（电气工程专业论文）冲击性负荷无功补偿装置的设计与实现.pdf

= i - o口 尸刁f 月 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 冲击性负荷无功补偿装置的设计与实 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。 学位论文作者签名期:7 - - 久4 . 1 v 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 ) 作者签名导师签名二 连 生 一 日期: 7 v -., ) . 占 x 10日期:o l- 7币 . / 护 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章 引言 1 . 1课题研究背景 随着电力电子技术的发展， 电力系统中增加了大量的非线性负载， 如电力机车、 电动机、各种整流装置、电弧炉、变频电源、电焊机等，导致多种电力运行指标恶 化，其中无功需求大量增加对电力系统的正常运行就极为不利。 目 前，我国电力系统输电线损耗约占输电量的 1 0 %，若以全年发电量为 1 0 0 0 0 亿k w- h , 则线损达 1 0 0 0 亿k w- h 。国家电力公司在城乡电网改造工作中提出的第一 个目 标就是降低线损 1 0 %。通过采用无功补偿技术，可使线损降低 2 %，既达 2 0 0 亿k w- h 。 这相当于一座4 0 0 万k w的火电厂的年发电量: 而建一座4 0 0 万k w的火 电 厂需 耗费 约3 0 0 亿元， 同 时， 每年需 要燃煤 约1 2 0 0 万吨， 产生c 0 q等有害 物质越6 0 0 万吨，而节约相同电力，无功补偿的费用约为新建电场费用的1 0 %:无 功补偿设备的费用约需两个月无功补偿的降损节电费用即可全部收回。 无功补偿技术不仅具有如上所述的节电投资、节省电力、节省能源及减少污染 等作用，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新的技术问题， 提高电力系统设备的供电能力，促进电力系统安全、有效、经济地运行，改善电压 质量，减少用户电费开支，延缓用户的增容改造等作用，给电力系统和用户带来巨 大的 经 济效 益， 有巨 大的 推 广价 值 川 . 1 . 2无功补偿装置发展状况及分类 1 .2 . 1 无功补偿装置的发展 传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，图1 - 1 所示为一 种最简 单的无 功补偿。图1 - 1 中， m 代表需 要 滞后无功功 率的 用电 设备，k z 和c 是 用于向m 提供无功的 无功补偿装置。当k ， 闭 合使m 运行 时， m 从电 网 吸取有功 功率 和无功 功率。为减少电网 中的 无功水平， 我们 将k 2 闭 合， 用c 中的 超前电 流补 偿m 中的滞后电流，完成无功补偿任务。由于c 的补偿容量是固定的，它不能随着实际 无功的变化而变化。因此，它适用于无功变化不大的场合。 图 1 - 1最简单的无功补偿 i 华北电力大学工程硕士学位论文 但在实际用电系统中，无功往往变化很大，图 1 - 1 所示的补偿装置显然无法满 足要求。由于并联电容器阻抗固定，不能动态的跟踪负荷无功功率的变化;而调相 机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用 于太大或太小的无功补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。 2 0世纪 7 0年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术 ( s t a t i c v a r c o m p e n s a t i o n ) 。这种技术经过2 0 多年的发展，经历了一个不断创新、 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， 使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电 压，抑制系统振荡等功能。如图1 - 2 所示是能适应经常变动负载的无功补偿装置的 原理图。图1 - 2 所示电路中，当无功变化时，控制器检测到该变化，并根据该变化 控制补偿电容器组的投切，达到按实际需求的无功量进行补偿的目的2 1 控制器 k1 一/ ! k 2 k n c 1 多2 fc nfm 1 m 1 图 1 - 2实用无功补偿装置 无论是图1 - 1 电路还是图1 - 2 电路， 电容器组的投切都是靠开关k , ( i = 1 , 2 , 3 , n ) 来完成的，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。