（电机与电器专业论文）低压动态无功补偿技术的仿真与控制策略研究.pdf

东南人学硕卜学位论文 a b s t r a c t d u et oi n c r e a s i n gl o a d so fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，d e m a n do nr e a c t i v ep o w e rw a sa l s o i n c r e a s i n g b e c a u s et r a n s m i s s i o no fr e a c t i v ep o w e ri ne l e c t r i cn e t w o r kc a l ll e a dt on e t w o r kl o s s a n ds t e p - d o w nv o l t a g e ，t r a n s m i s s i o no fag r e a td e a lo fr e a c t i v ep o w e rn e c e s s a r i l yr e s u l t e di n r e d u c t i o no fu s i n ge f f i c i e n c yo fp o w e re n e r g ya n ds e v e r e l ye f f e c t e dv o l t a g eq u a l i t y i tb e c a m e n e c e s s a r ym e b n st h a tr 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 e sw e r ei n s t a l l e di np r o p e rp o s i t i o no f e l e c t r i cn e t w o r k t h i sp a p e rb a s e do nt r a d i t i o n a lr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt s c ，t h e nr a i s et h e v i e w p o i n to fan e wr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt c r w es t u d yi t sw o r k i n gp r i n c i p l e ，a n du s e s i m u l a t i o nt e s tt ov e r i f yi t w ea l s os t u d yt h ec o n t r o lm o d eo ft h em a i nc i r c u i t ，b a s e do nc o n t e x t a n a l y s i s ，w eb e l i e v et h a tt h es y s t e mc a l lc o m p e n s a t ef l e x i b l ep o w e rt ol o wv o l t a g ep o w e rs y s t e m m o r ee f f e c t i v e l y i ti se x c e lt ot s cw h i c hi s w i d e l yu s e di np o w e rs y s t e m ，a n di t sc o r t p e r f o r m a n c ei s 】_ 曲t ot s ct e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g yw i l li m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m a n dt h eq u a l i t yo f t h ep o w e r s u p p l y i th a sag o o df u t u r e t h eo u t l i n e so f t h et h e s i sa r e a sf o l l o w s ： t h er e s e a r c ho nt c p cr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c ew a sc a r r i e do u ta n db a s eo nt h i sa n di t s p h y s i c a lm o d e l ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sd e r i v e d a c c o r d i n gt oa n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i co f b a s i cf r e q u e n c ye q u i v a l e n ti m p e d a n c e ，id e t e r m i n et h et o p