（电气工程专业论文）tcrfc静止无功补偿器的研究.pdf

江苏大学工程项士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a r - r a n g i n ga p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i c sr e c t i f y i n ga n d c o n v e r t i n g t e c h n o l o g ya n dh i g hp o w e rt h y r i s t o r d e v i c e i nv a r i o u s k i n d so fe l e c t r i c e q u i p m e n t s ，t h ep r o b l e mo f h a r m o n i c sb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s t h e h a r m o n i c sp o l l u t i o na f f e c t st h es a f eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e ma n dt h en o r m a l s u p p l yo fp o w e ri nt h ei n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e i tb e c o m e sap r e s s i n gt a s kt o s u p p r e s s i o nh a r m o n i c so fp o w e rn e t w o r ka n dt or e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t h i sp a p e rf u r t h e rd i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l ea n di t se q u i p m e n ts 仃u c t u r eo f t h es t a t i cv a rc o m p e n s a t o rw h i c hi sm o s tf a r - r a n g i n g l yu s e dt oc o m p e n s a t ep u b l i c p o w e rn e t w o r ks of a r a n dt h er e a c t i v ep o w e rd e t e c t i o nt h e o r ya n di t sr e a l i z a t i o n m e t h o da l es t u d i e d l cf i l t e ri st h ei m p o r t a n tp a r to fs v c t h ep a r a m e t e r so fc a p a c i t o ra n di n d u c t i v e w i n d i n go fl cf i l t e rc h a n g ed u r i n go p e r a t i o n 、撕t i l t h ec h a n g i n gs u r r o u n d i n g t e m p e r a t u r e ，t h es e l f - h e a t i n ga n d t h ei n s u l a t i o na g e i n go fc a p a c i t o r ，e t c s od u r i n g i n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n gt h e r ei se r r o rt h a tm a k e sa c t u a l p a r a m e t e r s a n d c o r r e s p o n d e n th a r m o n i cs c i l l a t i o nf z c q u e n c yd e v i a t ed e s i g n e dv a l u ea n dr e s u l t si n f i l t e rd i s a r r a n g e m e n t s ot h ed e s i g no ff i l t e rm u s tb eo p t i m i z e d i nt h i sp a p e r ，b a s i c g e n e t i ca l g o r i t h mi si m p r o v e da n du s e dt oo p t i m i z et h el cf i l t e rb a s e do nt h ec r g o d i c p r o p e r t yo fc h a o s e x p e r i m e n tp l a t f o r mb a s e do i lt m s 3 2 0 c 3 2d s pi sb u i l d e d t h es c h e m eo f s y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei ss t u d i e d k e y w o r d ：s t a t i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；d e t o c t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m ； r e a c t i v ef i l t e r ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密幽。 