（电工理论与新技术专业论文）基于磁通控制的可调电抗器在无功补偿中的应用研究.pdf

广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s eo nt h es u m m a r i z a t i o no ft h ee x i s t i n gt e c h n i q u eo fr e a c t i v ec o m p e n s a t o r ，t h e p r i n c i p l eo fa d j u s t a b l er e a c t o rb a s e do nm a g n e t i cf l u xc o n t r o l l i n gi sa n a l y z e da n dd e e p e n e d ， b a s i so nt h i sp r o p o s ean e wr e a c t i v ec o m p e n s a t o r f i r s t l y ，t h ep o r tm o d e l so fr e a c t o r sw i t ht w ow i n d i n g sa n dm u l t i p l ew i n d i n g so fn o m a g n e t i cs a t u r a t i o na r eb u i l t w i t ht h i s ，t h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep o r to f t r a n s f o r m e r sa r ea n a l y z e di nd e t a i lw h e nt h e i r w i n d i n g s c u r r e n t p r e s e n t s d i f f e r e n t r e l a t i o n s h i p s ，t h e r e f o r e ，h yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ea d j u s t a b l er e a c t o r b a s e do nt h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fa d j u s t a b l er e a c t o rw i t hm a g n e t i cf l u xc o n t r o l l i n g ：i n j e c tac u r r e n tw i t ht h es a m e c u r r e n t 盘e q u e n c y ，i n v e r s ep h a s ea n da m p l i t u d ew i t hc o n t i n u o u sa l t e r n a t i o na st h ep r i m a r y w i n d i n go fr e a c t o rw h i c hu s e di nt h ef o r mo fa c t i v eo nt h es e c o n d a r yw i n d i n go fr e a c t o r , t h ee q u i v a l e n ti m p e d a n c eo ft h er e a c t o r sp r i m a r yw i n d i n gv a r i e sc o n t i n u o u s l yw i t ht h e c h a n g eo fa l li n j e c t i o na m p l i t u d e i no r d e rt or e a l i z et h er e a c t o rw i t hl a r g ec a p a c i t y , an e w t o p o l o g yt h a tt h er e a c t o rh a sm u l t i p l ei np a r a l l e ls t r u c t u r eo nt h el o w - v o l t a g ew i n d i n g si s p r o p o s e d t h i sp a p e rd e s c r i b ep o w e rf a c t o ra u t o m a t i cc o n t r o l l e r , t h r o u g hi tc a p a c i t o rb a n k c a nb es w i t c h e da u t o m a t i c a l l y s e c o n d l y , t h r o u g hs e t t i n gu pm o d e la n ds i m u l a t i o n , i tp r o v e st h en e wr e a c t i v e c o m p e n s a t o rb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm a g n e t i cf l u xc o n t r o l l