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(电力系统及其自动化专业论文)不平衡负荷无功与负序电流的综合补偿研究.pdf.pdf 免费下载
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西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 一一 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fv a r i o u si n d u s t r i e s ,t h e s c a l eo fm o d e r n p o w e rs y s t e mi si n c r e a s i n gq u i c k l y t h en e w c o n t r a d i c t i o n sa n dn e wp r o b l e m s o ft h ep o w e rs y s t e ma r eb e c o m i n gm o r ep r o m i n e n t o nt h eo n eh a n d ,av a r i e t y o fc o m p l e x ,a c c u r a t ee l e c t r i c a le q u i p m e n t ,s u c ha s a r cf u r n a c e ,r o l l i n gm 1 1 1 a n de l e c t r i c a l1 0 c o m o t i v e ,w h i c ha r es e n s i t i v ef o rp o w e rq u a l i t ya r ei n c r e a s m g c o n t i n u o u s l y ,a l l o w i n g u s e r sn e e dh i g h e rp o w e rg r i dr e l i a b i l i t y a n dp o w e r q u a l i t y t h e s el o a d s ,w h i c hh a v et h ee l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fa s y m m e t r y o r i m p a c t ,b r i n gs om u c hp o w e rq u a l i t yp r o b l e m sa s l o wp o w e rf a c t o r ,v o l t a g e f l u c t u a t i o na n df l i c k e r ,t h r e ep h a s ev o l t a g ea n dc u r r e n tu n b a l a n c e d ,a n de t c t h e s ec o n t r a d i c t i o n sa n dp r o b l e m sw i l ln o to n l ya f f e c t t h ep e r f o r m a n c eo f e l e c t r i c a le q u i p m e n t ,m o r e o v e rt h e yw i l la l s ot h r e a tt ot h ee n t i r ep o w e rs y s t e m n o r m a lo p e r a t i o n t h e r e f o r e ,i m p r o v i n gt h ep o w e rq u a l i t ya n ds y s t e ms t a b i l i t yh a sa r o u s e d ah i g hc o n c e r no fa c a d e m i ca n de n g i n e e r i n ga th o m ea n da b r o a d ,a n dh a s b e c o m eo n eo ft h eh o tt o p i c si ne l e c t r i c a lt e c h n i c a lr e s e a r c h i nt h i sp a p e r ,t h e m a i nj o bi st h a ta n a l y z e sa n dr e s e a r c h e ss y n t h e t i cc o m p e n s a t i o no fn e g a t l v e s e q u e n c ea n dr e a c t i v ec u r r e n ti nr e s p o n s et ou n b a l a n c e d l o a di np o w e rg r i d f i r s t ,i nt h ea r t i c l e ,a n a l y z e st h es y n t h e t i cc o m p e n s a t i o np r i n c i p l eo ft h e n e g a t i v es e q u e n c ea n dr e a c t i v ep o w e r a n do nt h eb a s i