（电机与电器专业论文）晶闸管控制电抗器（tcr）控制方法的研究及实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 晶闸管控制电抗器( t c r ) 型静止无功补偿装置( s v c ) 由于其对快速波动负荷 补偿的良好效果，成为近年来无功补偿的热点。本文对s v c 的各种装置进行了 介绍，研究了t c r 型s v c 的原理和控制方法，特别分析了1 2 脉波t c r 的谐波特 性；引入了基于三角波调制的无功电流检测方法，并在此基础上设计了以a v r 单片机为核心的动态无功补偿装置控制器。在控制器硬件电路的基础上，利用c 语言进行软件编程实现了控制器对装置的自动控制。通过变电站的现场实验证 明控制器能够准确、快速、可靠的控制t c r 实现对波动负荷的快速补偿。 关键词：晶闸管控制电抗器，1 2 脉波，无功电流检测，a v r 单片机 a b s t r a c t s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) b a s e do nt h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r 汀c r ) h a s g o o dc o m p e n s a t i o n - p e r f o r m a n c ef o rr a p i dc h a n g i n gl o a d ，s oi th a sb e c o m eah o t s p o t i nr e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e la l le q u i p m e n t so ft h es v c f a m i l yi si n t r o d u c e d ，t h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o lo nt c ri ss e a r c h e d ，e s p e c i a l l yf o r t h e1 2 - p l u s e t c r sc h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i c ad e t e c t i o na p p r o a c ht oh a r m o n i c sa n dr e a c t i v e c u r r e n t sb a s e do ns i n em o d u l a t i o ni si n t r o d u c e d b a s e do nt h i st h e o r y ，ad y n a m i c v a rc o m p e n s a t o rc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dw i t ha v rm i c r o c o m p u t e r o nt h i sh a r d w a r e p l a t f o r m ，a u t o m a t i cc o n t r o lo ft h ee q u i p m e n ti sr e a l i z e db yp r o g r a m m i n gi nt h ec l a n g u a g e i th a sb e e nt e s t e db yt h ee x p e r i m e n t a t i o ni nt h es u b s t a t i o n t h a t t h i s e q u i p m e n tc a nc o m p e n s a t ec h a n g i n gl o a da c c u r a t e l y ，r a p i d l ya n dc r e d i b l yc o n t r o l l e d b yt h i sc o n t r o l l e r l o n gy u n b o ( e l e c t r i cm a c h i n e r ya n da p p l i a n c e s ) d i r e c t e db yp r o f l i ux i a o f a n g k e y w o r d s ：t h y r is t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ( t c r ) ，1 2 一p l u s e ，r e a c t i v ec u r r e n t d e t e c t i o n ，a v rm i c r o c o m p u t e r 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文晶闸管控制电抗器( t c r ) 控制方 法的研究及实现，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： 是幺i 趁。 