i n gi sf e a s i b l e f i n a l l y , t h eo p t i m a ld e s i g ni sd o n ef o rt h ed e v i c e ，t h ef e a s i b i l i t yo fo p t i m a ld e s i g ni s v e r i f i e dt h r o u g ht h em a t l a bs i m u l a t i o na n dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n t h ep a p e ru s e sm a g n e t i cf l u xc o n t r o lt h e o r yi nt h i sd e v i c ea n dm a k e sf u l lu s eo fp o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e sa n da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , s oi th a saf a s te n o u g hr e s p o n s et i m e a n dt h ep o w e rg r i dc a nb em o n i t o r e dt i m e l y , w ec a nc o m p e n s a t e dd y n a m i cr e a c t i v ep o w e r f o rs y s t e mt i m e l y 、q u i c k l ya n da c c u r a t e l y , s ot h ea i mt h a ta r b i t r a r i l ya d j u s t i n gg r i dr e a c t i v e c a nb er e a c h e d k e y w o r d s ：r e a c t i v ec o m p e n s a t o r ，f l u xc o n t r o l ，a d j u s t a b l er e a c t o r ，o p t i m a ld e s i g n 广东工业大学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师 的指导下进行的研究工作及取得的研究成l 。果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或 其他用途使用过的成果。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 作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成 果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者： 指导教师： 护7 年 i t 月0 a 日 第一一章绪论 第一章绪论 电能是社会生产、人民生活所必需的最重要的能源之一。 在电力系统发展初期，由于容量较小，各方面潜在问题不易察觉。 建国以后我国电力工业的发展取得了举世瞩目的成就，尤其是改革开放以来，电 力工业得到更大发展，我国发电设备装机容量、年发电量均居世界第二位。但是国民 经济的飞速发展和人民生活水平的提高加剧了对电力供应的需求。进入2 1 世纪以来全 国电力供需逐年紧张。2 0 0 2 年全国相继有1 2 个省级电网在夏季高峰和冬季枯水期出现 拉闸限电，2 0 0 3 年进一步发展到2 3 个省级电网缺电，2 0 0 4 年共计有2 4 个省级电网再次 出现拉闸限电，全社会用电量继续高位增长，全年同比增长1 2 。2 0 0 6 年，中国电力 需求增长1 3 7 ；2 0 0 7 年中国电力需求高涨的势头依然不减，仅新建电厂的发电量就 超过全英国电网的总和，电力需求增长了1 6 2 ；而2 0 0 8 年中国电力需求约为 1 3 2 3 - 1 3 8 。随着现代电力电子技术的飞速发展，尤其是近年来电力电子装置在电 力系统、各工业部门和家电行业的广泛应用，电能质量受到严重影响，甚至危及到电 力系统的安全运行，给国民经济带来严重损失；与此同时，各种复杂的精密设备对电 能质量非常敏感，生产过程的自动化和智能化，对电能质量也提出了更高的要求，因 此电力部门与用户对电能质量的改善提出了迫切需求。随着我国跨区电网建设的迅速 发展，电力系统的无功及动态电压稳定问题日益凸显。而作为电能质量的重要一环， 无功功率的补偿在提高供电和用电设备的安全可靠运行、提高功率因数、降低电路损 耗、减少设备容量等许多方面作用显著。电网中的无功平衡对提高全网经济效益和改 善电能质量至关重要。根据电力工业的现状和发展，新型无功补偿装置的研制和应用 是我国当前电力系统需要着重解决的重大关键技术。因此，研究无功补偿问题具有十 分重大的意义： ( 1 ) 研究无功功率，可以解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列技术问 题。