（电力电子与电力传动专业论文）智能低压tsc动态无功补偿装置的研究.pdf

s u b j e c t：s t u d yo nt h ei n t e l l i g e n ta n dl o w - v o l t a g et s cd y n a m i c r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e s p e c i a l i t y ：p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e r d r i v e r n a m e：l vx i a o j i e i n s t r u c t o r ：w e il i a b s t r a c t ( s i g n a t ur e )土z 丕兰璺望主垒 ( s i g n a t u m ) 丛鱼函 r e a c t i v ep o w e ri sa l li m p o r t a n tf a c t o rt ot h ev o l t a g es t a b i l i t y , a n di ti sa l s or e l a t e dt o s e c u r ea n ds t e a d yo p e r a t i o no ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m s r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni s o n eo ft h ep o t e n tm e t h o d so fm a i n t a i n i n gt h ee f f e c t i v ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no ft h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e m ad s p ( d i g i t a ls i 印a lp r o c e s s o r ) c o n t r o l l e dt h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ( t s c ) s y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 af o rt h ep r e s e n te l e c t r i c a lp o w e r m a r k e t t h i sd e v i c e sw o r k i n gt h e o r yi sb a s e do nt h er e a l t i m ed a t ao ft h ep o w e rn e t w o r ka n d i t si n t e n t i o ni st oc o m p l e t et h em o s tf e l i c i t o u sc o m p e n s a t i o nf o rt h er e a c t i v ep o w e rw h i c h e x i s t si nt h e2 2 0 ve l e c t r i cn e t w o r k t h ep a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w e dp a r t s ：t h ep r i n c i p l eo ft h et s c ，t h ec o n t r o l m e t h o da n dp r i n c i p l eo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c ea n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g no ft h ed e v i c e i nh a r d w a r ed e s i g n , t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p i su s e di nt h ec o n t r o l l e r , w h i c hc a r r i e so u tt h ef u n c t i o ns u c ha ss a m p l i n ga n dc a l c u l m i n g ，r e g u l a t i n gt h er e a c t i v ep o w e r a u t o m a t i c a l l y , g i v i n gp r o t e c t i o ni nc a s eo ff a u l t s ，d a t as a v i n ge t c t h ed e v i c eh a sm a n ym e r i t s s u c ha sh i 曲o p e r a t i n gs p e e da n dh i g l lr e a l - t i m e t h et h y r i s t o ri sa d