（电机与电器专业论文）10kv静止无功补偿装置的研究.pdf

r e s e a r c ho nl o k vs t a t i cv a rc o m p e n s a t o r a b s t r a c t t h e r ei si n a d e q u a t ei nt h ec a p a c i t yo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n d u n r e a s o n a l eo fe q u i p m e n t ，e s p e c i a l l yi n a d e q u a t ei nt h ea d j u s t a b l er e a c t i v ep o w e r c a p a c i t ya n dl e s si nt h er a p i dr e s p o n s eo fr e a c t i v ep o w e rc o n d i t i o ni n c h i n a s p o w e rg r i d i m p a c tl o a dw i l lm a k eg r i dr e a c t i v ep o w e ri m b a l a n c ea n dt h i sw i l l l e a dt ot h eg r e a tf l u c t u a t i o n sa n df l i c k e ro fg r i dv o l t a g e ，m o r es e r i o u s l yt ot h e d a m a g et oe l e c t r i c a le q u i p m e n t ，v o l t a g ec o l l a p s ea n dt h ed e s t r u c t i o no f t h eg r i d s t a b i l i t y f c + t c rt y p es v c ，w h i c hh a sf a s tr e s p o n s e ，c a nd y n a m i c a l l yc o m p e n s a t e s y s t e mr e a c t i v ep o w e r , i m p r o v es y s t e mp o w e rf a c t o r ，s u p p r e s ss y s t e mv o l t a g e f l u c t u a t i o na n df l i c k e r s o i th a sb e e nw i d e l yu s e d f o rr e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o ni ne l e c t r i cr a i l w a y s ，e l e c t r i ca r cf u r n a c e ，r o l l i n gm i l l ，e t c ，b u tl e s s i ns m a l la n dm e d i u m s i z e dc u s t o m e r sd u et o i t sh i 曲c o s t s i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o pa f c + t c r t y p es v c f o rs m a l la n dm e d i u mu s e r sb e c a u s eo ft h e i rg r e a t r e a e t i v e 口o w e rc o m p e n s a t i o nc a p a c i t ya n dn e e d s 。f o rt h i sp u r p o s e ，o n e 10 k v f c + t c rt y p es v cw a sd e v e l o p e da n ds o m er e s e a r c ha n dd e s i g ns t u d i e sa r e f o l l o w e d a c c o r d i n g t ot h ec h a n g e so fl o a d s r e a c t i v ep o w e r , t h em a i nc i r c u i t p a r a m e t e r s o ft h es v cw e r ec a l c u l a t e d ；t h y r i s t o rt r i g g e rp l a t e s w i t hs e l f - s n u b b i n ge n e r g yc i r c u i ta n db o d o v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nb o a r d sw e r ed e s i g n e d c h o o s ea ne m b e d d e dc o n t r o lp a n e l ，t m s 3 2 0 f 2 8 12a si t sc o r ec o m p o n e n t ，d e s i g n s i g n a l sa c c e s sc i r c u i ta n dt h y r i s t o rt r i g g e r m o s tb a s i cs v cc o n t r o l l e r p u l s e sf o r m i n gc i r c u i tt oc o n s t i t u t et h e b a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt h e o r y a n dt h e p r i n c i p l eo fb a l a n c i n gt h eu n b a l a n c e dl o a d ( s t e i n m e t zp r i n c i p l e ) ，t h em o d e lo f s v cw h i c hc a l c u l a t e d e l e c t r i cn a p e s ，w a se s t a b l i s h e d i nt h i sm o d e l ，t h e i n s t a n t a n e o u sv a l u e so fv o l t a g e sa n dc u r r e n t sw e r es a m p l e dt oc a l c u l a t er e a c t i v e p o w e ra n dn a p e sn e e d e dt oc o m p e n s a t e ，a