断路器开 关由于受器件固有特性的限制，在控制器检测到无功的变化需要投入或切除补偿电 容器组时，开关速度较慢，约为 1 0 - 3 0 m s ，不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为严重的冲击涌流和操作过电压，这样在需要频繁投切 时，不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容内部击穿，所受应力大，维修量大。 因此，采用断路器作为开关的静止无功补偿装置也只适合于负荷变化不大，即相对 稳定的情况。 控制粉 s c rs s c r i, 二 c i m i l. ( m i 工 图 1 - 3具有瞬时投切能力的动态无功补偿装置 华北电力大学工程硕士学位论文 为了能快速跟踪补偿电网中的无功变化，在现代电力电子器件和数字控制技术 的支持下，具有瞬时投切能力的动态无功补偿装置应运而生。图1 - 3 便是动态无功 补偿装置原理图。 1 .2 .2 当前无功补偿装置分类 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i o u s ) ， 对任何系统参 数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单向调节1 3 1 。 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: 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 d r 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 i s 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 r s w i t c h c a p a c i t o r ) ， 后两类装置 统称为s v c ( s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r ) 14 l o 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。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15 1 . 这类装置组成的无功补偿装置属于第一批补偿 器。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1 6 1 . 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 1 - 4 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 0一 1 8 0 .当触发角a= 9 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: 从= b ,m . ( s - s i n s ) / 二和 凡 m a z = 1 戈( 1 - 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/j 、 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。 华北电力大学工程硕士学位论文 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 鲍威利公司己经制造出此种补偿器用 于高电 压输电 系统的 无功补 偿17 1 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 十 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 - ms c型的s v c ，其控制 范围为1 1 2 0 m v a r 8 .山于固定电容器的 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 十 msc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。 s cr r ) u ( c) u ( c ) s cr 图1 - 4 t c r 补偿器原理图 1 - 5 t s c 型补偿器原理 ( 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。 