（电气工程专业论文）基于dsp的tcr型动态无功补偿装置控制器的研究与设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t m o r ea n dm o r ef l u c t u a n tl o a ds u c ha se l e c t r i ca r cf i t r n a c e sa n dw e l d e r sc o n n e c ti n t op o w e r n e t w o r k s i t ss u p p l yq u a l i t yb e c o m eb a d l y b a s e do nd s pt h i sp a p e rs t u d ya n dd e s i g nt c r s v c c o n t r o l l e rt oe l i m i n a t et h ev o h a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e r , i m p r o v el o a di m b a l a n c es t a t e b a s e do nt h ec o m p e n s a t ea d m i t t a n c em o d e lo fs t e i n m e t zt h e o r yam e t h o di sp u tf o r w a r dw h i c h u s ei n s t a n t a n e o u sv a l u e so fl o a dc u r r e n ta n dv o l t a g et od e n o t ei t t h es i m u l a t i o n sa n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o ni nt h ed e s i g no fs v cm o d e lh a v es h o w nt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sv e r ye f f e c t i v e ， a c c u r a t e ，a n dw i t hf a s tr e s p o n s ep e r f o r m a n c e d e l a ya n g l ea c c o u n tp r e c i s i o no ft c rd y n a m i cr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c ei n f l u e n c e st h e e f f e c to fd y n a m i cr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd i r e c t l y i nt h i sp a p e rt h er a t i o n a li n t e r p o l a t i o nm e t h o di s u s e da st h ed e l a ya n g l ea c c o u n tm e t h o d c o m p a r ew i t ht h ep o l y n o m i a la p p r o a c ht h i sm e t h o di s p r o v e dt ob em o r ea c c u r a t eb yc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h e i ra m o u n to fc a l c u l a t i o ni se q u a l a s i n g l e - p h a s em o d e la n dat h r e e p h a s eo ft c ra r ee s t a b l i s h e db ym a t l a bs o f t w a r e t h er e l a t i o n s a m o n gt h ed e l a ya n g l et r i g g e rp u l s ea n df u n d a m e n t a lc u r r e n ta r ea n a l y z e d t h ec o n t r o l l e rm a k eu po f t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s pc h i p ，d e t e c t i n gc i r c u i t si n c l u d es a m p l i n gc i r c u i t ， m o d u l a t e c i r c u i ta n dp h a s el o c k e dl o o pa n do t h e rp e r i p h e r yc o n t r o la n dd r i v ec i r c u i t t h i sp a p e r d e s i g nal o w - v o l t a