这一系列技术问题包括：无功功率静态稳定问题；( d 电容性无功 功率引起的发电机自励磁问题；因潜供电流引起的单相快速自动重合闸 电弧不能熄灭l ；- j 题；冲击性无功负荷的调节问题；( d 无功功率中的高 广东工业大学硕士学位论文 次谐波公害和闪变问题；跟随馈电系统引起的负荷功率因数的变化与改 善问题。 ( 2 ) 研究无功功率可以促进节能。无功功率在电网中不断循环，造成很大浪费。 ( 3 ) 研究无功功率掌握电力系统的经济规律，通过统计、理论分析和各项技术 措施来达到经济运行的目的。 ( 4 ) 研究无功功率可以保证电能质量，促使电力系统安全运行。 1 1 无功功率的定义、产生和危害 1 1 1 无功功率的定义m 朝 在正弦电路中，无功功率的概念有清楚的物理意义，无功功率表示有能量交换， 但不消耗功率，其幅值可作为能量交换的量度。无功功率是储能元件与电源间交换能 量的一种量度。在非正弦电路中，无功功率的概念很抽象，并且至今未获得公认的无 功功率定义。 在正弦电路中，负载是线性的，电压和电流都是正弦波。设正弦波电压有效值为 u ，电流有效值为，无功定义很简单： q = u l s i n c p( 1 1 ) 其中妒为电流滞后电压的相角。 引入有功功率为p ，视在功率s 和功率因数a 的概念： s = u ( 1 2 ) p 允= 三 ( 1 3 ) s 、7 而实际中更具普遍意义的是含有谐波的非正弦电路，含有谐波的非正弦电路中的 无功功率的情况比较复杂，目前尚无被广泛接受的科学而权威的定义。在此，仿照非 正弦周期函数中有功功率表达式： 定义无功功率如下： 尸= u 。l c o s q ，。 ( 1 4 ) n = l g = 砜厶s i n c p n t l 2 ( 1 5 ) 第一章绪论 绣由同频率电压电流正弦波分量之间产生。引入畸变功率d ： s 2 = p 2 + 群+ d 2( 1 6 ) q 2 = q 2 + d 2( 1 7 ) 和q ，不同，d 是不同频率的电压电流正弦波分量之间产生的。 实际公共电网中，通常电压畸变很小，忽略电压畸变。设正弦波电压有效值为u ， 畸变电流有效值为i ，其基波电流有效值及与电压相角差分别为厶和仍，n 次谐波有效 值为厶。考虑到不同频率的电压电流之间不产生有功功率，得： p = c o s 吼( 1 8 ) q r = u , s i nq o ,( 1 9 ) p 2 + q ；= u 2 覃( 1 1 0 ) s 2 = u 2 1 2 = u 2 矸+ u 2 e ( 1 1 1 ) d 2 = s 2 一尸2 一鳄= u 2 鬈 ( 1 1 2 ) 在这种情况下，g 和d 都有明确的物理意义。q ，是基波电流所产生的无功功率， d 是谐波电流所产生的无功功率。 这时功率因数为 a ：! ：鳖：玉c 。s 仍= v c o sq o , (113)s u i i - j 式中，= 厶i ，称为基波因数，而c o s 仍称为基波功率因数或位移因数。可以看 出，功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因数决定的，总电流可以看成是 三个电流分量组成，即由基波有功电流分量、基波无功电流分量和谐波电流分量组成， 由此也可见无功的补偿包括对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿。 1 1 2 无功功率的产生【2 ，| 】 在电力系统中，由于电感和电容元件的存在，系统中不仅存在着有功功率，而且 存在着无功功率。无功功率是在正弦电路中当平均功率为零时，在电源和储能元件之 间来回交换的流动功率。无功功率在电气技术领域是个必不可少的重要物理量。无功 功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可 广东工业大学硕士学位论文 缺少的功率之一。变化的磁场产生变化的电场，变化的电场产生变化的磁场，这正是 无功功率交换的规律。因此有磁场空间和电场空间才能存在无功功率产生的空间。 常见配电系统中需要消耗无功的地方有： 1 ) 在工业和生活用电负荷中，感性负荷需要消耗无功。感应电动机、变压器、日 光灯等都是典型的电感性负荷。感应电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所 提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功 功率。 2 ) 电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控 整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压， 要消耗大量的无功功率。 3 ) 工业用电弧炉在工作时电极处于短路状态，不但消耗大量的无功功率，且因电 弧不稳定，其所消耗的无功功率波动也很大。 4 ) 另外按照无功功率的定义可以看出，谐波源都是要消耗无功功率的，所有产 生谐波的装置也要消耗无功。 1 1 3 无功功率的危害 无功功率对整个配电系统的影响主要有以下几个方面： 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电 机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、 测量仪表的尺寸和规格也要加大。 