（电力系统及其自动化专业论文）静止无功补偿系统动态特性与控制策略的仿真研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文静止无功补偿系统动态特性与控制策 略的仿真研究，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：坌姻 日期：边。i ：! 查 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。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：三粗导师签名：盈 日 期：本；! ! 日 期：q 2 ：主：! 墨 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景l i 】- 【1 8 1 第一章引言 在电力系统中，供电的质量、电网运行的安全可靠性和经济性是最根本的问题。 快速合理地调节电网无功功率，对交流电网的电压稳定和系统电压的调节，合理分 配潮流及限制电网过电压方面有着十分重要的意义。随着电力工业的高速发展，超 高压、特高压电网相继投入运行，人们对供电质量及可靠性的要求越来越高。由此 产生了一系列问题：超高压大电网的形成及负荷变化加剧，要求大量快速响应的可 调无功电源来补偿系统所缺无功，进而调整电压，维持系统无功潮流平衡，减少损 耗，提高供电可靠性 l 2 1 。 电力系统中，异步电动机和变压器等设备要消耗大量的无功功率。这些无功功 率如果不能及时地得到补偿，会对电网安全、稳定运行产生不利影响：( 1 ) 降低发 电机有功功率的输出。( 2 ) 降低输、变电设备的供电能力。( 3 ) 造成线路电压损失增 大和电能损耗的增加。( 4 ) 造成低功率因数运行，使电气设备容量得不到充分发挥。 另外，无功储备的不足会导致电网电压水平的降低。如果是冲击性的无功功率的负 载，还会使电压产生剧烈的波动，例如电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无 功功率冲击，使电网的供电质量更加恶化。当前，人们对电能质量的要求越来越高， 保持适量的无功裕度是电网安全、稳定、经济运行的重要保障。鉴于以上所述种种 危害，如何快速有效地补偿电力系统中的无功缺额，具有重要的现实意义。 从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电 网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这 样用电设备才能在额定电压下工作。从电力系统的诞生开始，并联补偿技术就开始 在电力系统中应用，传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等， 由于并联电容器阻抗固定，不能动态地跟踪负荷无功功率的变化；而调相机和同步 发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大。所以这些设备已经越来 越不适应电力系统发展的需要【5 】。 s v c 是目前电力系统中应用最多、最为成熟的并联补偿设备，i e e e 将静止型 无功补偿器( s v c ) 定义为一种并联型的静止无功发生器或者吸收器，其输出可以调 节以交换容性或者感性电流，从而维持或者控制电力系统中的某些特定参数( 一般 为母线电压) 6 1 。现今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设 备，主要有以下三大类型：自饱和电抗器( s r ) ，晶闸管投切电容器( t s c ) ，晶闸管 控制电抗器( t c r ) 1 7 j 。 由于s r 型静止无功补偿装鼍不能附加其他控制信号，因此控制灵活性较差， 华北电力大学硕士学位论文 运行噪声大，为降低噪声对环境的影响，有时要专门为饱和电抗器建造一个隔音室。 不能分相调节，不能直接与超高压连接，由于自饱和电抗器在额定电压时铁芯需要 工作于饱和状态，磁通密度较高，铁芯截面积比普通变压器要小，所以单位容量损 耗大，且散热较难，制作要求高。自然相对来说价格较高。 晶闸管投切电容器( t s c ) 是用晶闸管代替普通开关对多组电容器进行投切， 补偿方式为分级补偿，优点是效率高( 9 9 5 9 9 7 ) ，不产生谐波，多用于低压 配电系统。缺点是不能连续调节，同时因为电容应在系统电压与电容残压相等时才 能投入，所以响应速度较慢。 晶闸管控制电抗器+ 固定电容器( t c r + f c ) 是目前最理想的s v c 补偿方式。 单独的t c r 由于只能提供感性的无功功率，因此往往与并联电容器配合使用。并 联上电容器后，使得总的无功功率为t c r 与并联电容器无功功率抵消后的净无功 功率，因而可以将补偿器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围内。另外， 并联电容器串上小的调谐电抗器还可兼作滤波器，以吸收t c r 产生的谐波电流。 通过控制与电抗器串联的反并联晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电 流，又可以向系统输送容性无功电流。