（电气工程专业论文）基于pwm控制的动态无功补偿装置的建模与仿真研究.pdf

t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fp w mc o n t r o l l e ds t a t i cv a r c o m p e n s a t i o nd e v i c e a b s t r a c t i nt h i sp a p e ro nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga c t u a l i v yo ft h ev a r i o u sr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nd e v i c ei n u s ei nt h ep o w e r s y s t e m ，t h ep a p e rp m s e m san e wp a t t e r n 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 em o d e lo fi ns e r i e ss t r u c t u r ec o m p o s e db yp o w e r c a p a c i t o r sa n dp w mr e c t i f i e r , a n dt h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eb ep r o v i d e dw i t ht h e v i r t u eo fn oi m p u l s i o na n da u t o m a t i s m ，c o n t i n u u mr e g u l a t et h ev o l t a g eo fp a r a l l e l c o n n e c t i o nc a p a c i t a n c ei nar a n g ea n dm o d e l i n gt h ed e v i c e t h e na n a l y z et h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fc o n t r o l ls y s t e ma n dg i v et h ep a r a m e t e ro fd e v i c ec l i n gt o t h ed e v i c em o d e l i t ss i m u l a t i o nm o d e li sb u i l tb ye m p l o y i n gm a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o na n da n a l y z i n go ft h er e s u l t sv a l i d a t et h a tt h ed e v i c ec a na d j u s tt h e r e a c t i v ep o w e rd y n a m i c a l l yp r o d u c e db yt h ep o w e r c a p a c i t o r sw i t hp w m r e c t i f i e ro f r e l a t i v e l ys m a l lc a p a c i t y k e yw o r d s ：d y n a m i c a lr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n p w mc o n t r o lm a t l a b s i m u l a t i o nw a v e f o r ma n a l y s i s 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席： 答辩委员会签名 颤：赣藏髀艚繁极 钢叫毫青 。- 彳声可致 到托 教授 学v 唔蚨瓠础 盼 创 岛分 鼙 她孑 五 集秕导 插图清单 图2 1t c r 型无功补偿装置单相原理图一 图2 2t s c 型无功补偿装置单相原理图 图2 3 三相电压型a s v g 拓扑结构图 图2 - 4 统一潮流控制器结构示意图 图2 5 装置原理接线图 图3 一l口一口坐标系中的电压、电流矢量 图3 - 2 基于p q 理论的检测方法原理图 图3 3 基于i 。、i 。理论的检测方法原理图 图3 - 4 d q 坐标变换及其矢量分解一 图4 1单相p w m 变换器原理图 图4 2p w m 电压等效原理图 图4 3 生成p w m 波形的自然采样法 图4 4 生成p w m 波形的规则采样法 图4 5s v p w m 法原理图 图4 6 开环p w m 控制系统框图 图4 7闭环p w m 控制系统框图一 图5 1 装置开关函数模型图 图5 2 坐标系( a ，b ，c ) 、( d ，q ) 及矢量分解 图5 3 系统电压解耦控制结构框图一 图5 - 4 控制系统根轨迹图 图5 5系统单位阶跃响应曲线随u 。