（电力系统及其自动化专业论文）直接电压型svc静态性能分析和动态仿真研究.pdf

太原理：c 大学硕士研究生学位论文 情况下发出系统所需要的所有无功功率。这是直接电压型s v c 的最大的 特点之一。 直接电压型s v c 在提供无功功率的同时，还设计了固定补偿滤波支 路滤除三次谐波，动态补偿滤波支路滤除五次谐波。本文利用m a t l a b 编 写程序，求得对应不同投切级数系统发生谐振时谐振点的位置，特别地， 对于二次、四次特征谐波会发生谐振。而对于电气化铁道来说，主要是 奇次谐波，所以，对于这套直接电压型s v c ，刚好躲过谐振。 直接电压型s v c 已成功地投运于店坪牵引变电站，目前运行情况良 好。文中结合牵引变电站的特点，运用瞬时无功功率理论，使用子系统 技术，建立了单相电路无功功率实时检测的子系统模型，进而搭建了相 应的仿真模型，对无功功率补偿效果进行分析。同时也对牵引变电站在 投入s v c 前后的功率平衡作了分析。由于三相对称电力系统与牵引站间 出现有功功率循环和无功功率循环，进一步分析了欲使系统和牵引站间 产生的无功功率循环最小，应将臂上负载功率因数补偿到1 ，也验证了本 文对于直接电压型s v c 所采取的完全补偿控制策略的正确性。 关键词：直接电压型s v c ，无功补偿，谐振，功率循环 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ea n a l y s i s0 fs t a t i cp e i 江o r m a n c ea n d t h es t u d yo fd y n a cs i m i ，a t l 0 no f d i r e c tv o l l l a g et y p es v c a b s t r a c t w i t ht h es t r e n g t ho f t r e n do f d i f f e r e n ta r e a sp o w e rn e ti n t e r c o n n e c t i o no f m o d e mp o w e rs y s t e m ，t h es a f e t ya n ds t a b i l i t yb e c o m em o r ei m p o r t a n t i n o r d e rt oi m p r o v et h es a f e t ya n de c o n o m y ，al o to fa d v a n c e df a c t sd e v i c e s w h i c ha r ea b l et oc o n t r o lo t h e r ss p e e d i l ya r ea p p l i e da b r o a di nt h ep o w e r s y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ew a y so fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o no ft h e c u r r e n tp o w e rs y s t e ma r ec o m p a r e di n d e t a i l c o n s i d e r i n gt h el o wp o w e r f a c t o ro fe l e c t r i ct r a c t i o nl o a da n dl a r g e rh a r m o n i ci n g r e d i e n t s ，an e wt y p eo f s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r - t h ed i r e c tv o l t a g et y p es v cc o m p e n s a t i o nd e v i c e s a r ed e v e l o p e d t h em a i nc i r c u i to f t h ed i r e c tv o l t a g et y p es v cc o n s i s t so f t h e a u t o t r a n s f o r m e rw i t ha v e r a g ev o l t a g e ，f i x e db r a n c hw h i c hc a nc o m p e n s a t et h e r e a c t i v e p o w e ra n d f i l t e rt h e h a r m o n i c ，d y n a m i c b r a n c hw h i c hc a n c o m p e n s a t et h e r e a c t i v e p o w e ra n d f i l t e rt h eh a r m o n i c ，c a p a c i t i v ea c t h y r i s t o rn oc o n t a c ts w i t c ha n dt h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo f i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o m p u t e r b e c a u s et h ea u t o t r a n s f o r m e ri st h em a i nd e v i c eo ft h es v c ，t h e d i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h er e s i s t a n c ev a r y i n gw i t h t h ec a p a c i t o rg r o u pb ys h o r t - c i r c u i tt e s t sa n d p o l y n o m i a lf i t t i n g ，c o m p a r e st h e a c t i v e p o w e r l o s sb e t w e e nt h ea u t o t r a n s f o r m e ra n d d o u b l e c o l u m n t r a n s f o r m e ro fs a m ec a p a c i t ya n dr a t i o ，a n a l y z e st h en o - l o a dp e r f o r m a n c eo f t h i r t y - s i xt a p sa u t o t r a n s f o r m e rw h e nag r o u po fc a p a c i t o r sa r ep l u n g e d ，t h e p a p e ra n a l y z e sc o m p l e t e l y t h es t a t i c p e r f o r m a n c e o ft h es v c t h i s d i s s e r t a t i o nf i n d s b ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ：t h ef a t a ld i s a d v a n t a g eo f c u r r e n t l ys v c i st h er e a c t i v ep o w e rd e c l i n e si np r o p o r t i o nt ot h es q u a r eo f t h e v o l t a g ew h e n t h ev o l t a g eo f t h ep o w e r s y s t e m ，c o n s e q u e n t l yi tc a nn o ts u p p o r t t h ev o l t a g eo ft h en o d e ，b u tp r i c k su pt h ed e t e r i o r a t i o no ft h ea c c i d e n t b u tt h e d i r e c tv o l t a g et y p es v cc a ns u p p l ye n o u g hr e a c t i v ep o w e rb yc h a n g i n gt h e p o s i t i o no ft h eg r o u n d i n gp o i mo ft h ea u t o t r a n s f o r m e rw h i c hi sp a r a l l e l c o n n e c t i o nt ot h eb u sw h e nt h ev o l t a g ed e c r e a s e sb e c a u s eo fa f a u l t ，w h i c hi s o n eo f a d v a n t a g e so f t h ed i r e c tv o l t a g et y p es v c t h ef i x e db r a n c ho ft h ed i r e c tv o k a g et y p es v ci sd e s i g n e dt of i l t e rt h e t h i r dh a r m o n i c ，a n dt h ed y n a m i cb r a n c hi s d e s i g n e d t of i l t e rt h ef i f t h h a r m o n i c t h ed i s s e r t a t i o np r o g r a m sb ya d o p t i n gm a t l a bt os o l v et h e h a r m o n i cn u m b e rc o r r e s p o n d i n gd i f f e r e n tc l a s sp l u n g e d t h i st y p eo fs v cd e v i c eh a sr u n s u c c e s s f u l l yi nd i a n p i n gt r a