so f t h ec o m p e n s a t i o n p r i n c i p l e ,i n t r o d u c e s t w oc o m p e n s a t i o n d e v i c e sw h i c ha r ec o n t i n u o u s l y a d j u s t a b l e ,i n c l u d i n g t h e s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ( s v c ) a n d s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) ,a n dd i s c u s s e s t h e i rb a s i cs t r u c t u r e a n dc o m p e n s a t i o np r i n c i p l e ,r e s p e c t i v e l y t h e n b a s e do ns v c a n ds t a t c o m sr e s p e c t i v ec o m p e n s a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ,i n t r o d u c e sad e d u c e dm e t h o do fc o m p e n s a t i o ns u s c e p t a n c e ,w h i c n i ss u i t a b l ef o rs v cc o m p e n s a t i o nd e v i c ea n dc u r r e n td e t e c t i o nc o n t r o lm e t h o d w h i c hi ss u i t a b l ef o rs t a t c o mc o m p e n s a t i o nd e v i c e f i n a l l y b a s e do nt h eu n b a l a n c e dc o m p e n s a t i o np r i n c i p l ea n du n b a l a n c e d d e t e c t i o nc o n t r o lm e t h o d ,u s e sm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o ns o f t w a r et o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a c h i e v es y n t h e t i cc o m p e n s a t i o ns i m u l a t i o no fu n b a l a n c e dl o a da b o u tt h es v c a n ds 一c o mc o m p e n s a t i o nd e v i c ed e s i g n e du s i n gi n v e r s e s y s t e mt e c h n i q u e a n dv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lm e t h o d t h r o u g hs i m u l a t i o nr e s u l t s c o m p a r e t h e i rm e t h o d so ft h ed e t e c t i o nc o n t r o l ,r e s p e c t i v e l y ,a sw e l la sa n a l y z e st h e i r c o m p e n s a t i o na d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s ec o m p e n s a t i o nd e v i c e s k e yw o r d s :s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) ;s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) ;u n b a l a n c ei nt h r e ep h a s e s ;i n v e r s e - s y s t e mt e c h n i q u e ;v a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o lm e t h o d 西南交通大学 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、使用学位论文的规定,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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口,在 年解密后适用本授权书; 2 不保密够使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名:杉2 个 