（电力电子与电力传动专业论文）mcu与dsp控制的智能型动态无功补偿装置的研究.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 裳赴明 日期：姗1 f r 年占月7e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密醇在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：袁丸四日期：铷时年占月7e l 导师签名。拶艮身筻一 日期：如旷年占月7 日 摘要 摘要 电网质量问题的研究始于上个世纪2 0 年代，随着现代工业进步和现代电力技 术的不断发展，电网中的非线性元件、大负荷切换以及大量电力电子器件的广泛 应用，给电网带来了诸如功率因数低、电能损耗高、三相不平衡等严重地电网污 染，极大地影响了电力系统的安全经济运行。 本文以提高电网供电质量、补偿无功功率为背景，主要对t s c 型智能动态无 功补偿装置进行理论上的多方面探讨，研究t s c 型装置实现智能动态无功补偿的 技术方法和软硬件设计，研制出两套分别基于m c u 与d s p 控制的无功补偿装置， 分别进行过现场试验。 本文的研究主要包括以下几方面工作： 一、提出电能质量的概念，针对无功补偿的研究背景和研究意义、无功功率 理论的研究现状、无功补偿装置及其发展进行探讨，提出本文的研究目的和主要 内容；对目前t s c 型无功补偿装置研制过程中经常遇到的“投切振荡 、投切方 式不合理、电容电流谐波放大等三个问题进行分析，根据实际用户情况，提出相 应的解决方案。 二、根据用户的实际需求与有关国家标准，研制出两套分别基于m c u 与d s p 控制的无功补偿装置。分别对两套装置进行整体规划，确定系统方案，设计并实 现装置的硬件与软件。两套装置都是在采样、分析实时电网数据的基础上，以低 压电网冲击性负载为补偿对象，采用固态继电器做投切开关，实现无功功率的动 态补偿，且具有过压、欠压、断相等故障报警和保护功能。 三、m c u 控制的智能型动态无功补偿装置采用i n t c l 公司的n 8 7 c 1 9 6 k c 作 智能控制芯片，使用汇编语言进行软件的编写，装置采用电容最优投切法，很好 的解决了电容投切方式的不合理问题并且可避免投切振荡的产生。d s p 控制的补 偿装置则采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作控制芯片，应用c 语言编写程序，该 装置的采样通路档位设计大大提高了电能参数的精度，电容编码法则较好的抑制 了电容电流谐波放大。 四、两套装置的样机都进行过现场试验，无功补偿效果良好，验证了本文理 论研究的正确性与装置的实用性。其中的m c u 装置已经通过检测认证并投产。 本文最后对装置的功能进行了展望，并对整个设计、开发过程以及结果作了 总结。 关键词无功补偿：晶闸管投切电容；单片机：数字信号处理器 华南理下大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo fp o w e rq u a l i t yi sb e g u na tt h e 19 2 0 s t h e r ea r en o l i n e a rc o m p o n e n t s ， h u g el o a ds w i t c ha n dw i d eu s eo fal o to fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t si np o w e r s y s t e mw i t hm o d e r ni n d u s t r ya n dp o w e rt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h e yb r i n gp o w e r s y s t e ms e r i o u se l e c t r i c i t yp o l l u t i o ns u c ha sl o wp o w e rf a c t o r , h i g hw a s t a g e ，3 - p h a s e a s y m m e t r ya n ds oo n ，w h i c ha f f e c t ss a f ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m u n d e rt h e b a c k g r o u n d o f i m p r o v i n gp o w e rq u a l i t y a n dr e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n ，m a n ya s p e c t st h e o r yr e s e a r c hf o c u s i n go nt s ci n t e l l i g e n ta n dd y n a m i c r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o ri sc a r r i e do u t t e c h n i c a lm e t h o d sa b o u td y n a m i cr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i n g ，a r ei n v e s t i g a t e di nt