c t i o n s u b s t a t i o n c o n s i d e r i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a c t i o n s u b s t a t i o n ，t h e i v 奎堕里王丕堂堡主堑塞圭堂堡堡茎 d i s s e r t a t i o n a d o p t s i 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 y ，a n ds u b s y s t e m s t e c h n o l o g y ，e s t a b l i s h e s ai m m e d i a t ed e t e c t i o nr e a c t i v ep o w e rs u b s y s t e m s m o d e l so fs i n g l ep o w e rc i r c u i t ，e r e c tt h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nm o d e l s ， a n da n a l y z et h ec o m p e n s a t i o nr e s u l t s a tt h es a m et i m e ，t h ep o w e rb a l a n c eo f b e f o r ea n da f t e rs v ci n p u ta r ea n a l y z e d b e c a u s et h e r ea r ea c t i v ea n d r e a c t i v ep o w e rc i r c u l a t i o nb e t w e e nt h et h r e e p h a s es y m m e t r yp o w e rs y s t e m a n dt h et r a c t i o ns u b s t a t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h el o a dp o w e rf a c t o r s h o u l db ec o m p e n s a t e dt o1t om i n i m i z et h er e a c t i v ep o w e rc i r c u l a t i o n a l s o ， t h ef u l lc o m p e n s a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi sc e r t i f i e dt ob ec o r r e c t k e yw o r d s ：d i r e c tv o l t a g e t y p es v c ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ， h a r m o n i c ，p o w e rc i r c u l a t i o n v 太原理：i j 大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着电力系统的发展，不同区域电网互联的趋势增强。为了提高互联电力系统的 安全性和经济性，大量先进的具有快速控制功能的电力电子装置如h v d c 系统和f a c t s 装置被广泛应用于电力系统，因而电网的安全稳定运行控制变得十分复杂。而对于电 力牵引负荷，对电力系统的影响主要反应在功率因数，负序及高次谐波上。负序电流 的问题已经因系统容量的增大，牵引变电站采用轮换接线方式而基本解决；对于功率 因数较低的问题，电力部门采用传统的固定补偿方式，但由于牵引负荷变化频繁而出 现补偿容量不足或者是过补偿现象，难以达到满意的效果。因此，研制种适应牵引 负荷特点的新型补偿装置具有重要的意义。 目前，电力系统应用最多的f a c t s 设备是静止无功补偿器( s v c ) ，世界上已投运 的或即将投运的s v c 数目已达上千台，其中仅a b b 公司制造的就达3 7 2 台，容量达 5 1 0 0 0 m v a r 。我国电力系统和工业企业应用的s v c 装罱也达数十台，1 9 9 4 年，清华大 学与河南省电力局合作研制了我国首台新型的f a c t s 控制器2 0 m v a r 新型静止 无功发生器( a s v 6 ) ，于1 9 9 7 年运行于河南电网。电科院和东北电管局合作研制的可 控串补t c s c 装嚣，应用于东北伊敏火电厂的出口输电线上，以提高输电线的输电容 量及系统的稳定性。河南省电力公司与清华大学共同研制成功的大容量2 0 m v a r s t a t c o m 在1 9 9 9 年并网成功。应用于上海电力系统的5 0 m v a rs t a t c o m 工业装置也 在研制中。 