日期：2 p d 6 年j 目b 目 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：逸导师签名：主蚴 日 期：兰望竺i 缸目! 四 日期：宴= 兰，! 寥 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的意义及并联无功补偿技术的发展“h 盯“” 电力系统由发电系统、输电系统、配电系统和用电系统四大部分构成，由于电 能不能大量存储，所以发电、输电、配电和用电必须同时进行，也即电力系统必须 始终保持平衡。输电系统的目的是将电能从发电厂输送到配电系统所在的负荷中 心，是能否为用户提供安全可靠的电能的关键之一。由于我国幅员辽阔，能源分布 不均，“西电东送，南北互供”是我国电力系统发展的基本国策。因此也决定了我 国电力系统输电网庞大，存在大量的远距离输电线路。而输电系统本身缺乏有效的 控制手段，因此输电系统也是电力系统的薄弱环节之一。在输电系统安装并联动态 无功补偿装置，是提高输电系统传输能力，提高电力系统暂态稳定性，改善系统动 态性能，阻尼电力系统振荡的有效手段。 对于配电网来说，配电网中为数众多的异步电动机和变压器等设备要消耗大量 的无功功率。这些无功功率如果不能及时地得到补偿，会对电网安全、稳定运行产 生不利影响：一方面，无功功率的增加会导致电流的增大，不仅使设备及线路的损 耗增加，还会威胁到设备的安全运行；另一方面，电流和视在功率的增大会导致发 电机、变压器及其他电气设备容量的增加，电力用户的启动及控制设备、测量仪表 的尺寸和规格也要相应加大，这使得电网的经济运行大打折扣；另外，无功储备的 不足会导致电网电压水平的降低。如果是冲击性的无功功率的负载，还会使电压产 生剧烈的波动，例如电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，使电 网的供电质量更加恶化。当前，人们对电能质量的要求越来越高，保持适量的无功 裕度是电网安全、稳定、经济运行的重要保障。 对于6 2 2 0 k v 电网，由于系统用户负荷通常为感性，一般采用固定电容器组 进行集中或分散补偿，以提高功率因数，降低损耗。当负载运行处于低谷时期，若 不切除电容器组( 实际上大部分情况便是如此) ，剩余的容性无功会在线路中流动 造成电压波动和损耗增加，很难实现对系统无功功率的动态补偿。同步调相机一度 在电力系统无功功率控制中发挥着主要作用，但由于它是旋转电机，因此损耗和噪 声较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下无法适应快速无功功率控 制的要求。 随着大功率电力电子器件制造水平的不断提高，晶闸管等电力电子器件的耐压 水平和载流能力的有了很大的突破，使得利用高压大容量快速的电力电予开关代替 机械开关成为可能。伴随着直流输电和工业逆变装置的研究和开发工作的开展，在 华北电力大学硕士学位论文 二十世纪7 0 年代出现了静止型无功补偿装置( s v c ) ，并在随后的二十多年的实践中 在一些发达国家的电力系统得到了广泛的应用。 i e e e 将静止型无功补偿器( s v c ) 定义为一种并联型的静止无功发生器或者吸收 器，其输出可以调节以交换容性或者感性电流，从而维持后者控制电力系统中的某 些特定参数( 一般为母线电压) 。1 。目前已投入实用的s v c 装置包括自饱和电抗器 ( s r ) ，晶闸管投切电容器( t s c ) ，晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管控制高抗变压器 ( t c t ) 等。 由于s r 型静止无功补偿装置不能附加其他控制信号，因此控制灵活性较差， 运行噪声大，为降低噪声对环境的影响，有时要专门为饱和电抗器建造一个隔音室。 不能分相调节，不能直接与超高压连接，由于自饱和电抗器在额定电压时铁芯需要 工作于饱和状态，磁通密度较高，铁芯截面积比普通变压器要小，所以单位容量损 耗大，且散热较难，制作要求高。自然相对来说价格较高。 晶闸管投切电容器( t s c ) 是用晶闸管代替普通开关对多组电容器进行投切， 补偿方式为分级补偿，优点是效率高( 9 9 。5 9 9 7 ) ，不产生谐波，多用于低 压配电系统。缺点是不能连续调节，同时因为电容应在系统电压与电容残压相等时 才能投入，所以响应速度较慢。 t c t 型s v c 虽然是t c r 型s v c 的变形，但有其自身的缺点，由于高漏抗变压器 的漏磁大，对漏磁屏蔽和无磁性夹件的技术措施要求较高；由于t c t 变压器一、二 次绕组损耗都很大，效率比t c r 低的多，另外动态响应时间较长，噪声大。如果需 要与并联电容器配合使用，则电容器只能接在一次侧的高压母线上，这显然又增加 了成本。 晶闸管控制电抗器+ 固定电容器( t c r + f c ) 是目前最理想的s v c 补偿方式。 由于晶闸管的触发角可以连续调节，所以接入的补偿容量可以连续跟踪负载的变 化；对各相的导通角分别控制，就可以对三相不平衡负载进行平衡化补偿，且装置 中的固定电容器( f c ) 具有较好的滤波效果，不仅能将t c r 本身产生的谐波滤除， 而且还能将负荷波动产生的谐波滤去，以减少对系统电能质量的影响。而且这种装 置还具有维修方便，损耗小的特点。