（电力系统及其自动化专业论文）基于mcr的动态无功补偿装置的研究.pdf

广东t 业大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t i ti sc o n s e n s u st h a tt h e r em u s tb ea d v a n c e dm e t h o d st or e g u l a t ea n dc o n t r o lt h e p o w e rs y s t e mo p e r a t i o ns a f e l ya n de c o n o m i c a l l y , i na d d i t i o nt o t h er e a s o n a b l e n e t w o r ks t r u c t u r e am a i nm e a s u r et h a tk e e p st h eh i g hq u a n t i t yo fp o w e rs y s t e mi s u s i n gt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e s n o w a d a y s ，i ti sa l s oa l li m p o r t a n t s u b j e c tr e l a t e dt os u c hf i e l d sa sp o w e rs y s t e m , e l e c t r i ca u t o m a t i o n , e t c a tt h es a m e t i m e ，m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sp a ya t t e n t i o nt ot h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n a i ma tt h ee x i s t e n tp r o b l e mo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e s ，t h i st h e s i s a n a l y s e sak i n do fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ns t a t i cd e v i c ew h i c hi sm a d eu po f m c r ( m a g n e t i c v a l v ec o n t r o l l a b l er e a c t o r ) m a t c h e dw i t hf c ( f i x e dc a p a c i t a n c e ) i ti s d e v e l o p e dw i t hp o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u ea n df o u n do nt h eb r e a k t h r o u g h o f t r a d i t i o n a ls a t u r a t i o nr e a c t o r w h a ti sm o r e ，i to v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go f t r a d i t i o n a ls a t u r a t i o nr e a c t o rs u c ha ss l o wr e s p o n s es p e e d ，h i g hl o s sa n dh a r m o n i c d i s t o r t i o ne t c t h es 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 nd e v i c e m c rm a t c h e dw i t hf c n o to n l yh a sh i g h e rr e l i a b i l i t ya n dl o w e rh a r m o n i cd i s t o r t i o nb u ta l s oc a nr e g u l a t et h e r e a c t i v ep o w e rs m o o t h l y s ot h i sd e v i c ec a nb eu s e di nt h ep o w e rs y s t e me x t e n s i v e l y t h ed e f i n i t i o no fr e a c t i v ep o w e ra n dt h e o r yo fd y n a m i cr e a c t i v ep o w e ri ss i m p l y i n t r o d u c e di nt h et h e s i s t h ec i r c u i td i a g r a ma n dw o r kp r i n c i p