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加使总电流增大，因而使设备及线路的损 耗增加，这是显而易见的。 3 ) 使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负荷，还会使电压产生 剧烈波动，使供电质量严重降低。 z f 轧+ j x s ey 庐g - - - j b - - 图1 1 单机系统等效电路图 f i g 1 - 1e q u i v a l e n tc i r c u i to fs i n g l e m a c h i n es y s t e m 4 第一章绪论 图1 1 所示一单机系统的等效电路图。 线路电压降可以表示为下式： a u ：掣 ( 1 1 4 ) 在一般公用电网中，r s 比x 。小得多1 1 ，电力线路一般消耗无功功率【2 l ，由此可知： 有功功率的波动一般对电网电压的影响较小，电网电压的波动主要是由无功功率的波 动引起的。电动机在起动期间功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈 波动。电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，严重影响电网供电质 量。 4 ) 由谐波源造成的无功同样会带来一系列问题，如谐波源整流装置，近些年来， 国民经济各部门大力推广使用各种新型的电力电子整流装置，它们在减少能量损耗的 同时，也带来了诸如功率因数下降、电压波动和闪变、三相不平衡以及谐波干扰等问 题，严重危及电力系统的安全经济运行。 1 1 4 无功补偿的意义口， 电力系统网络中不仅大多数负荷需要消耗无功功率，而且大多数网络组件也要消 耗无功功率，电力系统中网络组件和负荷需要的无功功率必须从网络中某个地方获 得。如果这些所需要的无功功率有发电机提供并经过长距离传诵，显然是不合理的，通 常也是不可能的；如果这些所需要无功功率不能及时得到补偿，电力系统的安全运行 以及用电设备的安全就会受到影响。因此无功功率补偿对电力系统有着重要的意义： 1 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量； 2 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减小功率损耗； 3 ) 改善系统的稳定性，提高输电能力，并提供一定的系统阻尼； 4 ) 提高发电机有功输出能力； 5 ) 减少线路损失，提高电网的有功传输能力； 6 ) 降低电网的功率损耗，提高变压器的输出功率及运行经济效益； 7 ) 降低设备发热，延长设备寿命，改善设备的利用率； 8 ) 高水平平衡三相的有功功率和无功功率； 9 ) 避免系统电压崩溃和稳定破坏事故，提高运行安全性。 广东工业大学硕十学位论文 1 3 无功补偿装置的发展状况 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。为了 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就是对电力系统的无功功率进行 控制。 控制无功功率的方法很多1 4 , 5 ，6 , 7 1 ，可采用： 1 同步发电机调整励磁电流，使其在超前功率因数下运行，输出有功功率的 同时输出无功功率。 2 同步电动机与前者的区别主要在于同步发电机谓语各发电厂，而同步电动 机位于大用户处。 3 同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ，s c ) 是传统的无功功率动态补偿装置， 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。主要装设与枢纽变电站。 4 并联电容器可提供超前的无功功率，多装设于降压变电站内，亦可就地补 偿。 5 静止无功补偿装置具有调相机的功能，使用日益广泛，但投资较大。 在初期的小规模交流电网中，发电厂靠近负荷中心，负载消耗的无功全部由发电 机发出，用户端电压波动小，并不需要专门的无功补偿装置，而通过调节发电机的励 磁电流来实现无功调节。 随着电网规模的扩大，这种调节方式已不能适应无功补偿的需求。于是产生了同 步调相机( s c ) 。自二、三十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，响应速度慢，在很多情况下己无法适应快速无功功率控制的要求。所以 七十年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置( s v c ) 所取代，目前有 些国家甚至已不再使用同步调相机。 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器( 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。饱和电抗器与同步调相机相比， 具有静止型的优点，响应速度快；但是由于其损耗和噪声都很大( 因为其铁心需磁化 6 第一章绪论 到饱和状态) ，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，将使用晶闸管器件的静止无功补 偿装置推上了电力系统无功功率补偿控制的舞台。