（电力电子与电力传动专业论文）静止无功补偿智能控制器的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 电力是现代社会必不可少的一种主要能源。随着现代电力电子技术的飞速 发展，尤其是电力电子装置在电力系统各个工业部门的广泛应用，对电力系统 安全、稳定、经济运行构成了潜在的威胁，严重影响电能质量，甚至危害到电 力系统的安全运行。一方面，导致了用电质量的下降和电能的耗费。另一方面， 也对电能质量提出了较高的要求，必须采用一定的措施对输配电网络中所需的 无功功率进行补偿，从而提高功率因数和电能质量。因此，无功补偿技术应运 而生。 一 本文在对国内外相关无功补偿技术和无功补偿控制方式的发展现状和方向 总结的基础上，总结本实验室已有相关技术，以基于可变电抗的静止无功补偿 器为基础，设计智能控制器，从而动态控制对无功功率的补偿。本文主要做了 以下工作： 首先，描述了基于可变电抗器的无功补偿器，它包括固定电容器、可变电 抗器以及智能控制器三部分这种无功补偿器在传统的无功补偿器的基础上进 行了结构创新，将可变电抗变换器分为原边和副边线圈，通过改变副边线圈的 阻抗，来改变原边线圈的阻抗，从而实现阻抗变换。详细分析使用s c r 作为功 率变换器核心元件的无功补偿器，就其完全关断、完全导通以及部分导通三个 工作状态论述无功补偿器的工作原理。以此为基础，进行智能控制器的方案选 择和结构设计通过分析比较，选择p l c + p f g a 的控制方案，并确定控制器整 体结构。 其次，设计控制器的硬件电路，对控制系统中使用的p l c 以及p f g a 进行 介绍与具体器件的选择，经过分析比较选择c p u 3 1 3 c 以及s p a r t a n - l i e 作为智能 控制器的核心器件。设计输入输出通道，晶闸管触发脉冲产生电路，以及同步 信号电路、缺相保护电路等相关的保护与辅助电路的设计。 。 在完成硬件设计后，进行智能控制器软件设计。分别编写p l c 与p f g a 程 序，通过仿真验证程序编写的正确性。 最后，使用m a t l a b s i m u l i n k 搭建静止无功补器仿真模型，在“由下到上 仿真思路的指导下，首先构建各个仿真模块，并对重要模块进行仿真，验证设 武汉理丁大学硕士学位论文 计的正确性。通过典型时刻的仿真波形对比验证设计的智能控制器能很好的满 足动态补偿无功功率的目的。 关键词：无功补偿，可变电抗器，智能控制器，仿真 i i 武汉理工大学硕+ 学位论文 a bs t r a c t e l e c t r i c i t y , am a j o re n e r g y , i se s s e n t i a lt om o d e ms o c i e t yw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fm o d e mp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi tw i d e l yu s e si n v a r i o u si n d u s t r i a ls e c t o r s ；t h e r ei sap o t e n t i a lt h r e a tt ot h ep o w e rs y s t e ms e c u r i t y , s t a b i l i t ya n de c o n o m i co p e r a t i o n a l lo ft h i ss e r i o u s l ya f f e c tt h ep o w e rq u a l i t y , a n d e v e ne n d a n g e rt h es a f eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m o no n eh a n d ，t h i sc u t sd o w nt h e q u a l i t yo fe l e c t r i cp o w e ra n de n l a r g i n gt h ec o s t o nt h eo t h e rh a n d ，i ta l s op u s h e su p t h ep o w e rq u a l i t yr e q u i r e m e n t s ，w h i c hm u s ta d o p ts o m em e a s u r e sf o rt r a n s m i s s i o n n e t w o r ko fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n , s oa st oi m p r o v et h ep o w e rf a c t o ra n d p o w e rq u a l i t y t h u s ，t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e se m e r g e d s u m m a r i z i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dt h eo r i e n t a t i o no ft h ed o m e s t i ca n df 0 r e i 盟 r e l e v a n tr 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 ea n dt h er e l a t e da p p l i c a t i o no ft h e t e c h n o l o g y , if o u n dt h a tt h e r ea r es e v e r a ld r a w b a c k si nt h ec u r r e n t u s i n go fr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n a f t e rs u m m a r i z i n gt h ee x i s t i n gr e l a t e dt e c h n o l o g yo fm y l a b o r a t o r y , t h i st h e s i sd e s c r i b e dan e w l yr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r - 一t h er e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t o rb a s e do nv a r i a b l er e a c t o r w h a t sm o r e , t h et h e s i se l a b o r a t e dt h e p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fi t t l l i st h e s i sm a d e t h ef o l l o w i n g ： f i r s t l y , t h et h e s i sd e s c r i b e dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o rb a s e do f ft h ev a r i a b l e r e a c t o r , w h i c hi n c l u d ef i x e dc a p a c i t o r s ，v a r i a b l er e a c t o r , a n di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r r e a c t o r t h ev a r i a b l er e a c t o ri n c l u d e sv a r i a b l ec i r c u i tr e a c t a n c ec o n v e r t e ra n dp o w e r e l e c t r o n i cp o w e rc o n v e r t e r s t h i sk i n do fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o ri si n n o v a t e d f r o mt h et r a d i t i o n a lr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o ri ns t r u c t u r e , w h i c hd i v i d e di ti n t ot h e p r i m a r yc o i la n ds e c o n d a r yc o i l t h er e s i s t a n c ev a l u eo ft h el a t t e rc a nb ec h a n g e d t h r o u g hc h a n g i n gt h er e s i s t a n c ev a l u eo ft h ef o r m e r d e t a i l e da n a l y z et h er e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nw h i c hu s e ds c r a sap o w e rc o n v e r t e rc o r ec o m p o n e n t s e l e c t t h ep r o g r a mi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r , a n dd