由于采用新型电力电子补偿装置响应时间均小于电力系统2 0 m s ( 对5 0 h z 电力系 统而言) 的工频周期，建立在工频周期基础上的电力系统交流电流和交流电压的有效 值、有功功率、无功功率无法准确表征装置在一个时间常数时间内的有功和无功变化， 因此运用瞬时功率理论来准确描述小于一个工频周期的f a c t s 装置的状态，解决了无 功功率和谐波电流的实时检测问题，达到了快速的无功功率补偿和谐波抑制的目的 i 】【2 】 太原理：l 大学硕士研究生学位论文 对于我们所研制的这套新型的直接电压型s v c 补偿装置，首先需要研究其本身的 特性，对其性能进行分析。由于m a t l a b 语言程序效率高、程序设计灵活、图形功能 强，自从问世以来在教学科研等领域应用越来越广泛。m a t l a b 中的电力系统模块 p s b ( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ) 是专门为电力系统设计的仿真分析软件，其功能十分强 大。p s b 模块中含有丰富的元件模型，再借助其他模块库或工具箱以及自己在 s i m u l i n k 下搭建的模块，在提供的仿真平台上可以进行电力系统的仿真计算”1 。 1 2 本文的主要工作 本文所设计的直接电压型s v c 不同于一般形式的t c r 、t s c 、f c 、m s c 及其组合， 而是将电容器与电抗器串联作为一级，采用3 组3 6 级并联在自耦均压变压器上进 行分组分级补偿，由于采用特殊的控制，所以不存在储能元件的因为不能突变而引发 的一系列问题，而实现快速补偿、平滑投切。对于一套新型的s v c 需要对其建立不同 于一般形式的数学模型，并对其进行静态性能分析和动态仿真研究，进一步研究该 s v c 对电力系统的影响。 本文所做的具体工作如下： 1 对直接电压型s v c 与其它补偿装置相比较的优越性进行详细比较与分析。 2 分析了3 6 抽头自耦均压变压器在一组电容器全部投运时空载的特性。对在故 障时通过改变自耦均压变压器接地点位置，使s v c 发出的无功不随电压的降低而减少 进行了研究。 3 进行了自耦均压变压器与相同容量相同变比的双绕组变压器有功损耗的比较。 通过自耦均压变压器短路试验，建立了自耦均压变压器的数学模型。分析了在装设直 接电压型s v c 后，对于不同次数的谐波源，系统发生谐振的可能性。结合牵引变电站 的特点，运用瞬时无功功率理论，使用了子系统技术，建立了单相电路无功功率实时 检测的子系统模型，进而搭建了相应的仿真模型，对无功功率补偿效果进行分析。 4 分析了欲使系统和牵引站间产生的无功循环最小，应将臂上负载功率因数补偿 到1 ，也验证了本文对于直接电压型s v c 所采取的完全补偿控制策略的正确性。 2 太原理：i ：大学硕士研究生学位论文 第二章无功功率动态补偿理论 2 1 无功功率对电力系统的影响 1 无功功率增加，导致电流增大和供电设备视在功率增大，而且将导致起动及 控制设备、测量仪表的尺寸和规格增大。 2 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，从而使设备及线路损 耗增加。 3 变压器及线路压降增大，使电网电压剧烈波动。 4 电压波动主要是由无功波动引起的，如果是冲击性无功负载，将导致电压的 剧烈波动。 2 2 无功功率传输的困难“ 1 无功功率只能由电压高的一端流向电压低的一端，维持电压幅值在( 1 5 ) p u 左右的要求限制了无功功率的传输。 2 出于对经济运行的要求，应使得有功和无功损耗最小化。我们知道，传输线两 端间串联阻抗的损失是，2 尺和，2 x 。由 卜万= 等 等 - 等硎 只。= i 2 r = p 2 厂+ q 2 尺，q l o s s = 1 2 x = p2 u + ：q 业，可见，要使损失最小，必 须使无功功率传输最小，应当保持电压在高水平。 3 无功功率传输使线路末端在“甩负荷”时引起的瞬时过电压增加。 3 太原理：i ：大学硕士研究生学位论文 2 3 无功功率补偿的意义。” 1 降低电网中的功率损耗。由公式，= 。l ，在输送的有功功率p 为定值 4 3 u c o s c p 时，装设无功补偿设备后提高了功率因数，将使线路中的负荷电流降低，从而使线路 上的功率损耗降低：尸k = 12 r ，q m = 1 2 x 。 2 减少电网中的电压损失，提高电压质量。当电力负荷从线路上输出到末端负荷 点时，线路电压损失u 的近似计算公式为：u = p g 面+ 丁q x ，由此式可知，加装无 功补偿设备后，线路输送的无功功率q 就要减少，线路中的电压损失随之降低，提高 了电压质量。 3 提高设备的供电能力，挖掘现有设备的潜力。p = s c o s p ，在设备的视在功 率s 不变的条件下，功率因数的提高可以多输送有功功率。 4 减少设备容量，节省投资。由s ：l 可知，在输送的有功功率p 为定值时 c o s 口 功率因数提高后可以减小视在功率s ，减小供电设备的安装容量，这样不但可以节约 购买设备的投资，还可以少支付电力部门按供电设备容量计算的贴费。 5 减少用户电费开支，降低生产成本。无功补偿给电力用户带来的直观经济效益 可以减少电费支出：第一，安装无功补偿设备，提高功率因数可以减少用户内部因传 输和分配无功功率造成的有功功率损耗，因而可以少支付相应的电费：第二，在国家 现行的电价政策中，从合理利用电能出发，为鼓励用户安装无功补偿设备，提高功率 因数的积极性，制定了功率因数调整电费政策，用户的功率因数提高后，不但可以避 免因功率因数过低而受罚，而且还可以得到电力部门按功率因数调整电费的奖励。 