（电气工程专业论文）基于dsp的tsc型无功补偿控制器的应用研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 由于大型企业中存在着大量的感性负载，需要吸收电网大量的无功能量，用电 部门为了节约电能，改善电能的质量，需要对系统进行无功补偿。晶闸管投切电容 器t s c 是并联电容无功补偿技术的发展方向。分析了t s c 装置常用主电路的特点， 介绍了电容器投切判据与信号检测、零压投入以及晶闸管触发电路等关键问题的解 决方案。从晶闸管投切电容器的基本原理、分类概况、主接线电路、检测与控制策 略等方面介绍t s c 系统在动态无功补偿中的应用现状，指出了t s c 技术存在的问 题，并提出了解决的方案。t s c 无功补偿装置具备优良的无功补偿性能，具有较高 的应用价值和广泛的市场前景。 关键词：无功补偿，晶闸管，t s c ，零电压投切 a b s t r a c t a sl a r g ee n t e r p r i s e s ，t h e r ea r ea1 0 to fe m o t i o n a l l o a d ，p o w e rg r i d sn e e dt oa b s o r b t h el a r g en u m b e ro fn o n f u n c t i o n a lc a p a c “y ，t h ee l e c t r i c i t ys e c t o ri no r d e rt os a v ep o w e r a n di m p r o v et h e q u a l i t y o fp o w e r ，t h en e e df o rr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n s y s t e m t h y r i s t o r s w i t c h e d c a p a c i t o r ( t s c ) i s an e wd i r e c t i o no ft h es t a t i cv a t c o m p e n s a t o r ( s v c ) t e c h n o l o g y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi t sv a r i o u sm a i nc i r c u i t sa r e a n a l y z e d s o m ek e yp r o b l e m s0 nd e v e l o p i n gt s cd e v i c ea r ei n t r o d u c e di n c l u d i n gt h e c r i t e r i o no fs w i t c h e dc a p a c i t o r ，t h ed a t ad e t e c t i o n m e t h o d ，z e r o v o l t a g es w i t c h i n g - 0 n a n dt h et r i g g e r i n gc i r c u i tf 0 rt h y r i s t o r s t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o rf r o mt h eb a s i c p r i n c i p l e s o fc l a s s i f i c a t i o np r o 丘l e ，t h em a i nc i r c u i tw i “n g ， d e t e c t i o na n dc o n t r o l s t r a t e g i e s ，s u c ha st s cs y s t e mi n t r o d u c e di nt h ed 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 o ft h es t a t u sq u o ，p o i n t e do u tt h ee x i s t e n c eo ft h et s ct e c h n i c a lp r o b l e m sa n dp r o p o s e d s o l u t i o n sp r o g r a m m e t s cr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e sw i t haf i n ep e r f o r m a n c eo f r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，h a v eah i g hv a l u ea n db r o a dm a r k e tp r o s p e c t s w a n gm i n 由i e ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f d i n gq i a o l i n k e yw o r d s ： r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ； t h y r i s t o r ： t h y r i s t o rs w i t c h e d c a p a c i t o r ( t s c ) ；z e r o - v o l t a g et r i g g e r i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的t s c 型无功补偿控 制器的应用研究，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： 日期： 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。 