日期:0 7 莎、3 泵译 指导老师签名: 日期: 妒 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的 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已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确 的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 印索坪 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 随着我国各种产业的迅速发展,现代电力系统的规模日益扩大,使得 电力系统中的新矛盾和新问题也日益突出,如各种复杂的、精密的、对电 能质量敏感的用电设备不断普及,使用户对电网运行的可靠性和电能的质 量要求越来越高;而另一方面,如交流电弧炉、连轧机和电气机车等不平 衡、冲击性工业用电设备日益增多,由此又产生功率因数低、电压波动和 闪变、三相电压和电流不平衡等诸多电能质量问题。这些矛盾和问题不仅 会影响电气设备的性能指标,甚至会影响整个电力系统的正常运行。 因此,提高电能质量己引起国内外学术界和工程界的高度关注,成为 电工技术学科研究的热点问题之一i l 】。解决这一问题,目前主要措施是采 用无功补偿装置,具有快速响应的无功补偿装置可以起到改善系统的不平 衡、稳定系统电压、提高负荷的功率因数等作用。传统的无功补偿设备有 同步调相机、固定容量的电容器、开关控制的并联电抗等,这些设备可满 足一定范围的无功补偿要求,但也有不可克服的缺点。如同步调相机:响 应速度慢、运行中的损耗和噪声都比较大、设备旋转部分引起的故障维修 困难,虽然目前在现场仍有使用,但在技术上已明显落后;固定容量的电 容器和开关控制的并联电抗器:响应速度慢、连续可控性差、且体积随容 量的增大而增加、电容器自身的投切会引起系统电压的波动等。 显然,以上几种无功补偿装嚣很难对负荷不平衡及电网电压的波动和 闪变进行有效的抑制。近十几年来,电力电子技术的发展十分迅速,使高 电压大功率开关器件的开断功率有了显著提高,电力电子开关器件本身固 有的高速开断和无触点等性能使其具有无电弧和长寿命的特点,因而可进 一步取代传统的机械开关设备,提高配电网的控制速度和可靠性【2 。3 j 。 静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ,简称s v c ) 于七十年代发 展起来,“静止”是针对旋转的同步调相机而言,国内多称其为动态无功 补偿器,这是针对固定电容器租( f i x e dc a p a c i t o r ,简称f c ) 而言。s v c 通过控制晶闸管的导通角来快速调整并联电抗器的大小和投切电容器组 数,对改善负荷功率因数、稳定和平衡系统电压、消除流向系统的高次谐 波电流、平衡三相负荷等都有显著效果【4 】。 静止同步补偿器( s t a t i cc o m p e n s a t o r ,简称s l 锯c o m ) 于七八十年 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 代出现,它以变换器技术为基础,等效为一个可调的电压电流源,通过控 制该电压电流源的幅值和相位来达到改变无功功率输出大小的目的。以其 快速的动态响应和良好的谐波性能,在不平衡负荷补偿中的应用越来越广 【5 - 6 】 0 1 2 无功和负序电流产生的原因和影响 1 2 1 无功和负序电流产生的原因 在工业和日常用电中,感性负载占了很大的比例,如感应电动机、变 压器、日光灯镇流器等都是典型的感性负载,都需要从电网中吸收大量的 无功功率,还有电力系统中的电抗器和架空线等也需要从电网吸收无功功 率。而且随着电力电子器件的大量使用,特别是许多相控装置,在工作时 基波电流滞后于电网电压,同样需要从电网中吸收大量的无功功率。尽管 无功功率会对电网造成影响,但也应该注意到它对于电网的运行也是不可 缺少的。在电网中负序电流产生的因素可归纳为事故性和正常性,前者是 指由于三相电力系统中一相或两相出现故障而导致电网中产生大量的负 序电流,后者主要来自于电气化铁路和交流电弧炉等不平衡负载产生的负 序电流,而且电气化铁路和交流电弧炉两种负载还会从电网中吸收大量的 无功功率。鉴于这两种负载比较典型,我们简单说明下它们的运行情况和 对电网造成影响的原因。 我国电气化铁路的牵引供电制式采用单相工频( 5 0 赫) 2 5 k v 交流制, 从l1o k v 公共电网上取得电源,经牵引变压器降至2 7 5 k v ( 空载电压) , 向接触网供交流电。电力牵引负荷从接触网上获得需要的电能。由于电力 牵引负荷具有间歇性、流动性和不对称性等特性点,必然会造成三相电流 的严重不对称,以及功率因数低等问题,据对多种电力机车功率因数的测 定表明,各类机车功率因数都不超过0 8 1 有的甚至低于o 5 。 对于电弧炉,由于其三相电极塌料情况的不同,电弧电阻的随机性必 然造成三相电流的不对称,较平稳的熔化期负序分量差不多占到正序分量 的2 0 ,严重时负序分量会达到正序分量的5 0 7 0 ,而且由于电弧炉 前端有大容量变压器的存在,电弧炉的功率因数很低,一般不超过0 7 5 , 严重的时候会达到0 1 。 