（电机与电器专业论文）低压无功补偿在冲击、波动负荷中的仿真研究及应用.pdf

p 士= i明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文低压无功补偿在冲击、波动负荷中的 仿真研究及应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签名： 氆堑日期：幽 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期：兰 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景与意义 第一章引言 随着工业规模的扩大和科学技术水平的进步，新工艺新技术应用于工业生产各 领域，越来越多的用户采用了性能好但对电源特性变化敏感的电气设备，对电网电 能质量提出了越来越高的要求。由于我国生产力发展不平衡，许多地方仍然大量存 在低水平的用电设备，严重干扰电网电压质量，其结果从工业用电开始逐渐到全供 电系统，波动性负荷造成的局部电网电压不稳定，以及功率因数偏低对高水平自动 化设备的正常运行、电气寿命和生产效率造成了严重影响。据国际会议报告介绍， 目前在美国，由于电能质量下降，每年所造成的损失达13 3 亿美圆。因此，补偿电 力系统无功、稳定系统电压、改善系统功率因数，已经成为广大用户的迫切要求和 电力系统自动化领域的研究动向【ij 。在配电网中安装并联电容器可以改善电压分布 和增加有功输送、提高功率因数、减少线路负荷和线损，由于这种方法简单易行， 因此得到了快速发展。但由于电容器的本身特性，在投入电网瞬间总会产生高幅值 ( 一般几十倍电容器的额定电流) 的涌入电流，如果不加以有效的限制，涌流电流 的峰值就有可能超过电容器额定电流的1 0 0 倍，在如此高幅值涌流电流的反复冲击 下，电容器就会绝缘过热，迅速老化，甚至发生早期损坏，同时还会使电网的开关 设备、电流互感器、继电保护设备受损，对整个电网的安全运行构成严重威胁。 例如，河北省井陉地区具有冲击性、波动性负荷的采石厂三百多家，均为低水 平用电设备，且由于多数采石厂无功功率不补或欠补情况严重，整个采石厂线路的 功率因数普遍不足o 5 ，无功线损非常大，严重时达1 0 以上，因此对于整个地区 电网构成了严重威胁。为适应此类动态变化、且冲击性较大负荷的补偿要求，可采 用并联电容器补偿方式，电容器采用分组投切、动态补偿的策略来调节补偿容量。 在控制开关方面，若使用以交流接触器作为开关的动态补偿设备，由于交流接触器 本身为机械开关，开关响应速度最快为秒级，而现场无功变化为毫秒级变化，必然 造成需要投入电容器组时不能及时投入，需要切除时又不能及时切除，补偿装置不 能达到最佳补偿容量，造成过补或欠补。采用基于可控硅投切电容器( t s c ) 的无 功静止补偿器无机械磨损，无冲击涌流，不产生谐波，可以快速跟踪冲击负荷突变， 随时保持最佳馈电功率因数，实现真正意义的动态无功补偿，同时还可以解决现代 电力系统中与无功补偿相关的一系列技术问题，促进电力系统安全、有效、经济地 运行，改善电压质量，给电力系统和用户带来巨大的经济效益，有巨大的实用价值 【2 - 3 1 。 华北电力大学硕士学位论文 i 2 无功补偿装置分类 2 0 世纪7 0 年代以来，出现了静止无功补偿技术，这种技术经过2 0 多年的发展， 经历了一个由不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开 关投切电容器或电抗器，使其具有吸收或发出无功电流的能力，用于提高系统的功 率因数、稳定系统电压、抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种， 即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器的开关速度较慢，约为秒级速 度变化，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时可能会引起严重 的冲击电流和操作过电压，这样不但容易造成接触点烧焊，而且可能使补偿电容器 内部击穿，所受的应力大，维修大。 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关s c r 、g t r 、 g t o 等的出现，将其作为投切开关速度可以提高5 0 0 倍( 约为l o g s ) ，对任何系统参 数，无功补偿都可以在一个周波内完成【4 】。现今所指的无功补偿装置一般专指使用 晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型【5 1 ：一类是具有饱和电抗器的无功补偿 装置( s r ：s a t u r a t e dr e a c t o r ) ；第二类是晶闸管控制电抗器( t c r ：t h y r is t o r c o n t r o l r e a c t o r ) ；第三类是晶闸管投切电容器( t s c ：t h y r i s t o rs w i t c h c a p a c it o r ) 。 