导师签名： 痧i ( 驴扣 签字日期：少哆年y 月硝e t 碎1日 龙 弓 丁 猬 名 年 签 叮 者 加 作 ： 文 期 沦 日 位 字 学 签 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 丁揖 1 日期：2 0 0 7 年2 月2 多日 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 1 1 1 供电质量与电气设备的运行 电压，频率和波形是衡量电力系统供电质量的三要素。电压作为三要素之首， 标志着电压质量在用电设备的安全经济运行中所起的作用。电气设备都是按照在 额定电压，频率下能获得最佳经济效果而设计的。如果电气设备的实际受电电压、 频率与用电设备的额定电压和频率有出入，则其工作性能和寿命都会受到影响。 当供电电压低于额定电压时，照明设备将不能正常发光。如白炽灯的电压降 低1 0 时，发光效率降低约3 5 。电压过低甚至会造成荧光灯、高压汞灯、高 压钠灯和金属卤化物灯等气体放电灯不能启动。对电动机来说，异步电机的转矩 与电压平方成正比，电压降低1 0 ，转矩降低1 9 ，电压太低时，会造成电机 启动困难，或运行电机电流大幅增加，温升显著增加，轻者造成绝缘老化影响寿 命，严重时烧毁电机。电压下降同时会造成电网中供电电流增加，电网电能损耗 增加。 当供电电压高于额定电压时，照明灯具的寿命将降低。如白炽灯，当电压升 高1 0 ，其使用寿命将缩短彰，电压升高会造成用电设备电流增加，老化程度 加快，设备使用寿命缩短。电压升高同时会使电气线路绝缘容易被击穿，还会使 带铁心的电气设备铁心饱和，从而使带铁心的电气设备工作电流增加很多，其有 功和无功损耗都会增加。 造成供电电压的波动的原因是由于用电负载大部分是电感性的，在负载运行 时不仅消耗有功功率，而且吸收交换无功功率，故电网不仅要输送有功功率，而 且输送无功功率，必然造成视在电流增加，造成电压损失，增加线路首尾端电压 施电醐失脚= 半= 琶+ 毒黼此舯脯二项溯岖掀 与输送无功功率成正比，当导线截面积较大时，电抗要比电阻大许多，则 琶筹成为电压损失的主要部分，最p 彬甓，因此为了提高供电质量，减 江苏大学工程硕士学位论文 少电压损失，须在用户端并联电容器进行无功补偿，以减少线路无功功率的输送 量，改善供电电压质量。 我国电力系统的额定频率为5 0 h z ，频率的稳定主要取决于有功功率的平衡， 当电力系统中实际的有功负荷需求量超过或低于发电厂的出力时，供电系统的频 率将会降低或升高。对于荧光灯等气体放电灯具，频率降低，整流器的限流作用 将会减少，灯管工作电流变大，其寿命将会缩短，对于电动机类设备，频率降低， 电动机转速下降，影响产品质量和产量。对于某些自动化设备，频率降低，将会 造成计时混乱，精度下降，甚至导致误动作。 在电力系统中，由于存在各种非线性用电器件，因此电力系统线路中总会有 高次谐波电流或电压产生，它们不但会造成电压的不对称和电压波形畸变。对于 变压器，高次谐波可使铁心损耗明显增加，从而使变压器出现过热，缩短使用寿 命。对于电动机，高次谐波会使铁心损耗明显增加，会使电动机转子发生振动， 影响机械加工精度，降低产品质量。对于电容器，高次谐波会使电容器的电流大 为增加，容易损坏电容器。此外，高次谐波还会对电力系统的继电保护设备，精 密的电子设备，附近的通讯设备和线路产生干扰。 1 1 2 无功补偿与节能降耗 无功补偿是电网挖潜降损的有效手段。通过并联电力电容器，可提高电网的 功率因数，减少网络无功输送，从而降低电网损耗，改善电网电压质量，起到节 能降耗的良好效果。无功补偿的功能如下： 1 1 2 1 增补电网中不足的无功功率 电网中运行的电气设备或电器，大部分是电感性负载，如电动机、电焊机、变 压器、日光灯等，它们在运行时既要消耗有功功率，又要吸收交换无功功率，负 载需要的无功功率比有功功率要多，单靠发电机提供的无功功率是不能平衡负荷 所需的无功功率，据有关资料，电网中的电动机为建立并维护三相旋转磁场所消 耗吸取的无功功率约占6 0 ，变压器为建立并维护三相交变磁场所消耗吸取的无 功功率约占3 0 ，为保持供电网络无功平衡，减少无功功率的输送，须在电感性 负载点或附近加装无功补偿装置。 