h i sa r t i c l e t w od e v i c e sa r ed e v e l o p e d ，o n eb a s e do nm c ua n dt h eo t h e rb a s e do nd s p ，a n d e x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a k e nw i t ht h et w oe q u i p m e n t s t h e r ea r es e v e r a lp a r t so ns t u d y t h ef i r s tp a r ti sa c a d e m i cr e s e a r c ht h a ti n c l u d e s p o w e rq u a l i t y ，s t u d yb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ， a c t u a l i t yo fr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , t s ca n di t sd e v e l o p m e n t w h a t sm o r et h e r ea r e d i s c u s s i o no ns w i t c hs u r g e ，i l l o g i c a ls w i t c hm e t h o d sa n dc a p a c i t o rh a r m o n i cc u r r e n t a m p l i f i c a t i o nd u r i n gt s cd e v e l o p m e n t w i t ha c t u a l l yr e q u e s t ，s o l v i n gm e a n sa r ep u t f o r w a r d t h es e c o n dp a r ti sd e v e l o p m e n to ft w or e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r sb a s e do nt h e c o n s u m e r s n e e da n di n v o l v e dn a t i o n a ls t a n d a r d w h o l ep r o g r a m m i n g ，s y s t e ms c h e m e ， h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i n ga r em a d e a tf o u n d a t i o no fs a m p l i n ga n da n a l y s i so f r e a lt i m ee l e c t r i c a ld a t a ，t h et w od e v i c e sc a nc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e ro fi r r e g u l a r i m p a c tl o a d sd y n a m i c a l l y , c a ng i v ea na l a r ma n dp r o t e c t i o nw h e nm a l f u n c t i o nt a k i n g p l a c e ，s u c ha so v e ro ru n d e rn o r m a lv o l t a g e ，l a c ko fap h a s e ，e t c t h et h i r dp a r ti st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w oe q u i p m e n t s t h eo n eb a s e do n m c uu s e sn 8 7 ci9 6 k co fi n t e la sc o n t r o l l e ra n da d o p t sa s s e m b l el a n g u a g e t h e c a p a c i t o ro p t i m a ls w i t c hm e t h o du s e di nt h i ss e tc a ns o l v et h ep r o b l e mo fs w i t c hs u r g e a n da v o i di l l o g i c a ls w i t c h t h eo t h e ro n eo nt h eb a s eo fd s pa d o p t st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a o ft ia sc o n t r o li ca n du s e scl a n g u a g e i nt h i s e q u i p m e n tc l a s s i f yd e s i g no n s a m p l i n gc i r c u i t sc a l li m p r o v ee l e c t r i c a ld a t ap r e c i s i o na n dc a p a c i t o rc o d i n gm e t h o d c a l ls u