以下对此三类无功补偿技术逐一介绍： ( 1 ) 具有饱和电抗器的无功补偿装置( s r ) 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也 就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳 定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小【6 】。可控饱和电 抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的 感抗，进一步控制无功电流的大小。早在1 9 6 7 年，这种装置就在英国制成，后来 美国通用电气公司( g e ) 也制成了这样的无功补偿装置。但是由于这种装置中的饱和 电抗器造价高，约为一般电抗器的4 倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态， 铁心损耗大，比并联电抗器大2 3 倍，另外这种装置有振动和噪声，而且调整时间 长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器的无功补偿器目前应用 的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。 ( 2 ) 晶闸管控制电抗器 两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图如图卜1 所示。其三 相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载， 此电路的有效移相范围为9 0 0 - 1 8 0 0 。当触发角q = 9 0 0 时，吸收的无功电流最大。根 据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式： 华北电力大学硕士学位论文 眈= 色。( 万一s i n 万) 万和玩。= 1 i x r ( 卜1 ) 可知，增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分 量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无 功功率的效果。 在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用可控 硅控制电抗变压器，这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。电 抗变压器的一次绕组直接与高压线路连接，二次绕组经过较小的电抗器与可控硅阀 连接。如果在电抗变压器的第三绕组选择适当的装置回路，例如加装滤波器，可以 进一步降低无功补偿产生的谐波。瑞士勃朗鲍威利公司已经制造出此种补偿器用 于高电压输电系统的无功补偿。 u ( t ) 图1 - 1t c r 补偿器原理 由于单独的t c r 只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题， 可以将并联电容器与t c r 配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同， 又可分为t c r 与固定电容器配合使用的静止无功补偿器( t c r + f c ) 和t c r 与断路器 投切电容器配合使用的静止无功补偿器( t c r + m s c ) 。这种具有t c r 型的补偿器反 应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。我国江门变电 站采用的静止无功补偿器是瑞士b b c 公司生产的t c r f c m s c 型的s v c ，其控制 范围为1 2 0 m v a r 7 1 。由于固定电容器的t c r + f c 型补偿装置在补偿范围从感性范 围延伸到容性范围是要求电抗器的容量大于电容器的容量，另外当补偿器工作在吸 收较小的无功电流时，其电抗器和电容器都己吸收了很大的无功电流，只是相互抵 消而已。t s c + m s c 型补偿器通过采用分组投切电容器，在某种程度上克服了这种 缺点。 ( 3 ) 晶闸管投切电容器( t s c ) 为了解决电容器组频繁投切的问题，t s c 装置应运而生。其单相原理如图1 2 所示。两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，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。现在普遍把这种可以快速 3 华北电力大学硕士学位论文 补偿电网无功功率的晶闸管投切电容器的无功补偿装置叫做动态无功补偿器。t s c 用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连 接，负荷不对称网络采用三角形连接。不论是星形还是三角形连接都采用电容器分 组投切。为了对无功电流能尽量做到无级调节，总是希望电容器级数越多越好，但 考虑到系统的复杂性及经济性，一般用k 1 个电容值为c 的电容和一个电容值为 c 2 的电容组成2 k 级的电容器组数【引。 t s c 的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多年的分析与实验研究， 其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压 的时刻p j 。