1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电力 系统中演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力研究院的 支持下，西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行【引。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。我国也先后引进了数套这类装 置并具备自行制造能力。 由于使用晶闸管器件的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近十多年来， 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。大大减小了体积、节省了材料，并具有响应速度快、调节性能好、能综合补偿无 功、三相不平衡和谐波的特点，逐步成为无功补偿的一个重要发展方向。本课题基于 陈乔夫的磁通控制原理来实现对电网的无功补偿以改善电网质量。 磁通控制的可调电抗器的原理：利用全桥型逆变器向变压器二次侧绕组注入与一 次侧绕组电流2 1 反相位和同频率的电流7 2 ，通过对二次侧绕组电流的控制，使变压器一 次侧绕组端对外呈现为一个连续可调的电抗器。本课题欲利用这一原理配套几组电容 器组实现对电网适时准确的无功补偿，建立一新型静止无功发生器平台。 从国外的情况看，在实施无功补偿的控制上，具体做法并不雷同，既有个别调节 方式，也有综合调节方式；既有区域性集中控制方式，又有分层协调方式。总趋势是 从运行安全性与经济性着眼，向分层集中综合优化控制模式方向发展【9 】。 1 4 无功补偿装置的原理 1 4 1 传统无功装置一般性原理 无功功率只是描述了能量交换的幅度，而并不消耗功率。电流在电感元件中做功 时，电流落后于电压9 0 。而电流在电容元件中做功时，电流超前电压9 0 。在同一电 路中，电感电流与电容电流方向相反，互差1 8 0 。如果在电感元件电路中有比例地安 装电容元件，使两者的电流相互抵消，使电流矢量与电压矢量之间的夹角减小，从而提 高系统传输能力，这就是无功补偿的基本原理。 7 广东工业大学硕士学位论文 e r l 图卜2 单相阻感负载电路的能量流动 f i g 1 - 2e n e r g yf l o wo fs i n g l e p h a s er e s i s t i v el o a d c i r c u i t 如图1 2 所示，电阻消耗有功功率，而电感则在一周期内的一部分时间把从电源 吸收的能量储存起来，另一部分时间再把储存的能量向电源和负载释放，期间并不消 耗能量。同理，无功能量在三相之间也是流动的，如图卜3 所示。 受玢馈量 ， 图1 - 3 三相阻感负载电路无功能量流动示意图 f i g 1 - 3r e a c t i v ee n e r g yf l o wo ft h r e e - p h a s er e s i s t i v el o a dc i r c u i t 1 4 2 动态无功补偿装置的原理c ：1 ( a )( b ) 图1 - 4 无功功率动态补偿等效电路与特性曲线图 f i g 1 - 4 r e a c t i v ep o w e rd y n a m i cc o m p e n s a t i o ne q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a ma n d c h a r a c t e r i s t i cc u r v e ( a ) 单相等效电路；( b ) u - q 动态补偿特性曲线 ( a ) s i n g l e p h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i t ；( b ) u - qd y n a m i cc o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i cc u r v e 动态无功功率补偿是指阻抗可调，其补偿容量能够快速实时跟踪负荷无功功率的 第一章绪论 变化而变化的一种无功功率补偿方式。动态无功功率补偿的最大特征就是其输出能够 自动跟踪给定的控制目标。下面以改善电压调整的基本功能为例，对动态无功功率补 偿的基本原理做一简要介绍。系统、负载和补偿器的单相等效电路图及其特性曲线如 图卜4 所示。 由电力系统中的分析可知，系统的特性曲线可以近似用下式公式表示： 阽叭1 _ 嚣) ( 1 1 5 ) 式中u 。一无功功率为零时的系统电压； s s c 一系统短路容量。 式1 1 5 可改写为： a u ：一a q( 1 1 6 ) 一= 一一 1 u os s c 由此可见，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。投入补偿器后，系统供给的无功 功率为负载和补偿无功功率之和，即： q = 骁+ q ， ( 1 1 7 ) 因此，当负载无功功率q l 变化是，如果补偿器的无功功率q ，总能够弥补q l 的变化，从而 使q 维持不变，既总的q = 0 ，即a u = 0 ，供电电压保持恒定。这就是对无功功率进行动态 补偿的原理。 