（电力系统及其自动化专业论文）静止无功补偿装置的开发和应用.pdf

a b s l l l a c t a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f p o w e ri n d u s t r y , t h ec a p a c i t yo f p o w e rs y s t e mi si n c r e a s i n g a n dt h e s t r u c t u r eo fe l e c t r i cg r i d si sm o r ec o m p l e xa n d & d o r m o u s 。s ot h es t a b i l i t yp r o b l e mo fp o w e rs y s t e m i sm o r en o t a b l e a tt h es a m et i m e 也ei m p a c t i v el o a d sa n dn o n l i n e a rl o a d sa r ei n c r e a s i n gl a r g e l y , a n dt h ef l u c t u a t i o na n df l i c k e ro fv o l t a g ea n dt h el o wp o w e rf a c t o ra r em o r es e v e r e t h e r e f o r e i ti s n e c e s s i t a t e dt h es e a r c ha n da p p l i c a 缸o no fn e _ wp o w e rc o n ：廿o l l e r st om i n i m i z el o s s e sa n dm a x i m i z e t h es t a b l ep o w e r - t r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo f e x i t i n gl i n e s ，a n ds o l v ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m s p r e s e n t l y , f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) t e c h n o l o g y , b a s e do nt h ea p p l i c a t i o no fav a r i e t yo f n e wp o w e r - e l e c t r o n i cc o n t r o l l e rf o ra c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e ro ns e l e c t e dl i n e s i sb e c o m i n ga l l i n t e g r a lc o m p o n e n to fm o d e r np o w e rt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o ns y s t e m s t b eo b j e c t i v eo ft h i s d i s s e r t a t i o ni st oa n a l y z et h ei n t e r a c t i o n sa m o n gt h es h u n tf a c t sd e v i c e s s v ce t c f o rv o l t a g e c o n t r o lo n aw a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o nl i n e s 1 1 1 es t a t i ca n dt r a n s i e n ts t a b i l i t i e sc a nb ei m p r o v e d v o l t a g ef l i c k e rc a l lb er e s t r a i n e d ，a n dp o w e rf a c t o rc a l lb ei n c r e a s e d 。