f 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日期： 导师签名： 日期： 华北电力人学i ：程硕十学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着科学技术的迅速发展，对能源需求提出了越来越高的要求。同时，为适应 国家节能减排及可持续发展的战略要求，提高能源利用率，降低生产成本受到企业 的高度重视。 电力是我国主要的二次能源。在当今的电力系统中，负载大多呈感性。感应式 异步电动机、变压器、电抗器等必须消耗无功功率才能正常工作，这是其本身电特性 所决定的。同时，随着现代电力电子技术的发展，大功率变流、变频等电力电子装 置在电力系统中得以广泛的应用，但这些装置大多数功率因数很低。电力电子装置 通常采用相控方式，其交流侧的电流也常常落后于电压，它们不但要消耗大量的无功功 率，还要产生大量的谐波电流【l 】，即使简单的二极管整流装置其交流侧电压电流基本同 相，但由于电流波形的畸变，其产生的大量谐波电流也要消耗无功功率。系统运行中， 大量的无功功率严重降低了系统的功率因数，增大了线路的电压损失和电能损耗， 严重影响着能源、制造等相关行业的经济效益。 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。在电力系统中，大多数网 络元件和负载都要消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中 的某个地方获得。显然，这些所需要的无功功率如果要由发电机提供并经过长距离 的输送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地 方产生无功功率，即对无功功率进行补偿。 无功补偿是指在配电系统中安装并联电容器等容性设备。这些设备可供给感性 负荷所消耗的部分无功功率，减少无功功率在电网中的流动，从而降低线路的电能 损耗并提高系统的功率因数m j 。功率因数的提高，不仅能提高供电设备的供电能力， 而且可以降低电力系统的电压损失，减少电压波动，改善电能质量，降低电能损耗， 从而节省电力，提高企业的经济效益。 目前，全国范围内的配电网改造正在全面展开，解决目前电网无功功率损耗大、 压降大的最切实可行的办法就是采用高性能的无功功率补偿装置，补偿负载的无功 功率，减少无功功率在线路上的传输，提高输配电能力。 1 2 国内外无功补偿的发展和现状 传统的无功功率补偿装黄主要为同步调相机和并联电容器。同步调相机 ( s ) ，l l c h r o n o u sc o n d e n s e r s c ) 是早期无功补偿装置的典型代表，自2 0 世纪2 0 年 代以来的几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。 l 华北电力人学i ：群硕十学位论文 同步调相机是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况 下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。它不仅能补偿固定的无功功率， 对变化的无功功率也能进行动态的补偿。至今在无功补偿领域中这种装置还在使 用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。但是它属于旋转设备，运 行中的损耗和噪声都比较大，且成本高，安装复杂，维护工作量大，因此其应用受到 限制，仅适宜在大电网中枢调压或总降压变电站中应用l j j 。同步调相机在技术上已显 落后，目前有些国家甚至已不再使用同步调相机。由于实际中遇到的大多数的是感 性负载，所以后来多采用低成本的电容器进行并联作为无功补偿装置。电容补偿可 以根据系统所需无功的多少，由控制系统自动的投切补偿电容，因此是一种性能较 为优越的无功补偿方法。并联电容器由于具有简单经济，方便灵活，有功损耗小，安 装及运行维护方便，故障范围小等优点，这种补偿装置目前在国内外得到广泛的应用， 在我国仍是主要的补偿方式。然而，由于容量的恒定，系统无功变化时，电容器的 投切只能是有级的，难免出现过欠补偿，不能动态的跟踪系统所需无功功率的变化。 同时一般需要串联电抗器，限制装置投入时的涌流，抑制高次谐波的影响，防止电 容器与系统阻抗有可能发生的并联谐振及放大谐波。 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，各种新型的使用晶闸管控 制的自动、快速静止无功补偿装置相继出现，它是一种快速跟踪负载变化的动态无 功补偿装置。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，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公司制造的 使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推 出了各具特点的系列产品。我国西安电力机械制造公司和电力科学研究院等企业也 已先后具备了自行设计制造这类装置的能力。