e s i g nt h e o v e r a l ls t r u c t u r e t h r o u g ht h e a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，is e l e c tt h ep l c + p f g ac o n t r o lp r o g r a ma n dd e t e r m i n et h e o v e r a l ls t r u c t u r e i 武汉理t 大学硕士学位论文 s e c o n d l y , d e s i g n st h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o l l e r ii n t r o d u c e dt h ed e v i c eo fp l c a n dp f g a ；c h o i c et h es p e c i f i cd e v i c e t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，is e l e c t e d c p u 313 ca n ds p a r t a n l i ea st h ec o r ed e v i c eo ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r a f t e rt h ec o m p l e t i o no fh a r d w a r ed e s i g n ，t h es o f t w a r ew a $ d e s i g n e d 1 1 1 ep l c a n dp f g ap r o c e d u r e sw e r ep r e p a r e d ，a n ds i m u l a t e d f i n a l l y , t h et h e s i s e s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fr e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t o r t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e t h ev a l i d i t yo f i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r 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 o r ，v a r i a b l er e a c t a n c e ，i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r ，s i m u l a t i o n i v 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论l 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 国内外相关技术的研究现状与发展趋势3 1 2 1 无功补偿的原理与作用3 1 2 2 无功补偿装置的研究现状与发展趋势4 1 3 论文主要研究内容：8 第2 章静止无功补偿智能控制器总体方案设计1 0 2 1 静止无功补偿器的结构与原理1 0 2 1 1 静止无功补偿器系统结构l o 2 1 2 静止无功补偿器工作原理1 1 2 2 静止无功补偿器智能控制器的方案与结构- 1 6 2 2 1 智能控制器的方案选择1 6 2 2 2 智能控制器的结构设计1 7 2 3 本章小结”18 第3 章静止无功补偿智能控制器的硬件设计2 0 3 1 微处理器与输入输出模块的选择2 0 3 1 1p l c 及模拟量输入输出模块2 0 3 1 2f p g a 的选型2 3 3 2 输入与输出通道的设计2 5 3 2 1 开关量输入通道的设计2 5 3 2 2 开关量输出通道的设计2 6 3 3 保护及辅助电路设计2 6 3 3 1 同步信号电路2 6 3 3 2 缺相保护电路2 7 3 4 本章小结2 8 第4 章静止无功补偿智能控制器的软件设计2 9 4 1p l c 控制部分程序设计2 9 v 武汉理| t 大学硕士学位论文 4 1 1 主程序设计”2 9 4 1 2 初始化程序设计3 0 4 2f p g a 部分程序设计3 1 4 3 本章小结3 5 第5 章静止无功补偿系统的仿真研究3 6 5 1 仿真工具一3 6 5 1 1m a t l a b 介绍3 6 5 1 2s i m u l i n k 简介3 6 5 1 3 电力系统模型库s i m p o w e r s y s t e m s 简介3 7 5 2 各模块的建模与仿真3 8 5 2 1 可变电抗器模块的建模与仿真3 8 5 2 2s