1 2 2 无功和负序的影响 1 、无功功率( 功率因数) 的影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的产生会使得电流增大和视在功率的增 加,从而使发电机、变压器等各种电气设备的容量和导线的容量增加。 ( 2 ) 增加了输电网络中的电压损耗,如果是冲击性无功功率负载,例 如电弧炉、轧钢机等,还会造成供电电压剧烈波动,严重影响供电网的质 j 邑 里o ( 3 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加,使总电流增大,必然使 得设备和线路的损耗增加。 ( 4 ) 功率因数降低,输电和变电设备的利用率降低,会增加运行成本。 2 、负序电流的影响 ( 1 ) 引起旋转电机的附加发热,危及其安全运行和正常出力。 ( 2 ) 引起以负序分量为启动元件的多种保护发生误动作( 特别是当电 网中同时存在谐波时) ,这对电网安全运行是有严重威胁的。 ( 3 ) 对于变压器,不仅使负荷较大的一相绕组过热导致其寿命缩短, 而且还会由于磁路不平衡,大量漏磁通经箱壁、夹件等使其严重发热,造 成附加损耗。 ( 4 ) 在低压配电线路中,会影响计算机正常工作,还会引起照明电灯 寿命缩短或照度不足以及电视机损坏等。 ( 5 ) 引起电网损耗的增加。 ( 6 ) 使矿热炉的电能消耗增加,产量减少,使炉子的有效率降低。 ( 7 ) 对于通信系统,会增大对其干扰,影响正常通信质量。 由上面的分析可以看出,无功功率和负序电流会对电力系统造成很大 的影响,研究如何补偿电网中负序和无功功率已成为净化电力系统,实现 电网“绿化 的一个紧要任务。 1 3 国内外无功和负序补偿的研究现状 近一个世纪以来,人们对于无功和负序补偿的研究有了长足的发展, 尤其是近些年,电力电子器件的不断更新促进了无功和负序补偿技术的快 速进步。从总体上来说,要改善无功和负序补偿的效果,一方面可以改进 补偿装置,这倚仗于其他技术的发展,另一方面可以对补偿方法进行研究 与改进。 早期无功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。至今在无功补偿 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 领域中这种装置还在使用,而且随着控制技术的进步,其控制性能还有所 改善,但从总体上说这种补偿手段已显的陈旧,所以使用的已经不多。 设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法之一,目前在国内外 均获得广泛应用,它属于无源补偿装置。电容器与网络感性负荷并联,以 并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点。这种补偿方式 使用接触器或者真空断路器投切电容器组进行无功补偿的,但也存在着一 些不足。 ( 1 ) 在用机械式交流接触器作为投切方式进行投切时,接点间易拉弧 粘连,寿命短,响应速度慢,约为5 秒到3 0 秒,投切过程会对系统产生 冲击电压和冲击电流。 ( 2 ) 电容器组合闸的冲击电流一般为额定电流的十几倍到几十倍,比 三相异步电动机起步的冲击电流还大。 ( 3 ) 补偿容量与系统电压平方成正比。 ( 4 ) 不能动态地跟踪负荷无功功率的变化。 尽管设置无功补偿电容器有这些缺点,但其成本低,使用方便,现在 使用的还是比较广泛的。后来出现了静止无功补偿器( s v c ) ,通过近些年 来电力电子技术的快速发展,s v c 已被广泛应用于输电系统波阻抗补偿及 长距离输电的分段补偿中。19 7 7 年,美国g e 公司首次在实际电力系统中 演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。l9 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 ) 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 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系列产品,西安电力机械制造公司已 经具备自行设计制造这类装置的能力1 7 j 。近十多年来,s v c 在世界范围内 其市场一直在迅速而又稳定的增长,已经占据了静止无功补偿装置的主导 地位,但是国内在这方面的实践还比较匮乏。国内拥有的无功补偿控制器, 基本是八十年代的技术,国内一系列的大型钢铁企业的电弧炉、轧钢机等 配套无功补偿装置的改造、建设中面对国外公司的数字式无功补偿控制器 的竞争,逐渐丧失市场竞争力。即使在面临交流电弧炉逐渐淘汰的市场前 景,目前我国的钢铁企业仍沿用着已有的交流电弧炉,而电气化铁路供电 系统的不平衡补偿市场将会继续扩大。 国内s v c 的研究大概起始于九十年代初,国外的研究及应用相对较 早,其控制技术也相当成熟。但早期的不对称负荷并不像今天这样多,所 以大多数s v c 装置从控制方便和节约成本方面考虑都是针对三相对称负 荷设计的。而且由于其控制技术的成熟,很多人都把对无功补偿的注意力 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 放到了更为新型的s t a t c o m 上,这种情况不仅在国外一些发达国家如此, 在国内也是如此。 