变化图 图5 - 6 系统单位阶跃响应曲线随变化图 图5 7 系统单位阶跃响应曲线图一 图5 - 8 有扰动时系统响应曲线图 图6 1 + 输出电压控制框图“ 图6 2 无功补偿装置仿真主电路图“ 图6 3 使用本装置前母线的功率因数变化曲线- 图6 - 4 使用本装置前母线电压变化曲线“ 图6 5 使用本装置后母线的功率因数变化曲线一 图6 - 6 使用本装置后母线电压变化曲线 图6 7 无功补偿和谐波抑制控制框图t 图6 - 8 无电感时电容器支路电流波形和谐波 图6 - 9 有电感时电容器支路电流波形和谐波 图6 1 0 电容器支路滤波后的电流波形和谐波 图6 1 l 装置保护部分主电路图 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，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，也不包含为获得盒墨王些太堂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 并表示谢意。 学位论文作者签名 况拓 签字日期：w 年6 月t 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒罡王业态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 胆王些太堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论享作芦签名：勿坼 签字日期；1 ，。f 年b 月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 a 苦鸡 签字日期：p 矿年g 月，日 电话 邮编 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得 到了我的导师孙鸣教授的悉心指导，本文的写作和最终完成都倾注了孙鸣老师 的心血。由衷的感谢孙鸣老师在学业指导及生活等各方面所给予我的关心，以 及从他的言传身教中学到的做人品质和道德情操。老师广博的学识、严谨的治 学作风、实事求是的科学态度都为我未来的工作和发展打下了坚实的基础。在 此表示衷心的感谢和深深的敬意。 本次论文工作能够顺利完成，还要感谢课题组成员的愉快合作，尤其是王 磊、单咏梅、徐惠明、孔建、江海峰、王治国、赵佳婷、廖志国、徐海花、王 世勇、谢芝东、董翔字等同学给予我的帮助和鼓励，在此深表谢意。 对自大学时代以来的所有老师对我学业的指导和同学、朋友对我的帮助致 以衷心的感谢! 最后还要感谢我的父母和家人多年来对我的一贯支持。 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 近年来，我国的经济水平在迅速发展，而与此相对应的电力需求增加的比 例更大，近两年甚至出现了电力供应不足的现象，这就要求进一步增加电力的 装机容量。随着电力系统容量的增大，系统的各种损耗也随之增加。据统计， 电力系统的无功功率损耗可达总发电量的2 0 3 0 ，在我国有些农村地区甚 至可达4 0 。也就是说有很大一部分的发电容量都用来抵消输电过程中的功率 损耗，这不仅仅大大增加了发电机和变电所的设备容量，同时也是对电力资源 的巨大浪费。虽然在电力系统的运行过程中，有功和无功损耗都是不可避免的， 但是应该采取措施去尽量降低它，这从节省能源、降低电能成本、增大有功传 输容量、提高设备利用率等方面来说都是必要的“1 1 。 目前我国电网( 尤其是广大的农村电网和一些大型厂矿的配电网络) 普遍 的功率因数较低，造成了网线损较大。配电网中存在着较多的感性负荷比 如电动机消耗的电能占全国用电量的7 0 以上，而大部分的电动机由于设计和 实用上的原因其功率因数往往偏低，一般只有0 7 左右。这些感性负载在运行 时需要吸收大量的无功功率来保持系统的功率平衡。另外，随着现代电力电子 技术的发展，各种电力电子装置，尤其是大功率变流、变频装置在电力系统的 广泛应用给工业和电力企业的电能变换带来巨大方便，并在工业生产过程中得 到了广泛的应用，有些甚至己成为大型工矿企业的关键环节。但这些装置功率 因数往往很低，给电网带来额外负担并影响供电质量。为保证发电机的出力效 率，通常系统电源只提供少量的无功功率，大量的无功功率需要在各级变( 配) 电站( 所) 进行补偿。 而随着工业的发展，精密仪器的大量使用，电力系统的电压质量越来越受 到重视。在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的 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。 频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一是对电力 p d ，n y 。 系统的无功功率进行控制。这从电网中电压损耗的公式：u = ! 芝= 兰竺可以看 “ 出：在电网结构确定的情况下( 即r 和x 为定值) ，电压损耗与输送的有功功 率及无功功率有关，雨在输送有功功率定的情况下，电压损耗主要取决于输 送的无功功率n ，。 而电网在低电压或高电压状态下运行时，都将带来很大的危害。例如当低 电压运行时，会导致发电厂的出力降低，减少输变电设备的送电能力；增加电 网的功率损耗和电能损耗；电动机起动困难，长期运行会导致电动机烧毁：降 低用电电器的效率；造成产品质量的降低，影响精密仪器的运行：压降过大时 会导致电压崩溃和系统解列。而在高电压下运行时会出现的问题有：使供电设 备绝缘加速老化，缩短其使用寿命波，危机电网的安全运行；可能会迫使部分 无功补偿设备退出运行，降低其利：增加变压器、电动机的无功功率损耗以及 配电网的电能损耗；加大电网的谐用率和经济效率；影响生产过程的正常运行 和产品质量。