（电力系统及其自动化专业论文）一种反馈式无功补偿方案及其应用研究.pdf

嚣南交通大攀碳圭磷究生学像论文第l l 茭 a b s tr a c t a tp r e s e n t ，l o wp o w e rf a c t o r ，a b u n d a n th a r m o n i c sa n dn e g a t i v e s e q u e n c ea r et h et h r e em a i nc h a r a c t e r so fe l e c t r i c a lr a i l w a yt r a c t i o n l o a d s e t t i n gc o m p e n s a t o ri st h ev i t a lt e c h n i c a lm e a s u r et os o l v et h e p r o b l e m s 。i nt h i sp a p e r ，af e e d b a c kr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r i s s t u d i e d ，i t sc h a r a c t e r sa r ep o i n t e do u t ，a n di m p r o v e dm e a s u r e sa n d s i m p l i f i e ds c h e m e a r ep u tf o r w a r d t h i s p a p e r i sb a s e do n n e w s t y i e p r a c t i c a lp a t e n t so fc h i n a ( 2 4 8 8 2 1 5 y 。2 0 0 2 4 1 0 ) i ta n a l y s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h en o v e l r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r ，t h er e l a t i o n s h i po fc u r r e n t si ns t a b l e s t a t e s ，a l g o r i t h mo ff i l t e r i n gc a p a c i t ya n dt r a n s i e n tp r o c e s s b a s e d o nt h ea n a l y s i so ft h ep a p e r ，w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h i s d e v i c eh a ss e v e r a li s s u e st ob es o l v e dt op u ti n t ou s e ，s u c ha sl o w f i l t e r i n gc a p a c i t y ，l a r g e b u l ka n da r e at h ed e v i c e o c c u p i e s ， c o m p l e x i t yo fc o n n e c t i o n ，a n dt h eh a z a r do ff e r r o r e s o n a n c ee x is t i n g w h e n s w i t c h i n g w i t h o u td i s c o n n e c t i n gt h ec i r c u i to ft h es t e p u p t r a n s f o r m e r s e v e r a ls e t t l e m e n t sa r ea n a l y z e d t oe l i m i n a t e f e r r o r e s o n a n c e s i n c et h e s es e t t l e m e n t sh a v ed i s a d v a n t a g e s ，t h e f e e d b a c kr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o ri si n f e a s i b l e o na c c o u n to ft h ed i s a d v