其单相原理图如图 1 - 5 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 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 华北电力大学工程硕士学位论文 c / 2 的电容组成2 k级的电容器组数19 1 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1 1 0 ) 。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 o 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， 三次谐波不能流入电网， 大大减小了谐波。 我国平顶山至武汉凤凰山5 0 0 k v变电站引用进口的无功补偿设备就是t s c 十 t c r型 0q 目前存在问题 我国从 6 0年代开始，已经有许多电力科技工作者从事无功补偿这一课题的研 走过了从早期的机械投切电容器到现在的t s c 型动态投切的漫长过程，尤其是 l.3丸 近年来， 低压动态无功补偿技术在电力系统中逐渐普及， 并取得了丰富的运行经验。 但是，仍然存在许多不足之处: ( 1 )目前许多部门无功补偿的出发点还放在补偿用户的功率因数，而不是立 足于降低电网的损耗。如果要实现有效地降损，就必须通过计算无功潮流，确定各 点的最优补偿容量和补偿方式，从整个电力系统的角度考虑问题，使有限的资源发 挥最大的效益。 ( 2 )采用交流接触器作为投切开关元件，不可避免地产生过度过程，不能实 现快速准确的跟踪补偿，易产生冲击电流和引起电网波动，造成接触器触电 烧蚀， 可靠性差，并且产生噪音。 ( 3 ) 保证无功补偿装置安全运行的关键是电容器无冲击地投入电网。但是， 还有相当一部分 t s c装置，因晶闸管触发脉冲不当 ( 如脉冲变压器易损坏) ，在运 行过程中频繁出现故障，导致电容器组投入瞬间冲击电流过大，损坏晶闸管和电容 器。有时，在投入过程中，甚至由于冲击致使开关装置在保护的作用下跳闸，造成 许多该类装置形同虚设。因此，严格保证晶闸管开关无冲击地操作，提高电 路的可 靠性，还有待于进一步改进。 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 4 )电容器具备一定的抗谐波能力，但是谐波含量过大时，就会对电容器的 寿命产生影响，甚至造成电容器的过早损坏;由于投入电容器对谐波可能有放大作 用，谐波干扰会更严重。另外，t s c控制器容易受谐波干扰影响，造成控制失误， 因而在有较大谐波干扰而又需补偿的地点，应考虑避免谐波放大或添加滤波装置。 这一问题普遍被忽视，造成了一系列补偿设备莫名其妙地损坏。在设计无功补偿装 置时，必须要有谐波抑制方面的考虑。 ( 5 ) 现有t s c 装置容易发生 “ 投切震荡”和 “ 频繁误投切”现象，开关的频 繁动作会降低开关和电容器的使用寿命。 ( 6 ) 投切速度慢，响应迟缓。 1 . 4论文的主要工作 结合河北省井9采石矿山低压无功补偿装置技术改造项目的研制工作，把原有 的并联电容器固定补偿以及交流接触器慢速补偿改造为t s c 型高速动态补偿装置， 解决矿山锤破电机存在的严重不补或欠补情况，使无功补偿装置能够更好的补偿矿 山的冲击性、 波动性负荷的无功缺额. 本文在结合矿山锤破电机负荷情况的基础上， 对t s c 型无功补偿装置等方面的技术问题进行深入的研究，主要工作如下: ( 1 ) 结合无功补偿技术的应用及发展现状，分析研究无功补偿技术在主电路 接线形式、并联电容器投切控制方式、电容器投入异常现象等问题，在分析此类技 术在实际工程应用中的优势与不足的基础上，确定应用于采石矿山的无功补偿装置 的设计方案。 ( 2 ) 在参照总体设计方案的基础上，以锤破电机的无功负荷情况为依据，确 定无功补偿的补偿容量、 主电路结构和控制器控制结构等， 完成主电路元件的选取. ( 3 ) 进行无功补偿装置控制器硬件、软件的研制，确定硬件组成，控制器功 能实现以及软件控制策略等。 ( 4 ) 在完成上述工作基础上，进行实验仿真系统的搭建及实际运行装置的制 作，并将设备投入现场运行，对比分析两者运行数据，发现设计中存在的问题的不 足，针对问题提出相应的技术解决措施，优化装置性能，提高其稳定性和可靠性。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章 晶闸管投切电容器 ( t s c )补偿原理 晶闸管投切电容型无功补偿装置 ( t s c )是用反并联的晶闸管作为投切电容器 组的开关对系统进行无功补偿的自动装置。由于晶闸管的响应时间短，能够准确地 选择电容器的投切时间及角度，实现零电流导通，避免投切时过流过压产生，实现 电容器的无过渡过程投切，而且，用晶闸管可以频繁地进行投切动作，能有效的跟 踪补偿变化快速的负载，抑制电压的闪变影响，提高电力系统的稳定性。 2 . 