由于高电压大功率的门极可关断晶闸管( g a t et u m o f f t h y r i s t o r ,简 称g t o ) 的出现,极大地推动了s t a t c o m 的开发和应用,它同基于可控 电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器s v c 相比,性能上具有极大 的优越性。目前,世界已有多台投入运行的s t a t c o m 。其中,1 9 8 6 年美 国的e p r i 与西屋公司等研制的10 0 m v a rs 影订c o m ;19 9 7 由德国西门子 公司开发研制的8 m v a rs t a t c o m 在丹麦的r e i s b yh e d e 风场投入运行; 目前为止世界上最大容量的s t a t c o m 是美国a e p 统一潮流控制器项目 中的并联部分一1 6 0 m v a rs t a t c o m ,已于1 9 9 7 年开始运行。 到目前为止,国际上只有美、日、德等少数几个发达国家掌握了s t a t - c o m 的应用开发技术。国内,在原国家电力部的支持下,原河南省电力 局于1 9 9 4 年决定投资开发2 0 m v a rs t a t c o m ,该项目被列为原电力部的 重大科技公关项目。在项目合作方清华大学的积极配合下,作为中间工业 样机的一台3 0 0 k v a rs t a t c o m 于19 9 6 年通过电力部组织的专家评审。 2 0 m v a rs n 盯c o m 于1 9 9 9 年3 月在河南洛阳2 2 0 k v 朝阳变电站并网成 功i s - 9 】。目前对s t a t c o m 的研究主要集中在主接线方式与拓扑结构、系 统建模、系统控制方法以及它对电力系统稳定性的作用等方面。 1 4 本课题的主要工作 在仿真中,针对三相不平衡负荷系统,通过使用s v c 、单相桥s t a t c o m 、 三相桥s t a t c o m 等补偿装置,实现无功及负序的综合补偿。课题的主要 内容如下: ( 1 ) 首先对无功和负序产生的原因和影响做了介绍,并且综合介绍了 补偿研究的发展历史及国内外研究现状。 ( 2 ) 在对称分量法的基础上,系统地分析了无功和负序的补偿原理, 通过补偿无功电流来实现无功功率和负序的综合补偿;并对现有先进的几 种动态补偿装置做了介绍,从它们的原理出发,分别分析了它们对无功和 负序综合补偿的特点及各自的优越性。 ( 3 ) 简要介绍了几种对不平衡负荷综合补偿的电流检测方法,并从中 选择了三种方法进行了m a t l a b 仿真,分析了它们各自的优缺点及应用 场合。 ( 4 ) 针对参考文献 3 0 所述的不平衡负荷补偿电流的最大相最小化设 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 计,本文进行了数学推导,并将该方法应用于三角形连接的单相桥s t a t - c o m 补偿装置的补偿研究中,最后在仿真中将其与未使用最大相最小化 设计的补偿控制进行了比较分析。 ( 5 ) 在对三相桥s t a t c o m 补偿装置的补偿仿真中,由于其数学模型进 行砌变换后成非线性,针对该特点,本文采用逆系统方法,结合滑模变结 构控制理论,对该数学模型进行了解耦和线性化,使控制器的设计变得简 单。并通过仿真实现其对不平衡负载快速、稳定地补偿,验证了所采用的 控制理论方法对补偿不平衡负荷的可行性。 ( 6 ) 最后通过m a t l a b 仿真实现了各补偿装置对不平衡负荷无功与负 序的综合补偿,并通过它们的仿真结果对其各自的优缺点进行了比较分 析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章无功和负序的补偿原理及补偿装置 三相供电系统要求所接入的负荷应三相对称,但在一些供电线路中, 负荷具有明显的不对称性。负荷的三相不对称将使供电系统中出现对交流 电机等其它用电负荷的运行极为不利的负序分量。所以要实现无功和负序 的综合补偿,不仅要对功率因数低的三相负荷进行无功补偿;同时还需要 将三相不对称的负荷变成对于供电系统来说是三相对称的负荷( 即负序补 偿) l l o 】。 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: ( 1 ) 将不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 衡度超标问题。 ( 2 ) 使不对称负荷合理分配到各相,尽量使其平衡化。 ( 3 ) 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足 够大( 例如对于单相负荷,短路容量大于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 ) 。 ( 4 ) 采用平衡装置。 本章主要介绍无功和负序电流综合补偿的原理,并从对称化补偿的基 本原理1 1 1 汜j 出发,介绍一些可实现不平衡负荷综合补偿的装置。 2 1 对称化补偿的基本原理 平衡的三相系统的总功率是恒定的而且与时间无关,而不平衡的三相 系统的总功率却是在其平均值的上下脉动。因此将三相系统变成平衡的三 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电感线圈和电 容的电路元件。最简单的例子如图2 1 ( a ) 所示的单项电阻负荷r ,它是不 平衡的三相系统。