由于其具有连续调节的性能且响应迅速，使得 它在校正动态无功负荷的功率因数、改善电压调整、提高电力系统的静态和动态稳 定性、阻尼功率振荡、降低过电压、阻尼次同步振荡、减少电压和电流的不平衡方 面都有较好的作用，而且维护简单、成本较低。 一定容量的s v c 装置不仅可以在一定范围内改变输电系统的节点电压，而且可 以对输电系统传输的有功功率进行控制( 虽然其本身并不产生有功功率) ，因此在 电力系统受到扰动的过程中，并联在输电系统中的s v c 装置可以控制节点电压和线 路功率，从而缩短输电系统的过渡过程，改善过渡过程中状态量的超调，抑制状态 量的振荡。以华中电网凤凰山5 0 0 k v 变电站装设的两套s v c 装置( 在变压器3 5 k v 华北电力大学硕士学位论文 侧) 为例，它以毫秒级的速度对2 2 0 k v 母线设定电压进行连续的无级调压，在湖北 电网中取得了非常好的电压调节效果，且大大提高了湖北电网的运行稳定度，稳定 计算表明风凰山两套s v c 装置在提高电网稳定度方面相当于i o o m w 的稳定措施0 1 。 电力系统的实践表明，电力系统发生故障后，往往是因为故障期间和故障切除后系 统电压低导致暂态稳定性差，而采用s v c 可以有效的提高故障期问系统的电压并使 故障切除后系统快速恢复到额定电压，因此可以大大提高电力系统的暂态稳定极 限。 由于发电机输出的电磁功率正比于节点电压，因此如果能控制节点电压即可阻 尼振荡。而s v c 通过控制注入节点的无功功率可以控制节点电压在一定范围内变化， 因此合理控制s v c 的无功功率补偿容量可以增强系统阻尼，阻尼系统振荡。由于s v c 采用电力电子器件进行控制，其无功功率补偿响应速度快，不仅可以阻尼低频的功 率振荡，还可以阻尼次同步振荡和超同步振荡。 虽然t c r 型s v c 具有上述优点，但也存在许多缺点。首先，限于目前晶闸管阀 的制造水平，t c r 接入6 k v 电压等级以上的电网时需要器件串联以承受高电压；其 次，晶闸管阀要求精确的控制和复杂的过压、过流保护装置，控制不当，还会产生 直流分量使变压器饱和；同时，t c r 会产生较大的谐波电流，因而需添加辅助滤波 装置；最后，高压晶闸管的价格颇为昂贵。 随着国家西电东送、南北互供和全国电网互联战略的实施，为了提高电网输电 能力和系统稳定性，须因地制宜的采用动态无功补偿技术。在超高压输电系统电网 中，目前规划的静止补偿工程有：广西来宾变1 5 0 m v a r 的s v c 工程；西电东送交流 通道考虑在惠水、河池各加一台1 3 5 m v a r 的s v c 装置；西电东送广东受端考虑在西 樵和石排各装设1 5 0 m v a r 的s v c 装置；四川二滩变电站需装设2 5 0 m v a r 的s v c 装置： 西北7 5 0 k v 正在规划3 0 0 m v a r 4 0 0 m v a r 的s v c 装置以及福建和华东联网点装设一 定容量的s v c ；此外，华东、华北、东北、四川等电网在电网规划中也考虑在输电 通道和电压支持薄弱的地区采用静止补偿。这还不包括淘汰同步调相机的更新替代 ( 仅辽宁电网就有四台调相机需要逐步替换) ，市场前景十分广阔。对照外国电网 动态无功支撑规模，我国电网需要将近1 0 0 套s v c ( 容量在l o o m v a r 4 0 0 m v a r ) ， 如果按照国内市场价格1 8 0 元k v a r ，而国外对应价格约为4 0 0 元k v a r ，庞大的需 求和国内外补偿容量巨大的差价使得s v c 的国产化步伐刻不容缓。1 。 虽然近几年基于变流器的s t a t c o m 比起s v c 具有更好的动态补偿性能，但从经 济性、装置容量、技术现状、可靠性和发展趋势等各方面综合考虑，在未来相当长 的一段时间内，s v c 仍将是大量采用的动态无功补偿技术，s t a t c o m 通过实验性工 程，距离规模化应用还需要相当长的时间，现在仍处在先导示范阶段。 由此，开发一种由多组低压t c r 无功单元模块并联后通过多绕组变压器接入系 统，不但具有t c r 的各种优点，同时也具有注入系统谐波小、无需额外的滤波装黄， 1 华北电力大学硕士学位论文 避免了器件串联、降低了器件成本、提高了系统可靠性，采用低压模块结构、便于 系统容量扩展及冗余设计，触发控制及散热系统设计简单等特点的s v c 装置是很有 实用价值的。 1 2 国内外研究动态及存在的问题川7 h ”1 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿 装置推上了电力系统无功功率控制的舞台。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 ( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的支持下，西屋电气公司( w e s t i n g h o u s e e 1 e c t r i ec o r p ) 制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。到2 0 世纪 9 0 年代，基于t c r 的s v c 装置在国外电力系统中得到相当广泛的应用。最大补偿容 量已达1 0 0 0 m v a r 以上，应用的最高系统电压为7 6 5 k v 。