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置为了保证更好的 投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。 t s c 补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得足够细化，基 本上可以实现无级调节。瑞典某钢厂两台1 0 0 t 电弧炉，装有6 0 m v a r 的t s c 后， 有效地使1 3 0 k v 电网的电压保持在1 5 的波动范围。运行实践证明此装置具有较 快的反应速度( 约为5 1 0 m s ) ，体积小、重量轻，对三相不平衡负荷可以分相补偿， 操作过程不产生有害的过电压、过电流，但t s c 对于抑制冲击负荷引起的电压闪变， 单靠电容器投入电网的电容量的变化进行调节是不够的，所以t s c 装置一般与电感 相并联，其典型设备是t s c + t c r 补偿装置。这种补偿器均采用三角形连接，以电 容器作为分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不会流入电网，大大减小了谐波。 u ( t ) 图1 - 2t s c 型补偿器原理 1 3 无功补偿装置性能对比 以上所介绍的几种无功补偿装置，从控制投切开关类型可以分为两类：一类是 采用断路器控制，另一类是采用晶闸管控制，不同s v c 性能比较见表卜1 所示【。 从对比表中可以看出，没有任何一种s v c 可以万能满足所有无功功率补偿的要求。 选择特定范围的s v c 通常基于如下几个因素：应用的要求、响应速度、运行的频率、 损耗、投资成本等，不过根据这两类无功补偿装置的特点，总起来说采用晶闸管控 4 华北电力大学硕士学位论文 制投切的无功补偿装置在性能上比采用断路器开关的无功补偿装置好，它动作时间 短，通常能在一个周波( 即2 0 m s ) 内动作，动作时无火花，更安全可靠，寿命长。而 断路器开关在费用上又优于晶闸管，因此在工程应用上也并没有被晶闸管开关完全 取代。 表卜1 各种无功补偿开关性能对比 顶目 指标 s r ，f cf c t c rt s c 序号 l 控制范围容性和感性容性和感性容性 2 控制性质连续，内在连续，外加级差，外加 3 谐波产生很小，最低次为1 7 次小，需滤波器无 控电压控制有限好有限 制 辅助稳 4 无好无 能 定信号 力 按相控制有限好有限 快，与系统、频率校 5 响应时间正电容器、滤波快，与系统和控制有关快，与控制有关 器有关 过电压、过很好，受频率矫 6 较小无 负荷能力正电容器限制 较小，随滞相电较小，随滞相电小，随超前电流 7损耗 流的增大而增大流的增大而增大的增大而增大 快而直接，有在控制作用下快， 在控制作用下快， 8投入系统 暂态过程暂态分量最小有暂态过程 1 4 论文的主要工作 结合河北省井陉电力系统低压无功补偿装置项目的研制工作，对t s c 装置的主 电路设计，可控硅开关电路的元器件选择，以及t s c 装置控制等方面的技术问题进 行深入研究，完成面向冲击性、波动性负荷的低压无功补偿装置的研究工作，本文 的主要工作内容如下： 1 )查阅相关文献和工程技术资料，了解国内外无功补偿技术的发展现状， 分析现在此类装置在工程应用中的优势与不足，深入理解t s c 装置的相 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 关理论和关键技术。 深入现场调研负荷运行情况，总结其无功变化及特点。 在完成上述工作的基础上，提出t s c 无功补偿装置的总体设计方案，以 此作为依据，按照设计容量，设计计算晶闸管在t s c 装置中的保护电路 及器件参数，并应用m a t l a b s i m u l i n k 对现场负荷情况和装置运行进行 建模仿真，参照仿真运行结果，选取最佳设计方案，完成主回路设计。 以c y g n a l 公司的c 8 0 5 i f 0 2 0 单片机为控制核心，设计t s c 无功补偿装 置的控制器电路。 在对低压无功补偿装置的控制方案和算法进行研究的基础上，采用快速 傅立叶算法，以无功功率和电压作为控制对象，设计t s c 装置的控制软 件。 在完成t s c 动态无功补偿装置设计的基础上，制作实际补偿装置，并将 设备投入现场运行，分析运行过程中所发现的各种问题和现象，针对问 题提出相应的技术解决措施，以优化装置的性能，降低各种干扰因数对 装置运行影响，提高装置运行的稳定性和可靠性。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章无功3 1 、偿原理 将电容和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容释放能量，而电 感放出能量时，电容却在吸收能量。能量就只在它们之间交换，即感性负荷( 电动 机、变压器等) 所吸收的无功功率，可由电容所输出的无功功率得到补偿。因此， 把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。无功补偿装置主要包括执行装置、检测 回路、控制回路、微处理器模块等( 见图2 - 1 ) 。