2 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 2 2 减少电网的功率损耗 电力系统中的有功损耗不仅与设备的有功损耗有关，而且与设备的无功损耗 有关，因为设备消耗的无功功率也是电力系统提供的，由于无功功率的存在使得系 统中供电电流增加，从而使电力系统的有功损耗增加，因此无功功率不宜长距离输 送，功率损耗可用p = 昂+ a 乞= ( 号) 2r 1 0 - 3 + ( 罟) 2 r 1 0 - 3 来计算，在电网结构 与参数不变的情况下，输送有功功率一定时，有功损耗的大小取决于无功功率的输 送量，并且与其平方成正比。电源设备( 发电机、变压器) 运行时，不能超过其 额定电压和额定电流的数值，s = 3 彤，即视在功率s 为一定值，又因为 s 2 = p 2 + q 2 ，c o s q ，= 等，那么负载向电网需求的无功功率越多，发电机对外输 送的有功功率就越少，那么功率因数c o s q ，就越低，电源的利用率就越低，输电 线路的视在电流就越大，线路中损耗就越大，这些只能通过无功补偿来解决。 1 1 2 3 稳定电网电压与提高电网输送有功功率的能力 影响电网电压稳定的主要因数是负载所需的无功功率，为减少线路中的无功 输送，采用无功补偿，减少线路中的输送电流，减少线路压降，稳定电网电压。在输送 相同有功功率的情况下，可使设备容量减小，从而节省设备的投资。 1 1 3 研究原因 电力系统中的用电设备大多数是非线性的电感性负载，这些负载工作时不仅 要电力系统提供有功功率，而且需要提供无功功率，在电网视在功率一定时，无 功功率必然导致电力系统的功率因数降低，系统中的电流增大，从而使得线路损 耗增加，使得整个系统的有功损耗增加，这样降低了配电设备的容量利用率，为 了解决电源利用率降低问题，只能通过无功补偿来解决 i - 3 。 电力系统中除了功率因数降低，需要无功补偿问题，还存在谐波污染问题， 尤其是电力电子装置广泛使用的今天，谐波污染问题越来越严重，已严重影响供 电质量。分析谐波的产生，由于发电机的气隙磁场非严格正弦波，含有一定谐波， 故发电机输出电压本身就含有一定的谐波；变压器产生谐波的主要原因是磁路的 3 江苏大学工程硕士学位论文 非线性引起的，尤其在空载或轻载时，谐波更严重；电弧炉是由于电弧严重非线 性；荧光灯的伏安特性严重非线性均会产生谐波，最主要的是电力电子装置产生 的谐波，主要来源是整流电路，交流调压电路。交咬变频电路，因此谐波抑制 和无功补偿已经成为电力电子技术和电力系统等领域面临的一个重大问题。 解决谐波污染和低功率因数问题有两种途径，一种是装设补偿装置，如有源 滤波器，无功功率补偿器等设法对谐波进行抑制和无功进行补偿；另一种是对电 力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波又不消耗无功。很显然前一种措施适 合于各种谐波源和所有低功率因数设备，实施方法简单，应用前景十分广阔。 传统的无功补偿和谐波抑制的手段是装设补偿电容器和无源滤波器，这种方 法结构简单，既能抑制谐波，又能补偿无功，一直以来得到广泛应用，但存在的 主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易于和系统发生并联谐振；此 外它们只能补偿固定频率的谐波，难以有效补偿电网动态的无功功率和谐波。 传统的动态无功补偿装置是同步调相机，由于它是旋转电机，故损耗、噪音 大，维护复杂，响应速度慢，无法满足快速的无功补偿的要求。 随着电力系统发展，对无功功率和谐波进行快速动态补偿的需求越来越大， 7 0 年代以来，现代电力电子技术的出现和发展为谐波和无功功率装置的动态控 制提供了可能；尤其是近几十年来电力电子技术在电气拖动领域中的广泛应用， 积累了大量的应用经验，技术也日趋成熟，出现了p w m 技术和四象限变流技术， 为各种形式的静止型无功功率补偿装置和有源滤波器提供了原形。静止型无功补 偿装置开始走上了历史的舞台。 晶闸管获得广泛应用以后，以晶闸管控制电抗器t c r 和晶闸管投切电容器 t s c 为代表的静止无功补偿s v c 有了长足的发展，可以面对快速变化动态的无 功功率进行补偿1 。 8 0 年代以来，随着电力电子技术的进一步以及瞬时无功功率理论的提出， 一种更为先进的s v c 出现了，这就是自换相变流电路的新型静止补偿器。在谐 波抑制方面，出现了电力有源滤波器a p f ，其基本原理是从补偿对象中检测出谐 波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从 而消除谐波，保留基波成分。 近年来，出现了以g t o 、i g b t 和i g c - q 为代表的大容量和高频化全控型器 件呻】，各种新型有源补偿装置得到迅速发展，出现了新型无功功率补偿装置， 4 江苏大学工程硕士学位论文 链式结构s t a t c o m ，摈弃了常规s t a t c o m 的多重化变压器，在体积、性能有 明显优越性。 1 9 8 6 年美国电力科学研究院n g i n g o r a n i 博士提出了f a c t s 的概念， 它是基于电力电子技术改造交流输电的系列技术，对交流电的无功( 电压) ，电 抗和相角进行控制，从而有效的提高交流输电系统的安全性和稳定性，使传统的 交流输电系统具有更高的柔性和灵活性，满足电力系统安全、可靠、经济运行的 目标。f a c t s 技术已经得到了极大的发展，相继出现了各种f a c t s 设备。