如图2 1 ( b ) 所示,在其他的两相分别适配为j c o l = ,3 r 的 电感和电抗为1 # o c = 一,3 r 的电容,二者产生谐振,则可构成平衡的三 相系统。该平衡的三相系统的相量如图2 2 所示,电容电流j 。,超前电压 汐。,9 0 度,电感电流t 。滞后电压以9 0 度,电感和电容电流方均根值相等, 恰能构成电感和电容谐振的条件。电阻电流t 。和电压u 同相,电阻电流a b 的方均根值是电感电流和电容电流方均根值的3 倍。由t = j 。一t 。、 厶= 厶。一乞。和之= 乞一厶。可以看出,此三相电流乞、厶、之的方均根值相 等,其互相相位差1 2 0 度。而经由上述平衡化电路可将不平衡的三相系统 变换成平衡的三相系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 在上述简单的平衡化例子基础上,可以导出一般不平衡三相负荷的平 衡化原理( 即s t e i n m e t z 原理) 。在研究不平衡负荷时候,首先把负荷和补 偿器均用导纳模型来处理,以便于用相量进行分析。下面先将平衡化功能 和负荷的功率因素完全的校正相结合一起考虑,这和实际供电需求是一致 的。最后推导出任意负荷功率因素下平衡化的公式。 ( a ) 单相电阻负荷( b ) 平衡化三相系统 图2 1 三相平衡化电路 u 曲 图2 2 平衡化三相系统的相量图 2 1 1 理想补偿导纳网络 假定电源电压是平衡的,负荷用图2 3 ( a ) 的三角形连接的网络来表示, 图中x ,y l b c 和z 。是复数并且互不相等。任何不接地的星行连接负荷通过 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 y _ 变换都可以表示成图2 - 3 ( a ) 的三角形连接形式。 设: w b = g :b + j b n b k 缸= 研。+ 群。 ( 2 - 1 ) ii 。= g f + ,j 5 i r 首先从功率因素校正入手,在每一负荷导纳上并联一个等于负荷电纳 负值的补偿电纳,使得负荷电纳变成纯电阻,即令矽= 一耳6 ; 矽。= 一群。,b 7 = 一b 7 ,如图2 - 3 ( b ) 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 路都有三个并联补偿电路,这些电纳相加在一起,便得到三相三角形接法 的理想补偿网络 谴b = 一b ;b + 姆 一g 剐矗 辟。= 一碎+ ( 印一砰) 3 ( 2 - 4 ) i 矽= 一掣+ ( 畔一酽) 3 因此将一个理想补偿网络与负荷相关联就可以把任何不平衡的三相 负荷变换成一个平衡的三相有功负荷,且不会改变电源和负荷间的有功功 率交换。 2 1 2 用对称分量法分析负荷补偿 式( 2 4 ) 只能作为补偿原理的说明,因为欲求的补偿器电纳是用负荷 导纳来表示的,而负荷的导纳却不象线电流和电压那么容易测量。下面将 用对称分量法导出用线电流和线电压表示的补偿电纳的公式。 图2 3 ( a ) 的不平衡负荷由平衡三相正序电压供电,各相对中性电电压 的有效值是 d 二= 吃一玩= ( 1 一口2 ) 矽 眈。= 玩一u c = ( 位2 一a ) d ( 2 7 ) 叱= u c g o = 一1 ) v 三角形接法中每支路的负荷电流为 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 _ - _ - - _ 一_ 一 而线电流为 乞。= 誓曲力二= y 1 4 b ( 1 一a 2 ) d 屯= x k o b c = i 船( 口2 一a ) o ( 2 8 ) 乞= i 曲矽二= i “( 口一i ) o = 乞。一乞= 【x 曲( 1 一a 2 ) 一x ( a 一1 ) 】d = 乞一g b = 【z k ( a 2 一仅) 一墨曲( 1 一a 2 ) 】矽 ( 2 9 ) = 乞一乞= 【z “( 口一i ) - 一幻( a 2 一a ) 】d 线电流的对称分量由下式给定 试= 心,+ i b + i j 小 t = ( 乞+ 口乞+ a 2 之) ; ( 2 1 0 ) l 丘= ( 乞+ q 2 丘+ 及之) ; 奄式( 2 1 0 ) 中含有因子1 ;是为了使对称分量变换成为正交变换,即 c = c ( 宰表示共轭) ,这就保证了功率不变,使变换简化。将式( 2 9 ) 代 入,可得 ,= o = ( i 曲+ i 幻+ 巧“) 矽括 ( 2 11 ) l k = 一( a2 矿+ 矿+ 口z “) 矽历 由式( 2 - 1 1 ) 可知,对于平衡负荷,即i ”= 墨幻= 。,则,:= 0 。 一个三角形接法的无功补偿器的线电流对称分量表达式和式( 2 1 1 ) 相似 f o c r ) - - o = 歹( 矽+ 群。_ i - b c o r 石 ( 2 1 2 ) 0 2 = 一j 沁2 8 :b + b b c + b c r a 影矗 补偿之后的负荷,如果其负序电流为零的话,将是平衡的,这就要求 之+ 乞n = 0 ( 2 13 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 式( 2 13 ) 要用于之( 1 ) 和厶( ,) 的实部和虚部。