p p r e s sc a p a c i t o rh a r m o n i cc u r r e n ta m p l i f i c a t i o n t h ef o r t hp a r ti st h ee x p e r i m e n t sa b o u tt h et w od e v i c e s t h ef a v o r a b l er e a c t i v e a b s t r a c t p o w e rc o m p e n s a t i o n a lr e s u l t sp r o v et h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h et h e o r ya n d d e s i g n n o wt h em c us e th a sb e e np a s s e dt e s ta n dp r o d u c e dm a s s i v e l y i nt h el a s tp a r to ft h et h e s i s ，t h ed e s i g na n dd e v e l o p i n gp r o g r e s sa n dt h er e s u l ta r e s u m m e du p k e y w o r d sr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；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 ) ； m i c r o p r o g r a m m e dc o n t r o lu n i t ( m c u ) ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) i i i 华南理1 二大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 电能质量的基本概念1 1 2 无功补偿的研究意义与背景。2 1 2 1 无功补偿的意义2 1 2 2 无功功率理论的研究现状4 1 3 无功补偿装置及其发展5 1 4 课题的主要研究内容与来源6 第二章t s c 型智能动态无功补偿装置的基本原理8 2 1 无功功率补偿原理。8 2 1 1t s c 型装置的补偿原理8 2 1 2t s c 型装置的结构组成原理1 0 2 2 电容补偿容量确定1o 2 2 1 电容补偿容量一般确定方法1 0 2 2 2 本文电容容量的确定1 3 2 3 电容投切控制方式14 2 4 电容电流谐波放大分析1 8 2 5 本章小结2 0 第三章m c u 控制的智能型动态无功补偿装置的研制2 2 3 1 装置整体设计2 2 3 1 1 主要功能2 2 3 1 2 使用条件2 3 3 1 3 系统构成2 3 3 2 硬件设计与实现2 5 3 2 1 控制芯片n 8 7 cl9 6 k c 简介一2 5 3 2 2 采样、保护和投切电路2 6 3 2 3 人机接口3 0 3 2 4 主电路设计方案3 3 3 3 软件控制系统与实现3 4 3 3 1 电量信号采样与计算3 5 i v 目录 3 3 2 电容最优投切3 7 3 4 现场实验4 l 3 4 1 样机硬件电路4 l 3 4 2 现场调试4 3 3 5 本章小结4 5 第四章d s p 控制的智能型动态无功补偿装置的研制4 6 4 1 装置整体设计4 6 4 1 1 主要功能4 6 4 1 2 系统构成。4 6 4 2 硬件组成与实现4 7 4 2 1 控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介4 7 4 2 2 采样、保护和投切电路4 8 4 2 3 人机接口。5l 4 2 4 设定参数存储和上位机通讯5 4 4 3 系统控制软件设计与实现5 5 4 3 1 电量信号采样与计算5 5 4 3 2 电容电流谐波放大抑制5 7 4 4 现场实验一6 0 4 4 1 样机硬件电路一6 0 4 4 2 现场调试6 l 4 5 本章小结6 3 第五章智能型动态无功补偿装置的功能扩展6 4 5 1 静止无功发生器6 4 5 2 统一潮流控制器6 5 5 3 本章小结6 7 结论与展望6 8 参考文献7 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 4 致谢7 5 v 第一章绪论 1 1 电能质量的基本概念 第一章绪论弟一早珀下匕 在理想的电力系统中，电能是以单一恒定的频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 和正弦的波 形，按规定的电压水平向用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流 应处于幅值大小相等、相位相差1 2 0 0 的对称状态。 在实际的电力系统中，由于系统各元件的参数并不是理想线性或对称的，加 之调控手段的不完善、负荷变化的随机性、负荷的不同性质及运行操作、各种故 障等其它原因，电力系统的频率和电压不能保持恒定不变，而且还会出现暂态过 程。因此，电能质量问题可以说是交流输配电系统与生俱来的，电能的理想状态 在实际中是不存在的，由此就产生了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的概念。 电能质量问题的研究始于上个世纪2 0 年代，当时德国提出了静态整流器产生 的电压波形畸变问题l ：l ，从此揭开了电能质量研究的序幕。