（水利工程专业论文）智能型静止式无功功率自动补偿控制系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 低压配电网是负荷供电的直接来源。在电力负荷中，有很大一部份是感性负荷， 它誉仅游耧有功功率也吸收很多无功功率，造成功率因数下降，降低供电质屡和供电 能力。 本文在充分调研的基础上，认为目前采用的传统的无功功率补偿装置存在响应速 度慢、触发时刻不会遥、於偿电容嚣上有残聪、不畿实行三粳乎簿於偿、对蠢网产囊 污染、不能消除负荷本身产缴的高次谐波等弊病。针对这些实用性不强的无功功率补 偿装嚣，本文提出了采建努壹式无凌臻辜鑫动静缮分穰燕铡熬系统慧傣方案，菠蛰戆 响应速度和补偿精度大为提黼。主控器以8 0 c 1 9 6 单片机为系统核心，触发采用晶闸 管爱并联动态褥嫠模式，本文避芎亍了系统硬 串设计、软评设计。在箍离铃偿精度和抗 干扰方面进行了较为深入的研究。进行了动模试验，验证系统达到了设计要求。 智能型静止式笼功功率自动补偿控制系统，适用于那熊会对电网造成严重电聪 波动期电压闪交并羹会产生大量负序穗高次谐波戆不对称砖击受芬( 如大功率电弧 炉) 。这种负荷的无功冲击犬而且会急剧波动，最大的无功波动值一般可达其额定容 量。无功熬急溅交织会雩l 起壤瓣毫承瓣急爨交动，逡戒设鍪豹磅搴下簿瑟影璃产瑟翡 加工质量。使用了智能型静此式补偿控制系统后，将使电网母线电压稳定，冤功冲击 静电逐波蘑褥嚣李牵制，撵蔫了设备豹工终效率、降祗了产品象产成本，可获褥疆显的 经济效益。 关键词：无功功率补偿，瞬时无功功率采样，功率阂数，完全补偿 警申辩技大学联士学位论文 a b s t r a c t l o w - v o l t a g ee l e c t r i c i t yd i s t r i b u t i o nn e t w o r kl o a di st h ed i r e c ts o u r c e + p o w e rl o a di sa b i gp a r to fi tw a st h ee m o t i o n a ll o a d i th a sa b s o r b e dal o to fr e a c t i v ep o w e ra c t i v ep o w e r c o n s u m p t i o n i ti sap o w e rf a c t o rc a u s i n gt h eq u a l i t ya n dc a p a c i t yo fp o w e rs u p p l y d e c r e a s e d 。 b a s e do i lt h ei n v e s t i g a t i o n ，w ed e d u c et h a tt h ec u r r e n te x i s t e n c eo ft h et r a d i t i o n a l 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 ei ss l o wt o r e s p o n d ，t r i g g e ri n a p p r o p r i a t em o m e n t , r e s i d u a lv o l t a g ec a p a c i t o rc o m p e n s a t i o n ，c o m p e n s a t i o ni m p l e m e n t e dt h r e ee q u i l i b r i u mo f t h eg r i dp o l l u t i o n ，r e m o v i n gt h em a i nl o a dt h e i ro w n p r o d u c t s ，s u c ha sh i g h o r d e rh a r m o n i c g e n e r a t i o ni l l s 。i nl i g h to ft h e s eu t i l i t yn o th a v i n gs t r o n gr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n e q u i p m e n t ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h eu s eo fs t a t i o n a r yp h a s er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n a n da u t o m a t i cc o n t r o lo ft h eo v e r a l ls y s t e m c o m p e n s a t i o nb yt h ec o m p e n s a t i o na c c u r a c y a n d r e s p o n s es p e e ds og r e a t l yi m p r o v e d ，b s m8 0 c 1 9 6 i st h es