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置 具有优良的性能，近2 0 多年来已占据了静止无功补偿装置的主导地位。 随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置日益广泛的应用，电力 系统中的谐波污染问题也越来越严重，而大多数电力电子装置功率因数较低，也给 电网带来额外的负担，严重影响供电质量。无功补偿和谐波抑制有着密切的联系，电 力电子设备或者大功率可控整流装置所产生的高次谐波可能导致无功补偿电容器组产 生过电流或放大谐波电流，使电容器因为过负荷或过电压而损坏，对电力电缆也可能造 成过负荷或过电压击穿，因此谐波问题和无功功率问题对电力系统和电力用户都是 十分重要的问题，谐波抑制和无功功率补偿已经成为电力电子技术和电力系统等领 域所面临的个重大的课题，引起越来越多人的关注，成为近年来各方面关注的热 点之一。 解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题不外乎两个途径：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对无功 功率进行补偿；另一种是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波同时也不消 2 华北电力人学- t ：程硕+ 学位论文 耗无功功率，或根据需要对其无功功率进行调节。其中后一种措施需要对现有的电 力电子设备进行大规模的改造和更新，其代价巨大，并且只适用于作为主要的谐波 源的电力电子装置，因此，有一定的局限性。相比较而言，前一种措施则适合用于 各种谐波源和所有低功率因数的设备，实施起来方法简单，己经得到应用，并且应 用前景十分广阔。 晶闸管投切电容器( t s c ) 就是一种广泛应用于配电系统的动态无功补偿装置。 与机械投切电容器相比，晶闸管的开、关无触点，其操作寿命几乎是无限的，而且 对晶闸管的投切时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将电容器接入电网，大大减 少了投切时的冲击电流和操作困难，其动态响应时间约为o 0 1 o 0 2 m s 。t s c 能快速 跟踪冲击负荷的突变，随时保持最佳馈电功率因数，实现动态无功补偿，减小电压 波动，提高电能质量，节约电能。另外，t s c ( t h ) ，r i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r ) 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。若输出无功功率 需要连续调节，或者要求能提供感性无功的情况下，t s c 常与t c r 配合使用。由于 晶闸管投切电容器具有优良的动态无功功率补偿性能，近年来得到了较大的发展。 国外无功补偿技术发展比国内成熟，如同本的三菱、日立、东芝，美国的g e 、 西屋公司，德国的西门子等在电力无功补偿方面自动化程度很高，日本的配电网系 统户外补偿电容器的自动投切率达8 6 4 ，补偿系统都采用先进的m c u 控制，能 够实现连续的无级补偿。 1 3 无功补偿的合理配置原则和目前无功补偿的不足 1 3 1 无功补偿的合理配置原则 无功补偿是无功补偿电源的简称，指为满足电力网和负荷端电压水平及经济运 行的要求，必须在电力网内和负荷端设置无功电源，如电容器、调相机等。无功补 偿的配置应采取基本上就地平衡、分级补偿和便于调整电压的原则。在接近负荷端 分散补偿，可减少无功功率的输送，从而降低损耗，减少压降，有较好的经济效果； 集中安装在变电站内，则便于控制操作，有利调整电压。变电站安装的无功补偿设 备容量，一般是以在高峰负荷时，其主变压器的功率因数达到一定数值( 如3 5 l l o k v 变电站达到o 9 o 9 5 ) 来考虑的，其值根据计算确定。不同变电站，视需要 和可能，可安装调相机、并联电抗器、自动分组投切的电容器组或静止无功补偿器 等无功补偿设备。有的送电线路也采用中间( 串联) 电容补偿。 在目前国内电力系统中，各级网络和输配电设备都要消耗一定的无功功率，尤 其以配电网所占的比例最大。为了使电网安全经济运行和用户的正常用电，因此， 首先要减少线路中大量无功功率的流动，也就是使用户的无功需求就地供应。有些 发达国家要求做到配电线路基本不送无功负荷，c o s 够达到0 9 5 一o 9 9 ，在低谷时 华北电力人学，t ：程硕士学何论文 达到l ，就地解决用户和配电变压器以及线路上消耗的无功功率。为了最大限度的 减少无功功率的传输损耗，提高设备效率，对配电网无功补偿应按照就地平衡的原 则进行。 首先，总体平衡和局部平衡相结合。如果无功补偿不合理，造成局部地区的无 功电力不能就地平衡，可能会使一些线路的无功电力偏多，电压偏高，过剩的无功 电力要向外输出：还可能会使一些线路的无功不足，电压下降，必然要向系统索取无 功电力。这些情况都会造成不同分区之间的无功功率的长途输送，造成电网的功率 损耗和电能损耗的增加。因此，在补偿过程中，在总体平衡的基础上，研究局部的 补偿方案，才能达到较好的效果。 其次，电力部门补偿和用户补偿相结合。在城乡电网中，用户消耗的无功功率 约占5 0 ；在工业电网中，用户消耗的无功功率约占6 0 ；其余的无功功率消耗在 电网中。因此，为了减少无功功率在电网中的传输，要尽可能实现无功就地补偿， 就地平衡无功，必须由电力部门与用户共同进行补偿。忽略任何一方的作用，都会 使电网无功电力平衡失调。 