6 在文献 6 中经推导得出如下结论：无论是单相还是三相电路，无论电源电压 是正弦还是非正弦波形，在给定的传输功率和电源电压的情况下，总可以找到一个与 电压波形相同的最佳传输电流，也就是有功电流，使得电路的传输损耗最小。此处从 数学的角度进一步说明，只有与电压波形和相位相同的有功电流才是电源需要输送的 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 最佳电流。所以需要对无功电流进行补偿，同时也为我们确定补偿器输出参考电流提 供了理论依据。 2 4 无功功率补偿的机理解释 所谓补偿，就是吸收或供给适度可变的无功功率。 补偿技术的发展使交流输电不论在技术上还是经济上都具有很强的竞争能力，即 使是在直流输电技术取得长足进步的年代也是如此。而且新输电线路通行权( 即所谓 的走廊危机) ，难于获得，最大限度的利用新建或已有线路的压力有助于推动研制和 应用补偿系统。 2 4 1 电力系统补偿的分类”1 补偿分为输电系统补偿和负荷补偿。 输电线路补偿，是指改变输电线路的电气特性，以便既增加其输电能力，又满足 以下两个条件：一、主要的同步机必须稳定地保持同步。传输功率达到极限，即静稳 定极限，输电线路两端的同步机将失步，也就是失去同步。二、各级电压均需保持在 其额定值附近。低电压也许是接近静稳定极限的前兆。 根据这一目的，一个理想补偿系统应能实现以下功能：1 它有助于在所有功率传 输水平下建立大体上平坦的电压分布。2 增加最大传输能力以便改善稳定性。3 提供 经济的方法来满足输电系统的无功功率需求。 负荷补偿的目的有以下三个方面：1 功率因数校正。2 改善电压调节。3 负荷平 衡。基于此，理想补偿器必须能够：1 根据负荷的需求，无延迟、可控、精确地提供 所需得无功功率。2 其端电压具有恒定的特性。3 三相可独自进行。 由于本文主要研究电气化铁道中对电力机车进行的负荷补偿，所以在此着重讨论 负荷补偿部分。 2 42 负荷补偿理论 补偿理论的第一个目的就是要解释供电系统、负荷和补偿器之间的关系。 ( 一) 功率因数校正的原理 5 太原理：l 大学硕士研究生学位论文 首先建立适用于稳态或接近稳态条件的理论。所谓稳态或接近稳态可理解为负荷 和系统特性是常数或变化很慢。 图2 - 1 ( a ) 表示一个单相负荷，其导纳为k = g ，+ 归，从a i a , u 得到供电。负 荷电流为，并有 ，= u ( c ，+ 8 ，) = u g ，+ j u b t = 1 r + j s ( 2 - 1 ) 其中，u 和，均为相量，式( 2 - 1 ) 可以用相量图来表示( 图2 - 1 ，b ) 。u 为参 考相量。负荷电流的电阻分量，。与u 同相，电抗分量= u b ，与u 在相位上相差 9 0 。，在这个例子中，i 。是负的，滞后，负荷是电感性的( 这是最普通的情况) 。 u 和，间的夹角是，负荷的视在功率s t 为： s t = u i ? = u 2 g 厂u 2 b t = p + ，q f ( 2 2 ) ( a ) + j b 尸 q ， ix =ub|=its i n | ( b )( c ) 图2 - 1 ( a ) 至( d ) ：功率因数校正 f i 9 2 - 1f r o m ( a ) t o ( d ) ：t h er e v i s i o no f p o w e rf a c t o r 因此视在功率包含一个有功分量只( 即通常能转化成有用的热、光、机械功和其 它形式的功率) ，和一个无功分量9 ( 即不能转化成有用的能量形式的功率，但其存 在却是负荷的内在要求) 。s ，、鼻与q 之间的关系示于图2 - 1 ( c ) 。 因数 电源供给的电流，= ，大于单独供给有功功率所需的电流，。，相差一个功率 6 太原理：i ! 火学硕士研究生学位论文 生：1 _ jr c o s 簪i 式中，c o s ，为功率因数。 ( 2 - 3 ) 供电电缆中的焦耳损失按功率因数去一增加。电缆中额定容量必须相应增加， c o s 驴， 而损耗则必须由用户来支付。 功率因数校正的原则是对无功功率进行补偿，即就近供给无功功率，所用的方法 是把一个具有纯无功导纳一妈的补偿器与负荷并联连接。电力系统向负荷与补偿器 的组合装置供给的电流变为 l 。= i l + ic = u ( g | + j b f 、一u t j 8 i 、= u g l = i r ( 2 4 ) 与电压同相，使整体的功率因数变为1 。图2 一l ( d ) 给出了相位关系。现在，在 电压u 作用下，电源电流有最小值而且它又能供给全部功率只，负荷要求的全部无 功功率就地由补偿器供应。于是负荷得到完全补偿，功率因数得到提高。功率因数提 高多少，电源容量就节约多少。从电源中消除掉负荷要求的无功功率之后，电源就有 多余的容量以满足其它负荷的要求。 补偿器电流由下式给出： ，。= u t = 一j u b j ( 2 5 ) 与电源交换的视在功率是 s 。= 只+ j q 。= u i ：= j u2 b ， ( 2 6 ) 这样便得到：只= 0 和q = u 2 b = 一9 ，补偿器不需要机械功率输入。大多数负 荷是电感性的，因而要求电容性补偿( b 。