o p t e da ss w i t c ht oc o n n e c t c a p a c i t o r st om a i nc i r c u i t ，w h i c ha c t u a l i z e s t h ec a p a c i t o r ss p e e d i n e s s ，n oa r c ，n oi m p a c t s w i t c h i n g ，a n dh a ss u p e r i o rp e r f o r m a n c e t h eca n da s s e m b l el a n g u a g e sa r eb o mu s e di nt h e s o f t w a r ed e s i g n , a n dt h em e t h o do fm o d u l a r i z a t i o ni su s e dw h i c hc a ni m p r o v et h eu n i v e r s a l t r a i to ft h ep r o g r a ma n ds i m p l i f yt h ed e v i c e sm a i n t e n a n c e m e n t i o no fs w i t c h i n gl a w , c o n t r o l m e t h o dc o n s i d e r i n gr e a c t i v ep o w e r , c o m p a r i n g 、耐t i lf a m i l i a rc o n t r o lm e t h o dc o n s i d e r i n g p o w e rf a c t o r , a v o i d so s c i l l a t i o no nt h ec o n d i t i o no fl i g h tl o a d i n g i no r d e rt or e a l i z es y s t e m s r e q u i r e df u n c t i o n , t h i sp a p e rd e s i g n sa n dr e a l i z e sc o m p a r a t i v e l yi n t e g r a t em i c r o c o m p u t e r c o n t r o l l e dc i r c u i ta n di t sp e r i p h e r a l sc i r c u i t ，i n c l u d i n gt r i g g e r i n gc i r c u i t ，s a m p l i n gc i r c u i t ， d i s p l a y i n gc i r c u i ta n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h ew h o l ec o n t r o l l i n gp r o g r a mo f t h es y s t e mi s d e s i g n e d ，a n dt h ec o n t r o l l i n gs o f t w a r es 仃u c t u r ef l o wc h a r ti sg i v e na sw e l l t h i sp a p e ra l s o d e s i g n st h ep r o t e c t i o nc i r c u i to ft h ec a p a c i t o r , a n dt h ep r o t e c tm e a s u r e m e n ti nt h ec o n d i t i o no f t l j 曲h a r m o n i c0 1 1t h ep o w e rn e t w o r k e x p e r i m e n tr e s u l t sr e v e a lt h a tb o t ht h eh a r d w a r e 锄d t h es o f t w a r ea r eo fr e a s o n a b l ed e s i g n ，t h ec o n t r o lm e t h o di s f e a s i b l ea n dt h es y s t e m 九1 s r e l i a b l y t h ed e v i c ec a nr e a l i z et h ef u n c t i o na n t i c i p a t 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 i o n t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ( t s c ) t h e s i s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) z e r o c r o s s i n gt r i g g e r i n g 娄秆技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：昌吃活日期：o 