y s t e mc o r e ，a n d a n t i - t r i g g e r e da d o p t st h ep a r a l l e ld y n a m i cc o m p e n s a t i o nm o d e l t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e s y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，a n ds o f t w a r ed e s i g n a l s o ，f o rt h ei m p r o v ea c c u r a c ya n d p e r f o r m a n c ei nr e s p e c to fc o m p e n s a t i o n ，w ep r e s e n tt h em o r ei n - d e p t hs t u d y , u n d e rt h e d y n a m i cs i m u l a t i o n ，v e r i f i c a t i o ns y s t e mm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s s m a r ts t a t i cc o n t r o ls y s t e mw i t ha u t o m a t i cc o m p e n s a t i n gr e a c d v ep o w e rf u n c t i o ni s s u i t e dt od i s s y m m e t r i ci m p a c tl o a dw h i c hl e a d st oi m p a c t0 nn e t w o r ka n d p r o d u c t sl o t so f n e g a t i v ea n dh i g h - o r d e rh a r m o n i cg e n e r a t i o n ( e g ：u s i n gh i g hp o w e re l e c t r i ca r cf u r n a c e ) ， t h i sk i n do fi m p a c tl o a dc a np r o d u c tl a r g ei m p a c t i o na n ds h a r pf l u c t u a t i o no nr e a c t i v e p o w e r u s u a l l ym a x i m a lr e a c t i o np o w e rf l u c t u a t i o nc a nr e a c hr a t e dr e a c t i v ep o w e r s h a r p f l u c t u a t i o no nr e a c t i v ep o w e rr e s u l t si ns h a r pf l u c t u a t i o no nv o l t a g eo nn e t w o r k sw h i c h c o r r e s p o n d st oo u t p u tp o w e ro fe q u i p m e n t sa n dq u a l i t yo fp r o d u c t s s m a r ts t a t i cc o n t r o l s y s t e mw i t ha u t o m a t i cc o m p e n s a t i n gr e a c t i v ep o w e rf u n c t i o nc o u l ds t a b i l i z ev o l t a g eo f n e t w o r k sa n dr e s t r a i nv o l t a g ef l u c t u a t i o np r o d u c e db yi m p a c tr e a c t i o np o w e r u s eo ft h e s y s t e mc o u l dr a i s eu pe f f i c i e n c yo fe q u i p m e n t sa n dd r o pd o w np r o d u c t i o nc o s t sa n dl e a dt o h u g ep r o f i t s 。 k e y w 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 ，s a m p l i n gi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r , p o w e r f a c t o r , f u l l yc o m p e n s a t e d h 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名= 微饧f 叶 日期：州年，r 月中日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密面。