l eo fm c ri sa n a l y z e d i n d e t a i l f e r r o m a g n e t i c a n dm a g n e t i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci s e x p a t i a t e d t h e m a g n e t i s mo fm c ri sa n a l y z e da n dg e t st h eo p e r a t i n gm o d eo fm c r t h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i co fm c ra b o u th a r m o n i ca n dc o n t r o l l e dc u r r e n ti sf o u n d e di nt h e o r y b e s i d e s ，e f f e c t i v em e a s u r eo fo p t i m i z e dt h ep e r f o r m a n c eo fm c r i sb r o u g h tf o r w a r d o nh a r m o n i c ，l o s sa n dr e s p o n s es p e e da s p e c t s ，t h i si s s i g n i f i c a n tt o t h ew h o l e p e r f o r m a n c eo fm c r o nt h et h e o r yo fm c r , w eu s et h es o f t w a r eo fm a t l a bt oc o n s t r u c ts i m u l a t i o n m o d e l o nt h eb a s i so ft h em o d e l ，t h ec o n t r o l ，h a r m o n i c s ，c o n t r o l l e d - v o l t a g et o e q u i v a l e n ti n d u c t a n c e ，t r i g g e ra n g l et oe q u i v a l e n ti n d u c t a n c e ，t r i g g e ra n g l et or e a c t i v e p o w e ra r ee m u l a t e d t h ec u r v eo fe v e r yc h a r a c t e r i s t i ci sp r e s e n t o nt h eo t h e rh a n d a b s t r a c t w ec o m p a r et h er e s u l t st ot h et h e o r yt op r o v et h ev e r a c i t ya n dv a l i d i t yo ft h em o d e l s ow ec a r lu s et h em o d e lt or e s e a r c ht h em c rf u r t h e r k e y w o r d s ：m c r ；r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；p o w e re l e c t r o n i c ；c h a r a c t e r i s t i c ；s i m u l i n k i l l 独创性卢明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的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，不 包含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 j 指导老师签7 - ：夕雅殛准 论文作者签字：抡 埘年占月扣日 第一章绪论 第一章绪论 本章首先叙述课题的研究背景及研究意义，其次介绍可控电抗器在国内外的 发展概况及趋势，随后介绍了可控电抗器的类型和特点以及磁阀式可控电抗器的 应用前景，最后介绍本文的主要工作及内容安排。 1 1 课题研究背景及研究意义 随着我国经济的快速发展，在对电力需求同益增加的同时，对电力系统的安 全运行水平和电能质量的要求也越来越高。多年来，电力工作者已达成共识：提 高电网的安全、经济运行和电能质量，除电网结构本身要合理以外，还必须要有 先进的调节控制手段“，。在系统中装设无功功率补偿装置可以提高供用电系统及 负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗；稳定受电端电压，提高供电质 量；在长距离输电中合适的地点设置无功补偿装置可以改善输电系统的稳定性， 提高输电能力等等n ，。因此，无功补偿装置是保持电网高质量运行的一个主要措 施，也是当今电气自动化技术及电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在 受到越来越多的关注。 