卯占冬厶同心目 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，i l p 研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 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 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：昌疵志 指导教师签名：丰万 刀吁年莎月够日 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 绪论 无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的，电网的无功状况是衡量电网运 行水平的重要指标之一【l 】。随着经济的发展，电网无功分布的不均匀性和时变性更加明 显，而人们对控制电网无功状况的要求却越来越高。随着电力工业的不断发展，发电、 输电和配电部门正在成为独立的企业。在这种新的形势下，输电公司必须对电力转运的 需求作出响应，即在任何节点接收功率的注入，并在任何节点与负荷连接；在较小的范 围内，配电公司也应与输电公司一样对电力转运的需求作出响应1 2 】。配电网处于电网的 最末端，用户多为低压用户，大多数民用电器功率因数比较低，且不带补偿装置，这将 给电网带来很大的功率负担和额外线损。补偿低压无功负荷，不仅可以减轻上一级电网 补偿的压力，而且可以提高配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有 效降低线损，对用户和供电部门均有益。在低压配电系统中，采用并联电容器装置对无 功功率进行集中补偿或者分散就地补偿是降低线损、提高电网供电质量、节约电能的有 效途径。 据统计，输电线路、高压配电网、低压用户的三大部分的线损中，低压用户线损最 大，因此，降损节能主要围绕低压3 8 0 v 用户进行。长期以来，我国低压配电网网架薄 弱、线径小、设施老化，负荷电流大，自然功率因数低，而且结构复杂，电压质量不易 控制，无功功率靠上级电网远距离输送，不能及时了解无功潮流变化，不能就地补偿无 功功率，降低了电网的经济效益【3 j 。近年来，随着电力电子技术的发展，在工业领域内 大功率的电力电子设备得到广泛运用。然而，由于电力电子设备的非线性特性，运行时 会产生大量谐波；同时，由这些电力电子设备驱动的大量低功率因数、冲击性负载，又 产生大量变化大而急剧的无功，共同使得电网质量恶化，造成电压波动、谐波过大等【l l 。 因此，迫切需要对系统进行快速、动态的无功功率补偿。电力部门大力推广无功就地补 偿装置，其重要性是十分明显的。 我国配电网建设和运行中长期存在的一个问题是无功补偿容量的不足，特别是可调 的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少，电力系统中经常过补偿和欠补偿，造 成了很大的损耗，因此，新的补偿技术取代传统落后的补偿技术是大势所趋。现代的无 功补偿装置几乎都是不同性质的电力电子装型。自2 0 世纪7 0 年代起，静止无功补偿 器( s v c ，s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 作为第一代f a c t s 控制装置在全世界得到了广泛的 应用。f a c t s ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s ) 是被学术界喻为“现代电力系统中三 项具有变革性影响的前沿性课题 和“未来输电系统新时代三项支柱之一 的柔性交流 西安科技大学硕士学位论文 输电系统技术【4 】，是指应用于交流输配电系统的电力电子控制装置，其中的“柔性 ( f l e x i b l e ) 是指对电压和电流的可控性。f a c t s 技术的实质是将电力电子技术、微处 理机技术和控制技术相结合，以实现对系统无功功率和电压进行控制( 对于并联结构) 或对潮流进行控制( 对于串联结构) 2 1 ，从而大幅度提高电能质量，降低线路损耗。 最近十年又产生了许多新型的f a c t s 控制装置。在这些装置中，最著名的有基于 普通晶闸管的晶闸管控制串联补偿器( t c s c ) 以及基于g t o 晶闸管的静止同步补偿器 ( s t a t c o m ) 、静止同步串联补偿器( s s s c ) 和统一潮流控制器( u p f c ) 【2 j 。但目前 应用最多的还是s v c 。s v c 的基本类型是晶闸管投切电容器( t s c ) 和晶闸管控制电抗 器( t c r ) ，这两种s v c 的性能比较如表1 1 ： 表1 1t s c 和t c r 性能比较 与t c r 相比，t s c 虽然不能连续补偿无功，且只能输出容性无功，但凭借其成本 低，运行时不产生谐波，自身能耗小等优点，在配电系统中得到了广泛应用。与机械投 切电容器相比，晶闸管的开、关无触点，其操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投切 时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将电容器接入电网，大大减少了投切时的冲击电 流和操作困难，其动态响应时间约为0 0 1 0 0 2 s 5 儿6 】。