所以，在i e c 和国家标准中都对供电电压的波动范围作了规定， 并且作为考核电压质量最重要的指标之一。而无功功率不足或者过剩是造成电 压质量下降的主要原因之一，所以对无功功率进行合理的补偿也是解决电压质 量问题的一个重要方面。 众所周知电力系统的负荷是时刻在变化的，那么需要平衡的无功功率亦随 之时刻在变化。因此要做到真正意义上的无功平衡，最好的方法是要实现跟随 电力系统动态变化的无功功率补偿。实施动态无功功率补偿不仅能做到正常运 行无功平衡，在系统事故或遭遇大的冲击后，枢纽点电压迅速下降，无功平衡 突然破坏时还能够提供能快速反应的动态无功支撑，有利于维持暂态时系统电 压的稳定。所以动态无功补偿是以后配电系统无功补偿的发展方向，也是用户 电力技术( c u s t o mp o w e r ) 的重要组成部分。 1 2 无功补偿的方法和补偿容量的确定 1 2 1 无功补偿的主要方式 无功补偿的方式主要分为三种：就地补偿、分组补偿和集中补偿。分别介 绍如下： 一就地补偿。指将补偿设备直接装设于用电设备附近，例如将补偿电容器 直接并联于电动机的供电回路上。这种补偿方式适用于需要补偿的无功容量较 大，运行时间长并且远离供电母线的负荷，主要应用于大型电动机等补偿。其 优点是可以减少配电网和变压器中的无功流动从而减少有功损耗，还可以减少 配电线路的导线截面积配电变器的容量。缺点是用电设备停用后补偿设备就没 有作用了，利用率比较低、投资大，并且对于运行在变速运行、正反向运行、 反接制动等电机不适用。 二分组补偿。指补偿设备接在分组配电母线开关外侧，适用于负荷比较分 散且补偿容量又较小的电力用户。其优点是有利于进行内部无功分区控制，实 现无功负荷分区平衡，有利于降低损耗，补偿设备利用率较高，但维护上不方 便，若补偿设备容量不可变，容易造成过补或欠补。 三集中补偿。指将补偿设备装于变电站或用户降压变电站高压母线，也可 装设于用户总配电室低压母线，适用于负荷较集中，离配电母线较近，补偿容 2 量较大的场所。在实际应用中，考虑到补偿的效果和经济效益，这种补偿方式 使用的最多。其优点是补偿设备利用率高，维护方便，在同等有功功率需求下， 可有效减小需要的变压器容量，且当负荷变化时能起到调压作用，可以改善电 压质量。 综上所述，三种补偿方式各有利弊，在实际使用中应该根据具体的情况分 析，合理采用。但是对于一般的配电网和电力用户来说，考虑到补偿的经济性 和方便性，使用最多的还是在变压器出1 ：3 侧进行集中补偿。 1 2 2 确定无功补偿容量的方法 在进行无功补偿前，需要对系统所需要补偿的无功容量进行计算，以找出 最佳的补偿容量，这样才能使得设备的成本较低并且利用率较高，做到经济性 和技术性的统一。一般来说，无功补偿的方法有如下几种”3 ： 一从提高功率因数来确定补偿容量 如果电网最大负荷平均有功功率为p 。，补偿前的功率因数为s p ，补偿后 的功率因数为c o s ，则补偿容量q c 可用下述公式计算 线= ( 昏一厮 c o s p 应采用最大负荷日平均功率因数，c o s 要在考虑经济效益的情况下 选取一个适当的值。比如将功率因数从0 9 提高到1 所需的补偿容量与将功率因 数从0 7 2 提高到o 9 所需的补偿容量相同。因此，在高功率因数下进行补偿其 补偿效益将显著下降，所以如果没有特殊要求一般只需要补偿到比要求的功率 因数稍微高一点即可。 二从提高运行电压需要来确定补偿容量 一般来讲在配电线路的末端运行电压都较低，尤其是在重负荷、细导线的 线路。进行无功补偿之后，可以提高运行电压，这就产生了按提高电压的要求 选择多大的补偿容量比较合理的问题。此外，在电网电压正常的线路中装设补 偿装置时，电压的压升不能越限。根据这些约束条件，可以求出补偿容量和电 压增量之间的关系。 当未进行补偿时，电网电压可用下式计算： u ，：u ，+ p r + q x( 1 - - 2 ) u 2 假设投入补偿装置之后，电源电压u l 不变，装设点母线电压u 2 上升到u 2 ， 则 u ：u ，+ p r + ( q - r q c 一) x ( t - - 3 ) u ， 所以：u ：u ：u 2 。鲜 ( 1 - 4 ) u 2 可得需要的补偿容量q c ：u 2 i a u ( 2 5 ) 另外，还有按从降低线损需要、年运行费用或者年支出费用最少等方法来 确定补偿容量。在实际使用时，可以根据实际的情况遵照其中一项或者几项标 准来确定最优的补偿容量。 1 3 现在使用的无功补偿装置的不足 以前的电力系统中能够进行动态无功补偿的装置只有调相机，调相机实质 上是专门用来产生无功功率的同步电动机，在过励磁或欠励磁的情况下，能够 分别发出不同大小的容性或感性无功功率。但是调相机的运行和发电机一样属 于旋转设备，有复杂的油、水系统，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护 复杂，响应速度慢，难以满足快速动态补偿的要求，它亦不适用于太大或太小 容量的无功功率补偿。虽然随着控制技术的进步，它的控制性能有所改善，在 无功补偿领域中其至今仍在使用，但在技术上已显落后。 现在广泛运用的无功补偿装置为并联电容器补偿。这种补偿方式简单、灵 活、方便，在具有相同的补偿容量的条件下补偿的费用比调相机低很多，因此 并联电容器补偿得到了迅速的发展，几乎取代了同步调相机，目前在我国仍是 主要的无功补偿方式。