近年来随着超高压、长距离电网的建设和发展，特别是西北高压输电线路的 建设，线路对地的充电容量显著增加，造成轻载和空载时超前无功功率过大，使 线路末端电压上升；超前电流使电力损耗增大以及切除负荷产生工频过电压等后 果。因此，必须在系统上安装滞后分量的调相设备，补偿充电容量。并联电抗器 具有吸收超前无功、在超高压系统中限制操作过电压和工频过电压的作用“。 在现有的各种并联电抗器中，传统不可控电抗器为限制操作过电压，长期并 入电网，具有以下弊端协1 ：( 1 ) 增大等效波阻抗，减少自然功率值和线路传输能力； ( 2 ) 在重载输电时，仍需给电抗器提供大量无功，这就要求受端系统增大容性补偿 无功和相应投资；( 3 ) 因电抗器有持续的有功损耗而增大输电成本。在传输大功率 时会造成很大的附加功耗、降低线路电压。 可控电抗器可以平滑地调节电抗值，解决系统因潮流变化大所造成的无功补 偿和电压调节十分困难的问题。可控电抗器正是在这一背景下诞生和发展的。 对于6 k v 2 2 0 k v 的电网，系统用户的负载通常为感性，一般采用固定电容 广东t 业大学1 ：学硕十学位论文 器组进行就地集中或分散补偿，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，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。可控电抗器容量的平滑调节能大大改进无功补偿系统，从而减少电网 损耗和提高供电质量，为社会带来巨大的经济效益。可控电抗器不仅在高压电网 中起到抑制过电压的作用，在配电网中可以作为可调消弧线圈来动态补偿接地的 容性电流。自动调谐消弧线圈根据接地电容电流的变化而自动改变消弧线圈的电 感，使单相接地电容电流得到电感电流的有效补偿。另外，可控电抗器在电机起 动等冲击电流的场合有抑制电压波动的作用。 同时，随着电力电子的发展进步，大量大功率电力电子设备在电力系统中得 以应用。这些设备要么在运行过程中本身就呈现非线性，要么在它们投入和切除 时对配电网产生较大干扰。这些负荷因为严重影响电力系统的电能质量，因此必 须加以补偿。 在无功补偿方面，电网中现有的自动无功补偿装置主要有同步调相机、开关 投切电容器组、晶闸管投切电容器( t s c ) 、晶闸管控制电抗器( t c r ) 、静止无功补 偿：器( s t a t c o m ) 等。 开关投切电容器组为机械开关补偿设备，响应速度慢、开关故障频率高，且 因开关的合闸涌流和重燃容易产生过电压和谐振现象。晶闸管投切电容器造价 高，控制复杂，且不能连续调节。晶闸管控制电抗器在电力系统中得到了广泛的 应用，这主要是由于晶闸管控制电抗器控制灵活、响应速度快。但由于晶闸管制 造水平的限制，当t c r 接入6 k v 电压等级以上的电网时，需要将器件进行串联 以承受高压；而且t c r 中晶闸管要求精确的控制和复杂的过压、过流保护装置。 t c r 在运行过程中会产生较大的谐波电流，需额外添加滤波装置“1 。 为解决以上问题，我们有必要寻求一种成本低廉、维护简单、在高压系统中 应用的可调无功源。 磁阀式可控电抗器( m a g n e t i c v a l v ec o n t r o l l a b l er e a c t o r ，m c r ) 在这个背景下 提出具有很大的意义，具有广阔的应用空间。磁阀式可控电抗器可随电网传输功 率的变化而自动平滑调节自身的容量，当电网传输功率较大时，电抗器运行在空 载或小容量状态；当电网传输功率很小或空载时，电抗器自动增大容量补偿对地 电容无功，能够限制工频电压升高。在很大程度上提高了电网的运行经济效益。 表1 1 对t c t ( 晶闸管控制高阻抗变压器) 、t c r ( 晶闸管控制电抗器) 、 2 第一章绪论 t s c ( 口- - j 控硅投切电容器) 、s v g ( 静止无功发生器) 与基于m c r ( 磁控电抗器) 的无功补偿装置的性能做了比较m 1 ，。 表1 1 各种新型无功补偿装置性能的比较 t a b l e1 1n e w t y p e so f r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e sp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 型式 t c tt c rm c rt s cs v g 响应时间约1 0 m s约1 0 m s 0 3 0 5 s1 0 - 2 0 m s5 1 0 m s 限制过压好好好不能好 可以，但 抑制闪变可以可以可以可以 能力不足 分相调节可以可以可以可以不能 连续连续连续级差连续 无功输出 感容性感容性感容性容性感容性 自生谐波有有小无小 噪声稍大较小稍大很小很小 损耗0 7 一1 o 5 0 7 0 7 1 o 3 0 5 o 3 o 5 控制难度小较大小较大非常大 控制灵活性好好好好好 线性度好好好好好 运行维护简单较复杂简单较复杂非常复杂 制作成本较大较大大大非常大 综上所述，高压m c r 型动态无功补偿装置有以下特点： 1 、对电网而言： ( 1 ) 提高功率因数，降低网损，可以使功率因数达到0 9 0 9 9 的要求； ( 2 ) 阻尼系统振荡，提高阻尼极限，提高输电系统的传输能力：( 3 ) 提高电网的电压 稳定能力。 