g es v cm o d e la n di t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e mo b t a i n e db yw e l d e r , w h i c h c h a r a c t e r i s t i ci ss i m i l a rt ot h ee l e c t r i ca r cf u m a c e ，a n dc h e c ko u ti t sp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：d y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，t c r ，r e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i n g ，r a t i o n a l i n t e r p o l a t i o n ，d s p i i 东南大学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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：熏巍 日期：塑! 弓 研究生签名： 丝魏 日期： 塑! 弓 东南大学学位论文使用授权声明 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 论文的内容相一致。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。 研究生签名：垒丝。导师签名： 二w 日期：“3 东南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文选题背景与研究意义 电网电压质量通常用稳定性、对称性及正弦性等指标衡量，随着现代电力电子设备 等非线性负荷大量接入电网，使电网供电质量受到严重影响，其中各种电力电子开关器 件的大量应用和负载的频繁波动是最主要的干扰源，导致了一系列不良影响。 ( 1 ) 功率因数低，增加电网损耗，加大生产成本，降低生产率。 ( 2 ) 产生的无功冲击引起电网电压降、电压波动及闪变，严重时导致传动装置及 保护装置无法正常工作甚至停产。 ( 3 ) 产生高次谐波电流，导致电网电压畸变，是电网的“隐性杀手”，能导致： 保护及安全自动装置误动作。 电容器组谐波及谐波电流放大，使电容器过负荷或过电压，甚至烧毁。 增加变压器损耗，引起变压器发热。 导致电力设备发热，电机力矩不稳甚至损坏 加速电力设备绝缘老化，易击穿。 降低电弧炉的生产效率，增加损耗。 干扰通讯信号。 ( 4 ) 导致电网三相不平衡，产生的负序电流使电机转子发生振动。 目前解决这一问题普遍使用的方法是在干扰负荷接入点同时接入静止型动态无功 无功补偿装置，即s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) ，用以消除无功冲击，滤除高次谐波， 平衡三相电网，其典型代表是固定电容器+ 晶闸管控制电抗器( f i x e dc a p a c i t o r + t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r f c + t c r ) 。t c r 型动态无功补偿装置( 以下记为 t c r - s v c ) 的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率。这种连续调节是依靠调 节t c r 晶闸管的触发延迟角得以动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变。t c r s v c 最重要的性质是它能维持其端电压不发生变化，具有快速响应性、可频繁动作性、以及 第一章绪论 分相补偿能力，可应用于对大型冲击性、快速周期波动变化、不平衡、非线性负荷( 如 电弧炉、轧钢机、城市二级变电站、远距离电力传输、电力机车供电等) 的动态无功补 偿领域。它能有效抑制这些负荷所引起的电压波动问题，显著地解决电压畸变、波动和 闪变问题，起着改善电能质量的作用。所以，近l o 年来，在世界范围内其市场一直在 迅速而稳定的增长，已占据了静止无功补偿器的主导地位【1 】【2 1 。 静止型动态无功补偿技术是7 0 年代世界范围内的重点攻关技术，在我国起步虽晚， 但其发展前景是广阔的。一方面，以电力电子装置为代表的非线性负荷的使用、各种大 型用电设备启停等造成电能质量问题的因素不断增长；另一方面，各种复杂的、精密的、 对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高。上述 问题的矛盾越来越突出，使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和可能对 人类生活和生产造成的损失也越来越大，电能质量直接关系到国民经济的总体效益。而 在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上，我国的情况尤其落后。