电能质量定义f 3 l 为： 导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差，其内容涉及频率偏 差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不平衡以及电压波动和 闪变等。 1 9 8 9 年，欧共体决定制定电能质量的全面标准。1 9 9 2 年7 月欧洲电工标准化 委员会( c e n e l e c ) 正式颁布公用配电系统供电特性文件( c e n e l e c c l c b t - t f 6 8 6 ( s e c ) 1 5 ) ，作为欧洲共同市场对电能质量的统一标准。相应的以 i e e es t d5 1 9 1 9 9 2 和i e e es t dl 1 0 0 1 9 9 2 等为代表的美国标准较为详细地规定了 电力系统谐波、电压缺口、闪变等现象的定义、测量以及减轻的措施。 从上个世纪8 0 年代初开始，中国国家质量技术监督局将制定国家电能质量系 列标准列为重点项目，到2 0 0 1 年底已颁布6 个系列标准，即g b1 2 3 2 5 9 0 电 能质量供电电压允许偏差，g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪变， g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波，g b t 15 5 4 3 19 9 5 0 ( 1 1 1 ) ，l ， 厶 感性负荷仇的符号为正，即感性负荷吸收无功功率，亦称为无功负荷。 对于单个容抗为恐的纯电容元件来说( 相当于9 = 一州2 ) ，有 q = u l s i n o = - 1 2 托 0 ( 1 - 1 2 ) 容性负荷q c 的符号为负，即容性负荷供给无功功率，亦称为无功电源。 传统的功率定义大多是建立在平均值基础上的。单相正弦电路或三相对称正 弦电路中，利用传统概念定义的有功功率、无功功率、视在功率和功率因数等概 念都很清楚。但当电压或电流中含有谐波或三相电路不平衡时，功率现象比较复 杂，传统概念无法正确的对其进行解释和描述，至今尚无获得公认的无功功率定 义。建立能包含畸变和不平衡现象的完善的功率理论，是电路理论中一个重要的 基础性课题。但是，对无功功率这一概念的重要性，认识却是一致的。 学术界有关功率理论的争论可以追溯到上世纪2 0 和3 0 年代，b u d e a n u 和f r y z e 最早分别提出了在频域定义和在时域定义的方法，以后又有各种定义和理论不断 出现。8 0 年代以来，新的定义和理论更是不断推出。l9 8 3 年h a k a g i 提出的三相 瞬时无功功率理论，得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流实时检测方法。 自1 9 9 1 年以来，已多次举办了专门讨论非正弦情况下功率定义和测量问题的国际 会议，但迄今尚未找到彻底解决问题的理论和方法。新的理论往往是解决了前人 未解决好的问题，同时又存在另一些不足，或引出了新的待解决的问题。对新提 出的功率定义和理论应有如下要求i 幢l ： 1 物理意义明确，能清楚地解释各种功率现象，并能在某种程度上与传统功 率理论保持一致： 2 有利于对谐波源和无功功率的辨识和分析，有利于对谐波和无功功率流动 的理解； 3 有利于对谐波和无功功率的补偿和抑制，能为其提供理论指导： 4 能够被精确测量，有利于有关谐波和无功功率的检测、管理和收费。 4 第一章绪论 根据上述要求，可将现有的功率理论分为三大类：第一类适用于谐波和无功 功率的辨识，第二类适用于谐波和无功功率的补偿和抑制，第三类适用于仪表测 量和电能的管理与收费。迄今为止的各种功率定义和理论只是较好的解决了上述 一两个方面的问题，而未能满足所有要求。c z a r n e e k i 和d e p e n b r o c k 的工作对无 功功率的辨识，即第一类功率理论问题的解决起了较大的促进作用。h a k a g i 等 人提出的瞬时无功功率理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测和不用储能元件实 现谐波和无功补偿等问题，对谐波和无功补偿装置的研究和开发起了很大的推动 作用。但这一理论的物理意义较为模糊，与传统理论的关系不够明确，在解决第 一类和第三类理论问题时遇到困难。对于第三类理论问题的研究虽然取得了一定 成果，但至今未取得较大突破。总之，如何建立更为完善的功率定义和理论，特 别是能为供电系统和电力用户广泛接受，还需要进行更多的努力。 1 3 无功补偿装置及其发展 早期无功补偿装置的典型代表是同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e ，简称 s c ) ，同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态 补偿，但由于机组的惯性，影响了调节速度，且成本高，安装复杂，维护困难。 总体来说这种补偿手段已显陈旧。 电力电容器的迅速发展几乎取代了输电线路中的同步调相机，电力电容器补 偿按与电网连接方式分为串联补偿和并联补偿两种方式，串联补偿一般用于长距 离输电线路。这两种补偿方式都可以改善线路参数，减少线路感性无功功率，提 高电压质量。但是只能补偿固定的无功功率，在系统中有谐波时，还有可能发生 谐振，产生谐波放大使电容器组无法投运甚至烧毁。 