o l o g y o f w h o l ed e v i c ea n dc a l c n l a t et h e p a r a m e t e ro fm a i nc o m p o n e n t s u s i n gd i g i t a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ep s c a d ，t h ee l e c t r i c a lm a g n e t i c s i m u l a t i o n h a s b e e n d o n e o l l t h e p o w e rs y s t e mc o n s i s t s o f t h e t c p c p h y s i c a l m o d e l d i s c u s st h er e a s o no fv o l t a g ef l u c t u a t i o na n di t se f f e c t t or e s t r a i ni t ，w et a k em e a s u r e so f s w i t c h e dc a p a c i t o r , a n a l y s i st h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ez e r o - c r o s ss s r ( s d i i ds t a t er e l a y ) w h i c h w a sa p p l i e di nl o w - v o l t a g er e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e ，a n dt h u sr e d u c et h es u r g ec u r r e n t m a k ef u r t h e ra n a l y s i so fc o n t r o ls t r a t e g yo ft h er e a c t i v ec o m p e n s a t i o n a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f r e a c t i v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e d ，a n d p o w e rp a r a m e t e rd e t e c t o rh a sb e e nf i n i s h e da n dd e b u g g e d t h er e s u l to ft h ed e v i c eh a ss h o w e d t h a tt h ed e t e c t o rw o r k sw e l l ，i th a sv e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo f t h ed e s i g n k e yw o r d s ： r e a c t i v e c o m p e n s a t i o n t c p c v o l t a g ef l u c t u a t i o n c o n u o ls t r a t e g ys c m 学位论文独创性声明 本人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取得的研究成 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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 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作了明确的说明并表示了 谢意。 f - 7目 签名：崮! 红日期 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容柏一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名；导师签名：弛期 乐南凡学硕i 学位论文第。章绪论 1 1 概论 第一章绪论 南于人型电机和电力电子装置的应用同益广泛，使得无功问题引起越米越多的关注。同 时，也l 【j 丁电力电子技术的飞速发展，在无功补偿方面也取得了一些较明显的进展。无功补 偿包括两个方面：一是对系统，即刘输电线的补偿；二是对负荷的补偿。低压电网负荷补偿 是电力系统无功补偿中重要的组成部分，它着重丁在负荷端对电网中负载消耗的无功功率进 行补偿。奉论文主要是对负荷的补偿。 1 2 课题的意义及背景m 2 无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的。在电力系统中，大多数网络元什平 负载都要消耗无功功率。“1 无功功率小足时。将降低发电机的有功功率输出，使电源设备的 利用率f 降，而且使电力线路的电压损失加火造成电能质量f 降，使供电系统损耗加人， 造成了能源的损失。