第三，采取分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主的原则。变电站的集中补 偿，主要是补偿主变压器本身的无功损耗以及减少变电站以上线路传输的无功功 率，从而降低供电线路的无功损耗，而不能降低配电网络的无功损耗。需要的无功 功率仍需要通过配电线路向负荷输送，为了有效的降低损耗，用户所必须进行分散 补偿。由于配电网的线损耗占总损耗的7 0 左右，因而应该以分散补偿为主。 第四，降损与调压相结合。以降损为主。利用晶闸管控制并联电容器组进行无 功补偿，其主要目的是为了达到无功功率的就地平衡，减少网络中的无功损耗，降 低线损。同时，也可以对电压进行适当的调整。 1 3 2 目前无功补偿的不足 近年来，由于计算机技术的发展，无功补偿已经取得了很大的成就，无功补偿 装置已经发展到了一个新的阶段。然而，目前的许多电网仍存在补偿不足，调节手 段落后，电压偏低，损耗增大等问题。 负荷无功补偿主要有以下的问题： ( 1 ) 无功补偿容量的不足。在供电方面，公用变压器在全国大中小城市中大量 存在，而且伴随着一户一表等城网改造的开展，还会大量增加。由于资金匾乏及重 视程度不够，公用变压器区内无功补偿容量严重的不足，有功损耗大，公用变压器 的利用率不高。在用户方面，由于公用变压器区内低压用户很多，供电企业管理不 便，低压用户感性负荷很大。由于各用户没有统一的无功功率补偿，造成补偿不合 理，效果不明显：而且，在高峰时，从电网接收无功过多，低谷时往往向系统倒送无 功。 4 华北电力人学f ：稃硕十学位论文 ( 2 ) 无功补偿装置落后。在无功补偿装置上，大量的装置采用采集任选一相的 无功信号或是一相电流另两相电压得出的无功信号并以此作为投切容量的依据，但 这种方式只适用于以三相动力为主的配电区，它可能会对非采样相造成过补或是欠 补。在投切容量的确定方面，往往以功率因数为参考，电容器分组投切，当功率因 数滞后时，则投入一组电容器；当有超前的无功分量时，则切除一组电容器：按步投 切电容器，无功补偿的精度不高。这些装置常因为电容器容量级差大而投切精度低 或是频繁投切。 ( 3 ) 集中补偿占大多数。集中补偿只能减少装设点以上线路和变压器因输送无 功功率所产生的损耗，而不能减少用户内部通过配电线路向用电设备输送无功功率 所造成的有功损耗。由于用户内部的无功损耗没有减少，所以降损节电效果必然受 到限制，设备及配电线路利用率较低。负荷所需的无功功率，仍然需要通过线路供 给，依然产生有功损耗。 1 4 本课题所做的工作 吊车负载在钢铁企业中是一种常见的感性冲击负载，作业过程中频繁的起降， 负载变化很快，对电网冲击较大，且功率因数较低。包钢炼钢厂连铸、转炉车间的 变压器下面存在快速变化负载( 吊车) ，为了保证供电接入点的功率因数值，所以 希望无功补偿电容器组频繁投切。由于目前无功补偿采用的是断路器投切无功补偿 电容器组，断路器的动作速度慢、投切电容器时必然产生合闸涌流以及操作过电压 ( 即投切过渡过程) ，严重影响了系统的安全运行，尤其造成电容器、断路器自身损坏， 由此造成的损失相当可观。 本课题研究的是针对吊车这种快速变化的负载，选择一种合适的补偿设备来提 高系统功率因数，节能降耗，使电力系统安全、经济、可靠的运行。结合本公司现 状，根据用电设备的具体情况，本次改造拟使用大功率高速通断电力电子器件可控 硅替代传统的开关设备，解决炼钢厂无功补偿的实际问题，降低生产成本。 课题的主要工作： ( 1 ) 分析动态无功补偿器的原理，根据现场具体要求，通过测试确定无功补偿装 置方案。 ( 2 ) 根据包钢炼钢厂实测数据，计算无功补偿量，确定无功补偿器系统架构和电 容器的投切方式。 ( 3 ) 设计动态无功补偿控制器，确定无功的信号检测方法，并讨论了电容器投切 的合适算法。 ( 4 ) 对无功补偿系统进行调试、修正、运行监测及分析。 华j 匕电力人学+ r 程硕十学位论文 第二章t s c 型动态无功补偿器的原理 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，各种新型的使用品闸管控 制的自动、快速静止无功补偿装置相继出现，它是一种快速跟踪负载变化的动态无 功补偿装置。由于其具有优良的性能，已占据了静止无功补偿装置的主导地位。 2 1 无功补偿的概述【4 】【5 】 无功补偿是提高电力系统功率因数的一种有效且经济的方法，得到了广泛的应 用。它在电力系统中，除了可提高输送容量外，还可提高电网电压质量，特别是为 减少电气线路和电气设备中的能量损耗，发挥着难以替代的作用。 2 1 1 正弦电路中的功率 设无源两端口网络的端电压和电流分别为扣i 。s i n 国f ，“= s i n ( 研+ 伊) ，其中 缈是电压与电流的相位之差。则电路瞬时功率 p = m 汪ls 证( 缈f + 咖s i n 研 = 研c o s 缈( 1 一c o s 2 研) + s m 妒s i n 2 刎 ( 2 1 ) = p ( 1 一c o s 2 研) + q s i i l 2 纠 其中，p = c o s 缈，q = s i n 缈。 式( 2 1 ) 表明，瞬时功率可看成是两个功率分量叠加的结果，其中，第一个分量 p ( 卜c o s 2 缈f ) 是以p 为平均值而作简谐振荡的分量，其瞬时值恒为非负。所以，它 是一个只有大小变化而不改变传输方向的瞬时功率分量，它代表电路的等效电阻所 吸收的瞬时功率，是反映电路实际耗能的有功分量，其平均值p 即为有功功率。上 式中的第二个分量q s i n 2 缈f 是一个以2 缈为角频率作正弦交变的瞬时功率分量，在其 变化的波形中，正、负半周与横轴之间构成的面积分别代表等量的吸收能量和释放 能量，表明有一部分能量在电源和电路之间交换。