2 、对用户而言： ( 1 ) 稳定端点电压( 防止电压过高或过低) ，提高变压器与输电线以及其他电 器设备的寿命。安装与不安装s v c ，对端点电压的波动幅度有很大的影响；( 2 ) 提高功率因数。可以使功率因数达到0 9 - - 0 9 9 的要求，降低网损，降低无功损耗， 广东_ t 业大学工学硕十学位论文 节省电费开支，适用于电力系统庞大，网损非常严重的用户；( 3 ) 消除谐波污染， 提高系统安全系数，延长设备寿命，降低系统损耗；( 4 ) 降低异步机启动、电弧 炉运行等本地电网的冲击，提高系统安全性，对于弱电网尤其如此；( 5 ) 消除电 压闪变，专门针对闪变设计的算法，将电压闪变降至最低水平，提高用户电能质 量；( 6 ) 扩容。在很多场合安装动态无功补偿装置，可以实现1 2 1 5 倍的扩容， 大幅节约扩容丌支。 3 、使用磁控电抗器动态无功补偿系统的理由： ( 1 ) 磁控电抗器为2 1 世纪高新技术产物，性能优良，是2 0 0 2 年美国电力科学 研究院推荐的( 技术) 产品；( 2 ) 可靠性极高、耐用、免维护，使用寿命不低于 2 5 年，电气化铁路牵引供电网等重要系统已予以优先采用； ( 3 ) 能在任何恶劣 电网工作环境下( 如电压波形畸变、幅值波动大等) 稳定、可靠工作；( 4 ) 可直 接运行于任何电压等级电n ( 6 - - 5 0 0 k v ) ，且安装简单( 与普通变压器类似) 、调试 方便；( 5 ) 无功补偿容量无级调节，使补偿效果达到最佳。( 6 ) m c r 型s v c 动态无功补偿系统的性价比高，比较国产t c r 型s v c 的价格低1 3 ，只是进口 t c r 型s v c 价格的4 0 。 因此，磁阀式可控电抗器在调整电网电压、补偿无功、提高电网输电能力及 限制过电压等诸多方面有着广阔的发展前景。而且，磁阀式可控电抗器与其它可 控电抗器相比，成本低廉、制造工艺简单，这将使磁阀式可控电抗器在电力系统 中充分发挥其重要作用。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外研究概况 磁阀式可控电抗器是借助控制回路直流的激磁改变铁心的饱和( 工作点) ，从 而达到平滑调节无功输出的目的，它是在磁放大器的基础上发展起来的。早在 1 9 1 6 年就由美国的e f w 亚历山德森提出了“磁放大器 的报告。到了四十年 代，随着高磁感应强度及低损耗的晶粒取向硅钢带，高磁导、高矩形系数的坡莫 合金的出现，把饱和电抗器的理论与应用提高到一个新水平。 上世纪六十年代，英国的g e c 公司制造出第一批饱和电抗器( s r ) 型静止无 4 第一章绪论 功补偿装置。投入后发现一个很大的缺点，即控制直流的改变会导致结成三角形 线圈内部电流的变化，过渡过程时间取决于三角形线圈的时间常数，其数值较大， 故调节响应时间缓慢，满足不了快速调节的需要；另一个缺点就是有效材料消耗 3 k g ( k v a ) 和有功损耗( 1 ) 大。一般不可控的铁芯电抗器的有效材料消耗及有功 损耗分别只有0 8 k g ( k v a ) 矛1 0 5 。由于这些缺点使传统可控电抗器的推广应用 受到了限制。 七十年代，由于电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，可控电抗器 被打入“冷宫”仲一。美国g e 公司首先研制出品闸管控制的静止无功补偿设备”“。 随后晶闸管控制的补偿设备一直占据着主导地位n “，这包括：品闸管控制电抗器 ( t c r ) 、晶闸管投切电容器( t s c ) ，晶闸管控制变压器( t c t ) 。 八十年代中期前苏联学者提出磁阀式可控电抗器，借助控制回路直流控制电 流的激磁改变铁心的磁饱和度，从而达到平滑调节感抗的目的。只有小面积的那 一段饱和，其余段均处于未饱和线性状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来 改变电抗器的容量。额定状态时容量己达到极限值，所以磁阀式可控电抗器过负 荷能力较差，但特别适合于高压配电网中调压和无功补偿；若不考虑长线过电压 限制问题，亦可用于线路充电功率的补偿。已有样机成功应用于电气化铁路无功 补偿中n “。 九十年代，俄罗斯学者又提出变压器式可控电抗器( c s r t ) 的概念，相当 于高短路阻抗的多绕组变压器。与传统的磁通可控电抗器相比，谐波电流更小， 响应速度更快，功率损耗较小n “”。 近两年有国内学者提出几种可控电抗器的新理论： 1 、变压器一次侧串入电网，二次侧注入与一次侧频率相同、相位相反的电 流，随着幅值的变化，改变变压器的主磁通，实现变压器一次侧阻抗的连续无级 可调。可用于故障限流器、消弧线圈等”6 】 2 、对串在电网中的两个互感器通过开关装置连接，改变磁通耦合，从而改 变一次线圈的等效电感，对系统进行传输功率的调节“”。 3 、磁控式可控电抗器，对磁阀式可控电抗器的改进，加长饱和段，避免磁 力线局部过于集中，以降低噪音和振动。 