（电力系统及其自动化专业论文）新型无功补偿装置的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着社会的发展进步，人们对电力系统的电能质量要求越来越高。无功功率 对电力系统有着非常重要的作用，它在提高供电系统及负载的功率因数、降低设 备容量、减小功率损耗以及稳定电力系统的电压等方面都起着至关重要的作用。 传统的无功补偿一般采用的是并联电容器。随着电力电子器件在电力系统中的大 量应用，电网中的无功功率情况也越来越复杂，迫切需要实时无功功率补偿装置 的出现。可控电抗器就是在这种情况下发展起来的。 可控电抗器和并联电容器组合起来就可以组成可控无功补偿装置，它的核心 是可控电抗器。目前已经开始应用的实时无功补偿装置是s v c ，即晶闸管控制 电抗器跟并联电容器的组合。这种无功补偿装置能够起到实时补偿电网无功的作 用，但是它也存在谐波含量大以及不能满足大容量的要求等缺陷。本文提出的磁 阀式可控电抗器就是为解决s v c 存在的缺点而发展起来的。 本文首先简单介绍了几种可控电抗器，对可控电抗器的应用前景进行了总 结。在对比s v c 的基础上介绍了磁阀式可控电抗器的结构和特点。并介绍了适 合实时无功测量的瞬时无功功率理论。 接着根据磁阀式可控电抗器的控制原理，推导出磁阀式可控电抗器的数学模 型。用m a t l a b 建立磁阀式可控电抗器的仿真模型，得出了模型的控制特性、谐 波特性、伏安特性等特性。磁阀式可控电抗器的控制特性是近似余弦；伏安特性 近似成线性；由于磁阀式可控电抗器的特殊结构，再加上一定接线的方式可以使 谐波含量很小，并能做成大容量，这些让我们看到了磁阀式可控电抗器的巨大应 用前景。本文还对改善电抗器性能方面进行了总结研究。 在超高压、大容量电网中，由于受发电能力和电力负荷变化的制约，导致电 网电压的控制非常困难。通常，综合采用普通超高压并联电抗器、可投切低压并 联电抗器、发电机进相运行和一定数量的静止无功补偿器来解决上述问题。但是 普通超高压电抗器容量不可控，低压电抗器只能分组投切，存在受变压器容量限 制和出力严重不足的问题。为了使系统的无功潮流达到平衡，应在线路的适当位 置安装并联电抗器，而且电抗器的容量应该是可控的，以便根据线路负载的变化 使系统中的无功潮流达到动态平衡。本文建立了一个高压输电电网的模型，并应 2 山东大学硕士学位论文 用磁阀式可控器组成的无功补偿装置对电网运行进行仿真。仿真结果表明磁阀式 可控电抗器组成的无功补偿装置可以很好的起到补偿电力系统无功的作用。根据 仿真的结果，提出d s p 控制磁阀式可控电抗器的新型无功补偿装置的硬件构思。 关键词：无功功率补偿；磁阀式可控电抗器；响应速度； 山东大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e $ o c j e 哆，p e o p l eh a v em o r ed e m a n dt ot h e p o w e rs y s t e m r e a c t i v ep o w e ri sv e r yi m p o r t a n tt ot h ep o w e rs y s t e m i t r e f e r st ot h ep o w e rs y s t e m sv o l t a g e ，e f f i c i e n c ya n ds oo n t h ew i d e l y u s e dc o m p e n s a t o ri ss v cw h i c hc o m p o s e db yt c r ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e d r e a c t o r ) a n df c ( f i xc a p a c i t o r ) ，b u ti tc a n tm a k ct h ep o w e rb i ge n o u g h a n di t sh a r m o n i cp o l l u t i o ni sa l s oap r o b l e mt ot h ep o w e rs y s t e m s oa n e ws t y l eo fr e a c t o rh a sb e e nd e s i g n e da n dt h en a m ei sm a g n e t i cv a l v e c o n t r o l l a b l er e a c t o r i nt h i sp a p e r ：f i r s t l y ，w ei n t r o d u c es o m ek i n d so fr e a c t o ra n dt h e d e v e l o p m e n to ft h et h e o r yw h i c ha b o u tt h er e a c t i v ep o w e r s e c o n d l y ， t h eb a s i cc o n f i g u r a t i o na n dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h em a g n e t i cv a l v e c o n t r o l