根据资料显示，输电线路，高压配电网，低压川户的三部分的线损中， 低压用户损耗最大，因此，降损节能应主要围绕低压3 8 0 v 用广进行。低压电嗍中，随着居 民生活水平的提高和家用电器的普及，以及t 业的发展，大量的非线性和冲t b 负载接入屯网 在运干j ：时产生谐波电压波动和闪变，造成电网电压的波形畸变，三相负荷不平衡，电网的 功率因数大都比较低，造成也网质量f 降，给电网造成额外负担。冈此利煳无功补偿技术成 为当前世界各国电力设计及决策人的共识，无功补偿装置的投资已经被列入屯力投资的整体 规划叶 ，成为一个不可缺少的环节。 兀功补偿的作f l | = | 丰要有以卜几点： ( 1 ) 提高供_ = | j 电系统及负载的功率因数、降低设备容量、减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在k 距离输电线中的合适点设置动态 无功补偿装置，还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 ( 3 ) 在电气化铁道等三相负载不刘称的场台，通过适当的无功补偿可以平衡= 相负载。 无功补偿就其补偿方式来说分为高压补偿和低压补偿。高压补偿通常是在变电所高压 侧进行，仅能补偿补偿点前端的无功功率，对补偿点后的输电线路和负载的无功功率起不到 补偿作用；低压补偿可直接补偿输电线路利负载的兀功功率，补偿效果最为理想。但在低压 补偿时，负载具有分散性大。数量多的特点，要求无功补偿装置成本低、操作方便、易丁维 护和安裟，而且必须能进行动态补偿。 就其连接方式不同电力系统补偿方式可以分为并联补偿，串联补偿和串外联混合补偿三 种，其结构羽i 功能如图1 1 所示。而由丁并联补偿方式接入和切除方式都很方便，此在r n 东南人学期 学位论文第章绪论 力系统中得到最为广泛的应f 【f j 。电力系统并联补偿具有如下特点： 1 ) 并联补偿只需要电力系统提供一个节点，并联补偿的另一端为人地或悬空的中性点， 因此，r 联补偿容易地接入电力系统。 2 ) 补偿不会改变电力系统结构，接入方式简单，并联补偿可以在系统止常运行时接入， 通过训节并联补偿，可将并联接入造成的影h 向减少到最小，许多情况下可以做到无冲b 投入 运行和无冲击退出运行。 3 ) 电力系统本身具有较大的短路容量，并联补偿装置与所接入点的短路容量相比通常较 小，对电压控制能力通常较弱，它主要通过注入或吸收电流政变系统中电流的分部。 口前电力网中大部分负荷都是感性负载。在丁业企业叶1 ，电弧炉、感应炉、电焊机、轧 钢厂、特人犁电动机( 尤其是频繁启动名) 等都是需要补偿的典型负荷。这些负荷大致可分 为两类：一是负荷本身在运行过程中就呈现非线巾丰，二是当负荷投入或切除时引起无功变化。 因此，在电网中安装并联电容器可以供给感性电抗消耗的部分无功功率，并联电容器补 偿简单经济，灵活方便。但它只能补偿固定无功，容易造成过补或欠补，无法满足实际需要， 还有l u 能和系统发牛谐振，导致谐波放大。因此采用对电容器分组，利川微机进行控制，根 据负荷兀功的变化，对电容器纰进钆：臼动投切以实现别无功功率动态补偿的装置，目前存 固内外得到j 泛应用。 目前国内j 1 泛使用的此类装置主要自以f 缺陷：是咀交流接触器作为电容器投切的开 关，它的土要缺陷是开关速度较慢，约为1 0 3 0 s ，不口 能快速跟踪负载无功功率的变化， 而且投切电容器时常会引起较严重的冲- f f 涌流和操作过电压，从而造成交流接触器的接点烧 毁或是补偿电容器的内部击穿，严重影响鼗置自身的使j = | 寿命：二是存r 泛使用的无功补偿 装置木身产生大量的谐波电流，进一步恶化了电网质每，在补偿的j j 时还必须增加滤波装置， 增加了设备成本。三是目前大多数投入使用的无功补偿装置都为有级补偿，只能补偿i 直| 定无 功，不能实现有级补偿，容易造成过补和欠补。 近午来，电力电子技术搜元器件获得飞速发展，火功率电子器件已原来的不控及半控 器件( s r d ，s c r 等) 发展到仝控器件( g t r ，g t o i g b t ) 等。随着电力电子技术的发 展及其在电力系统中的应j ： = | ，交流无触电丹关相继应用于无功补偿装置，将其作为投切开关， 述度可以提高5 0 0 倍，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成。蚓前国内虽然 也有一些使川晶闸管作为电容器投切开戈的无功补偿装置，即晶闸管投切电容器( t s c ) ， 但都采州反并联的普通品俐管或双向晶闸管。于切除的电容器上有剩余电压而电容器两 端电压不能突变，当系统电压干u 电容：j ； 残压的差值较大时触发品闸管会产牛根人的电流冲击 ( 这在有触电投切的电容器是不可避免的) ，这一冲击会直接损坏晶闸管。为了确保无过度 过释投入电容器组，前：每组电容器投入之前必须经过零过度过程检测。本课题所研究的无功 补偿装置采州过零l 州态继电器( s s r ) 来触发投切电容器，交流型s s r 由于粟t l = 过零触发 技术，使训换装置要简便可靠的多。在控制方式i ，采片j 无功功率作为榆测量，由于检测量 雨i 控制目标足同一物理量，能够准确反映无功功率的变化。