f a c t s 技术( 包括系统应用技术及控制器技术) 已被国内外的一些权威性的输电技术研 究者和工作组称为“未来输电系统新时代的三项支撑技术( f a c t s 技术、先进 的控制中心、综合自动化技术) 之一”，或是“现代电力系统中的三项具有变革 性影响的前沿性课题( 柔性输电技术、智能控制、基于g p s 的新一代动态安全 分析与检测系统) 之一 。 1 1 4 静止无功补偿的发展趋势 随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，静止无功补偿的 发展趋势主要有以下几点： ( 1 ) 在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无 功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电终合测试仪 的一体化的问题。 ( 2 ) 快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器， 以满足工作条件较恶劣的情况( 如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合) 。随 着计算机数字控制技术和智能控制技术理论的发展，在无功补偿中可引入先进的 控制方法。 ( 3 ) 目前无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到晶闸管耐压 值的限制，只好通过变压器降压接入( 如用于电气化铁道牵引变电所) 。研制高 压动态无功补偿装置具有重要意义，关键在于解决补偿晶闸管和二极管的耐压问 题。 ( 4 ) 由单一的无功补偿发展到同时具有滤波及抑制谐波的功能。随着电力电 子技术的发展和电力电子产品的广泛应用，电力系统中含有大量谐波。研制开发 5 江苏大学工程硕士学位论丈 出具有无功补偿和滤波及抑制谐波的功能补偿器，将大大改善系统功率因素，抑 制谐波、稳定系统电压、改善电能质量。 现在s v c 已成为一种有效的无功功率控制手段。s v c 对于电弧炉、轧机等 波动性负荷的补偿技术已日趋成熟，基本实现国产化。电力系统和电气化铁道等 应用领域还有待开发，提高s v c 装置国产化程度，研制出具有自主知识产权， 性能优越可靠s v c 具有十分重要意义。当代电网无功补偿发展的趋势是朝着优 化补偿和动态平滑调节的方向发展，今后的s v c 将在数据处理和动态响应方面 有更大的提高。随着电网管理部门对功率因素考核的提高，s v c 在电网中的使 用有着非常广阔的前景。 1 2 静止无功补偿的工程应用 1 2 1 国际上的s v 0 应用 世界上最早投入应用的静补是英国g e 公司1 9 6 4 年在埃塞俄比亚投运的一 套用于抑制电弧炉闪变的自饱和电抗器s r 型装置。该公司在1 9 6 7 年又研制出 了可控饱和电抗器c s r 型装置，但后来又设计出更为完善的s r ，从而放弃s c r 的生产。7 0 年代初，比利时a c e c 公司致力开发c s r 型静补获得成功并在轧钢 长大力推广应用。早期的这两类静补均用于工业负荷补偿领域n 】，直到6 0 年代 末才引入到输电系统，用于提高输电系统的输送功率，后又用于直流输电换流器 的动态电压控制。这两类装置在7 0 年代得到推广应用，但到了8 0 年代中期，s r 型静补因在运行可靠性、响应速度、过载能力等有一定优势，某些场合仍有应用， c s r 型静补由于整体技术性能差已逐渐淡出。s r 型装置是利用电抗器铁心的饱 和特性原理工作，为静补第一代产品；而c s r 型初步利用电力电子技术，采用 晶闸管整流直流输出来控制饱和电抗器的饱和程度，从而可以利用附加外部输入 信号进行反馈控制，在控制的灵活性方面比s r 型有了显著进步。但其主体设备 仍是饱和电抗器，仍把它归为静补第一代产品。随着电力电子技术的发展，7 0 年代初国外开发出采用大功率晶闸管组成的三相a c a c 变流器控制电抗器或电 容器的静补第二代产品。1 9 7 2 年瑞典a s e a 公司将第一套晶闸管控制电容器 ( t s c ) 投入某钢厂试运行。1 9 7 4 年瑞士b b c 公司开发并投入运行晶闸管控制 高阻抗变压器( t c l ) 或电抗器( t c r ) 型静补装置。早期这类装置主要用于工 6 江苏大学工程硕士学位论文 业供电网络补偿，直至1 9 7 7 年美国g e 公司才引入输电系统的电压控制和提高 传输功率。到8 0 年代中期，此类装置已臻成熟，特别是t c r 和t s c ，目前在工 业供电网络和输电系统已得到广泛应用。近年来，国内外掀起了利用全控型电力 电子器件研制逆变器型静补装置的热潮，这是一种不需要电抗器和电容器作为无 功源的静止无功电源( s v g ) ，国外称之为新型静补( a s v c ) ，为第三代静补产 品。 目前，世界上安装的s v c 总容量已超过9 3 0 0 0 m v a r ，装设于超高压输电系 统的s v c 已有2 0 0 多台。这些都由少数大型跨国公司如a b b ，a l s t o n 和日本 东芝等公司承接。s v c 的结构是以t c t 和t c r 为主。 1 2 2 国内的s v o 应用 在输电补偿方面，国内运行于5 0 0 k v 输电系统的s v c 有6 套，全为进口产 品，分别安装在广东江门变电站，河南郑州小刘变电站，东北沙窝变电站，湖南 株洲云田变电站和湖北武昌凤凰山变电站。