s ot h e s ef a c t sd e v i c e sa r e a t t a c h e dm o r e i m p o r t a n c e a sam a i ns o l u t i o nt o c o m p e n s a t e r e a c t i v e p o w e r , s t a t i cv a rc o m p e n s a t o rb a s e d o n t h y r i s t o r - c o n t r o l l e dc a l lc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e rp r e f e r a b l y i nt h i sa r t i c l e ，t h et h e o r ya n dc o n t r o l m e a n so fs v cb a s e do nt h y r i s t o r - c o n t r o l l e dh a v eb e e nr e s e a r c h e d , a n dt h em e c h a n i s mo fs v ct o c o n t r o lv o l t a g ea n di m p r o v es t a b i l i t yo fs y s t e mh a sa l s ob e e na n a l y z e d a i m e da tc o m p e n s a t i n g o b j e c t , t h es u i t a b l es t r u c t u r e ，p a r a m e t e r sa n dc o n t r o ls t r a t e g yh a v eb e e ns e l e c t e dt h r o u g ha n a l y z i n g a n d c o m p a r i n g t h e na0 4 k v1 5 0 m v 打c a p a c i t y a d j u s t a b l es v ce q u i p m e n t b a s e do n d s p - e o n t r o l l e dh a sb e e nd e v e l o p e d t h er e s u l t so fa c t u a lt e s ta n df i e l dw o r ks h o wt h a tc o n t r o l s t r a t e g yi sv a l i da n dc r e d i t a b l e a n dt h ee q u i p m e n tc a l lc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e re 伍c i e n t l ya n di t s r e s p o n ds p e e di sh i g h v o l t a g eo f i o a dh a sb e e ns t a b i l i z e da n dp o w e rf a c t o rh a sb e e ni n c r e a s e d k e y w o r d s ：t h y r i s t o r ；s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ；v o l t a g ec o n t r o l ；v o l t a g ef l i c k e r ；s t a b i l i t yo f s y s t e m ；p o w e r f a c t o r 东南大学学位论文独创性声明 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，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：至二兰 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：至二生导师签名： 第一章绪论 i i 引言 第一章绪论 能源成本不断上升，新建输电线路对环境的影响倍受侧目，在这种形势下，寻找新的控制装置 使现有的输电线路损耗最小，稳定输送容量最大势在必行。早期，这些目标是通过对输电线路的无 功功率控制来实现的，随着晶闸管的出现和应用，产生了一种新型的基于晶闸管的无功功率控制装 置，它具有非常快的相应速度。利用这种快速响应特性可以将阻尼控制功能加入到电压和无功功率 的控制中。而灵活交流输电系统( f a c t s ) 技术是各种新型电力电子控制装置应用的集成。这些控 制装置对选定的一些输电线路既可以进行有功功率控制，也可以进行无功功率控制。因此，f a c t s 控制装置正在成为输电系统的有机组成部分。目前使用的大多数f a c t s 控制装置是基于晶闸管的， 因为晶闸管技术已经很成熟，大功率的晶闸管已很容易得到。 无功补偿可以改善电能质量、降低电能损耗、减少用户电费支出，是一项投资少，收效快的节 能措施。自上世纪初以来，电容器作为静态无功补偿装置一直是供配电系统用来补偿功率因素的方 法：在实际应用中，根据负荷变化的需要，电容器将分组投入或切除，即使用开关设备如接触器分 级地调节无功功率。但是，由于接触器的频繁动作，电路中产生冲击，使电容器和其它设各的寿命 缩短，所以，这种方法可靠性差损耗大，使用中也不灵活。 为更好地开展电网无功功率的就地补偿工作，针对目前市场上尚无在电能质量较差、谐波严重 的环境下安全稳定运行的动态无功补偿装置成熟产品的现状，2 0 0 3 年底，经过充分的市场调研和技 术论证，常州供电公司向省公司申请开展静止无功补偿器( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ，s v c ) 的研制工 作。 