控制部分以单片机为核心，具有 2 东南人学碗| ：学位论文第一章绪论 较强的数据处理能力i 叮价格便宜，因此整套装置具有可靠性高性能好，造价低，易于维护 和安装，操作方便的优点。 图1 - 1f a c t s 装置的结构和原理 率论文主要针对目前大量使刚的4 0 0 v 低压电力系统所使用的有级补偿并联电容所存在 的问题，尤其是对具有较大冲击性负荷( 如轧钢厂的电弧炉、汽4 - n 造厂冲击焊等) 的t 矿 企业4 0 0 k v 变电所所存在的无功补偿等问题提出的一项全新补偿技术。其研究的目的主要是 解决有级补偿所存在的 f 级投切振荡、不易控制、屯网电压闪变波动较大、调压级著年u 低压 容性无功补偿级差较大、产生谐波等问题。其意义在于该技术 i 】1 究成功后，可使低压电力系 统的无功及电网电压的调节丌j 得到准确控制，可人人提高_ l 厂企业电力网的稳定性和供电可 靠性及供电质甘；达到稳定和可靠运行，保证有较商的供电质量；为工农业生产及城乡人民 牛活供电提供口j 靠保证：起刮节约能源，提供有效供电负荷的作用；同时将产生较大的经济 效益和社会效益。 1 3 国内外研究动态及趋势1 3 l 传统的无功功率补偿装置主要为同步训相机引并联电容器。同步调利机虽然能进行动态 补偿，但它属丁旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较人，曰前在现场仍有使j f j ，但在技术 上己显落后。并联电容器补偿简单经济，灵活方便，但蚁能补偿固定无功，还可能与系统发 牛并联谐振。日前在我国仍是主要的无功补偿装置。 随着现代电力电子技术在电气传动领域的广泛应用，相控技术，脉宽调制等技术被引入 到电力系统，与传统电力系统控制技术相结台，产生了近儿年h 现的新技术柔性交流输 电系统( f l e x i b l e a c t r a n s m i s s i o ns y s t e m f a c t s ) ，其本质就是将高压人功率的电力电 子技术应用于电力系统中以增强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输 b 能力。 4 0 0 v 低压系统是 。矿企业人量使用的土要型式的系统。目前国内外在该领域的研究主 要为电力输电系统的l j 丁控串补( t c s c ) 雨i 高级静 型无功发牛器( a s v g ) 技术研究，如 3 东南人学坝l j 学化论文第一章绪论 美国、口本、英国等，国内主要有清华人学、中国电科院等单位对t c s c 和a s v g 作过研 究但国内目前对1 0 k v 高压电力系统的并联电容无级柔性补偿技术目前还未见相关研究和 技术报道，已有的新的研究技术仍然为有级补偿技术及可控饱平电抗器和相控屯抗器动态感 性无功补偿技术。 对于t 控饱和电抗器及相控电抗器动态感性无功补偿技术，国外布7 0 年代前后，国内 在9 0 年代前后及h 前都有人在这方面做过大革研究驯s v c 技术。英国g e c 公司、美崮g e 公司、瑞典a s e a 公司、瑞七b b c 公司、日本三菱等公刊、以及国内有关单位都曾先后研 制出有关装置投入运行，但存在较大谐波，需要制作曲折变压器，控制和装置都较复杂，并 存存较多问题+ 难以推广使用。而近年来的高级静l r 型无功发生器( a s v g ) 是一种当前国 际上较为先进的静止犁无功补偿器，它也可以工作于高压系统，但山丁耍使用数量较多的成 本高且容量较人的全控型电力电r 器什，以及还需要制造曲折变压器，控制系统也相当复杂， 所以成本高，系统复杂，在近期也难以推广使t l j 。还有一种采用电抗调协加柏级高压屯容方 式( 即前述s v c 方式) 目前己存国内开始廊川，引进的同外早期技术( 即前述s v c 技术) ， 虽可进行无绒补偿和凋1 ，但是为感性无功调节，系统需要额外增加多绸有级电容，结构 复杂，而且本身有大量喈波产生需要增加谐波制理装置，所以结构复杂制造成本和运行费 用都相当高。为此奉项目提山了种不同丁传统技术也不同 ：a s v g 新技术的种结构简 单，电易控制，近期可推广使用并可实现快速补偿的新技术。该研究领域的最新发展趋势是 向柔性输电、配电和便于控制、快速响应、1 ，能方向发展。它与各种大量使用无助补偿装 置的性能比较如表1 - 1 ： 表1 - 1 各种无功功率动态补偿装置的简要对比 混合型静止 素 同步调饱和电 品闸管控 品闸管投补偿器静l 上无功 相机抗器 制电抗器 刀电容器( t v r + t s c发生器奉项目 ( t c r 或 ( s c )( s r )( t s c ) 戥 ( s v g ) t c r + f c ) t c r + m s c ) 响应 慢 较快较快较快较快快快 速度 吸收 连续连续连续分级连续连续连续 无功 控制 简单不控 较简单较简单较简单复杂较简单 谐波 无大 火 兀大小无( 小) 电流 分相 有限f i 可可以有限可以可以可以 调1 ， 损耗人较大中小小 小小 噪声) 、人小小小小小 4 东南人学砸l ：学位论立第一章绪论 1 4 论文的主要工作 论文研究对象为基y - t c s c 的低压并联无功补偿袈置系统的聊 究和开发。课题研究的关 键和难点是主电路的拓朴结构，器件参数的选择，系统的控制策略研究。