t s c 能快速跟踪冲击负荷的突变， 随时保持最佳馈电功率因数，实现动态无功补偿，减小电压波动，提高电能质量，节约 电能。而且，近年来出现的v q c ( 电压无功综合控制) 理论，由于是建立在频繁投切 电容器和调节有载开关的基础上，在实际应用中存在很大的局限性，主要原因就是机械 投切开关的性能达不到要求，而晶闸管开关就可以很好的解决这个问题。 因此，基于此种现实意义，并且针对目前无功补偿控制器补偿速度较慢、补偿精度 较差等现象，本论文在深入研究t s c 无功补偿技术的基础上，对t s c 无功补偿装置进 行优化设计。 1 2 动态无功补偿研究发展概况 动态无功补偿是相对于传统无功补偿并联电容器而言的。虽然并联电容器简单 经济，灵活简便，应用范围广泛，只是控制器在不断的更新发展，但其阻抗是固定的， 不能跟踪负荷无功需求的变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。而随着电力系 统的发展，对无功功率进行快速、动态补偿的需求越来越大【。 传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机( s c ，s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ) 。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。自上世纪二、三十年代以来的几十年中，s c 在电力系统 2 1 绪论 无功功率控制中一度发挥着主要的作用。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。所以二十世纪7 0 年代以来，s c 开始逐渐被s v c 所取代，目前有些国家甚至已 不再使用s c 。 随着半导体制造技术和变流技术的发展，新型电力电子器件不断问世，电力电子技 术对无功补偿技术也带来了新的发展契机，各种新型的、自动的、快速的无功补偿装置 相继出现【6 j 。s v c 、s t a t c o m 、叩f c 及c s c 就是具有动态无功补偿功能的最重要的 几种设备品种，下面分别进行介绍： ( 1 ) 静止无功补偿器s v c ( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ) 。由于使用晶闸管的s v c 具有 优良性能，所以十多年来占据了s v c 的主导地位。因此，s v c 一般专指使用晶闸管的 静止无功补偿装置。s v c 是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器 的容量，从而改变输配电系统的导纳。按控制对象和控制方式不同，可分为晶闸管控制 电抗器( t c r ，t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 、晶闸管投切电容器( t s c ，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 ) 以及两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者t c r 与固定电容器( f c ，f i x e d c a p a c i t o r ) 配合使用的静补装置( t c r + f c ) 等。t s c 及t c r 的单相原理如图1 1 和1 2 所 示。图1 1 中的串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流， 往往也可以不画出来。 图1 1t s c 单相原理图图1 2t c r 单相原理图 ( 2 ) 静止同步补偿器s t a t c o m ( s t a t i cs y n c h o r o n o u sc o m p e n s a t o r ) ，也称为新型静 止无功补偿器( a s v c ，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 ) 、静止调相机( s t a t c o n ， s t a t i cc o n d e n s e r ) 、静止无功发生器( s v g ，s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 。其基本电路分为电压 型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。电路基本结构如图1 3 所示。由于运行效率的 原因，迄今投入使用的s t a t c o m 大都采用电压型桥式电路。 s t a t c o m 的基本工作原理是将桥式变流电路直接并联或通过电抗器并联在电网 上，适当调节桥式变流电路交流侧输出电压的相位和幅值或直接控制其交流侧电流，使 该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的。与s v c 相 比，s t a t c o m 具有五个优点：调节速度快、运行范围宽、调节范围广、元件容量小、 3 西安科技大学硕士学位论丈 谐波含量小。