1 2 无功功率补偿技术概述 1 2 1 电力系统无功并联补偿作用f 1 】 根据连接方式不同，电力系统补偿方式可以分为并联补偿、串联补偿和串并联混合补偿三种。 由于并联补偿方式接入和切除都很方便，因此在电力系统中得到最为广泛的应用。就是无功功率并 联补偿的作用，一般包括如下方面： 维持或控制节点电压； 向电力系统提供或系统中吸取无功功率； 通过控制功率变化，阻尼系统振荡； 改变电力系统的动态特性； 提高电力系统的静态稳定性； 快速可控制的并联补偿可以提高电力系统的暂态稳定性； 改变系统的阻抗特性； 提高系统的电能质量。 无功功率并联补偿在电力系统中的广泛应用，将大大提高电力系统的安全稳定性，供电可靠性 和运行效率，同时大大提高供电系统的电能质量。 1 2 2 无功功率补偿技术的历史和现状嘲 随着电力系统的发展，各种并联补偿装置不断出现，如采用机械投切的电容器和电抗器对系统 进行无功功率补偿，改善系统的电压水平；由于机械投切电容和电抗器会造成较大的冲击，人们开 l 东南大学工程硕士学位论文 始在负荷中心安装同步调相机，调相机可以平滑调节无功功率，而且既可以吸收也可以发出无功功 率，因此具有较强的补偿控制功能，对调节负荷中心的无功功率平衡和维持负荷中心的电压水平有 重要的作用。但是，由于电力系统发电、输电、配电与用电必须同时完成，系统始终处于动态的平 衡状态，电力系统瞬时的不平衡可能导致安全稳定问题，因此要求并联补偿装置具有快速的响应， 如达到周波级的响应速度，才能用于处理系统的问题。由于机械投切装置惯性大，动作时间在秒级， 满足不了电力系统对快速性的要求。 随着大功率电力电子技术的发展，采用高压大容量快速的电子开关代替机械开关已经成为趋势。 因此在2 0 世纪7 0 年代，出现了一系列的晶闸管投切的并联补偿装置和晶闸管控制的并联补偿装置， 如t s c 、t s r 、t c r 及综合补偿装置s v c ，这些装置不仅可以快速投切( 响应时间在几十毫秒) ， 而且t c r 还可以快速平滑调节无功功率，使电力系统的并联补偿进入了一个新的阶段，而传统的机 械投切的并联补偿装置逐渐被晶闸管投切的装置所替代。但是这些并联补偿装置本身也存在一定的 问题，如晶闸管控制的装置只能以斩波方式工作，因此会产生较大的谐波；其次，这些装置并联接 入系统会改变系统阻抗特性，过多的安装这些设备可能导致出现振荡；而且正是这些阻抗性补偿装 置在系统电压偏低或偏高时，存在补偿容量随电压平方成正比下降或上升，影响了并联补偿装置的 补偿效果。由于晶闸管的关断不能控制，因此开关频率低，对配电系统电能质量补偿能力弱。 随着高压大容量可关断器件，如i g b t ( 1 n s u l a t e d g a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r ) ，g t o ( g a t e t u r n - o f f t h y r i s t o r ) 、i g c t ( i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y d s t o r ) 器件的发展，2 0 世纪8 0 年代出现了基于 可关断器件的电压源和电流源变流器的并联补偿装置。基于变流器无功功率并联补偿装置的典型代 表是s t a t c o m 。s t a t c o m 装置在输电系统中或负荷中心可以快速平滑调节无功功率。 2 0 0 3 年8 月1 4 日美国东部大停电及其后英国伦敦、瑞典等大停电，使人们进一步认识到电力 系统安全稳定的重要性。我国京沪穗负荷中心潜在的安全稳定隐患，并联补偿提供的无功功率补偿 将在增强电力系统安全稳定性方面发挥不可替代的重要作用。 1 3 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 ) 概述p 1 1 3 1 静止无功补偿器的构成部件 1 并联饱和电抗器( s r ) 补偿 饱和电抗器( 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 器利用铁心的饱和特性，使感性无功功率随着电压的升降而增减。图1 - 1 是带斜率校正的自饱和电 抗器型静止无功补偿器的原理图及工作特性曲线。 l u r 砺 _ 窖鹾 图1 - 1 带斜率校正的自饱和电抗器及其工作特性曲线 图中c 为固定电容器组，上s 为自保和电抗器，c s 为斜率校正电容。当母线电压升高u 时，则 按特性曲线，感性电流会增加，该电流在凰上产生压降玑从而维持系统电压不变；反之，当 母线电压下降u 时，容性电流增加，该电流在j ，s 上产生压降矾从而维持系统电压不变。该 2 第一章绪论 装置对电压波动的响应速度较好，响应时间一般在1 0 - - - 2 0 m s ，缺点是运行时电抗器的硅钢片达到饱 和状态，因而使铁心损耗增大，并伴有振动和噪声。 可控饱和电抗器的原理如图1 2 。它通过改变饱和电抗器控制绕组中的电流大小来改变电抗器 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。 