l a b l er e a c t o ra r ed e s c r i b e d a c c o r d i n gt ot h er e s p e c t i v ew o r k i n g s t a t e sa n dc i r c u i tt o p o l o g i e s ，t h ec o r r e s p o n d i n gs t a t ee q u a t i o n sa r eb u i l t t h eb a s i cp e r f o r m a n c e so ft h er e a c t o ra r ea n a l y z e do nt h eb a s i so f s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o n f o r mt h ea n a l y z ea b o v ew e k n o wt h er e a c t o r sc o n t r o lc h a r a c t e r ，v o l t a g e c i r c u i tc h a r a c t e ra n ds oo n t h i r d l y ，w ed i s c u s sh o w t oi m p r o v et h es p e e dr e s p o n s i b i l i t y f i n a l l yw e b u i l dam o d e la b o u tt h ep o w e rs y s t e m f r o mt h es i m u l a t i o nw ec a ns e e t h er e a c t o r se f f e c tt ot h ep o w e r s y s t e m k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e r ；m a g n e t i cv a l v ec o n t r o l l a b l er e a c t o r ；t h e s p e e dr e s p o n s i b i l i t y 3 山东大学硕士学位论文 巳、气、乞：三相瞬时电压 符号说明 f 。、f 6 、t ：三相瞬时电流 p ：三相瞬时有功功率 q ：三相瞬时无功功率 f ，：三相电路瞬时有功电流 i q ：瞬时无功电流 ，：铁心的磁饱和度 互、e ：铁心1 、2 的磁势 i ：磁阀式可控电抗器的总匝数 6 ：磁阀式可控电抗器的自耦匝数比 墨、；磁阀式可控电抗器的控制晶闸管 a ：磁阀式可控电抗器的控制导通角 ；磁阀式可控电抗器的直流环流 ，：磁阕式可控电抗器的工作电压、工作电流 e ，最：磁阀式可控电抗器铁心1 、2 的磁势 珥，五：磁阀式可控电抗器铁心l 、2 的磁场强度 唬，如：磁阀式可控电抗器铁心1 、2 的磁通 日，毋：磁阀式可控电抗器铁，f i , l 、2 的磁通密度 4 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无功功率对电能质量的影响 1 1 1 无功功率的产生 传统的无功功率指由储能元件引起的负荷与电源之间能量交换最大值，是负 荷与电源问交换能量的一种量度。但随着科技的发展，许多非储能元件也会吸收 无功，这主要是由器件的非线性引起的。电力系统无功损耗主要有两个方面，一 是输电系统自身吸收的无功，另一方面是负荷消耗的无功。输电系统自身吸收的 无功主要是指输配电设备( 如高压输电线路、联系不同等级网络的变压器等) 在高 压输电网络中输送电能时要吸收一定的无功功率；负荷吸收的无功功率主要指感 性负载和大量的非线性负荷( 如工业生产和日常生活中经常使用的异步电机、日 光灯，以及各种变流装置、工业电弧炉等) 消耗的无功，这些负载当中有些容量 非常大，在启动和正常工作时都要吸收大量的无功功率，常常会引起电压的波动 和畸变。 1 1 2 无功功率对电网的影响 无功功率对供电系统和负荷的运行都是非常重要的。电力系统网络元件的阻 抗主要是感性的，因此，粗略的说，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端 的电压有一个相位差，这在相当宽的范围内可以实现：而为了输送无功功率，则 要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅大多数网络元件消 耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。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，这些无功功率都要由发电机提供并经过 长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法是在需要消耗无功功率 的地方产生无功功率，也就是我们所说的无功补偿。 无功功率对公共电网的影响主要有以下几个方面： ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从 而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加，设备的供电能力下降。 