但是和同步调相机相比其只能补偿固定无功，而且当系 统中存在谐波时，如技术措施不当还有可能和系统发生并联谐振，导致谐波放 大，致使电容器因此而烧毁。当需要进行动态调节时一般只能采用电容器分组 投切的方式进行阶跃式的调节。并且由于电容器和电抗器的存在，使得他们对 系统的动态性能有一定影响。这些影响是由于它们的接入改变了网络参数，特 别是改变了波阻抗、电器长度和系统母线上的输入阻抗。所以在干扰期间，它 们都不能投入或切除。而且如果要它们纠正短时( 0 5 s ) 电压升高或电压下 降，则必须把它们迅速地投入和切除，使用传统的机械开关装置，实际上是做 不到这一点的。并且早期投切所使用的开关主要为真空接触器等机械式开关， 投切过程中所要承受的电压或者电流比较大，如果负荷变化比较频繁，就会使 开关频繁动作而大大降低其使用寿命。后来使用晶闸管做成的无触点开关来进 行投切( 即t s c ) ，极大地改进了开关的寿命和性能，但仍然无法对无功进行连 续的补偿。 随着技术的发展出现了所谓的静止无无功补偿器( s v c ) 。早期的静止无功 补偿装置是饱和电抗器( s r ) 型的。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止 4 性的优点，响应速度快；但由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都 很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题又不能分相调节以补偿负荷的不 平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。 到了2 0 世纪7 0 年代，随着大功率晶闸管应用技术的研究不断深入，出现 了各种利用电力电力器件实现的静止无功补偿装置。现在所提出的无功补偿装 置主要包括：静止无功补偿器( s v c ) ，静止无功发生器( s v g ) ，高级静止无 功发生器( a s v g ) ，统一潮流控制器( u p f c ) 等，这些装置都具有动态无功调节 的能力。但是基于成本等多方面的原因，这些新型无功补偿装置还无法大量推 广使用争。 1 4 本文的主要研究内容 基于上述的原因，本文提出了一种新型的动态无功补偿装置的拓扑结构， 这种电路拓扑充分利用了现有的无功补偿装置的资源，同时又可以通过相对较 低的成本达到对系统无功进行快速、连续调节的目的。 本文完成的主要工作是对新型的基于p w m 控制的动态无功补偿装置的电 路拓扑进行了分析，根据该装置的拓扑结构，利用电力电力变流器的相关技术， 建立了装置的数学模型。依据其数学模型，对其控制系统进行了动态性能分析 并初步给出了系统参数。然后利用m a t l a b s i m u l i n k 对该系统进行建模，并通 过仿真对系统的设计参数进行校正。最后通过对仿真结果的分析，证明了此装 置可以用相对较小容量的p w m 逆变器来达到动态调节电容器组发出的无功功 率的效果。 第二章动态无功补偿现状与新装置的提出 2 i 现有的动态无功补偿装置 2 1 1 早期的静止无功4 1 、偿装置【4 】 随着近代电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，无功补偿技术也 随之发展。晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生，以此为起点，新型的电 力电子器件不断问世，由此引发了众多行业的变革，也给无功补偿技术带来了 新的发展契机。使用晶闸管组成的交流无触点开关作为投切电容器的开关，因 为晶阐管的开关响应时间在微秒级，所以能够实现零电压投切，提高了电容器 使用的可靠性和电力系统的稳定性。 现今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管作为开关的无功补偿设 备，主要有以下几种类型： 一具有饱和电抗器( s r ) 的无功补偿装置。这种装置是最早的一种静止无 功补偿装置，早在1 9 6 7 年，这种装置就在英国制成，当时就受到了世界各国的 广泛重视，西德美国、瑞士、瑞典、比利时、苏联等国竞相研制并大力推广， 使得其广泛用于电力、冶金、化工、铁道、科研等部门，成为补偿无功、电压 调整、提高功率因数、限制系统过电压，改善运行条件经济而有效的设备。饱 和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就 分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来 稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱 和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工 作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。但是由于这种装置中的饱和电抗 器造价高，约为一般电抗器的4 倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态， 铁心损耗大，比并联电抗器大2 - - 3 倍，另外这种装置还有振动和噪声，而且调 整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所以饱和电抗器的静止无功 补偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。 二晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 型无功补偿装置。这 种装置是用晶闸管的相位控制来调整电抗器的电流，从而达到调整无功功率的 目的。其单相原理图如图2 1 所示。 u ( t ) 图2 - 1t c r 型无功补偿装置单相原理图 当用于三相电路时通常接成三角形，并入到电网中时相当于交流调压器电 路接电感性负载。此电路的有效移相范围为9 0 。1 8 0 。，当触发角n = 9 0 。时 晶闸管全导通，此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导 纳之间的关系式： ，、 b l ：b l 一5 - s 里n 5 i 其中口l 。= 軎l ( 2 一1 ) 刀 l 可知，增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基 波分量。所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达 到调整无功功率的效果。但是由于其采用的是相控原理，在调节无功的同时， 也不可避免的会产生大量的谐波。 由于单独的t c r 只能吸收无功功率而不能发出无功功率，为了解决此问题， 可以将并联电容器与t c r 配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不 同，又可分为t c r 与固定电容器配合使用的静止无功补偿器( t c r + f c ) 和t c r 与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器( t c r + m s c ) 。这种具有t c r 型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广 泛。我国江门变电站采用的静止无功补偿器是端士b b c 公司生产的 t c r + f c + m s c 型的s v c ，其控制范围为1 2 0 m v a r 。但是固定电容器的t c r + f c 型补偿装置在补偿范围从感性范围延伸到容性范围时要求电抗器的容量大于电 容器的容量，而且当补偿器工作在吸收较小的无功电流时，其电抗器和电容器 都已吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。t s c + m s c 型补偿器通过采 用分组投切电容器，在某种程度上克服了这种缺点，但应尽量避免断路器频繁 的投入与切除，减小断路器的工况。 三晶闻管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r ) 型无功补偿装置。这种 装置是将并联补偿电容器分成若干组，根据负荷无功的变化情况对补偿电容器 进行分组投切，达到调整无功补偿量的目的。其单相电路如图2 2 所示，两个 反并联的晶闸管可以将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于 抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。 图2 2t s c 型无功补偿装置单相原理图 t s c 用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络 采用星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。不论是星形还是三角形连接 都采用电容器分组投切，这样可根据电网的无功需求来分级调节。为了对无功 电流能尽量做到无级调节总是希望电容器级数越多越好，但考虑到系统的复杂 性及经济性，一般用艮1 个电容值为c 的电容和电容值为c 2 的电容组成2 k 级的电容组数。由此可见t s c 的无功调节是有级的，它无法连续的输出无功， 这就要求在实际使用中要根据具体的安装地点和负荷情况来合理选择电容器， 适当分级。 t s c 的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过分析与实验研究证明， 其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源 电压的时刻。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。并且为了保证更好的投 切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。 t s c 补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，运行实践证明这种装置 具有较快的反映速度( 约为5 1 0 m s ) ，体积小，重量轻，对三相不平衡负荷可 以分相补偿，操作过程不产生有害的过电压、过电流。但对于抑制冲击负荷引 起的电压闪变，单靠电容器投入电网的电容量的变化进行调节是不够的，所以 t s c 装置一般与电感相并联，其典型设备是t s c + t c r 补偿器。这种补偿器均 采用三角形连接，以电容器作分级粗调，以电感作相控缅调，三次谐波不能流 入电网，同时又设有谐波滤波器，大大减小了谐波。 以上所举的装置合起来统称为s v c ( s t a f fv a rc o m p e n s a t o r ) 。