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：纭锈 日期。卯缉，侗f ，日 ，m，f 撼怕兹指日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 无功功率自动补偿控制系统简介 近年来，由于电网容量的增加，对电网无功的要求也与日增加。无功电源如同有 功电源一样，是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网损以及安全运行所不可缺 少的部分。在电力系统中，无功要保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时， 会导致设备损坏，系统解列。此外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备得不到 充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络补偿问题，对网络 降损节能有着极为重要的意义【”】。 无功功率补偿技术近年来己越来越引起人们的关注，它是涉及电力、电子技术、 电气自动化技术和理论电子等领域的重大课题。本文着重研究和分析低压配电网无功 功率的补偿装置，论述了智能型静止式无功功率自动补偿控制系统的控制策略和设 计。 在低压配电网中有相当一部分是感性负荷，它不仅要消耗大量的有功功率，也要 吸收很多的无功功率，从而使功率因数下降，导致无功电源不足，系统电压降低，电 能损耗增大，这大大影响了电网的供电能力。因此电力部门千方百计要提高系统的功 率因数，除本身采取相应的措施外，更要求每个用户在其母线上进行功率因数的补偿。 即借助于相关的无功功率补偿设备，及时、正确、必要的提供无功功率补偿。由于这 个课题涉及面广，且有较高的经济含量和技术附加量，因此无功功率补偿设备的研究 一直是国内外相关企业激烈竞争的项目之一。 传统的无功功率补偿装置主要采用同步电动机和并联电容器二种补偿方法，其优 点是简单经济，方便灵活。早期的静止式无功功率补偿装置是饱和电抗器型的，但由 于其铁心需磁化至饱和状态，故损耗和噪声都很大，且存在非线性电路等问题。1 9 9 7 年美国g e 公司首次推出了晶闸管的静止式无功功率补偿装置【4 1 ，随后世界上各大电 气公司竞相推出各具特色的无功功率补偿装置。 我国自8 0 年代开始，引进高压静止无功功率补偿装置。但对于低压配电网的无 华中科技大学硕士学位论文 功功率补偿装置由于进v i 设备价格昂贵，国内很少有用户能接受。近1 0 年来，国内 每年都有用于低压配电网的无功功率补偿设备问世和研究介绍【5 】。但这些补偿设备的 实用性不强，主要存在以下几个问题：首先是触发时间不合适，不能实施瞬时补偿； 其次是补偿功率因数一般在0 9 6 以下，( 功率因数应愈接近1 愈好) ；第三，补偿设备 不同程度对电网有污染现象，即在补偿电容器投切过程中，存在尖峰脉冲干扰，且会 对母线侧存在的高次谐波产生放大现象；第四，有的补偿装置只能进行平衡补偿( 共 补) ，不能对不对称负荷进行不平衡补偿( 分补) ，而绝大多数负荷用户是不对称负荷； 第五，补偿装置响应时间慢( 大于5 0 m s ) ；第六，补偿装置不能对母线侧负荷本身产 生的高次谐波具有滤除作用。负荷侧由于高次谐波超过国标( g b t i4 5 4 9 9 3 ) 以 致引发负荷事故频繁发生。 1 2 无功功率自动补偿控制系统原理 本文运用电力电子技术和自动控制理论，针对目前现有的无功功率补偿设备的不 足，研制新型的智能型静止式无功功率自动补偿控制系统，使其性能达到快速性，即 每个电网周波根据负荷变化进行一次补偿；不对称性，即实现对三相不对称负荷进行 不对称补偿；无污染性，即当补偿电容投入或切出时，不会污染电网( 有滤除高次谐 波功能的无功补偿装置不仅本身不会产生高次谐波或放大负荷本身的高次谐波，而且 能消除负荷本身产生的高次谐波) ；遥控检测性，即补偿装置既能实现跟踪检测和自 动补偿，而且还能进行联网使用上位机实现监控和监测，即能实现智能化控制【9 4 们。 1 2 3 国内外发展现状 在国外，五十年代初期，随着计算机的出现，电网问题的计算发展到一个新的阶 段。专业工程师们把琐碎的计算工作交给计算机去做，于是出现了许多电网计算的应 用软件，如：潮流计算软件包、稳定计算软件包、无功计算软件包这些应用软件的 开发，很大程度上缩短了计算时间。 现在，计算机技术已广泛应用于电力系统的运行、设计、科研等各个方而。1 9 5 6 年成功地运用功率分布计算以来。几乎所有主要的电力系统计算都已使用计算机。在 2 华中科技大学硕士学位论文 六十年代，电网的自动化系统也有了突飞猛进的发展，数字式远动设备开始代替传统 的模拟式远动设备，使电网信息的收集和传输技术在精度、速度。容量和可靠性上有 了一个很大的提高，使调度中心能迅速、正确而经济地得到调度控制用的各种电力系 统实时数据。 随着计算机技术的发展，计算机和图象显示技术在电力系统调度控制中心得到广 泛应用，使电力系统的监视和控制的情况大为改观。