立f 1 雅丰c 图l - 2 可控饱和电抗器型静止补偿装置原理图 由于这种装置的电抗器是在高度磁饱和状态下运行的，电抗器呈现的动态电抗基本上是绕组的 漏抗，因此时间常数很小，响应很快。实测表明，这种装置在冲击发生后的6 - - l o r e s 即起作用，当 振荡阻尼回路参数选择合适时，调节过程在几个周期内即达到稳定。英国g e c 公司模拟试验证明， s r 装置在抑制电压闪变方面比t c r 装置更好。 2 晶闸管控制电抗器( t c r ) 基本的单相t c r ( t h y r i s t o r c o n t r o l l e d r e a c t o r ) 的原理结构如图l 3 ，它由固定电抗器( 通常是 铁心的) 、取向导通晶闸管( 或两个反并联晶闸管) 串联组成。 = 叫嘉。叫譬叫每_ 磊叫譬 ( a )( b ) 图1 - 3 t c r 结构和波形 ( a ) t c r 的单相原理结构t c r 的电压和电流波形 t c r 正常工作时，在电压的每个正负半周的后1 4 周波中，触发晶闸管，此时承受正向电压的 晶闸管将导通，使电抗器进入导通状态。一般用触发延迟角( f n i n gd e l a y 缸g k ) a 来表示晶闸管的 触发瞬间，它是从电压最大峰值点到触发时刻的电角度，决定了电抗器中电流f 的有效值大小。 其波形图如图1 矗 b ) ，如果晶闸管全导通，电感支路相当于一个纯电感，消耗最大无功功率。 t c r 补偿系统输出最小无功功率。此时晶闸管的导通角为零( 口= 0 0 ) 。如果增大导通角( 正反相都 可以) ，电感支路的电流就减小。同时电流呈现间断性。如果继续增大导通角，一直到a = 9 0 0 ，此时 电感支路为完全断开，电流为零，电感支路吸收零无功。t c r 补偿系统输出最大无功功率。所以， t c r 回路的无功输入( 出) 是与电感支路相反的。当电感支路吸收零无功时，系统输出最大无功功 3 孬 东南大学工程硕士学位论文 率。而电感支路吸收最大无功功率时，系统输出最小无功功率。改变晶闸管的导通角就可以连续调 节无功功率。晶闸管是依靠电压正向偏置时，由触发电路强制半导体导通，而关断则是当只有电流 自然过零时。晶闸管自动关断，虽然这样的开关动作改变了电流的波形( 见图l - 3 ( b ) ) 。 设接入点母线电压为标准的余弦信号，即 “( f ) = c o s ( 1 1 ) 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 f o ) = 圭f “( f = 导( s i n 研- s i n a ) 口s 研s 石一口 ( 2 ) 在负半波，当c o t = + a 时，晶闸管反向导通，类似可得到支路上的电流为 ( 1 3 ) f o ) = ；笋( s i n c 甜一s i n 协+ 口) ) a c o t l l p j = 凡f，c ， + 1 陋矿 图2 - 4 f c - t c r 型s v c 的损耗特性 2 2 2 晶闸管投切电容一晶闸管控制电抗型无功补偿器( t s c t c rs v c ) 1 基本结构 t s c 型s v c 装置不产生谐波，但是只能以阶梯变化的方式满足系统对无功的需要；f c t c r 型 s v c 响应速度快且具有平衡负荷的能力，但由于t c r 工作中产生的感性无功电流需要固定电容中 的容性无功电流来平衡，因此在需要实现输出从额定感性无功到容性无功的调节时，t c r 的容量是 额定容量的两倍，从而导致器件和容量上的浪费，造成了客观的经济损失。 晶闸管投切电容一晶闸管控制电抗型无功补偿器( t h y m t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ， t h y r i s t o r - c o n t r o l l e dr e a c t o r t y p es t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ，t s c t c rs v c ) 可以克服上述两者的缺点， 与f c - t c r 型s v c 比较，具有更好的运行灵活性，并有利于减少损耗。 t s c t c r 型s v c 的单相结构如图2 5 所示，根据装置容量、谐波影响、晶闸管阀参数、成本 等而由n 条t s c 支路( 或容性谐波器支路) 和m 条t c r 支路构成，图中n = 3 ，m = l 。各t s c 、t c r 参数一致，通常t c r 支路的容量稍大于t s c 支路的容量。 图2 - 5t s c t c r 型s v c 的单相原理图 1 0 兰三苎翌里竺墅塞墨型 在额定电压下，t s c - t c r 型s v c 在所有t s c 支路投入而t c r 支路断开时，输出最大的容性 无功功率旦b 。；在所有的t s c 支路断开而t c r 支路投入( 口= 0 0 ) 时，输出最大的感性无功功率 q k ；当要求装置输出容性无功，且q q c 一时，则投入k 条t s c 支路，使得 k - l q c 。 