无功补偿装置检测电网上的实时电 压、电流信号，进行模数转换为数字信号并计算电网所需的无功功率，根据计算结 果投入或切除电容补偿系统需要的无功功率。 图2 1 无功补偿基本原理图 由无功补偿基本原理图可知，动态无功补偿对实时性的要求很高，信号测量和 计算方法决定无功补偿的精度。因此，首先要提高采样信号的精度和速度，即测量 硬件必须有足够快的采样转换频率和精度，其次由于电网信号的变化很快，通常情 况下要求毫秒级的投切响应速度，因此好的数字处理算法也是提高信号处理速度的 关键方法。由于大量电力电子器件应用于电力系统，使电网谐波污染相当严重，在 谐波存在的电力系统中，系统的电压、电流信号都是各次谐波量的叠加，因此基于 电网信号的特殊性，可采用数字信号处理的成熟理论f o u r i e r 变换来分析。 2 2 离散傅立叶算法分析 2 2 1 离散傅立叶变换d f t v 0 1 对于一个周期序列x ，( n ) ，定义它的第一个周期的有限长序列称为这一周期序 华北电力大学硕士学位论文 列的主值序列，用x ( r 1 ) 表示( 去掉x 。( r 1 ) 的下标p ) ，为 x ( ，2 ) ：j x p ( ，2 ) ， 一 【0 ， 0 ，2 n 一1 其它门 ( 2 - 1 ) 主值序列也可以表示成：周期序列和一个矩形序列相乘的结果，即 x ( 托) = x p ( ，2 ) 尺( 玎) ( 2 2 ) 周期序列x 。( r 1 ) 可以看作是有限长序列x ( n ) 以n 为周期的延拓而形成的，其关系为 x p ( 玎) = x ( n + r n ) 相应地主值序列x ( k ) 和x 。( k ) 的关系为 一臀x 眍妻翟一 x p ( 七) = e x ( 七+ r n ) 有了主值序列的概念，d f s 的定义式为 一l x p ( 尼) = d f s x ，( ，2 ) 】- x p ( 行) 嘴 n = 0 x 加) = 囝邢( 纠= 专薹x 膨) 蛔 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 由于无限长序列x 。( k ) 、x 。( n ) 只需用主值序列x ( k ) 、x ( r 1 ) 就可以求得并完全地 表达，即上两式的周期序列x 。( k ) 、x 。( n ) 换成主值序列x ( k ) 、x ( n ) ，运算式仍然成 立，这样就得到了两个任意有限长序列的变换对 x ( 尼) = d f t x ( n ) = x ( n ) w f ，0 k n 一1 ( 2 8 ) n = o 砌) = i d f 唧) 】_ 专篙聊肘，o n 2 f 2 。) ，这就是奈奎斯特抽样定理。为了避免混叠， 一般在抽样器前加入一个保护性的前置低通滤波器，其截止频率为q 。2 ，以便滤 掉高于q 。2 的频率分量。如果满足奈奎斯特抽样定理，即信号的最高频率小于折 叠频率，则抽样后不会产生频谱混叠。 ( 2 ) 频谱泄露 由于实际的需要往往要把观测的信号x ( f ) ，f 0 ，0 9 ) 限制在一定的时间间隔之 内，也就是要取出信号的某一个时间段x 。( f ) ，t 【0 ，t 。】，这种过程就是截断数据的 过程。如果按矩形窗进行截断，造成数据中相数的突然截断，窗内的波形并不改变， 实域的截断，在频域中则相当于所研究的波形的频谱x ( e j 。) 与矩形窗函数的频谱的 华北电力大学硕士学位论文 周期卷积过程。这一卷积将造成失真的频谱x ( 8 归) ，称之为频谱泄露。 前面提到f o u r i e r 变换的性质有周期性，即凡是说到离散f o u r i e r 变换关系之 处，有限长序列都是作为周期序列的一个周期来表示的。频谱泄露现象就是由非整 周期采样引起的。可以得出以下结论，当采样频率是信号频率的整数倍时，应用d f t 算法对截取的信号以等间隔进行采样时，仅在频率值处有值，其它各采样点的值均 为0 ，d f t 结果精确反映了信号的频谱。采样频率不是信号频率的整数倍时，应用 d f t 算法对截取的信号以等间隔进行采样时，采样点不能精确与信号频谱重合，且 除在频谱值处有频谱值外，其它各采样点均有值，即频谱产生了泄露，泄露幅度与 窗函数的选择相关。 ( 3 ) 栅栏效应 利用d f t 算法时频域的分辨率为2 石，而实际频率可能在两个频域采样间隔 之间出现峰或谷，由于频域分辨率的影响而导致观察不到这些特性。d f t 算法在频 域的这种采样好比通过“栅栏 观察景象，只能在离散点的地方看到真实的景象。 这样，在两个离散的谱线之间若有一个特别大的频谱分量，如不作特殊处理，则将 无法检测出来。 减少“栅栏”效应的一种最简单的方法是加密频域采样。由d f t 算法的推导过 程可知，加密频域采样相当于对原序列信号进行补零操作。也即对序列信号补零后， 再应用d f t 算法可以减少“栅栏”效应。但是应该注意，补加零值点以改变周期时， 所用窗函数的宽度却不能改变，也就是说必须按照数据记录原来的实际长度来选择 窗函数，而不能按补了零值点后的长度来选择窗函数。同时，在实际应用中，“栅 栏”效应很少出现。补零法虽然加密了频域采样，但它并没有从实质上增加信号的 信息，并不能真正提高频域分辨率。 总之，在其它条件不变的情况下，一个周期内采样点数越多则能测量到的各次 谐波量就越准确，所以提高采样点数是改善谐波测量的根本办法。