n dt h y r i s t o r c o n t r o la n g l e sw e r e o b t a i n e dt h o u g hl o o k u pt a b l em e t h o dw h i c hw a su s e d i ns v cp r o t o t y p e i i 哈尔滨理t 大学丁学硕：l ：学位论文 s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi sf a s t ，e f f i c i e n ta n d a c c u r a t e ，t h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sa r er e a s o n a b l e ，w i t hp r a c t i c a le n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o nv a l u e s k e y w o r d s s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) ，i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e r t h e o r y , s t e i n m e t zb a l a n c ep r i n c i p l e ，m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n m 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文1 0 k v 静止无功补偿装置的研 究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：日期：年月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 l o k v 静止无功补偿装置的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨 理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论 文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 淋麟牡 渲嘉斌 日期： c 2 川 年红月f 日 日期。7 年户月扩日 哈尔滨理t 人学t 学颀f ：学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 无功功率对供电系统和负荷的运行都十分重要。电力系统为了输送有功功 率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这可以在相当范围内实现；为 了输送无功功率，则要求两端电压又一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。 不仅大多数电力系统的网络元件消耗无功功率，大多数的负载也需要消耗无功 功率。他们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 功率如果全由发电机提供并经过长距离输送是不合理的，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，这就是无功补偿【l 】6 。 我国电网建设和运行中，长期存在的一个问题是无功补偿容量不足和配备 不合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。电气 化铁路、电弧炉【2 】、轧机【2 ，3 】、矿井提升机【4 】等冲击性负荷使得电网无功功率不 平衡，将导致系统电压的波动、闪变，严重时会导致用电设备损坏，出现系统 电压崩溃和稳定性被破坏事故。因此无功功率补偿对电力系统十分重要【5 j i 一。 无功补偿的作用主要有以下几点： 1 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减小功率损耗。 2 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线路的合适地 点设置动态无功补偿装置可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力【6 j 。 3 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡 三相的有功及无功功率【，j 。 1 2 无功补偿装置的发展历程 并联无功补偿电容器是传统的无功补偿装置，其阻抗是固定的，不能跟随 负荷无功需求的变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿，最大的优点是 费用节省。而随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来 越大，并联无功补偿电容器显然不能满足需求。 传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机( s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ， s c ) 。它是用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下， 可以分别发出不同大小的感性或容性无功功率。自2 0 世纪二三十年代以来的 哈尔滨理t 人学t 学硕：l ：学位论文 几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥主要作用。由于它 是旋转电机，损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情 况下已无法适应快速无功功率控制的要求。 早期的静止无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r , s v c ) 是饱和电抗器 ( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) 型的。1 9 6 7 年，英国g e c 公司制成了世界上第一台 饱和电抗器型静止无功补偿装置。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止性 的优点，响应速度快，但铁芯须磁化到饱和状态，损耗和噪声都很大，不能分 相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能成为静止无功补偿装置的主流。 