同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及 线路的损耗增加，这是显而易见的。 ( 3 ) 使线路及变压器的电压降增大，如果使用冲击性无功功率负载，还会使 5 山东大学硕士学位论文 电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。 ( 4 ) 无功功率不足将引起系统电压下降，严重时还会导致设备损坏，甚至系 统崩溃。 1 2 无功补偿的现有方法 目前无功补偿的方法有很多，主要技术方案有：同步调相机、电容投切、静 止无功补偿( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，简称s v c ) 、静止无功发生器( s t a t i cy a r g e n e r a t o r ，简称s v g ) 等。 同步调相机是早期的无功补偿装置的典型代表。其实同步调相机是专门生产 无功功率的一种电机，实质上是空载运行的同步发电机或同步电动机。在正常励 磁情况下，既不吸收无功功率，也不发出无功功率。在过励磁情况下，向系统发 出感性无功功率；在欠励磁情况下，从系统吸收感性无功功率。因此，同步调相 机既可以作为无功电源，发出无功功率，提高母线电压，又可以作为无功负荷， 吸收无功功率，降低母线电压；同步调相机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补偿。但此装置响应速度慢、噪声大、损耗大、技术陈 旧，基本上被淘汰了，仅有很少数量的同步调相机安装在大型变电所中。 电力电容器并联在降压变压器的低压母线上或大型用电设备的旁边，用于提 高母线( 或负荷) 的功率因数，减少电力网的电压损耗，提高母线的电压水平。电 力电容器安装方便，既可以集中安装，又可分散安装。电力电容器的成本较低， 在调节效果接近的条件下，与同步调相机相比，电力电容器的费用要节省很多， 因此，电力电容器的迅速发展几乎取代了输电系统中的同步调相机。但它的无功 补偿为慢响应补偿方式，并且只能补偿固定的无功功率，在谐波发生时，还有可 能产生并联谐振，使谐波放大，电力电容器因此而烧毁的事故也还是时有发生的。 静止无功补偿器的原理是由电力电容器和可调电抗器组成，并联在降压变压 器低压母线。电容器吸收感性无功，静止补偿器根据母线电压的高低自动控制可 调电抗器的使用；加大谐波源接入点的短路容量或改由高一级电压供电，以增加 系统承受能力；改进设备性能，对谐波敏感的设备采用灵敏的谐波保护装置。 静止无功发生器的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并 联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制 其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无 6 山东大学硕士学位论文 功补偿的目的。与传统的静止无功补偿器相比，静止无功发生器的调节速度更快， 运行范围宽，而且在采取多重化、多电平或p w m 技术等措施后可大大减少补偿电 流中的谐波含量。更重要的是，静止无功发生器使用的电抗器和电容元件远比静 止无功补偿器中使用的电抗器和电容元件要小，这将大大缩小装置的体积和成 本。静止无功发生器具有如此优越的性能，显示了动态无功补偿装置的发展方向。 1 3 可控电抗器在无功补偿中的作用 现有的电力系统中一般采用基于固定并联电抗器和固定电容器的无功补偿 系统进行无功补偿。但是实践证明，使用固定并联电抗器会带来一些问题，当线 路满载时，固定并联电抗器不易在系统中切除，会造成线路电压下降，损耗增大， 占用电源容量等弊端。 配网中现有自动无功补偿装置主要为开关投切电容器( 或电抗器组) 以及可 控硅投切电抗器( t c r ) 和可控硅控制电容器( t s c ) 等。具有机械开关的补偿器 开关故障率高，响应速度慢，存在合闸涌流和重燃过电压等缺点。而t s c 造价高， 控制复杂，不能连续调节。目前，国内外应用较多的是t c r 型s v c ，它们具有动态 响应速度快、可连续调节、平滑跟踪负荷变化等优点，但应用过程中暴露出很多 问题。新型的无功补偿装置的核心一般都是可控电抗器，磁阀式可控电抗器就是 在这种情况下发展起来的。 1 4 本文所做的主要工作 ( 1 ) 比较可控电抗器的控制方式。介绍无功理论的发展及其应用。 ( 2 ) 对磁阀式可控电抗器的原理进行分析，论证此种控制方式的可行性。 通过计算，建立该种可控电抗器的等效电路图。根据建立的等效电路图，应用 m a t l a b 仿真软件对此种电抗器建立仿真模型，仿真电抗器的工作过程。得出了 模型的控制特性、谐波特性、伏安特性等特性。 ( 3 ) 对改善电抗器的性能进行总结研究。 ( 4 ) 建立电网的模型，提出不同于s v c 的无功补偿方法，对电网的无功情 况进行仿真。根据以上的工作，提出d s p 控制的可控电抗器硬件设计方案。 7 山东大学硕士学位论文 第二章可控电抗器的发展概述 2 1 可控电抗器的出现背景 在高压输电线路传输小功率时，由于电容效应会在线路末端产生过电压，为 补偿线路的容性无功需要在线路中设置并联电抗器。