如何提高和 保证电能质量，已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一【3 】【4 】。 目前中国电科院、西电公司，鞍山荣兴公司仅针对大型用户进行t c r - s v c 的研制， 中小用户和低压电网处于空白。主要原因一是国内高压晶闸管的制造工艺无法与国外同 类产品相比，晶闸管的耐压和导通一致性差；二是控制器的核心技术不被国内厂家掌握， 加之产品硬件成本相对较高，所以只有大型钢铁企业和煤矿以及部分电气化铁路使用高 压t c r - s v c 。而电网用电负荷一般由异步电动机、同步电动机、电热电炉、整流和照 明设备等组成，其中异步电动机占的比例最大( 电气原动力中占9 0 ，用电量占6 0 以上) 。因此高( 低) 压电动机、电焊机动态无功补偿装置的研制具有更广阔的市场。 在中小用户和低压电网研究动态无功补偿装置的控制器，对加速t c r - s v c 在我国电力 系统的推广和应用具有重要意义。电焊机和钢厂电弧炉的用电特性很相似，在工作期内 造成线路急剧开路和短路，引起电网电压的剧烈波动。本论文设计的低压t c r - - s v c 样机用电焊机作负载，也为今后控制器应用于电弧炉及其它更多领域打下基础。 2 东南大学工程硕士学位论文 1 2 国内外研究动态及存在问题p s l 要使动态无功补偿控制器充分发挥其设计功能，采用准确、高效的分析与控制方法 是至关重要的。首先要获得及时、准确的有关“源”信息，如三相电压、三相电流、中 线电流及中线对地电压等，然后对这些信息进行实时、快速的分析，得到所需的控制信 息，控制器根据这些控制信息，采用适当的控制方法产生相应的动作，最终才能得到理 想的补偿效果。关于动态无功补偿控制器的研究主要集中在以下两个方面： 第一，扰动信号的提取。对于电压波动和闪变、谐波、三相不平衡这些变化相对较 缓慢、持续时间较长的电能质量问题，对称分量法、谐波分析法是最常用的时域分析方 法。它们的特点是数学表达式简单，物理概念明确。但时域分析方法计算量大、耗时长， 很难实现实时、在线控制，因此必须采用变换的方法，快速、准确地得到所需的控制信 号。将传统的分析方法与新兴的智能方法相结合是分析电能质量问题的一个趋势。 第二，控制策略。一旦检测、分析出存在的有关电能质量问题的信息，就必须采用 有效的控制方法消除或抑制这些信息。采用何种控制方法与电能质量问题类型以及控制 装置密切相关。目前研究及应用比较广泛的控制方法有以下几种： ( 1 ) p i d 控制。 p i d 控制是常用的控制方法，其理论完善、鲁棒性强、稳定性好、稳态精度高， 易于在工程中实现。经典p i d 控制采用比例、积分、微分等典型的控制模块，加上几 种校正网络，能改善系统动态、稳态性能。但p i d 控制也存在响应有超调、对系统参 数摄动和抗负载扰动能力差等缺点。 ( 2 ) 空间矢量控制。 空间矢量控制的原理是将测量得到的基于三相静止坐标系的交流量( a b c ) 经过p a r k 变换得到基于两相旋转坐标系的直流量( d q ) ，实现解耦控制，具有良好的稳态性能与暂 态性能。常规的矢量控制方法需要进行复杂的正弦、反正切函数运算，一般采用d s p 进行处理；或者采用一些简化算法缩短实时运算时间和降低对硬件的要求。 ( 3 ) 模糊逻辑控制。 模糊控制有较强的鲁棒性，对外来于扰、过程参数变化和非线性因素均不敏感。 但模糊控制存在稳态误差，在工作点附近容易引起小范围振荡。将其他控制方法与模糊 第一章绪论 控制相结合，如变结构控制、人工神经网络等，可以改善模糊控制的性能。 ( 4 ) 人工神经网络( a n n ) 。 人工神经网络具有自适应和自组织能力，可以根据输入、输出学会它们之间的非线 性关系，而不需要系统的数学模型；a n n 的容错性和自适应性可以应付复杂系统在运 行过程中的众多不确定因素，提高系统的抗干扰能力；a n n 固有的并行结构和并行处 理能力使它可以快速处理系统的大量数据。 目前国际上只有德国的s i m e n s 、瑞士的a b b 、美国的c a n a 公司、日本的f u j i 公司与乌克兰的国家变流器科学研究院及乌克兰扎巴罗热变流器厂等少数国家的公司 和企业能掌握该项技术并批量生产t c r s v c ，而国内一些科研单位与生产企业研究开 发的该项技术与装置，因受国内大功率晶闸管器件水平及高电压、大电流的电力电子技 术与数字化的微电子技术互相结合的技术限制，至今没有批量生产s v c 的单位【1 0 】。 国外的无功补偿系统主要用静补装置和电容器组成，并积累了广泛的运行经验，取 得了良好的效果。国内引进的十余套s v c 装置，安装于5 0 0 k v 变电站及几个大型的冶 金企业。经过近年来的消化吸收，我国已研究开发了多种使用于不同场合的改善电压波 形、抑制冲击无功的动态无功补偿装置，但在功能上、实用化方面还不够理想，还存在 许多问题： ( 1 ) 近几年，在0 4 k v 1 0 k v 电网中推行的动态补偿，实质上是晶闸管投切电容 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 ) ，没有平滑调节功能，实时性差； ( 2 ) 基于单片机或可编程序控制器( p l c ) 设计的无功补偿装置，运算速度较慢 很难满足复杂控制算法的要求及具有快速的响应速度，已不能很好地适应电力系统的要 求，致使电力系统的高精度测量、实时监控和先进算法的运用受到了限制； ( 3 ) 有的产品虽然直接引进了国外的技术模块，功能较强，可是价格较高，且不 完全适合我国市场，目前主要集中在钢厂等大型项目应用； ( 4 ) 有的产品无通讯和控制输出功能，不满足电力系统网络化、自动化的发展方 向。 