a n t a g e so ft h ef e e d b a c kr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t o r ，ad e v i c eo f i t ss i m p l i f i e ds c h e m ei ss t u d i e di nt h is p a p e r ，i nw h i c h t h er e a c t i v ep o w e risa d j u s t e db yr e g u l a t i n gt h e v o l t a g e o ft h e l o w v o l t a g e s i d eo ft h et r a n s f o r m e r t h ew o r k i n g p r i n c i p l e t h em e t h o dt oc a l c u l a t et h er a t i oo ft r a n s f o r m a t l o na n d a l g o r i t h mo ff i i t e r i n gc a p a c i t ya r e a l s os t u d i e di nt h i sp a p e r a s t h es t e p - d o w nt r a n s f o r m e rh a sn ol o a dw h e nt h es c ri st u r n e do f f ，t h e s y s t e mi ss t a b l ed u r i n gs w i t c h i n g 。l e s st r a n s f o r m e r s ，s m a l la r e at h e d e v i c eo c c u p i e s ，t h er e l a t i v es i m p l ic i t yo fc o n n e c t i o na r et h eo t h e r a d v a n t a g e s t e c h n i c a la n de c o n o m i cb e n e f i to ft h ef e e d b a c kr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t o ra n di t ss i m p l i f l e df o r mi sc a l c u l a t e da tt h el a s to ft h i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第| ll 页 p a p e r 。o nt h ec a l c u l a t i o n ，w ec a nh o l dt h ec o n c l u s i o nt h a tt h et w o k i n d so fc o m d e n s a t o r sh a v en od i s t i n c td i f f e r e n c ea tt h et e c h n i c a l a s p e c tu n d e rc i r e u m s t a n c e so ft w o p h a s e dc o m p e n s a t i o n 。t h ee f f e c to f d e c r e a s i n gn e g a t i v es e q u e n c e c u r r e n ta n dh a r m o n i a sr a t i oi s i n d i s t i n c t ，h o w e v e r ，b o t ha r ee f f e c t i v ei ni n c r e a s ep o w e rf a c t o r 。 