到目前为止，国内外对s t a t c o m 的基本原理、控制策略、主回路结构和 不对称控制等做了很多研究【7 1o 】，但还是有很多理论有待于进一步研究，实际运用中的 一些问题也有待于解决。 一 - - 一f 一f zz么 i 7 l 上 f 一e - 一f z 么 z ( a ) 电压型桥式电路( b ) 电流型桥式电路 图1 3s t a t c o m 电路基本结构 ( 3 ) 统一潮流控制器u p f c ( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) 。把一台s t a t c o m 与 一台静止同步串联补偿器s s s c ( s t a t i cs y n c h o r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r ) 的直流侧通过 直流电容耦合，就构成了统一潮流控制器u p f c 。 u p f c 是迄今为止通用性最好的f a c t s 装置，包括了电压调节、串联补偿和移相等 所有能力。与其它f a c t s 的无功补偿装置相比，u p f c 控制范围较大，控制方式更为灵 活。世界上许多国家都在开展这方面的研究工作。美国、法国都在加紧实际装置的研究 工作，美国i n e z 变电站已于1 9 9 8 年在1 3 8 k v 系统安装了u p f c 。我国也开展了u p f c 的研究，已经进行了大量的基本原理和控制策略的研究，目前哈工大和清华大学正在联 合进行u p f c 物理模型的研究工作【1 1 】。 ( 4 ) 可转换静止补偿器c s c ( c o n v e r t i b l es t a t i cc o m p e n s a t o r ) 。c s c 是美国e p r i 、 西门子公司及许多电气公司在f a c t s 领域长期合作研究的结果，它实际上是将已有的 基于同步变流器的串并联补偿器技术，通过在结构上实现柔性化，使其可以更加灵活地 应对不断变化的电力系统要求。 c s c 由多个同步电压源逆变器构成，可以同时控制2 条以上线路潮流( 有功、无功) 、 电压、阻抗和相角，并能实现线路之间功率转换。其实质是一种u p f c 的多重组合。c s c 被认为是最新一代的f a c t s 装置，目前仅在美国m a r c y 变电站中安装了此装置i 忆j 。 1 3t s c 装置存在的一些问题 目前国内外低压配电网主要使用t s c 型无功补偿装置，然而它在实际应用中，存 在着以下诸多问题： ( 1 ) 电容器的分组、接线形式和控制方式相互结合起来，形成了诸多的补偿方案， 而很多控制器不能同时适用于多种补偿方案。 4 1 绪论 ( 2 ) 由于采取的补偿目标算法不合理，补偿装置普遍存在投切振荡问题。如以功 率因数为补偿目标就会产生投切振荡现象。 ( 3 ) 采样方式不当，会造成无功倒送。有的控制器为了降低成本和提高运算速度， 只采样单相电压电流信号，使得当三相负载不平衡时，很难准确测量无功功率，造成有 的相过补，有的相欠补。 ( 4 ) 没有考虑到谐波对电容器的影响，使得电容器寿命大大缩短，甚至经常被烧 毁。 ( 5 ) 补偿速度慢，补偿精度差。在采样三相电压、三相电流信号，进行f f t 变换， 计算出高次谐波电压、谐波电流的情况下，单片机一般难以实现无功功率的实时检测和 动态补偿，或者补偿精度比较差。而且在生产制造上，国外一些电气厂商已形成规格系 列化产品，如a b b 生产的s v c 装置中就装有l v v a 2 4 2 5 8 0 型t s c 。与国外大公司相 比，我国企业在技术水平和生产规模上仍有差距。 本文采用电力电容器作为补偿元件，晶闸管作为执行元件，d s p 作为主控制器，同 时采样三相电压和三相电流信号计算控制物理量进行t s c 无功补偿，可实现配电网无 功功率的动态调节，从根本上解决补偿的快速性、准确性和合理性，并且提高供电质量， 确保配电网的安全、经济运行。 1 4 本论文研究的主要内容 根据目前无功补偿装置的发展状况，分析目前比较重要的几种动态无功补偿装置的 原理、性能及适用场合，在此基础上，为了满足电力系统对实时性更高的要求，提出采 用d s p 进行控制的动态无功补偿装置，并进行系统软硬件设计。 本文要做的工作如下： ( 1 ) 分析动态无功补偿装置的发展现状，对目前流行的几种动态无功补偿装置在 原理、性能、使用场所等方面进行比较，提出采用d s p 进行控制并采用无触点开关控 制投切的无功补偿装置既能快速地补偿无功功率，满足电能质量的要求，又成本较低， 在目前的电网改造中前途广大。 ( 2 ) 分析晶闸管过零触发电路应用于低压动态无功补偿装置的工作过程，从而保 证在硬件电路上实现电容器组的无过渡过程投切，解决以往由于电容器残压过高而必须 延时投切的问题。 ( 3 ) 了解相关的数字信号处理理论，选用计算精确性高且计算量相对较小的傅立 叶算法来测量谐波量，在对传统的f o u r i e r 算法研究的基础上，根据系统设计的要求选 择采用同步采样技术的f f t 算法。 ( 4 ) 研究d s p 的使用，包括其各种模块的功能、内部资源和编程方法等。根据测 量和控制的要求设计相应的硬件电路。