4 东南大学工程硕士学位论文 1 3 国家标准及国际组织关于负荷干扰的限制标准1 9 - 1 1 , 1 4 , 5 4 1 1 3 1 电压波动和闪变的定义及标准 电压变动( d ) 指供电电压在两个相邻的、持续一定时间的电压方均根值配和 以之差。在不超过3 0 m s 的期间内，同方向的二次或二次以上的电压方均根值的变动， 只算作一次变动。通常以额定电压u 。的百分数来表示电压变动的相对百分值。 d ：业1 0 0 ( 1 1 ) un 电压变动频度( r ) 指单位时间内电压变动次数，一般以l r a i n 或l ，s 为单位。 国际电工标准( m c ) 规定，在低压民用电网中，稳态的电压变动应不超过3 ， 最大的电压变动应不超过4 ，电压变动超过3 的持续时间不应超过2 0 0 m s 。 电压波动矿是指工频电压包络线的一系列变动或周期变化，以其相邻的方均 根值的两个极值【，l 。和【，一之差u 相对额定值，的百分数表示 a v ：u 一- - u mx 1 0 0 ( 1 2 ) u n 闪变广义的闪变包括电压波动的全部有害作用，但不能以电压波动来代替闪 变，因为闪变是人对照度波动的主观视感。为此，由照明角度选白炽灯的工况作为判断 电压波动值是否能被接受的依据，将人对照度波动的主观视觉成为闪变。 电压闪变主要是由波动性负荷产生的。最常见的波动性负荷是电弧炉、轧机、电弧 焊机等。从各种波动负荷性能分析，由电弧炉引起的电压波动和闪变较为严重，因此许 多国家的有关规定主要是针对电弧炉的。我国在这方面工作起步较晚，2 0 0 0 年颁布了 电能质量电压波动和闪变g b l 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 ，规定了电压变动和闪变的限值。电力系 统公共接点，由波动负荷产生的电压变动限值和变动频度、电压等级有关，见表1 1 。 电力系统公共连接点，由波动负荷引起的短时间闪变值p s t 和长时间闪变值p l t 应满足表1 2 规定的限值。 g b l 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 中规定了电压波动和闪变的允许值应和实际值的9 5 的概率作比 较，以判断是否合格，同时规定实测值不少于5 0 个。其中3 5 k v 电压等级短时间电压闪 第一章绪论 变p s t 限值为0 9 ，长时间电压闪变p l t 限值为0 7 。要求短时间电压闪变测量周期取 1 0 m i n ，每天不得超标7 次( 7 0 r a i n ) ，即9 5 概率值不超过允许值；长时间电压闪变测 量周期取2 h ，每次均不得超标。 表1 1 电压变动限值 d l v ，m vl r 143 1 r 1 03 2 5 1 0 r 1 0 0 2 + 1 5 1 0 0 r 1 0 0 0 1 2 5 1 注 1 很少的变动频度r ( 每日少于1 次) ，电压变动限值d 还可以放宽，但不在本标准中规定。 2 对于随机性不规则的电压波动，依9 5 概率大值衡量，表中标有“ ”的值为其限值。 3 标准中系统标称电压u 等级按以下划分： 低压( l v ) 一 l k v 中压( w ) l k v u m 一 3 5 k v 高压( h v ) 3 5 k v u n 一2 2 0 k v 表1 2 各级电压下的闪变限值 系统电压等级 l v m vh v p s t1 00 9 ( 1 o )0 8 p l to 8o 7 ( 0 8 )0 6 注： 1 标准中p s t 和p l t 每次测量周期分别取为1 0 m i n 和2 h 。 2 m v 括号中的值仅适用于p c c 连接的所有用户为同电压级的用户场合。 1 3 2 谐波及三相电压不平衡标准 基波( 分量) 指对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到的频率与工频相同的分 6 东南大学工程硕士学位论文 量。 谐波( 分量) 指周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到的频率为基波频率大于1 整数倍的分量。 总谐波畸变率指周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值 之比( 用百分数表示) 。电压总谐波畸变率以t h d u 表示，电流总谐波畸变率以t h d 。表示。 根据电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 _ _ 9 3 ) ，3 5 k v 谐波电压总畸变率( t h d ) 允许值为3 0 ，奇次谐波电压畸变率允许值为2 4 ，偶次谐波电压畸变率允许值为 1 2 。 不平衡度( ) 指三相电力系统中三相不平衡的程度，用电压或电流负序分量与正 序分量的方均根值百分比表示。电压不平衡主要是由三相负载不平衡和电力系统元件三 相不对称导致。 