同绕这些内容艘开 研究工作，各章内容安排如下： 第一章为概论部分，主要介绍了课题的研究背景。 第二章阐述了t c p c 的工作原理，从数学模型推导出其数学公式并分析其阻抗谐振特性。 根据公式推导，给 补偿系统拓扑结构及器件的参数，通过仿真软件验证了其可行性。 第章分析了在无功补偿中电压波动现象产生的影响及其原因，针对此给出了其一般的 解决方法。 筇四章根据系统运行特性，分别对无级无功补偿和有级无功补偿两部分的控制策略进行 了分析。 第五章主要介绍了基于a v r 的无功补偿装置的硬件殴计和软件设计。 第? i 章完成软硬件设计中的电能参数测量模块的调试l 作，并给出了实验结果。 最后是埘全文的总结，提出了今后的工作展望。 东南人学碘1 学位论文 第一审无功补偿的原理段弈量确定 第二章无功补偿的原理及容量确定 2 1 无功补偿原理 电力电子开荚型电力补偿，控制器的根每原理是利_ j 电力电子丌芙在电路并联或串联地 接入或切除电感，电容，电阻，从而瞬时地改变线路等效阻抗或等效的感性、容性等，以达 到补偿和控制电力系统的电压，电流，有功功率，无功功率等电力系统参数的目的。奉课题 所研究的低压动态无功补偿装置是在晶闸管控制的串联电容器( t c s c ) 的分析基础上，将 其崩于并联补偿，它是利用电路中接入或切除并联电容进行无功无级补偿，用基于t c s c 的 并联补偿装置实现有级调节，实现系统无功功率平衡，达到所要求的功率冈数。r 面对这种 补偿电路结构的基本原理进行具体分析。 由屯1 学可知道，在交流电路中，只有纯电阳负载上消耗的功率称为有功功率，崩p 表示，常用单位为k w ；而电感或电容性负载虽然基本上小消耗有功功率，但是它_ l j 屯源之 间或相互之间进行往返的周期性能量转换，形成无功电流，这种往返交换的功率成为无功功 率，川q 表示，常用单位为k v a r ，无功功率不足无用功率，它是电气设备输出有功功率和 传输电能的必要条件。订1 电力电路上实际上是电阻雨i 电感或电容性负载都同时存在，而且火 部分是感性负载，因此，1 ：仅消耗有功功率，同叫有无功功率在交换。我们把有功及无功 电流和电压的乘积为视在功率，用s 表示，即s = u i 。 有功功率p ，无功功率q 和视在功率s 三者之间的关系可用功率三角形表示，由功率 三角彤可以求得： s2=p2 + g 2 g=s si n p=s c os 西 cos 毋 p s 本项目研究的原理内容是运用低压大功率电力屯于元器件构成特殊的容性无功无级柔 性补偿模块，每相的主电路主要由一只电抗器与屯容器串联，然后在电容上并联小功率的低 压电抗器与制向可控晶闸管串联组成低压侧，可控屯抗器( t c r ) ，与电容柏并联组成容性可 调模块，与串联屯抗器组成较人容量的田调感性模块，从而达到调节系统的容性无功的目的。 此电路的特点是除不产生谐波外，还可有效解珧秤高压系统中晶闸管的耐压使用问题。其最 火的特点是自身在可控范围内不产生谐波。系统的结构如图2 - 1 6 东南人学坝| 学位论立 第一章无功补偿的娘理发奔量确定 t a t v 剀2 - l 系统结构幽 基本原理： 系统结构叽实现兀级补偿功能的主要是后而一部分，其结构原理主要是基于t c s c ， 而它用于串联补偿。本沦文将之用丁升联，称为t c p c ，其基本原理如下： t c p c 是个可控的并联彝性补偿器，结构如幽2 - 2 。图巾电抗器l l 提供感性容鼍、还 能抑制屯容器投入时可能造成的冲击电流，另外和电容c 组成l c 滤波器吸收由t c r 产生 的一些主要谐波( 如3 次谐波) 。其电路的特殊拓扑结构使谐波在内部得到有效的扣抵消， 从而在可控范罔内对外产生很小的谐波( 畸变率 o ，j j jt c p c 模块的等效电感值大于电抗器l ，本身的值，这种 情况别应于t c p c 运行方式中的感性微凋模式。 7 东南人学硕1 学也论_ _ ：【=第一二章尤功补偿的燎理度容量确定 当t c p c 处于可变电容模式下叫，随着可变电抗器感性电抗的增加，等效的容性电抗 逐渐减小。等效容性电抗的最小值在感性电抗l 1 取兀穷人时达到。也就是当可变电抗器l l 开路时达到。t c p c 的行为与上述l c 并联电路类似，差别在丁上述对l c 并联电路的分析 是基于纯谁弦的电压和电流量，而在t c p c 巾，由于晶闸管的开通和关断，使得f c 和品闸 管控制电抗器( t c r ) 中的电流和电压是非正弦的。 根据晶闸管导通角的不同，可以将t c p c 的运行模式划分为1 4 j ： 1 晶闸管阻断模式( t b m - t h y r i s t o rb l o c k e dm o d e ) ，这是反向并联的两个品闸管都处 于芙断状态，t c p c 的作用相当于固定并联电容补偿器。 2 品闸管切换电抗器模式( t s r - t h y r i s t o rs w i t c h e d r e a c t a n c e ) ，也称晶闸管旁路方式， 在此模式r ，晶俐管伞导通，t c p c 单元表现为小感抗并联接入在输电系统中。 3 品削管相控模式( t p c - t h y r i s t o rp h a s ec o n t r 0 1 ) ，通过对晶闸管导通时刻的控制，可 以甲滑调节t c p c 的基频等效电抗。 