c r 模块的建模4 0 5 2 3 功率变换器模块的建模4 l 5 2 4 智能控制器模块的建模4 l 5 2 5 单相交流电源模块的建模4 2 5 2 6 负载模块的建模4 2 5 3 静止无功补偿系统的建模与仿真4 3 5 4 静止无功补偿系统的谐波分析“4 5 5 5 本章小结4 6 第6 章全文总结与展望”4 8 6 1 全文总结4 8 6 2 全文展望- 4 8 参考文献5 0 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文“5 3 致谢5 4 v i 武汉理工大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 电力是现代社会必不可少的一种主要能源，随着现代电力电子技术的飞速 发展，尤其是电力电子装置在电力系统各个工业部门的广泛应用，电力系统安 全、稳定、经济运行存在潜在的威胁，严重影响电能质量，甚至危害到电力系 统的安全运行【l 】。在现代工业生产中的用电负载，大部分都属于阻感负载，诸如 变压器、感应式电动机、荧光灯、空调、冰箱等设备，这些设备在运行过程中， 不仅需要吸收有功功率，而且同时需要从电力系统中吸收无功功率，无功功率 保证这些设备能量的交换、输送和转换，为其正常运行创造了必要的条件。现 代工业中大量使用电力电子装置，这些非线性装置也要消耗无功功率，特别是 各种相控装置，如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，这些设 备在工作过程中基波电流都滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率【2 】大量无 功功率的消耗将造成发电和输电过程中的电压波动和电能损失，严重影响电能 质量，无功功率对电网的影响主要有以下几个方面： ( 1 ) 影响有功功率。传输有功功率是输电线路主要目的，但是为了实现这 一目的，同时将系统电压保持在一定值，需要为负载提供所需的一定量的无功 功率。当有功功率传输量一定时，输送的无功功率量与网络中有功功率的损耗 成正比关系。 ( 2 ) 影响电能质量。电能质量是电力系统重要的经济技术指标，而电压是 衡量电能质量的主要指标之一。足够的无功电源的存在就可以维持电力系统运 行地正常稳定性，而无功电源的总容量需要与额定电压标准下系统对无功功率 的需求相符合，否则，负载实际工作电压将偏离其额定值，影响电力系统的电 能质量。因此通过保证电力系统无功平衡即可保证电力系统的电能质量达到标 准。 ( 3 ) 影响线路及设备损耗。合理分配布置无功电源，电力传输过程中提供 充足的无功功率以及无功补偿设备的管理都会影响到线路的损耗以及电力系统 的稳定经济运行。当电力系统网络结构确定、需要输送的有功功率一定时，传 武汉理工大学硕士学位论文 输的无功功率量值的大小决定了系统总功率损耗，所以不宜在电力线路中大量 传输无功功率，需要及时补偿。 ( 4 ) 影响电力系统功角稳定。电力系统的功角稳定在一定程度上和无功功 率的大小是相关的，举例来讲，发电机组励磁电流变小，功率因数角与系统相 比较处于超前状态，为系统发出有功功率，进相运行时，发电机的静态功角并 不十分稳定，此时机组受到的扰动较大时，通过提高励磁系统的强励性可以保 持电力系统的暂态功角稳定；在这一过程中，仅仅改变发电机励磁系统的电流 就可以调节系统的无功功率，而无需增加设备加大附加费用投入，因此在电力 网运行过程中，应该及时合理地调节发电机组无功出力及合理地配置无功补偿 设备，以提高电力系统的静态功角稳定性和暂态功角稳定性，从而提高电力系 统输电能力【3 】。 若采取依赖输配电网络远距离输送无功功率的传统方式，会使得输配电设 备无法充分的发挥作用，对现有资源是一种浪费，更为严重的甚至会导致大面 积的停电故障【4 】。 过去主要是工矿企业使用较多的无功负荷，故只对这些工业企业实施两部 制电价，根据这些企业的变压器容量以及实际用电量两个方面征收电费，对普 通用电用户仅按照实际用电度数收费，并不从功率因数方面征收电费。但是自 上个世纪7 0 年代以来，居民生活和楼宇照明已经从白炽灯转变为荧光灯或者节 能灯，白炽灯的功率因数接近于l 也就是说它仅消耗有功功率，而经测算荧光 灯和节能灯的自然功率因数仅仅在0 6 左右【5 1 ；随着城乡居民生活水平的提高， 家用电器走进千家万户之后，冰箱、空调、洗衣机等众多家用电器的功率因数 并不高，仅仅处于o 7 左右【6 】，在这种情况下，生活用电消耗的无功功率进一步 增长，严重降低了电能重量，影响电力部门经济供电。 目前国广大农村用户的家用电器普及率还不高，随着农村居民生活水平的 提高，经济的发展，居民生活用电和楼字用电量还会发生很大的增长【7 1 ，所以如 何合理补偿居民生活用电所消耗的无功功率将成为供电企业迫切需要解决的一 个重要任务。 2 武汉理丁大学硕士学位论文 1 2 国内外相关技术的研究现状与发展趋势 1 2 1 无功补偿的原理与作用 电力系统中负载消耗的电功率存在两种形式有功功率和无功功率。