由于该补偿器响应时问快( 小于半个周波) ， 灵活性大，而且可以连续调节无功输出，所以目前在我国的输电系统和工业企业中 应用最为广泛。又由于其具有连续调节的性能且响应迅速，使得它在校正动态无功 负荷的功率因数、改善电压调整、提高电力系统的静态和动态稳定性、阻尼功率振 荡、降低过电压、阻尼次同步振荡、减少电压和电流的不平衡方面都有较好的作用， 而且维护简单、成本较低。 虽然近几年基于变流器的s t a t c o m 比起s v c 具有更好的动态补偿性能，但 从经济性、装置容量、技术现状、可靠性和发展趋势等各方面综合考虑，在未来相 当长的一段时间内，s v c 仍将是大量采用的动态无功补偿技术。 所以，s v c 的理论研究及工程设计仿真将是本文的重点。由于电力系统非线性 的特点以及对系统安全运行要求的不断提高，常规的s v c 控制方法已经无法满足 现代电力系统发展的需要，而新一代的s v c 控制系统的研究才刚刚起步，对一个 已经存在的庞大的电力系统，s v c 面向不同的补偿对象控制策略也是不一样的。为 了充分发掘t c r 型s v c 的潜在能力，有必要对其控制方式进行深入的分析，本文 将对t c r 型控制策略进行分析，找出适合的控制方法，并在m a t l a b 上进行电力 系统建模仿真，分析其结果。 1 2 国内外研究现状和研究意义1 1 ) 1 9 】1 1 0 】【1 1 j 【1 7 1 目前广泛应用于国内外输配电系统的s v c 在无功补偿、改善电压不平衡度、 抑制电压闪变等多方面性能优良，性价比和技术开发难度适合我国国情，是国内应 2 华北电力大学硕士学位论文 用此类装置的理想选择。 目前世界上几个著名的电气生产商( 如瑞士a b b 公司、德国西门子公司、法 国阿尔斯通公司、美国通用电气公司以及日本东芝、三菱等公司) 在s v c 装置的 研制方面都具有较为成熟的技术和经验。国内的理论研究及探讨的文章不少，但国 产化产品的开发、生产缺少实质性的工作。原机械部于1 9 8 5 年从瑞士b b c 公司引 进s v c 制造技术，水冷却、光电触发。但控制器仍采用模拟技术，未能得到广泛 推广。鞍山荣信公司于9 0 年代引进乌克兰t c r 型s v c 技术，采用热管散热、电 磁触发，控制器采用单片机等一系列技术，由于总体技术落后，但其价格较低、机 制灵活，在国内钢铁行业推出得到了较广泛的应用。1 9 9 9 年中国电科院在原国家电 力公司的资助下开始了“静止无功补偿器实用化技术的研究”，并在2 0 0 2 年推出了 t c r 平台，采用了全数字化控制、封闭式纯水冷却、综合自动化、光电触发等技术， 并将其成功运用于电弧炉的治理工程。但就输电网而言，对于高压大容量的s v c 国内尚不具备制造能力，特别是关键技术的系统集成能力。目前国内一些产家也推 出了自己的t c r 型s v c 产品，但大多仍以低压产品为主，主要的生产产家有鞍山 荣信公司、北京金白天正公司、中国电力科学研究院、保定三伊公司、西安电力电 子研究所、深圳波宏公司等l 1 0 1 。 但总体来看，国内对无功和电压进行实时、动态补偿和自动调节的技术还相对 落后，国内对高压t c r 装置研制和生产还处于起步阶段。 s v c 在实际工程实践中主要有以下应用 9 l 1 1 1 ： ( 1 ) 输电线路：在高压输电系统中s v c 具有改善电压控制、提高稳定性、增加 输电能力、阻尼系统振荡、降低工频过电压等功能。 电网负荷中心枢纽点电压关系至系统电压的稳定性和广大用户的电压质量， 采用s v c 技术能有效解决电压控制问题，早己被国内外大量工程实践所证实，但 国产s v c ( t c r 型) 在我国电网中的成功应用仅开始于2 0 0 4 年。 在远距离输电系统的末端和中间站设置s v c 装置，只要容量和技术性能( u p 响应速度与灵敏度等) 合适，一般可在该处建立电压支撑点。这些电压支撑点可把 全线分成若干段，每段各自按照近于9 0 。的传输功率角输电。加拿大魁北克水电局 为将该省拉格兰德河和拉剖第河上的1 6 0 0 0 m w 水电送至负荷中心蒙特利尔，原方 案需架设1 0 回7 3 5 k v 输电线，现方案只有6 回7 3 5 k v 输电线，另外在4 个变电站 分别安装8 组3 0 0 m v a r 总计2 4 0 0 m v a r 的s v c 装置，取得了很好的经济效益，而且 稳定性也很好。 电力输送的能力会受系统阻尼不足的限制，改进阻尼的方法可以采取在发电 机的励磁系统中装设对阻尼有适当控制的s v c 。s v c 可以装设在电力系统的任何 地点，这就是说可选择最有利的安装地点，能做到瞬时控制无功功率，控制程度能 选择，既能提高暂态稳定性，又能加强阻尼，s v c 可以同时兼作不同的用途，只要 3 华北电力大学硕士学位论文 选择不同的优先次序及不同的控制方式即可实现，不论电网经受何种干扰，也不论 振荡频率是多少，均可获得对电网的最佳效果。 高压自流输电是一种与交流输电相辅相成的先进输电方式。自流输电系统有 时需要采用s v c 来解决以下问题：补偿无功。整流站及逆变站各需4 0 - - 6 0 的补 偿无功，这些无功应通过交流滤波器、并联电容器、并联电抗器、同步补偿机及s v c 等按具体情况进行配合来满足，吸收谐波，调整电压，抑制过电压，降低绝缘要求。 ( 2 ) 电弧炉作为非线性及无规律负荷接入电网，将会对电网产生一系列不良影 响，其中主要问题是：导致电网三相严重不平衡，产生负序电流，产生高次谐波， 其中普遍存在如2 ，4 偶次谐波与3 ，5 ，7 次等奇次谐波共存的状况，使电压畸变 更为复杂化，存在严重的电压闪变，功率因数低。 s v c 具有快速的动态响应速度的特点，它可向电弧炉快速提供无功电流并且稳 定母线电网电压，最大限度地降低闪变的影响，s v c 具有的分相补偿功能可以消除 电弧炉造成的三相不平衡，滤波装置可以消除有害的高次谐波并通过向系统提供容 性无功来提高功率因数。 ( 3 ) 轧机及其他大型电机对称负载引起电网电压降及电压波动，严重时使电气 设备不能正常工作，降低了生产效率，使功率因数降低；负载在传动装置中会产生有 害的高次谐波，主要是以5 ，7 ，l l ，1 3 次为代表的奇次谐波及旁频，会使电网电 压产生严重畸变。安装s v c 系统可解决上述问题，保持母线电压平稳。 ( 4 ) 城市二级变电站( 6 6 k v - i i o k v ) ：在区域电网中，一般采用分级投切电容器 组的方式来补偿系统无功，改善功率因数，这种方式只能向系统提供容性无功，并 且不能随负载变化而实现快速精确调节，在保证母线功率因数的同时，容易造成向 系统倒送无功，抬高母线电压，危害用电设备及系统稳定性。 t c r 结合固定电容器组f c ( f i x e dc a p a c i t o r ) 或者t c r + t s c 可以快速精确的进行 容性及感性无功补偿，稳定母线电压、提高功率因数。并且，在改造旧的补偿系统 时，在原有的固定电容器组的基础上，只需增加晶闸管相控电抗器( t c r ) 部分即可， 用最少的投资取得最佳的效果，成为改善区域电网供电质量的最有效方法。 ( 5 ) 电力机车供电：电力机车运输方式在保护环境的同时也对电网造成了严重 的“污染”，因电力机车为单相供电，这种单相负荷就造成了供电网的严重三相不 平衡及低的功率因数，目前世界各国解决这一问题的唯一途径就是在铁路沿线适当 位置安装s v c 系统，通过s v c 的分相快速补偿功能来平衡三相电网，并通过滤波 装置来提高功率因数。 显然，s v c 技术对解决上述问题具有相当重要意义。当然，具体的最佳解决方 案应通过深入细致分析，作技术经济比较后才能得到。随着s v c 技术国产化的成 功，s v c 在国内电网中的应用有广阔前景。因此，s v c 具有较高的研究价值和较 好的市场应用前景。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 3 论文工作介绍 由于一系列的社会、环境和经济的困难，在限制了新的发电厂和输电线建设的 情况下，如何利用现有的设备改善系统的性能是一个重要的研究课题。本文将模糊 滑模控制应用于静止无功功率补偿器，并发掘它的潜在功能，增强系统的稳定。s v c 具有的成熟的技术和优越的性能，有着广阔的应用背景。因此对s v c 的控制原理 和工程背景下的可行性进行深入的分析是有现实意义的。这正是本文的出发点，论 文的研究工作将具体在以下几个方面展开： 1 、研究了s v c 的工作原理和无功功率补偿方法，着重对t c r 型s v c 的 动态特性和控制原理进行了深入的研究，根据实际需要，提出了以改 善电压波动为目的控制策略。 2 、 通过研究s v c 电压控制原理，对各种控制策略的比较，确定适合的控 制策略，将模糊滑模变结构控制引入到静止无功补偿器控制中。 3 、 建立了装设有s v c 的系统模型，为了方便控制器的设计，对该数学模 型线性化，并在所得数学模型模型基础上设计以改善系统电压稳定为 目标的模糊滑模控制器。 4 、通过m a t l a b 自带的s i m u l i n k 仿真环境，结合建立的系统模型， 针对系统中出现的三相短路故障和存在持续外扰时电压和功角的动态 特性进行了仿真分析，以期对现场实验和今后进一步的研究提供指导 性意见。 5 、 对全文的工作进行总结，并对今后的工作进行了展望，提出需要进一步改 进和完善之处。 “ 华北电力大学硕士学位论文 2 1 概述【4 】川【1 8 】 第二章静止无功补偿器的基本原理 静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r - s v c ) ，全称为静止型动态无功补偿 装置，它是一种可以控制无功功率的补偿装置。通常是由并联电容器组( 或滤波器) 和一个可调节电感量的电感元件组成。s v c 与一般的并联电容器补偿装置的区别是 能够跟踪电网或负荷的无功波动，进行无功的适时补偿，从而维持电压的稳定。 静止无功补偿器属于有源补偿器，所谓静止是指没有运动部件，这和同步调相 机不一样。它们被用作波阻抗补偿，并被用作长距离、高压输电系统的分段补偿。 另外它们在负荷补偿方面有很多的用途 4 1 。从实用的观点出发，s v c 装置主要用于 对冲击性负荷用户的就地补偿和用于对电力系统的无功补偿： 1 用于冲击性负荷用户的无功补偿，如用于轧钢机、矿山绞车、电弧冶炼炉、 电焊机、电气机车、高能加速器、频繁启动的电动机等。其作用是： 幻补偿负载在动态过程中所需的无功； b 1 调整电压，减少电压波动和电压闪变； c 1 改善功率因数： d 1 滤除大部分高次谐波，改善电压波形； e ) 在不平衡负载处起平衡化作用； f ) 提高冲击负载设备及其邻近电气设备的运行安全性。 