q k q c 一，并调节t c r 支路的触发延迟角a ，吸取多余的容性无功功率 n7 二q c 一一q ；而要求装置输出感性无功时，可以关断所有的t s c 支路而通过控制t c r 支路来获得 仃 所需的无功功率。 2 外特性和动态性能 ( 1 ) 外特性曲线 跟f c - t c r 型s v c 类似，t s c - t c r 型s v c 的外特性也表现为可控容抗，在一定的容量范围内 能以一定的响应速度跟踪输入的无功电流或容抗参考值。图2 - 6 所示为风的t s c ，其中既。为t c r 的最大感抗，。、【，l 。、如。、五。分别为t s c 和t c r 的耐受电压和电流值。稳定条件下t s c t c r 型s v c 与f c - t c r 型s v c 的运行区域是一样的。 u 。 、l u 。| 。隘裁7。 图2 - 6t s c t c r 型s v c 的u - i 特性曲线 ( 2 ) 动态特性 t s c t c r 型s v c 的动态特性可采用与f c - t c r 型s v c 相同形式的传递函数描述，但是由于单 相t s c 支路的最大响应时间是一个周波，当需要增加无功输出时，装置的最大响应时间理论上将达 到一个周波乃= r ( 单相) 或三分之一周波乃= t 3 ( - - 相) 。 3 损耗分析 t s c t c r 型s v c 的损耗一无功输出之间的关系曲线如图2 7 ，对应每相包括3 条t s c 支路和1 条t c r 支路的情况。在装置输出感性无功时，t s c 支路断开，损耗特性将由t c r 支路决定；当装 置输出容性无功时，损耗特性将由投运的t s c 支路和t c r 支路决定，与f c t c r 类似。然而，在 相同的无功容量需求下，t s c t c r 型s v c 可以只投入部分t s c 支路，t c r 支路需要吸收的多余无 功也随之减少，从而有利于减少装置损耗。特别当系统容性无功需求变化频繁时，采用t s c t c r 型s v c 更为有利。 损耗 钆 c 2 | 一 l 感性 c i 容性 舻t r ( a ) - t - j c oi a 皇i l k a ) 图2 - 7t s c t c r 型s v c 的损耗特性 1 l 东南大学工程硕士学位论文 2 2 3 机械开关投切电容一晶闸管控制电抗型无功补偿器( m s c t c rs v c ) 1 基本结构 在一些要求不高、电容投切不频繁的应用场合，可以采用机械开关代替t s c 支路的晶闸管，构 成机械开关投切电容一晶闸管控制电抗型无功补偿器( m e c h a n i c a l l ys w i t c h e dc a p a c i t o r ， t h y r i s t o r - c o n t m l l e dr e a c t o rt y p es t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ，m s c - t c rs v c ) ，有利于降低成本和降低 损耗。 采用机械开关进行电容器投切，由于不能对开关操作进行精确和一致的控制，因此要求： ( 1 ) 合闸时，电容器上不能有残压，即需在再次投入前将电容器进行放电，考虑到放电时间约 为3 - - 4 周波，典型的开关合闸时间在3 7 个周波，m s c 的响应时间将达到6 1 1 个周波，远远大于 t s c 的最大相应时间( 一个周波) 。 ( 2 ) 串入适当的限流电抗器，由于开关的通断时刻无法精确控制，所以通常上述电抗器的值均 取得较晶闸管投切电容器要大，如1 2 左右；即便如此，高压并联电容器在投切时的损坏也时有发 生。 ( 3 ) 由于机械开关可靠重复投切次数有限；因此，m s c 也不适用于需要对容性无功进行频繁 控制的场合，通常一天的投切次数以两三次以内为宜。 2 3s v c 的控制策略4 ，5 】 从外形特性上看。s v c 可以视作并联型可控阻抗，通过控制晶闸管( 或其它适当开关器件) 的 开通和关断，向系统输出对应的无功功率，从而实现对电网特性的影响。从电网侧来看，s v c 的功 能和响应特性，在很大程度上还取决于其控制系统。 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控制，以及从应用系统整体性能考虑 的系统级控制。器件和装置级控制主要研究与电力电子电路拓扑结构密切相关的脉冲控制方法，考 虑精确到微秒级的电力电子器件的关断与开通，从而将不同结构形式的s v c “封装”成具有一定模 型并可灵活控制的“电抗”或“无功功率源”；系统级控制研究从应用应用系统的需要出发，基于一 定的控制策略向s v c 底层控制提供“电抗”或“无功功率源”的参考值。s v c 器件和装置级控制 跟具体采用的电力电子拓扑结构密切相关。下面将讨论s v c 的控制器设计。 2 3 1 面向电力系统的对称控制策略【6 j 一 当s v c 用于电力系统补偿时，其目的主要是维持接入点电压的恒定，而由于系统正常条件下可 以看作是对称的，所以通常采用三相对称的控制策略。