这些静止补偿 器对电力系统状况的调整和暂态性能的改善起到了重要的作用，且其控制技术 也比较成熟，在实际电力系统中也得到了不少的有效应用。但是它们都是利用 晶闸管进行换相控制，在无功变动时容易发生逆变现象，并且都需要大电感或 大电容来产生感性和容性无功，因而人们期待有新的补偿方式改善上述缺陷。 2 1 2 赫型的静止无功补偿装置 随着近代电力电子技术的发展，无功补偿技术也随之发展，各种新型的电 力电子器件的发明和控制理论的出现，极大地推动了电力电子技术在电力系统 中的应用。由此引发了电力行业的变革，也给无功补偿技术带来了新的发展契 机。从上个世纪八十年代以来，出现的新型静止无功补偿装置主要包括以下几 种m 嘲： 一先进静止无功发生器( a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 。上世纪七十年代， l g y u g y i 提出了利用变流器进行无功补偿的理论，后来逐步出现了应用电力电 子变流技术进行动态无功补偿的静止补偿器，a s v g 就是其中之一。 c 图2 - 3 三相电压型a s v g 拓扑结构图 a s v g 根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型 和电流型两种。图2 3 所示的原理图为电压型补偿器，如果将直流侧的电容器 用电抗器代替，交流侧的串联电感用并联电容代替，则为电流型的a s v g 。交 流侧所接的电感l 和电容c 的作用分别为阻止高次谐波进入电网和吸收换相时 产生的过电压。无论是电压型，还是电流型的a s v g ，其动态补偿的机理都是 相同的。当逆变器脉宽恒定时，调节逆变器输出电压与系统电压之间的夹角， 就可以调节无功功率及逆变器直流侧电容电压；同时调节夹角和逆变器脉宽， 即可在保持直流侧电压恒定的情况下，发出或者吸收所需要的无功功率。实际 上，由于运行效率的原因，迄今投入实用的a s v g 大都采用电压型桥式电路， 因此a s v g 往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。 a s v g 通过采用桥式电路的多重化技术、多电平技术或p w m 技术进行处 理，以消除较低次的谐波，并使较高的谐波限制在一定范围内。由于a s v g 不 需储能元件来达到与系统交换无功的目的，实际上它使用直流电容来维持稳定 的直流电源电压，和s v c 使用的交流电容相比，直流电容量相对较小，成本较 低；另外，在系统电压很低的情况下，仍能输出额定无功电流，而s v c 补偿的 无功电流随系统电压的降低而降低。因此在改善系统电压质量，提高系统暂态 稳定性、阻尼系统振荡等方面，a s v g 性能大大优于传统的同步调相机及s v c ， 这也显示出a s v g 是今后静止无功补偿技术发展的方向。 平虫 二统一潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) 。u p f c 产生的基本思 想在于使用一种统一的控制装置来同时实现并联补偿、串联补偿、移相调控等 几种不同的功能。其由两个共用直流侧电容的电压源变换器组成，变换器1 通 过变压器t l 并联接入系统，除了向变换器2 提供有功功率外，还可通过t 1 向 系统吸收或注入无功功率；变换器2 通过变压器2 串联接入系统，向线路注入 一个幅值和相角可调的串联电压来控制线路的潮流( 如图2 4 所示) 。 图z 一4 统一潮流控制器结构不恿图 有上述可见，u p f c 可以看作是一台s v g 和一台s s s c ( s t a t i cs y n c h o r o n o u s s e r i e sc o m p e n s a t o r ) 组合而成的装置，可以同时实现这两种装置的功能。因此 与其它f a c t s ( 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 ) 控制器相比，u p f c 控制范 围更大，控制方式也更为灵活。因此，u p f c 被认为是f a c t s 家族中最复杂的 也是最有吸引力的一种补偿器，它综合了许多f a c t s 器件的灵活控制手段，是 功能最强大的f a c t s 元件，它的成功运行被称作f a c t s 技术发展的重要里程 碑，对它的研究已引起各国电力界的高度重视。 三有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。随着上世纪8 0 年代三相瞬时无 功功率理论的提出，出现了一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子 装置有源电力滤波器( a p f ) ，它实际上是由全控电力电子器件构成的采取 p w m 控制的逆变器，提供与谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流，使电网 只含有基波电流，同时还可以提供无功电流，补偿电网无功功率。其优点是： 可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率同时进行补偿：可连续调节 且响应迅速；即使补偿对象电流过大，也不会发生过载，并能正常发挥补偿作 用；不会产生谐振问题，：能跟踪电网频率的变化：既可对一个谐波和无功源单 独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿：另外，a p f 在无功功率补偿时无 需贮能元件，补偿谐波时所需贮能元件容量也不大，因此体积较小。