电力电子技术的发展将使用晶闸管的静止无功补偿装置推上电力系统无功 功率控制的舞台。1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电力系统中演示运行使用晶 闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公 司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后，世界各大电气 公司竞相推出了系列产品。 由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，近二十年来，世界 范围内其市场一直在迅速而稳定的增长，并已占据了的主导地位。因此，s v c 往往是指使用晶闸管的静止型无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器( 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 c r ) 和晶闸管投切电容器( 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 ) ，以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者t c r 与固定电容器( f i x e d c a p a c i t o r ，f c ) 或机械投切电容器( 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 ，m s c ) 混合 使用的装置( 如t c r + f c 、t c r + m s c 等) 。晶闸管控制高阻抗变压器( t h y r i s t o r c o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r ，t c t ) 是一种特殊类型的t c r ，它利用高阻抗变压器替 代电抗器与晶闸管串联构成。各种分立式s v c 的特性比较见表1 1 【8 1 1 7 3 。 表卜i 各种分立式s v c 的特性比较 t a b l e l 1 c o m p a r i s o no f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s v c s 特性 s rt c r t c tt s c 无功输出连续连续连续 级差 响应时间m s约1 0约l o约1 0 约l o 2 0 分相调节不可以可以可以 可以 自身谐波量 小有有 无 噪声大较小稍大很小 损耗率 0 7 10 5 o 70 7 10 3 0 5 控制灵活性 著好好好 限制过压能力 很好依靠设计 依靠设计无 运行维护 简单复杂较复杂 较复杂 随着电力电子技术的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代后，一种更为先进的静 止无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置 2 哈尔滨理t 人学t 学顾f ：学位论文 静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r , s v g ) ，也称作静止同步补偿器( s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r , s t a t c o m ) 。它不需要体积大的电力电容器与电力电 抗器，体积小，调节速度快，可以做成模块式结构，根据电力系统需要灵活配 置。1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美国分别研制成功了一套8 0 m v a 和一套1 0 0 m v a 的采用g t o 晶闸管的s v g 装置，并且成功投入商业运行1 9 , 1 0 j 。 目前，世界上大量采用s v c 的国家包括美国、加拿大、英国、中国、俄 罗斯、挪威、巴西、印度等。截至2 0 0 4 年，世界上已投运或即将投运的s v c 已经达到上千台，其中仅a b b 公司制造的就达3 7 2 台，容量达到 5 1 0 0 0 m v a r 。我国2 0 世纪8 0 年代从a b b 、s i e m e n s 等公司引进s v c ，已有数 十套s v c 运行于5 0 0 k v 电站及大型冶金企业。1 9 9 9 年，清华大学与河南省电 力局合作研制出我国首台大容量士2 0 m v a rs t a t c o m ，并投入运行j 。 1 3 国内外研究现状 目前，国内外s v c 的研究多集中于应用于输电补偿和大型冶金企业的负荷 补偿的控制策略的进一步探讨。模糊控, u t l 2 】、人工神经网络【1 3 】、基因遗传算法 【l 训、专家系引1 5 】等智能控制手段被引入s v c 控制系统，使得s v c 的系统性能 更加提高。从主电路上讲，更多注意于自换相桥式电路拓扑结构的s t a t c o m 的研究。美国电力研究院还进一步提出了统一潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o w c o n t r o l l e r , u p f c ) 1 6 1 。 经过2 0 余年的发展，我国已经具备成套生产s v c 的能力。2 0 0 1 年，中国 电力科学研究院研制出具有自主知识产权的t c r 型s v c ，成功应用于工业用 户治理工程和变电站无功功率和电压的控制，2 0 0 4 年鞍山红一变3 5 k vs v c 投入运行【l7 1 。鞍山荣信电力电子公司引进乌克兰s v c 技术，进行消化吸收及 再创新，于1 9 9 7 年推出自主知识产权的s v c ，首套1 0 k vs v c 应用于鞍钢厚 板厂宽厚板生产线无功补偿引。中国西电集团最早引进a b b 公司的s v c 技 术，经过多年自主研发，现在已拥有全套自主知识产权的s v c 控制技术l l 圳。 国内各大高校和各企业联合开发出了多种s v c 控制器，s v c 技术得到很大的 发展。清华大学、华北电力大学、上海交通大学、浙江大学等高校均有较强的 s v c 研究开发能力。 国内s v c 的研究主要集中在以下两个方面：一是控制所需信号的提取和 算法的改进，二是s v c 控制器的设计。控制所需信号的提取，已由传统的模 拟电路变为现在广泛应用的瞬时多通道同时数字采样电路，提高了信号的抗干 扰能力和测试的精度及准确性。s v c 控制器也由模拟电路、单片机、p l c ，发 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 展到现在的以数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 为核心的数字化控 制系统，信号处理速度更快，广泛采用瞬时无功理论来计算补偿对象的无功功 率，同时，控制目标多样化【2 0 2 1 1 。 