在传输大功率时，由于感性 无功的增加，并联电抗器应从线路上切除，这时如果发生线路的故障切除和重合， 空载线路会因失去补偿而产生不能允许的工频过电压和操作过电压，使用可控电 抗器可以有效的抑制这种过电压。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。现在应用的大部分消弧线圈为调匝式线圈，电 感量无法连续调节。因此，配电网迫切需要能够平滑调节电感量的消弧线圈。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。 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。传统的负荷无功补偿设备主要是固定电容器组和机械开关投切电容器 组，虽然可以在一定程度上满足无功补偿的要求，却存在无功输出不可调、响应 速度慢、投切对电网有冲击以及机械开关的使用寿命有限等问题。这种情况也迫 切要求可控电抗器的出现及应用。 2 2 可控电抗器在电力系统中的应用前景1 1 1 2 2 1 在超高压电网中作调相调压设备 可控电抗器由于可做成任何电压等级，直接并入超高压电网，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，传统上考虑装设一定容量的同步补偿机或s v c 装 置。目前，我国电网缺少的调相容量相当大，今后在更多地区兴建坑口电站和大 型水电站( 例如举世瞩目的三峡水电站) 以后，为了改善系统的稳定性能和减少 输电损耗，有功电源侧一般很少送出无功，使得受端所需无功必须自我补偿，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理 8 山东大学硕士学位论文 想的途径。 2 2 2 在远距离输电系统中的应用 ( 1 ) 抑制系统过电压 远距离输电线路轻载时，由于法兰梯效应会在线路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 少量裕度，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。可是固接的大容量 并联电抗器带来了以下不利影响：增大等效波阻抗，减少自然功率值和线路传 输能力；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；因电抗器有持续的有功损耗而增大输电成本。可控 电抗器能直接接在超高压线路侧( 开关在内) ，同时发挥同步补偿机和并联电抗器 的作用。 可控电抗器除了可限制上述工频过电压外，还能大幅度地限制因线路开关操 作而产生的操作过电压，从而可望取代现有的限压装置( 如合闸并联电阻等) 。 c 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 s ) ，可以在系统受到某种大的干扰( 发生短路事故、切机、拉开线路、 投入重载线路等) 时，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 在系统间的联络线路上，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的传 输功率。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。 2 2 3 在直流输电系统中的应用 高压直流输电往往需要解决如下几个重要问题：补偿无功：整流站及送变 站各需提供赢流输送功率的5 0 , - , 6 0 的补偿无功；调整电压；抑制过电压， 降低绝缘要求。可控电抗器配合电容器组可解决上述问题。 9 山东大学硕士学位论文 2 2 4 在有冲击负荷的电力用户和变电站的应用 ( 1 ) 抑制电压闪变 电气机车、电弧炉，大型轧钢机、加速器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。通常用具有快速调节能力的静止补偿器( t c r ) 进行补偿，抑制电压闪变，改善电压质量。由于无功冲击负荷的补偿要求快速的 补偿装置，因此，常规的可控电抗器达不到要求。近期的研究表明，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 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，从而用户交纳 电费可免受罚，甚至转为受奖。 ( 3 ) 平衡负荷 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。 2 2 5 在谐振接地配电网中的应用 应用可控电抗器原理制作的可调消弧线圈具有可靠性高、响应速度快、谐波 小等一系列优点，可快速准确补偿单相接地电流，提高供电可靠性。 2 2 6 提高三相整流电路功率因数及抑制谐波 单相可控电抗器接入三相整流电路的零序回路中，根据负荷变化而自动调 节，可使系统功率因数接近1 0 ，高次谐波分量大大减小。 2 3 可控电抗器的不同类型 可控电抗器对电力系统有着非常重要的作用，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。 2 3 1 电子式连续可调电抗器【2 电子式连续可调电抗器是一种基于铁芯正交磁化原理的可调电抗器结构，采 用电子控制方式，通过调节控制绕组的直流电流连续平滑快速地调节电抗器的电 感量，而且电抗器具有良好的线性特性，并应用于新型高压直流输电装置的交流 调谐滤波器中。 