国内钢铁企业中，s v c 也得到了应 用，如河南平顶山舞阳钢铁公司( a b b 制造) ，河南安阳钢铁厂( a b b 制造) ， 上海宝山钢铁公司三厂( s i e m e n s 制造) ，广州钢铁厂( 2 套，分别为b b c ， a b b 制造) 等。近几年来的消化吸收，我国已有能力独立开发成套的s v c 装置， 如中国电力科学研究院，西安电力电容器厂等研制，但在技术水平上与a b b ， a l s t o m 等国外大公司仍有较大差距。然而，国外的s v c 装置不但价格昂贵， 而且在我国的运行情况并不理想。 2 0 0 4 年1 1 月3 日上午，在辽宁鞍山市红一变电站s v c 工程的建成运行， 标志着我国拥有自主知识产权的s v c 技术进入实用化阶段。该项目的设施，不 仅可以为企业带来显著的经济效益，而且对推动我国电力行业的技术进步和s v c 国产化、产业化都具有重要意义。 1 3 本课题的研究内容 电力系统负荷是动态的，变化的，要维持电网运行环境的稳定性，就要对谐 波进行抑制的同时，对系统进行无功功率补偿，从而提高电力系统的功率因素， 得到降低设备容量、减少功率损耗的目的，并且稳定电网及负载端的电压，提高 7 江苏大学工程硕士学位论文 供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以提高供电 系统的稳定性，提高输电能力；在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过合 适的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。稳定电网电压，提高供电质量， 同时还可以补偿三相负载不平衡的情况。 传统的t c r 的控制方式多是采用模拟器件来实现的，其主要缺陷是：灵活 性差、数据运算能力差、检测速度慢、人机界面差。随着微处理器的高速发展和 数字信号处理技术的广泛应用，采用高性能的数字信号处理器设计全数字的静止 型无功补偿控制器取代传统的模拟器件成为必然趋势。本论文系统分析无功检测 的理论与方法，对s v c 中t c r 及t s c 及其系统的实现方法进行了研究，最后 以数字化取代模拟控制器，实现对系统中主要电量的实时采样和分析，以实现对 t c r 的实时精确的数字控制。 本论文的主要工作及内容安排如下： 第一章概述了本论文的研究背景和意义，并介绍了国内外的研究概况、 s v c 的应用和发展趋势，着重阐述了无功和谐波的产生和对电力系统的影响 第二章详细介绍了静止型电力系统无功补偿装置的类型，装置和原理。着 重介绍了可控饱和电抗器型、晶闸管投切电容器( t s c ) 型、晶闸管控制电抗器 ( t c r ) 型、全控器件的静止无功发生器( s v g ) 的装置和原理 第三章本章分析了无功检测的理论和方法，各种方法的特点；着重介绍了 三相电路瞬时无功功率理论，在谐波和无功电流的实时检测方面得到了成功的应 用，基于m a t l a b 仿真模型的建立，应用高通滤波器对谐波和无功电流实时检 测，仿真结果检验了理论的准确。 第四章本章分析了t c i m c 静止无功补偿器装置和基本原理，滤波器的 参数调节的原理，基于改进遗传算法着重分析了无源滤波器参数优化设计，具体 的事例取得了令人满意数据。 第五章本章首先介绍了d s p 的代表产品t m s 3 2 0 c 3 2 的结构和组成，然 后由其作为主处理器来实现t c r 静止型动态无功补偿控制器。从电流采样、计 算、产生驱动信号通过光耦触发晶闸管完成其电路的硬件和相应软件的设计一数 字系统的实现。 江苏大学工程硕士学位论文 第二章静止型电力系统无功补偿原理的介绍 无功补偿装置与负载的关系有并联和串联两种，串联型需要处理负载所有的 有功和无功功率，故不适于电力系统大功率负载的无功补偿。并联型只需要处理 负载的无功和谐波，适于电力系统大功率负载的无功补偿。 2 1饱和电抗器型无功补偿 电抗器中的铁心在受到外加磁场的作用下，磁化曲线中有三段：线性段，半 饱和段，饱和段；其中在饱和段时，线圈的电感l 会变化，感抗会变化，流过线 圈中的无功感性电流会变化。饱和电抗器分为自饱和电抗器型和可控电抗器型两 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。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，从而改变工作绕组中的 感抗，进一步控制无功电流的大小。这类装置属于第一代静止补偿器。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，另外这种装置还有振动和 噪音，而且调整时间长，动态补偿速度慢。由于这些原因和缺点，此类由饱和电 抗器组成的静止无功补偿器目前应用较少，一般只在超高压输电线路才使用。 2 1 1 自饱和电抗器型静止无功补偿 自饱和电抗器型静止无功补偿装置可以认为是同步调相机的静止装置，它利 用铁心的饱和特性，使滞后相位的无功功率随着端电压的升降而增减，如图2 1 ( a ) 为无斜率校正的自饱和电抗器型静止无功功率补偿装置的原理图，图2 1 r r1 ( b ) 为该装置的工作特性曲线。