设 备的正常运转需要有功功率维持，即将电能转化成其他形式能量( 如机械能、 热能、光能等) 所需要的电功率就是有功功率；而无功功率是电气负载中电感、 电容等储能元件工作过程中建立磁场所需要的电功率。 无功功率补偿的基本原理简单来描述就是在需要进行补偿的阻感负载上并 联容性设备，这样负载建立磁场所消耗以及释放的能量就在这两种负荷之间完 成转换，相应地减少了电网提供的无功功率量。其无功补偿原理简单说明图如 图1 1 所示。图中有功功率用符号p 表示，无功功率用符号q 表示。 u 无功 补偿 装置 a ) 无功补偿前b ) 无功补偿后 图1 1 无功补偿原理简单说明图 无功补偿的作用主要有以下几点： ( 1 ) 使电力系统的功率因数以及用电负荷功率因数增大，使得设备容量得 到有效控制，减小总功率损耗。在交流电路中，设总电流分为有功电流和无功 电流，即i = i 。+ l ，总电阻为r ，那么总损耗p 为 卸印r ：h 薯) r ：掣r ( 1 - 1 ) 式中，【q 2 v 2 皿就是无功功率引起的损耗。 ( 2 ) 通过无功补偿可以稳定作为受电端的用户电压以及电网的电压，保障 电力系统供电质量。在远距离输电线路中，在合适的地点装设无功补偿装置可 以改善电压质量，增强电力系统的稳定性，提高其输送电力的能力。在输电线 路中，电压损失u 的计算公式如下： 武汉理工大学硕十学位论文 a u ：p r + q x l( 1 2 ) u 由式( 1 2 ) 可知，线路中的无功功率q 变小后，电压损失u 也相应的减 小。 ( 3 ) 在电气化铁道等三相不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三 相的有功和无功负载【8 1 。 1 2 2 无功补偿装置的研究现状与发展趋势 无功补偿装置的发展经历了从并联电容器，同步调相机到开关投切固定电 容器( t s c ) 到静止无功补偿器( s v c ) p a 及近几年的静止无功发生器( s v g ) 的过 程。无功补偿装置的发展历程如图1 2 所示。 无功补偿 并联电容器 同步调相机 同步补偿卜一斗一同步发电机 静止无功补 偿 同步电动机 饱和电抗器 自饱和电抗 器 可控饱和电 抗器 晶闸管控制 电抗器 晶闸管投切 电容器 图1 2 无功补偿技术发展史图 并联电容器和同步调相机是无功补偿装置的早期代表，这两种装置大多装 设在系统的高压侧，补偿方式为集中补偿，这种方式维护简便但是无功补偿从 经济性上分析效果并不理想。 并联电容器的电网中应用最多的一种专用无功补偿装置【9 】，它具有价格便 宜，安装和维护较为简便的优点。但是因为电容器组所能提供的电容值固定， 4 补一 历 一懈一 一一撒 止催一 一换卒 静 一 一自 武汉理工大学硕士学位论文 不能对系统无功功率进行无级补偿；同时由于电容器存在负电压效应，带来系 统电压更大的下降；与此同时，当电力系统含有谐波分量时，并联电容器可能 发生并联谐振，从而放大谐波电流，这些缺点使并联电容器已不能适应电力系 统发展的需要【1 0 1 。 同步调相机是最早采用的无功功率补偿设备。同步调相机从实质上来讲是不 带负载的同步电机。同步调相机是旋转设备，存在自身损耗较多、运行噪声大、 运行维护过程较为复杂的缺点，正是由于这些缺点的存在，在大量使用并联电 容器后，同步调相机的使用量逐渐减少。近年来，研究人员再次把视线投入到 同步调相机上，经过进一步的结构以及控制方面的调整，同步调相机被应用于 以高压直流输电系统为代表的特殊电力系统中。这是由于在系统发生故障引起 电压降低时，同步调相机可以提供电压支持，可在短时间进行强行励磁，同时 可以给受电侧提供短路电流和电压支撑，提供电力系统的稳定性【l l 】 随着研究的发展，出现了静止无功补偿技术，静止无功补偿技术是指用静止 开关投切电容器或电抗器，通过吸收或发出无功电流提高电力系统的功率因数， 稳定系统电压【1 2 1 。 饱和电抗器( s r ) 是最早出现的静止无功补偿装置。s r 分为自饱和电抗器 和可控饱和型两种。自饱和电抗器利用电抗器铁心的饱和特性，使无功功率随 着端电压的升降而发生相应变化，自饱和电抗器的动态响应速度很快( 不存在 谐波修正电路时，相应时间不超过l m s ) ，这种补偿装置缺点是需要硅钢片处于 饱和状态，存在较多的铁心损耗，运行过程中伴有振动和噪声；可控饱和型电 抗器可以改变控制线圈的电流大小，铁心的饱和度达到可控的目的，从而改变 电抗器的电抗，进一步改变无功电流的大小，使之能够更好的适应母线电压较 大的变化，但是振动和噪声仍很大【1 3 1 。单相饱和电抗器的拓扑结构如图1 3 所示， 其中c l 为斜坡修正电容，c 2 和电阻一起组成阻尼滤波器和保护电容。 u 图1 3 单相饱和电抗器拓扑结构图 二十世纪七十年代以来，s c r ( 晶闸管) 等电力电子器件的研究飞速发展， 5 武汉理工大学硕七学位论文 越来越多的研究机构针对使用s c r 的静止无功补偿器进行研制，各大电气公司 都研制出具有自主品牌特点的s v c 装置，并投入市场。使之成为静止无功补偿 装置的主流产品，所以使用s c r 的静止无功补偿器往往用s v c ( 静止无功补偿 器) 来特指。