国内对磁阀式可控电抗器的研究基本上还处于刚刚起步的阶段，有关理论和 应用方面的研究也很有限，到目前为止，可控电抗器虽然在电气化铁路动态无功 广东工业大学t 学硕+ 学位论文 补偿和自动调谐消弧线圈方面得到了很好的应用，但是在其他方面还应用的很 少，所以对可控电抗器进行深入和全面的研究很有必要，特别是随着超高压、特 高压电网的兴建和发展以及电力负荷变化的同益加剧，可控电抗器的理论研究和 应用将会有更大的意义。 1 2 2 可控电抗器的类型及特点 可控电抗器对电力系统有着非常重要的作用，因此，可控电抗器的研究也一 直是电力系统方面研究的重点，出现了各式各样结构和控制方式的可控电抗器， 下文将简单介绍几种电抗器。 1 、传统机械式可调电抗器 传统机械式可调电抗器又可分为两种：调匝式可控电抗器和调节气隙尺寸式 可控电抗器。 调匝式可控电抗器通过匝数的很小改变，来实现电抗值的较大改变。在忽略 绕组区内漏磁通的影响下，无功功率在恒定电压下将间接与匝数的平方成正比。 也就是说如果匝数相等，无功功率随着断开级数的上升而上升。通过调节不同级 的不等匝数，来近似获得相等的无功功率。 调节气隙尺寸式可控电抗器主要应用在消弧线圈上，其主要特点就是不需要 切换分接抽头。避免因在油箱内产生电弧而造成污染，使维护起来较为方便。其 中间部分的铁芯分为上下两部分，呈圆柱形。通过电机来使铁芯上下运动，以调 整磁路的气隙尺寸，改变铁芯内的磁通，从而实现消弧线圈电抗值的连续改变。 其优点是：电感可以连续调节，线性度好，结构简单。缺点是：对电机传动装置 的精度要求高，有时因脏污引起机械动作失灵；而且响应速度慢，噪声大。 2 、磁通控制方式电抗器 因磁通的不同控制方式又可分为：交流控制和直流控制。 交流控制电抗器借助附加绕组产生的反方向磁通来改变电抗器铁心的磁阻， 从而改变电抗器的电感值，其中反方向磁通一般依靠控制绕组短路的方式来实 现；直流控制电抗器借助控制回路的直流电流来改变铁心的磁饱和度，从而改变 电抗器的电感值，达到平滑调节容量的目的。 交流控制方式的有：变压器式可控并联电抗器( c s r t ) 和晶闸管控制变压器式 6 第章绪论 电抗器( ( t c t ) 。 ( 1 ) 晶闸管控制变压器型( t c t ) “”：上世纪七十年代b b c 公司推出的t c t 接 线如图1 1 所示。 图1 1t c t 电抗器 f i g 1 - lt c t r e a c t o r 其中高压主绕组1 和低压控制绕组2 之间的漏抗电压为1 0 0 。k 为双向可 控硅，改变它们的导通角，可使电抗器在极小的励磁容量到全容量之间平滑变动， 绕组2 的电压很低，故可控硅的选择比较容易，图中3 为补偿绕组，它与其他两 相的相应绕组接成三角形，以便为3 次及其奇倍数的谐波电流提供通道而不使其 注入电网，这种电抗器的特点是响应时间极短，只有0 0 1 s 。缺点是必须采用滤 波装置，且损耗过大( 达到2 ) ，因此使用范围受到限制。 ( 2 ) 变压器式并联可控电抗器( c s r t ) ：由俄罗斯学者于2 0 世纪末提出，除 具有m c r ( 磁饱和式可控电抗器) 的优点外，谐波电流更小，不必采用滤波装置： 响应速度更快，功率损耗更小等特点。不仅可以用于电网的无功控制，而且由于 响应速度快，也可用于电网过电压限制和用作快速消弧线圈：另外，在诸如拥有 大功率轧辊设备的炼钢厂等工厂罩，因为负荷功率变化大，c s r t 还可作为线路 电压的调整、稳定设备n 引啪一。 c s r t 的工作原理图如图1 2 所示：彬为工作绕组，直接与高压电网母线连 接，呢，e9 呒为控制绕组。正，五，ee 瓦和五，置，ee 以分别为 串联在控制绕组中的反向并联晶闸管和限流电抗器。随着负载由空载向额定功率 变化，控制乙，五，瓦依次导通，这样就使，呢，依次短路，从 而使工作绕组电流逐渐增大，电抗器功率也随之增大。显然，相比于普通变压器， c s r t 类似于一个副绕组工作于短路状态的多绕组变压器，因此，要求c s r t 的 工作绕组和各控制绕组之间要有较大的短路阻抗。如果只是简单地依次短接控制 母 广东_ t 业大学丁学硕十学位论文 t 2 t ， 图1 2c s r t 电抗器 f i g 1 - 2c s r tr e a c t o r 绕组，那么工作绕组的功率将是不连续地分段增大；如果第1 个到第f 一1 个控制 绕组一形都短路，而第f 个控制绕组彬+ 开始工作时，通过控制第f 个晶闸管z + 的导通角就可以达到平滑调节无功功率的目的。所以c s r t 是分级平滑调节，总 体上仍然是平滑调节的。 直流控制方式下的有：直流助磁式饱和电抗器、磁阀式可控电抗器。 ( 1 ) 直流助磁式饱和电抗器：如图1 3 所示，中间主铁心一分为二，分别 绕有上下两个绕组，在中间部分相互交叉连接：另外还有两个绕组通过晶闸管由 独立的电源供电，助磁绕组在铁心柱内产生的磁通自我闭合而不向边柱流动。通 过改变晶闸管导通角的大小，来改变直流助磁绕组中电流的大小，以实现分裂铁 图1 3 直流助磁式饱和电抗器 f i g 1 3d cm a g n e t i c a i d e dr e a c t o r 心柱中磁通大小的调节，改变铁心的饱和程度，调节电抗器的容量。其主要优点 是：控制方法简单易于实现，单独电源供电响应速度快，动态性能好；缺点是： 岛国；盘 第一章绪论 助磁绕组中有功损耗比较大。 ( 2 ) 磁阀式可控电抗器：“磁阀”的概念是前苏联学者在直流助磁式饱和电 抗器基础上于1 9 8 6 年提出的，使可控电抗器的理论向前发展了一大步。图1 4 为磁阀式可控电抗器原理图，两个截面相等的铁心并联，其上分别对称绕有两个 匝数为n 2 的绕组。铁心柱上下各有匝数比为：万= n 2 的抽头，抽头之间接 有晶闸管v i 和v t ，不同铁心的两个绕组交叉连接后并联到电网上。铁心截面 积具有减小的一段，在整个容量调节范围内，只有小面积的那一段饱和，其余段 均处于未饱和线性状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容 量。在电源的一个周期内，晶闸管vt i 、v l 轮流导通，实现了全波整流的作用， 二极管用以续流。通过改变晶闸管的触发角，便可实现直流控制电流的改变，从 而改变电抗器铁心的饱和程度，连续平滑地调节电抗器的容量。 磁阀式可控电抗器制造工艺简单、成本低廉，伏安特性近似线性、谐波含量 小，可解决系统因潮流变化大所造成的无功补偿和电压调节十分困难的问题旧“， 对于提高电网的输电能力，调整电网电压，补偿无功功率，以及限制过电压都有 非常大的应用潜力。其存在的缺点是：存在振动、噪声大及涡流损耗大的问题”“。 图1 4 磁阀式可控电抗器 f i g 1 4m a g n e t i c - v a l v ec o n t r o l l a b l er e a c t o r 3 、晶闸管控制电抗器 t c r 广泛应用于无功补偿和输电线路可控串联补偿( t c s c ) 方面。其结构如 图1 5 所示，采用线性电抗器与反并联晶闸管串联的连接方式。通过改变晶闸管 的触发角来控制电抗器的等效电抗值。当触发角口= 9 0 0 时，晶闸管全导通，电 抗器全部投入运行；当触发角口= 1 8 0 0 ，晶闸管截止，相当于把电抗器从系统中 切除。所以晶闸管的触发角度有效范围为：9 0 0 一1 8 0 0 ，当触发角在其间取值时， 广东t 业大学工学硕十学位论文 晶闸管部分电感值投入系统中。文献【2 3 】推导了t c r 等效电纳b 与触发导通角口 之间的关系，如图1 5 所示。 i 图1 5 晶闸管控制电抗器 f i g 1 - 5t h y r i s t o r - c o n t r o l l e dr e a c t o r 4 、p w m 控制电抗器 拓扑原理如图1 - 6 所示，固定电抗器l 和4 个全控型器件组成。通过对全控 器件的p w m 控制，实现电感值大小的调节。可控电抗器等效电感的大小取决于 开关工作占空比d 的大小，通过调节d 来平滑调节等效电感”。 在电流的j 下半周期，对v i 进行p w m 控制，v t 与v t l 进行高频交替工作： v t l 导通且电源电压为正半周期时，电流积分增长；v t l 通但电源电压为负半周 期时，电流积分减小；vt l 关断时使v t 导通，电流经v t 2 续流。在电流的负半 周期，v t 3 和v t 4 进行高频交替工作，其变换过程与v 王、v t 2 相同。 基于高频斩波控制的电抗器，具有响应速度快、谐波污染少、平滑调节电感 量的优点。但和晶闸管控制电抗器一样，以电力电子开关为基础，受器件耐压条 件的约束，使其在高压和超高压等领域的应用受到了一定的限制。 n 三乙 2v t ， i v t 乏fl 上5 7 v t - 图1 - 6p w m 控制电抗器 f i g 1 6p w m c o n t r o l l e dr e a c t o r 5 、新型可控电抗器 ( 1 ) 变压器结构电流注入式电抗器l 衢1 ，通过对带气隙变压器的电压方程分析i 当在变压器的二次侧采用有源方式注入一个与一次侧电流频率相同、相位相反的 1 0 第。章绪论 + l u 。器1 1 日 l i i i - ，_ _ _ _ - _ 、 ，一_ - _ 一 图1 - 8 互感器结构式电抗器 f i g 1 - 8s t r u c t u r eb a s e dm u t u a li n d u c t a n c e r e a c t o r 这种可调电抗器不产生高次谐波，简单经济，适用与电力网中的串联调节。 通过以上对电抗器的分类，以及各种电抗器调节原理的分析，可以总结出目 前对可控电抗器的研究主要是以下几个方面：( 1 ) 提高效率、降低成本以及扩大 广东t 业大学t 学硕士学位论文 容量，可控电抗器发展方向趋向于结构简单、控制可靠；( 2 ) 为提高可控电抗器 的响应速度，一些先进的控制策略将在可控电抗器的调节中得到真正的应用：( 3 ) 在降低对系统的谐波污染方面，可控电抗器除了在降低自身的谐波产生方面将有 更好的发展外，能够主动地抑制系统中的谐波，使可控电抗器的功能更加丰富、 实用。 1 2 3 磁阀式可控电抗器的应用前景 借助直流激磁控制的铁磁可控电抗器制造工艺简单，成本低廉，对于提高电 网的输电能力、调整电网电压、补偿无功功率，以及限制过电压等方面都具有非 常大的应用潜力m 。凹，。 1 、在超高压电网中作调相调压设备 可控电抗器由于可以做成任何电压等级并入超高压电网，因此具有显著的技 术经济性。在超高压电网的枢纽站和大型终端站，为了补偿地区所需无功以调整 电压和维持系统稳定，传统上要设置一定容量的同步补偿机或无功补偿装置。