4 短路器旁路模式，即在故障情况下，作为t c p c 装置的保护元件，跨接在t c p c 上的 短路器刚台，t c p c 装置退m 运行。 2 2 t c p c 的基频等效阻抗与谐振分析0 5 8 娜- 4 0 】 根据电力电子有关技术理论，在由晶闸管触拉开通关断情况r ，此时电抗器中的有效电 流表达式为： 仁圳u cj 牙- 2 f l 厅- - s i n 2 f l ： 式中一从电容电压蜂值算起的触发角。当相位控制电抗器( t c r ) 回路所产生的谐波 电流在乖负j f 周触发角届2 扇= 日寸只有奇次谐波电流，i j 电感支路的基波电流值为 i n = i , d e u c i 2 了( s i n o - s i n f l ) s i n 伽 同c 一耳一2 8 一s i n 2 f l c o l万 由式( 2 ) ，并以电容有效电压为参考相革，则可求得电抗器支路基波等效电阻为 ，l 1 c o l x 石- 2 , a s i n 2 口 ( 2 ) ( 3 ) 而电容支路的l h 抗x ，可以看作是基本不变的，则t c p c 的基频等效阻抗即u j 由x ，、x ， 年x 2 求得，则有： x r 2 i - i x 丽c g x ：, + 弘旷虿i 面c o l r 丽c + ，珊厶( a ) 当届= 屈= 时，两只品闸管将对称导通，t c p c 与触发角a 有关的基频等效阻抗曲线 如幽2 - 4 所示，口。为t c p c 的并联谐振t 作点。口= 9 0 。为晶闸管旁路工作状态( 即卢 0 。) ； 9 0 。 口 口。时为感抗调节，】：作状态；口。 a 1 8 0 。时为容抗调= 旷r 作状态；口2 1 8 0 。时为 东南人学坝i 学位论立 第一二币无功补偿的原理及容量确定 晶闸管关断工作状态( 即容抗不可调状态) 。在本论文中只讨论工作在容性条件f 。 图2 - 4t c p c 电容电压与电感中 电流波形和相位关系 4 6 。0 寒嚣 - 4 。： - j 一 a c r t厂 “( 。) 图2 - 5t c p c 基频等效阻抗曲线 在公式( 4 ) 中进行有关特性分析的一个近似推导公式。是在0 。( 卢 2 。一股最好使得2 3 k 2 ，7 。 2 从式( 5 ) 可以看出，根据线路的补偿要求确定c 的人小之后，当魁减小时，谐 东南大学顾十学位论文 第一：章光助补偿的原理及容量确定 振点变大，t c p c 在容性区的阻抗特性曲线变抖，在达到相同的t c p c 基频等值阻抗情况 下，d x i d “变人，1 习此t c p c 装置对晶闸管触发脉冲的精度要求更严格，这对t c p c 的高容 抗调节带来一定困难，严重时可能会影响阻抗控制的稳定性。因此在盈，较大、值较小的 情况下，t c p c 触发脉冲的控制效果将会更好，t c p c 阻抗控制特性的稳定性也会更好。 3 为j ，提高t c p c 的响应能力，特别是在系统出现故障时，尽快使t c p c 从容性区过 度到感性区，要求电抗器支路电流能够快速地根据控制要求变化而变化。晶闸管在全导通后， 电容电压等丁l 拖i l ，d t ，只有当此时电压降到比较低的数值后，t c p c 的硬旁路工作模式才 能刘t c p c 装置起保护作用。从旁路保护脉冲的发出到t c p c 端电压下降到硬旁路保护预定 值的这段时问称为保护性旁路生效时延。为了保护t c p c 的安全并且减少m o v 的能耗，旁 路生效时延应该尽可能短，因此三参数越小越好。可以看出这个要求原则和原则2 是相互 矛盾的。因此在设计选择k 时，必须寻求一个较好的折衷方案。 k 值大小还和电容器、电抗器电流、电压及容量相关，文献 1 0 】给出了详细的分析结果。 在实际应用中，应该根据系统控制要求、t c p c 响应能力、过电压保护要求和经济性等多方 面的要求。优化选取合适的元件参数。 2 4 主电路器件的额定参数计算 本装置使用在线电压为4 0 0 v ，视在功率为3 1 5 k v a 的工食业，可以无级补偿无功， 便之功率因数调节在o 9 5 以上，而补偿电流的畸变率 2 5 。正常_ l = 作情况下，一般装置 的补偿大小为视在功率的3 0 。本论文则在此基础r 训算参数 每相电流大小为 l = p 4 3 u = 4 5 4 4 ( a ) 装置满额补偿电流为4 5 4 4 0 - 3 = 1 4 0 ( a ) 关于k 值的选择，我们基于前文的选取原则，取k - 2 3 4 ，由此得到谐振角为1 4 1 7 度。 在本补偿方式中，崮定电容补偿为主要补偿方式，t c p c 部分起为无级调博作用，在实 际运行巾综台成本，最终补偿效果，控制复杂程度。根据分析我们选定补偿电流分别为8 a ， 1 6 a ，3 2 a ，6 4 a 的4 个固定电容和一个调节范围在8 - 2 5 a 的t c p c 装置，当然8 a 以下没 有必要补偿。 在选定主电路参数的基础上，町汁算得到各元件的土要额定参数。根据t c p c 实际运行 情况得到主电路器件额定参数的计算公式，结合动模实际运行条件，得到了电容器、电抗器、 品闸管的主要参数。 