国的科研单位也积极投入针对s v c 的研究中，西安电力机械制造 公司以及电力科学研究院等众多企业单位时至今日均可以自行研制大型s v c 装 置，其产品已经在多个工程中得到检验，并在国际市场中占有一定份额。 目前经常使用的s v c 装置包括t c r ( t h y r i s t o rc o n t r o lr e a c t o r 晶闸管 控制电抗器) 、t s c ( t h y r i s t o rs w i t c hc 印a c i t o l 晶闸管投切电容器) 或者将 t c r 与t s c 混合使用。 ( 1 ) t c r ( 晶闸管控制电抗器) ：单相t c r 电路拓扑结构图如图l - 4 所示 a c c r1 图1 4t c r 单相电路拓扑结构图 简单来说t c r 的基本结构是两个s c r 反并联，然后和电抗器l 串联在一起。 通过控制器可以连续地对晶闸管的触发角进行调节，调节范围在9 0 0 n1 8 0 0 之 间，当s c r 触发角增大时，晶闸管控制电抗器的等效导纳也随之增大，使得补 偿电路中的基波分量减小，由此可见调整晶闸管触发角的大小，可以使晶闸管 控制电抗器吸收的无功分量发生相应变化，从而实现无功功率补偿。 ( 2 ) t s c ( 晶闸管投切电容器) ：单相t s c 的电路拓扑结构图如图1 5 所示。 a c c r1 图1 5t s c 单相电路拓扑结构图 6 武汉理丁大学硕士学位论文 图1 5 中两个反并联的s c r 的作用是控制电容器c 投入电力系统或者从电 力系统中切出，而串联的电感感抗值很小，它是用来削弱电容器投切过程中可 能产生的较大的冲击电流。在实际应用中，常将电容器分组，每组都由s c r 控 制其投切。t s c 的关键技术是选取合适的投切时刻，这一时刻选取的原则是t s c 投入时刻的电源电压必须与电容器预先充电得到的电压相等，这是由于如果电 容上的电压有阶跃变化，将产生冲击电流，可能破坏晶闸管或给电源带来高频 振荡等不利影响【1 4 】。 随着电力半导体器件的进一步深入研究发展，电力电子器件的功率以及耐 压水平有了显著提高，并出现了诸如i g b t 、g t o 等全控型器件，这些全控型电 力电子器件被应用于无功补偿技术。而电力电子中出现的新技术，如p m w 技术 ( 脉宽调制技术) 、整流技术、相控技术等，也进一步促进了无功补偿技术的更 新换代【1 5 1 。这就是静止无功发生器( s v g s t a t i cv a t g e n e r a t o r ) ，s v g 分为采用 自换相电压型桥式电路和采用自换相电流型桥式电路两种，迄今投入使用的 s v g 大都采用电压型桥式电路【1 6 】，自换相电压型桥式电路s v g 如图1 - 6 所示。 l i 弋 乙奉j 乙奉j 乙 1 f l - ，、，_ - 、- 一 j ，、， 乙幸； i 气 乙卡j 【 2 7 c 图1 - 6 自换相电压型桥式电路s v g 基本结构图 s v g 的基本原理是自换相桥式电路与电抗串联后并入电网，或者不经过电 抗直接和电网并联，通过控制方案适当改变桥式电路交流输出电压的相位角度 和幅值大小，或者直接控制桥式电路交流侧电流，就可使无功补偿电路整体吸 收或发出无功电流，从而实现对无功功率的动态补偿【1 7 】。各种无功补偿装置的 主要特征如表1 1 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1 各种无功补偿装置的主要特征 设备名称使用特征 固定电容器一次性投切；不产生谐波；操作有涌流 ( f c ) 与t c r 配合使用 和过电压；不可控；使用简单 无需复杂的控制系统；维护较简单；反 自饱和电抗器囡制造复杂且价格较高而得不应时间较短；可分相补偿；运行可靠； ( s r ) 到广泛使用噪声大：三相不平衡时产生较多谐波电 流 广泛用于负载无功功率补偿和 机械开关投切电压稳定，适合于电压变动不分组投切；不产生谐波；操作有涌流和 电容器( m s c )频繁的场合。可与s v c 配合使过电压；不可频繁操作；使用简单 用 可对频繁变化的负荷作无功功 分组投切：快速反应，反应时间小于 晶闸管投切电率补偿。适合高压系统。可作 0 0 2 s ；操作有涌流和过电压；可频繁操 容器( t s c )电压支撑，可配合其他s v c 设 作：完全自动；价格较高；不产生谐波 备提供无功功率补偿 补偿控制的中心环节。将f c 与t s c 过补偿的无功功率抵消 到最合适的位置，是电力系统连续调节无功功率；快速反应，反应时 晶闸管控制电电压调节和扩大稳定到极限的间约1 0 - 2 0 m s ；产生谐波；可频繁动作； 抗器( t c r )方法，可抑制闪变、电压波动。完全自动；能分相调节；能平衡有功功 实际中应用最广，在控制电弧率；价格高；运行可靠 炉负荷产生的闪变时，几乎都 采用这种补偿方式。 