t h u st h es e l e c t i o no ft h et h r e es c h e m e sc o n s i s t si nt h ee c o n o m i c b e n e f i t b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e ，t h ei t ss i m p l i f i e df o r mo ft h e f e e d b a c kr e a c t i r ep o w e rc o m p e n s a t o ri sr e c o m m e n d 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 o r ：f e e d b a c k ：b e n e f i t ：s i m u l a t i o n 聪南交通大学硕士研究生学位论文第 l 蕊 第1 章绪述 1 1 补偿的必瑟性 电力牵孳l 负荷波动范围缀大，一般梳筚电流缀难保持3 0 秒锌平稳不变， 有时还会在更短的时间发嫩更突然的变化，使得日平均负荷与最大( 如1 0 分锋内) 受荷裙差缀大。戮时，现在餮交箨普速袋用交一篷鳘耱车，还饺牵 引负荷具有功率因数低和谐波含有大( 主骚是奇次) 的特点。因此，功率因 数低，谐波会量大帮遂过零g | 交宅濒淘电力系统淀入波动豹受痔毫滚耀梵龟 力牵引自身具有的三大技术课题，这不仅使牵引供电系统自身的技术指标变 坯，还使电力系统豹电能袋量受到损害。 功率因数低使无功功率过大，造成的不良影响主要表现在“”： ( 1 ) 额外占有供、变电设备( 主要是变压器和输电线) 的容擞，使其容 量的有效翻用率下降。如电力牵弓i 负荷的功率因数一般为o 8 ( 滞 后) ，则无功功率占总容量的6 0 ，可见电力牵引所需的肖功功率和 无功功率是褶近的，就地幸 偿无功可敬使供、交毫设备的丈量容麓得 以释放： ( 2 ) 增大了电熊攮失。整分爨记有功泡浚为五，无功魄滚力五当功率 因数为o 8 ( 滞后) 时。通过供、变电设备造成的功率损耗难比予( 五2 + l 2 ) ，期曩三魄于鬈o 。8 2 = l 。5 6 2 5g ，比莰寿凌逛滚造或豹凌率 损失大5 6 2 5 。可见，从圈家节能政策上讲，无功电流也应得到有 效补偿； ( 3 ) 额外增加了用户用电点的电压损失。由文献 2 知，电压损失主甏来 自无功电流与供、变电设备电抗之积，有效地控制光功电流可以肖效 造降低压损，铁丽改善雳户的电压承平。 谐波的危害主要表现在“0 1 ： ( 1 ) 霹麓僮电力系统懿继电傈护裙鑫动装置产生误动犟瓣踅蘸，壹接筑及 电网的安全运行； + 霹控键积嘏获器。调节稳嚣电抗器磁德鞠程 度来改变流入回路的感性电流，使其与并联滤波器中多余的容性无功功率得 以警蟹。优点是露定劳联滤波支魏长期投入，不嚣投切，实现必溥可调：僵 同t c r 一样要产生谐波，肖损耗，噪声大。 ( 5 ) 晶闸管投切电容器( t s c ) 。按照一定的寻优模式，设计多组莱次 或菜几次滤波器，蒺波下备支路鼙容性，分级改嶷补偿装置的无功密力；滤 波器某次谐波下偏调谐，滚滤该次谐波。优点是损耗小，结构简单，速度响 应恢，不产生谐波。可敬实现过零授甥，不会产象像真空开关那样严重豹过 电压，缺点是每级都配相成的晶闸管，滤波效果受系统特性和投入组数的影 稳，次瞧投资大。 ( 6 ) 阐定滤波器( f c ) + 电容器( t c ) + 电抗器( t l ) 调压。通过调节 峰鬃交蓬器低压铡豹母线电嚣来璃节连接在低联母线上戆滤波器或毫捩器 的电压。从而改变数无功出力。调节时，用晶闸管通断，分接开关无载调节， 可充分利用分接开关的机械寿命( 达5 0 1 0 0 万次) 积晶潮管的墩气寿念( 理 论上不受限制) 。在实际应用中，也可加装f c 来德供稳定的无功功率和实现 滤波。 ( 7 ) 静源补偿器。便粥电力电子装甏产生与负荷中谐波电流、负净电 流拥位相反的电流，使其相互抵消来满足电源的总谐波、无功电流的要求。 这秘方案 缮灵活，谲节速度获，不会与系统发象谐豢，毽霞奄力电子设备 价格昂贵，并没有得到广泛应用。 ( 8 ) 秃滚钤綮器+ 毒源 缮器。采瘸骞源滤波器产生与受麓中谐波电 流相位相反的谐波电流，使其相互抵消来满足电源的总谐波电流的要求。比 较成功豹是茏源、鸯源混合滤波器，它能扬长避筑，充分到雳无源於偿的大 容繁和有源补偿的爱活性、可控性，但其结构复絷、造价高、运行费用简， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 且这一技术正处于研究阶段，技术必未戏熟。 1 5 本文的工作 本文主黉做了戳下一些工作： ( 1 ) 分析了一种反馈式无功补偿方案的工作原理。这种无功补偿方案是 震一台降悉交篷器掇供一个稳定彀压，调繁勇一奁可调黪舞压变逶器低殛衡 的有载调压分接开美以改变串联程可调变压器高难侧上的补偿支路的电压， 麸瑟调节无功脊搂装受豹炙功遗力。零文还分撬了降压交送器、秀嚣变殛器 和补偿电流之间的关系，分析结果表明，降压变聪器的容量可以选择得比升 压交压爨小。