因此，这个瞬时功率分量代表电 路的等效电抗吸收的瞬时功率，反映了电源和电路之间能量往返交换的速率，是在 平均意义上不能作功的无功分量。该无功分量的最大值q 即为无功功率，所以，无 功功率q 实质上是电路与电源之间能量往返交换的最大速率。 在电路中，将“与f 的有效值之积定义为视在功率，即 s = 明 ( 2 2 ) 则s 2 = p 2 + q 2 ，s 、p 、q 三者在数值上的关系可以用“功率三角形 表示， 如图2 1 所示。 6 华北电力人学一i ：程硕十学位论文 图2 1 功率三角形示意图 q 由以上分析可知，有功功率是一平均值，为无源网络所消耗的功率。实质上就 是该网络中各耗能元件电阻所消耗的功率之和。无功功率是一个交换功率的幅 值，它虽然没有为网络所“消耗，但它反映了网络内部与外部交换能量的能力的 大小，实质上就是该网络中各储能元件l 和c 与电源之间进行能量往返交换的最大 速率。 无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中 建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电 磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如4 0 瓦的日光灯除需4 0 多瓦有功功率( 镇流器也需消耗一部分有功功率) 来发光外，还需8 0 乏左右的无功功 率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功 。无 功功率的符号用q 表示，单位为乏( v a r ) 或千乏( k v a r ) 。 当网络中电压相位超前电流时，妒 o ，则网络为感性，无功功率为q o ，习惯 上理解为网络“吸收 感性无功功率，相当于“发出容性无功功率；若网络中电流 相位超前电压时，伊 o ，则网络为容性，无功功率q o ，习惯上理解为网络“吸收 容性无功功率，相当于网络“发出 感性无功功率。“发出和“吸收 无功功率 的意义不同于有功功率的吸收和发出，这里只是一种习惯的说法。 电力系统中大量的负荷是电感性的，因此，我们将吸收感性无功功率的负荷称 为“无功负荷 ，而将吸收容性无功功率的设备称为“无功电源。 2 1 2 功率因数 电力网除了要负担用电负荷的有功功率p ，还要承担负荷的无功功率q 。图2 - 1 “功率三角形 描述了有功功率p 、无功功率q 还有视在功率s 之间的关系，其中： ；= 删缈 ( 2 - 3 ) 被定义为电力网的功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率p 占线路视在功率 7 一 ， 一 ， s， ， 华北电力大学t 程硕士学位论文 s 的百分数。在电力网的运行中，我们希望的是功率因数越大越好，如果能做到这 一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，减少无功功率的消耗。功 率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度及用电管理水平的一 个重要技术指标【5 1 。 2 2 影响功率因数的主要因素 功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率 外，还需要无功功率。当有功功率p 一定时，如减少无功功率q ，则功率因数便能 够提高。在极端情况下，当q = o 时，则其力率等于l 。因此提高功率因数问题的实 质就是减少用电设备的无功功率需要量。 2 2 1 异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备 异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因 素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功 率增加值两部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载 运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和 负载率的大小无关。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载 运行或长其处于低负载运行状态。 2 2 2 供电电压和频率对功率因数的影响 供电电压超出范围也会对功率因数造成很大影响，当供电电压高于额定值的 1 0 时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电 电压为额定值的1 1 0 时，一般工厂的无功将增加3 5 左右。当供电电压低于额定 值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响 电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。 电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响。 2 3 无功补偿原理 电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理做成的。磁场所具有的磁场能 是由电源提供的。电动机和变压器在能量转化过程中建立交变磁场，在一个周期内 吸收的功率和释放的功率相等，这种功率就称为感性无功功率。接在交流电网中的 电容器，在一个周期内上半周期的充电功率和下半周期的放电功率相等，这种充电 功率称为容性无功功率。