1 0 山东大学硕士学位论文 根据磁畴理论，当磁性材料受到外磁场的作用时，所有磁畴会向有利于外磁 场方向磁化的方向发展。与外磁场同向的正向磁畴会得到拓宽，反向磁畴会压缩， 其他方向的磁畴也会向着外磁场方向移动或转向，从而使材料得到磁化。 可调电抗器的结构如图示： 图2 1电子式连续可调电抗器 这种电抗器的试验结果表明，电抗器交流电流的频谱与直流控制电流的大小 无关，即直流控制电流并不影响这类可调电抗器的线性特性。但是这类电抗器的 电感量的调节范围是有限的，不适用于电网无功功率的调节，特别适合于要求电 感量连续自动可调、但调节范围又不大的场合，譬如自动调谐滤波器和自动消弧 线圈等。 2 3 2 变压器式可控电抗器 3 11 1 俄罗斯学者在2 0 世纪末提出了变压器式可控并联电抗器c s r t 。c s g r 除了具 有 i c r 的优点以外，还具有谐波电流更小，响应速度更快，功率损耗较小等特点。 它不仅可以用于电网的无功控制而且由于响应速度快，也可以用于电网过电压限 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里面， 因为负荷功率变化大，c s r t 还可用作线路电压的调整和稳定设备。 c s r t 相当于具有高短路阻抗的多绕组变压器。其原理图如图所示 山东大学硕士学位论文 图2 - 2 变压器式可控电抗器 但是c s r t 依然存在如下缺点轻载时为了减小注入系统电流的谐波畸变率， 存在不可调的死区；为满足工作区内电抗器输出电流的谐波限制，控制绕组的 各级容量和调节级数必须满足一定的关系，从而使装置的设计和实现变得复杂。 因此又出现了一种混合变压器式可控并联电抗器h c s r t ，它综合利用了c s r t 和a s v g 的技术特点，具有动态响应速度快、谐波污染小、性价比高等优点。以 下为其原理图。 图2 3 混合变压器式可控电抗器 和c s r t 相比，h c s r t 具有如下优点：具有更快的响应速度；通过适当的 控制，h c s r t 的调节绕组可以输出容性或感性电流，因此h c s r t 具有更广的调节 范围；对于同容量、同绕组个数的分级连续可调电抗器，h c s r t 可以实现更多 盘盛画 山东大学硕士学位论文 的调节级数，所需调节绕组容量小。由于v s i 的容量和总容量的比值较小，因此 和a s v g 相比，h c s r t 比较容易实现大容量；由于v s i 输出电流谐波畸变大大 小于晶闸管控制电抗器( t c r ) ，以及调节绕组的容量相对较小，因此，i i c s r t 具 有更好的谐波性能；通过适当的控制，h c s r t 的调节绕组还可以工作于有源滤 波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 方式，补偿无功的同时补偿负荷产生的谐波电流， 用于诸如钢铁厂、电气化铁道等负荷的无功和谐波补偿。 2 3 3 单磁芯可控电抗罱1 5 】 此种结构的可控电抗器结构如图： 图2 - 4 单磁芯可控电抗器 可控饱和电抗器的工作机理为：当直流控制绕组电流增加时，可控饱和电抗 器迅速饱和，磁导率弘减小，交流激励绕组中的有效电抗值减小，交流激励绕组 侧回路的输电电流明显增加，可见通过可控饱和电抗器可以实现用较小直流控制 较大交流的目的。其中检测绕组可以有效检测交流激励电流的工作状态和磁芯中 的磁状态。 2 3 4 互感器式可控电抗器6 1 1 7 1 它使用晶闸管开关设置，改变互感器的磁耦合，改变磁通，从而改变一次线 圈的等效电感。原理图如下。 山东大学硕士学位论文 吒竺l堕玩，以l 。“1 + ；“_ 2 图2 5 互感器式可控电抗器 若采用此方法构成的可调电感作为配电变压器中性点接地电感，电感调节范 围为l 血一k ，可按要求确定a 当本装置的自动调节机构检测到线路中出现接 地电容电流时，自动调节电感，把接地电容电流调谐到允许范围内，这种方法调 谐接地电容电流时，无高次谐波，设备不复杂。 2 3 5 交流可控电抗器i s l 可控电抗器( a c c r ) 借助附加绕组产生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。交流可控电抗器的反方向磁通依靠控制绕组短路( 用 反并联晶闸管控制的方式) 来实现。当控制绕组短路时，大量磁通将从铁心磁路 中被挤到主绕组与控制绕组之间的空间里。在此情况下，磁阻增加，导致电抗器 的感抗显著减小。这样就可以借助晶闸管改变控制绕组的电流来调节电抗器的磁 通和容量。交流可控电抗器在晶闸管非全开通情况下，电流发生畸变，由此产生 与晶闸管导通角有关的谐波分量。俄罗斯学者提出了一种既能平滑调节电抗器功 率，又能降低高次谐波电流的新型交流可控电抗器，如图2 - 6 所示。 并联 闸管 图2 - 6 交流可控电抗器 2 3 6 直流可控电抗器4 8 j 直流可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的。2 0 世纪5 0 年代，苏 1 4 山东大学硕士学位论文 联学者提出的串联型和并联型饱和电抗器原理示意图见图，通过改变直流控制绕 组中的电流大小改变等效的电感值。 