可在直流侧使用小容量的电容、电抗， 自换相静止无动态无功补偿装置的发展方 节约成本；简化结构，便于安装；相应 功发生器向，国内外关于其研究方兴未时间更短；损耗小；产生的谐波最小； ( s v g )艾 对i g b t 等元器件要求高；控制系统复 杂，不成熟 1 3 论文主要研究内容 自开题以来，阅读了大量的无功补偿装置以及无功补偿智能控制设备的相 关资料，通过分析归纳，了解了国内外研究现状以及发展趋势，对无功补偿智 能控制器在硬件和软件上有了进一步的认识，并以此为基础展开本论文的设计 研究。 对比分析现今使用的无功补偿装置，特别是近几年占据主导地位的静止无 功补偿装置s v c ，认识到各种s v c 装置都存在自身的缺点，主要表现在损耗、 谐波、控制难易程度以及可靠性等方面。在本实验室相关项目的研究基础上， 8 武汉理工大学硕士学位论文 本文将可变电抗器应用于无功补偿中，通过可变电抗器实现高压侧与低压侧的 隔离，降低了对控制器件电压等级的要求，使控制策略更易实现。 第2 章中详尽地分析基于可变电抗的无功补偿装置的系统结构及其工作原 理。通过分析拓扑结构及公式推导，论证无功补偿系统的可行性。然后以此为 基础，对控制方案进行选择，在确定合适的控制方案后，确定智能控制器的整 体结构。 第3 章重点进行智能控制器的硬件结构的设计。首先根据控制方案选择控 制器的核心芯片，并完成输入输出通道、s c r 触发电路以及相关保护和辅助电 路的硬件设计。 第4 章在硬件这一物理基础上，重点讲述智能控制器的软件设计。主要包 括核心芯片p l c 与f p g a 的相关程序的设计，并通过仿真验证软件设计的合理 性。 第5 章对系统进行建模仿真。以m a t l a b 仿真软件为平台，首先完成各个 模块的建模，然后根据前文论述的系统结构图构建系统模型，并进行仿真分析， 通过改变晶闸管触发角，观察仿真波形图，从而验证系统设计的正确性。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章静止无功补偿智能控制器总体方案设计 2 1 静止无功补偿器的结构与原理 2 1 1 静止无功补偿器系统结构 目前电力系统中广泛采用静止无功补偿器s v c 作为无功补偿装置，s v c 装 置的典型代表为晶闸管控制电抗器( t c r 1 n b 州s t o rc o n t r o lr e a c t o r ) 和晶闸管 投切电容器( t s 咖州s t o r s w i t c h e dc a p a c i t o r ) 这两种类型，以及晶闸管控制 电抗器和晶闸管投切电容器的混合装置( t c r 卜t s c ) ，或者t c r 与固定电容器 ( f c f i x e dc a p a c i t o r ) 的混合装置( t c r + f c ) 等【1 8 】。 本文中的静止无功补偿器与传统型静止无功补偿器的不同之处在于：通过 研究传统型静止无功补偿器，在结构上进行创新，将晶闸管( s c r ) 串联电抗器， 组成可变电抗器。可变电抗器引入二次线圈，将一次线圈与阻感负载并联，二 次线圈连接电力电子功率变换器，当改变二次线圈阻抗值，一次线圈的阻抗值 也发生相应改变。可变电抗式静止无功补偿器系统结构图如图2 1 所示。 高压母线 中低压 ：= ： 图2 - 1 可变电抗式静止无功补偿器系统结构图 由图2 1 可知，电力电子功率变换器和电抗器组成了可变电抗器，而可变电 l o 武汉理t 大学硕士学位论文 抗器在智能控制器的控制下与固定电容器并联，组成可变电抗式静止无功补偿 器。 可变电抗器由可变电抗变换器和电力电子变换器构成，这是对传统电抗器 进行的一次结构性创别1 9 1 。可变电抗变换器是双边绕组结构，即分为一次侧绕 组和二次侧绕组( 或称为原边线圈和副边线圈) 两个绕组，一次侧绕组作为高 压侧，可以连接高压用电设备，电力电子变换器与二次侧绕组相连，智能控制 器控制电力电子器件的导通，这样的结构通过电抗器绕组的耦合作用形成低压 部分与高压电路之间的隔离，大大降低了对控制侧器件特别是电力电子元件电 压等级的要求，使控制过程更容易实现，成本更低。一次侧绕组两端存在电压 差，流过电流时，电抗器铁芯中产生主磁通，根据法拉第电磁感应定律可知， 一次侧绕组磁通量发生变化时，二次侧绕组中会产生感应电动势。若是改变二 次侧绕组中的电流值，使之产生与主磁通相反的磁通量，会导致电抗器铁芯的 磁阻大小改变，并由此使电抗器的电抗值得以改变【2 0 1 。 当电力电子功率变换器受控导通时，二次侧绕组上的电流最大，相应的一 次线圈上的电流也最大，此时可变电抗器的等效阻抗最小；当功率变换器完全 关断时，一次侧和二次侧绕组的电流均处于最小值，此时可变电抗器的等效阻 抗值最大；由此，在智能控制器的控制下，改变功率变换器，特别是电力电子 器件的导通条件，就可以平滑地控制可变电抗器的阻抗值的大小【2 l 】 当输入电压不变时，通过智能控制器控制电力电子元件的导通角或占空比， 来改变功率变换器中电力电子元件通断状态，使得可变电抗器二次侧绕组电流 值发生改变，从而改变一次侧绕组的电流值，相应的改变了可变电抗器等效阻 抗值，并联电容器后不但可以吸收而且可以发出无功功率，对负载进行无功功 率的实时补偿。 