2 用于电力系统，其作用是： 幻在枢纽变电所或终端变电所灵活的补偿无功功率，提供随机性调相功能； b ) 按指定要求调整系统电压； c ) 提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性， d 1 提高输电线路的输送功率。 曲提供阻尼力矩以抑制电力系统的功率振荡； n 抑制电力系统的次同步谐振； g ) 吸收电力系统中突然涌现的过剩无功，抑制暂时过电压； h ) 减少系统中的负序电流分量，对连接点的三相电压起平衡作用； i ) 对直流输电系统的换流站，提供换相无功和实施电压控制。 2 2 s v c 的定义及分类7 】 1 l 】【1 9 】 静止无功补偿器是目前世界电力系统应用最多、最为成熟的并联补偿设备之 一，它也是一类较早得到应用的f a c t s 装置。i e e e 将静止无功补偿器( s t a t i ev a r 6 华北电力大学硕士学位论文 c o m p e n s a t o r , s v c ) 定义为一种并联型的静止无功发生器或吸收器，其输出可以调节 以交换容性或者感性电流，从而维持或者控制电力系统中的某些特定参数( 一般为 母线电压) 。 静止无功补偿器最重要的性质是它能维持其端电压实际上不发生变化，为此， 它要连续调节与电力系统交换的无功功率，这种恒电压特性也是动态并联补偿或分 段补偿中最基本的要求，为了减少电压的变化引起的闪烁和其他电压的波动，这个 特性也是同样重要的。第二个重要性质是相应速度。补偿器的无功功率，应该对端 电压的微小变化迅速做出响应。 常见的s v c 有四种形式：s r ( 自饱和型电抗器型) 、t c r ( 晶闸管控制电抗器 、 t c t ( 晶闸管控制高漏抗变压器) 、t s c ( 晶闸管投切电容器) 。国际大电网会议将 s v c 分为：机械投切电容器型( m s c ) 、机械投切电抗器型( m s r ) 、自饱和电抗 器型( s r ) 、晶闸管控制电抗器型( t c r ) 、晶闸管投切电容器型( t s c ) 、晶闸管 投切电抗器型( t s r ) 、自换相或电网换相器型( s c c l c c ) 7 种。 下面对以上几种主要的s v c 型式做一个简要的比较： ( 1 ) 自饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) 饱和电抗( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) 可分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两 种。自饱和电抗器是在电力系统中较早得到发展和应用的一种并联补偿设备，它不 需要调节器而依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压。它一般由一个多相的谐波补 偿自饱和电抗器与个可投切电容器并联组成，电抗器对无功功率实施控制，而电 容器提供超前功率因数的偏置。可控饱和电抗器通过调节晶闸管的导通角以改变饱 和电抗器控制绕组中电流的大小来控制电抗器铁心的工作点磁通密度，进而改变绕 组的电感值，及相应的补偿的无功功率。和自饱和电抗器相比，它能够更好地适应 母线电压变化较大的情况，但仍具有振动和噪声大的缺点。 s r 型s v c 的主要优点有： 工作可靠、维护简单由于主要部件电力变压器、电抗器和电容器都是标准化 的产品，可靠性高，并且不需要特殊的维护。 可以进行连续快速的感性容性调节 固有的快速响应尤其适合对闪变负荷的补偿，同时还具有抑制不对称负荷的能 力。 在感性工作范围内有较大的过载能力 例如，在持续5 m i n 以内，可以过载到1 5 p u ，或在数秒内过载到3 p u 。特殊设 计时，过载能力甚至可以达到4 5 p u ( i s ) ，如根据需要可以更长一些。这一固有 的过负荷能力特别适合于用来控制瞬时过电压。 自生谐波含量低 由于采用了曲折接线和网格调谐电抗器这两种内部谐波抑制技术，所产生的谐 7 华北电力大学硕士学位论文 波相当低，在大多数应用中不需要另外设置滤波器。这两种谐波抑制技术同时还具 有改善补偿器输出特性和平直度的作用。 s r 型s v c 的主要缺点： 控制灵活性较差 由于它不能附加其他控制信号，因此控制灵活性较差，从而也就限制了它的应 用范围。 运行噪声大。 在电抗器附近噪声水平可能很高( 约为1 0 0 r i b ) ，这是由于高频磁致伸缩力造成 的。为降低噪声对环境的影响，有时要专门为饱和电抗器建造一个隔音室。 不能分相调节。 不能直接连接与超高压。 单位容量损耗大。 由于自饱和电抗器在额定电压时铁芯需要工作于饱和状态，磁通密度较高，铁 芯截面积比普通变压器要小，所以单位容量损耗大，且散热较难，制作要求高。 价格较高 因其制造复杂且价格较高而得不到广泛应用。 s r 型s v c 的应用场合： s r 型s v c 是由基于传统技术的无源元件构成的。它们可靠、无需维护，而且 过负荷能力强。因此在重要的应用场合，这些方面显示出了它的优越性。 