在开始阶段，计算机与相应的远 动装置及通讯设备组成的系统，主要用来完成电力系统运行状态的监视( 包括信息的 收集、处理和显示) 、短路器遥控操作、自动控制、经济运行、以及制表、记录和统 计功能。一般称为监视控制和数据收集系统( s c a d a ) 。为电网的运行分析提供了大 量的实时数据和历史数据。 于是，九十年代，人们开始尝试把电力系统的计算与调度自动化系统提供的信息 有机的结合起来，对电力系统的运行状态进行分析、判断和决策，一般称为能量管理 系统e m s 1 1 l 。在配电网数据采集和监控的基础上，增加高级应用软件，包括潮流计 算、无功优化、负荷预测等。 在国内，八十年代初，四大电网成功地实现了调度自动化的s c a d a 功能；八十 年代末，实现了省调s c a d a 和潮流计算；九十年代逐步实现了地调s c a d a 和省调 的e m s 。由于网、省关心的经济运行主要来自电厂出力的安排，所以，e m s 重点解 决了潮流计算、潮流优化等问题，而无功优化属于供电公司的问题，没有作为重点解 决。 华中科技大学硕士学位论文 低压配电网上的无功功率补偿 2 1 低压配电网无功功率补偿的作用 低压配电网上常用的用电设备是异步电动机、电炉、交直流稳压器、变速装置、 以及日渐增多的各式家用电器。这些用电设备既要吸收大量的有功功率，又在消耗很 多无功功率。其中无功功率要为各种电力设备提供励磁，电力系统内主要需要感性无 功功率。 电能质量指标之一是电压水平，而它主要受无功功率引起的电压降落的影响。在 低压配电网中，有的用户的端电压很低，其主要原因在于该系统的无功功率的过分需 要必然要加大发电机的励磁电流，致使发电机输出过多的无功功率而严重超负荷 1 2 - 1 4 1 。而过多的无功功率传输又迸一步增加了线路的电压损失。为防止这种现象的发 生，又被迫去降低整个系统的电压水平，以减少整个系统的无功功率消耗。这是一种 达到系统无功功率平衡十分消极的方法。为保证电力系统良好的电压质量，积极的措 施是使无功功率的总容量应能满足在额定电压下的无功功率负荷的需求。在无功功率 不足的系统要保证电压水平，应从无功功率平衡和增加无功功率补偿装置着手。如采 用局部提高某些节点的电压水平而导致这些节点无功功率负荷的增加，会导致整个系 统电压水平进一步降低和无功功率严重不足的恶性循环，危及整个电网的安全运行。 八十年代中，我国电压崩溃事故共发生5 4 起，为整个电网稳定破坏事故的四分之一。 为此在我国颁布的电力系统安全稳定守则中规定了在负荷集中地区，当突然失去 外部电源或本地一台最大容量机组跳闸或失磁情况下，均不得因缺少无功导致电压崩 溃。 目前我国规定的在正常运行情况下各类用户的允许电压偏移如下： 3 5 k v 以上电压供电负荷为士5 l o k v 以下供电负荷为士7 低压照明负荷为士( 5 一加) 无功功率的分层分区的基本平衡是保证电压质量、防止电压崩溃、提供整个电网 4 华中科技大学硕士学位论文 系统安全稳定运行和经济性运行的基本条件。如果用长距离和多级变压器阻抗来输送 大量的无功功率，不仅效率低，经济性差，在技术上也是行不通的。无功功率补偿一 般分电网补偿和用户补偿二类。为了能满足各种正常运行条件下电压水平的质量要 求，无功功率补偿设备应具备足够的灵活的瞬时调整无功功率的能力；而且要有最佳 的经济性，即使电网损耗最小，影响最小或使综合经济效益最高。 系统功率因数提高后，电网和负荷之间的无功功率交换将大为减小，有功传输功 率可相应增加，这样使电网负载能力得到提高，增加了发、输供电设备的利用率。如 一台1 0 0 0 k v a 的变压器，其c o s 中从0 7 提高到o 9 5 后，变压器可相当于增容2 5 ， 有2 5 0 k v a 的容量。 系统的功率因数提高后无功电流大为减少、线损下降( 线损和通过线路电流的平 方成正比) ，如一配电线路功率因数从o 7 提高到o 9 5 后线损率可减小4 5 7 。 系统功率因数提高后不仅减少线路电压损失，同时能抑制电压闪变削减谐波，可 使公用母线电压正弦波畸变率和电网负序电压达到国家标准。 2 2 负荷的无功功率补偿 2 2 1 三相对称负荷的无功功率补偿 图2 - 1 所示l 1 ，r l ，l 2 ，r 2 和l 3 ，r 3 组成三相对称感性负荷，功率因数 c o s 中。c o s r c t g ! 型1 ) ( i = 1 ，2 ，3 ) ，电容c 1 、c 2 、c 3 为补偿电容，由于三相负荷 ，l 对称，中线没有电流，负荷模型可用无源网络模拟，不会丢失信息，对于接在u 、 v 二相线电压上的l l 、r 1 和并联的c 1 其等效见图2 2 。根据l c 并联谐振理论， 从电源端看负荷补偿后是一纯电阻r ，且月。篁兰旦。等值的三相电路见图2 - 3 ， 所示。r i = r 2 = r 3 = r ，而且每相线电流和相应的相电压同相，即：i u 和u t r n 同相、 i v 和u w 同相、1 w 和u w n 同相。 华中科技大学硕士学位论文 u 杰是 图2 - 1 三相对称感性负荷 图2 - 2 两相等效电路图 图2 - 3 等效负荷屯路 2 2 2 三相不对称负荷的无功功率补偿 图2 - 4 是一个三相不对称负荷的模型，仅一个电阻r 接在线电压u 、v 上，其矢 量图为如图2 - 5 所示，i u 超前u u n3 0 。