1 t s c运行原理 晶闸管投切电容器 ( t s c )的原理如图2 - 1 所示，其中图2 - l a 是单相电路图， 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，串联电抗 器的作用是限制投切过渡过程以缓冲冲击电流，并且形成对来自电力系统谐波的滤 波器作用。由于感抗一般小于补偿电容器的容抗，所以当电容器投入时，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 - l c中的 o a所示。在工程实际中， 一般将电容器分成几组 ( 见图 2 - l b ) ，每组都可由晶闸管投切。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 - l c 中的o a , o b 或o c o t s c 采用三相电容时，可以是三角形连接，也可以是星形连接. b 八 个u 1 c 0 1 l a ) 单相结构简图b ) 分组投切的单相结构简图c电压一 电流特性 图2 - 1 t s c 的运行原理 电容器的分组投切在较早的时候大都是用机械短路器来实现，这就是机械投切 电容器 ( m s c ) 。和机械短路器相比，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 流和操作难度1 1 2 1 2 . 2主电路接线形式分析 低压无功补偿装置的主电路是指电容器组和晶闸管开关及其附件构成的与电 网直接相连接的部分电路。三相电容的接线方式无非两种形式:y接线和接线。 华北电力大学工程硕士学位论文 电容器为y 接线时，电路相对简单，晶闸管开关和每相电容器串联接入电网，组成 无功补偿的主电路。电容器为接线时，晶闸管开关可以为内控制和外控制两 种方式。接法只适用于三相共补电路，如果三相负荷不平衡、三相的功率因数和 电流差异较大， t s c 主电路就只能采用y 接法，以满足分相补偿的要求。但是，t s c 采用接线方式，也有其优势:第一，可以降低晶闸管的电流容量;第二，电源电 压比 较能够保证: 第三， 避免中线电 流川 】 。 如果采用y 接法， 那么晶闸管阀中电流 为 接法的万倍， 而且在投切 过程中 可能 有 较大的中线电 流， 将产生 较大的电 压漂 移，影响投入时的准确角度，可能会产生投切冲击电流。 t s c 常见的主接线方式有以下几种: ( 1 )带中线星型连接: 如图2 - 2 所示，电路中晶闸管承受的电压、电流与单相一致，可按三相中的相 电压相电流进行选择。该电路的缺陷是三次谐波在零线中的电流很大，另外，选用 该电路时还必须考虑电源变压器的零线是否容许通过这个相当额定负载相电流的 电流值。 图2 - 2带中线星型连接 ( 2 )无中线连接: 如图2 - 3 a 和b 所示，该电路对晶闸管的耐压和电压上升率的要求提高，可以 接角型负载也可以接星型负载。 a ) 无中线星型连接b ) 无中线角型连接 图2 - 3无中线连接 ( 3 ) 开三角连接 如图2 - 4 所示，该形式电路只能适用于允许打开的六根出线的三角形负载，因 此，其使用范围有一定的局限性。 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 - 4开三角连接 ( 4 )三线单方向控制连接 如图 2 - 5 a和 b所示，该电路同时使用晶闸管和二极管，故又称混合电路，它 能用于星型负载，也能用于三角形负载。 a ) 三线单方向角型连接b ) 三线单方向星型连接 图2 - 5三线单方向控制连接 ( 5 ) 三相两线可控连接 如图2 - 6 a和 b所示，由于该电路方案省去了一对反并联晶闸管，故又有经济 电 路之称，可以 接角型负载也可以 接星型负载【 1 4 1 a ) 三相两线星型连接b ) 三相两线角型连接 图2 - 6三相两线可控连接 ( 6 )三相两线单方向控制连接 如图2 - 7 a 和b 所示，该电路也是经济电路，此方案类似于第五种方案的接法。 a ) 三相两线单方向星型连接b )三相两线单方向角型连接 图2 - 7三相两线单方向控制连接 华北电力大学工程硕士学位论文 综上所述，经过比较以第五和第六两种方案，即图2 - 6 和图2 - 7 四种接线最经 济，与其它典型接线方案相比，使用的可控硅器件数量可减少三分之一。第六类方 案比第五类更加经济，虽然响应速度方面稍慢于第五类，即大于半个周波，不过切 除时间一般也不会超过一个周波，即切除时间不大于2 0 m s e 本文所研制的t s c 无功补偿装置，主要在保证满足安全投切控制前提下，最大 可能的节约成本，因此， 考虑到装置的可控性、 可实施性以及经济性等方面的问题， 选用第六种方案的b 类方案作为研究的接线方式。 2 . 3电容器投切控制方式 根据选择控制物理量的不同，t s c所采用的自 动控制方法也多种多样，一般按 照控制物理量把低压无功补偿控制器分为四类:无功功率、无功电流、功率因数、 复合型 ( 按两个及以上物理量组合) 。