典型应用场合： 在交流输电系统中由于稳定电压以及降低短时过电压在高压电网中负荷的 变化引起电压的波动，特别是在空载( 或轻载) 长送电线路上，线路电容在线路的 末端会产生不允许的过电压；而在另外一些情况下，满负荷又需要对电压降进行校 正。并且在突然甩去负荷或开关操作时，需要快速的电压控制。对于这些情形，s r 型s v c 对稳定电压以及降低过电压都是非常有效的。 在工业供电网络中用于抑制急剧的无功波动造成的电压波动或闪变 消除闪变的理想装置应是恒压无功补偿器，s r 型s v c 可以说是一种接近于这 种理想运行性能的补偿设备。在负荷急剧变化的工业企业电网的运行经验表明，其 快速抑制作用可以保证最好的电压稳定。 在高压直流输电系统中用于降低由于换流装置闭锁引起的动态和短时过电 压 在直流输电系统故障( 直流闭锁、全停) 或交流系统故障后而直流输电不能迅 速起动时，换流阀不能消除无功功率，多余的无功功率将引起工频动态过电压，如 交流系统的短路容量或短路比愈小，产生的过电压愈高。过高的工频过电压将对交、 直流系统的安全运行构成严重威胁。利用s r 型s v c 动作迅速和过负荷能力强的特 8 华北电力大学硕士学位论文 点，可以有效地抑制此类工频动态过电压；此外配合并联电容器的调节，可以较好 地控制交流侧电压。 s r 型s v c 反应速度快，并且有部分平衡化功能，作为以电压稳定为目的的动 态无功功率补偿设备曾有较好的效果。 ( 2 ) 可控硅投切电容器( 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 o i e e e 将晶闸管投切电容器( 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 ) 定义为一种并联 型晶闸管投切电容器，通过控制晶闸管阀为全导通或者零导通，它的有效电抗是阶 梯型变化的。它的单相电路如图2 1 a 所示。其中的两个反并联晶闸管只是起将电容 器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时 可能造成的冲击电流的，在很多情况下，这个电感往往不画出来。因此，当电容器 投入时，t s c 的电压一电流特性就是该电容的伏安特性，即如图2 2 b 中o a 所示。 在工程实际中，一般将电容器分成几组，每组都可以由晶闸管投切。这样，可根据 电网的无功需求投切这些电容器，t s c 实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的 动态无功补偿器，其电压一电流特性按照投入电容器组数的不同可以是图2 2 b 中的 0 a 、0 b 或者0 c 。当t s c 用于三相电路时，可以是连接，也可以是y 连接，每 一项都可以设计成分组投切的。 i ab c u n o i a 1b ) 图2 i t s c 的基本原理 a ) 单相结构简图b ) 电压电流特性 电容器的分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越 好，但综合考虑到系统复杂性以及经济性问题，可以采用所谓的二进制方案，即采 用k - 1 个电容值均为c 的电容，和一个电容值为c 2 的电容，这样的分组法可使组 合成的电容值有2 k 级。 t s c 型s v c 主要优点： 快速响应性、可频繁动作性、以及分相调节，有效地抑制电压波动问题。 9 华北电力大学硕士学位论文 自身不产生谐波分量 由于电容器组是由晶闸管阀在其电压过零时投切的，电容器只是在两个极端电 流值( 零电流和额定正弦电流) 之间切换，所以不会产生谐波。 噪声小 损耗很小 控制灵活性好 用于调压，调无功，减低电压波动 快速深度无功补偿 这使得t s c 可有效地用于防止电压崩溃在系统故障和负荷电流急剧增加 时，使用t s c 装置快速补偿无功功率，对系统电压起支撑作用，可显著地抑制电压 崩溃趋势。 主要缺点： 动态响应时间较长 无功输出只能是级差的容性无功 每次只能投切一组电容器，实现级差无功补偿。 限制过电压的能力 无谐波吸收能力 由于本身没有设置滤波器组，所有没有谐波吸收能力。 不可直接接于超高压 运行维护较复杂 由于采用多组反并联晶闸管串联的形式，使得晶闸管的散热、导通的同时性、 损坏的检测、以及维护等都带来了一定的难度。 应用场合： 因其具有快速响应性、可频繁动作性、以及分相补偿能力，可应用于对大型冲 击性、快速周期波动变化、不平衡、非线性负荷( 如电气化铁路、电弧炉、轧钢机、 矿井卷扬机、风力发电站、大功率变频调速装置等) 的动态无功补偿领域，可有效 地抑制这些负荷所引起的电压波动问题，故是低压动态补偿的首选方式。对高压大 容量需要大范围调节无功或电压的情况，也是好的选择。与t c r 联用往往可以解 决更多问题。 ( 3 ) 可控硅控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r , t c r ) 晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r , t c r ) 是s v c 中最重要的组成 部件之一，尽管t c r 可以单独使用，但它更经常地与固定电容器或者晶闸管投切 电容器相结合，在选定的超前一滞后补偿范围内对无功功率实施快速、连续的控制。 关于它的结构、补偿原理、控制方法将在下文作详尽的论述。 ( 4 ) n - q 控硅控制高漏抗变压器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r , t c t ) “1 华北电力大学硕士学位论文 实际上它是t c r 型s v c 的一种变型，具有t c r 几乎所有的优点。另外他还有 自身的优点， 降低成本 那就是由于将t c r 的降压变压器设计成很大的漏抗，这样可以省去原来串联 的电抗器，降压变压器二次绕组实际上通过晶闸管短接了起来，节省了成本。 高可靠性 当二次侧发生短路故障时，高漏抗可使变压器免受短路应力的影响 过负荷能力强 由于高漏抗变压器不易饱和，线性度好，并且比单独的电抗器有更大的热容量， 因此可以吸收感性无功范围内更大的过负荷。 可以直接接于超高压 这个优点是其它三种s v c 所不具备的。但是t c t 型s v c 也带有t c r 型s v c 的缺点，同时他还具有自身的缺点，主要是动态响应时问较长，噪声大，损耗大。 另外，如果需要与并联电容器配合使用，则电容器只能接在一次侧的高压母线上， 这显然又增加了成本。由于t c t 变压器一、二次绕组损耗较大，比t c r 的效率低； 同时，运行时噪声较大。研究表明，从补偿器容量和价格等角度进行综合比较，补 偿容量在2 5 m v a r 以下选用t c t 比较经济，在2 5 m v a r 以上的补偿容量则不宜采用 t c t 而应采用t c r 。 为了有个更为直观的比较结果，将各种静止无功补偿器的比较以表格的方式给 出。 表2 1 目前常用的几种s v c 性能比较 晶闸管控制晶闸管控制晶闸管投切 型式自饱和电抗器 电抗器 漏抗变压器 电容器 英文缩写 s rt c r t c t t s c 无功输出连续、感性容连续、感性容连续、感性容分级、容性 性 性性 动态响戍时间 约1 0 m s约1 0 m s约1 0 m s约1 0 2 0 m s 分相调节不能 能能 能 限制过电压能力 很好依靠设计依靠设计 无 自生谐波量小有有无 吸收谐波能力好好 好 无 噪音大较小 稍大 很小 损耗率约0 7 l 约0 5 0 7 约0 ，7 1 约0 3 o 5 直接接入超高压不可不可可以不可 华北电力大学硕士学位论文 控制灵活性 差好好 好 运行维护简单较复杂较复杂较复杂 2 3 s v c 动态补偿原理忉 s v c 对电力系统中的无功功率进行快速的动态补偿，可以实现对动态无功负荷 的功率因数的校正、改善电压调整、提高电力系统的静态和动态稳定性、阻尼系统 振荡、降低过电压、减少电压闪烁、阻尼次同步振荡、减少电压和电流的不平衡。 应当指出的是，以上这些功能虽然是相互关联的，但实际的静止无功补偿装置往往 只是对其中某一条或者某几条为直接控制目标，其控制策略亦因此而不同。因此， 这些功能有的属于对一个或者几个在一起的负载的补偿效果( 负载补偿) ，有的则 是以整个输电系统性能的改善和传输能力的提高为目的( 输电补偿) ，而改善电压 调整，提高电压稳定度，则可以看作是两者的共同目标。在不同的应用场合，对补 偿装置容量的要求也不一样。以电弧炉、电解、轧机等大容量工业冲击负载为直接 补偿对象无功补偿装置，要求的容量较小，而以电力系统性能为直接控制目标的系 统用无功补偿装置，则要求较大的容量。 下面以改善电压调整的基本功能为例对无功功率动态补偿的原理作简单介绍。 图2 2 ( a ) 所示为系统、负载和补偿器的单相等效电路图。其中，u 为系统线电压：r 和x 分别为系统电阻和电抗。设负载变化很小，故有a u “u ，则假定r “x 时， 反映系统电压与无功功率变化的特性曲线如图2 2 ( b ) d p 实线所示，由于系统电压变 化不大，其横坐标也可以换为无功电流。可以看出，该特性曲线是向下倾斜的，即 随着系统供给的无功功率q 的增加，系统电压下降。由电力系统中的分析可知，系 统的特性曲线可近似用下式表示： n u = u o ( 1 一孝一)( 2 一1 ) 6 w 或者写为 a u 一a q ( 2 - 2 ) u o s 、。 式中乩无功功率为零时的系统电压； s 。系统短路容量。 2 华北电力大学硕士学位论文 系 q a )b ) 图2 2 无功功率动态补偿原理 ( a ) 单相电路简图c o ) 动态补偿原理 可见，无功功率的变化将引起系统电压成比例的变化，投入补偿器后，系统供 给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即 q = q + q ，( 2 - 3 ) 因此，当负荷无功功率见变化时，如果补偿器的无功功率q ，随骁反方向变化， 以使得q 保持不变，即a q = 0 ，则u 也将为零，从而供电电压保持不变。图2 2 ( b ) 示出了进行动态的无功补偿，并使系统工作点保持在 q = 巴= 常数 的示意图。当使系统工作点保持在o = 0 ，即图中的c 点时，就实现了功率因数的 完全补偿。可见补偿因数可以看作是改善电压调整的功能的特例。 2 4 晶闸管相控电抗器( t c r ) 2 4 1 t c r 基本原理 由于本文主要的研究对象是t c r 型s v c ，故下面着重介绍一下t c r 型s v c 的 工作原理及相关问题。 t c r 是s v c 中最重要的组成部件之一，t c r 型s v c 由并联电容器组( 或滤波 器组) 和可控硅控制的电抗器组成。