电能质量一三相电压允许不平衡度( g b t 1 5 5 4 3 - - 9 5 ) 标准规定正常电压不平 衡度允许值2 ，短时不得超过4 。接于公共接点的每个用户，引起该点正常电压不 平衡度允许值一般为1 3 。 1 4 本文研究的主要内容及主要工作 本论文针对钢厂电弧炉、船厂电焊机等冲击性负荷造成电网电压波动与闪变及三相 不平衡，研究并设计了动态无功补偿装置( s v c ) 控制器。 s v c 设计中的一个难题是如何抑制快速冲击性负荷造成的电压波动和闪变，改善 负荷不平衡状况。以前设计的s v c 的控制器都是基于单片机和可编程控制器p l c ，运 算速度较慢，很难满足复杂控制算法的要求及具有快速的响应速度。基于d s p 设计的 控制器已成为现代数字控制系统发展的趋势。本文采用先进的、功能强大的数字信号处 理器( d s p ) 设计的数字化控制器则可以解决这一难题l l “。 国内外有关s v c 的文献中，对s v c 用作系统补偿时的控制方法的讨论相对比较多， 作负荷补偿的实现方法以及控制所需信号的检测方法则比较少见，而后者却对工程实践 有更重要的意义。 7 第一章绪论 本文基于不平衡负荷的平衡化原理( 即s t e i n m e t z 原理) 的补偿导纳模型，研究基 波无功电流与晶闸管控制角的关系，补偿基波无功功率。控制器以美国德州仪器公司 ( t i ) 的数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片为核心，加上检测电路( 包括采 样电路、调理电路、锁相环等) 和其它外围控制和驱动电路构成。对于控制所需要的信 号，包括电压和无功电流的有效值等，给出了利用电流和电压的瞬时值来表示补偿电纳 的信号检测方法。并将所提出的方法应用于s v c 样机的设计，结果表明，它们是快速 有效和准确的，具有实际的工程应用价值。 论文主要工作： ( 1 ) 根据s t e i n m e t z 原理的补偿导纳模型，给出了利用负荷电流和电压的瞬时值 来表示补偿电纳的方法。 ( 2 ) 补偿控制所需的补偿电流是通过控制器调节晶闸管的控制角来调节支路的 等效基波电纳实现的。控制角的计算精度直接影响无功补偿的效果。本文以 有理插值法作为晶闸管控制角的计算方法，该方法与多项式逼近相比，计算 量相当，但精度要高。 ( 3 ) 使用m a t l a b 的s i m u l i n k 建立t c r 的单相和三相模型，分析晶闸管控制角、 触发脉冲与基波电流的关系。 ( 4 ) 对钢厂电压闪变和不平衡度现状进行分析，配置了滤波器组。利用电焊机与 电弧炉相似的用电特性，以电焊机为负载，开发一套低压t c r - s v c 样机， 设计完整的软、硬件系统，并校验其性能。 东南大学工程硕士学位论文 第二章t c r 型动态无功补偿装置的总体结构 2 i 波动性负荷的无功补偿 波动性负荷主要有：电弧炉、感应炉的变频电源，绞车和轧车、电焊机、电动机起 动( 尤其是频繁起停的工况) ，采矿的挖掘机、粉碎机等。这些波动性负荷，影响和危 害着与其连接在公共供电点的其它用户的电工设备，必须引起重视。 2 1 i 波动性负荷的无功补偿原理1 1 4 , ”- z 7 1 理想的供电质量其三相的交流电压是平衡的，电压的方均根值和频率都是恒量，电 压波形是正弦无畸变。这就要求用户负荷具有正弦电流和三相平衡分配并能以恒定功率 用电，或者要求公共供电点具有极为巨大的短路容量。而在实际情况中，这些条件都是 难以保证的，因此容许适度的电压变动。 6 j p + j q 图2 i 供电系统简化单线图和相量图 ( a ) 单线图；( b ) 相量图 根据戴维南定理，供电系统可由该电路的开路电压和串联阻抗的电路参数构成，负荷可 用可变阻抗或用可变的复功率元件来模拟。图2 1c a ) 、( b ) 分别表示以相量标示的单 线图和与其相对应的相量图。图中u 。和u 分别为无限大电源母线电压相量( 开路电压 相量) 和供电点母线电压相量，u - 为线路压降相量，j x 为线路电抗( 包括系统阻抗， 9 第二章t c r 型动态无功补偿装置的总体结构 高压供电系统可忽略线路阻抗) ，i 为电流相量，p + j q 为负荷的复功率，p 为有功功率， q 为无功功率。 在相量图中若以供电点母线电压相量为参考，则u = u z o o ，u o = u 。么j ，u ，= u - 么纽兰耸i _ ，占为供电线路的功率角，p 为负荷的阻抗角。于是有6 。：6 + 6 。，0 。 2 u x + j u y ，u 。2 x l s i n q ，u ，2 x l c o s 妒，p = u l c o s q ，q = u i s i n q ，。 若负荷波动出现电流变动量i ，则它将引起有功功率变动量a l p = u a i c o s4 p ，无 功功率变动量q = u a s i n p ，线路压降变动g a u , _ j j ，j = 以+ j a u y ，则有： 以= x 址s 帅= x 等 ( 2 1 ) u = x c 。s 伊= x 等 ( 2 2 ) 由图2 i 、式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可见，电压变动量的幅值变化可近似的以u 的 大小来衡量，主要由无功功率变化量q 所引起；电压变动量的相角变化可近的以a u 。 