就整个功率关系看，负荷r 自三相电源吸取 的有功功率：p r m ，。c o s ( u 。，。) 一么，负荷从三相电源吸取的无功功率： q r = u 。j 。s i n ( u 。，j 。) 一0 。 嚣 图2 4 三相不对称负荷电路模型 6 华中科技大学硕士学位论文 k 暑一 就是说这个三相不对称负荷对三相电源来说是纯电阻负荷。 由于0 4 k v 供电电源变压器绕组几乎都是带中线y n 接法，而多数用电单位的电 器是0 2 3 k v 级的，从每相绕组的情况看就不是纯电阻了，以u 相为例： p uf f i u ：mx 历zi = u xx z 压显r 譬 q u = u t , wx 三i l = u x 三x 百x - 3 u ；孚百u 2 ( 鳓 对v 相来说： p v u v sx 巫3 2 小吾譬 q v = u u nx 三小5 拈- 百u 2 ( 滞励 纯电阻负荷对相电压u n 来说是个容性负荷，对相电压v n 来说是感性负荷。 即。1 3 譬吨q u + q y | o 故供电变压器绕组u n 和v n 各承担负荷r 有功功率一半，而这两个绕组在提供 有功功率的同时还进行数值为孚百u 2 - 击昂t 击己的无功功率交换。 根据无功功率补偿的概念，这个不对称负荷宜采用如图2 - 6 所示的补偿措施： q ，。堡；鱼。堡即工2 一r 。鱼r w l 2r x f 3 w 1 5 q 玎 7 华中科技大学硕士学位论文 率。 。们u 2 。巫2 譬即c 志 如”巫2 堕r 。誓l 即补偿后的线电流比补偿前减少了约1 3 4 ，且供电变压器只对负荷提供有功功 u v 、， n 图2 - 6 三相不对称负荷的补偿 2 3 系统对无功功率补偿装置的要求 根据对图2 - 1 、2 - 2 的分析，从供电和用电角度看，对无功功率补偿装置有以下几 点基本要求【1 5 - 1 8 】： ( 1 ) 无论负荷三相对称与否，都希望能把从供电端的各相功率因数补偿到。 ( 2 ) 希望补偿装置响应速度快。因为，负荷变化是随机的，一般都是毫秒级，要求 响应速度不低于2 0 m s 。 ( 3 ) 补偿装置本身不仅不能产生谐波以污染电网，而且也不能将电网中己存在的谐 波放大，还应有一定的高次谐波滤除吸收能力，使注入电网的谐波量控制在满 足国标g b t 1 4 5 4 9 9 3 规定的范围内。 根据以上三点的基本要求看，无功功率补偿装置不能直接用开关投切电容，而应 把补偿电容分组与相应的滤波电容接成l c 串联振荡滤波器，各组滤波器吸收和滤除 谐波的能力应针对被补偿系统的谐波，补偿装置还应有可变电感。根据控制器检测各 相需要的补偿量是超前还是滞后以及具体数量以投入相应的补偿电容。补偿装置的单 相模型如图2 7 所示，图中每条l c 串联支路是滤波器，下标2 3 n 为滤波的 8 华中科技大学硕士学位论文 次数，所有滤波器综合起来对工频来说，相当于一个固定电容c r ，c r 的容量应满足 可变电感开路时，c r 提供的超前无功功率与负荷最大需要超前补偿量是吻合的。 图2 7 单相补偿模型 2 4 无功功率补偿装置开关类型的分析和比较 无功功率补偿装置所用的电子开关有三种类型： 2 4 1 电子二极管和晶闸管反并联型 这种类型的电子无触头开关见图2 8 所示，它用在t s c 补偿装置上晶闸管s 每触 发一次，工频正弦波正半波导通，而由反并联的二极管导通负半波，这样补偿装置的 响应速度是一个电网周波。 d 图2 8 二极管和晶闸管反，f 联 t s c 补偿装置也可用二只晶闸管反并联作为无触点电子开关。如图2 - 9 所示，理 论上这种型式的电于开关其补偿装置的响应速度提高了一倍，即半个电网周波，但由 于补偿电容是一个“记忆元件”，所以事实上并非这样。现分析如下：设s 1 触发导通 了半个周波，而s 2 未被触发，在相继的半个电网周波电容c 中就无电流，如第三个 圭波s lx 被触发：自王卫圣的壅：匿功篚：直空登鲍鱼匡鉴堕生苤! 尘圭遗昱望： 9 华中科技大学硕士学位论文 从而失去补偿功能。故在此后某个半波触发s 2 ，然后再触发s l 才有效果，这种无触 点电子开关只在某些特殊场合才有意义。如某些自备发电机的无功功率补偿装置，在 这样情况下，一旦巳被触发，其控制相回路将有一个直流触发信号一直维持s 2 的运 行状态，类似于图2 8 中的二极管。 2 4 2t s r 的晶闸管反并联无触点电子开关 如图2 - 9 和图2 1 0 所示，图2 - 9 所示的s d 反并联电子开关是不适合用于开关 电感形式( t s r ) ，因为每个电网周波中二极管均能导通半个周波，不管补偿装置需不 需要这个电感。因此，开关电感形式的补偿装置均用晶闸管反并联型的无触点电子开 关，具有此类电子开关的响应速度为半个电网周波。 ss 图2 - 9 晶闸管反并联图图2 - 1 0 用于t s r 的无触点开关 在图2 1 0 中，s 1 、s 2 不存在触发程序失控的问题，这是因为s 1 一旦触发，电感 l 上的电流波形是从零开始至零结束的完整的半波，电感l 中储存的磁能完全释放。 