而增加每周期的 采样点数则势必要增加运算量，对运算器件的要求也提高。 2 3 功率计算和投切过程分析 2 3 1 无功功率计算 在三相对称电路中，各相电压、电流均为对称，功率因数也相同。三相电路总 的功率因数就等于各相功率因数。由于谐波分量的存在，相电压和相电流只能用各 谐波分量的集合来定义【12 1 ，即： “。= 厨。s i n n o t n = l 1 2 ( 2 1 8 ) 华北电力火学硕士学位论文 i 。= 而。s i n ( h o o t 一伊) n = l ( 2 1 9 ) 通过测量三相电压及电流，计算其谐波分量，可得到u 。和i 。( 电压和电流的n 次谐 波分量有效值) 。 计算谐波分量可用常用的f f t 算法，在满足采样定律( 六2 z ，) 要求的情况 下对经过预处理的电网电压和电流信号进行n 点等间隔同步采样，构成复序列 x ( k ) = u ( k ) + j i ( k ) ( o 尼n 一1 ) ，对x ( k ) 进行复序列f f t 运算，x ( n ) = f f t x ( k ) 】，电 压和电流的频谱分别为： 1 u ( ，2 ) = 云 x ( 厅) + x + ( 一，z ) ( 2 2 0 ) z 1 i ( n ) = 三- x ( 胛) 一x ( 一门) ( 2 2 1 ) 玎= 0 ，1 ，一1 因此，进行一次n 点复序列f f t ，就可以同时求得电压和电流的频谱，得到各次谐 波的电压、电流有效值u 。和i 。，进而利用公式求出波形畸变情况下的- - = 才n 有效电压 和电流： 卟去历( 2 - 2 2 ) ii = 隶豇 其中，u ，和，分别表示各相有效电压和电流，i 表示a ， 电压、电流的总谐波畸变率t h d v 和t h d ，： 霉 霉 有功功率和无功功率： ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 只= 互1 乍u 州l f c 。s q = 丢莓v s i n ， ( 2 - 2 6 ) ( 2 2 7 ) 以上各式中，i 代表( a ，b ，c ) ，n 表示谐波次数( n = l ，2 ，3 ) 。 2 3 2t s c 投入的暂态过程分析 设母线电压是标准的正弦信号u s ( f ) = u 。s i n ( c o t + 口) ，投入时电容上的残压为u 。， 忽略晶闸管的导通压降和损耗，认为是一个理想开关，则用拉氏变换表示的t s c 支 路方程为 u ( s ) - 蚺a 砸) + 垃 ( 2 2 8 ) l ，sj 式中，u ( s ) 、工( s ) 分别为端电压和支路电流的拉氏变换，以晶闸管首次被触发( 即 投入t s c ) 的时刻作为计算时间的起点，对应的电压波形中的角度是口。经过简单 的变换处理及逆变换后可以得到电容器上的瞬间电流为 f ( ，) = i i , c o s 似+ 口) 一k b c u c 。一西k 2 u ms i n a s i n 国。卜叱，c 嗍c 。s 。f ( 2 - 2 9 ) 式中0 9 。= 1 也蟊= k c o ，是电路的自然频率； & = 葩，是电容器的基波电纳； 厶。= u 。b c 南，是电流基波分量的幅值。 式( 2 2 9 ) 右侧的后两项代表预期的电流震荡分量，其频率为自然频率，实际 上会由于该支路电阻的影响而逐渐衰减为零。从式( 2 - 2 9 ) 可以看到，如果希望投 入t s c 支路时完全没有过渡过程，即后边两项震荡分量为零，必须同时满足以下两 个条件： ( i )自然换相条件：c o s o ! = 0 ( 即s i n a = 1 )( 2 3 0 ) ( 2 ) 零电压切换条件：u c 。= 丢鲁u 。s i n 口= 丢鲁u 。 ( 2 3 ，) 实际上，条件( 1 ) ( 即在系统电压最大值时触发晶闸管) 是自然换相条件，因 为流过电容的电流超前其两端电压( 即系统电压) 9 0 0 ，所以在系统电压峰值时流经 1 4 华北电力大学硕士学位论文 电容的电流为零，而作为依赖电流过零自然关断的半控器件，晶闸管的无电流冲击 换相点应为系统电压峰值点。而条件( 2 ) 是零电压切换条件，此时由于开通前后晶 闸管两端电压均为零，所以其开通过程将不会在电路中引起由于电压突变导致的过 渡过程。 电 容0 电 压 及 电 流 旨 、一- 0 入u t 瓜瓜 。ww a ) 电容电压等于系统电压峰值时投入t s c 八一瓜肌、 - 肛义 b ) 电容电压等于系统电压谷值时投入t s c 图2 - 3 电容电压投切过程分析图 为了同时满足上述条件，一般应用多采用假定电容两端电压已预充电到系统峰 ( 谷) 值电压，从而在电源电压峰( 谷) 值时开通晶闸管以投入电容器组的方法， 如图2 - 3 所示。 但实践中存在下述两个问题，一是如果没有预充电装置，则第一次投入或切除 时间较长后再次投入时，由于放电的原因，此时电容电压通常为零，故会发生电流 冲击；二是由于电容自身放电的原因即便切除时间较短，电容电压也会下降。所以 通常采用的峰值切除方法实际不能满足零电压切换条件【l 引。 ( 1 ) 无暂态过程的t s c 投入时机 在实际中如果考虑到自身的电抗，则k 往往是不确定的；同时根据国家标准“每 一电容器单元或电容器组应具备足以在3 m i n 之内从初始直流电压u 。放电到7 5 v 或 更低的放电器件。对于u 。