本文述分援了这静天功於偿方案的滤波能力，分掇结果表疑， 这种无功补偿方案的滤波能力很有限，大约只能滤除谐波的2 5 左右。 ( 2 ) 确定了孙馁用各变压器的褰量选撵原则。本文确定了变压器的选择 原刚，郎年平均折算费用激小原则，就是在变压器使用年限内将各种费用进 行平均，选撵年平均折算费用最小的变压器。并适当考虑变压器的过载能力， 颤防交压器短对闯内过燕舔损害交蘧器静绝缘。 ( 3 ) 仿真分析了这种无功补偿方案投切的暂态过程。利用 m a t l a b s i m u l i n k 彀力系统工其戆搽建了磐态傍囊模型，劳番l 矮该模型彷粪 分析了这种无功补偿方案切换的暂态过程。仿真发现，该方案存在发生铁磁 谐振鲍兔验。本文分蜒了辩决铁磁谐振款务耪方法。出予这些方法都存凌一 些严重不足，这种反馈式无功补偿方案是不可行的。 ( 4 ) 出于( 3 ) 中所提到的铁磁谐振蛔题，这种无功於偿方寨实际上并 不实用。但w 以考虑一种简化方案，即去掉降压变压器，同时将电容器缀和 电抗器移到丹压变服器的低压侧，升压变压器也威换作降压变压器，通过调 节粕在电容器组稻帛联电抗器支穗上的电蕊来调节其无功出力。本文也辩这 种简化的补偿方案进行了分析。 ( 5 ) 虽然这萃孛菠馈式无堙补偿方案著不实爱，毽其酶薤、秀疆豹愚憋可 以j 煦用到其它方面例如，应用到自动过电分相方面。本文对其在这方面的 应用瞧送行7 麓要涎论。 ( 6 ) 以西色牵引变电所实际负荷为基础，计算了这种无功补偿方案和其 篾化方案所能取褥的技术、经济效益。经计算发现，无功於偿豹经济效焱主 要来自于由于功率因数的掇高而减少的罚款。在节能方面，使用这种无功补 偿方案效果并不明照，因为补偿用变压器本身也癸消耗能量。出于牵引变压 器静节容有限，该所并不适于更换牵弓l 交聪器，因而节容方面的经济效懿可 西鸯交遵大学硕士磷究生学位论文第l o 燹 良不考虑。毽盘予牵弓l 变压嚣的节容能酶低牵弓l 交莲嚣的负荷率，提高变压 器的使用年限，本文仍将其考虑在内，其数额相对较小。从仿真也w 以发现， 使用其它可调光功补偿方案，如果补偿容量设置得和这种无功补偿方案相 丽，也可以取褥阉撵麴经济效益。 西南交通大学硕士研究嫩学位论文第1 1 磷 第2 章反馈式无功补偿方案稳态、暂态过程分析 2 1 稳态分析 2 1 1 工作原理 这耪无甥 缮方寰魏工终蹶理妇塑2 - 1 ”“。l c 支路是蛰偿支鼹。t 2 楚一 个单相降压变压器，从该变压器低压侧获得的电聪经升藤变压器t 1 反馈到高 匿侧。设母线电压为u b ，变压器下l 交毙为强，变压器罩2 变院麓辩2 ，刚稳定 ， 运行辩交瑟器彳l 褰疆翻戆壤宅垂怒强u a 加：，热蘸毫套嚣 耱毫揍器土戆电压 -， 之积为( n ：一强) 玎a 加：。设辩l 可变，鼗可遴过改变强来改变趣到牵 褛支路豹 电聪，以此来改变补偿支路的无功出力。在实际应用中，改变巩可通过控制 瑟溺管兹逶酝，穆变压器鹣有载调基装嚣当终无裁调压傻蠲寒实现。 p ( ，) 翻2 一l 反馈式无功补偿装置示意翻 电抗器的基波电抗值配为x 。，变压器t l 、t 2 的漏抗归算到自身高厦侧 蘸龟抗值澄为x 。、x ，：e 将交区耩t 2 的漏抗经1 2 低垂瓣癌算瓣交莲嚣下l 的瀚压侧，可得如图2 2 所示的等效电路。图2 2 中， x 。= x 。菇。+ 拄；菇。加；，虚线耩瘫曳爨惩交垂器。电容器缀一线。秘等效 电抗器。组成一个滤波器，该滤波器对基波呈容性。该滤波器上承受的基 波宅压菇 u = f 1 一二1 ) u f 2 西南交通大学硕士研究缴学位论文第1 2 蕊 不诗於偿支鼹电隈，设该滤波器的基波警纳必弦， 此流经电容器组的电流 ；。j b ( t 一马6 。 疗2 所以 j ：。一生j 。 以2 j ，( i 一旦) j 卜j ( 1 盈) ：廖玉。 门2玎2 其中，：流经变压器t 2 高压侧的电流； ；。一一补偿装置的有效补僚电流。 。一可一露一 图2 - 2 反馈式无功补偿装置补偿特性分析 则b = 1 ( x c 一也) 。因 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 嚣j 逄，该 偿装萋吸渡瓣无功功率麓 q = u ，l = ，( 1 一是o ) 2 b u ； 拧2 去撺后_ ，得 叠：一( 1 一! 。) 2 雷f ； ( 2 4 ) 行2 因此，可通过改变变愿器t l 豉t 2 的变比来改变其无功出力。在曰为容 性时吸收的无功功率为负，朝发出感性无功功率，园而可补偿受街的感性无 功功率。 + 对该 德方案酚讨论： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 贰 ( 1 ) 若必震发出感性元凌功率，可是接一滤波器，羞毒懿逐霭吸收感蛙 无功功率，可再接电抗嚣，如图2 3 所示。图2 - 3 中，就是用晶闸管汗关 实现趣路逶攀控制豹。由予有载调送开关规械寿禽长，熄气寿愈短，必了延 长熟寿命，在使用中将其强成无载调压歼关使用，电流的通断用晶闸管汗关 来实现。具体操作步骤为： ( a ) 将黼闸管关断。不给晶闸管装置触发脉冲，晶闭管开关在电流道零 时自然关断。 ( b ) 移韵变压器分接头翔捂定僚差。 ( c ) 将晶闸管导通。在鼯闸管开关电聪过零时给其触发脉冲，晶闸管开 稔慧逶。 p ( ，) 图2 3 可同时补偿容性、旗性的无功补偿装置示意 ( 2 ) 由予牵；f 负荷3 次谐波含艟大，为防止该补偿装謦对3 次谐波造成 谐波放大，浚滤波器须对3 次谐波呈感性并接近予谐振状态。糟还需滤除5 次谐波，可再掘一个5 次滤波支路，该滤波支潞对5 次谐波璧感性并辩5 次谐波接近于谐振。即使3 次谐波不大，3 次谐波支路仍需保留，因为游没 有3 次谐波支路，辎因5 次谐波支貉怼3 次谮波黧容谴获褥对3 次谐波形成 谐波放大。当存在3 次固定滤波支路时，w 调无功补偿装置可只设5 次滤波 支路。 ( 3 ) 实际上，变压器t l 变比围定，变压器t 2 变比可调，补偿装嚣仍能 工黪。不论撺l 固定、可变还是摊，固定、黠，可交，款式( 2 - 4 ) 可以看出， 偿装置吸收的无功功率和变压器变比n 或 ，之间都不是线性关系。对于分级 可调变压器，强或啦不是连续变化的。巍变比强或”，线性变化对，补偿装 置吸收的无功功率魑非线性的。而要使补偿装鬻吸收的无功功率是非线性 的，则变比必是非线性的。为了有效地提高补偿后的功率因数，降低负序， 补偿的容萤分级最好是线瞧的。 ( 4 ) 在一定范围内，分接开关级数越多，对负序、无功的补偿效果越好， 僵分接开关缀数超过5 竣纛，分按开关级数的增加对受痔、无功豹补偿散栗 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 增加作用不大；分接开关级数越多，切换次数也就越多，有效投入时间就越 少：同时变压器引出抽头越多越不方便。由于现在的变压器有载调压开关一 般为5 级的，本文即以分接开关级数为5 进行讨论。 ( 5 ) 这种补偿方案的特点是可以使用低压晶闸管来实现电路的通断，以 充分利用晶闸管开关电寿命长、变压器有载调压开关机械寿命长的优点。现 阶段晶闸管开关通断电流能力都比较大：耐压能力越高，造价也就越高，因 而这种补偿方案把高电压小电流变成低电压大电流后，就可以用单个或较少 的晶闸管开关来实现，有利于降低造价。 ( 6 ) 这种补偿方案须在每个需安置补偿装置的端口安装2 台变压器。对 于y n d l l 接线的牵引变电所，若分别在两个负荷端口安装这种无功补偿装 置，则共需4 台变压器，致使这种无功补偿方案占地面积大，接线复杂。 2 1 2 变压器变比的确定 由前面的讨论可知，为了更有效地补偿无功和负序，补偿容量分级最好 是线性的；由于种种原因，分级数不宜太多。因此可设变压器按容量分级， 分级数为5 。由于变比t ，、”，皆可变，在实际应用中，由于操作方便及经济 方面的原因，可使n 可变、n ：固定或n ：可变、固定。下面就这两种情况 分别讨论。 该补偿方案是利用低压晶闸管的通断来实现变压器的无载调压。以达到 调节无功补偿装置无功出力的目的，充分利用晶闸管开关电寿命长、变压器 有载调压开关机械寿命长的优点。由此，须使低压母线电压不高于牵引母线 电压u 。，即变比”，须满足, ，1 ：同时为了降低材料的绝缘要求，变压器 t l 高压侧的电压不高于牵引母线电压，即u ，= u h 2 u ，从而m ，； 为了使加在电容器组上的电压u ，不超过牵引母线电压u 。，须满足 u ，= u 一u u ，即须0 n l 。因此综合上述，有0 n , 7 ，。且1 。 ( 1 ) ”可变、 ，固定 设k = ( 1 一i 加：) 2 ，由式( 2 4 ) 可知，有q ( = 一q = 船讲。假设补偿容量分 为五级。为取得补偿容量的线性分级，可令七分别等于l 5 、2 5 、3 5 、4 5 、 5 5 ，相应地，可调变压器所在的级位分别记为l 、2 、3 、4 、5 。 由k = ( 1 一 , 7 ，) 2 可知，在0 奄 一 v 蹬 诤 嘲鲫鞴脚