其中电容器的电流i o = 二，_ ，x c = 七为定值 x c 。 c 时，i c 相位超前电源电压u ；自饱和电抗器中的电流相位滞后电源电压，并且其 电流值随着电抗器铁心的饱和程度的变化而变化，两无功电流矢量迭加成为该装 置的工作特性曲线。当母线电压增加时，流过电容器和电抗器中的两无功电流都 增加，其两无功电流矢量迭加值也增加，则流过网络电抗x s 产生的压降u 也 9 江苏大学工程硕士学位论文 增加，维持了电力系统的电压不变；反之也成立。 ， 麓x = a u n i a j ( b ) 图2 1自饱和电抗器( 无斜率校正) 静止无功补偿装置 ( a ) 原理图( b ) 电压电流特性 x 。网络电抗x p 负载等效电抗( 包括变压器) 这种装置与同步调相机相比，具有静止型的优点，对电压波动的动态响应速 度好；其缺点是磁钢片需磁化到饱和状态，因而铁心的损耗大，并且有震动和噪 音。图2 2 为带有斜率校正的自饱和电抗器型静止无功补偿装置的原理图。斜率 校正装置靠电抗器侧电容器g 实现，因感抗正比容抗k 大得多，所以该支路 的电流仍为滞后电流，电流与加于g 上的电压的关系见b 图中第4 象限的 曲线3 ，改变g 的大小，便能调节一g 的斜率，从而改变本装置的外特性的 斜率( 曲线5 ) 。考虑到电抗器的电感在改变过程中l 和g 有可能出现串联谐振， t a ( ” 图2 2自饱和电抗器( 有斜率校正) 静止无功补偿装置 ( a ) 原理图( b ) 电压电流特性 引起过压，为了抑制过电压，设置阻尼电阻r 以抑制震荡。设计电容器g 时， 要是饱和电抗器在饱和工作于a b 段时( 曲线2 ) ，在电容器两端的电压降与 1 0 系统 一l ! 日坑 特性 茹震：等一鎏麓篆： 后电弛_ 在网络阻抗乓上产生压毒：i j f 芝曼则补雠置将提供滞 假定系统负载电流为感性，流经网络阳搞r ：三：二l 但足。 行于横坐标，并且与e d 线相交于h ，即聂：羔竺登至o n ，作n g 平 钒，使i 作点沿特性曲线上升至l ，即由差：= 盆：! 厦的容性电流抵 椭抗器吸收的感性毛流相互匹配，以牢：= 三：譬篡的容性电流与饱 蠢誉篡 2 l 2 可控饱和电抗器型静止无功补偿 图2 4 是可控饱和电抗器型静止无功功率补偿装置的原理图，它有三部分 江苏大学工程硕士学位论文 组成：饱和电抗器，电容器组( 兼作滤波器) 和调节器( 由直流单元和控制单元 组成) 。 一岛一q 一 i _7_名萋妻喜差萎萋孔 = l k l ， l i。、k 图2 _ 4 可控饱和电抗器型静止无功功率补偿装置的原理图 工作绕组呢一控制绕组q ，一负载所需的冲击无功负荷 q c 一电容器组输出的基波恒定无功功率q 一饱和电抗器吸收的可调无 功功率 q 一从电网输入的无功功率 三相饱和电抗器的工作绕组连接在电网上，在电抗器的铁心上同时绕有直流 控制绕组，直流控制绕组中的直流电流来自于晶闸管的可控整流，其直流 电流值可改变电抗器铁心的饱和程度，从而改变三相饱和电抗器的工作绕组的电 抗值，从而改变了电抗器的工作绕组中流过的无功电流，来满足变化的负载对无 功功率的需求。当负载无功功率q f 突然增加时，使得控制回路中的电流减小， 饱和电抗器的感抗丘增大，从而使电抗器吸收的无功功率绞= c ，乃减小。这 工 样负载需要电源提供无功功率的恒定部分由电容器提供补偿，而变动部分由饱和 电抗器调节，以保证电网输入的无功功率g = ( 绋+ 骁) + q 保持恒定。 2 2 晶闸管投切电容器( t s c ) 型静止无功补偿 图2 - 5 为晶闸管投切电容器( t s c ) 型静止无功补偿装置。其中图2 5 a 是单 相电路图，两个反向并联的晶闸管是电容器的投切开关，串联小电感是用来抑制 电容器投入电网时可能造成的冲击电流，在工程实际中，一般将电容器分成几组， 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 如图2 5 b 每组都通过晶闸管投切。这样，每组就可以根据负载的无功需求来进 行投切。t s c 实际上就是分级可调的吸收电网容性无功的动态静止无功补偿器， 其电压电流特性按照投入电容器组数的不同可以是图2 5 c 中的o a 、o b 、o c 。 当t s c 用于三相电路时，可以是三角形连接，也可以是星形连接，每一相都设 计成如图2 5 b 所示的分组投切形式。 电容器分组的方法很多，从理论上讲，分组越多越好，但是，综合考虑到成 本和系统的复杂性等要求，分组还是有限制。 早期的电容器分组投切都是用机械开关投切的，由于机械开关动作比较慢， 投切时间不好掌握，一般会产生较大的冲击电流。和机械断路器相比，晶闸管的 操作寿命几乎是无限的，而且采用晶闸管投切，可以精确控制投切时刻，减小投 切时的冲击电流。 图2 5 晶闸管投切电容器型静止无功补偿装置 ( a ) 单相原理图( b ) 多组t s c 并联电路( c ) 电压电流特性 t s c 型无功补偿装置控制简单，损耗小，缺点是投切是易产生冲击电流，响 应速度慢，不能实现平滑调节。为了能实时地平滑调节无功，往往将t c r 和t s c 联合起来组成混合型静补装置。 2 3 晶闸管控制电抗器( t c r ) 型静止无功补偿 t c r 的基本原理如图2 - 6 所示，单相基本结构就是两个反向并联晶闸管与 一个电抗器相串联，三相多采用三角形连接。