目 前我国电网缺少的调相容量相当大，今后在更多的地区兴建电站和大型水电站以 后，为了改善系统的稳定性能和减少输电损耗，所以调相容量将更为缺乏。因此 可控电抗器将为我国今后解决这个矛盾提供一个很好的途径。 2 、在远距离输电系统中的应用 ( 1 ) 抑制系统过电压 远距离输电线在轻载时，由于法兰梯效应会在线路的末端产生电压升高现 象，假如送端系统较弱，则送端电压也会有所升高。由于超高压系统的绝缘水平 只有很少裕度，所以此种稳态工频过电压就成了安全运行的严重威胁。以往是靠 装设固定联接的并联电抗器来吸收过剩无功，以抑制工频过电压。 可是，固定联接的大容量并联电抗器带来了以下不良影响：( a ) 增大等效波阻 抗，减少自然功率值和线路传输能力：( b ) 在重载输电时，仍需要给电抗器提供 大量无功，这就要求受端系统增大补偿无功和相应投资；( c ) 因为电抗器有持续的 有功损耗而增大输电成本。 另外，磁阀式可控电抗器能直接接在超高压线路侧，同时发挥同步补偿器和 并联电抗器的作用。 1 2 第一章绪论 ( 2 ) 提高系统稳定性，增大输电能力 可控电抗器可用以保持母线电压。由于它有快速的动态响应能力( 调节时间 小于0 3 秒) ，可以在系统受到某种大的干扰( 发生短路事故、切机、拉丌线路、 投入重载线路等) 的情况下，自动保持甚至提高端点电压，这就大大有利于系统 的稳定运行。 ( 3 ) 抑制系统功率振荡 在系统间的联络线上，当地区系统出现短路、切机、拉开重要线路等重大干 扰时，往往产生按系统自然频率波动的功率振荡；因为大系统的阻尼相当弱， 所以一旦出现振荡后便难以抑制。为了避免此种危害，一般被迫减少联络线路的 传输功率。磁阀式可控电抗器由于能快速补偿无功，稳定电压，因此它是抑制系 统功率振荡的有效设备。 3 、在直流输电中的应用 高压直流输电中往往需要解决如下几个重要问题：( 1 ) 补偿无功( 整流站和送 变站各需要提供直流输电功率的5 0 - 6 0 的补偿无功) ；( 2 ) 调整电压；( 3 ) 抑制过 电压，降低绝缘要求。磁阀式可控电抗器配合电容器组可以有效地解决上述几个 问题。 4 、在有冲击负荷的电力用户和变电站的应用 ( 1 ) 抑制电压波动和闪变 电弧炉、大型轧钢机、加速器、电气机车等都属于大功率无功冲击负荷。其 特点是变动周期短、变化速度快。通常采用具有快速调节能力的静止补偿器( t c r ) 进行补偿，来抑制电压闪变，改善电能质量。由于无功冲击负荷的补偿要求快速 的补偿装置，常规的可控电抗器达不到要求。近期的研究表明，磁阀式可控电抗 器的调节时间可以大大缩短到一个工频周期以内，从而为可控电抗器在抑制电压 波动和闪变方面的应用打下良好的基础。 ( 2 ) 补偿用户无功，提高功率因数 磁阀式可控电抗器配合电容器组可以大大提高用电企业的功率因数。 ( 3 ) 平衡负载 磁阀式可控电抗器可用来消除负荷的不平衡运行给电网带来的影响，从而使 不平衡负荷处的供电电压平衡化。 5 、在补偿电网中用作消弧线圈 广东丁业大学t 学硕士学位论文 磁阀式可控电抗器作为消弧线圈用于电网的电容电流自动补偿，可以解决补 偿电网正常运行时的谐振过电压和单相接地后最佳补偿之间的矛盾，而不需要任 何附加设备( 如为增大电网不对称度增加的偏移电容器，为限制中性点位移增设 的串联电阻等1 ，使供电可靠性大大增强。 6 、在高压电机软启动中的应用 通过控制磁阀式可控电抗器中直流激磁的大小，调节可控电抗器调压电路的 输出电压，自动地将电机的启动电压连续、平滑地上升，直到达到额定电压，满 足了启动转矩与电压同步上升的需要，启动电压低且平稳，无冲击电流”。同时， 由于可控电抗器可以做成任何电压等级接入超高压、特高压电网，在高压电机的 软启动中有着广阔的应用前景”。 1 3 本文主要研究内容及章节安排 本文针对电力系统无功补偿的发展现状，通过对磁阀式可控电抗器的结构、 原理、工作特性的研究分析，以公式推导的方式对以上其特性进行理论分析，在 数值计算和公式推导的基础上，建立了m a t l a b 数学仿真模型。通过仿真模拟 对磁阀式可控电抗器的控制特性、谐波特性、控制电压巨等效电感上特性、触 发角口等效电感三特性、触发角口感性无功特性等分别进行了分析验证，并给 出各种特性曲线；另一方面，将模型仿真的结果与理论推导公式的结果进行比较， 验证了仿真模型的准确性和有效性。 本文的内容安排为：第一章为绪论，主要介绍课题的研究背景及研究意义、 可控电抗器在国内外的发展概况及趋势；第二章详细分析了磁阀式可控电抗器的 工作原理；第三章论述了优化磁阀式可控电抗器性能的方法；第四章详细分析了 磁阀式可控电抗器的仿真模型及特性；最后为结论与展望。 1 4 第二章磁阀式可控i 乜抗器的i ：作原理 第二章磁阀式可控电抗器的工作原理 2 1 无功功率的定义及其理论研究进展 要对电力系统中的无功功率进行补偿，首先必须确切的了解无功功率的基本 概念和定义。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今 尚没有获得公认的无功功率定义。但是，对无功功率这一概念的重要性，对无功 补偿重要性的认识，却是一致的。应该来说，无功补偿包含对基波无功功率的补 偿和对谐波无功功率的补偿，后者实际上就是对谐波的补偿，本论文所说的无功 补偿专指对基波的无功功率补偿。 