的大小来衡量，主要由有功功率变动量p 所导致。若u 和x 均以标么值或以百分值 表示，则式( 2 1 ) 可写作 a u ：x 竽 ( 2 3 ) 式s b 为容量基值，如s b 按m v a 计，则a q 按m v a r 计。这个算式是计算电压波 动的基本公式。 因为线路和变压器的阻抗主要是感性电抗，多数工业负荷的功率因数角或阻抗角是 滞后的，规定电流滞后于电压的阻抗角妒为正，无功功率为正即吸收无功功率。无功功 率的变动对电压幅值波动影响较大，这就要求用户对波动性负荷无功功率的变动量进行 实时补偿，以改善供电系统的电能质量。 图2 2 给出了负荷无功补偿的示意图，负荷用可变复功率p + j q l 或可变阻抗r + j x l 来模拟，无功补偿器用可变的容性无功功率一j q c 或可变的容抗一j x c 来模拟。在供 电点处从电源侧来看，补偿器发出容性无功功率即负的无功功率- j q c ，与负荷吸收感 1 0 东南大学工程硕士学位论文 性无功功率j q l 相抵消，使电源只提供有功功率p ，或者将补偿器看作使容性电抗_ j x c ， 它与负荷感性阻抗r + j ) ( l 并联，当x c “x l 时，总等效阻抗近似为纯电阻负荷。另一 方面从负荷侧来看，负荷所需要的感性无功功率j q l 由补偿器发出的容性无功功率一 j q c 来提供补偿，或者将补偿器的作用看作是使电源的等效内阻抗减小，或者看作是它 使供电点电压具有平稳的特性。 图2 2 负荷无功补偿的示意图 p + 3 q l r + j x l 以上分析中假定系统阻抗是纯电抗，虽然这会引入误差但使分析简单明了，便于理 解负荷无功补偿的原理。广义的负荷无功补偿包括：功率因数校正、减小电压波动和闪 变、三相负荷平衡化、滤除和抑制谐波等。 2 1 2 电弧炉用电特性1 3 。1 坷 交流电弧炉由三相交流系统供电，炉内设有三个电极，各电极持续升降而不断起弧， 并与废钢形成短路持续高温，以熔化废铁进行冶炼。按照工艺流程，每一冶炼周期基本 可分为熔化期，氧化期、还原期，出钢和加料间隙期。 电炉通过电炉变压器、电抗器、断路器和隔离开关接到高压供电网上。电炉变压器 是专门用于电炉冶炼的特种变压器，具有过载能力大、机械强度高等特点。电抗器用来 缓和电弧电流的剧烈波动，在熔化期和氧化期内投入，在还原期，电弧比较稳定可以切 除电抗器。大容量的电弧炉一般不必接入电抗器。断路器在电流较大时会自动切断，起 保护作用。 交流电弧炉的电气特性： ( 1 ) 电压波动和闪变的发生源 第二章t c r 型动态无功补偿装置的总体结构 熔化期，由于废钢导电不均匀和冶炼中的甥塌，会频繁出现电极短路，无功功 率急剧变化，引起公共接入点( p c c ) 附近的电压急剧波动，对电气设备产生危害，同 时灯光的闪烁使人眼产生视觉疲劳。 ( 2 ) 高次谐波发生源 熔化期中废钢的突然坍塌会引起电极断弧开路，在出钢和加料期电流突变为 零。三相电流波形严重畸变。这种有功冲击负荷随机经常发生，影响机组寿命。 ( 3 ) 三相电压不平衡的产生源 在熔化期，各相电弧电压独立变化，三相电流各自发生急剧无规则的变化。正常情 况下电流不对称度i 。i ，= 2 0 ，当电极两相短路，一相断开，此时电流不对称度1 2 i 。 = 8 0 ，三相电流严重不平衡但持续时间较短。负序电流会造成保护误动、损坏发电机 和设备。 ( 4 ) 电压电流特性曲线 ”一。 i n 图2 3 电弧路电压，电流特性曲 u s x s u r 图2 4 电弧炉等值电路的单线图 图2 3 中a 点为额定运行点，b 点为电弧炉电极短路点，电弧炉电压随电流增大而 降低，电弧炉电炉电抗使电弧的工作点稳定。图2 4 为电弧炉等值电路单线图。 2 1 3 钢厂电压闪变和不平衡度现状分析 目前钢铁企业对电网造成的污染日益严重。电弧炉是现代炼钢的主要手段之一，是 供电电网的很大的负载。功率因数差和电压波动与闪变是电弧炉对供电系统最主要的干 q ；护卫一 东南大学工程硕士学位论文 扰与不利影响。在泰州钢厂，1 0 吨交流电弧炉在熔化期功率因数低于0 6 ，1 0 吨精炼 炉功率因数也只在o 7 左右。为此供电部门每月有较多罚款，一年罚款总计六十多万。 这种因功率因数低而造成巨额罚款的现象在我国各大中型钢铁企业很普遍。 2 0 0 4 年1 1 月3 日至1 1 月4 日对泰州3 5 k v 招贤变3 5 k vi i 段母线和3 5 k v 轧钢线 进行电能质量测试。泰州招贤变现有两台l l o k v 3 5 k v l o k v 主变，容量均为 3 1 5 0 0 k v a ，其3 5 k vi 、i i 段母线分列运行，由于3 5 k vi i 段母线所接3 5 k v 轧钢线引起 的电压波动和闪变、谐波等电能质量问题，使得目前3 5 k vi i 段母线只能专供3 5 k v 轧 钢线。 由于3 5 k v 母线i i 段专供3 5 k v 轧钢线，因此3 5 k v 母线i i 段的电能质量完全受轧 钢线负荷的影响，在轧钢线负荷不运行的时间内，3 5 k v 母线i i 段a b 和c b 相谐波电压 总畸变率最大值分别为0 6 0 3 、0 5 9 4 ，短时间闪变a b 和c b 相最大值分别为0 1 3 6 、 0 1 4 1 ：而在轧钢线负荷运行期间，谐波和闪变水平显著上升，以下仅对轧钢线负荷运 行期间( 1 1 月3 日2 1 ：3 0 一1 1 月4 日0 8 ：3 0 ) 的电能质量情况进行分析。 ( 1 ) 3 5 k v 母线i i 段a b 、c b 相功率因数变化趋势图如图2 5 所示 圈2 5 功率因数变化趋势图 第二章t c r 型动态无功补偿装置的总体结构 3 5 k v 母线i i 段a b 、c b 相功率因数变化趋势如图2 5 所示。a b 相功率因数最低为 o 6 6 ，b c 相最低为0 6 5 ，大大低于供电部门要求的0 9 的标准。 图2 63 5 k v 母线i i 段 b 、口相谐波电压畸变率 ( 2 ) 3 5 k v 母线i i 段a b 、c b 相谐波电压畸变率如图2 6 所示。总畸变率( t h d ) 的 9 5 概率值分别为1 1 7 0 、1 0 6 9 ，低于标准3 的要求；3 、5 次谐波电压畸变较 大，a b 、c b 相3 次谐波电压畸变率分别为0 7 4 2 、0 6 6 5 ，5 次谐波电压畸变率分 别为0 5 0 3 、0 4 8 9 ，均低于标准2 4 的限值。 ( 3 ) 3 5 k v 轧钢线a 、c 相3 次和5 次谐波电流变化趋势图如图2 7 ( a ) 、( b ) 所示。 与3 5 k v 母线i i 段电压3 、5 次谐波电压畸变较大相符合3 、5 次谐波电流较大，其中a 相3 次谐波电流为4 9 3 7 a ，5 次谐波电流3 4 7 7 a ，c 相3 次谐波电流为4 7 7 a ，均已超 过了国家标准的限值。 ( a ) a c 相3 次谐波电流 1 4 东南大学工程硕士学位论文 ( b ) a 、c 相5 次谐波电流 图2 73 5 k v 轧钢线a 、c 相谐波电流变化趋势图 ( 4 ) 3 5 k v 母线i i 段长闪变p l t 值如图2 8 ( a ) 。国标规定3 5 k v 电压等级长p l t 限值为0 7 。而实测a b 、c b 相p l t 值分别为1 7 7 7 、2 0 5 8 ，均大大超过了国标允许值。 ( 8 ) 闪变值 ( b ) 不平衡度 图2 83 5 k v 母线i i 段电压长闪变值与不平街度 ( 5 ) 3 5 k v 母线i i 段不平衡度为1 6 4 。标准规定正常电压不平衡度允许值2 。 接于公共接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1 3 。 由此可见3 5 k vi i 段功率因数与不平衡度均达不到规定要求。母线谐波电压畸变率 小于国家标准规定的允许值，电压闪变严重超标；3 5 k v 轧钢线3 、5 次谐波电流超过国 标允许值。因此轧钢线用户需采取滤波以及降低电压波动和闪变的措施，保证招贤变电 所3 5 k vi i 段母线的电能质量。 第二章t c r 型动态无功补偿装置的总体结构 2 2t c r - s v c 补偿原理 2 2 1s v c 定义及分类1 1 # 8 0 9 l s v c 专指使用晶闸管的静止型动态无功补偿装置，包括晶闸管相控电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o t - - t s c ) ，以及这两者的混合装置 ( t c r + t s c ) ，或者t c r 与固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r ) 或机械投切电容器 ( 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 ) 混合使用的装置( t c r + f c 、t c r + m s c ) 。 图2 9 给出了s v c 的不同配置类型，其中晶闸管控制变压器t h y r i s t o rc o n t r o l l e d t r a n s f o r m e r ( t c t ) 是t c r 装置的一种变型。 西- z - - - z - - 西丌 图2 9s v c 的配置类型 c a ) 砌l ( b ) t s c ( c ) t ( 取+ t l s c ( d ) t c t ( d ) 表2 1 列出了各种静止无功补偿装置的简要对比。通过比较我们可以看出t c r 型 具有反应时间短( 5 m s 2 0 m s ) ，运行可靠，相对于t s c 型可实现无级、分相调节，能平 衡有功和适用范围广等优点，而且t c r 型s v c 装置还具有很大的灵活性，占地面积相 对较小，产生的高次谐波和噪音较小。相对于静止无功发生器s v g 来说控制较简单、 开发时间短、成本低。t c r 型s v c 可以有效治理闪变，减小谐波电流，更具实用价值。 所以针对钢厂l o 吨电弧炉，设计t c r - s v c 装置。 1 6 东南大学工程硕士学位论文 表2 1 各种无功功率动态补偿装置的简要对比 装置 同步调相机 t c r 或 静止无功发生 t s ct c r + t s c 项目 ( s c ) 1 r + f c 器s v g 响应速度2 0 m s1 0 m s1 0 m s1 0 m siilli 2 东南大学工程硕士学位论文 与晶闸管串联的电抗器相当于直接接在电网上，这时其吸收的基波电流和无功功率最 大。当触发延迟角在9 0 。1 8 0 。之间时，晶闸管为部分区间导通，导通角万 1 8 0 。 