如果正序线电流的虚部等 于零,则补偿后总功率因素将等于1 ,这就要求 i m i l ( 1 ) + i l ( ,) 】_ 0 ( 2 1 4 ) 若把式( 2 一l2 ) 中补偿电流五( ,) 和厶( ,) 代入式( 2 13 ) 和( 2 - 1 4 ) 中, 并把这些方程对矽,砂,矽求解,理想补偿器电纳便可以用以下公式 求出 矽= 一击 i m t 砂= 一击 i i i l t 矽= 一击【h 五 + i i l l 丘( 1 ) 一,f 3 r e i 2 ( 1 ) 】 一2 i m l 2 ( 1 ) 】 ( 2 1 5 ) + i m 丘( 1 ) + 压r e 厶( 1 ) 】 利用式( 2 10 ) 的逆变换将式( 2 15 ) 右边变回到相坐标系中去。若 没有零序电流,则得 b r d b - j u l i m l m + i m a k + i i l l a 2 】 砂= 一面1 i n l 及+ i m 仅2 一h 1 1 a 】 ( 2 1 6 ) 筇= 一击【i m a 2 丘o ) + i m i 。_ h & 式( 2 16 ) 就是我们希望得到的负荷线电流相量丘( 1 ) ,丘( 1 ) ,丘( 1 ) 表示 的补偿电纳。 2 1 3 用功率表示的负荷补偿 实际上,负荷常用有功功率和无功功率来表示,如图2 4 所示。则每 相的补偿无功可由式( 2 - 4 ) 每项乘以u 2 得到,即 秽= 一研6 + ( 暑。一毕) 压 q = 一饼。+ ( 启动一日。) 互 ( 2 1 7 ) 驴= 一簖+ ( 芹。一甲) 历 其中尸前面的负号表示感性无功功率;正号表示容性无功功率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l3 页 e 骅l c q 由酽 图2 4 用功率表示的负荷补偿 2 1 4 一般负荷的平衡化公式 实际上,上述平衡化原理也可以用于感性( 或者容性) 有功负荷的平 衡,而不必考虑功率因素。因为感性( 或者容性) 负荷可以分成有功分量 和无功分量两部分。对于有功分量,就用上述平衡化原理;而对于无功分 量的平衡,只需要在其他二相上接上相同的无功负荷即可。例如,设图2 1 中a b 相是接电流为,功率冈数为c o s p 的负荷,如欲在其它两相中加上 感性无功或者容性无功,使其平衡化,则b c 相和c a 相应产生的电流分别 为 jl 叫8 i n 妒c o s 0 4 3 ( 2 - 1 8 ) j 【l = i s i n p + ic o s g o 4 3 式( 2 18 ) 右边第一项为平衡电流的无功分量所需要的,而第二项为 平衡有功分量之用。将式( 2 18 ) 两边乘以u ,则变为功率表达式 或 q = 2 s c o s ( 妒+ 要) 压 j ( 2 1 9 ) q l = 2 s c 。s ( 妒一詈) 历 同理可以导出三相均为一般负荷时的平衡化补偿公式。 显然,对于一般感性有功负荷的平衡化补偿,由于需要在其他两相中 拈压 妒 缈 n n 吼 吼 s s 一 十 缈 妒 n n 吼 吼 s s = = q q ,、【 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 加进相同的感性无功功率,则三相系统的功率因素会变得较低。不过利用 上述方法也不难推导出达到预定功率因素水平的平衡化补偿公式。 2 2 补偿装置 交流电弧炉、轧钢机、电力机车等不对称冲击性负荷日益增多,由于 它们非线性、冲击性及不平衡的用电特性,不仅引起电压波动、闪变而且 在系统中注入大量的负序电流,严重影响了系统供电的电能质量,使用户 的正常工作受到不同程度的影响。很明显一般负荷都是变化的,所以平衡 装置应做成可调节的。这种调节可以是分级的,也可以是连续的。这要求 补偿装置更加快速、准确、稳定的对不平衡负荷实现补偿。对于分级可调 的补偿装置容量过大( 超过负荷的功率) ,而且调节范围和精度均有限, 所以文章中主要介绍了能够实现连续快速调节的补偿装置。 2 2 1 静止无功补偿器( s v c ) s v c 是在机械投切式并联电容和电感的基础上,采用大容量晶闸管代 替断路器等触点式开关发展起来的。目前,电力工程上常用具有分相补偿 性能的静止无功补偿器( s v c ) ,s v c 一般由并联的感性和容性两大回路 构成,其中至少一个回路为动态回路,即能根据补偿要求快速变换其无功 功率的回路。依据构成动态回路的不同方式,目前主要有三种型式的s v c : 晶闸管控制的电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ,简称t c r ) ;晶闸管 投切的电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dr e a c t o r ,简称t s c ) 和饱和电抗器 ( s a t u r a t e dr e a c t o r ,简称s r ) d 3 - 1 4 1 。 1 、t c r 装置 t c r 静止无功补偿装置是七十年代晶闸管技术在无功补偿领域的典 型应用。由于它是利用晶闸管移相触发导通的功能来改变装置的无功输 出。因此,可以将现代控制的理论和技术应用于无功控制领域,是一种有 广阔前景的技术。随着我国电力电子技术水平的不断提高,目前t c r 的 国产化已具备条件。 t c r 静止无功补偿器由晶闸管控制的电抗器部分和相应的滤波器组 成。其典型接线如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l5 页 i 一 器= 一上 - _ 。