电流) 的乘积。即 p = 口 ( 3 1 7 ) q = p 名 ( 3 1 8 ) 2 0 山东大学硕士学位论文 把式( 3 1 5 ) 、( 3 1 6 ) 及9 = 纯一纪带入式( 3 1 7 ) 、( 3 1 8 ) 中，并写成矩阵形式得 出： ； = 乏二乏 乏 = e w 乏 c 3 一- 9 ， 热= 匕甜 把式( 3 一l i ) 、( 3 一j 2 ) 代入上式，可得出q 、p 对于三相电压、电流的表达式 p = 巳屯+ e b i 6 + 巳 ( 3 - 2 0 ) g 2 肠一砒+ ( e c e o ) i 6 + ( e o e b ) i a ( 3 _ 2 1 ) 定义 口、夕相的瞬时无功电流k 、i p q (