基于t i 公司的c o d ec o m p o s es t u d i 0 2 0 0 0 集成开 5 西安科技大学硕士学位论文 i i | i t - i 暑宣置宣宣i 暑暑宣宣i 宣i 宣i i i i i 宣宣宣i i i i i i i i i i i i i i 暑i i i i i i i i 暑置i i i i i i 置暑 发环境，利用c 语言和汇编语言编写计算和控制程序。 ( 5 ) 对低压无功补偿装置的控制策略进行研究并加以改进，采用以无功功率作为 主投切判据，以电网电压作为辅助判据的综合控制策略，解决以往投切判据中轻载时产 生投切振荡而重载时补偿不充分的问题，以及单一控制目标不够快速、准确的问题。 6 2t s c 无功补偿的基本原理 2t s c 无功补偿的基本原理 在电力电子技术以及微控制器技术的推动下，f a c t s 技术迅猛发展，目前已成为电 力系统动态无功补偿的主力军。但由于s t a t c o m 、u p f c 及c s c 目前工程造价偏高， 且许多技术问题尚未解决，所以s v c 理所当然成为当前应用最广的动态无功补偿装置。 t s c 就是s v c 的典型代表之一，t s c 又称晶闸管投切电容器。本章从无功补偿的基本 概念出发，对t s c 无功补偿的工作原理及其关键技术进行深入分析。 2 1 无功补偿的基本概念 ( 1 ) 功率因数。对电网中负载的电压和电流来说，其相位存在一定的差异，这个 相位差的角度矽的余弦值c o s o 就是功率因数。功率因数在数值上等于有功功率和视在 功率的比值，即： 昙：c o s 缈 ( 2 1 ) 一= cs 矽 l 1j s 其物理意义是线路的视在功率s 供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中， 我们所希望的是功率因数越大越好，如果能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分 用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。 ( 2 ) 有功功率，无功功率，视在功率。有功功率是指负载直接消耗的功率。比如 使灯发亮、使电机转动、使电子电路工作等等。对于有功功率有： p = u i * c o s( 2 2 ) 人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并非易事。现在很多电 器设备是根据电磁感应原理制成的，如异步电机、变压器等，磁场的能量由电网供给， 在这些电器的运行中，上半周期和下半周期一个吸收功率，一个释放功率，功率只是在 电器和电网中间流动变换，并没有真正的作为热量或者功率作用出去，即能量并没有消 耗掉。这样的功率就叫做无功功率【l 引。 无功功率又分为感性无功功率和容性无功功率。对电机、变压器等设备来说，感性 无功功率是主要的。对电容器来说就只有容性无功功率了。感性无功功率代表电流滞后 于电压，相位角度差9 为正。容性无功功率代表电流超前于电压，相位角度差缈为负。 对同一个端口来说，感性无功功率和容性无功功率是可以互相抵消的。也有人说感性负 荷从电网吸收无功功率，容性负荷向电网发出无功功率，这是因为当前电网大部分用电 设备都为感性，即电网为感性。而容性负荷将抵消掉电网中的感性无功功率，所以看起 来就是感性无功功率是从电网获得的，而容性无功功率是设备自己发出的。对无功功率 有： 7 西安科技大学硕士学位论文 9 = u 宰i * s i n q ， ( 2 3 ) 对视在功率有： s = p 2 + q 2 = u ， ( 2 4 ) 所以有功功率、无功功率和视在功率满足直角三角形的关系，即所谓功率三角形， 如图2 1 所示： q p 图2 1 功率三角形关系 由功率三角形可以看出，在一定的有功功率下，用电企业功率因数c o s o 越小，则 所需的无功功率q 越大，其视在功率s 也越大。为了满足用户用电的需要，供电线路导 线截面和变压器的容量也越大，因而将增加供电系统的设备投资。 2 2 晶闸管投切电容器原理 2 2 1 基本原理 t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) 又称晶闸管投切电容器，是一个对供电网络波 动无功功率进行动态补偿的相对独立系统，广泛应用于配电系统的动态无功功率补偿。 与机械投切电容器相比，晶闸管的开、关无触点，其操作寿命几乎是无限的，而且晶闸 管的投切时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将电容器接入电网，大大减少了投切时 的冲击电流和操作困难，其动态响应时间约为o 0 1 o 0 2 s 。 t s c 的基本原理如图2 2 所示。图2 2 ( a ) 是其单相电路图，其中的2 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，在很多情况下，这个电感往往不画出来【l4 1 。因此， 当电容器投入时，t s c 的电压一电流特性就是该电容器的伏安特性，即如图2 2 ( c ) 中 o a 所示。在实际工程中，一般将电容器分成几组，如图2 2 ( b ) 所示，每组都可由晶 闸管投切。这样，可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 吸收感性无功功率的动态无功补偿器，其电压一电流特性按照投入电容器组数的不同可 以是图2 2 ( c ) 中的o a 、o b 或o c 。