注意到s v c 的主要特性是它的电压一电流 ( u - i ) 特性，对不同的系统电压，t c r 支路电流的波形和有效值取决于电抗器的电抗和触发延迟 角( a ) 。s v c 在控制系统的指令下，自动地调整d ，运行在u - i 特性曲线和系统负荷线的交点。 在实际应用中，根据控制目标的不同通常采用开环和闭环两种基本控制形式；通常，开环控制 是闭环控制的基础。如图2 - 8 所示，设s v c 与负荷并联运行，接在同一负荷母线上，负荷母线再通 过联络变压器接入更高等级电压( 以下称系统电压) 母线，控制目标是维持负荷母线的电压不变； 在假定系统电压恒定，联络变压阻抗( 以下称系统阻抗) 保持不变的前提下，为了在负荷电纳发生 变化时维持负荷母线上的电压不变，可以通过改变与之并联的s v c 的等效电纳，从而维持负荷母线 上包括补偿装置在内的总电纳不变来实现。 1 2 第二章s v c 的研究基础 = 图2 - 8s v c 与负荷并联接线 开环控制即无反馈的控制系统，它根据被控对象的性质和控制目标，实现监视被控对象的特性 变量，然而以一定的规律得出控制量并实施。设计的开环控制器的原理图如图2 - 9 。 图2 - 9s v c 的开环控制结构 ( 1 ) 首先由一个称为电纳计算器的功能模块( s c ) ，通过测量负荷上的电压和电流，经计算得 到负荷的等值电纳，设为吼“。 ( 2 ) 然后根据维持总电纳恒定的控制目标计算出s v c 应该具有的等值电纳，即 b s v c = 一反“ ( 2 2 ) 其中，岛e f 为需要维持恒定的电纳参考值。 ( 3 ) 再通过非线性变换得到所需的t c r 导通角口，该非线性变换对应的函数通常被称作s v c 的前馈传递函数g ，是由s v c 的运行特性决定的。对于图2 - 8 所示的f c - t c r 型s v c ，如忽略动态 特性，它的电纳可以表示为 b s v c ( 圹+ = + 等 ( 2 3 ) 从而 g = 盯慨。) = 愿- ，1 。p ) ( 2 4 ) 即前馈传递函数是b s v c 的逆函数。可见，为了得出对应的t c r 的触发延迟角，需要求解一个非线 性超越方程，这是由一个称为导通角计算器( c a c ) 的功能模块来完成的。 开环前馈控制的优点是：实现简单、响应迅速，如经过精心设计的具有前馈环节的开环控制的 典型响应时间为5 - 1 0 m s 。但是，前馈控制系统的性能很大程度上决定于前馈传递函数g 的精确性。 1 3 东南大学工程硕士学位论文 实际上上，由于1 7 1 ： ( 1 ) 函数g 是预先确定的，如果外部系统的特性发生了设计函数g 时没有考虑到的变化，将 得不到如设计所要求得控制效果。 ( 2 ) 函数g 很难反映系统的动态特性，s v c 装置从得出新的触发延迟角到其导纳值的改变是 需要一定时间来完成的，这在前馈传递函数中不易表达。 ( 3 ) 前馈控制对于系统参数变化所引起的控制偏差没有校正能力。 因此，开环式前馈控制方法通常仅用于需要快速响应且精度要求不高的负荷补偿，如对冲击性 负荷进行补偿的闪变抑制装置中。更高性能的控制系统中通常将前馈控制与反馈控制结合起来。利 用前馈环节的快速响应特性和反馈环节的精确调节特性，达到最优的补偿效果。 以前述开环控制为基础构造的闭环控制系统如图2 1 0 所示。在这里，s v c 的电纳参考值将由 一个称为电压自动调节( a u t o m a t i cv o l t a g er e g u l a t o r ，a v r ) 的环节来计算。a v r 的工作原理是： 当其检测到电压偏差( 即母线电压和参考电压之间的偏差) 后。就按照一定的控制规律【如比例积分 ( p i ) 控制规律1 调节s v c 电纳参考值，从而改变负荷母线上总的无功电流大小，调节线路和变压 器上的压降，直到被测点电压误差减d , n 可接受的水平为止。 图2 1 0s v c 的闭环控制结构( a v r ) 设a v r 采用p i 控制规律，s v c 电纳参考值由下式决定，即 = k a u + k i a u d t ( 2 5 ) 一 。j 其中，讳，岛分别为比例和积分增益；a v r 的输出经限幅环节后，产生所需的s v c 电纳参数值。只 要给定负荷母线电压的参考值，整个控制系统能根据测量的母线电压，自动调节s v c 的电纳值，使 得负荷母线的实际电压等于参考值，达到闭环调节的效果。 一闭环控制的响应速度和稳定性是由控制环的总放大系数和调节系统的时间常数来决定的。为了 满足不同甚至是矛盾的控制目标，闭环控制可以采用各种控制规律，从最简单的p i 控制到复杂的非 线性控制等。 2 3 2 面向负荷的控制策略 工业负荷用负荷中，如大功率的轧机、电焊机、电弧炉等都是对电能质量产生重要影响的冲击 性负荷。此类冲击性负荷，尤其是电弧炉在接入断路容量相对较小的系统时所引起的电压波动( 有 时还包括频率波动) 和三相电压不平衡，不仅会引起人感到不舒服的白炽灯照明的闪变，还会危害 连接其公共供电点的其它用户的正常用电。因此多年来闪变抑制一直是配电系统补偿的一个重要内 容，从日本s v c 的应用状况可以得到，用于闪变补偿的并联补偿装置的数量和容量均占到日本s v c 装机数量和容量的一半左右。 