晶闸管的控制角a 可控制在9 5 。1 8 0 。之间。 2 3 2m r 控制方法的形成基础 增大触发延迟角的效果就是减少电流中的基波分量，相当于增大补偿器的等效感 抗，或者说减小其等效电纳，因而减少了其吸收的无功功率。它的瞬时电流表达式： 柳：朦s s 硼 1 0 晶闸管导通 晶闸管截止 基波电流 i i 。j 云u i 2 矿一2 口+ s i n 2 口) = u b 。( 所以对基波而言，晶闸管控制的电抗器可看作一个可控的电纳， b ( 口) ：2 ( z - - a ) + s i n 2 a 。 z x ， 谐波电流 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其用下式表示： ( 2 8 ) l：l三isin(n+1)(a-，r2)一sin(n-1)(a-z2)2sin(a-z2)cosn(a-z2)l 1 4 x 石l 1 + 1行一l栉 i ( n = 3 ，5 ，7 )( 2 9 ) 式中u 为电网电压( v ) ； x l = c o l 电抗器的基波电抗( q ) ； 口控制角； 国电源额定角速度( r a d s ) ： 一谐波次数。 从式2 8 中看出。2 9 0 。，b l 。最大，等于寺，。_ - - 1 8 0 。b l 。最小 等于零，这就是相控的基本原理【1 6 1 。 1 9 第二章t c r 型动态无功补偿装置的总体结构 由式( 2 9 ) 可知谐波电流大小与控制角口有关，口角增大则电流波形畸变率增加。 在口角完全对称的情况下，t c r 产生的主要谐波是奇次谐波。反并联晶闸管控制角不 完全对称时，则会产生偶次谐波。三及三的倍数次谐波利用三角形接线来消除。 目前t c r 的控制系统有两种控制方式：一是按s v c 最佳电纳控制；另一种是按 s v c 系统参数进行控制，而不直接反映电纳的变化。以上两种控制方式反映在电流电 压特性上如图2 1 3 所示。 统负载特性 图2 1 3t c r 电压一电流特性 图中虚线为系统负载线，特性曲线与系统负载线的交点设计在中部，作为稳定运行 点，点划线为导通角6 ，图中稳定运行点设计在5 = 1 3 0 。特性曲线控制特征可用下 式表示： y = v s + xs l ( 2 1 0 ) 式中0 i j l 。电抗器的额定电流，a ； ，电抗器的工作电流，a ； x 。电抗器电压一电流特性曲线斜率； _ 饱和电压，v ； 控制系统不断调节控制角o ，使得t c r 能从其电压一电流特性上的某一稳态工作 点转移到另一稳态工作点。其特性的斜率和在电压轴上的截距都是由控制系统的参数决 定的。 东南大学工程硕士学位论文 2 3 3 主要接线形式1 1 i 雨雨 c a ) 图2 1 4t c r 的接线形式 ( a ) 6 脉波t c r ；( b ) 1 2 脉波t c r ( b ) 如图2 1 3 所示，t c r 的三相接线形式大都采用三角形联接，因为这种接线形式比 其它形式线电流中谐波含量要小。工程实际中将每一相的电抗分成如图2 1 3 所示的两 部分，分别接在晶闸管对的两端。这样可以使晶闸管在电抗器损坏时能得到额外的保护。 每相只有一个晶闸管对的接线形式被称为6 脉波t c r ，如图2 1 4 ( a ) ，其线电流中所 含谐波为6 k 1 次( k 为正整数) 。而由供电电压相差3 0 。相角的两个6 脉波t c r 可以 构成1 2 脉波t c r ，以减小线电流中的谐波。如图2 1 4 ( b ) 所示t c r 通过降压变压器 接到系统母线上，其一次侧线电流中仅含1 2 k 士1 次谐波。而且，当组成它的一个6 脉波 t c r 出现故障时，另一个仍可以正常工作。工程中考虑成本和晶闸管同步触发的问题， 通常采用6 脉波t c r 的接线形式。 2 4l c 滤波器 1 , 1 6 , 1 7 2 4 1l c 滤波器种类 l c 滤波器也称为无源滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的 滤波装置，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。l c 滤波器分为 单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等几种。图2 1 5 给出了几种滤波器的结构 第二章t c r 型动态无功补偿装置的总体结构 形式。 。雌 r 工 图2 1 5 滤波器种类 c a ) 单调谐滤波器；( b ) 一阶高通滤波器；( c ) 二阶高通滤波器； ( d ) 三阶高通滤波器；( e ) c 型高通滤波器；( f ) 双调谐滤波器 单谐调滤波器通频带窄，滤波效果好，损耗小，调谐容易，是使用最多的一种类型。 一阶高通滤波器需要电容大，基波损耗大，一般不采用。 二阶高通滤波器的滤波性能最好，但与三阶相比，基波损耗较高。 三阶高通滤波器比二阶的多一个电容c 2 ，提高了滤波器对基波频率的阻抗，减小 了基波损耗，但滤波效果不及二阶高通。一般用于电弧炉滤波。 c 型高通滤波器性能介于二阶和三阶之间。c 2 与l 调谐在基波频率上，减少了基 波损耗。但缺点是对基波频率失谐和元件参数漂移比较敏感。 双调谐滤波器其作用等效于两个并联的单谐调滤波器，其基波损耗与两