根据某一物理量进行控制，均有其不足之处。 例如，单独按照功率因数补偿，在负载电流较小时，常会发生投切震荡。比较合理 的补偿应该做到以下几点:最大限度地利用补偿设备提高电网的功率因数;不发生 过补偿;无投切震荡;无冲击投切;反应灵敏、迅速。下面对常见投切控制方式进 行分析。 2 .3 . 1 无功电流控制方式 用负荷无功电流作为控制变量，是考虑到当电网电压变化时得到更准确的补偿 效果. 假设电 网无 功缺额为 q ，电网 线电 压为u, u ， 为其 额定值， 线电 流 无功分 量 为i q ， 那 么 o q 一 -j 3-u i q = 万 票u n i q v n ( 2 - 1 ) 若令运行电压与额定电压之比 ( 2 - 2 ) i q = ( 2 - 3 ) 电容器组为y 接线时 o q 二 w c ( k u n ) z ( 2 - 4 ) 那么，为补偿无功电 流t o 而投入的电 容器组容量为 华北电力大学工程硕士学位论文 c = ( 2 - 5 ) 电容器组为 连接时 a q = 3 w c ( k u , ) z 那么，应投入的电容器组容量为 ( 2 - 6 ) c =( 2 - 7 ) 利用计算机和硬件电路检测、分离或计算出电网中的无功电流分量，依据无功 电流分量的大小投入电容器组，使电容器提供的容性电流补偿电网中的感性无功电 流。这是目前比较理想的一种控制方案，其优点是直观，但无功电流的准确、快速 检测有一定的难度。 2 . 3 .2电压控制方式 电压控制方式利用无功负荷增大时，母线电压下降的特点，以保持安装点电压 在一定范围内为目的，多用于电业部门集中负荷点的电压调整。它取电网电压作为 检测信号，当电网电压降至某给定值的下限时，该装置的检测部分发出信号，控制 并联电容器组投入系统运行:当电网电压超过某给定值的上限时，控制电容器组使 其从系统中断开。这种控制方式应用较多。但是，电容器只能发出容性无功功率， 提高电压，而不能发出感性无功功率，降低电压，因此，只在重负荷时投入，轻负 荷时部分甚至全部切除。 2 . 3 .3功率因数控制方式 功率因数作为控制变量，是较早采用的控制方式。它是利用检测装置检测负荷 的功率因数或者功率因数角，经过对检测数据的处理，通过执行元件，实现对电容 器组投切，维持功率因数经常处于最佳值.当功率因数超过某给定值的上限时，控 制电容器组从电网中断开;当功率因数低于某给定值的下限时，控制电容器组投入 电网。 从原理上看， 这种控制方式存在两大缺点， 其一是轻载时可能产生“ 投切震荡，。 如图2 - 8所示，按功率因数投切电容器组，其稳定区收敛于原点0 .当负荷逐渐减 少时， 存在一些区域 ( 如s ， 点) ， 投入一组基本电容器， 便从投区s . 点补偿到s z 点， 显然过补偿了， 因此，自动装置马上就要切除一组基本电容器， 这时又回到了s . 点， 这样系统就在投切动作中往返不已，称为“ 投切震荡” 。投切震荡对电容器、投切 装置本身的寿命及电网电压质量均会产生不利影响。其而是.当负荷很重时，功率 因数( 功率因数角) 的微小变化就能引起要求无功补偿量的巨大变化。 若采用的a / d 华北电力大学工程硕士学位论文 转换精度不高，或采样间隔时间不准确。则计算出的功率因数 ( 或功率因数角)波 动较大，将引起要求无功补偿量的巨大变化，从而可能导致电容器组的 “ 频繁误投 切 ，o p ta x v 切 盯” 区 ra_ 区 图2 - 8功率因数控制方式的稳定性 2 .3 .4无功功率控制方式 无功功率作为控制物理量控制电容器的投切，是近年才出现的一种控制方式， 它是根据所测得的电压、电流、功率因数等参数，计算出应该投入的电容容量，在 电容器组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式，电容器投切一次到 位。如果计算值小于最小一组电容器的容量 ( 下限值) ，则应保持补偿状态小变， 只有当所需容量大于或等于下限值时，刁 执行相应的投切。 对无功补偿来讲， 这是一种最直接的控制方案， 它可以真正实现缺多少补多少、 超多少切多少的目的。该控制方式能将无功功率控制在最小范围内，达到本地区的 无功负荷尽量就地平衡的原则。 因此，本t s c装置采用无功功率作为控制物理量控 制电容器组的投切。 但是，如果补偿目标的上、下限范围设置的不合适，也将会产生 “ 投切震荡” 现象。如图2 - 9 所示，电网实际无功缺额 q 在切区s ， 点，切去一组电容器，电网 实际无功缺额落在投区s 2 点， 立即投入一组电容器，电网实际无功缺额又落在了切 区s , 点，随即又切区一组电容器，这样无限循环，形成 “ 投切震荡，. 只要把补偿目标的上、 下限范围设置为大于基本电容器组的容量， 即可避免“ 投 切震荡” 现象的产生。