以日本为例，日本1 9 7 2 年 引进该技术，到2 0 0 1 时，日本共生产s v c 装置2 6 4 台，总容量达到9 0 1 8 m v a r 。其 中日本国内安装l i k v 以上的s v c 装置1 5 2 台，装置容量为5 6 2 3 9 m v a r ”1 。英国国 家电网有3 2 套各种s v c 装置在输电网运行，以提高北爱尔兰向南部伦敦等负荷中 心电力的输送能力和稳定受端电压。s v c 目前仍作为输配电系统动态无功补偿的主 要实用技术手段之一，至今全世界有近4 0 0 套s v c ，总容量约3 0 g v a r 的s v c 在输配 电系统运行；超过5 0 0 套、总容量约2 5 g v a r 的s v c 在工业部门使用。其应用领域 包括输配电系统、高压直流输电( h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ，h v d c ) 换流站的 无功补偿和抑制电弧炉等大型冲击负荷造成的电压波动等。1 。 目前世界上几个著名的电气生产产商( 如瑞士a b b 公司、德国西门子公司、法 国阿尔斯通公司、美国通用电气公司以及日本东芝、三菱等公司) 在s v c 装置的研 制方面都具有较为成熟的技术和经验。其中以a b b 公司在其中的份额最大。截止到 2 0 0 5 年9 月，a b b 公司己给世界各国提供近4 0 0 套s v c 装置( 其中输电网s v c 约1 8 3 套，总容量3 8 5 5 5 m v a r ) ，每年仍提供约8 套左右的s v c 装置，a b b 公司2 0 0 5 年将 向输电网提供7 套s v c ，2 0 0 6 年已接到5 个订单，如表1 1 所示“。 表1 1a b b 公司2 0 0 6 年度s v c 工程”1 用户国家或地区电压等级容量投运时间 ( k v )( m v a r ) t r a n s - e l e c ti n c 智利 2 2 01 l o2 0 0 6 p u e r t om o n t ts v c c f e p i d i r e g a s8 0 6墨西哥 4 0 03 9 02 0 0 6 4 华北电力大学硕士学位论文 a e p m cc a m e y d i l l e y 美国 6 99 02 0 0 6 a e p m cc a r n e y 美国 6 99 02 0 0 6 - a i r l i n e a e p m cc a r n e y c r a n e 美国 6 99 02 0 0 6 我国输电系统早在1 9 8 1 年就将a b b 公司的第九套和第十套s v c 引进，投入风 凰山变电站，至1 9 9 0 年总共有五个5 0 0 k v 变电站( 广东的江门、湖南的云田、湖 北的凤凰山( 两套) 、河南的小刘以及辽宁的沙岭) 采用6 套进口s v c 装置，容量 在1 0 5 一1 7 0 m v a r 之间，型式为t c r + t s c 或者固定电容器组( f c ) ”3 。他们都在历史上 发挥过重要的作用，如：郑州s v c 使河南南北联络线输送功率极限可提高5 ；5 0 0 k v 葛岗云线路稳定极限提高8 ，并有效稳定了2 0 0 k v 母线电压；辽宁网5 0 0 k v 辽沙线 并联电抗器1 9 9 0 年1 1 月发生故障，5 0 0 k v 电压高达5 5 0 k v ，沙岭s v c 投入后，5 0 0 k v 电压迅速降低到正常水平；广东江门s v c 投入为稳定电网电压起到了重要的作用； 风凰山s v c 对湖北电网安全、经济运行作用巨大，对抑制5 0 0 k v 过电压，增加“西 电东送”输送容量、保证系统电压稳定、改善电网电压水平、降低高压电网网损意 义重大。遗憾的是这些s v c 都因为种种原因陆续退出运行，并对s v c 技术面向电 网应用产生了一定的负面影响，其主要原因是： 早期国外供货商对中国电网了解不够，初期投运时，s v c 与系统之间相互作 用问题比较突出。 早期控制系统采用模拟技术，运行可靠性差，自动化程度较低，对运行人 员素质要求较高；而8 0 年代，我国该方面人员素质又不能够适应装置运行 的要求，使得投运率不高。 因空间距离、费用和语言等方面的原因，使得后期技术服务没有跟上，又 没有必要的升级措施。 国内的理论研究及探讨的文章不少，但国产化产品的开发、生产缺少实质性的 工作。原机械部于1 9 8 5 年从瑞士b b c 公司引进s v c 制造技术，水冷却、光电触发， 但控制器仍采用模拟技术，未能得到广泛推广。鞍山荣信公司于9 0 年代引进乌克 兰t c r 型s v c 技术，采用热管散热、电磁触发，控制器采用单片机等一系列技术， 由于总体技术落后，但其价格较低、机制灵活，在国内钢铁行业推出得到了较广泛 的应用。1 9 9 9 年中国电科院在原国家电力公司的资助下开始了“静止无功补偿器实 用化技术的研究”，并在2 0 0 2 年推出了t c r 平台，采用了全数字化控制、封闭式纯 水冷却、综合自动化、光电触发等技术，并将其成功运用于电弧炉的治理工程。但 就输电网而言，对于高压大容量的s v c 国内尚不具备制造能力，特别是关键技术的 系统集成能力。