有源滤波 器按照与电网的连接方式分为并联有源滤波器和串联有源滤波器：按照p w m 逆变电路直流侧电源的性质又可分为电压型有源滤波器和电流型有源滤波器。 不同的控制方法和主电路类型有不同的适用对象和优、缺点。a p f 的概念在1 9 7 6 1 0 年由g y u g u i l 等人正式提出，8 0 年代以来随着离功率大电流全控器件的发展和 基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出得以迅猛发展。目前的 研究内容包括如何提高性价比、多功能化和小型化、与原有a p f 、p f 的关系等。 尤其是将无源滤波器和有源滤波器相结合构成混合滤波器，用无源滤波补偿、 吸收缓慢变化的无功功率和高频谐波，用有源滤波补偿冲击性无功和低频、变 化的谐波，兼有两种滤波器优点，是当前国际上谐波抑制方案研究的热点。 上面所介绍的各种基于自换相逆变器电路的静止无功功率补偿装置因其可 实现无功功率的连续双向调节，响应速度快等优点，随着技术的进步必将成为 未来无功补偿设备的重要发展方向。但是在目前的情况来看，现在的全控型电 力电子器件开关容量还不够大，而一些技术先进的较大容量器件的价格又相对 较高，因此基于成本的考虑目前采用p w m 控制的电压源型无功补偿装置容量 还不能够做得太大，这成了这些新型无功补偿装置推广普及的最大障碍。 2 2 未来的无功补偿技术和现阶段对无功补偿装置的要求 由上面的介绍可以看出，当前无功功率补偿技术的发展主要体现在与电力 电子技术的结合上。事实上，上述的新型无功补偿装置都是灵活交流输电系统 ( f a c t s ) 的组成部分，而灵活交流输电系统其本质就是将电力电子技术应用 于电力系统中，以增强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输电能力。 而随着大功率电力电子器件技术本身高速发展，未来的功率器件开关容量会逐 步升高，价格则相应下降，利用f a c t s 技术的无功功率补偿将成为未来电力自 动化系统的主流。尤其是高容量、大功率电力电子器件的进一步发展例如 i e g t 和i e c t 的出现，可以极大地提高了f a c t s 控制器的工作性能和可靠性。 尤其是基于自换相逆变器的静止无功补偿装置，因其可实现无功功率的连续双 向快速调节、响应速度快、体积小等许多突出优点，必将成为无功补偿未来发 展的重要方向。所以未来无功补偿技术的发展应该是以电力电子逆变技术为核 心，开发性能更为优越、成本更低的装置。 在现有的技术条件下，电力电子器件的容量还无法做得很大，器件的单个 耐压水平距离中高压的系统电压还有很大的差距。所以如果要想将电力电子装 置直接接于系统，必然要使用各种措施来提高装置的耐压水平，目前常用的方 法有器件的串并联、多重化、采用变压器级联等。但这些方法都要使用大量的 电力电子器件，这将不可避免的造成装置的成本大大增加；而且也将使得控制 系统变得相当复杂，不利于提高装置的可靠性和稳定性。 所以对于现阶段的无功补偿来说，找一个折衷的方案，来同时兼顾成本和 技术两方面的要求，而且最好能够充分利用系统原有电容、电抗器组和变压器 等设备，与新技术相融合。这是一个十分重要的研究课题，国内外的大量专家 学者在这上面做了很多的工作，也出现了不少的新型装置，它们共同的目的就 是在有较好补偿性能的前提下尽量降低补偿成本。尤其对于我们这样一个经济 水平不是很高的发展中国家来说，找到一种既能够对无功进行动态、连续的调 节，成本又相对比较低的方案，才是目前阶段无功补偿装置开发的主要目标。 2 3 装置原理结构的提出 基于以上的原因，本文提出了一种新型无功补偿装置的拓扑结构，这种结 构同样也是利用了电力电力器件组成，以达到较为先进的性能指标。图2 5 即 为这种新型无功补偿装置的原理接线图( 在这里只画出单相示意图，其余两相与 此相同) 。 母线 图2 - 5 装置原理接线幽 由图2 5 可以看出，此装置主要是由下面几个部分组成：c 是并接到系统 中的补偿电力电容器组；t b 为变压器，其原边绕组串接在电容器组回路中，副 边绕组接在电力电子变流器的输出端；电力电子变流器提供需要的动态改变的 电压；各部分的控制调节都由控制器协调完成。此装置的基本原理是将直流电 源电压u d 。逆变后接入变压器t b 的原边，由于系统母线的电压u 可以近似认为 是不变的，因此当逆变器的输出电压改变时即可使得电容c 上的电压产生变化， 以此来改变送入系统中的无功功率大小，达到无功调节的目的。这种系统结构 最大的好处就是将逆变器输出的低电压先经过变压器变换成较高的电压，然后 再将这个电压施加到并入系统母线的电容器上，通过电容器上电压的改变来达 到无功调节的目的，而不是直接将变压器串连到系统中，这样可以有效地降低 逆变器上电力电子器件所承受的电压，达到以较低的成本来进行相对较大的无 功调节范围的目的。 由装置原理可知，此装置的调节方式是通过改变电力电子变流器交流输出 电压的幅值与相位( 与母线相电压同相或反相) 来改变t b 原边的电压e ，从 而改变了电容器组c 上的电压u ，。由于电容器发出的感性无功为： = u c j c = c o c u 2 ( 2 2 ) 所以当电容器的端电压变化时，其发出的无功功率与电压的平方成正比变化。 而逆变器的输出电压可以连续、快速地变化，因此电容器所发出的无功功率便 可以无级、迅速地调节。 