如图2 - 1 0 所示，电网实际无功缺额从切区s ， 点切去一组电 容器后，落在了稳定区s 2 点，不再震荡。 t e q个 e q投 区 ，投区 稳定区 s i . 岁切区t 切区 图2 - 9 “ 投切震荡”现象示意图图2 - 1 0消除 “ 投切震荡”示意图 华北电力大学工程硕士学位论文 当a / d转换精度不高时， a / d转换随机误差和采样fa j 隔时间的误差将导致无功 计算量在一定范围内频繁波动，又加上电网的实际无功功率也波动频繁，这时，采 用无功功率控制方式容易产生电容器组的“ 频繁误投切” 现象。如图2 - 1 1 所示，曲 线q ( t ) 为计算得出的电网无功随时间变化的曲线 ( 记及已投入的电容器组) ， 而a b 线为设定的投切边界，考虑最坏的情况，曲 线q ( t ) 正好落在a b线上，则当电网无 功由1 点变化为2 点时，切去一组电容器，当2 点变化到3点时，又加投一组电容 器，这样，将导致电容器组的 “ 频繁误投切、 0 个 图2 - 1 1无功功率波动引起 “ 频繁误投切”现象 这种由于计算无功波形引起的 “ 频繁误投切”现象，一方面与电容器的分组数 及容量有关， 这就要求基本电容器组的容量不能太小: 另一方面也与控制器的性能、 控制器的补偿目 标上、下限设置范围有关，那么需要从提高控制器的元件性能、质 量和在控制器的功能设计上加以解决。 电容器投入电网运行后，它的实际出力与电网的运行水平有关。那么，按无功 功率进行控制时，由于计算得到的无功缺额和补偿电容器组的实际出力不一致，也 可能出现 “ 频繁误投切”现象。例如，无功补偿缺额为 q，需要投入的电容器组 在电 网 实 际 运 行 电 压 下 的 无 功出 力 为 k a q ， 如 果o q - k a q j q , ( q , 为 最 小 电 容 器 组的容量) ，则此误差作为下一轮的无功缺额继续进行电容器组的投切，投切后又 产生新的误差，此误差又作为下一轮的无功缺额进行电容器组的投切，直到测得的 电网 无 功缺额小于 最小电 容器组的 容量q c 为 止。 该 误差可以 通过对电 容器无 功出 力 的校正来抑制。 2 . 3 .5复合控制方式 以某一控制物理量做主判据，以另一控制物理量做辅助判据。例如， 按功率因 数控制，按电压校正:按无功电流控制，按电压校正:按无功功率控制，按电压校 正:按电压控制，按负荷无功校正。 譬如，采用无功电流、无功功率综合控制方式，无功电流控制方式考虑到了电 网的实际运行电压水平，从而得到更加准确的补偿效果，但在计算无功电流时要涉 及到无功电流和无功容量的转换计算，计算量大，不利于快速响应:无功功率控制 方式补偿效果不准确。综合考虑这两种控制方案，可得到既能快速响应，又能准确 补偿的控制方案。 华北电力大学工程硕士学位论文 例如，在本设计中，电容器组为 接法，由式 ( 2 - 6 )得 a q n = 3000u,2 a q ( 2 - 8 ) 若考虑到串联电抗器后， k 2 将引起电容器支路阻抗的降低，则 e q=3 r 尤 1 一 k ,. ( 无 、 ) ， ( 2 - 9 ) 那么 式中: 4q, = 3uoc u n 一 争 。 ( 2 - 1 0 ) k 一运行电压与额定电压之比; k ; 一电容器串 联电抗的电 抗率。 这样，实际运行电 压下电网的无功缺额 q，就折算成了 额定电压下的无功缺 额 q n 0 a q 、 作为补偿目 标. 该控制方 式实 际还是 无功功率控制方式， 只不过 对补 偿电容器的实际出力进行了校正。 本 t s c无功补偿装置用于 3 8 0 v 低压配电网中用户或负荷的集中无功补偿，因 此，采用无功功率控制方式控制电容器组的投切。 2 .4电容器组无过渡过程投切分析 当每个电容器中的电流自然过零时，晶闸管就可以保持其非导通状态，此后再 无电流流过其中，向电力系统送出的无功功率突然中断。然而电容上却保持着残留 电荷，正因为存在残留电荷，跨在晶闸管两端的电压便在零至两倍峰值相电压之间 变化。晶闸管重新触发而又不至引起过渡过程的唯一时刻是当其两端电压为零的瞬 间，这正好与峰值相电压相重合。 a ) 切断 华北电力大学工程硕士学位论文 电容电压及电流卫 一 。 b )接通 图2 - 1 2理想无过渡过程操作波形 2 .4 . 1理想无过渡过程操作 图2 - 1 3分析无过渡过程操作的电路 当电 源电 压为交流正弦u = u . s in ( m o t 十 a ) 时，晶闸 管仅在电 压峰值时才能 被 触 发进入导通状态，即当 令 = w ou . co s(m o + a ， 一 ” ( 2 - 1 1 ) 时，在其它任何瞬间时，都要求电流在t = 0 . 时有一不连续的阶跃变化，因为存在电 感， 这种阶跃实际上是不可能产生的，为了能对图 2 - 1 3进行分析，必须在电 压峰 值时触发，因为这一限制，所以 _d u c : - d t= c o c , u , , c o s ( m o t + a ) ( 2 - 1 2 ) 式中a= 才 土一 2 现在w o c = 凡是电 容器的 基波电 纳， 而龙. = 1 / 从 . 