目前国内一些产家也推出了自己的t c r 型s v c 产品，但大多仍以低 华北电力大学硕士学位论文 压产品为主，主要的生产产家有鞍山荣信公司、北京金白天正公司( 冶自院) 、中 国电力科学院、保定三伊公司、西安电力电子研究所、深圳波宏公司等。 近几年随着晶闸管控制技术的臼趋成熟，其产品价格也大幅度降低，但其耐压 和载流能力的限制，晶闸管仍需串联以承受高压以完成对电抗器的移相控制，使得 主电路的结构复杂，而由于晶闸管串联带来的均压、保护以及状态检测等问题，进 一步增加了主回路的复杂程度，也使得控制器的需要处理的数据量大大增加，增大 了控制器的实现难度。另外，工作损耗导致的温升需要采用复杂的冷却技术来抑制， 而目前大容量应用中的水冷及热管技术均有不足，前者成本很高，后者体积巨大。 使得国产s v c 在国内中高压配电系统中仍难以得到大规模的推广应用。 1 3 论文的工作 针对现在s v c 装置存在的诸多缺点，本文旨在利用低压器件构成高压的新型动 态无功补偿与滤波装置，使其具有谐波小、响应快、冷却系统简单、可靠性高、成 本低廉的优点。并在该装置的基础上，对各种控制方法进行比较，确定适用于t c r 且速度较快，易于实现的控制策略和方法，根据所选定的控制方法，确定控制器的 硬件结构，设计基于a v r 单片机的硬件电路，开发出基于该装置的针对具体选用算 法的t c r 动态无功补偿控制器，并将其作为试点在廊坊大王务变电站挂网试运行， 检验解决大王务变电站负荷波动大，谐波严重超标，电能计量装置大量损坏，电量 严重丢失等问题的实际效果，并将试点经验推广应用于廊坊其它变电站。具体的工 作分为以下几个部分： 较深入的研究t c r 的工作原理、控制方法和无功功率补偿方法，在综合比较的 基础上确定所用的基本控制策略，研究控制量的测量方法，确定相应的补偿途径， 设计出具体的控制流程。 研究a v r 单片机的使用，包括其各种模块的功能、内部资源和编程方法等，并 根据所确定的控制流程，划分控制器的硬件结构，设计实现具体控制流程的硬1 年电 路，包括控制所需的信号量的采集及调理，单片机的控制电路以及晶闸管的触发电 路。 针对a v r 单片机具有大的数据存储空间的特点，对基波无功电流检测的算法进 行相应优化。对可以离线计算的数据，均先离线计算然后将计算结果存贮到单片机 的f l a s h 当中，尽量减少由单片机承担的计算工作，从而增强了单片机的运行效率。 根据设计的硬件电路，在a v r 的开发环境i c ca v r 下利用c 语言编写单片机的 控制程序，从而准确、快速的实现既定的控制策略。 将开发的装置进行现场试验，以实现对整个s v c 装置的性能的检测，从而检验 控制器控制的准确性、快速性以及可靠性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章t c r 型动态无功补偿装置的基本原理 2 1s v c 补偿原理 2 1 1s v c 的定义及分类“瑚脚”1 s v c 是目前世界电力系统应用最多、最为成熟的并联补偿设备之一，它也是 类较早得到应用的f a c t s 装置。i e e e 将静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ， s v c ) 定义为一种并联型的静止无功发生器或吸收器，其输出可以调节以交换容性或 者感性电流，从而维持或者控制电力系统中的某些特定参数( 一般为母线电压) 。 它包括与负载并联的电抗器或者电容器，或者二者的组合，且具有可调或者可控部 分。可调或可控电抗器包括晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ， t c r ) 、晶闸管投切电抗器( t h y r i s t o rs w i t c h e dr e a c t o r ，t s r ) 、饱和电抗器 ( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) 和晶闸管控制变压器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r t c t ) 。电容器一般包括与谐波滤波电路结合在一起的固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r ， f c ) 或者机械投切电容器( m e c h a n i c a l l ys w i t c h e dc a p a c i t o r ，m s c ) ，或在需要对 电容进行高速或者非常频繁投切时所采用的晶闸管投切的电容器( t h y r i s t o r s w i t c h e dc a p a c i t o r ，t s c ) 等形式。对各种s v c 装置分别进行详细介绍如下： i ) 饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) 饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) 可分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器 两种。自饱和电抗器是在电力系统中较早得到发展和应用的一种并联补偿设备，它 不需要调节器而依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压。