1 0 0 0 v 的电容器，放电时间应为l o m i n ”，由于电容器一 旦被切除后将经过放电回路放电从而导致电容电压的下降，因此除非每次投入之前 对电容进行充电，否则上述条件很难保证，这就是选择在系统电压峰( 谷) 值时投 华北电力人学硕士学位论文 入电容的方法难以实现的地方。 实践中另外一种作法是假定每次投入之前电容器均经过充分放电，其两端电压 为零；此时就可以在系统电压过零点，即触发延迟角口= 9 0 0 时开通晶闸管使电容器 接入。此时由于u c 。= 0 ，故式( 2 3 1 ) 代表的零电压切换条件可以得到满足；但自 然换相条件不能得到满足，其中震荡分量的第一项为零，只有第二项可能引起震荡， 震荡的最大值是正常情况下的两倍。为了说明这一点，将描述电容中电流的式 ( 2 2 9 ) 改写为： f ( f ) 叫一c o s ( 研+ 口) - - c o s 6 r c o s o ) n t + 蛾篙u 。s i n 心n 吖 ( 2 _ 3 2 ) 庀一一l 显然仅在首次投切( 即t = o ) 时，可以保证流经晶闸管和与之串联的电容中的电流 为零；但此后的投切过程中由于电容( 即晶闸管) 中的基频电流在系统电压为零时 正达到其峰值，不能自然关断，如图2 3 a ；由此采用电压过零点投切的电容方式实 际上只能应用于首次投切；其后的运行中两个晶闸管实际上仍应在系统电压峰值时 进行自然换相，为了可靠起见，实践中往往采用提供连续脉冲的形式使晶闸管工作 于二极管模式。但这种方式由于电容器一旦从系统中切除，必须等到电压下降到零 以后才能够再次投入；而根据国家标准，电容所附带的放电电路需要3 - 1 0 m i n 对电 容上的电压进行放电，所以限制了其再次投入的时间。 ( 2 ) 晶闸管端电压为零作为t s c 投入时机的波形 这种方法实际上可以看作是以晶闸管两端电压是否为零作为电容器投切的条 件，即在系统电压和电容两端电压相等时进行投切的一个特殊情况。如去掉电容两 端电压为零这个条件，根据式( 2 - 3 2 ) 可知，进行首次投切时的电流冲击同样为零。 假定晶闸管对中首先开通的晶闸管为v t l ，v t l 的开通使得电容电压跟随系统电压 而变化，所以将始终满足零电压切换条件( 触发条件( 2 ) ) 。此时即便施加触发脉 冲于两个器件，已经导通的晶闸管v t l 仍维持导通，而晶闸管v t 2 由于v t l 的导通 处于反向偏置，故处于关断状态。这个状态一直延续到在电源电压达到正峰值的时 刻，此时晶闸管v t l 将由于与其串联的电容中的电流( f r = c ( d u 。沈) = 0 ) 下降到 零而自然关断，同时电容器已被充到电源电压的正峰值，而随之而来的电源电压的 下降( d u 。 0 9 0 ，并合理避免系统谐振。 补偿级数：三级补偿( 一级定补，两级动补) 。 采样信号：u 。和i 。 晶闸管耐压要求：晶闸管耐压选择应充分考虑操作过电压峰值对晶闸管的影响， 耐压选择应满足反向峰值电压要求，其两端应并联抑制浪涌电 2 i 华北电力大学硕士学位论文 流阻容吸收装置。 二极管配置要求：二极管选择充分考虑正向导通电流和反向峰值电压的影响， 并且考虑一定的裕量，其两端同样并联阻容吸收回路抑制浪涌 电流。 抑制投切涌流：主回路串联4 5 电抗器。 因此，根据以上分析方案确定，仿真实现可分为五大主要模块，基本原理框图 如下： 图3 1t s c 仿真装置基本原理图 由图3 一l 可知，t s c 仿真装置五大模块主要为： 7 s cc o m p e n s a t o r d e s i g nb yq ic h e n 2 d d 5 9 l j l 一仔 r 1 l l j 占 c v d - 口s 。l n1 产习 i 二j 口 瞳口山 l 厂 7 n 上 ￥一 。 司 6 上 j _ 圭 7 目同一 6 t 毒 一目 ”“” t - 否 m 心 图3 - 2t s c 无功补偿装置仿真原理图 负荷模块：工程现场具体负荷状况的模拟，在仿真中主要由两个次级模块组成， 即电源产生、电压波动子模块和有功需求、稳态无功需求子模块。 开关及补偿电容模块：主要包括开关仿真和电容仿真两大部分，在开关部分主 华北电力大学硕士学位论文 要包括a 、c 两相的二极管和可控硅反并联组合开关，电容仿真部 分主要包括电容、串联电抗和放电电阻。 控制器：t s c 仿真装置最核心、最复杂的中心模块，是控制策略、仿真思想 的集中体现，具体模块组成在以下将有详细说明。 时域分析模块：m a t l a b 已有的电力系统分析元件模型，可设置和分析仿真装置 各运行参数【i 引。 显示控制模块：汲取来自控制器的信号，通过示波器显示。 3 3 1 负荷仿真模块建立 负荷仿真基于工程现场具体情况，典型采石厂负荷为：稳态无功缺额基本稳定 在1 5 k v a r ，动态无功变化在2 0 6 0 k v a r 变化，且变化剧烈，波动幅度很大，总体无 功需求最大为8 0 k v a r 左右。因此负荷仿真在反映实际状况基础上，可以简化仿真 模型分为两大块，如图3 - 3 所示： 图3 - 3 负荷状况仿真模型原理图 由图3 3 可以看出，负荷仿真模块的两大部分主要包括电源输入及电压变化模 块、有功需求及稳态无功需求模块，由于考虑在实际运行中无功需求变化的直接反 映就是电压的波动变化，因此在实际仿真中，避开了难度较大的动态无功负荷的变 化仿真，而采用电压变化来反映，具体仿真结果如图3 - 4 所示。 