1 5 无功补偿装置的研究现状及存在问题 静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t i o 卜s v g ) 是无功补偿器的重要发展方向， 它是一种自由换相的电力半导体桥式变流器来进行发生和吸收无功功率动态补偿装 置。采用电力半导体变流器实现无功补偿的思想早在七十年代就已有人提出并逐步得 以应用发展。目前，从装置研究现状来看，在国外，自1 9 8 0 年日本三菱公司和关西电 力推出世界上第一台采用晶闸管强迫换流的2 0 m v a r 的s v g 并网运行以来【1 0 】，世界各 大电力公司都竞相研究并力图抢占这一发展领域。随着电力电子器件的发展，g t o 等 自关断器件开始达到了可用于s v g 中的电压和电流等级，并逐渐成为s v g 的自换相 桥式电路中的主力。日本三菱，日立，东芝分别于1 9 9 1 年推出2 0 m v a r 与8 0 m v a r 的基于 g t o 的s v g i l l 。美国g e 公司和西屋公司与电力科学院也于1 9 8 8 年推出了1 0 m v a r 与 9 广东工业大学硕十学位论文 1 0 0 m v a r 的装置1 1 2 j ，】，德国西门子公司单机容量为8 m v a r 的装置也于1 9 9 8 年投入运行【1 4 】。 由美国e p r i 、西屋公司和t v a 开发的1 0 0 m v a r 的无功发生器于1 9 9 5 年投入运行【3 】。在 国内，1 9 9 4 年清华大学与河南电力局联合开发的2 0 m v a 的s v g 装置于2 0 0 0 年在河南投 入运行8 】国家电力公司南京自动化研究院在2 0 0 1 年也研制了5 0 0 k v a 的s v g 装置 【1 9 捌，2 0 0 5 年，清华大学又与上海电网公司合作研制了5 0 m v a 的s t a t c o m w 2 2 1 。 无功补偿器发展的历程也是对补偿无功性能不断改进的过程。结合无功补偿器的 发展过程及各自存在的问题，得出表1 1 。 表卜1各种无功补偿装置简要对比【】 t a b l el lr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n ts u m m a r yc o m p a r i s o n 装置同步调饱和电晶闸管控制电晶闸管投混合型静止静止无功 相机抗器抗器切电容器补偿器发生器 项目 ( s c )( s r ) ( t c r t c r + f c ) ( t s c ) ( t c r + t s c t c r + m s c ) ( s v g ) 相应速度慢较快较快较快 较快快 吸收无功连续连续连续分级连续连续 控制简单不控较简单较简单 较简单复杂 谐波电流无大大无大小 分相调节有限不可可以有限可以可以 损耗大较大中小小小 噪声大大小小小 小 1 6 本文的主要内容 本文在全面总结国内外有关无功补偿技术的基础上，从理论的深度研究了一种新 型无功补偿装置的一般性原理，并提出了一种基于磁通可控的无功补偿装置的实现方 案。本文将会对其做以下的工作： ( 1 ) 对基于磁通控制的可调电抗器的工作原理进行理论性分析，并针对如何实现 电抗器大容量化提出几种研究方法。 ( 2 ) 对基于电流控制的静止无功发生器的电流检测方法、电流控制方法和高压大 容量的实现方法关键问题进行研究。 ( 3 ) 建立了一个实验平台，对该基于磁通控制的可调电抗器进行实验研究，并对 1 0 第一章绪论 实验结果进行分析。 ( 4 ) 对装置进行了一定优化，并验证了优化设计的切实可行。 广东工业大学硕十学位论文 第二章基于磁通控制的可调电抗器 本节主要分析了双绕组及多绕组线性变压器在正弦稳态情况下一、二次侧电流满足不同关系 时的端口阻抗模型，并因此论证使用变压器实现可调电抗的机理。 2 1 双绕组变压器模型分析 2 1 1 双绕组变压器模型的建立及其实现可调电抗器的原理 设在铁心带气隙的变压器上绕制一次侧线圈口。x 。、其匝数，二次侧线圈口：x ：、 其匝数。如图2 - 1 ( a ) 示。一次侧线圈电流为i 。，二次侧线圈电流为屯。若忽略铁 心的损耗，则其端口伏安特性方程： 铲“+ 厶l 鲁+ m 鲁 ( 2 ) 铲咖k 鲁+ m 軎 ( 2 2 ) 式中，1 、r 2 分别为一、二次线圈有效电阻，l ，。、工笼分别为一、二次线圈自感， m 为一、二次线圈之间的互感。在正弦稳态的条件下，且令在整个工作过程中变压器 铁心不饱和。那么式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 中各量可用相量表示瞄】【2 4 】： l l 宰 l ： n 二 + _ 肘_ + ：= 1 1 1 1 甄t l l t 厂1 x 1x 量，2 ( a )( b ) 图2 - 1 双绕组变压器模型 f i g 2 1t w o w i n d i n gt r a n s f o r m e rm o d e l ( a ) 双绕组变压器结构图：( b ) 双绕组变压器t 型等效电路 ( a ) t w o - w i n d i n gt r a n s f o r m e rs t r u c t u r ec h a r t ：( b ) t w o - w i n d i n gt r a n s f o r m e r t t y p ee q u i v a l e n tc i r c u i t 1 2 第二章基于磁通控制的可调电抗器 u l = ( + j c g l l l ) 厶+ j c o m l 2 u 2 = ( 厂2 + j c o l 2 2 ) ，2 + j m m i l ( 2 3 ) ( 2 4 ) 若令一、二次线圈匝比后= 哆幺，则式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 可化为： u = 【巧+ 歹( 厶1 一七m ) 】厶+ j o 【) k m ( ) l + 孚) ( 2 5 ) 尼 痧：眈+ 归( k 一警) 小加警( + 尼三) ( 2 6 ) kk 令z 。