2 0 世纪6 0 年代以来，出现了静止无功补偿技术 1 3 1t ) 4 1 ，即指用不同的静止开关 投切电容器或电抗器，使其具有吸收或发出无功电流的能力，用于提高系统的功 率因数、稳定系统电压、抑制系统振荡等功能。1 9 6 7 年，英国g e c 公司发明第一 台自饱和电抗器型静止无功功率补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t i o n ，简称s v c ) 。 1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电力系统中运行了使用晶闸管投切的静止无功补 偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力研究院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的支持下， 西屋电气公司( w e s t i n g h o u s ee l e c t r i cc o r p ) $ 0 造的使用晶闸管投切的静止无功补偿 装置投入实际运行。随后，瑞士b b c 以及日本的三菱等世界各大电气公司都竞相 推出了各自的静止无功补偿装置系列产品。我国也先后引进了数套这类装置，随 后也具备了自行设计制造这类装置的能力。 静止无功补偿装置己被广泛应用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段 补偿，也大量用于负载无功补偿。静止无功补偿装置的重要特性，是它能连续调 5 华南理下大学硕士学位论文 节补偿装置的无功功率。早期静止无功补偿装置采用断路器做投切开关，由于用 断路器作为接触器的开关速度较慢，约为l o s 3 0 s ，不可能快速跟踪负载无功功率 的变化，而且投切电容器时可能会引起严重的冲击电流和操作过电压，这样不但 容易造成接触点烧焊，而且可能使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修多。 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，无功功率补偿技术和电力电 子技术不断结合、发展。交流无触点开关s c r 、g t r 、g t o 等的出现，将其作为 投切开关，速度可以提高5 0 0 倍，对任何参数，无功补偿都可以在一个周波内完成， 而且可以进行单相调节。现今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管投切 的无功补偿设备。 近1 0 多年来，使用晶闸管投切的静止无功补偿装置在世界范围内的市场一直 在迅速而稳定地增长，已占据了静止无功补偿装置的主导地位。使用晶闸管投切 的静止无功补偿装置f ”l 包括晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ，简称 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 ，简称t s c ) ，以及这两 者的混合装置( t c r + t s c ) ，晶闸管控制电抗器与固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r ，简 称f c ) 或者机械投切电容器( 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 ，简称m s c ) 混合使 用的装置( t c r + f c ，t c r + m s c 等) 。而晶闸管控制电抗器型包括相控电抗器型与 相控高阻抗变压器型 随着电力电子技术的进一步发展，上世纪8 0 年代出现一种更为先进的静止型 无功补偿装置一一静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ，简称s v g ) ，该装置是采 用自换相变流电路的静止无功补偿装置，也称为高级静止无功发生器( a d v a n c e d s t a t i cv a rg e n e r a t o r ，简称a s v g ) ，或者静止调相器( s t a t i cc o n d e n s e r ，简称 s t a t c o n ) 。日本和美国已分别有数台s v g 装置投入实际运行。s v g 将电压源逆 变技术应用到无功补偿领域中，它并联于电网中，与s v c 相比，不需要大容量的 电容和电感贮能元件，谐波含量小。而静止同步串联补偿器( s a t i cs y n c h r o n o u s s e r i e sc o m p e n s a t o r ，简称s s s c ) 的结构与s v g 类似，不同之处是s s s c 串联在电网 中，通过控制换流器改变其输出电压的幅值或相位，从而改变线路两端的电压， 实现对线路的有功、无功潮流的控制。 由s v g 及s s s c 复合成统一潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ，简称 u p f c ) ，u p f c 集并联补偿、串联补偿、移相等多种功能于一身，既能稳定系统 电压，又能保证输电线路的有功、无功潮流的双向流动，增大系统的稳定性和提 高输电能力。目前，u p f c 尚处于研制阶段。 1 4 课题的主要研究内容与来源 本文对电能质量概念、无功补偿的研究意义和背景、无功补偿装置的分类进 6 第一章绪论 行综述，对t s c 型智能动态无功补偿装置进行理论上的多方面探讨，研究了t s c 型装置的整体规划和软硬件设计，研制出两套分别基于m c u 与d s p 控制的智能 型动态无功补偿装置，分别进行过现场试验。