电网输送的视在功率可以分解为两种类型，一种是有功功率，另一种是无功功 率。在交流电能的输送和使用过程中，转换成机械能、热能、光能的那一部分能量 叫做有功功率：用于产生交变磁场的那部分能量叫无功功率。电力网的负荷一般分 为三种，即电阻性、电感性、电容性负荷。电阻性负荷( 如：白炽灯、电热丝等) 电 路中，电压和电流的相位相同，电流在通过电阻的过程中做了功，把电能转换为光 能、热能等，所以说电阻性负荷总是消耗电能的，因此电阻性负荷被称为有功负荷， 所消耗的功率叫做有功功率；电感性负荷( 如：空载运行的变压器、异步电动机等) 电路通过电流时，在其线圈的周围就会建立起交变磁场，而这个交变磁场又会产生 自感电势，它在电路中有阻止原电流变化的作用。当电流增大时，自感电势的方向 和电流相反，力图阻止电流的增加，电流减少时，它的方向和电流相同，又力图阻 止电流的减少。这样使得负荷两端的电压和电流不能同时达到最大值，变得不同相， 即电压达到最大值后需要四分之一周期，电流才能达到最大值。因此，当电流的方 向和电压的方向一致时，电源把电能送给负荷转换为磁场能量储存起来；而当方向 相反时，负荷所存储的能量便转换为电能还给电源。就这样，能量不断的交换，并 没有消耗，所以感性负荷也叫做无功负荷，其交换的是无功功率；电容性负荷( 如： 电容器等) 具有和电感性负荷相似的性质，它也是一种能够存储和释放能量的负荷， 即一种能与电源进行能量交换而不消耗能量的负荷。但它存储和释放能量的时间与 电感性负荷刚好相反，它也是一种无功负荷。 由此可以得到以下的几点结论： 广东工业大学t 学硕士学位论文 1 、电力网在运行时，电源供给的无功功率是用来在电器设备中建立和维持磁 场，进行能量交换，它为能量的输送、转换创造了必需的条件。没有它变压器就不 能变压和输送电能，电动机的旋转磁场不能建立，电动机也就不能旋转。 2 、在电力网中由于电感性负荷与电容性负荷吸收和释放的时间j 下好相反，因 此，当电感性负荷吸收能量时，电容性负荷释放能量，帮助电源提供能量。 3 、无功功率和有功功率是密切相关的，输送有功电力时需要消耗无功功率， 输送无功电力需要消耗有功功率。无功电力和有功电力都是通过电力线传送的，导 体旱通过的电流既包括有功成分，也包括无功成分。这个电流通过导体的电阻和电 抗时，就会造成有功功率和无功功率损耗，还会造成电压降落，直接影响电力网的 安全经济运行。 2 1 1 正弦电路的无功功率和功率因数 在正弦电路中，负载如果是线性的，那么电路中的电压和电流都是同频率的正 弦波。设电压和电流可分别表示为： 甜：而s i n 彩f ( 2 1 ) = 兰s i n 似一例 一 ( 2 2 ) = 2 ，c o s 缈s i n c o t - 4 2 1 s i n ? c o s c o t 式( 2 2 ) 中够为电流滞后电压的相角。 电流f 可被分解为和电压同相位的分量和比电压滞后9 0 。的分量。和f q 分 别为： f p = 2 i c o s ? s i n c o t ；= 一2 ，s i n 妒c o s 纠 ( 2 3 ) 电路的有功功率尸就是其平均功率，即： p = 万1 卜d ( 国f ) = 芴1 知+ “i q ) d ( c o t ) = 去r ”( u c o s ? - u i c 唧c 。s 2 c o t ) d ( c o t ) + 芴1 卜u s i n 州n 2 c o t ) d ( 刎( 2 4 ) = u c o s 电路的无功功率则定义为：9 = u s i n ? ( 2 5 ) 可以看出，q 就是公式( 2 4 ) 中被积函数的第2 项无功功率分量“乞的变化幅 度。“乞的平均值为零，这表示了其有能量的交换但是并不消耗功率。q 表示了这 1 6 第二章磁阀式叮拧电抗器的 作原理 种能量交换的幅度。在单相电路中很容易理解，这种能量的交换就是在电源和具有 储能元件的负载之间进行的。从式( 2 4 ) 可以看出，真正的功率消耗是由被积函 数的第1 项有功功率分量甜产生的。因此，把式( 2 3 ) 所描述的和分别称为 正弦电路的有功电流分量和无功电流分量。 对于发电机和变压器等电器设备来说，在工作频率一定的情况下额定电流及电 压与设备导线的截面积、各种损耗以及绕组电气绝缘等因数有关。因此，工程上把 电压和电流的有效值的乘积作为电气设备功率设计的极限值，这个值就是电气设备 最大可利用容量。因此，引入视在功率的概念： s = u ( 2 6 ) 从式( 2 4 ) 可知，有功功率p 的最大值为视在功率s ，s 表示电能消耗和电能 交换的总容量。p 越接近s ，电器设备的容量越能够得到充分利用。为了反映p 接 近s 的程度，定义有功功率和视在功率的比值为功率因数五： 五：一p ( 2 7 ) s 由式( 2 4 ) 和( 2 6 ) 可以看出，在正弦电路中，功率因数是由电压和电流之 间的相角差决定的。在这种情况下也经常用c o s q ，来表示。由公式( 2 4 ) 、式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 可知，s 、p 和q 有如下关系： s 2 = p 2 + q 2 ( 2 8 ) 2 1 2 非正弦电路的无功功率和功率因数 在