所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感 和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。无功功率在电力网元件中流 动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电压质量，增加电网的线 华北电力大学j r ：程硕十学位论文 损耗。因此要对无功功率进行补偿。 把具有容性功率的装置与感性负荷联接在同一电路，当容性装置释放能量时， 感性负荷吸收能量，而感性负荷释放能量时，容性装置吸收能量，能量在相互转换， 感性负荷所吸收的无功功率可由容性装置输出的无功功率中得到补偿，因此把由电 容器组成的装置称为无功补偿装置。其基本原理如图2 2 所示。 图2 2 无功功率补偿原理图 设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为q ，装设无功补偿装置后，补偿无 功功率为q c ，使电源输出的无功功率减少为q l = q q c ，功率因数由c o s 缈提高到 c o s 矽，视在功率s 减少到s ，视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压 器的容量，降低供用电设备的投资。例如一台1 0 0 0 千伏安的变压器，当负荷的功 率因数为0 7 时，可供7 0 0 千瓦的有功负荷，当负荷的功率因数提高到o 9 时，可 供9 0 0 千瓦的有功功率。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供2 0 0 千瓦负荷，是相当可观的。 另一方面，配电网末端总存在电压过低等问题，究其原因，除电网自身的问题 之外，主要是由于无功不足所致。电网在进行功率传输时，电流将在线路等阻抗上 产生电压损耗u ，假如始端电压为u l ，末端电压为u 2 ，则电压损耗可用公式( 2 - 4 ) 计算。 u ：u 1 一u 2 ：! 里垒兰( 2 4 ) 式2 4 中p 为线路传输的有功功率，q 为线路传输的无功功率，u 为线路额定 电压，r 、x 分别线路电阻、电抗。 我们保持有功功率恒定，而r 和x 为定值，无功功率q 愈小，电压损失愈小， 电压质量就会愈高。当线路安装无功补偿容量为q c 的并联电容器补偿装置后，线 路电压损耗变为： 9 华北电力人学j l ：程硕十学位论文 u ：塑! 望二垡鲨 u ( 2 5 ) 可以看出：采取无功补偿以后，无功功率q 变小，限制了无功功率在电网中的 传输，相应的减少了线路电压的损耗，提高了配电网的电压质量。 所谓电容器补偿，就是在变电所母线或用电设备上并联电力电容器，从而提高 供电系统的功率因数和电压质量。其基本原理见图2 3 基本的r l c 电路所示。 c 图2 3 基本的r l c 电路 现实中绝大多数电器设备均为感性电抗，从而导致电流m ：、滞后于电压一个相 位角缈，并联电容器以后，即我们引入一个超f j 电流，r ，使得缈接近于零值，功率 因数提高，从而达到不使供电设备传输过多无功的目的。 2 4 静止型无功补偿器 目前，在中低电压范围，应用比较广泛的静止无功补偿装置主要有晶闸管投切 电容器和晶闸管控制电抗器两种。 1 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 ) 在工程实际中一般将电容器分成n 组，每组都可由晶闸管投切，这样可根据电 网的无功需求，动态投切不同组数的电容器。实际上就是阶梯式可调的吸收无功功 率的动态无功补偿器，虽然不能连续调节无功，但运行时不产生谐波，而且损耗较 小。 2 晶闸管控制电抗器( t h 州s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r t c r ) 晶闸管的触发延迟角有效移相范围为9 0 0 1 8 0 0 ，触发延迟角在9 0 0 1 8 0 0 之间 时，晶闸管在一个周波内为部分导通，导通角6 18 0 。，增大触发延迟角的效果就 是减小电流中的基波分量，相当于增大补偿器的等效感抗，因而减小了其吸收的无 功功率【6 】。t c r 的响应时间小于一个周波，可连续调节无功输出，但其电流中含有 一定的高次谐波。 单独的t c r 只能吸收感性无功功率，单独的t s c 只能提供容性无功功率，因 此静止无功补偿装置还包括这两者的混合装置t c r + t s c ，或者品闸管控制电抗器 与固定电容器t c r + f c 或机械投切电容器t c r + m s c 等。 1 0 华北电力人学+ i ：程硕十学位论文 以上几种都是在电力系统中已经广泛得到实际应用的无功补偿装置，即静止无 功补偿器s v c 。 随着电力电子技术的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代以来一种更为先进的静止型 无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，即静止无 功发生器s t a t i cv a rg e n e r a t o r s v g 。也有人称之为高级静止无功补偿器a d v a n c e d s t a t i cv 打c o m p e n s a t o r a s v c 、静止调相器s t a t i cc o n d e n s e r s t a t c o n 或者 静止补偿器s t a t i cc o m p e n s a t o r 一一s 时汀c o m 。