为正，q 为负) 。 从图2 1 ( c ) 可知，为了完全补偿无功功率，补偿器的额定容量与负荷的额定 功率只之间的关系为 9 = # 噜， ( 2 7 ) 7 太原理：【大学硕士研究生学位论文 而与负荷的额定视在功率s 的关系为 q 。= s ，s i n l = s t , 1 一c o s 2 办 ( 28 ) 负荷也可能部分补偿( 即l q i lq f l ，或限i l b ，j ) ，补偿度的确定，取决于补偿 器的投资( 决定于其容量) 和在一定时问内从电源系统获得相等的无功功率所需的核 定投资额之间的经济权衡。 ( 二) 电压调整的原理”1 电压调整定义为规定的负荷电流变化( 例如从空载导满载) 所引起的供电电压幅 值变化的比例( 或标幺值) ，它是由负荷电流流经电源阻抗时的压降所造成的。供电 系统用图2 2 ( a ) 表示，则电压调整由下式确定： ( i 三l pi ，l di = ( i 三l u u 式中玉为参考相量。 g i 毯 ( 2 9 ) ( a )( b ) ( c ) 图2 - 2 ( a ) 、电源系统和负荷的等效电路图； ( b ) 、图2 - 2 ( a ) 的相量图；( c ) 、( a ) 的相量图( 补偿到恒定电压时) f i 9 2 2 ( a ) e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo f s o u r c es y s t e ma n dl o a d ：( b ) v e c t o rd i a g r a m o f f i g2 - 2 ( a ) ；( c ) v e c t o rd i a g r a mo f f i g2 - 2 ( a ) ( i n v a r i a b l ev o l t a g ec o m p e n s a t e d ) 在没有补偿器的情况下，由负荷电流，引起的供电电压变化，在图2 2 ( b ) 中 用a u 表示，并存在下面的关系： u = e 一矿= z1 ， ( 2 - 1 0 ) 8 太原理：i ：火学硕士研究生学位论文 蝇= r s + 肌以及j ，= 华捌 6 = ( ”弘，) 学= 半+ ，学- a u r + 删。 可以看出，电压变化有一与u 同相的分量u 。，和一与u 相位相差9 0 。的分量 a u ，它们均表示在图2 - 2 ( b ) 中。很清楚，以e 为基准，u 的幅值和相位均为负 荷电流幅值和相位的函数。换言之，电压变化决定于负荷的有功功率和无功功率。 将负荷与一补偿器并联，则可以做到i 三l = pi ，也就是使电压调整等于零，或 者说在有负荷情况下维持供电电压幅值等于常数且等于e 的值。图2 - 2 ( c ) 即表示 这种情况，该图是针对纯无功补偿器而画的。式( 2 - 1 1 ) 中的无功功率9 用 q = q + 9 来置换，通过调整q 的值，使向量a u 旋转 直到卧川为止，从 式( 2 - 1 0 ) 和( 2 - 1 1 ) 司得到f 式： 肾卜等等 2 + 等等 2 所需的q 值，通过令吲：u ，以q 为未知数求解上式，然后令q = q 一9 而得。 在实际的补偿器中q 的值将由一个控制回路自动的予以确定。这里，不论鼻的值是 什么，总可以找到q 的解，由此可得出以下重要结论： 一个纯无功功率补偿器可以用来消除由负荷有功功率和无功功率变化引起的供 电电压的变化。 须知，补偿器仅能对电压的幅值加以控制，其相位则随负荷电流不断的变化。 从本节第( 一) 部分已经看到，补偿器是如何使系统的无功功率减少到零的。即 补偿器是作为一个功率因数校正器而不是作为电压调整器。假如补偿器被用作为功率 因数校正器，则在式( 2 1 1 ) 中，可以用q ，= q + q f 来代替9 ，并使q s = o ，则电压 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 槲重f f ；j 增量为： 玉= ! ! 曼。= ! ! 二曼= ( 尺，+ j x ，) 导 ( 2 1 3 ) 可见6 与q 无关，因而不受补偿器的控制。所以纯无功补偿器不能同时维持 电压为常数和功率因数为i 。要做到这一点，唯一的可能是使只= 0 ，但这是没有实际 意义的。事实上，既维持电压为常数又使平均功率因数为i 却是很有可能的。下面将 解释此现象。 设短路发生在负荷母线上，则“短路视在功率”将是 f 2 & 2 只c + j q ”= e l , c 2 云 - 1 式中，乙。= r ，+ ，j 。是短路电流，因为l z 二i = 1 z 。l ，则有 耻阱。s 丸= 妻c o s 妒。( 2 - 1 5 ) 和 弘阱i n 丸= 争以。( 2 - 1 6 ) 而 帆= 鲁 m 即为电源系统的x 、r 之比，在式( 2 1 1 ) 中代入r 。，x ，之值，将a u 。和a u 。 分别除以u ，并假定e u z l ，便得到： 等z 妾旧c o s q f s i n 丸。】( 2 - 1 8 ) 等“寺k s i n 丸一q fcos丸】(2-19) a u ，常常忽略不计，这是因为它仅使供电电压相对于壹产生一相位偏移，电压 1 0 太原理：i ：火学硕士研究生学位论文 幅值的主要变化则用a u 。表示。