两套装置的无功补偿效果良好，较 好的验证了本文理论研究的准确性和实用性。 本课题来源于深圳市力量电能技术有限公司、肇庆市依波尔斯电能控制设备 有限公司分别与高校合作的两个项目。深圳市力量电能技术有限公司与高校的合 作的项目是m c u 控制的智能型动态无功补偿装置，选择i n t e l 公司的n 8 7 c 1 9 6 k c 做智能控制模块芯片，实现对负载端无功功率的实时检测，利用固态继电器做投 切开关达到动态投切补偿电容。肇庆市依波尔斯电能控制设备有限公司与高校的 合作项目是d s p 控制的智能型动态无功补偿器，采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制芯片，低压电网冲击性负载作为补偿对象，固态继电器作为执行元件， 实现动态无功功率补偿。 7 华南理t 大学硕士学位论文 第二章t s c 型智能动态无功补偿装置的基本原理 2 1 无功功率补偿原理 电路中，电感元件具有储存磁场能量的性质，电容元件具有储存电场能量的 性质，它们与电源之间要进行能量交换，但二者并不消耗能量。电力网中电动机 和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功 率相等，这种功率称为感性无功功率。接在交流电网中的电容器，在一个周期内 上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种充放电功率叫做容性无功功率。 根据电感和电容的特性，将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时， 正好电容器释放能量，而电感释放能量时，电容器吸收能量。能量就在它们之间 交换，即感性负荷所吸收的无功功率，可以由电容器所释放的无功功率中得到补 偿，也就达到无功补偿的目的。 2 1 1t s c 型装置的补偿原理 本文研究的晶闸管投切电容器的智能型动态无功补偿装置( t s c ) l l 主要由控 制器、投切开关和电容器组三部分组成，属于并联型无功补偿装置。t s c 的基本 原理如图2 1 所示，图2 1 a ) 是单相电路图，两个反并联晶闸管将电容器接入电网 或从电网断开。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， 如图2 1 b ) 中o c 所示。 f iu 、 a ) 单相结构b ) 电压一电流特性 图2 1t s c 的基本原理 f i g 2 lb a s i cp r i n c i p l eo ft s c t s c 型补偿装置的无功补偿作用和原理可用图2 2 来解释。图中电源发出的 总电流，可以分为流过负载的电流，l ，流过补偿电容器的电流如，电压和 关系如右边的向量图所示。负载流过的电流，l 可以分解为有功电流分量昂 电流分量，口。端1 ：3 上并联了电容以后，流过补偿电容器的电流如并不改变 8 第二章t s c 型智能动态无功补偿装置的基本原理 + u a ) 电路图b ) 向量图 图2 2 无功补偿原理示意图电流 f i g 2 2s k e t c hm a po fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n - - c u r r e n t 的工作情况，但容性电流如与场方向相反， 电流显著地减小，即七降低为= 乇一厶， 无功补偿作用。 图2 3 进一步说明t s c 型装置的无 功补偿作用和原理。电网内部装设的 电容器组，可以发出无功功率、提高 功率因数。假设电感性负荷需要从电 源吸取的无功功率为q ，加装电容器 后，补偿无功功率为q c ，使得电源输 故可以抵消一部分场，使来自电源的 功率因数由c o s 缈提高到c o s 孽o ，达到 s 产l 7r 土占 ：影， q ， p 兰竺至2 孕率减乏型呈：= q q ，竺竺 图2 3 无t h 名k 偿原理示意图功率 因数可以由c 。s 缈提高到c o s ( p ，视在功 一f i g 2 二三f k j j e t i c - i h i m 二。；三：t ：v ep 。二l ： 率s 也减少到s7 ，实现无功补偿，改善 电能质量。 c o m p e n s a t i o n - - p o w e r 晶闸管投切电容器是利用电力电子开关来投切电容器。晶闸管的开、关是无 触点的，其操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投入时刻可以精确控制，可以 快速无冲击的将电容器接入电网，大大减少了投切时的冲击电流和操作困难，动 态响应时间约为0 o l 0 0 2 秒。同时，由于晶闸管是在电流过零时自动关断的，这 就避免了拉弧现象。t s c 型装置能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最佳馈电 功率因数，实现动态无功补偿，减小电压波动，提高电能质量，节约电能。 t s c 应用于供电系统时，考虑技术和经济因素，一般采用电容器合理分组、晶 闸管分别投切的方式来控制每一时刻投入系统的补偿容量。尽管属于阶梯状分级 投切，仍可达到相对平滑地调节无功功率的目的。t s c 实际上就是断续可调的提 供容性无功功率的动态无功补偿器。t s c 虽然不能连续调节无功功率，但具有运 行时不产生谐波而且损耗较小的优点。 9 华南理工大学硕+ 学位论文 当t s c 用于三相电路时可以是4 接法，也可以是】，接法。每一相都可设计成 分组投切，以提高静态补偿精度。