= _ + ( 厶l k m ) = + 内叮为变压器一次侧的漏阻抗，z 肼= 豇胛= j w k m 为折 算n - - 次侧的励磁阻抗，互= 后2 厂2 + ，础2 ( 2 2 一等) = 呓+ j x ；。，e = ，2 七，u ；= 尼u 2 _ j 分别为折算到一次侧的二次侧漏阻抗、二次侧电流、二次侧电压。则式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 可化为： u i = z 1 厶+ z 。( 厶+ e ) = z l ，1 + z 。i 。 ( 2 7 ) u ；= z ；，；+ z 肘( ，l + ，；) = z ；，2 + z 。i ， ( 2 8 ) 式中l = 1 1 + e 为励磁电流，于是可得到图2 1 ( a ) 中所示的变压器的t 型等效电 路图2 1 ( b ) 。令厶= 础为二次侧电流，则式( 2 7 ) 又可转化为： u 1 = z a 厶+ ( 1 + 口) z 。厶 ( 2 9 ) 于是有：= 乏盘 ( 2 1 。) 从口。x 。端看进去，变压器阻抗z 出，：孥：z ，+ ( 1 + 口) z 。 厶 对一个铁心不饱和的变压器而言，其漏阻抗z 。和励磁阻抗z ，为一常数，一般很 容易做到z 。蛉z 。所以这个变压器呈现的阻抗是一个可变量，其值与口成线性关系， 只要调节a 使得一1 口 0 ，我们便可得到一个从z 。到z 。+ z 。之间一个较宽范围内连 续变化的阻抗了。在这里，阻抗中的电阻分量很小，因此，我们可以将它近似看作一 广东工业大学硕十学位论文 个随a 值变化的电抗。 实际中，在某些对电抗器功率因素比较高的场合，或者在其他用途下，我们只令 a 在一l 0 呓2 ，2 0 变压器有功损耗单独由二次侧提供 有 呓2 ，2 = 0 功 屹l x l = 0 流 呓2 ，2 0 二次侧向变压器及一次侧提供有功 呓2 ，2 = 0 1 j l 0 x ：2 ，2 0 二次侧单独向变压器提供感性无功 无 功 厂口l 一= 0 x ：2 ，2 = 0 流 x ：2 ，2 0 二次侧向变压器及一次侧提供感性无功 x ：2 ，2 = 0 屹l 善l 0 x ：2 ，2 0 哇乙 n，以豇 + h = 丝e = 圯，以 z 广东工业大学硕士学位论文 2 1 2 4 a 值与变压器a l x l 端口纯电抗工况 在式( 2 1 3 ) 中，若令p = ，则端口a i x l 阻抗z m l = j x m l = j x l 。+ ( 1 + a ) x 。】， x m 呈现一个纯电抗。由图2 2 可看出，随着q 值的连续变化，x 山。的值从理论上可以线 性地从一到+ 之间变化。由表2 一l 可知，此时，变压器的有功损耗由二次侧单独承 担。当a 一l 一丝时，一次侧向二次侧提供感性无功，二次侧相当于感性负载。图2 4 、 2 5 分别为这两种情况下一、二次侧各物理量的相量图。 j h x t , , 1 矿 萎 u 1 1 - - - - - - t：o s 、：i 图2 4a 一1 一x l a x ” 此时，根据图2 - 1 ( b ) 和式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 可知： u l = ( 1 + 豇1 盯) ，l 一日 u ( 呓+ 声乞) e e ； 晶= e ； e = ( 口+ 1 ) l x j ” u = j i l x l 。+ ( 1 + a ) x 。】 由( 2 - 1 5 ) 可转化为： u 1 = 一 j x 1 口+ ( 1 + a ) x 。】 ( 2 1 5 ) 宣= 舀- 篇苌- 1 ) 汜 之：步。( a + ，旦) 久m 。仃+ ( 1 + a ) 靠】) 西；：舀。征巧+ 声：。) ( a + _ ，3 ) 一( + j x , o ) 】， x 。+ ( 1 + a ) x 。】+ 1 1 7 广东工业大学硕十学位论文 在式( 2 1 6 ) 中，若令u 。的有效值u ，为一定值，我们可以分别得到厶、i ；、e 1 、 呸的有效值，。、e 、局、残与a 的关系如图2 - 6 示： 爱迭 - - - - - - 。 _ - - - _ _ - j r ! 510 500 5 。 图2 - 61 1 、e 、e 1 、u ；- 与a 的关系曲线 f i g 2 - 6r e l a t i o n c u r v eo fi l 、e 、e 1 、u ；a n d a 由式( 2 1 6 ) 及图2 - 6 可知： 当a 一+ 时，u ；从下方趋近( 堑兰二坚型) u 。