s t 订c o m 是柔性交流输电系统 f a c t s 的核心装置和核心技术之一，其在电力系统中的作用是进行无功补偿，维持 连接点的电压为给定值，提高系统电压的稳定性，改善系统的稳态性能和动态性能。 s t a t c o m 是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理，采用全控型开关器件组成自换 相逆变器，辅之以小容量储能元件构成无功补偿装置【5 】。与现有的静止无功补偿装 置s v c 相比，具有调节速度更快、运行范围更宽、吸收无功连续、谐波电流小、损 耗低及安装面积大为降低等优点，但是静止无功发生器控制起来却十分复杂。 2 5t s c 型无功补偿器的原理 2 5 1s v c 的定义及分类 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 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 c 或机械投切电容器m s c 混合使用的装置t c r + f c 、t c r + m s c 。 表2 1 各种无功功率补偿装置的简单对比 同步调相t c r 或 t c r 十丁s c 静止无功 枫 发生器 t c r + f c t s c ( s c ) s v g 响应速度 2 0 m s1 0 m sl o l n s1 0 n 坞 1 0 m s 吸收无功连续连续分级连续连续 控制 简单 较简单较简单较简单复杂 谐波电流无大无大小 分相调节有限可以有限可以可以 损耗大中小小小 噪声 大小小小小 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反映 时间短( 5 m s - 1 0 m s ) ，运行可靠，分相调节，能平衡有功和适用范围广等优点，而且 t s c 还有很大的灵活性，占地面积相对小，产生的高次谐波和噪声较小。相对于无 华北电力人学i ：程硕十学位论文 2 5 2t s c ( 晶闸管投切电容器) 的基本原理 m、 abc u u1 扩- 料料杠、之i ：0 1 牟丰牟 ： ， 一 。ii c o i t i 2 5 3 投入时刻的选取 选取投入时刻总的原则是，t s c 投入电容的时刻，也就是晶闸管开通的时刻， 必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻。因为根据电容器的特性，当加 在电容上的电压阶跃变化时( 若电容器投入的时刻电源电压与电容器充电电压不相 等就会发生这样的情况) ，将产生一冲击电流，很可能损坏晶闸管或给电源带来高频 振荡等不利影响。 一般来讲，希望电容器预充电电压为电源电压的峰值，而且将晶闸管的初相位 1 2 华北电力人学t 程硕十学位论文 也固定在电源电压的峰值点。因为根据电容器的特性方程。 之= c 鲁 ( 2 - 4 ) 如果在导通f i 电容器充电电压也等于电源电压峰值，则在电源峰值点投入电容 时，由于在这点电源电压的变化率( 时闯导数) 为零，因此，电流t 即为零，随后电源 电压( 也即电容电压) 的变化率才会按正弦规律上升，电流之即按正弦规律上升。这样， 整个投入过程不但不会产生冲击电流，而且电流也没有阶跃变化。这就是所谓的理 想投入时刻。 2 6 谐波的影响和抑制方法 2 6 1 谐波的影响【7 】 在电力电子装置普及以前，变压器是主要的谐波源。目前变压器谐波已退居很次要 的地位，各种电力电子装置成为最主要的谐波源。谐波的产生对用电设备造成危害，谐 波电流可导致变压器铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会增加铁损，导致变压器温升高； 在导体中谐波电流所产生的热量比具有相同均方根值的纯正弦波产生的热量多，导致电 力电缆温升高，容量下降；谐波电流和电压对感应和同步电动机的铜损和铁损增加，引 起额外温升，降低电动机效率和负荷转矩；谐波可引起补偿电容器组容抗随频率升高而 降低，造成电容器过电流，与系统产生串联和并联谐振。因此在无功补偿的同时进行谐 波治理是十分必要的。 2 6 2 电能质量国家标准 g b l 2 3 2 5 9 0 规定，供电电压允许偏差：1 0 k v 及以下三项供电为7 ； g b l 2 3 2 6 9 0 规定，电压允许波动和闪变：电压波动l o k v 及以下2 5 ；闪变u ： 一般照明负荷推荐值o 6 ： g b 厂r 1 4 5 4 9 9 3 规定，电压等级0 3 8 k v ，公用电网谐波电压总谐波畸率t h d 为5 。 g b 厂r 1 4 5 4 9 9 3 规定，公用电网在电压等级0 3 8 k v ，基准短路容量1 0 m v a 时，谐 波电流允许值：2 次谐波为7 8 a ；3 次谐波为6 2 a ；4 次谐波为3 9 a ；5 次谐波为6 2 a ； 7 次谐波为4 4 a 2 6 3 谐波抑制方法 根据谐波测试数据进行分析和国标电能质量公用电网谐波要求，必须对非线 性负载诸如电网的谐波电压和谐波电流加以限制，即设置滤波无功补偿装置，必须 串接适当的电抗器，保护电容器，避免谐振现象，降低谐波的污染。 本课题拟使用大功率高速通断电力电子器件可控硅替代传统的开关设备，从而 华北电力人学+ i ：程硕十学位论文 彻底解决开关触点机械动作的延时性和分散性与工频f 弦交流电源电压变化的快 速性和周期性之间的矛盾。针对吊车这种冲击负荷采用动念补偿方式，满足上级供 电部门对配电系统的功率因数要求( o 9 以上) ，同时降低负载电流，降低系统的无 功需求和谐波的污染，力争本次改造达到最优补偿，性价比最高。 