它一般由一个多相的谐波 补偿自饱和电抗器与一个可投切电容器并联组成，电抗器对无功功率实施控制，而 电容器提供超前功率因数的偏置。简单的铁心饱和电抗器不能作为这种补偿起来使 用，因为它会导致电压和电流波形的严重畸变，所以饱和电抗器的谐波通过采用特 殊设计的多路耦合心式三一三型电抗器来最小化。可控饱和电抗器通过调节晶闸管 的导通角以改变饱和电抗器控制绕组中电流的大小来控制电抗器铁心的工作点磁 通密度，进而改变绕组的电感值，及相应的补偿的无功功率。和自饱和电抗器相比， 它能够更好地适应母线电压变化较大的情况，但仍具有振动和噪声大的缺点。由于 饱和电抗器是在高度磁饱和状态下运行的，电抗器呈现的动态电抗基本上是绕组的 漏抗，因此时间常数很小，响应很快。实测表明，这种装置在冲击发生后的6 l o m s 即起作用，当振荡阻尼回路参数选择合适时，调节过程在几个周期内即达到稳定。 但它与t c r 相比，饱和电抗器的损耗要相对较大( 达到其额定容量的0 7 1 ) 。 它通常应用在控制电压的大幅偏移、缓解电压闪变、在直流输电终端进行无功补偿 等领域。商用饱和电抗器的补偿容量己达2 7 0 m v a r ， 7 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ，t c r ) 晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ，t c r ) 是s v c 中最重要的 组成部件之一，尽管t c r 可以单独使用，但它更经常地与固定电容器或者晶闸管投 切电容器相结合，在选定的超前一滞后补偿范围内对无功功率实施快速、连续的控 制。关于它的结构、补偿原理、控制方法将在下一节作详尽的论述。 3 ) 晶闸管投切电抗器( t h y r i s t o rs w i t c h e dr e a c t o r ，t s r ) 晶闸管投切电抗器( t h y r i s t o rs w i t c h e dr e a c t o r ，t s r ) 是t c r 的一种特例， 它没有使用变触发角控制，而只工作在两种状态：全导通或者全关断，此时电抗器 中的稳态电流为纯正弦。t s r 提供固定的感性阻抗，当接入系统时，其中的感性电 流与接入点的母线电压成正比。t s r 能够保证为系统提供非常快速的额定感性无功 功率。当需要一个大容量的可控无功功率时，可以将该功率的一部分由容量较小的 t s r 来承担，剩余部分再由t c r 来提供。这种设计与单纯利用t c r 来补偿相比，装 置的损耗和谐波含量都有较大幅度的减小。 4 ) 晶闸管控制变压器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r ，t c t ) 晶闸管控制变压器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r ，t c t ) 是一种特殊设 计的高漏抗变压器( 漏抗典型值为1 0 0 ) ，其二次绕组通过反并联的晶闸管对来组 成回路，如图2 1 所示。t c t 通过控制晶闸管的触发角就能提供连续变化的无功功 率。t c r 型s v c 将变压器和电抗器两种设备合并成一种设备而大大减小了成本。此 外，t c t 的铁心具有极大的过载能力，而这是传统的空心t c r 所不具备的。t c t 的 有效电抗通过对相应晶闸管阀对的触发角进行控制，在不同时刻短接二次侧三角形 连接的绕组来改变的。阀的触发与一次相电压的过零点同步。在任何瞬间，给定相 绕组中的电流等于本相晶闸管阀触发导通形成的电流与流过其他两相绕组的电流 之和，流过其它两相绕组的电流实际上受其他两相对应晶闸管阀的控制。当触发角 在1 5 0 。1 8 0 。之间时，两个阀的导通时段不会重叠，但当触发角在1 2 0 。1 5 0 。时，两个阀的导通时段就会重叠。因而就会产生两种电流波形。当触发角为1 2 0 4 时，达到全导通状态，与t c r 触发角为9 0 。的情况相对应。这样，t c t 的总的可 控范围是1 2 0 。a 1 8 0 。t c t 型s v c 实际上是将常规t c r 中的耦合变压器和电 抗器合二为一，其基本工作原理和t c r 相同，同样需要固定的电容支路提供容性无 功并兼作滤波器。由于高阻抗变压器次级电压可以取得较低，如i k v 左右，在单个 晶闸管器件的工作电压以内，所以主电路和门极电路的绝缘均变得简单，安装容易。 t c t 型s v c 的主要缺点是制造特种变压器是的投资成本很高。此外，由于没有了降 压变压器，电容器和滤波器必须安装在高压母线上，从而需要高额定电压的无源元 件并导致成本增加，但对于超高压或者特高压系统来说，t c t 的特定结构巧妙的避 免了在高压环境下晶闸管阀组为承受高电压而必须的数量巨大晶闸管阀组的串联， 从而也避免了由于晶闸管阀组串联带来的一系列问题，所以t c t 型s v c 在高电压等 8 华北电力大学硬士学位论文 级电网中应用前景十分广阔。目前，最大的t c t 型静止无功补偿器安装在加拿大魁 北克系统上，额定容量+ 3 5 0 m v a 、一i o o m v a ，额定电压为7 3 5 k v 。 