； 当仅一一时，u ；从上方趋近( 尘竖型) u ； 工朋 特别地，若假定x l 。= x ：。，+ 巧x l 。： 当a = - 1 时，“：丛曼蔓鲨u 。u 此时，e ：土u 。，考虑到1 x 。，巨 1 , l e rx i 口 达到最小值，接近0 ，而置= 4 4 4 f n 。，故此时铁心中主磁通。最小，约等于o ； 当a = 一 l _ 时，u ：蔓u ，此时昵取得最小值，接近o 。 册rx l a工l a 由于e 1 = 4 4 4 f 9 1 。，。与日成正比。从图2 - 6 中可以看出，随着a 的变化，e l 在作相应的变化，因此此时铁心中的主磁通。也在随a 作同样规律的变化。也就是 说，变压器的主磁通肿可受a 的控制。实际上，从图2 4 、2 - 5 可以看出，e 的垂直 第二章基于磁通控制的可调电抗器 分量e 。变化也能够引起。变化。因此，对于线性磁路的变压器，当其一次侧电压一 定时，变压器铁心中的主磁通。可以由a 和卢共同控制，从而引起变压器一次侧等 效阻抗的改变。这就是磁通控制原理。 f l j y a 主要与一次侧等效阻抗电抗分量有关，卢主要与一次侧等效阻抗电阻分量 有关，因此我们定义a 为电抗控制度，卢为电阻控制度。 2 2 可调电抗的实现 从前面分析中可知，对于正弦稳态系统，使用有源的方法从磁路不饱和的双绕组 变压器的二次侧注入电流，并使得注入电流，：与一次侧电流厶满足： 厶= k i ；= k ( a + 粥) l ( 2 1 7 ) 式中，七= 甍为一、二次侧匝比。当卢2 乏时，一次侧端口呈现纯电抗性质， 并且从理论上可以实现其电抗值z m ，= j x 。口+ ( 1 + a ) x 。】从一无级线性到+ 的调 节。在实际控制过程中，要使得z m 。从正电抗值转为负电抗值，就必须让口由逆向越 过a = 一1 一生，由图2 5 、2 6 可以看出，此时变压器主磁通反向，1 1 、i ；、e l 和呸 x ” 都将达到无穷大，根据变压器物理性质，这时变压器将会严重饱和，磁路不再线性， 是个不可控状态，难于实现。 由图2 5 、2 6 可知，在一1 一垃 a 0 区间内一二次侧电流变化都很显著，往 x m 往能够满足实际应用中电流调节的需要。而在实际情况中，变压器中x 。x 册，而为 了避开不可控区域，并使得在整个工作区间，各物理量变化不致过于剧烈，我们取 一1 a 0 时为感性负载； f 一州2 0 时为容性负载； f 一州2 = o 时为纯阻性负载。 相位差9 为： 妒= z c t 9 t ( 3 2 6 ) 3 3 2 2 功率因数的计算 传统上都用泰勒级数或切比雪夫幂级数来求得c o s q o 的展开式，然后计算功率因 数。这需要占用c p u 的宝贵时间进行繁琐的浮点运算，使c p u 没有空余时间实施自 诊断或其他防错措施。在这里介绍一种单片机查表技术，使c p u 避免了重复复杂的 浮点运算，具体方法如下： 第三章基于磁通可控的无功补偿装黄 由式( 3 2 6 ) 得： c o s q o = c o s ( 力。r ) ( 3 2 7 ) 将式( 3 2 5 ) 代入式( 3 2 7 ) 得： c o s q o = c o s ( 瓜7 - z 2 )( 3 2 8 ) 电网工频为5 0 h ，周期为2 0 m s ，所以在工频时有： t = l o r e s( 3 2 9 ) 代入式( 3 2 8 ) 可得： c o s 6 p = c o s ( zt 1 0 - 万2 ) ( 3 3 0 ) 由图3 - 1 4 和图3 - 1 5 可知t 的取值范围为0 1 0 m s 。预先设定使t 按一定的步长递 增，由式( 3 3 0 ) 运算得到f c o s 够对应表，并将其储存到单片机外部存储器中，t 折 算成地址，对应的c o s 妒为该地址的内容。这样当采样回路测到f 时，就可将其转换成 地址，查表求得对应的c o s 够值，从而避免了繁琐的浮点运算。 3 3 3 功率因数控制器的主控单元 控制器的的主控单元由d s p 单片机控制，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 单片机 是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模 拟信号，转换为0 或1 的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他 系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且 其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字 化电子世界中日益重要的电脑芯片。 图3 一1 6 自动投切控制原理图 f i g 3 1 6a u t o s w i t c h i n gc o n t r o ls c h e m a t i cd i a g r a m 本装置的自动投切是由信号传感电路及d s p 单片机完成的。其原理图如图3 1 6 所 3 7 广东工业大学硕士学位论文 示，其程序流程如图3 1 7 所示。其中x ：、五、x ，为过补偿、欠补偿和过电压信号， 高电平有效。 3 3 4 系统的待补无功量 图3 1 7 程序流程图 f i g