t c r 型s v c 与一般并联电容器补偿装置不同 的是能够跟踪电网或负荷的波动无功，进行随机性实时补偿，从而维持电压稳定。 t c r 型s v c 接线图如图2 3 所示，其补偿原理图如图2 4 所示。 华北电力大学硕士学位论文 o 图2 3 t c r 的接线图 b 。蜘k 绞一绋一 t 图2 4 t c r 补偿原理图 见为负荷无功负荷曲线，幺为s v c 中电抗器吸收的无功功率曲线，随q 成 反比例变化。以为s v c 中固定电容器组( 或滤波器组) 提供的无功功率曲线。 级一q 。为s v c 输出的无功功率曲线。与q 成反比变化，即实现随机性实时补偿。 系统的无功功率g = 骁+ 级一线。由于电容器c 为固定值，所以超前的无功功率 q 。为固定值，当负载滞后而无功功率骁变化时，可以连续控制滞后无功功率级， 使得( q c g ) 变化。例如，当q 增大时，则晶闸管控制的电抗器消耗的无功功率级 减小；而q 。减小时，则q i 增大，即不管负荷的无功功率q 上如何变化，总要使得系 统提供的无功功率g = 幺+ 绕一q 。为一常数，以限制电压的闪变。 用以控制q 。的可变电抗器，是由电抗器与各相反并联连接的晶闸管组成。i e e e 将晶闸管相控电抗器( t c r ) 定义为一种并联型晶闸管控制电抗器，通过控制晶闸管 的导通时间，它的有效电抗可以连续变化。如图2 5 所示，基本的单相t c r 由反并 联的一对晶闸管阀正、l 与一个线性的空心电抗器相串联组成。反并联的一对晶闸 管就像一个双向开关，晶闸管阀z 在供电电压的正半波导通，而晶闸管阀e 在供电 电压的负半波导通。晶闸管的触发角以其两端之间电压的过零点时刻作为计算的起 点。 4 华j e 电力大学硕士学位论文 t i 图2 5 t c r 基本结构 利用晶闸管的相位控制来改变电抗器的电流大小，以达至4 连续调节电抗器的电 抗无功功率q 。图2 6 为晶闸管控制电抗器的原理和电流波形图，t h l 与t h 2 为两 个反并联的晶闸管，分别在电源电压的两个半周内导通，触发延时角在0 州2 范围 内调节。为0 时吸收的感性无功最大( 即额定功率) ，为石2 时吸收的感性无功最小 ( 即空载功率) 1 1 1 1 2 0 1 。由于电抗器几乎是纯感性负荷，因此电流滞后于电压近似， 电流基本上是感性无功电流，而触发延时角在之间一州2 0 会产生含有直流分量及 偶次谐波在内的不对称电流产生，故口 0 不用。通过控制晶闸管的触发延时角口， 可以连续调节流过电抗器的电流。电流在0 ( 晶闸管阻断) 到最大值( 晶闸管全导 通) 之间变化，相当于改变电抗器的等效电抗值。触发延时角口增大的影响是减少 电流的基波分量，相当于电抗器的电感量增加，减少了它吸收的无功功率。 保面公、 ( 口o = a )b ) ( a ) t c r 电流波形图0 , ) t c r 原理接线图 图2 6 t c r 原理接线和电流波形图 设接入点母线电压为标准的余弦信号，即，k t ) = 吃c o s ( o , t ) 。 其中，匕为电源电压的峰值，为所加电压的角频率。将晶闸管视为理想开关， 则在正半波时，电抗器支路上的电流为： 砸) = 圭f ，f v ( f ) 出= - 囊z ( s i n c o t s i n 口) ，盯s 耐万一盯 ( 2 4 ) 式中，基波电抗x ，= c o l ，l 为电抗器电抗值。当0 7 t = 石一t z 时，由于支路 电流下降到0 ，晶闸管自动关断。在负半波，当o m = 万+ 口时，晶闸管反 华北电力大学硕士学位论文 向导通，类似的司以得到文蹯上的电流为： 柳= ( s i n 耐一s i n ( 石+ 硼，石+ 口s 耐s 2 ，r 一口 ( 2 5 ) 或者写作： f ( t ) - - - - - - 争州耐一矿咖咖万+ 口耐2 石一口 ( 2 柳 通过分析可知，通过变化触发延时角口，支路上流过的电流可以连续变化，并 在口= o 时取得最大值，在a = 卅2 时，取得最小值。 对支路电流进行傅立叶分解，可以得到其基波分量的幅值为： 如= 鲁( 1 一等一警。o 口 砟 ( 2 - 7 ) 有的文献中采用导通角( p r e v a i l i n gc o n d u c t i o na n g l e ) 概念，定义导通角为 盯= 石一2 a ，则有 ，= 熹仁笋) ，0 仃 万 ( 2 - 8 ) 可见，支路电流的基波分量为口p ) 的函数。 t c r 的等效电纳为 忡) = 每= 堑筹些0 似衫2 ( 2 9 ) 或者表示为： 酢p ) = o - - 丁s i n o r ，o 盯 石 ( 2 1 0 ) 黝， 因此，t c r 的基波电纳连续可控，= 1 8 0 0 时电纳最大，等于去，= o o 时， 电纳为零，这就是相控的基本原理。 导通角与等效电纳之间是非线性关系，通常在触发回路中插入线性化校正环 节，以补偿导通角与等效电纳之问的非线性。 2 4 2 t c r 的运行特性【3 】 对于没有电压控制时t c r 的运行，可以将整个t c r 支路用一个等效的连续可 变电抗器来代替，通过该电抗器的正弦电流与流过t c r 中的非正弦电路的基频分 量相等。