固定电容器与可变电抗器相配合，补偿感性负载所需的容性无功功率，同 时起到滤波作用，抑制电路中的三次、五次等高次谐波，从而实现该装置平滑 地对无功功率进行动态调节。 2 1 2 静止无功补偿器工作原理 本文中，使用一对反并联的晶闸管( s c r ) 作为功率变换器的主要元件，所 以首先论述晶闸管触发角的定义。晶闸管具有单向导通性，从s c r 阳极承受正 向电压开始，到在晶闸管控制极上施加触发脉冲为止的电角度称为晶闸管触发 武汉理工大学硕士学位论文 延迟角，简称触发角或晶闸管控制角( 记为口) ，将晶闸管导通角记为秒，对晶 闸管而言口+ 口= 万。 在研究过程中，将图2 1 中可变电抗器独立出来进行分析，建立可变电抗器 的等效模型，在一个周期内，s c r 功率变换器在关断与导通之间变化，此时， 一次侧绕组线圈相当于一个阻抗值可变的电抗器 2 2 】，单相电路原理图如图2 2 所示。 回z 图2 - 2 单相可变电抗器原理图 由于笼= 瓦n l ，乏咯可得： 盟 半= 蓦= c 砻2 i t 生t 、n t 。j 1 、 i 2 ( 2 1 ) 分析电路可知： 字= i z i i j i 堕：i z l 厶 ( 2 2 ) 从而得到： 阱百u i t = ( 斜z i 卅| z 1 ( 2 3 ) 图2 - 2 所示的单相可变电抗器原理图可等效为图2 - 3 所示的可变电抗器等效 电路图。 图2 - 3 可变电抗器等效电路图 1 2 由图2 - 3 可知，u 叫t 蟛+ j ，变换可得u 2 与i z + 互i 扣南 q - 4 ) 分析式( 2 3 ) 与式( 2 4 ) ，当u l 及z 固定不变时，z 值变化即可改变等 效阻抗z l 大小，从而改变i l 大小，进而改变u 2 。设s c r 功率变换器控制角为 q ，由图2 - 3 可知，s c r 功率变换器的端电压u 2 为： “：= 皿s i n c o t ( 2 5 ) 因为二次侧线圈电流正负半轴波形对称，所以二次侧电流之仅含交流分量和 奇次谐波，故对f 2 进行傅里叶变换可得： 一i 2 ( c o t ) = 妻( qc o s n 刎+ 吃s i n 拧国f ) ( 2 6 ) 口l = 昙j c r f 沏) c o s o ) t d ( o t ) ：要阻s i n 研恻删缸) ( 2 7 ) 2 ；l ，百1 7 8 1 n 加湖俐似j ( 2 - 7 ) = 筠沪1 ) a = 要d 沏) s i n 删妇) ：翕【s i n 2 a + 2 如) 】 q 。8 铲箭卜机! c o s 2 a + 2 l 协9 ， 呜2 菥| - i 咖钇一剥 心。9 ) 岛= 籍1 s i n 4 a - 扣刁 协 分析以上各式，可得吼、钆递推公式， 铲籍 南面啦_ _ 击嘲却一1 】 协 饥2 蔫 击s i n b 一击s m 翻 协 分析吃可知，口。吃均为递减数列，且口。、6 l 远远大于其后各项，故可以 将忽略q ，呜，口，o o 以及6 3 ，包各项忽略，那么二次侧电流如可化简为： ( 缈f ) = 口1c o s ( o t + 6 1s i n c o t ( 2 1 3 ) 1 3 武汉理t 大学硕士学位论文 根据以上公式，二次侧绕组电流的有效值为之= 去口i ! + 砰 v z 之= 南瓜瓦而五而而 蛳巫x s i n 2 tz正+(n-一a)sin2a+(n-a)2 i z i | = 鲁= 面蒸等b ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 由上式可知，当晶闸管功率变换器的控制角改变时，晶闸管功率变换器的 等效阻抗也改变，晶闸管功率变换器相当于是一个可变阻抗z ，可变电抗器电 抗模值与s c r 控制角q 的关系曲线如图2 4 所示。 i z l i 10 0 ， i - ! 4 0 引 ! 2 0 | 1 0 lili。 1 3z36 图2 _ 4 可变电抗器电抗模值与s c r 控制角q 的关系曲线 在静止无功补偿器中，基于s c r 的补偿装置存在静止无功补偿器完全导通、 补偿器导通工作以及完全关断三种工作状态。针对这三种工作状态的等效电路 如图2 5 所示。图2 5 ( b ) 为无功补偿器完全导通时拓扑结构图，s c r 控制角 q = 9 0 0 ，此时无功补偿器总阻抗最小，二次侧绕组中电流达到最大，由法拉第电 磁感应原理可知，一次侧绕组中电流也达到最大值，与一次侧并联的负载两端 具有最大的电压，无功补偿器吸收的感性无功功率接近于最大；图2 5 ( c ) 显 示无功补偿器完全关断时的电路结构，s c r 控制角q = 1 8 0 0 ，此时无功补偿器二 次侧相当于开路，总阻抗最大，故一次侧线圈中电流为0 ，无功补偿器吸收的感 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 性无功接近于最小；当s c r 控制角q 在9 0 。与1 8 0 0 之间时，如图2 5 ( d ) ，无功 补