工程上常采用t c r + f c 的形式， 图2 6 a 中虚线框内串联的电感电容是滤波器，实际上有许多组滤波器组成，每 1 3 江苏大学工程硕士学位论文 组的谐振频率分别是各次谐波的频率，可以滤除负载和t c r 所产生的谐波。对 于基波来说，这些滤波器是容性的，可以吸收容性无功电流，充当f c 。t c r 接 到电网上，相当于可调节的电抗器，通过改变晶闸管的触发角，可改变晶闸管的 导通程度，就可调节流过t c r 中的电流值，从而改变了电抗器铁心的磁化程度， 改变了t c r 的等效电抗。t c r 的电流波形如图2 - 6 b 所示 ( a ) 图2 - 6t c r 基本原理 ( b ) ( a ) 单相t c r 结构简图( b ) t c r 电流波形 与t s c 相比t c r 型无功补偿装置可以做到平滑的调节无功，但是t c r 在 工作过程中产生谐波，需要精心设计滤波器才能避免谐波对电网的影响。 由于t c r 型无功补偿器无功调节范围宽。控制简单，在国内外得到了广泛 应用。 2 4 采用全控器件的静止无功发生器( s v g ) 静止无功发生器( s v g ) 一门就是指自由换相的电力半导体桥式变流器来进 行无功补偿的装置。上个世纪7 0 年代就有人提出了采用电力半导体变流器实现 无功补偿的思想。1 9 7 2 年日本发表了用强迫换相晶闸管桥式电路作为调相装置 的论文，1 9 7 6 年l g y u g y i 提出变流器进行无功补偿的理论以来，逐步出现了应 用变流技术进行动态补偿的静止补偿器。它是通过将自换相桥式电路直接并联到 电网上或者通过电抗器并联到电网上。a s v g 根据直流侧采用电容和电感两种不 同的储能元件，可以分为电压型和电流型两种，如图2 7 所示。图2 - 7 a 所示的 为电压型补偿器，图2 7 b 所示的为电流型补偿器。交流侧所接的电感l 和电容 c 的作用分别为阻止高次谐波进入电网和吸收换相时产生的过电压。无论是电流 型还是电压型的a s v g 其动态补偿的机理是相同的。当逆变器脉宽恒定时，调 节逆变器输出电压及系统电压之间的夹角6 ，就可以调节无功功率及逆变器直流 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 侧电容电压，同时调节夹角6 和逆变器脉宽，既可以保持电容电压恒定的情况下， 发出或吸收所需的无功功率。 根据这一原理，从1 9 8 0 年日本研制出第一台2 0 m v a r 的强迫自换相的桥式 a s v g 之后，经过1 0 多年的发展，a s v g 的容量不断增大，1 9 9 1 年和1 9 9 4 年 日本和美国又相继研制出8 0 m v a r 和1 0 0 m v a r 的a s v g ，在1 9 9 5 年，清华大学 和河南省电力局共同研制了我国第一台a s v g ，其容量为3 0 0 k v a r ，开辟了我国 研制a s v g 补偿设备的先河。a s v g 通过采用桥式电路的多重化技术，多电平 技术或p w m 技术进行处理，以消除较低次的谐波，并使教高的谐波限制在一定 范围内；由于a s v g 不需要储能元件来得到与系统交换无功的目的，实际上它 使用直流电容来维持直流电源电压的稳定，和s v c 使用的交流电容相比，直流 电容量相对较小，成本较低：此外，在系统电压很低的情况下，仍能输出额定无 功电流，而s v c 补偿的无功电流随系统电压的降低而降低。正是由于这些优点， a s v g 在改善系统电压质量，提高稳定性方面具有s v c 无法比拟的优点，这也 显示出a s v g 是今后静止无功补偿技术发展的方向。另外随着电力电子技术的 发展，电力有源滤波器也日益得到完善。由于电力有源滤波器在滤除谐波的时候 与电力系统不发生谐振，因此目前不少电力系统工作者致力于将电力有源滤波与 a s v g 相结合的研究，以消除传统的a s v g 设备中并联无源滤波器所产生谐振 的问题。 l a ( a ) 电压型桥式电路 ( b ) ( b ) 电流型桥式电路 图2 7s v g 原理图 作为无功补偿和谐波抑制研究的热点，人们提出了许多a s v g 的控制方法。 典型的控制方法有线性电流控制，数字死区控制、滞环控制拍1 等。另外，为了 提高a s v g 的性能，人们提出了自适应预测滤波器m 印1 、神经元网络控制器9 1 等一系列的控制器，为了实现快速、实时的控制，需要使用高性能的数字信号 处理器。也有人提出了一种单循环控制的三相有源滤波器，其控制器的核心是一 1 5 江苏大学工程硕士学位论文 只可复位的积分器，采用固定频率综合( u c i ) 控制方法，其工作原理是通过积 分器控制a s v g 的功率变换器，使得负载和s v g 的总输入电流跟踪电网电压波 形，达到补偿无功和抑制谐波的目的。 a s v g 的性能无疑是优越的，但是高压、大容量的全控器件价格比较高。 前面所提的我国第一台a s v g ，造价相当于t c r + f c 型a s v c 的2 5 倍。而且 为提高a s v g 的性能，要使用高频率的电力半导体器件，目前最为理想的电力 半导体器件是i g b t ，但是高压、大容量的i g b t 价格昂贵，而且驱动和保护电 路更加复杂，成套系统的造价必然很高，制约了a s v g 的推广。 