从而可以得到如图2 7 的电压一电流特性，它的边界由最大允许电压、最 1 6 华北电力大学硕士学位论文 打允许电流和t c r 最大导纳构成，在正常运行区域内，可以视作连续可调的电感 w 图2 7 无电压控制时t c r 的电流一电压运行特性 如果对t c r 采用电压控制，则图2 7 所示的正常运行区域就被压缩到一条特性 曲线上，如图2 8 所示。这种特性曲线体现了补偿器的硬电压控制特性，它将系统 电压精确地稳定在电压设定值上。正常情况下，控制器通过控制电抗器注入节 点的感性无功功率，来维持节点电压不变。当电压升高，运行点将向右移动，控制 器通过增大晶闸管阀的触发角增大注入节点的感性无功功率，保持节点电压。当运 行点到达控制范围的最右端，节点电压进一步升高后将不能由控制系统来补偿，因 为t c r 的电抗器已经处于完全导通状态，所以运行点将沿着对应电抗器全导通的 特性曲线向上移动，此时补偿器运行在过负荷范围，超过此范围后，触发控制将设 置一个电流极限以防止晶闸管阀因过电压而损坏。在特性曲线的左侧，如果节点电 压过分降低，补偿器就会达到发出极限，运行点将会落在欠电压特性上。 1w 2 5 s v c 的动态性能和动态过程分析( t c r ) 川 根据期望补偿器所具有的功能不同，对补偿器的动态性能有不同程度的要求。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 补偿器动态性能的好坏，对补偿器能否真实实现其预定功能具有及其重要的意义。 对以改善电压调整为目标的输电系统的补偿来讲，补偿器针对的参考量具体包括突 加电压参考量，无功负载突变( 包括小扰动和大扰动) 、系统短路电抗突变、单相 或三相故障以及补偿器过电流故障等项目的系统电压时域响应性能。其中，对各种 扰动( 包括负载突变和系统短路电抗突变等) 的动态响应性能，是补偿器在正常工 作状态下最受关注的性能指标。下面就以用于改善电压调整的f c + t c r 型补偿器 为例，对其受扰动时的动态调节过程进行分析。 如图2 9 所示，t c r 补偿器的电压一电流特性为图中o a b d 段，而扰动 前系统负载特性为，两者相交于a ( 也就是扰动前系统的工作点) 。补偿器特性上 a 点对应的晶闸管导通角吒，因此a 点也可以看成是导通角为吒时补偿器等效电抗 的伏安特性o f 与系统负载线的交点。假设在某一时刻，电力系统突然受到扰动， 如无功负载突然减小，造成系统负载线突然从上升到厶，则在这一时刻，由于补 偿器还未来得及调整，其晶闸管导通角仍为吒，因此系统的工作点将从a 点移至b 点，也就是导通角为吒时补偿器等效感抗的伏安特性与系统负载线， 的交点。随后， 由于补偿器控制系统的检测和调节作用，使晶闸管导通角增大至以，最终将使系统 稳定运行在c 点，即补偿器特性与乞的交点，或者说导通角为吼时补偿器等效电抗 的伏安特性o g 与之的交点，此时s v c 提供滞后无功电流( 在s v c 伏安特性的第 一象限) 在系统阻抗上产生电压降，抑制负载变化造成的电压波动，以保持供电电 压不远离正常值。同理，当系统负载变化使电压降低时，s v c 将提供的超前无功电 流厶( 在s v c 伏安特性的第二象限) ，抑制其造成的电压波动。 u 长 g i 专： = 厶 嵩 4 一吒 图2 9 s v c 的伏安特性 在这一动态调节过程中，系统电压的最高值出现在b 点，也就是突加扰动后的 时刻，随后随着补偿器的调节使系统电压恢复到稳定值。如果补偿器控制系统参数 设计得适当的话，这个动态调节过程可以在l 2 个周波内完成。动态性能较好的 补偿设置甚至可能不会到达b 点就很快移至c 点。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 对于负载产生的负序分量，根据s t e i n - m e t z 原理( 两相无功平衡一相有功) ，s v c 的调节器可对系统的有功和无功分量进行实时采样并计算，然后对t c r 分相调整 实现负序补偿，改善系统的三相平衡度。 s v c 中的f c 回路，除了配合t c r 的动态调整之外，兼有提高系统功率因数的 作用同时滤除t c r 和负载产生的高次谐波。 2 6 s v c 的控制 输电系统并联补偿装置不仅可以控制输电系统中节点电压而且也可以对输电 系统的有功功率进行控制，因此在电力系统受到扰动的情况下，输电系统的并联补 偿装置可以控制节电电压和线路功率，从而缩短输电线路的过渡过程，改善过渡过 程中状态量的超调，抑制状态量的振荡。所以只要为并联补偿装置设计合适的控制 规律，即可以改善电力系统的动态性能。在现在的高电能质量的供电系统，s v c 的 功能和响应特性，在很大程度上取决于其控制系统。s v c 的控制策略的研究是本文 的重点，将在下文中详细介绍。 2 7 本章小结 本章首先简单介绍了s v c 的定义和各种s v c 部件，并对各种s v c 部件作了粗 略的比较；然后详细介绍了t c r 的结构和基本原理，讨论了t c r 在不采用电压控 制和采用电压控制下，t c r 的伏安特性。最后介绍了s v c 的动态性能和动态过程 分析，分析了受扰动时的t c r 的电压一电流运行特性。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 第三章s v c 的控制策略原理 3 1 s m c 的控制策略1 】【4 】 s v c 的控制通常可以分为两个层次，即底层的器件与装置级控