一藩 图2 - 7 并联式直流可控电抗器图2 _ 8 串联式可控电抗器 2 3 7p w m 控制电抗器嗍 p w m 控制电抗器是新近几年发展起来的一种基于脉宽调制( p i r m ) 技术的可控 电抗器。电路图如图所示。使用两个双向开关和一个电抗器构成整个可控电抗器。 两个双向开关互补开关操作，达到调整电感量的目的。 p 删控制电抗器是基于高频斩波的p w m 控制，因此具有响应速度快、谐波含 量低、电感量可平滑调节的优点。和基于电力电子开关的晶闸管控制电抗器一样， 由于电力电子器件的耐压等约束，使p 踟控制电抗器和晶闸管控制电抗器在高压 和超高压领域受到了相当大的限制。 图2 - 9p m w 控制电抗器 2 3 8 晶闸管控制电抗器( t c r ) 晶闸管控制电抗器的结构如下图所示。它是利用晶闸管做固态开关，来控制 接入系统的电抗大小。它跟固定电容器组成的s v c 已经在电网中得到一定应用。 山东大学硕士学位论文 u ( t ) 图2 - 1 0 晶闸管控制电抗器 山东大学硕士学位论文 第三章可控电抗器在无功补偿中的应用 可控电抗器在电力系统中有着巨大的应用，本文主要研究其在无功补偿中的 应用。目前无功补偿的难点是瞬时无功补偿，它是建立在无功量的快速采集基础 之上的，这要求相应无功理论的支持。 3 1 无功理论的发展【9 】 电网中瞬息万变的无功功率的补偿，需要建立在瞬时无功功率测量的基础 上。传统的功率定义大都是建立在平均值基础上的。单相正弦电路或三相对称正 弦电路中，利用传统概念定义的有功功率、无功功率、视在功率和功率因数等概 念都很清楚。但当电压或电流中含有谐波时，或三相电路不平衡时，功率现象比 较复杂，传统概念无法正确地对其进行解释和描述。建立能包含畸变和不平衡现 象的完善的功率理论，是电路理论中一个重要的基础性课题。 学术界有关功率理论的争论可以追溯到上世纪2 0 和3 0 年代，b u d e a n u 和 f r y z e 最早分别提出了在频域定义和在时域定义的方法，以后又有各种定义和理 论不断出现。但迄今为止，尚未找到彻底解决问题的理论和方法。新的理论往往 解决了前人未解决好的问题，同时却又存在另一些不足，或引出了新的待解决的 问题。对新提出的功率定义和理论应有如下要求： ( i ) 物理意义明确，能清楚地解释各种功率现象，并能在某种程度上与传 统功率理论保持一致； ( 2 ) 有利于对谐波源和无功功率的辨识和分析，有利于对谐波和无功功率 流动的理解； ( 3 ) 有利于对谐波和无功功率的补偿和抑制，能为其提供理论指导； ( 4 ) 能够被精确测量，有利于有关谐波和无功功率的监测、管理和收费。 根据上述要求，可将现有的功率理论分为三大类。 ( 1 ) 适用于谐波和无功功率的辨识( 包括谐波源的确定、谐波和无功功率 流动的理解) 。 ( 2 ) 适用于谐波和无功功率的补偿和抑制( 包括谐波和无功功率的控制、 装置的原理和设计) 。 ( 3 ) 适用于仪表测量和电能的管理、收费。 迄今为止的各种功率定义和理论只是较好地解决了上述一两个方面的问题， 1 7 山东大学硕士学位论文 而未能满足所有要求。赤木泰文等人提出的瞬时无功功率理论解决了谐波和无功 功率的瞬时检测和不用储能元件实现谐波和无功补偿等问题，对谐波和无功补偿 装置的研究和开发起到了很大的推动作用。 三相电路瞬时无功功率理论自8 0 年代提出以来，在许多方面得到了成功的 应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统的定义了瞬时无功 功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出用于有源电力滤 波器的谐波和无功电流实时检测方法。 3 1 1 三相电路瞬时无功功率理论 三相电路瞬时无功功率理论最早在1 9 8 3 年由赤木泰文提出，赤木最初提出 的理论也被称为p q 理论，它是以瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义为基础， 其主要的一点不足是未对有关的电流量进行定义。下文夯绍的是以瞬时有功电流 l p 和瞬时无功电流为基础的理论体系，以及它与传统功率定义之间的关系。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为乞、乞、乞和f 。、。 为分析问题方便，把它们变换到口一声两相正交的坐标系上研究。由下面的变换 可以得n a 、声两相瞬时电压、和a 、声两相瞬时电流屯、。 习= q ie o ， 乏 - 厶嘲 ， = 居 ：霉一拿 。 山东大学硕士学位论文 e = 气+ = p 么眈 i = 乞+ 毛= f 么魄 ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 式中，e 、i 为矢量e 、i 的模；忆、锻分别为矢量e 、i 的幅角。 口 i b p 一一一1 p - 著 、 ：、 岙蒋劫公t 彳一 二二二二二二辽：_ 屯二 图3 - 1a 一口坐标系中的电压、电流矢量 三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流f q 分别为矢量i 在矢量e 及其法 线上的投影。即 z p2 z c o s 妒 ( 3 5 ) 乇= i s i nq o ( 3 6 ) 式中，妒= 眈一珞，口一声平面中的和如图。 