是其感抗， 所以 当 。 = 土 吾 时 ， i = 1 u . 及. s i n m e t = 1 i , s i n w o t ( 2 - 1 3 ) 式 中i ， 是交 流电 流的 峰 值， i , = u m / x , 。 在没有其它电 路元件时， 就必须指定电 容器己 预先充电 到电 压认.。 = 士 u m ，即 华北电力大学工程硕士学位论文 电 容 器 上一定 预先带有电 荷1 u m 从， 否 则， 在图2 - 1 3 所示的 简单电 路中，电 容器 上有任何初使直流电压都是不可解释的。实际上，该电压将分布在串联电感和电阻 上，也有一部分分布在晶闸管开关上。 当 存在d u l d t = 0 和t = 0 时价。 = 土 u ， 这些限 制的 情况下， 就可以 获得 无过渡过 程操作这一理想状况，如图2 - 1 2 所示.这个概念是t s c 操作控制的基础。原则上， 一旦每一电容器充电到了正或负的系统峰值电压，那么将任意个或所有电容器在任 何整数半波内无过渡过程投入或切除都是可能的. 2 .4 . 2一般情况下的操作过渡过程 在任何实际的t s c电路中，常常串有一定的串联电感，使d u l d t = 0 保持在可控 硅可以接受的程度之内。同时，回路中还存在回路电阻。由于电阻远远小于感抗和 容抗值，在以下的分析中略掉电阻的作用，在计算最初的几个电压、电流峰值时不 会带来显著的误差。电感和电容的一并存在使过渡过程发生震荡。可以用带有电感 的图2 - 1 4电路代替图2 - 1 3 来分析操作震荡过程。 图2 - 1 4投切回路分析图 对图2 - “所示，用拉普拉斯变化表示的电压方程是 。 (， 一 。 去 ，(卜 u cos ( 2 - 1 4 ) 设电 源电 压u = u m s in ( w 。 十 a ) ， 电 容器上 初始电 压为认.。 ， 串 联电 抗器l 初始电 流为 零，经过简单的变换和逆变换后得瞬时电流为: i ( t ) 式中: ，、 ，、_ r r ，u ， ，. ， . = 1 m c o s ( w o t + a ) 一 i m c o s a c o s ( wt ) 一 - - l - c o 一 甲z 一 ， 2 - . s ma l s m-i 毋.一口。 ( 2 - 1 5 ) w 。 为 系统 工频角频率; 口 ， 为电路的自 然角频率 1 口 = 一 l c 。 = 了 x , / x ， 为自 然频率的 标么 值; 华北电力大学工程硕士学位论文 电 流有一基频分量瑞，它领先于电 源电 压， / 2 弧度， 其幅值i _ =u m w o c 1 一 。 l c 很自 然 它与串 联的电 容和电 感的基 频电 纳成正比，即与凡n / ( n 2 - 1 ) 成正比 。 系数 护/( 矿- 1 ) 是记及l - c 电路的局部串联调谐的放大系数。 如果有相当大的电抗， 则n 可能比较小，其值为2 . 5 甚至更小些，而放大系数则可能达到 1 . 2 或更大。 式 ( 2 - 1 5 )忽略了电阻的影响， 在实际电路中，回路电阻将衰减式中的后两项 震荡分量，所以式 ( 2 - 1 5 )只是用来分析投切点附近的瞬间电容电流值。 从式 ( 2 - 1 5 )可知，要使系统真正实现无涌流投切，必须同时满足以下两个条 件: ( 1 )c o s a= 0 ( 即s i n a= 1 l )( 2 - 1 6 ) ( 2 ) u ro=2 n 2 u m 口”一似。 ( 2 - 1 7 ) 这两个条件意味着:1 )晶闸管必须在电源电压的峰值触发;2 )电容器组必须 z 预 先 充 电 到 毕- u， 使 晶 闸 管 投 切 电 容 器 时 ， 条 件1 ) 可 以 实 现 ， 但 条 件2 ) 很 m -一口 难实现。故要真正实现无涌流投切是不可能的。控制策略应该使晶闸管触发时能将 震荡的过渡过程限制在可接受的限度之内。在 ( 1 ) , ( 2 )两个条件中，( 1 )原则上 总是可以满足的。在正常条件下，条件 ( 2 ) 可近似地得到满足。系统电压接近 l p u 时，条件 ( 2 )几乎可以满足，不过要具备以下两个条件之一，即在非导通期间电 容器 放 电 不 会降 低 到过 低 的 值， 或电 容 器能 预 充电 到电 压 接 近士 u . n l ( 矿- 1 ) . 在最一 般的 情况下，u c .。 可能 有 任意 值， 究竟多 大，则 取决 于导通最终停止的 状态和停运的时间。 同 时，由 于口 。 口 。 ， 所以 式 ( 2 - 1 5 ) 简 化为: i ( t ) = i , c o s ( r o a t + a ) 一 几c o s a c o s ( c o , t ) 一 mc ( u , 。 