图2 1 1 无触发顺序失控的波形 图2 1 1 显示的是t s r 晶闸管反并联无触点电子开关无触发顺序失控的波形，其 左边一个是完整的正弦波，表示s 1 和s 2 相继各触发一次，中问是半个完整的正弦波， 表示只有s l 被触发，右边又是一个完整的正弦波，表示s 1 和s 2 相继各触发一次。 要注意的是中间半个正弦波和右边一个正弦波，s 1 被触发过2 次。这条t s r 支路的 鱼逋这垄塞全鐾鳖：自整剑墨堡塑堡煎! 垡重茎主生塑丝垄空型垄型量型盟旦盟： 华中科技大学硕士学位论文 t s c 和t s r 这二种无触点电子开关的使用应根据用户的情况加以选择，当有的 用户，其负荷极端不平衡或高次谐波分量十分严重，抑或二者兼而有之或者负荷波动 引起系统电网电压大幅波动甚至畸变明显的用户，则应采用t s r 无触点电于开关形式 的无功功率补偿装置；对于那些负荷电流谐波分量不大，且接网点电压无多大波动和 明显畸变的用户，且在以下条件满足时，可使用t s c 型无触点开关型式的无功功率补 偿装置瞄- 2 6 1 ，它们是： ( 1 ) i m a x 1 5 i m i n ，c o s o m a x _ 1 2 c o s o m i n ，i m a x 为三相电流有效值的最大值，i m i n 为三相电流有效值的最小值，c o s ( i ) n m x 为三相中相负荷功率因数的最大值 c o s o m i n 为三相中相负荷功率因数的最小值。 ( 2 ) 负荷电流谐波总有效值不大于基波电流有效值的4 ，其中任河一次谐波电流 有效值不大于基波相电压有效值的3 。 ( 3 ) 供电相电压谐波总有效值不大于基波相电压有效值的2 。其中任何一次谐波 电压有效值不大于基波电流有效值的1 5 。 2 5 无功补偿设备的选用和比较 在电力系统中，电压和频率是衡量电能量的两个最基本最主要的指标，为确保电 力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。频率的控制和有功功 率的控制密切相关，电压控制的有效方法之一就是对电力系统的无功功率进行控制。 目前无功功率补偿设备有同步发电机、同步调相机、并联电容器静止无功补偿装置。 同步发电机既是有功功率源，又是最基本的无功功率源。当系统的无功功率比较 紧张时，必须充分利用发电机供给无功功率。例如冬季枯水季节时，水库水源不多， 水力发电厂不可能按装机容量发出额定设计的有功功率，此时应考虑将水轮发电机降 低功率因数运行，使其多发无功功率，将发电机以调相机方式运行。同步调相机 相当于空载运行的同步发电机，在过励磁运行时，它可作为无功电源向系统供给感性 无功功率，以提高系统电压水平。在欠励磁运行时，它可作为无功功率负荷从系统吸 收感性无功功率以适当降低系统电压水平，同步调相机欠励磁运行最大容量一般只有 过励磁运行时的容量的5 0 - - 6 0 。 1 l 华中科技大学硕士学位论文 并联电容器足电力系统无功功率补偿的重要设备，主要用于正常情况下电网和用 户的无功补偿和控制。由于它造价较低，便于分散安装，技术效果一般来说也较好。 但我国有些电网高峰时电压过低，其主要原因是系统安装的并联电容器容量不足。有 些电网低谷时电压过高，其原因之一是高峰时系统投入的并联电容器在低谷时没有去 除或去除不够，造成系统在低谷时无功过剩、使电压过高。 静止无功功率补偿器是并联联接的无功功率发生器和吸收器，主要由电容和电抗 器组成，可连续调节无功功率。 电力电容器和静止补偿器都是静止装最，它们的优点是装置本身的有功功率损耗 小，在满负荷运行时，电容器的有功损耗约为额定容量的0 3 - - 0 5 ，静止补偿器 的有功功率损耗约为额定容量的0 5 一1 2 ，而同步调相机的有功损耗约为1 5 - - 5 5 ，而且电容器和静止补偿器没有转动部分，不需要运行人员经常维护，因此， 和同步调相机相比年运行费用要少一些。 电力电容器和静止补偿装置的主要部件电容器和电抗器均可在户外布置，勿需厂 房和加热、油循环等设备，而且安装简易，安装费用低，这些优点是同步调相机所没 有的。 电力电容器和静止补偿装置有各种额定电压等级规格。因此它可以根据需要直接 连接在1 1 0 k v 或更高的电压等级的电网上。而同步调相机的额定电压和一般发电机 相同，只有6 k v 、1 0 k v 等这一类较低的电压等级，相比之下，采用电力电容器和静 止补偿器的无功补偿方案更加灵活。 同步调相机容量愈大时，其单位容量设备费用就愈低。因此适用于补偿容量较大 的集中补偿方式。而电容器和静止补偿装置的单位容量设备费用和容量的大小关系不 大，因此，适用于分散补偿方式。但从经济角度出发，不管何种无功补偿装置采用集 中补偿方式比分散补偿方式要好些。 同步调相机和静止补偿器不仅可以平滑无级调压，而且还能在电网电压过高时吸 收无功功率，以适当降低电网电压。电容器只能分级降压。显然同步调相机和静止补 偿器的无功补偿方式更趋灵活。此外，电容器和静止补偿器在电网电压愈低，愈需要 无功补偿设备能输出无功功率的时候，输出的无功功率反而减少了。所以说电容器和 华中科技大学硕士学位论文 静止补偿器的无功补偿及调压性能比较差。同步调相机的输出的无功功率不受电网电 压的影响。