当t s c 用于三相电路时，可以是连接，也可以 是y 连接，每一相都设计成图2 2 ( b ) 所示的那样分组投切。晶闸管投切电容器采用整 数半周控制，可以根据电网对无功功率的需求改变投入电容器的容量，使晶闸管投切电 8 2t s c 无功补偿的基本原理 容器成为分级可调的动态无功功率补偿装置。如果级数分得足够细化，基本可以实现无 级调节。 j ( a ) 单相结构图 ( b ) 分组投切的t s c 单相图 u bc ni i c 0 l l i ( c ) 电压一电流特性 图2 2t s c 的基本原理 晶闸管阀通常有2 种接线方式：2 个晶闸管反并联和1 个晶闸管与1 个二极管反并 联。两者都是投切电容器的开关，所不同的是，前者晶闸管阀承受最大反向电压低，为 电源电压峰值，但投资较大，控制较复杂；后者投资小，控制简单，但晶闸管阀承受最 大反向电压高，为电源电压峰值的2 倍，所以在选择使用哪种连接方式时，应根据技术、 经济比较来确定。 电容器的投切是根据电网负荷变化情况来决定的，当电网无功功率增加，电压下降 时，投入电容器，反之，切除电容器。电容器分组有等容分组和不等容分组2 种。前者 易于实现自动控制，但补偿级差大，后者利用较少的分组就可获得较小的补偿级差，但 不易控制。考虑系统的复杂性以及经济性问题，实际中可采用所谓二进制的方案，即采 用七一1 个电容值均为c 的电容，和一个电容值为c 2 的电容，这样系统从零到最大补偿 量的调节则有2 七级。最小电容量那一路作为单位电容量，它的大小决定了补偿精度。 2 2 2 补偿回路的构成及工作原理 交流电路中，纯电阻负载的电流，尺与电压u 同相位：纯电感负载的电流j l 比电压u 滞后9 0 。；纯电容负载的电流l 比电压u 超前9 0 。如图2 3 所示： 0 l c i r o - 一 r ， 图2 3 电流相位图 而电网中一般的用电设备都是电感性负载( 个别情况例外) ，因此负荷回路模型可 9 西安科技大学硕士学位论丈 采用r 、l 串联电路表示。图2 4 ( a ) 为补偿回路模型，m 为补偿点，设鱿为负载所 需的无功负荷，如果没有补偿装置，则负载将从电源侧取得无功功率q 0 ，即q o = 仇： 当设置补偿装置后，由于补偿电容器提供引前无功功率q c ，那么电源所提供的无功功 率减少为q = 统一绞，如图2 4 ( b ) 所示，功率因数由c o s 提高至w j c o s 孕, ，视在功率由 s 减少到s 6 1 。 qmq ( a ) 补偿回路模型( b ) 补偿原理示意图 图2 4 补偿原理 视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投 资。例如一台1 0 0 0 k v a 的变压器，当负荷的功率因数为o 7 时，可供7 0 0 k w 的有功负 荷，当负荷的功率因数提高到0 9 时，可供9 0 0 k w 的有功功率。同一台变压器，因为负 荷的功率因数的提高而可多供2 0 0 k w 负荷，是相当可观的。 丛：a p + q ：竺丝掣( r + y x ) ( 2 5 ) 。一 u 可见，因采用无功补偿装置后，电源输送的无功功率减少了，相应的使电力网和变 压器中的功率损耗降低，从而提高了供电效率。又由电压损耗计算公式 u ：e r + ( q - q c ) x ( 2 6 ) u 可知，采用无功补偿措施后，因通过电力网无功功率减少，降低了电力网中的电压 损耗，提高了用户处的电压质量。 补偿回路的工作原理也可以用图2 5 加以说明。其中d 为端电压，j ，为补偿前的线 路电流，当设置补偿装置后，将有电流厶流过电容，此时流过尺、l 串联支路的电流仍 为j ：，但并联点m 之前的电流则为，：和厶的向量和，即j = j ：+ 厶。一般情况下 j ，一i ，这时有两种情况：若电容器的电容较小，负荷中的感性无功电流没有被完全 补偿，这时电源的j 滞后口，即如图2 5 ( a ) 所示，该补偿称为欠补偿；若电容器的电 容较大，会出现图2 5 ( b ) 所示的情况，这时负荷中的感性无功电流被完全补偿之后还 有剩余容性电流，电源的j 超前d ，这种补偿称为过补偿。通常不希望出现过补偿的情 况，因为这样会引起变压器二次侧电压的升高，且容性无功功率在线路上传输同样会增 l o 2t s c 无功补偿的基本原理 加电能损耗，还会增加电容器自身的损耗，影响电容器的寿命。 0 c a ) 欠补偿 0 i i c ! ：! 气 d r i c 图2 5 补偿同路工作原理 ( b ) 过补偿 2 2 3 电容器投入时刻的选取 t s c 的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。选取合适的投入时刻总的原则是， t s c 投入电容时，也就是晶闸管开通的时刻，必须是电源电压与电容器残压的幅值和相 位相等的时刻。因为根据电容器的特性，当加在电容两端的电压有阶跃变化时，将产生 一冲击电流，这一冲击很可能损坏晶闸管或给电网带来高频振荡等一些不利影响。 一般来讲，希望电容器预先充电电压为电源电压峰值，而且将晶闸管的触发相位也 固定在电源电压的峰值点。因为根据电容器的特性方程 厶：c d u c 一 ( 2 7 ) 。 衍 如果在导通前电容器充电电压也等于电源电压峰值，则在电源峰值点投入电容时，由于 在这一点电源电压的变化率( 时间导数) 为零，因此，电流拓即为零，随后电源电压( 也 即电容电压) 的变化率才按正弦规律上升，电流0 即按正弦规律上升。