一 “伊 一同 l f 一叫 l j 一 l - 。上工 v o l t a g es o u r c e m 叵司 44u l j l _ j 三量 u a c 皇= t f 图3 - 4 负荷仿真模块图 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 电源输入及电压变化模块： 在此模块中主要通过电源的输入和仿真电压的变化来反映无功功率的变化，用 m a t l a b 中的三相可编程电压源模块仿真，具体仿真参数如下：供电电压为三相电压， 线电压为3 8 0 v ，频率5 0 h z ，电压幅值随时间变化幅度为1 5 ( 即3 2 3 - 4 3 7 v ) 。 ( 2 ) 有功需求及稳态无功需求模块： 在此模块中主要包括有功需求和无功需求中的稳态部分需求，用m a t l a b 中的 三相串联r l c 负荷模块实现，具体仿真参数如下：首先三相负荷星型接法，中性点 接地，其次电压负荷为3 8 0 v 5 0 h z ，有功需求为5 5 k w ，稳态感性无功需求为1 5 k v a r 。 因此，结合以上两模块具体仿真参数，可得线路的电压( u 。) 、电流( i 。) 变化曲 线如图3 5 所示： a ) 电压变化曲线 b ) 电流变化曲线 图3 - 5 仿真实际负荷电压、电流效果图 首先，由图a 可以看出当运行时，电压以正弦为基准，由于无功负荷的剧烈变 动，造成了电压的剧烈抖动，偏离正常范围很大；其次，再看电流波形，电流变化 更加明显，变化频率快且尖峰、低谷相当明显，造成电流波形严重失真。此两点正 是反映了工作现场的实际情况，与调研状况基本吻合。 华北电力大学硕士学位论文 3 3 2 开关及补偿电容模块建立 图3 - 6 开关及电容模块原理组成图 根据现场负荷状况，分析确定开关及电容模块可以分为两个部分，第一部分为 1 5 k v a r 固定补偿部分，第二部分为2 0 4 0 k v a r 动态补偿部分，由于第二部分为动态 补偿，增加了二极管和可控硅的反并联开关模块，大体组成见上图3 6 所示，其仿 真模型建立见图3 7 和3 8 所示【17 1 。 o i 毒 k 拿 图3 7 开关及电容模块1 5 k v a r 固定补偿仿真实例 ( 1 ) 1 5 k v a r 固定补偿仿真 由图3 7 可以看出电容固定补偿仿真比较简单，主要包括了电容、电感、电阻 三类主要元件，其中电容为三角形接法，为了消除电容投切时对系统的三次谐波污 染，使三次谐波只流通于三角回路中；另外为了抑制电容投切时的谐波涌流，在角 2 5 车 华北电力大学硕士学位论文 形电路之外三相电路中串联了4 5 的电抗；为了增加电容回路的残压放电，保护电 容器，提高电容的快速恢复能力，在三角形电路两端都并联了放电电阻，各具体参 数如下： 仿真参数：1 5 k v a r 容性无功电容：2 9 9 1 0 6 f 电容两端并联电阻：2 0 k q 4 5 串联电感：1 5 3 1 0 q h 了 匠江 l j 画 o d es c o p e 2 j 叵h 司y a k 1 r v a k 口1 书卜州”匮 t h ”e o r l 梦升“ i h ”s l o t e o p e 广 l 眦 1 1 。亓 t h y no r 蒜p e 2 e - - - - -7 i 而l “。 1 1 阿 1 ， l 。i 一 咱 一：。a 晕。：卜彳芘 “”： i 叶国 图 开关及电容模块动态补偿仿真实例 ( ) 动态补偿仿真 由图3 一 ( 仿真原理图左下脚为控制器脉冲信号输入口) 可以看出，与固定电 容补偿比较，动态补偿增加了开关子模块，开关子模块采用了二极管和可控硅反并 联的组合形式，且考虑到仿真是实际装置设计与元件选件的参考基础，特增加了二 极管和可控硅的电流、电压波形输出，参看其上电压、电流变化情况。由于在二极 管导通时，可控硅反向承受电压较大，出于保护可控硅考虑，降低可控硅两端电压， 电容子模块的串联电抗器改为角内串联接法，各仿真参数如下： 仿真参数：容性无功电容： 。6 6 ( 2 0 k v a r 4 0 k v a r ) 电容两端并联电阻：q 4 5 串联电感：1 1 1 0 。3 h ( 2 0 k v a r 4 0 k v a r ) 晶闸管阻容吸收回路： 2 0 q 呻 华北电力大学硕士学位论文 晶闸管降压电阻：0 0 0 1q 晶闸管导通门槛电压：3 0 v 二极管阻容吸收回路： 5 0 0 q2 5 0 1 0 。9 f 二极管降压电阻：0 0 0 1q 二极管导通门槛电压：0 8 v 当正常运行时，二极管及可控硅上电压、电流变化见图3 9 所示： a ) 二极管电流、电压波形( 上方为电流，下方为电压) b ) 可控硅电流、电压波形( 上方为电流，下方为电压) 图3 9 动补二极管及可控硅电流、电压波形 比较图3 - 9 二极管和可控硅的电流、电压波形可以看出，两者在电压波形体现 上是互补关系的，在电流曲线上两者反向截止，正向导通时电流曲线变化剧烈，波 华北电力大学硕士学位论文 动性较大，由于4 0 k v a r 整体为2 0 k v a r 的两倍，体现在电流、电压波形图上即为电 流值加倍，电压值相同，故未列出。 