特别是在系统发生故障时，采用具有强行励磁的同步调相机，能较好地维 持系统的电压水平，提高系统的稳定性。 综上所述，同步调相机、电容器和静j l z ；i l , 偿装置在投资、年运行费用和使用性能 上各有优缺点，需根据实际情况选择使用。 2 6 三相不对称负荷无功补偿特点分析 滢卦涨】 ， 小群1 i o = 0( 2 - 3 ) ； 4 j + 冬( 1 一e - j z ，a t ) i l ( 1 _ e - j g ) ，一。冬( 1 i ) ；拿么1 一。，：) 华中科技大学硕士学位论文 斟针 据此可得出此时的对称分量为： 阱 1斟 鱼，。一后 一鱼，。乓 2 0 拿咖+ 后 一巫j ，。乓 2 0 可以看出负荷电流虽然无零序分量，而为实现各相完全补偿， 分量，否则不能实现各相完全补偿。 三相零序电流都经中线n 构成回路，按对称分量法的理论 i n = 如雩一争弓 对照图2 - 6 可知 n “o 争弓 这正和上述分析相吻合。 2 7 负荷的无功补偿的实现 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 却不得不引进零序 负荷的无功功率补偿的目的是在供电各相电压上分别投入适当容量的储能器件， 如电容器或电感器。自供电电源向负荷看，把各供电线电流相角补偿到与相电压同相， 供电变压器各相只对负荷提供有功功率。 为实现各相完全补偿，补偿器件必需接在相电压上。中线n 对补偿来说就极其重 要了。 放塞丑爸担数宜全i 篷：壁丝亟煎盔堂星旦i i 垡鱼查整娅亘塞理；面查丝鱼蓝也 华中科技大学硕士学位论文 不是只用补偿电感即可实现。甚至纯电阻性负荷未必不要补偿，在同一时候，三相投 入的补偿器件不一定就是补偿电感，也未必同是补偿电容。 因此，一个负荷的无功功率补偿系统可能既有补偿电容，又含有补偿电感。而且 都是连接在相电压上，否则对于三相不对称负荷是做不到供电变压器各相完全补偿 的。 2 8 负荷的谐波电流和无功功率补偿 由于铁磁材料的非线性以及变频、变流装置的开关的非线性，负荷电流中总是含 有谐波电流的。为分析方便，我们假定负荷三相是平衡的。供电电压三相平衡，线电 压有效值u ，供电线电流有效值1 ，则有如下关系成立。 1 荟町“j 荟 2 ( 2 - 7 ) 式中下标k = l 是基波， k = 2 ，3 ，4 是谐波次数 从电源向负荷看，有功功率为 p - j x ；孑 砉“tc r ， 薹c r ，】西( 2 - 8 ， u 和i 表示时间函数，下标k 为谐波次数。t 为电网周期，5 0 h z 电网为2 0 毫秒。 6 0 h z 为1 6 6 7 毫秒。 电源视在容量为 s 暑翮 ( 2 9 ) 把基波有功功率分离出来则有 只= , - 3 u , t 1c o s t p l 其中u l 为线电压基波分量有效值，h 为线电流基波分量有效值。c o s o a 为基波 功率因数，这时有功功率可表示为 华中科技大学硕士学位论文 对于非电热负荷来说，感兴趣的是基波有功功率，量度负荷功率因数的表达式为 p f 一 ( 2 1 1 ) 因此，对于一定的供电电网，从无功功率补偿的观点来看有两件事可做：一是提 高c o s m i ，即基波的功率因数。二是减少i k ( k = 2 ，3 ，) ，即减少负荷注入 电网的谐波电流。 这就提示我们，一个无功功率补偿装置须有滤除谐波功能，并且应尽可能减少负 荷的谐波电流注入电网，这样补偿装置在补偿后才能得到期望的功率因数。 2 9 无功功率补偿电容器组的投切方式 无功功率补偿电容器组的投切方式有三种：日投夜切、分组投切、自动补偿。 三种投切方式无功负荷和无功补偿容量随时问分布的曲线见图2 1 1 。在日投夜切补偿 方式中，一天内有很大一部分无功功率没有得到补偿；在分组投切的补偿方式中，把 电容器分成固定组( 补偿容量s 1 ) 和投切组( 幸h 偿容量s 2 ) ，显然它的补偿效果要比 前一种好。而自动补偿方式效果更好。 立 o l 口2 t ，# 图2 - 1 1 ( a ) 日投夜切( 补偿容量s 1 ) 图2 1 1 ( b ) 分组投切( 投切容鼍s 1 ，固定容量s 2 ) 釜博 华中科技大学硕士学位论文 2 1 0 本章小结 口 图2 - 1 1 ( c ) 自动补偿( 补偿容量s 1 ) 论述了无功功率的平衡和补偿是保证系统电网电压质量，防止电压崩溃，提高系 统运行稳定性和经济性的基本条件。通过对三相不对称负荷的分析指出传统的无功功 率补偿装置不可能实现各相完全补偿，提出了采用晶闸管及并联无触点开关来实现补 偿装置的快速性和无污染性，为本文提出的无功补偿装置设计的先进性打下理论基 础。 华中科技大学硕士学位论文 补偿控制系统的策略研究 低压配电网直接向负荷供电，因此无功功率需求量很大，采用投切低压电容器组 对低压配电母线进行集中无功补偿是配电网充分利用电源变压器的容量、降损节能、 改善电压质量、保证供电系统安全和经济运行的重要手段。传统的无功功率补偿装置 通过控制交流接触器或空气开关来实现电容器组投切。这种装置的致命的问题是机械 触头动作速率与工频电压和电流的变化速度不匹配，最快的机械触头的动作时间大约 是工频周期的2 5 倍左右。加上机械触头触发时间的分散性，使得传统的无功功率补 偿装置在运行过程中不可避免地产生过渡过程。