电弧炉是利用电极和熔化的“炉料”( 通常炉料是由小块的废钢组成) 之间的电弧所生成的热对 金属炉料进行熔化的。该电弧在整个熔化过程中会随炉料的崩落和滑动发生大幅度的变化，从而导 1 4 第二章s v c 的研究基础 致电弧炉消耗有功和无功功率均发生随机性的剧烈变化。而处于熔化期间的交流电弧炉。对于电力 系统而言更是一种变化剧烈、三相严重不平衡( 负序电流可以高达正序电流的7 0 ) 且功率因数极 低( 电极短路时为0 1 - - o 2 ) 的负荷。电弧炉所引起的巨大且不稳定的无功电流会在交流线路阻抗上 造成压降和显著的电压波动，而由于电弧炉炼钢在经济上的优势，近年来不管国内还是国外，电弧 炉的炼钢量均在稳步上升；特别时采用大型的( 如耗电在i o o m w 以上的) 电弧炉更成为一种趋势， 所以对于电弧炉闪变的抑制越来越成为一个不可忽视的问题一。 利用s v c 对电弧炉的闪变进行抑制可以是一项成熟的，并且得到广泛应用的技术；这种方法在 改善功率因数和抑制特定谐波方面具有令人满意的结果i l q ，“】。但是在解决闪变问题上却受到定的 限制，即便采用精心设计的开环控制系统，使响应时间达到4 s m s 等级，s v c 的闪变改善率最高也 只能达到7 0 左右。实际上补偿器减少电压闪烁的能力，广义地说，取决于两个因素，一个是补偿 率琏，即补偿器可控部分地无功功率额定值q c 棚冲击性负荷最大无功功率变化量q 的比值；另 一个是响应时间，即补偿器的响应延时r ( 通常由补偿的延迟角巩表示) 。由于闪变补偿效果取决于 补偿器的尺寸( 恐) 和其响应速度，因此设计中就需要进行一定程度的折衷，为了获得好的补偿效 果，响应速度较低的补偿器，就需要加大容量。反之，为了达到相同的补偿效果，响应速度快的补 偿器就可以用较小的容量。粗略地说，响应速度降低一倍通常需要使补偿器容量增大一倍来达到同 样的补偿效果。 s v c 进行闪变补偿的基本原理就是使电弧炉和t c r 补偿装置所吸收的无功功率( 电流) 之和 尽可能小，从而使系统中邻近节点的电压脉动降到最小，达到抑制闪变的目的。但由于电弧炉的工 作电流往往急剧变化，而闪变抑制的效果与补偿装置的容量大小和响应速度直接相关，所以作为补 偿器的s v c 控制系统为了达到快速补偿的目的通常由前馈环节组成。在t c r 补偿系统中，补偿装 置输出的恒定无功功率通常选为电弧炉经常出现的最大无功功率的峰值相等，而功率因数则通过并 联电容器来校正。 s i e m e n s 公司的s i m a d y n - d 的控制器结构如图2 1 l 所示，它的思路是利用派克变换将a b c 三 相母线电压和负荷与补偿器的电流变换为础坐标系中的两相电压和电流，再根据瞬时无功功率的 理论分别对负荷和补偿器的瞬时无功功率进行计算。然后根据计算得到的负荷和补偿器的瞬时无功 功率，通过前馈和反馈的相结合的控制电路来实现兼顾控制精度和响应速度的解决方案。该控制器 在轧机和电弧炉的补偿中得到大量的应用；不论在国外还是在我国的冶金系统的应用中均取得了良 好的效果。 图2 一iis i m a d y n - d 控制系统结构图 而对于负荷的不平衡度，同样可以利用s v c 采用不对称控制方法来加以补偿 1 2 - 1 4 1 。即控制器计 算出各相需补偿的电纳的大小，而后分别进行输出。其基本原理可以用图2 1 2 来表示，即在系统中 引入三相补偿电纳岛”、卵。、矿来补偿三相不平衡负荷r 1 ”、r l ”、r l c a 东南大学工程硕士学位论文 b c 碥 kj “- 坼 扛“- 0 如l 七， 乐塞彩慕 图2 1 2 三相不平衡负荷的补偿 由于负荷的导纳并不容易获得，所以一般采用对称分量法，利用三相线电流和电压来表示补偿 电纳。设系统的相电压为 u t = u ，u b = 口2 u ，u 。= a u 其中，口= 一。= 一1 2 吖；2 。线电流的对称分量为 j 0 = ( 撕- + 砂压 j l = ( j 舢；b + g 2 砷订 i ：；i i a + 口2 j t + 口j c l 压 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中，o 、，t 、，2 分别表示电流的零序、正序和负序分量。根据电路分析，可以得出流过补偿器 电流的零序，正序和负序分量为 ，r 02 0 j n = j ( 妒+ 酽+ 酽痧压 ( 2 8 ) j 一_ j g ：酽+ 酽+ 带砂压 要求补偿器能够完全补偿三相不平衡和无功，需要补偿负荷电流的正序无功分量和负序分量( 设 负荷电流中没有零序分量) ，所以有 r i ，1 2 + ，r 2 = 0 m ) + j r - = o 。9 l l p ：# l , 偿电流的负序分量等于反向的负荷电流负序分量，补偿电流的正序分量等于反向的负荷电 流正序无功分量，从而实现不平衡和无功一起补偿。