一 u m s i n a ) s i n w . 1( 2 - 1 8 ) 晶闸 管重新触发不 致引 起大涌 流的时 刻是认.o = u m s i n a 的 瞬间。 所以 ， 应在电 网电压与电容器上残压极性相同且大小相等的时刻投入电容器组。 2 . 5本章小节 本章首先从电容器投切运行的基本原理入手，分析了其运行特性;然后，描述 了t s c 几种常用的接线形式，确定了本设计采用的接线方法，比较了几种投切控制 方式，分析了各自的缺点和不足，确定了以无功功率作为本设计的投切控制参数; 最后，通过研究电容器组的投切过渡过程分析了如何选取最佳的投切时刻和方法。 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章 动态无功补偿装置的实现 本无功补偿装置采用固定电容器和晶闸管投切电容器组合( f c - t s c ) 的动态补 偿方式，装置将装设在配电变压器的低压侧母线上，对配电变压器的整个线路负载 进行无功补偿。本章主要介绍了无功补偿装置的结构和各部分的功能，并对控制器 的结构和各部分设计进行了重点论述。 3 . 1动态无功补偿装置结构及主电路设计 aluc c leil k 4豁 空气开关 票 其一 共 马 妥 共 控 iu -m va vzi 日 l 骂制 币 一一 i器 过零比较 熔断器避t器 领 相环 采样保持器 a / d 转换 单片机 卜 央处理单元 投切信号 n rp wd rd yf b 父 扰 触器 瓢 w4 ,-l m 絮dnv n 2 #桨%r b l a 电容器 图3 - 1无功补偿装置主电路接线原理图 所示为无功补偿装置主电路接线原理图，由图可知，本无功补偿装置 华北电力大学工程硕士学位论文 采用的是晶闸管投切电容器与固定电容器组合 ( f c - t s c )的动态无功补偿方式，补 偿电容器组容量按照 3 : 4 : 8配置，即一组 1 5 k v a r作为固定电容补偿，用交流接 触器控制，当没有负荷时断开，防止过补;还有两组 2 0 k v a r , 4 0 k v a r作为动态电 容补偿，其由可控硅作为投切开关，总共补偿容量为7 5 k v a r o 无功补偿装置主要由柜体、控制器、空气开关、避雷器、三相电容器组、熔断 器、可控硅开关、触发板以及串联电抗器等部件组成。其元件连接形式为:a , b , c三相电源线经空气开关进入补偿装置柜体内，顺熔断器和可控开关模块如电容器 组连接，其中固定补偿电容器组中间不经过可控开关模块，另外，避雷器经过空气 开关与三相电源线相连后接地。以上为主电路的接线形式，对于控制器而言，采样 信号为 u 。 和 i b ，此两路信号经过电压和电流互感器变换为弱电信号输入控制器处 理，控制器经过预先设定的控制电路和控制策略判定需要投入的电容容量，发出投 切信号给驱动触发电路，控制电容器组的投入与切除。 3 . 2动态无功补偿装置控制器研制 3 .2 . 1 控制器硬件结构设计 控制器是动态无功补偿装置的核心部件，它主要完成数据的采集、变换、计算 以及将测量计算的参数显示出来，发出投切控制信号控制电容器的投切。总体就其 硬件电路功能而言它主要由四部分电路组成:中央控制电路、电源变换电路、数据 采集电路 ( 包括信号调理电路、电网频率跟随电路) 、脉冲触发电路。 3 . 2 . 1 . 1中央控制电路 中央控制电路为控制器的核心部分，它的主要功能为根据数据采集电路采集的 系统电压、电流信号，进行快速计算，根据控制策略计算系统无功缺额，发出 t s c 的触发信号， 并传送给触发驱动电路。 设计控制器时采用了c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f o 2 0 单片机芯片， 它是c y g n a l 公司的m c u中功能最强大的芯片之一，它是完全集成的 混合信号系统级芯片， 具有与8 0 5 1 兼容的微控制器内核， 与m c s - 5 1 指令完全兼容， 除具有标准 8 0 5 1的数字外设部件外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的 模拟部件和其它数字外设及功能部件，由 于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机是高度集成的片上系 统， 因此， 除了以上的三块电路外， 控制器的其它实现基本都是在单片机中完成的， 例如 1 1 5 - 16 1 : ( 1 ) 集成a / d 转换电 路: (2 ) 集 成内 部电 压基 准; ( 3 ) 集成6 4 k b f l a s h 存储 器和4 k b r a m ; ( 4 ) 具有片内j t a g 和调试电 路。 其功能结构如下: 1 . 模拟外设 ( 1 ) 逐次逼近型 ( s a r ) a d c (