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 第三章无功检测的理论与方法 进行无功补偿，实时、准确的测量和分析是至关重要的。静止无功补偿系统， 不仅要补偿无功，还要抑制负载所产生的谐波。因此要能准确、快速的从畸变的 负载电流和电压中检测无功和各次谐波，就得采取适当的快速检测无功的方法。 以下是目前采用的几种检测方法。 3 1 基于f r y z e 功率定义的检测方法 买原理是在时域上将负荷电流f 【f ) 分解为与电压波形一致的分量f p 【f ) ，将 其余分量作为广义无功电流( 包括谐波电流z g ( f ) ) 即 f ，( f ) 2 g - u ( t ) ( 3 - 1 ) 其中i ，( f ) 一有功电流；u ( t ) 一电压；g 一比例常数， 其取值应使一周期 内f ，( f ) 所消耗的平均功率和f ( f ) 消耗的平均功率相等，即： p = ! tr “( r ) f ( f ) 出= 彳1r “( r ) f p ( r ) e t ( 3 - 2 ) 把( 3 一1 ) 代入上式得 p = g - r ou 2 ( ，净= g u 2 ( 3 - 3 ) 由此可得 g = 矿p ( 3 - 4 ) p 艮p ： i p ( f ) 。寺u ( t ) ( 3 - 5 ) 足义尢功电流 ) = f ( f ) i ，t ) 由式( 3 - 2 ) 可得： ：1 。r a a t = o 即和岛正交。因此可得f 、岛有效值之间的关系为： 1 7 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 = 1 _ f 2 击= e + 艺 ( 3 - 8 ) 它的缺点是：因为f r y z e 功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要求得 到瞬时有功电流需要进行一个周期的积分，再加其它运算电路，要有几个周期延 时。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际是几个周期前的电流值。 3 2 基于频域分析的f f t 检测法 快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ，f f t ) 是当今谐波检测中应用最广 泛的一种谐波检测方法，相关的研究文献不计其数。 f f r 是离散傅立叶变换( d f r ) 算法的改进。同时，快速傅立叶变换的采样 点数是由运算的过程决定的，n 为电网系统中工频周期内的采样点数，通常取 n = 2 m ，m 为正整数。由于n 为偶数，则可将 厶 分成由偶数点和奇数点组成的 两个序列来计算，即： e = 孵+ z 嘭 ( 3 - 9 ) 2 r2 r + l 当1 1 为偶数时，令n = 2 r ，即由偶数点的采样序列组成新序列 正，) ； 当n 为奇数时，令n = 2 r + l ，即由奇数点的采样序列组成新序列 厶，+ l ： 经过上述变换，就可将原一个d f t 转换为两个序列d f t 。f f t 算法的实质 就是不断地把长序列的d f t 分成几个短序列的d f t ，并利用时的周期性和对 称性来减少d f t 的运算次数，最常用的f f t 算法是基2 f f t 。 在谐波分析的过程中，是对电压和电流两个连续时间信号进行采样，同时作 频谱分析的。如果分别做分析，要进行两次f f r 变换。为了加快分析的速度， 可以将“( 以) 幕i li ( n ) 两个离散序列组合成一系列复数，即 五= “( 刀) + j i ( n ) ( 3 1 0 ) 则其对应的d f t 为： e = d f t “( 刀) + ( 刀) 根据( 3 - 8 ) 、( 3 - 9 ) 式可以得出： f t = u h + j l i 或f n - - u , + j in 由w _ = w = w ”、w = w = w 可得： ) 砂 d 2 1 一 卜 孓 p o ( 江苏大学工程硕士学位论文 - u ；及像 3 ， 因此，可得：2 一鸡乙2 一圪 ( 3 - 1 4 ) 所以，对上述推导进行分离，从而可以得到“( 以) 和f ( 疗) 各自的频谱为： ( 3 1 5 ) 以上各式中，代表相应共额复数。 目前，基于f f t 技术已相当成熟，但是f f t 也有它的局限性：l 从摸拟信 号中提取全部频谱信息，需要取无限的时间量，使用过去的和将来的信号信息只 能计算区域频率的频谱；2 没有反映出随时间变换的频率，当人们需要在任何希 望的频率范围上产生频谱信息时f 兀不一定适用；3 由于一个信号的频率与其 周期长度成正比，对于高频谱的信息，时间间隔要相对小以得到比较好的精度， 而对于低频谱的信息，时间间隔要相对宽以得到完全的信息，即需要一个灵活可 变的时间一频率窗，使在高“中心频率”时自动变窄，而在低“中心频率”时自 动变宽，f f t 自身并没有这个特性，目前谐波的f f t 检测都是基于这样的假设： 波形是稳定和周期的，采样的周波数是整数的，针对f f t 这一局限性，1 9 4 6 年 g a b o r 提出的短时傅立叶变换，对弥补f t 的不足起到了一定的作用，但并没有 彻底解决这个问题；4f