式( 2 1 8 ) 在文献中经常被引用。这些公式虽然是 近似的，但却是很有用的，因为它们是用故障水平或短路水平s 、r 之比( 即 培。) ，负荷的有功功率p 及无功功率q 这样一些常用的量来表示的。为了得到精 确的结果，式( 2 一1 8 ) 、( 2 - 1 9 ) 应乘以e 2 u 2 。 至此，我们似乎是在有功从零变化到# 或无功从零变化到q ，的条件下建立起u 的一些公式的。这也说明了式( 2 - 1 3 ) 中u 是客观存在的，但是我们可以通过补偿 使q f = o 来保证负荷点的电压在此基础上在负荷波动的情况下保持为常数。而式 ( 2 - 1 1 ) 、( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 在异、q f 的微量变化时也是有效的。因此，下式对 微量变化也是成立的： 警z 毒c o s 丸+ q s 哪，。】( 2 - 2 0 ) 如果电源电阻r ，比电抗x ，小的多，则忽略由于有功功率的变化只所引起的电 压变化是允许的。因此电压调整由下式决定： 等。等z 篑s i 哦。等( 2 - 2 1 ) 即单位电压变化或脉动等于无功功率的增量与电源系统的短路水平之比。如果 q f s 则可以表示为 u 。e 。一鱼 l s ，。j ( 2 2 2 ) 假如负荷是三相平衡的，变化相当缓慢，因此可以使用每相相量或似稳态方程。 又假定负荷的变化很小，故有a u u ，还假定尺， x ，所以近似式( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 是可以使用的。图2 - 3 ( a ) 给出了系统、补偿器和负荷的连接情况。将式( 2 2 2 ) 中的q 用q 。( _ q ，+ q 。) 代替，则 奎垦望王盔堂堡主婴塑尘堂堡丝壅 a u q 。 u s 。 综 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( b ) 0 q 。， ( c ) 刃一 叁拦j 么 图2 - 3 ( a ) 补偿系统的单相等效电路；( b ) 无补偿系统的近似电压无功功率特性； ( c ) 补偿系统的近似电压无功功率特性；( d ) 理想补偿器的近似电压无功功率特性 ( e ) 无功功率平衡图( q ，与q c 随q 的变化) f i g2 - 3 ( a ) s i n g l ep h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i to f c o m p e n s a t i n gs y s t e m ；( b ) a p p r o x i m a t e l y v o l t a g e r e a c t i v ep o w e rc h a r a c t e r i s t i co f s y s t e mo f h a v i n gn oc o m p e n s a t i o n ； ( c ) a p p r o x i m a t e l yv o l t a g e r e a c t i v ep o w e rc h a r a c t e r i s t i co f c o m p e n s a t i n gs y s t e m ； ( d ) a p p r o x i m a t e l yv o l t a g e r e a c t i v ep o w e rc h a r a c t e r i s t i co f i d e a lc o m p e n s a t o r ； ( e ) b a l a n c e a b l ed i a g r a mo f r e a c t i v ep o w e r ( q fv a r i e s w i t h q a n d o r ) 1 2 1lj g 一 一 l e u 或 毫 太原理：1 = 大学硕： ：研究生学位论文 系统供给的无供功率由下式确定： q ，= q + q ， ( 2 2 5 ) 为了得到理想的电压调整和使平均功率因数等于1 ，显然一定要使用电容性补偿 器。补偿器必须使 q 。= 常数= 0 ( 2 - 2 6 ) 忽略负荷有功功率变化的影响，就可以得到既使电压保持不变又使平均功率因数 为1 的理想补偿器的电压无功功率特性曲线。如图2 - 3 的( b ) 至( e ) 说明了这一 过程。 现在，补偿器是纯电容性的，它产生的无功功率与负荷吸收的总是相等的，如果 把补偿器设计成理想电压调节器，则由于负荷有功功率的变化，q 不能恰好等于零。 一般来说，这种影响是不大的。 ( 三) 不对称负荷的相平衡。1 前面讨论的功率因数校正和改善电压调节都是在每相或单相的基础上对负荷问 题进行的讨论。负荷补偿中的第三个基本问题是：不平衡( 或不对称) 三相负荷的平 衡。 将一个补偿网络与负荷相并联就可以把任何不平衡的、线性的、不接地三相负荷 变换成一个平衡的、三相有功负荷，而不会改变电源和负荷问的有功功率交换。 理想补偿网络可能是纯无功的。若负荷导纳是变化的，且仍要保持完全补偿的话， 则补偿网络的电纳也必须变化。 2 5 无功功率补偿的现状 柔性交流输电系统( f a c t s ) 用于描述基于大功率电力电子器件的控制器。