图2 1 晶闸管控制变压器结构 5 ) 晶闸管投切电容器( 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 ) i e e e 将晶闸管投切电容器( t h y r i s t o l “s w i t c h e dc a p a c i t o t ，t s c ) 定义为一种 并联型晶闸管投切电容器，通过控制晶闸管阀为全导通或者零导通，它的有效电抗 是阶梯型变化的。它的单相电路如图2 2 a ) 所示。其中的两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的，在很多情况下，这个电感往往不画出来。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的伏安特性，即如图2 2 b ) 中0 a 所示。在工程实际中，一般将电容器分成凡组，每组都可以由晶闸管投切。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容性无功 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 b ) 中的0 a 、o b 或者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，每一项都可以设计成分组投切的。 1 0 il 图2 2t s c 的基本原理 a ) 单相结构简图b ) 电压电流特性 电容器的分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越 好，但综合考虑到系统复杂性以及经济性问题，可以采用所谓的二进制方案，即采 用k 1 个电容值均为c 的电容，和一个电容值为c 2 的电容，这样的分组法可使组 9 华北电力大学硕士学位论文 合成的电容值有2 k 级。 电容器的分组投切在较早的时候大多都是用机械断路器来实现的，这就是机械 投切电容器( m e c h a n i c a l l ys w i t c h e dc a p a c i t o r ，m s c ) 。和机械断路器相比，晶闸 管的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，以减少投切时 的冲击电流和操作困难。另外，与t c r 相比，t s c 虽然不能连续调节无功功率，但 具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点。因此，t s c 己在电力系统获得了较广 泛的应用，而且有许多是与t c r 配合使用构成t c r + t s c 混合型补偿器。 总的来说，没有任何一种s v c 可以万能地满足所有无功功率补偿的要求。选择 特定结构的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，t s c + t c r 是迄今为止最为通用的一种s v c 结构，尽管其费 用较高。表2 1 对不同结构的s v c 以及传统的同步调相机的性能进行了详细的比较。 表2 1 不同无功功率补偿装置性能比较“ 序 指标同步调 s rf c + t c r f ct s ct s c + t c rm s c + t c r 号相机 十t c t 1 控制范围 感性、感性 感性、容性容性感性、容 感性、容 容性 性 性 2 控制性质连续、连续、内在连续、外加连续、连续、外 连续、外 外加外加加加 3 响应时间慢快，与系快。与系统快，与快，与控中。与控 统、斜率校和控制有控制有 制有关 制有关 正电容器关关 和滤波电 容器有关 4 控制能力： 电压控制 好有限好有限好好 辅助稳定信号有限无好无好好 按相控制有限有限好有限好好 5 谐波产生无很小，最低小，需要滤无小，需要小，需要 次谐波为波器滤波器滤波器 1 7 次 6 过电压限制和很好 很好，受斜较小 无 较小 较小 过负载能力率校正电 容器限制 7 旋转惯量有无无无无无 8 频率偏移的敏有无无无无无 感性 9 损耗较小，较小，随滞较小，随滞较小，小，与结小 有旋转后相电流后相电流 随超前构有关 损耗的增大而 的增大而电流的 增大增大增大而 增大 1 0 华北电力大学硕士学位论文 l o 与超高压直联不能不能t c r 不能不能不能 t c r 不 t c t 、f c 可能，m s c 以可以 l l 投入系统慢快且直接。在控制作在控制在控制作在控制 有暂态过 用下快，暂 作用下用下快，作用下 程 态分量最快，有有暂态过快，有暂 小 暂态过 程 态过程 程 2 1 2s y g 的补偿原理”1 对电路系统中的无功功率进行快速的动态补偿，可以实现对动态无功负荷的功 率因数的校正、改善电压调整、提高电力系统的静态和动态稳定性、阻尼系统振荡、 降低过电压、减少电压闪烁、阻尼次同步振荡、减少电压和电流的不平衡。应当指 出的是，以上这些功能虽然是相互关联的，但实际的静止无功补偿装置往往只是对 其中某一条或者某几条为直接控制目标，其控制策略亦因此而不同。因此，这些功 能有的属于对一个或者几个在一起的负载的补偿效果( 负载补偿) ，有的则是以整 个输电系统性能的改善和传输能力的提高为目的( 输电补偿) ，而改善电压调整， 提高电压稳定度，则可以看作是两者的共同目标。 