_ 电 ; ; 号 l 图2 - 5t c r 装置典型三相接线图 其中晶闸管控制的电抗器是该套装备的关键部分,装置的无功控制主 要由它实现,其原理可由图2 - 6 说明。装置的主要元件是一对反并联的晶 闸管和与之串联的电抗器。 图2 - 6t c r 装置原理图 每个晶闸管的控制角0 为9 0 。时,全导通,此时流过电抗器的电流与 晶闸管短路时相等( 其电流为纯感性) ;当控制角在9 0 。18 0 。之间时, 晶闸管为部分导通,得到的电流为小于9 0 。时的值,理论分析可得到电流f 中的基波分量为1 5 】 厶:旦0 - s i n 0( 芝一2 0 ) 叉上 万 式中,、u 分别为基波分量和电压的有效值,x ,为基波下电抗器的电抗 值。 t c r 的等效电抗值与控制角a 之间的关系为 脚)=叁2等=了2z-2a+sin2a(2-22)u x 万,仃y 性电黑嵩凳惹曼篇芋的控制角度就改变了有效电纳值,也就实现了装置感 跳嚣勰僦徽蒜裟? 轧7 阮整靳r 装置能实现控制范围内感性到容性的平癌。嘉;_ 削”7 h 拦箬j c r 装 图2 7t c r 装置的伏安特性曲线 限 一一一一一一一一 一黼一一 一 一 一一一一一一一一 ,l、,r、j j j n 曙 及 麒 腓鼽艋髓蝴巩 西南交通大学硕士研究生学位论文第l7 页 图2 8s r 装置静补系统接线图 r t 一有载调压加压变压器组;s i 卜自饱和电抗器;s c 一斜率校正电容器; r c 一调压控制器;f c 一滤波器; s r 装置的平衡化功能,主要是由于自饱和电抗器三相铁芯的饱和深 度跟随电压高低变化趋势所致。当某相( 或线) 电压有偏高趋势时,该相 ( 或线) 的铁芯饱和深度增加,其吸收感性无功电流增加,通过系统阻抗 的调节作用,使该相( 或线) 电压维持在原有水平。 3 、t s c 装置 t s c 装置的基本结构如图2 - 9 所示,每相由电容器组和一对反并联晶 闸管以及一个小电抗器串联而成。电抗器的作用是防止电容器在突然投入 时引起陡度很大的冲击电流,因为晶闸管元件对电流的陡度很敏感,而且 容易损坏;另外一个作用是防止电容器和系统发生谐波谐振或者和电容器 的参数作一定匹配,构成滤波器用以吸收来自系统或与之并联的s v c 装 置的谐波。在三相应用场合中,t s c 装置一般用三角形接法,如图2 9 ( b ) 所示。 众所周知,电容器组在突然投入电网时往往会发生很大的冲击电流; 如果选择合适的相角投切时,暂态电流会大大减少。当电容器两端电压u 等于交流系统电压“的峰值,且极性一致( 即晶闸管两端电压为零) 时投 入的暂态电流最小;暂态过程由于系统损耗会很快衰减。实际上这由控制 器确定,一旦晶闸管两端电压最小时即可投入,减小电容器组投切的暂态 过程不仅对系统有利,而且也使电容器的使用寿命大大增加,这是一般机 械( 例如断路器) 投切所无法做到的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 ( a ) 单相( b ) 三相 图2 - 9t s c 装置的基本结构图 当电流过零时晶闸管截止,而电容器上充有系统峰值电压。由于一般 电容器有放电装置,将不能维持充电电压不变,只要在系统电压的极性和 电容器上电压的极性一致且晶闸管两端电压最小瞬时给出触发脉冲,其投 入时不会造成很大暂态。 由于t s c 装置一般分成若干组,所以其电压控制特性是阶梯形的,且 有死区。t s c 装置在电力系统中可以用于电压支撑和调节,并能阻尼功率 振荡,分相控制的t s c 装置有平衡化的补偿功能,但由于仅为容性电路且 为阶梯形变化,故其平衡功能不如t c r 装置。 t c r 、s r 装置和t s c 装置均有快速响应特征,就其装置本身来说, 动态响应时间可达1o m s 左右。由于t c r 和t s c 有控制器( 包括测量、 计算、控制和触发环节) ,为了保证控制系统的稳定性,一般需要适当延 长响应时间( 典型值为3 1 0 h z ) 。s r 装置的响应时间受斜率校正电容器 回路的影响有所下降,一般可达1 - 2 h z 左右。 2 2 2 静止同步补偿器( s t a t c o m ) s t a t c o m 以变换器技术为基础,等效为一个可调节的电压电流源, 通过控制该电压电流源的幅值和相位来达到改变向电网输送无功功率大 小的目的,它的名称一度包括a s v c 、a s v g 、s t a t c o n 、s v cl i g h t 和 s t a t c o m ,在2 0 0 2 年i e e ed c & f a c t s 专委会起草的术语表中统一为 s t a t c o m 。 图2 1o 所示为s t a t c o m 的原理示意图,其中直流侧为储能电容, 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 为s t a t c o m 提供直流电压支撑,逆变器通常由多个逆变桥串联或并联而 成,其主要功能是将直流电压变换为交流电压,而交流电压的大小,频率 和相位可以通过控制逆变器中可关断器件( 如g t 0 、i g c t 、i e g t 等) 的 驱动脉冲进行控制【1 昏1 7 1 。连接变压器将逆变器输出的电压变换到系统电 压,从而使s t a t c o m 装置可以连接到电力系统中。连接变压器本身的漏 抗可以用于限制电流,防止逆变器故障或
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