从而对电网产生冲击，严重时产生过 电压和过电流，损坏电气设备。由于机械动作需要较长的恢复时间，所以传统的无功 功率补偿装置不可能实现动态无功补偿。 随着计算机技术与电力电子技术在电力系统中的应用，对无功功率补偿装置提出 了以下的要求 2 8 - 3 1 】： ( 1 ) 要求能实现动态无功功率补偿； ( 2 ) 无功功率的补偿精度高；功率因数要求能达到0 9 9 ： ( 3 ) 无功功率补偿装置的投入或切出后，装置本身对电网无污染； ( 4 ) 对三相不对称负荷能够各自独立补偿； ( 5 ) 提高无功补偿设备的智能化水平。 3 1 自动补偿装置模型的建立 图3 一l 是一种静止式无功补偿器的组成模型，它由一个t 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 ) 和带有开关的电容器组成。其稳定特性见图3 - 2 所示。 图3 - 1 无功补偿器组成模型图3 2 无功补偿器稳定特性 华中科技大学硕士学位论文 从图3 2 中可看出，这种静止式无功补偿有三种可能运行方式，从高压节点看进 去其相应的等效电路如图3 3 所示，图中h u 表示高压节点，l u 表示低压节点。 i v ( a ) 线性范围( b ) 容性极限( c ) 感性极限 图3 - 3 无功补偿等效电路 正常运行方式是在线性控制范围，在这种方式下，从高压节点看进去静止无功补 偿可等效为一个电压源u r c f 和斜率阻抗x s l 的串联。当运行到容性极限时，它等效 为一个固定的容性电纳b c 和低压节点相连，高压节点和低压节点间的电抗就是变压 器的绕组电抗x t ，类似地当运行到感性极限时，它可等效为一个固定感性电纳b l ， 它的最大电流值为l s m a x 。 进行潮流计算时，可用图3 - 4 来表示无功补偿，其中，变压器电抗x t 可被认为 是x s l 和x t - x s l 的串联，这样就出现一个虚节点m 。当无功补偿装置运行在线性控 制范围时可用这样的等效电路表示。无论运行到那种无功极限，补偿装置均可由一个 不变电纳表示，并和低压节点连接，而m 节点电压不再被控制，装置的电流极限为 i s m a x 。 医运噩歪萋至哇暑圣：皂罩皓至电力网络 图3 4 潮流计算时的模型 图3 5 为图3 4 的传递函数框图 图3 - 5 传递函数框图 仉 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 6 是t c r 详细框图，其电抗器的电纳值是触发角的函数，电抗器和等值电纳 为丑一三u 一扣如) i 表示电流基波分量有效值，u 为t c r 二端电压。 图3 6 t c r 详细框图 图3 6 中所有参数均以标么值表示，基准功率是t c r 额定容量，t c r 单位为m ， 基准电压为t c r 额定电压，单位k v ，导通角基准为1 8 0 。，以标准值表示的电抗器等 值电纳为b - 盯一二s i n ( 加7 ) 图3 - 6 中的线性化电路是用于补偿b l 和盯之间的非线性关系的。晶闸管开关可 p 一踊 由下式表示：g “印。看j i 图3 - 5 中电压调节器框图直接影响无功补偿的动态性能优化。图3 7 表示出了电 压调节器常用的两种形式。对于图3 7 ( a ) 来说勋表示下降特性的倒数。如斜率阻 抗x s l ，时间常数n 约为5 0 - - 1 0 0 m s 。图3 7 ( b ) 为积分型，下降特性可通过电流反 馈得到。 “舅爿越时援挣譬 ( a ) 比例型 ( b ) 积分型 图3 7 电压调节器模氆 图3 5 中测量电路框图是由测量变压器，a d 转换器和整流器组成，是一个时 2 0 华中科技大学硕士学位论文 间常数很小的惯性环节。 电容开关框图可由开关序列表示，图3 8 为晶闸管开关电容器( t s c ) 的补偿器 模型，基准值的选取为t s c 的额定容量值o t s c 和额定电压值，单位分别为m v a 和 k v ，图中n 为带有开关的总的电容器组数，n c 为给定时间内接通电容器组的数目， t c 为与晶闸管触发序列有关的时间常数，控制信号u c 和t c r 一起控制u 2 在一定 范围内。 3 2 采样方式研究 图3 - 8 t s c 模型 目前同类产品大多采用测量电压和电流之间的相位差来表示功率因数c o s * 。这 种方法只有电压电流均为正弦基波才正确。一般变压器大多数采用星形接线，如系统 中感性负荷较大时，即含有较大的谐波电流，此时必需采用基波有效值的测量方法才 l 2 能得到正确结果，如采用传统的均方根，。旷2 出彳1 进行近似计算，则每个周波要 【“j 求采样6 0 7 0 次才能获得满意效果，这样的方法实时性太差。本文采用的补偿装置 是三相电路的瞬时无功功率检测方法，其物理概念是借助无功补偿设备提供必要、及 时、准确的无功功率强3 7 1 ，这个无功功率的来源就是投入电容容量。投入要恰到好处， 因为当系统的功率因数变化时，必然要引起系统电网的电流电压的变化，如将这个变 化及时准确地反映出来，就可通过计算机进行比较运算放大最后输出给执行机构，投 切不同数量的电容器组，对系统电网进行无功功率补偿。 2 l 华中科技大学硕士学位论文 3 3 电容投切方式的研究