电容器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，但是综合考虑到系统复杂性以及经济性( 晶闸管 开关成本比交流接触器高很多) ，一般采用二进制的方案。具体的分组方式讨论将 在第三章的电容最优投切中展开。 2 1 2t s c 型装置的结构组成原理 本文研究的t s c 型智能 动态无功补偿装置具体构造 如图2 4 所示，主要包括控 制器、主电路和补偿电容【1 7 】。 控制器包括检测单元与主控 单元，主电路与补偿电容组 成执行单元。检测单元是通 过电压、电流互感器采得电 图2 - 4 智能动态无功补偿装置构造图 f i g 2 4c o n f i g u r a t i o no fi n t e l l i g e n td y n a m i c r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t 压和电流信号，并经过运放电路、逻辑门电路得到和电网功率因数直接相关或者 间接相关的参数，并将此参数信号和电压、电流信号转换成控制单元能够接收的 形式，传递给控制单元。控制单元接收到检测信号以后，进行电能质量参数的计 算，根据投切控制方式将控制值和目标值进行比较，并且依据比较结果和相关参 数发出投切信号，经过延时送给执行单元；同时控制单元还具有过压、欠压、缺 相等报警和保护功能。执行单元接到投切信号后，通过投切开关控制电容器组的 投入和切除，实现对现场无功功率的快速、准确补偿。 t s c 型装置通过对电力系统中的无功功率进行快速动态补偿，可以实现如下 功能： ( 1 ) 对动态负荷的功率因数进行校正与提高； ( 2 ) 降低工频过电压，抑制电压波动和电压闪变，稳定受电端电压； ( 3 ) 减少电压和电流的不平衡，改善负荷的相间平衡； ( 4 ) 增加电网的输电容量； ( 5 ) 提高电力系统的静态和动态稳定性； ( 6 ) 和滤波器并联使用，滤除高次谐波和抑制谐波引起的电压畸变。 2 2 电容补偿容量确定 2 2 1 电容补偿容量一般确定方法 确定电容器的补偿容量问题关系到电网无功补偿的合理配置。众多的确定方 法都是从提高配电网的某种运行指标出发，下面介绍四种确定补偿容量方法【1 1 m l ： l o 第二章t s c 型智能动态无功补偿装置的基本原理 1 从提高功率因数需要确定补偿容量 如果电力网最大负荷日平均有功功率为e p t ( k w ) ，补偿前的功率因数为c o s p l ， 补偿后的功率因数为c o s 够2 ，则补偿容量可用下述公式计算 q = 厶( 信纪一僖仍) = 绯( 一丽t g q 7 2 ) ( 2 或者 q = 易( 跞一鼯) ( 2 2 ) 有时需要将c o s 缈提高到大于c o s 仍，小于c o s 仍，则补偿容量应该满足不等式 p ( y 野1 一翮哪“跞c o s 2 一辱 ( 2 3 ) 式中：q 广一所需补偿容量( k v a r ) ：q p f 一一最大负荷日平均无功功率( k v a r ) 。 c o s 仍应采用最大负荷日平均功率因数，功率因数的确定要适当。通常将功 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0 9 补偿容量相 当，即在高功率因数下进行补偿其效益将显著下降。这是因为在高功率因数下， c o s q o 曲线的上升率变小，所以提高功率因数所需的补偿容量将要相应的增加。 2 从降低线损需要确定补偿容量 线损是电力网经济运行一项重要指标，在网络 参数一定的条件下，设补偿前流经电力网的电流为 ，其有功、无功分量分别是厶和，q 。则 i = l p j l q ( 2 - 4 ) 若补偿后，流经网络的电流为，其有功、无功 分量为和艺，则 i j = l j p j i q ( 2 - 5 ) 但是，加装电容后不会改变补偿前的有功分量， 故有= ，p 。 补偿前的线路损耗为 a p = 3 1 2 r = 3 ( 南) 2 r 补偿后的线路损耗为 a p = 3 1 2 r = 3 ( 南 2 尺 补偿后线损降低的百分值为 乇 l q l p il ： u 图2 5 向量图 f i g 2 5v e c t o r sm a p ( 2 6 ) ( 2 7 ) 华南理工大学硕十学位论文 必= 譬x 1 0 0 = 1 - ( 嚣c o sm 毗 8 ) 。 尸 liji 而补偿容量为 q = 插w a q = 如( ，s i n p - i s i n ) = ! 茹如( ，9 9 一培缈) = 尸( 培缈一留缈) ( 2 9 ) 因此，该公式实质上与提高功率因数确定补偿容量的公式是一致的。 3 从提高运行电压需要确定补偿容量 在配电线路的末端，运行电压较低，特别在重负载、细导线的线路。加装补 偿电容后，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 电容是合理的问题。此外，在网络电压正常的线路中，装设补偿电容时，网络电 压的压升不能越限，为了满足这一约束条件，也必须求出补偿容量q c 和网络电压 增量之间的关系。 装设补偿电容前，网络电压可用下述表达式计算 u ：以+ p r + q x ( 2 1 0 ) u 2 装设补偿电容后，电源电压u i 不变，变电所母线电压协升到以，且 u ：以+ 一p r + ( q - q c ) x ( 2 1 1 ) 。 u 2 所以 a u ：以一以q c x ( 2 1 2 ) 。 u 2 q ：半 ( 2 1 3 ) 式中：u 投入电容后母线电压的增量( k v ) 三相所需总电容 q 咆= 3 鲁等妻= 等等