目前中国电力科学院、西电集团，鞍山荣信电力电子公司多针对大型用户 进行t c r 型s v c 的研制，而对1 0 k v 中小用户基本处于空白。主要原因一是 国内高压晶闸管的制造工艺无法与国外同品相比，晶闸管的耐压和导通一致性 差；二是控制器的核心技术不被国内厂家普遍掌握，产品硬件成本相对较高， 所以只有大型钢铁企业和煤矿以及部分电气化铁路使用高压t c r 型s v c 。然 而电网用电负荷一般由异步电动机、同步电动机、电热电炉、整流和照明设备 等组成，其中异步电动机占的比例最大。因此电动机、电炉、整流设备的静止 无功补偿装置具有更广阔的市场，研究中小用户的静止无功补偿装置具有重要 意义。 1 4 本文的主要研究内容 1 根据f c + t c r 型s v c 的总体结构、工作原理和性能要求，计算确定 s v c 主电路的各主要部件的参数。 2 根据c p s t e i n m e t z 平衡化原理，推导出基于瞬时无功理论的补偿电 纳计算公式，然后应用查表的方法实现补偿电纳到晶闸管触发控制角的非线性 运算。给出系统软件的主程序流程图和中断子程序流程图。 3 根据确定的s v c 主电路参数和补偿电纳计算公式应用s i m u l i n k 建立模 型，进行仿真，分析仿真结果。 4 对s v c 样机进行试验，对试验结果进行分析。 哈尔滨理- t 人学t 学硕i j 学位论文 第2 章f c + t c r 型s v c 2 1s v c 的几种基本组合形式及补偿工作原理 实用的s v c 包括并联的感性支路和容性支路，且至少其中的一路是可控 的。可控的感性支路有t c r 和t s r 两种形式，容性支路包括f c 、m s c 、 t s c 。可能的几种形式如图2 1 、2 2 、2 3 、2 4 。 t c r 图2 1 采用t c r 、t s c 组合的s v c f i g 。2 1s v cw h i c hc o m p r i s e do f t c r a n dt s c 亨亨 码q滤波器 图2 2 采用t c r 、t s c 和滤波器组合的s v c f i g 2 - 2s v cw h i c hc o m p r i s e do ft c r ，t s ca n df i l t e r s 5 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 草亨节i亨 积 滤波器眦 图2 3 采用t c r 、m s c 和滤波器组合的s v c f i g 2 3s v c w h i c hc o m p r i s e do ft c r ，m s ca n df i l t e r s f ct c r 图2 4 采用f c 、t c r 的s v c f i g 2 - 4s v cw h i c hc o m p r i s e do ff ca n dt c r s v c 的主要功能是改善电压调整率，还可以补偿功率因数。系统、负载和 补偿器的单相等效电原理图如图2 5 a 。其中u 、r 、x 分别为系统的电压、电 阻、电抗。当电压变化x l u u , 并且r x 时，反映系统电压与无功功率 动态补偿关系的特性曲线如图2 5 b 。由电力系统的分析可知，系统的特性曲线 可以用下式近似 【，砜( 1 一昙) ( 2 - 1 ) 或者 垒生：一尘生 ( 2 2 ) 一= 一= 一 、o o ， u s 跖 式中：为无功功率为零时的系统电压；s s c 为系统短路容量。可见，无功功 哈尔滨理工人学t 学硕，i ：学位论文 率的变化引起系统电压成比例的变化。 投入补偿器之后，系统供给的无功功率q 为负载功率q ：，和补偿器无功功 率q ，之和，即 q = 统+ o r ( 2 3 ) 因此，当负载无功功率仇变化时，如果补偿器的无功功率q r 总能够弥补 纽变化，从而使9 维持不变，即么q = o ，则1u = 0 ，供电电压保持恒定，这 就是对无功功率进行动态补偿的原理【1 1 1 6 6 椰2 。图2 5 b 表示出了进行动态无功 功率补偿，并使系统工作点保持在o = 纷= 常数的情形。当q = 0 时，即图中 c 点时，实现了功率因数的完全补偿。可见提高功率因数的功能是改善电压调 整率的特例。 ( a )( b ) 图2 - 5s v c 无功功率动态补偿原理图 f i g 2 - 5t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs v c sr e a c t i v ep o w e rd y n a m i cc o m p e n s a t i o n 2 2 晶闸管控制电抗器 2 2 1 晶闸管控制电抗器的结构和基本原理 t c r 的单相基本结构是一对反并联的晶闸管和一个电抗器的串联，如图2 6 。三相t c r 通常接成三角形，这样的结构并联到电网上就相当于电感负载的 交流调压电路。在图2 - 6 中t 1 、t 2 为两个反并联晶闸管，通过一个电抗器l 接 到正弦交流电压源上，晶闸管在一个周期内轮替导通，控制角为a ，a 的有效 移动范围在9 0 0 1 8 0 0 之间，基波电流都是无功电流。当a = 9 0 0 时，晶闸管完 全导通，导通角萨1 8 0 0 ，相当于电抗器直接接到电源上，这时吸收的基波电流 和无功功率最大，当a = 1 8 0 0 时，晶闸管完全截止，导通角庐0 0 ，相当于电抗 哈尔滨理丁大学丁学硕l j 学位论文 器未接到电源上，这时吸收的基波电流和无功功率为零。当9 0 0 a 1 8 0 0 时， 晶闸管为部分区问导通，导通角d 9 0 。时的电压源电压和电抗器电流波形。电抗器电流乇 的瞬时值可用下式表示： f 09 0o c o t a 斗等一蚴，a c o t 3 6 0 - 1 2 p 4 ， l0 3 6 0 0 a 9 0 0 由式( 2 4 ) 可以看出，通过调节控制角5 ，便可以调节电抗器电流f 从而 达到调节回路的电抗和基波无功功率的目的。理论分析表明，当9 0 0 a 1 8 0 0 时，f ，的基波分量有效值为 ：旦2 7 r - 2 a + s i n 2 a( 2 5 ) ，= 一 i 二) j l x ，7 【 o 式中：j 为基波电流分量的有效值；x ，为电抗器的电抗值。 9 0 0 q 三c c o ，c 1 哈尔滨理t 人学t 学顶+ i ：学位论文 式中：n o = 堕，= 了岳为特征角频率；q 为特征品质因数。 vl l 3 3 2 3 滤波电容器的安全性能校验当滤波电容器承受的电气条件超过其耐 受极限时，会出现击穿、鼓肚甚至爆炸事件。因此电容器的安全运行十分重 要。按照订货要求，电容器的基本参数为以下三个：额定电容c 。、额定电压 u 。、额定容量q 。通常各厂家还有其声称的电容器介质损耗角正切值t a n 0 。 额定电流可由下式计算 i 。= u 。c o c 。 ( 3 -