三相电路瞬时无功功率q ( 瞬时有功功率p ) 为电压矢量e 的模和三相电路 瞬时无功电流( 三相电路瞬时有功电流) 的乘积。即 1 9 山东大学硕士学位论文 p = p z p q = p z g ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) = 隐= c p q ”，棚 2 匕习 p = 乞乞+ 吃毛- i - 巳之 ( 3 1 0 ) 口= 去一巳圪+ ( e c 一乞碗+ 也一旗】( 3 _ 1 1 ) 设n 、p 相的瞬时无功功率吼、劬( 瞬时有功功率以、鳓) 分别为该相 ( 1 )或+ p 口= p ( 2 ) q 。+ = 0 设a 、b 、c 各相的瞬时无功功率为吼、吼、吼( 瞬时有功功率为儿、n 、 见) 分别为该相瞬时电压和瞬时无功电流( 瞬时有功电流) 的乘积，可以证明： ( 3 ) p a + 见+ 见= p ( 4 )q a + 吼+ 吼= 0 山东大学硕士学位论文 由以上四式可以得到以下结论 ( 1 ) a 、相的瞬时无功功率吼、之和等于a 、b 、c 各相的瞬时无功 功率为吼、吼、吼之和。 ( 2 ) 口、p 相的瞬时有功功率以、如之和等于a 、b 、c 各相的瞬时有功功 率为p 、见、p c 之和。 因此，可以把三相电路的瞬时有功功率和瞬时无功功率先转化为口、卢两相 下进行分析，然后再转化到三相电路，这就是瞬时无功理论的基础。 传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础或相量的意义上定义 的，它们只适用于电压、电流均为正弦波的情况。而瞬时无功功率理论中的概念， 都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何 过渡过程的情况。瞬时无功功率理论中的概念，在形式上和传统理论非常相似， 可以看成传统理论的推广和延伸。 3 1 - 2 p q 法 c 2 3 = c 3 2 2 该检测方法的框图如图所示。图中的一1 表示矩阵的逆。 l d l 矗 l c k b 图3 - 2p 、q 运算方式的原理图 该方法算出p 、q ，经过低通滤波器( l p f ) 得p 、q 的直流分量歹、虿。电网 电压波形无畸变时，f 为基波有功电流与电压作用所产生，虿为基波无功电流与 电压作用所产生。于是，由歹、彳即可算出被检测电流屯、f 。的基波分量0 、 山东大学硕士学位论文 锄、0 。 医 2 。1 目2 专园 豳圈 阱扣 0 山东大学硕士学位论文 3 1 3 f ，、f q 运算方式 c = l 证墨- - 一c o s 埘w t c o s s i n i i 一一l 该方法的原理如图3 - 3 所示： e l z 4 1 6 l c k k 图3 - 3 f p 、f 口运算方式的原理图 该方法中，需用到与a 相电网电压乞同相位的正弦信号s i n “厅和对应得余 弦信号- - c o s u t ，它们由一个锁相环( p l l ) 和一个正、余弦信号发生电路得到。 可以计算出1 p 、1 9 ，经l p f 滤波得到1 p 、l q 的直流分量、f 口这里，0 、 i q 是由0 、锄、0 产生的，进而计算出、i b , 、f 。 。 与p ，q 运算方式相似，当要检测谐波和无功电流之和时，只需断开图中计 算1 q 的通道即可。而如果只需检测无功电流，则只要对1 口进行反变换即可。 3 2 瞬时无功功率补偿装置的应用1 9 1 瞬时无功功率理论的出现，使瞬时无功功率补偿有了可能，这无疑将大大增 强电网的稳定性。在这一方面晶闸管控制电抗器得到了很好的应用。由晶闸管控 制电抗器组成的静止无功补偿装置在电力系统的一些地方已经得到了应用。 t c r 的电流可在零和导通最大值之间连续变化。但是，t c r 只能吸收无功， 为了满足负荷补偿的需要，需要将t c r 跟固定电容器( f c ) 组组合起来使用，这 就组成了静止无功补偿装置( s v c ) 。下图是由t c r 和三个f c 一起构成的s v c ， f c 上的滤波电抗器，使得支路调谐到某些特殊的频率，以便滤掉负荷和t c r 产 生的高次谐波电流。 山东大学硕士学位论文 图3 4由t c r 组成的s v c 国内外应用的t c r 式静止无功补偿器具有响应速度快，可连续调节，平滑跟 踪负荷变化等优点。但应用中也暴露出很多的问题。 ( 1 ) 可控硅阀串联在电抗器的主回路，承受i o k v 一3 5k v 及以上的运行电 压，目前国内外制造不出这么高电压等级的可控硅。为了提高承受高压的能力， 将很多可控硅串联起来使用，形成可控硅堆，事故率高，可控硅经常被击穿。 ( 2 ) 为了避免可控硅承受过高的电压，有的采用增加降压变压器的方式。这 样一是增加了损耗和费用；二是影响了速度和补偿效果。 ( 3 ) 由于可控硅串联在电抗器主回路里面，温度很高，需要另配散热装置 增加了投资。 ( 4 ) 普通的空芯电抗器产生很强的磁场，对运行人员身体健康危害大。 ( 5 ) 整套装置结构组成复杂，维护困难，费用高。 由于静止无功补偿器存在的以上缺点，一种新型的可控电抗器磁阀式可 控电抗器的研究得到了广泛关注。 