v h l 生 ， 巩 口， 砷b 1 图2 3 无功功率动态补偿原理 a ) 单相电路简图b ) 动态补偿原理 图2 3 a ) 所示为系统、负载和补偿器的单相等效电路图。其中，u 为系统电压， r 和x 分别为系统电阻和电抗。设负载变化很小，故有u u ，则假定r 孑时， 反映系统电压与无功功率变化的特性曲线如图2 3 b ) 中实线所示，由于系统电压变 化不大，其横坐标也可以换为无功电流。可以看出，该特性曲线是向下倾斜的，即 随着系统供给的无功功率q 的增加，系统电压下降。由电力系统中的分析可知，系 统的特性曲线可近似用下式表示： 弘啪一毒 ( 2 - 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 或者写为 一a u 丝( 2 - 2 ) u os s c 式中“一一无功功率为零时的系统电压； s 。系统短路容量。 由式( 2 一1 ) 和式( 2 2 ) 可知，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。 投入补偿器之后，系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即 q 一现4 - q ，( 2 3 ) 因此，当负荷无功功率q 。变化时，如果补偿器的无功功率q ，随现反方向变化， 以使得q 保持不变，即q 一0 ，则a u 也将为零，从而供电电压保持不变。 2 2 晶闸管相控电抗器( t c r ) 2 2 1t c r 基本原理 t c r 是s v c 中最重要的组成部件之一，i e e e 将晶闸管相控电抗器( t c r ) 定义为 一种并联型晶闸管控制电抗器，通过控制晶闸管的导通时间，它的有效电抗可以连 续变化”1 。如图2 4 所示，基本的单相t c r 由反并联的一对晶闸管阀z 、瓦与一个 线性的空心电抗器相串联组成。反并联的一对晶闸管就像一个双向开关，晶闸管阀 e 在供电电压的正半波导通，而晶闸管阀疋在供电电压的负半波导通。晶闸管的触 发角以其两端之间电压的过零点时刻作为计算的起点。 t j 图2 4t c r 基本缩构 t c r 触发角口的可控范围是9 0 。1 8 0 。当触发角为9 0 。时，晶闸管全导通， 此时t c r 中的电流为连续的正弦波形。当触发角从9 0 。变到接近1 8 0 。时，t c r 中 的电流呈非连续脉冲形，对称分布于正半波和负半波。当触发角为1 8 0 。时，电流 减小到零。当触发角低于9 0 。时，将在电流中引入直流分量，从而破坏两个反并联 阀支路的对称运行。所以一般在0 。9 0 。范围内调节。通过控制晶闸管的触发延 时角，可以连续调节流过电抗器的电流，在0 ( 晶闸管阻断) 到最大值( 晶闸管全 华北电力大学硕士学位论文 导通) 之间变化，相当于改变电抗器的等效电抗值。晶闸管一旦导通，流经晶闸管 电流的关断将发生在其自然过零点时刻，这一过程称为电网换相。而t c r 是按电网 换相方式运行的。电网换相过程的一个特征是一旦阀开始导通，任何触发角的变化 只能在下半个周期中起作用，从而导致所谓的晶闸管死区时间。 设电源电压为标准的正弦信号，即 k v s i n “ ( 2 - 4 ) 其中，矿为电源电压的峰值：出为所加电压的角频率。则t c r 的电流可由如下微分 方程描述： l 口d f - v ，( t ) 一0 ( 2 - 5 ) 式中的是t c r 的电抗值。所以 f ( t ) 。玄p ，( o d t + c ( 2 - 6 ) 结合式( 2 4 ) ，得到 f o ) t 一二。= - c o s t o t + c( 2 - 7 ) 由边界条件l 衙a 8 ) 一0 ，得到 f ( f ) 一一( c o s c o s 耐) ( 2 - 8 ) 其中，口是触发角，以所加电压从负变正过零点作为时间起点。通过傅里叶分析， 可以导出t c r 电流的基波分量有效值 ，。( 口) 。乓( 1 一丝一三s i n 2 a ) ( 2 - 9 ) 将导通角仃定义为仃一石一2 a ，则式( 2 - 9 ) 可改写为 ，( a ) ；导仁蔓业) ( 2 1 0 ) 式( 2 - 9 ) 也可以改写为 ，l ( 口) 一助 ) ( 2 1 1 ) 式中 口r ( 8 ) 。( 1 一丝一三s i n 2 a ) 。b u , a ( 6 r - s i n 坐) 2 1 2 ) 从式( 2 1 1 ) 和( 2 一1 2 ) 可以看出，t c r 的作用就像一个可变电纳，改变触发角就 可以改变电纳值，因为所加的交流电压是恒定的，改变电纳值就可以改变基波电流， 从而导致电抗器吸收无功功率的变化。但是，当触发角超过9 0 。以后，电流变为非 正弦的，随之就产生谐波。如果两个晶闸管在正半波和负半波对称触发，就只会产 生奇次谐波。谐波可以通过对较高频率分量的傅里叶分析得到。第 次谐波有效值 华北电力大学硕士学位论文 与口的关系可以用下式来表达： ，旦! 墅竺垫尘= 塑型! 坐尘1 ( 2 - 1 3 ) 一 a g , 万l甩伽2 1 )i 其中，n = 2 k + 1 , k = 1 , 2 ，3 ， 由于在电力系统应用中要求具有可控的容性无功功率，因此在t c r 上并联了一 个电容器。这个电容器可以是固定的，也可以是可投切的，通过机械开关或者是晶 闸管开关。