额定参数的计算公式： 虽然上文给出了t c p c 的精确基频等效阻抗计算公式的详细推导步骤，但是由于电容电 压和电抗器电流的峰值关系为非线性方程的解，计算非常复杂。奉文在选择t c p c 电路元件 额定参数时按照理想情况考虑，通过计算得到电容电压和品闸管的额定参数。 基于如下假设；补偿电流- , s i n ( m t + 9 0 。) 理想空心电抗器。不考虑电抗器支路电 阻的影响，推导得到t c p c 在稳态运行情况下的晶闸管电流峰值l u u “x ( 等于电抗器电流峰 值) 、电容器电流峰值 和电容器电压峰值u c u a x 的计隽公式。 铲，苦( 蒜x e o s ( k a n ) _ c o s 耐) 1 3 东南人学硕十学位论义 第一二章无功补偿的原理发容量确定 其中：l 为补偿电流的幅值，t = o 时，晶闸管电流和电容电流达剑峰值： i l i 。x - - - - 厶x 苦( 嵩一， ， 站一一= 击卜筠一， r e c - 9 0 时，电容电压达到最大： 一= 去 + 苦坤。s t a n 咿心n ) m ， 其中= 2 3 4 ；最大触发角时a = - 1 4 6 2 ，r 1 j , 7 = 3 3 8 ，可汁算得到： k 却告( 器寸厶x 1 2 2 x 3 3 9 = 4 1 4 ， ， ，c 一 如嵩c o s 一，) = s 。 k j b1 “ ( 1 4 ) 一= 茏 ，+ i 2 c c 。s t a n 即一七s i n ， = ：朋l t c ，s ， 晶闸管电流有效值为 i 一= = 1 2 2 1 = 、历五i 西= 1 3 5 1 ( 1 6 ) 品甲j 管电流平均值为： 1击33 k 2 嘉e 匕( 耐) d p = l - 2 2 3 i , 1 ，2 刀2 - 6 = 0 5 ( 1 7 ) 两个晶闸管交互导通得到流过电抗器的电流，因此电抗器电流峰值与晶闸管电流峰值相 等，电抗器电流的有效值计算为： 1 = 2 4 1 电容器的额定参数 2 k = 1 9 ( 1 8 ) 设计时满补容性无功电流为2 5 a ，假设使用同定电容器补偿时，所用电容器值为3 4 5 u f ， 而在t c p c 中由于电抗器2 ，z j 的存在，实际捉供满额电流达不到2 5 a 。根据设计要求可 知，2 ，工j 应该能提供1 7 a 的感性电流，约占总补偿量的6 8 ，这其中主要由三2 提供。 1 4 占 东南人学删i j 学位论义第二章无功补偿的原理及容量确定 由于是并联补偿，根据以上的分析和裕量冈数考虑，所选电容器值约为1 2 0u f 左右，额定 电压约为系统电压的2 3 倍，奉文取3 倍数值，则u c - 6 9 0 v 。 结合电容器产品的实际情况，选择电容器的额定参数为： c = 6 9 0 v - 3 0 k v a t - 1 2 0 u f 2 4 2 晶闸管额定参数 选取晶闸管电流的准则是：不论流过品闸管电流的波形妇何，必须保证实际流过晶闸管 电流的有效值小于晶闸管允许的电流有效值。考虑谐波电流及晶闸管的过载能力，额定电流 参数必须留有一定的安全袼量。般所选晶闸管的通态平均电流为正常平均电流的1 5 以倍。 极确定晶闸管额定电压值u r 的方法：u r = ( 2 3 ) l 0 ，为晶闸管可能承受的最人正向 和反向电压。一般采用r - c 阻容吸收同落对品闸管的过电压过电流进行保护，应当按照实 际情况来选择阻容参数。 对品闸管存运行情况下的电压电流进行计算，取最大屯压电流作为晶闸管额定参数选取 的标准。晶州管导通期闻，晶闸管电压为品闸管的管压降，品闸管关断时承受的电压既为电 容r 电压。 t c p c 正常工作的最大电容电压峰值为u 。习7 5 v 。流入系统的无功电流最大峰值为 i 。= 3 6 a 。晶闸管的电流峰值、有效值、平均值可以按上述式( 1 0 ) 、( 1 6 ) 、( 1 7 ) 计算公式 得到： 五j 。i = 4 1 4 厶= 1 4 9 a ，五。= 1 3 5 产4 8 6 aj _ 部5 厶= 1 8 a 为保证晶闸管t 作的可靠性，晶闸管电流留有两倍的裕最剐l 。等丁9 7 2 a 。根据实际晶闸 管产品手册选j = j 满足要求的晶闸管型号为：m c c 9 4 2 2 i o l b 其额定参数为： u 。= 2 2 0 0 vk 。= 1 8 0 a l a 。t m l 0 4 a 2 4 3 晶闸管的保护 品闸管在运行过程中可能出现些影响器件稳定、可靠运行的因数，为使电路安伞可靠 运行，必须设置相应的保护措施u 4 j ： ( 1 ) 增设阳极串联电感，限制器件开通过程的d i j d t 。由_ 丁晶闸管结构所限，器件承受 的d i d t 的能力较低。日前国产普通器伺可达2 0 3 0 a u s ，快速管也仅达到1 0 0 a u s ，而实际 电路中，器件开通时的d i d t 要超过这个值，因此必须加以抑制。简单而有效的办法是串联 阳极电感l a 。l a 的值可按f 式选择：乞u ( d _ f d t ) f 。式中u 为换流期间施加口 两端可能的最大电压值；( 硪a t ) 。为品闸管允许的d i d t 。 ( 2 ) 晶俐管阳极一阴极并联r c 阻容吸收电路，抑制器件关断过电压及重加正向d u d t ， 为避免线路和电阻中的分布电感与电容谐振造成额外的过电压，晶闸管刚一阴极并联r c 中，电阻必须是无感电阻，电阻、电容之间以及它们与晶闸管之间的连接导线必须尽可能短。 阻容吸收电路参数可按表2 - 2 提供的经验数据值选择，电容耐乐一般选取晶闸管电压的 1 1 1 5 倍。电阻功率的选择按p = 7 c u 。2x 1 0 “计算，式中f 为频率，p 为功率c 为与电 阻串联的电容，晶闸管工作峰值电压。 东南大学顺”i ：学位论空第一二章无功补偿的原理发容量确定 表2 - 2晶闸管阻容电路经验数据 晶闸管额定 1 02 05 01 0 02 0 05 0 01 0 0 0 电流( a ) 电容c ( u f )0 1 0 1 5 0 20 t 2 5 o 512 电阻r ( q ) 1 0 0 8 0 4 0 2 01 0 52 本文中使用相应的保护措施的器件选择为：阻容吸收电路中电阻为4 0 0 欧，功率为4 w 电容为o 1 5 微法。 2 4 4 电抗器的额定电流 从t c p c 主电路结构图可知：晶闸管导通时，电抗器和晶闸管通过相同的电流，因此电 抗器电流峰值与晶闸管电流峰值相等。t c p c 运行在容性区最人补偿度时，电流最大值为 3 6 a 。南公式( 1 8 ) 得到屯j 。f 1 9 3 6 = 6 8 4 a ，考虑谐波因数，选取电抗器额定电流i l = 7 0 a 。 前文推导出五1 = k 2 9 ，这里取的k 值为2 3 4 ，算h l = 1 0 m h 。 2 4 5 砧o v 的主要参数1 4 3 习 目前常_ 】乐敏电阻来吸收较大能量来持续时闸较长的过电压，其中应州最广泛的压敏电 阻是氧化锌压敏电阻( m o v ) 。压敏电阻是一种阻值随外加电压不同丽具有显著变化特性的 非线性电阻，当其承受的电压低于某定值时，电阻很大，通过的电流般小于1 0 0 u a ，而 承受的电口三高于陔值时，其电阻显著碱小。 m o v 作为t c p c 模拟装置的土要保护之一，在实验聿做实验时，其参数的选取对t c p c 装置的工作特性有很人影响。m o v 参数选取的标准是：只有当电容端电压超过所允许范同 如承受冲击电流时，m o v 会保护动作，使得电容端电压维持在允许范围内。本装置选用 m 0 v 型号为；m y l 6 8 0 1 5 2 0 。 对m o v 主要参数的说明： m o v 压敏电压是：在直流屯压条件一f ，m o v 流过的直流为l m a 时，m o v 两端电压 幅值称为乐敏电压( n ，一) 。 m o v 的通容量是：在规定的间隔和次数下，在m o v 上施加规定的标准电流波形后， m o v 的压敏电压变化率小于所规定值( 一般为l o ) 时，通过的最大电流称为浪涌通流 容量，简称通流量。 残压比1 定义为：在流过一定电流后，m o v 端的电压峰值与压敏电压之比。一般m o v 的残胜比为：仉。卅m 1 - 8u 奶，a 3 。 并联电容允许在过电压状态进行定的时间，但这种过载运行受到过载次数的限制，而 t c p c 动模实验要承受较频繁的过电压过电流实验，这样就要求m o v 的残压低于电容额定 电压峰值即：口 - 1 4 8 。从装置使用的安全性和可靠性考虑，m o v 通流量选用该型号中通 流量最大值2 0 k a 。 1 6 苎塑尘兰塑土：丝篓兰 丝：三皇垄些! ! 壁塑堕型墨查量堕塞 2 5 主电路额定参数的仿真 南于t c p c 动态过程难于用数学方法描述得到，为了确保t c p c 动态实验装置能够满足 实验的需要，采用数字仿真的方法对t c p c 主电路参数进行校验。本文运用p s c a d e m t d c 软件进行仿真a 这是一款世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，它的主要功能有f 1 6 】： 可以发现系统r r i 断路器操作、故障及甫击刚出现的过电压 。可对包含复杂非线性元件( 蛔直流输电设器) 的大掣电力系统进行全i 相的精确模拟， 其输入、输出界面非常矗观、方便 进行电力系绩时域或频域计算仿真 电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真算 实现高压商流输电、f a c t s 控制器的设计 结合以i ：参数，通过仿真得到：( i ) 触发角从1 8 0 度阶跃变化到壤大触发角时，t c p c 动态响应特性以及稳态后电流的数值。( 2 ) 在孙偿电流为1 2 a 时，筹器件的波形，如幽 2 1 1 隆l2 1 6 ： 1 7 东南大学顺。1 ：学位论立 第一二章无功补偿的麒理发容量确定 劁2 - 1 1 仿真模型阁 l l l i ：l i 薹粼一攀 图21 3 补偿电流为1 2 a 时的装置吸收电流波形 图2 - 1 4 补偿电流为1 2 a 时的电容通过的电流波形 东南大学硕 学位论立第二章无功补偿的原理及容量确定 图2 - 1 5 补偿电流为1 2 a 时的控制品闸管通过的电流波彤 图2 1 6补偿电流为1 2 a 时的电容电压波形 容性范l 刊内，在不同的触发角范围内，通过傅立叶分析流入系统中的补偿电流，其中基 波，三次，五次谐波幅值大小如表2 - 3 ： 表2 - 3 补偿电流