山东大学硕士学位论文 第四章磁阀式可控电抗器的原理 4 1 磁阀式可控电抗器的基本结构和特点 4 1 1 基本机构i t 0 1 1 1 x 2 1 1 t 3 l 磁阀式可控电抗器是在磁饱和式可控电抗器基础上发展起来的，如图为一单 相磁饱和式可控电抗器的结构原理图。电抗器有两个等截面( 截面积为s ) 等长度 ( 长度为1 ) 的主铁心1 、2 和两个等截面等长度的旁轭1 、2 组成。旁轭截面大于 主铁心截面，每个铁心上绕有总匝数为虬的上、下两个绕组，每个绕组各有一 个抽头分别与晶闸管墨、憋相连，抽头比为6 = 2 虬，j = l + 2 。不同铁心 上的上、下两个绕组交叉顺连后并联至电网，续流二极管d 跨接在两个绕组的交 叉处，铁心1 和旁轭1 、铁心2 和旁轭2 分别组成两条交流磁通屯的回路，铁心 1 和铁心2 组成直流磁通的回路。在电源的一个工频周期内，k 、恐的轮流 导通起了全波整流的作用，而二极管d 的功能是续流。与一般的可控整流原理一 样，其有利于可控硅墨、的关断，提高整流效率。 i a 图4 - 1 磁饱和式可控电抗器的结构图 磁阀概念的提出，使可控电抗器的理论向前发展了一大步。磁阀式可控电 抗器的铁心截面积具有减小的一段，在整个容量调节范围内，只有小面积一段磁 路饱和，相当于一个”磁阀，其余段均处于未饱和线性状态。通过改变小截面段 山东大学硕士学位论文 磁路的饱和程度来改变电抗器的容量，这就是“磁阀式”名称的由来。 1 1 蔼鼹器& 面f 0 ) 磁阀结构p ) 磁阀门全部关闭( c ) 磁阀门全部打开“) 等效磁路 图4 2 磁阀式可控电抗器的磁路系统 磁阀式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，以及限制过电压都有非常大的应用潜力。由于磁阀 式可控电抗器的特殊结构，它具有较小的谐波，近似线性的伏安特性，较小的损 耗以及较快的响应速度。 i 图4 - 3 磁阀式可控电抗器的结构图 4 1 2 磁阀式可控电抗器的特点 虽然单相磁阀式可控电抗器的绕组接线方式稍为复杂，但它具有相对短的磁 路饱和段，且磁饱和度可以设计得接近极限值( 额定容量时的l 段铁芯始终处于 饱和状态) ，此时，可控电抗器所产生的谐波甚小，在不采取其它任何措施情况 下，三相对称三角形连接的磁阀式可控电抗器( 抵消三次谐波) 可以完全满足谐 山东大学硕士学位论文 波规定要求。由于磁阀式可控电抗器额定工作状态为极限饱和，即此时容量达到 极限值，故其过负荷能力较差，不利于操作过电压限制。磁阀式可控电抗器适合 于高压配电网中调压和无功补偿，着不考虑长线过电压限制问题，其亦可用于线 路充电功率的补偿。 可控电抗器大多需单独的直流控制电源，而磁阀式可控电抗器则利用电网电 压本身经绕组自耦变压后由晶闸管整流获得，不需外加激磁电源。磁阀式可控电 抗器将工作绕组和控制绕组有机地结合在一起，有利于减少损耗，简化结构。 4 2 磁阀式可控电抗器的理论基础【l l 1 4 1 铁磁材料在磁场中会产生随磁场强度h 变化的磁通密度b ，铁心磁特性决定 了磁性元件的静态和动态特性，而且与铁心的结构、尺寸、制造工艺及励磁方式 等都有很大关系。但是如果对磁化特性曲线的各种影响因素均加以考虑，就会使 研究工作陷于过于复杂的境地。因此为了减轻研究工作的复杂程度，我们采用理 想基本磁化曲线来分析可控饱和电抗器特性，如下图所示。冷轧硅钢片和热轧硅 钢片都属于软磁材料，它们的磁滞回线狭窄，其上升分支和下降分支都基本靠近 磁化曲线，计算它们的磁路时就用理想基本磁化曲线来表示b 与h 的关系。 jl 口 厂| | o i ( 一 图4 - 4 铁磁材料的磁滞回线图4 - 5 理想铁磁材料的磁化曲线 从图中我们可以看到，当铁心中刚通入电流时，磁场强度随电流强度线形增 大，m 点的位置由铁磁材料的特性来决定。到达m 点时，铁磁材料饱和，m l l 的斜 率基本与非铁磁材料的b i 特性相平行。 无控制回路时，当磁可控饱和电抗器的铁心中通以直流电，我们应用大斜率 山东大学硕士学位论文 理想曲线进行说明。铁心中的磁化曲线为下图中间曲线所示( 假设在最低电流时 铁心仍然未饱和) 。加上直流控制绕组后，铁心中的磁化曲线如图所示。磁可控 电抗器就是借助控制回路直流来控制电流的激磁，改变铁心的饱和度( 即工作 点) ，从而达到平滑调节无功输出的目的。 _ 荔讶一，箭= h ，崔 督 一- g 饿翟 ， h 笋：骖 j u r h 、- 一 、 厂。 “ 图 铁心磁饱和原理图 4 3 磁阀式可控电抗器的工作原理- s 磁阔式可控电抗器的工作状态 在图中设晶闸管墨、如和续流二极管d 都为理想开关元件，则电抗器就有 以下四种工作状态，分别是： 状态墨、岛、d 都关断； 状态2 如、d 关断，墨导通； 状态3 墨、玛关断，d 导通； 状态4 墨、d 关断，哎导通。 现在我们设电网电压为= 2，则上述各状态与“。和晶闸管触发角 d 之间的关系如图所示。 山东大学硕士学位论文 0 l o t节 。 弋 f 手球 t r a d 、 状态3状态2状态3 状态4 图4 - 7 工作状态示意图 由图可知，若口= 靠，则电抗器工作于状态1 ，由于电抗器结构对称，则电抗 器相当于空载变压器，处于空载工作状态，容量为最小，绕组中只有空载交流励 磁电流；若o 口，则电抗器将按照状态2 状态3 状态4 状态3 状态2 的次序轮流切换、工作，此时绕组中将产生一个方向不变的环流，如图所示。 通过该环流将会产生的一个直流磁通使铁心l 和铁心2