依靠这 样的控制器，可以提高电网的功率传输能力，并使系统潮流更可控，即：使直接影响交 流功率传输的3 个主要参数( 电压、相角、阻抗) 按系统的需要迅速调整。随着大功率 半导体器件的发展，f a c t s 设备的制造及应用得到了长足发展。 无功补偿实现手段正趋于与电力电子技术的结合。结合方式有三种，一是为投切 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 _ _ _ 一 电容器的开关，二是作为无功输出的调节开关，三是引入电力电子变流技术，将变流器 作为无功电源，以补偿无功。目前在我国广泛使用的以s v c 为代表的传统的无功补偿 装置，国内外对s v c 的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神经网络和专家系统等 智能控制手段也被引入s v c 控制系统，使s v c 系统的性能更加提高。但是由于无功补 偿新技术与新装置，即s t a t c o m 装置等的突出优点，使得无功补偿技术未来发展的方 向主要以电力电子及其逆变技术为核心，开发出性能更为优越的装置。3 。 在电力系统中，补偿无功功率的方法很多，包括采用同步发电机、同步电动机、同 步调相机、并联电容器和s v c 等。在许多工程的供电系统中，由于阻感型负载居多， 总等效负载呈感性，通常采用并联电容器补偿无功功率，提高功率因数。当启用自备发 电机组供电时，都配有自动励磁调压装置对无功和电压进行自动调节。 根据安装位置不同，并联电容器补偿有三种方式：一是将电容器组集中安装在母 线上，以提高整个变电所的功率因数，减少馈出线路的无功损耗：二是分区补偿，将电 容器组分别装设在功率因数较低的区域母线上，补偿效果更好，缺点是补偿范围比集 中补偿时小：三是就地补偿，针对感性设备如异步电动机，以荧光灯为主的照明线路 等，将电容器组安装在负载设备附近，就地进行无功补偿，这种方式优点是既能提高用 电设备供电回路的功率因数，能改善用电设备的电压质量，缺点是电容器安装分散， 维护工作量大，随着国产低压自愈式电容器技术与生产水平的提高，为就地补偿方式 的推广创造了条件“。 2 68 v c 对电气化铁道的影晌 静止无功补偿器能够提供无功支持和维持系统电压稳定，在电气化铁道中，由于 负荷存在很大的波动，经常导致电压波动和功率因数恶化，危害设备和线路的安全。在 这种情况下，使用静止无功补偿装置将会对负荷的无功功率进行快速的动态补偿，对 动态无功负荷的功率因数进行校正，提高整个系统的静态和动态稳定性，同时降低过 电压。静止无功补偿器是电网中控制无功功率的工具，它根据无功功率的需求量自动 进行补偿，所以是一种动态补偿装置。除了可抑制谐波以外，特别适合于抑制快速变化 的谐波源( 如电力机车) 所产生的电压波动和闪变“”1 。 1 4 太原理：f 大学硕士研究生学位论文 第三章直接电压型s v c 31 并联补偿手段的比较 i e e e 定义了两个专门的术语表述综合的并联补偿技术，其一是静止无功发生器 ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ，s v g ) ，定义为能向电网提供可控的容性和或感性电流从而 发出或吸收无功功率的静止电力设备、装置或系统；其二是“静止无功补偿系 统”( s t a t i cv a rs y s t e m ，s v s ) ，定义为不同的静止补偿器以及机械投切电容器电抗 器相结合并可协调操作的综合体。 简单地说，s v g 可以看作无功功率电源，它通过适当的控制来适应特定或多目标 的无功补偿要求，s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 和s t a t c o m 都属于s v g 。s v s 的范 围更广，不但包括了具有良好可控性的s v g ，还包括了机械开关切换的电容器和电抗 器 3 1 1 静止无功功率补偿器( s v c ) 静止无功功率补偿器s v c 是由晶闸管控制投切电抗器( t c r t s r ) 、晶闸管投切 电容器( t s c ) 、并联电容器和并联饱和电抗器组合后通过连接变压器并联于输电线 路的无功功率补偿器。s v c 的一些常见形式有：固定电容一晶闸管控制电抗型无功补 偿器( f c t c rs v c ) ，晶闸管投切电容器一晶闸管控制电抗型无功补偿器( t s c t c rs v c ) ， 机械开关投切电容一晶闸管控制电抗型无功补偿器( m s c t c rs v c ) 等。其主要功能是保 证输电系统的动态无功功率的快速调节，并可兼顾事故时的电压支持作用，维持电压 水平，消除电压闪变，平息系统振荡等“3 “”1 。以典型的t s c t c rs v c 为例，一般根 据需要由i 3 条t s c 支路和m 条t c r 支路构成，图3 - 1 中n = l ，m = l 。 s v c 在外特性上都可视作并联于系统或负荷的容抗或感抗，故统称为“变阻抗型 静止无功补偿器”。 1 5 太原理：c 大学硕士研究生学位论文 。 眦 卅 乙 弋t = 图3 1t s c t c r 型s v c 接线原理图和u i 特性曲线 f i g3 - it h ec o r m c c t i o