2 7 本章小结 本章简要介绍了无功功率和功率因数概念以及无功补偿的基本原理，阐明影响 功率因数的负载情况，比较了几种静止无功补偿器的特点，详细介绍了t s c 型无功 补偿的原理。通过比较得到t s c 具有补偿灵活、占地面积相对小，不产生谐波和 噪声较小、控制简单、成本低等优点，同时还能有效治理闪变，减小谐波电流，更 具实用价值。t s c 系统是一个对供电网络波动无功进行补偿的相对独立系统，适合 本课题中的现场应用。 1 4 华北电力人学i ：程硕+ 学位论文 第三章t s c 无功补偿主回路设计及装置选择 补偿装置的选择应依据现场实测数据来确定补偿方案、计算补偿容量。 3 1 配电系统无功补偿方式【8 】 配电系统中无功补偿的方式如图3 1 所示，方式l 为变电所的集中补偿，方式 2 为配电台区的集中补偿，方式3 为线路上的无功补偿，方式4 为分散补偿。 依据现场实际情况，确定补偿方案为低压补偿，按照方式4 分散补偿的原则进 行设计和配置，可以达到理想的效果。 囊 l o 譬v 图3 1 配电系统无功补偿方式 3 2 低压配电网无功补偿的方法 无功功率补偿装置在供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供 电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装 置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置， 可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当， 可能造成供电系统电压波动，谐波增大等诸多不利因素。 低压无功补偿技术，我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、 跟踪补偿。 3 2 1 随机补偿 随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机同时 投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，此种方式可较 好地限制用电单位无功负荷。随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入， 用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占 华北电力大学j l ：程硕+ 学位论文 位小、安装容易、配置方便灵活，维护简单、事故率低等。 3 2 2 随器补偿 随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电 变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载 励磁无功，配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言， 这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加。随器补偿的优点：接 线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制电网无功基荷，使该部 分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目 前补偿无功最有效的手段之一。 3 2 3 跟踪补偿 跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用 户o 4 k v 母线上的补偿方式。适用于1 0 0 k v a 以上的专用配变用户，可以替代随机、随 器两种补偿方式，补偿效果好。跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小， 比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资 相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式【s 】。 3 3 包钢炼钢厂工艺和原供电电网情况介绍 包钢炼钢厂生产工艺从加热一除磷一开坯一轧制一热锯切一换冷等等，连铸及 转炉车间变压器下负载主要有吊车、水泵、电磁搅拌系统、皮带等。吊车设备主要 用来吊钢水包、废钢及其它添加剂，作业过程中频繁的起降，负载变化很快，电网 中的无功功率波动很大。给电网带来额外的负担且影响供电质量，并且影响企业的 经济效益。 车间低压配电网原来是采用机械开关控制的并联电容器作为补偿装置，后来由 于断路器、电容器经常烧坏，基本上处于停用状态。经测试，电网功率因数在o 3 0 8 之间波动。 3 4 现场测试以及补偿量的确定 3 4 1 现场测试及测试记录 在包钢炼钢厂连铸变电所的6 台变压器配电系统中各选取一个测量点进行实时 监测。6 台变压器参数如下表3 1 。 1 6 华北电力入学。r 稗硕十学位论文 表3 1 变压器参数 高压侧低压侧s nz k 2 荐变压器1 0 k v4 0 0 v1 2 5 0 k v a4 4 5 3 f j 变压器1 0 k v4 0 0 v1 2 5 0 k v a4 5 5 7 群变压器1 0 k v4 0 0 vl0 0 0 k 、丘4 4 6 8 撑变压器1 0 k v4 0 0 v l0 0 0 k 、丘 4 4 7 9 | j 变压器1 0 k v 4 0 0 v 1 0 0 0 k v a4 4 8 1 0 拌变压器l o k v