3 3 3 控制器模块 控制器是既是仿真设计的核心，又是具体装置实现的核心，无功补偿装置的控 制策略、仿真思想、脉冲触发、参数计算、保护控制等都是由控制器实现的，在仿 真中它包括三大主要模块及若干子模块，详见图3 一1 0 所示： 图3 - 1 0 仿真控制器基本原理结构图 由上图可以看出仿真控制器主要由信号采样及有功、无功、功率因数计算模块， 控制策略实现模块，触发单元三大主要模块组成，在触发单元由于动态补偿包括两 组电容补偿，因此有两组触发子单元，在每组触发子单元又包含锁相同步触发电路 和硅触发电路，以下分别介绍： t s cc o n t r o l l e r d 1 钿6 y q ! c h e n2 0 0 5 9 w h e n 砷科口m f r e q u e n c y i s 5 0 他p e r i o d i c t i m e j l2 0 n 筏a n d i f s a m p l i n gn u m b e rb f 0 2 4 t , m p l i n | t i m e ( t s ) i sl 9 5 3 1 2 5 e - s s t 图3 - 1 1 控制器仿真实现结构图 一 华北电力大学硕士学位论文 二_ 二二一一 控制器主要仿真参数：( 1 ) 系统频率：5 0 h z ( 2 ) 采样点数：1 0 2 4 t ( 3 ) 采样间隔：1 9 5 3 1 2 5 i 0 一s ( 1 ) 信号采样及有功、无功、功率因数计算模块 图3 1 2 信号采样及有功、无功、功率因数计算模块 在此模块首先将输入控制器由p t 、c t 测量所得的电压、电流送入有功及无功 计算子模块计算p 、q 值作为下一模块的输入数据，同时利用功率因数计算原理 c o s ：c o s ( a r c t a j l 垒) p 计算功率因数。 ( 2 ) 控制策略实现模块 f 峒 ( 3 一1 ) 图3 1 3 控制策略实现仿真模块 无功补偿控制基于简单实用的原则，以无功功率作为主要控制对象，辅以电压 2 9 华北电力大学硕士学位论文 控制，由于控制器控制的是动态电容投切，而上一级模块输入的是实际的无功缺额， 所以应首先减去固定补偿容量。考虑1 5 k v a r 定补，无功变化共有四级，分别为 1 5 k v a r 、3 5 k v a r 、5 5 k v a r 、7 5 k v a r ，其投切判据为： 当无功缺额q 。 3 0 k v a r ，投入1 5 k v a r 定补，两组动态控制电容不投入； 当无功缺额3 0 k v a r q c 5 0 k v a r ，投入2 0 k v a r 一组动补，4 0 k v a r 不投入； 当无功缺额5 0 k v a r q 。 7 0 k v a r ，投入4 0 k v a r 一组动补，2 0 k v a r 不投入； 当无功缺额q 。) 7 0 k v a r ，2 0 k v a r 和4 0 k v a r 两组动补均投入 仿真的投切逻辑见图3 - 1 3 所示。 ( 3 ) 触发单元 触发单元在接受到控制策略单元的控制信号后，启动触发，送信号给外部的开 关与补偿电容模块，完成晶闸管的触发与电容投入。触发单元的主要原理结构见如 图3 1 4 所示。 在图a 中可以看到，触发单元包括了两组触发子单元，它们分别触发2 0 k v a r 和4 0 k v a r 两组动态补偿电容器组，在每组触发单元内部又具有较为复杂的结构， 详细分块如图b 所示，其中由锁相同步信号基准产生与调整单元、同步信号产生与 激发单元、1 号触发脉冲产生单元、2 号触发脉冲产生单元共四个模块单元组成。 a ) 触发单元整体仿真原理结构图 3 0 华北电力大学硕士学位论文 一一 p u s ef i r l n g c o r r e c u o n f o rd e l a y 3 3 4 显示控制模块 b ) 每一触发单元内部仿真原理结构图 图3 一1 4 触发单元仿真原理结构图 g e n e r a t ef i r i n g p u l s e sf o rt s c 2 显示控制模块主要完成主要数据的图形显示与分析，在此模 主要数据的显示与分析，即采样电压、采样电流、无功功率缺额 3 4 无功补偿装置的m a t l a b 仿真结果及数据分析 块中主要完成四组 补偿后功率因数。 a ) 采样电压波形 3 1 华北电力大学硕士学位论文 二- 二= 二二二一一 b ) 采样电流波形 c ) 无功功率缺额 d ) 补偿后功率因数变化 图3 1 5 无功补偿装置仿真运行结果 首先，由图a 分析看出，采样电压波形在基于正弦波形的基 的仿真时间内，多处都发生了畸变，如在0 2 - 0 5 s 时间内其 础上，在整个0 5 s 多处都偏高，而在 o 2 6 0 3 s 时间内其均值偏低，整体上电压幅值波动频繁，波动范围大。 3 2 华北电力大学硕士学位论文 其次，分析图b 仿真波形，采样电流波形严重失真，畸变情况严重，且波动范 围大，波动非常剧烈，在实际现场调研时情况也是如此，当负荷正常运行时，负荷 附近的电流表波动经常波动到最大刻度保持不动，因此证明仿真结果确实反映了现 场的基本情况。 再次，图c 无功缺额仿真情况可以看出，电机在经过0 0 5 s 的启动时间后，系 统进入正常运行状态，负荷运行引起的无功功率缺额随时间变动剧烈，在0 5 s 的 仿真时间内，无功缺额最小己不足i o k v a r ，最高无