根据式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 可得 1 6 第二章s v c 的研究基础 酽= 一南 吒- - ) + h n ( 扎) 一压吐j 1 2 ) 矿= 一南 h n ( 五) 一2 吐扎) c z 舯， 矿= 一击) + 畔t ：) + f 3 r e ( i t z ) 利用式( 2 7 ) 将上式变换回相坐标系中，则 酽= 一击 h ( j n ) + h n ( 疯) 一吐撕* ) 酽= 一击 _ 吐；u ) + 卟；m ) + 吐“n ) c ：m ， 矽= 一击 h ( j n ) 一h ( j 。) + 吐j “) 这就是希望得到的补偿电纳值。 如果控制目标为电压，则可以采用三个独立的控制环分别控制三个线电压有效值，但这样响应 速度慢，而且控制环相互之间存在耦合，不便于分析。可采用前馈与反馈相结合的控制方式，首先 求得负荷电流中的正负序分量，然后通过控制环的作用，使s v c 提供同样是三相不对称的电抗，以 低偿三相不平衡负荷在线路中产生的负序电流分量，使得补偿后的负序电流只在负荷与补偿电抗之 间流通，从而改善负荷不平衡运行对系统的影响。 2 4 本章总结 本章较为详细地介绍了三种s v c 无功补偿器( 包括f c - t c rs v c 、t s c - t c rs v c 和m s c - t c r s v c ) 的基本结构、外特性和动态性能、损耗分析等。针对不同的应用场合，给出了s v c 常见的两 种控制策略：面向电力系统的对称控制策略和面向负荷和面向负荷的控制策略，其中面向电力系统 的对称控制策略主要是为了稳定系统，提高传输功率极限和系统稳定性等方面，而面向负荷和面向 负荷的控制策略主要是抑制电压闪变，提高电能质量和功率因数等方面。 上述内容是进行s v c 研究的基础理论部分，为以后各章内容的分析打下铺垫。 1 7 东南大学工程硕士学位论文 3 1 引言 第三章s v c 的控制部件 s v c 控制系统中的各种部件包括：测量系统、电压调节器、触发脉冲发生器、同步系统、辅助 控制和保护系统等【1 5 - 2 3 1 。 一个通用的t s c t c r 型s v c 控制系统如图3 - 1 所示，包括了简单的电压控制，也包括了辅助 控制。 3 2 测量系统 其他控制输入信号取代控制器的信号 图3 - 1 一个s v c 控制系统框图 测量系统为s v c 系统提供控制所需的输入信号，包括以下三大类： ( 1 ) 基于s v c 三相平衡控制的电压控制： 三相整流电压的有效值或平均值； 三相电流的有效值或平均值； 正序电压； 电压的平方值。 ( 2 ) 单相电压或无功功率控制： 单相电压、单相电流和单相无功功率； 电压的平方值； 正序和负序电压。 ( 3 ) 辅助控制所需的主要辅助信号： 输电线路电流； 输电线路的有功和无功功率； 母线频率和相角； 同步发电机的角速度或加速功率。 上述信号一部分可以直接测量得到，其它信号可以通过基本的电压、电流信号转换得到【1 6 1 。图 3 - 2 为一个s v c 测量系统款图，包括电压、电流测量，以及无功计算等。 第三章s v c 的控制部件 图3 - 2 一个s v c 控制系统的测量电路 3 2 1 电压测量 s v c 控制系统的电压测量首先通过电压互感器( p t ) 降压，然后采用下列技术之进行处理： 交流到直流的整流； 坐标变换； 傅立叶变换。 1 交流到直流的整流 该方法，即将三相交流电压通过6 脉波或1 2 脉波二极管整流桥进行全波整流，对于6 n ( = 1 。 2 一) 脉波的二极管整流器，直流侧将产生6 确次频率的谐波，其中厂。为系统频率。因此，直流侧 常装设低通滤波器以消除高频纹波。 2 坐标变换 该方法基于a ，b ，c 三相到，b 两相的标量变换，如下所示： v o o ) l1 2 - 1 h o ) j 2 小压 母线电压的有效值p ，舢可按下式计算： = 属可 ( f ) ( f ) o ) 3 傅立叶变换 计算基波电压幅值的也可采用傅立叶变换口”。基波电压波形瞰) 在f 时刻的幅值为 k ( f ) = 万万 其中，口和6 是傅立叶级数的一阶系数，表达式为 口( ) = i 2l v 临嘶如 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) k h k l 1j 压 一 一 东南大学工程硕士学位论文 6 ( f ) = 丢l 嘶) c 。s ( 2 九牡 c 。5 ) 三相测量系统可由三个单相测量系统构成，输出取决于三个单相电压基波分量的相位关系。在 测量系统中，一般通过滤波或选择线电压代替相电压作为输入来消除零序分量。 3 2 2 电流的测量 流瞬时值的适当变换得到。一种导出t 次谐波相量的方式如下鲫： 设信号x ( f ) 可以用傅立叶级数表达为 x ( r ) = - h 3 - + c c o s ( 2 n n f o t + 口o o ) ( 3 6 ) c k = q 么纯= q ( c o s 吼+ js i n q ，k ) ( 3 7 ) 将x ( f ) 乘以正弦信号c o s 2 日t g ，其中， = 蜘，k = l 2 ，可得 x ( f ) c o s ( 2 矿i f ) = 导c o s 慨) + d c o s ( 2 m n f o t + y 。, ) ( 3 8 ) 式( 3 8 ) 右边的第一项为直流分量，第二项对