这样，整个投入 过程不但不会产生冲击电流，而且电流也没有阶跃变化。这就是所谓的理想投入时刻。 图2 6 以简单的电路原理图和投切时的波形对此作了说明。 b a 并b a 乇a 丁一， 二二二寻可气尹忐， 图2 6t s c 理想投切时刻原理说明 西安科技大学硕士学位论文 如图2 6 所示，设电源电压为p ，在本次导通开始之前，电容器的端电压坼已通过 上次导通时段最后导通的晶闸管啊充电至电源电压p 。的峰值，且极性为正。本次导通 开始时刻取为e 。和啡相等的时刻f 1 ，给以触发脉冲而使之开通，电容电流开始流 通。以后每半个周波发出触发脉冲轮流给啊和。直到需要切除这条电容器支路时， 如在f ，时刻，停止发脉冲，0 为零，则关断，啊因未获触发而不导通，电容器电压 保持为导通结束时的电源电压负峰值，为下次投入电容器做了准备。 然而要预先测知电容器残压，通常不容易做到，所以必须通过其他一些方法来解决 电容器残压测量这一难题。通常可采取以下几种方法。 ( 1 ) 过零触发电路。晶闸管过零触发电路如图2 7 ( a ) 所示。当电源电压与电容 器残压相等时，晶闸管上电压为零，光电耦合器就会输出一个负脉冲，如果此时投入指 令存在，此脉冲就会经过一系列环节，产生脉冲串去触发晶闸管，保证晶闸管的平稳导 通。当t s c 投入指令撤销时，晶闸管在电流过零时断开，直到微控制器再次发出投入 指令，t s c 才会在电压过零时重新投入。 ( 2 ) 利用相位关系触发。u 、( 厂b 、u c 和u b c 、u a 、u 仙相位关系如图2 7 ( b ) 所示。当u b c 、u d 、u 仰反向过零时，u 一、u b 、u c 均处于峰值点，所以利用u b c 、 u c a 、u 朋作为触发信号，触发a 、b 、c 三相的晶闸管，可以保证各相晶闸管在峰值 时触发t 1 5 j 。 ( 3 ) 反压触发。一般的，无论电容器残压多高，它总是小于等于电源电压幅值， 则在一个周期内，晶闸管总有处于零压或反压的时刻。利用这一点，在晶闸管承受反压 时，触发脉冲序列开始，这样当晶闸管由反向转为正向偏置时就自动进入平稳导通状态。 如图2 7 ( c ) 就是一种可以用该方法触发的电路，该电路使用了2 只晶闸管、1 只二极 管组成的y - 连接的三相投切开关，故简称“2 + 1 电路1 1 4 】。这种电路所用元件少， 结构紧凑，投资少，是较为简捷的t s c 主电路形式，已经获得了中国实用新型专利【5 j 。 i r ( a ) 晶闸管电压过零触发电路 1 2 2t s c 无功补偿的基本原理 c b ) 相位关系图 ( c ) “2 + i ”电路 g 图2 7 脉冲的触发 在这几种触发方法中，过零触发电路应用范围最广，无论电容器残压处于何种状态， 其都适用；反压触发适用于电容器残压低于电源峰值的情况，因为当电容器残压等于电 源峰值时，晶闸管就没有反压的状态了；利用相位关系触发则更适合电容器残压等于电 源峰值的情况，在实际中，应根据不同情况，相应处理。本装置采取检测晶闸管两端电 压过零点的方法，由于晶闸管两端电压是系统电压和电容器电压的差值，当这个电压差 为零时投入电容器不会对电力系统造成冲击，而且不受系统电压的限制，可以尽快投入 系统中来提高t s c 的响应速度。 2 3 低压网无功补偿方式介绍 由于在无功补偿装置的设计中，电容器补偿容量的确定不仅和未补偿时的负载情 况、以及具体的电容器接线方法有关，而且和采用的补偿方式有关。所以有必要对低压 网无功补偿的方法进行介绍。 根据补偿装置安装位置的不同，可以将低压网无功补偿分为个别补偿( 随机补偿或 就地补偿) 、集f l 碑l 偿、分组补偿( 分散补偿) 。三种补偿方式如图2 8 所剥3 。 厶 c ；t v l 圳 c 2 1 r， 1r = c 3 图2 8 低压无功补偿装设方式 1 3 西安科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 个别补偿，又称为就地补偿或随机补偿。它就是根据个别用电设备( 主要是 电动机) 对无功功率的需求量，将低压电容器组分散地与用电设备的供电回路相并联， 一般与用电设备合用一组开关【5 j ，如图2 8 中c l 所示。低压电容器组随电动机同时投入 或退出运行，使电动机消耗的无功功率部分得到就地补偿，从而使装设点以上输配电线 路输送的无功功率减少，能获得明显的降损效益。 低压个别补偿的优点是：当大中型异步电动机比重较大、利用小时又较多时，这种 补偿方式的降损节电效果是显著的。但存在的不足是：对一些年运行小时少或利用率低 的设备，补偿电容器的利用率不高。而且因为是逐台补偿，会使补偿容量增大，从而使 补偿装置的总投资增大。 ( 2 ) 集中补偿。低压集中补偿是指将低压无功功率补偿装置通过低压开关接在用 户专用变电所或配电室低压母线侧，如图2 8 中c 2 所示。用以补偿配电变压器的无功功 率损耗以及变电所以上输电线路的损耗，还可以就近供应3 8 0 v 配电线路的前段部分及 所带用电设备的无功功率损耗。适用于低压供电半径短、负荷集中的地方或不适宜就地 补偿的用电设备( 如快速正、反转工作及有反接制动的电动机等) 。利用补偿电容器的 分组投切，还能进行调压，改善电压质量。 低压集中补偿的优点是：接线简单，便于维护和控制