第三章无功功率理论与无功电流检测 3 1 无功功率理论及其发展汹1 3 i 1 传统的无功功率理论 要进行无功功率补偿技术的研究，首先要了解无功功率理论。人们对有功 功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举的。在正弦电 路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得公认的无功 功率定义。但对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要性的认识，却是 一致的。无功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿，后 者实际上就是谐波补偿。但一般如果没有特别说明，所指的无功补偿都是专指 对基波无功功率的补偿。 国际电工委员会( i e c ) 规定发电机实际的端电压波形在任何瞬间与基波波 形之差不得大于基波幅值的5 ，因此可以认为发电机电势具有纯正弦波形，没 有谐波分量。如果负荷是纯电阻性的，那么电流波形将是与电压同频率同相位 的纯正弦波形。理想的供电系统就是要求电网中的电压和电流具有同频率同相 位的纯正弦波形。但是负荷中储能元件的存在。使得电流波形与电压波形之间 产生了相移。而负荷中非线性用电设备的存在，使得电网中的电流产生了畸变， 即有谐波电流存在。其谐波含量取决于它本身的特性和工作状况，基本上与电 力系统的参数无关，因而可近似看作谐波恒流源。这些非线性用电设备产生的 谐波电流注入电力系统，使系统各处电压产生谐波分量。随着电力系统中电力 电予装置等非线性负荷的广泛使用，电网的波形畸变目益加剧。而以前的电压 和电流都为正弦波形条件下的经典的功率定义和物理过程的解释已适应不了实 际需要，因此有必要重新认识和分析在各种条件下的无功功率的定义和理论。 一正弦电路的无功功率和功率因数 在正弦电路中，负载是线性的电路中的电压和电流都是正弦波。设电压和 电流可分别表示为： 豁= 4 2 u s m c o tl 、 i = 4 2 i s i n ( o x 一妒) = 4 2 1 c o s o s i n c o t 一2 ，s i n 妒c o s 甜f = i p + l 式中舻一一电流滞后电压的相角 电流i 被分解为和电压同相位的分量f ，和比电压滞后9 0 。的分量i 。i ，和i 。 分别为 i p = 2 1 c o s ( o s i n c o t i r ，一 i q = 一x 2 t s i nc o s c o t j 电路的有功功率p 就是其平均功率，即 儿去r 。u i d ( o t ) = 去f 8 ( u i p + l 。i q ) d ( t o t ) 2 去r ”( u l c o s 伊瑚c o s s 2 c o t ) d ( w t )( 3 - 3 ) + 圭f 2 ( - 明s i n 伊s i n 2 m t ) d ( m t ) = u l c o s p 电路的无功功率定义为 q = u i s i n 口 ( 3 4 ) 可以看出，q 就是式( 3 3 ) 中被积函数的第2 项无功功率分量u i 。的变化 幅度。“f 。的平均值为零，表示了其有能量交换而并不消耗功率。q 表示了这种 能量交换的幅度。在单相电路中，这种能量交换通常是在电源和具有储能元件 的负载之间进行的。从式( 3 3 ) 可看出，真正的功率消耗是由被积函数的第1 项有功功率分量“f ，产生的。因此，把由式( 3 - 2 ) 所描述的i ，和七分别称为正 弦电路的有功电流分量和无功电流分量， 对于发电机和变压器等电气设备来说，其额定电流值与导线的截面积及铜 损耗有关，其额定电压和绕组电气绝缘有关，在工作频率一定的情况下，其额 定电压还和铁心尺寸及铁心损耗有关。因此，工程上把电压电流有效值的乘积 作为电气设备功率设计极限值，这个值也就是电气设备最大可利用容量。因此， 引入如下视在功率的概念： s = u i ( 3 5 ) 从式( 3 - 3 ) 可知，有功功率p 的最大值为视在功率s ，p 越接近s ，电气 设备的容量越得到充分利用。为了反映p 接近s 的程度，定义有功功率和视在 功率的比值为功率因数 a ：一p ( 3 6 ) s 从式( 3 3 ) 和式( 3 5 ) 可以看出，在正弦电路中，功率因数是由电压 和电流之间的相角差决定的。在这种情况下，功率因数常用c o s 妒来表示。 从式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 和( 3 - 5 ) 可知，s 、p 和q 有如下的关系： s 2 = p 2 + q 2 ( 3 7 ) 应该指出，视在功率只是电压和电流有效值的乘积，它并不能准确反映能 量交换和消耗的强度。在一般电路中，视在功率并不遵守能量守恒定律。 二非正弦电路的无功功率和功率因数 在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数的定义均和 正弦电路相同。有功功率仍为瞬时功率在一个周期内的平均值。视在功率、功 率因数仍分别由式( 3 - 5 ) 和式( 3 - - 6 ) 来定义。这几个量的物理意义也没有 变化。 非正弦周期函数经傅里叶分解，可以得到其有功功率 p = 去知d ) = 弘枷s ( 3 - - 8 ) 视在功率 s 刈= 辱i 萍 其中，u 。、l 为第n 次谐波电压、 相角差( n = i ，2 ，3 ) 。 ( 3 9 ) 电流的有效值，仇为第