（电气工程专业论文）包钢谐波治理与电压无功综合控制系统的研究.pdf

华北电力大学： 程硕士学位论文摘要 摘要 本文阐述了并联无功补偿装置的技术现状，详细分析了无功补偿电容器与谐波 的关系及其相互影响，完成了包钢某变电所无功补偿与谐波抑制综合方案的设计。 根据电压无功综合控制的技术要求和功能，设计了一种采用i p c 工控机硬件平台和 w i n d o w s 操作系统的谐波、电压及无功综合控制系统，完成了系统的外围设备、控 制器硬件选型和软件设计。以包钢某1 1 0 k v 变电所为现场，进行了安装、调试及运 行实验。结果表明：该系统能够实时、动态调节电容器的无功输出容量，实现无功 就地平衡，谐波抑制效果良好，提高了电能质量。 关键词：无功补偿，谐波治理，电能质量，综合控制，电容器 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，p a r a l l e lr 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 et e c h n o l o g ys t a t u sh a s b e e nd i s p l a y e d ，a n dt h e nb a s e do nad e t a i l e da n a l y s i so fr e l a t i o n s h i pa n di m p a c to ft h e r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r sa n dh a m o n i c ，t h ec o m b i n e dc o n t r o ls y s t e mo f h a r m o n i cr e s t r a i n ta n dv b l t a g e r e a c t i v ep o w e ri nb a o t o ui r o na n ds t e e lc o m p a n yh a s b e e nd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h e c o n t r o lo fv o l t a g ea n dr e a c t i v e p o w e ri n t e g r a t e d t e c l m i c a l r e q u i r e m e n t sa j l df u n c t i o n ，t h ec o m b i n e dc o n t r o ls y s t e mu s i n gi p ch a r d w a r e p l a t f o ma n dw i n d o w sa n di t sp e r i p h e r a l s ，c o n t r o l l e rh a r d w a r ee l e c t i o na n ds o f t w a r e h a v eb e e nd e s i g n e d i n s t a l l a t i o n ，c o m m i s s i o n i n ga n do p e r a t i o no fa11ok vs u b s t a t i o n s h o w st h a t ：t h es y s t e mc a nd y n a m i cr e g u l a t et h eo u t p u to fr e a c t i v ec a p a c i t o r ，b a l a n c e t h er e a c t i v ep o w e r ，a n di n c r e a s et h ep o w e rq u a l i t yo w i n gt oh 踟l o n i cs u p p r e s s i o n w a n gq i n g x i o n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o l uf a n g c h e n g k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，c o n t r o lo fh a r m o n i c s ，p o w e rq u a l i 哆， c o m b i n e dc o n t r o l ，c a p a c i t o r 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文包钢谐波治理与电压无功综合控 制系统的研究，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：日期：兰叫：尘乡 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： 日期： 导师签名： 日 期： 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题研究的背景与意义 第一章绪论 随着现代工业的发展，整流设备和电弧炉等非线性用电设备在冶金、化工、电 气化铁路和直流输电工程等领域得到广泛应用。这些负荷产生大量谐波电流注入电 网，造成电压波形畸变，使电网电能质量下降，给发供电设备的安全经济运行造成 较大影响。同时，谐波对无功补偿电容器的安全运行也构成了较大威胁。谐波电流 叠加在电容器基波电流上，使电容器电流的有效值增大，电容器的温升增高，甚至 引起电容器过热而降低电容器的使用寿命或使电容器损坏。同时，谐波电压叠加在 电容器基波电压上，使电容器电压有效值增大，还可能使电压峰值增大，导致电容 器运行中发生的局部放电不能自行熄灭。这往往是电容器损坏的一个主要原因。有 关的统计资料表明，电容器的损坏有4 0 是谐波造成的【1 - 5 1 。所以，谐波污染已经成 为电力系统的主要“公害”之一。 在电力系统中，合理的无功补偿方案可以最大限度地发挥发供电设备的效能， 降低线路损耗，使电网运行达到最佳经济效益。根据系统无功电压“分层分区，就 地平衡”的调整原则，系统各变电站都分散安装了无功补偿设备，以就地调节电网 无功。当系统中存在较大的谐波分量时，电容器组既能抑制某些高次谐波，改善电 能质量；又能对某些高次谐波起放大作用，使电能质量恶化，不仅危害自身设备安 全，而且还会危及电网中其他设备和电网的安全运行。在我国，由于受到谐波的影 响，很大一部分电容器不能正常投入使用，大大影响了系统无功补偿容量的储备1 2 羽。 电容器除了起谐波抑制作用外，更重要的是向电网输送容性无功，以平衡系统 的无功功率，从而稳定系统电压。通常由电容器的投退与变压器分接头的调节一起 控制电网的无功和电压，在这里，电容器就起到了双重作用：一方面要抑制谐波， 另一方面要平衡系统无功。然而在实际的方案设计和设备选型过程中，这两方面的 作用又很难兼顾，有时甚至是矛盾的。要充分发挥电容器组在这两方面中的作用， 就要合理地对电容器进行分组和采用合理的控制策略【 4 l 。 包头钢铁公司供电厂1 1 0 k v 变电站为无人值守的变电站，该站l o k v 侧装设了 一组串有1 电抗率的电容器组，经谐波测试发现1 0 k v 母线电压总畸变率经常在 4 左右，最大时达5 5 ，电容器组投入后，发生谐波放大，总畸变率升至6 5 ， 超过国家标准4 的允许值。另根据规划，该变电站准备增容，上2 # 主变和一组电 容器，原增容设计的电容器组也是串接l 电抗率，同样存在谐波放大问题。为此， 对该变电站的电容器组进行容量与组数的选配，设计合理的串抗率，完成谐波治理、 华北电力大学工程硕士学位论文 电压与无功的综合控制，提高电能质量与电网的经济运行，具有重要的学术意义和 重大的实用价值。 1 2 谐波无功综合治理现状 1 2 1 谐波及其危害 谐波源可以分为谐波电流源和谐波电压源。谐波电流源所产生的谐波电流取决 于谐波源本身的特性，基本上与供电网的参数无关。如在工业上被广泛应用的整流 装置，其直流侧为阻感负载，整流装置产生的谐波电流是由直流电流和半导体开关 的切换方式所决定的，几乎与交流侧电压无关。但是，直流侧如果为电容滤波的二 极管电路，其输出的直流电压近似恒值，直流电压经半导体开关的切换加到交流侧， 这样生成的谐波为谐波电压。不管是谐波电流还是谐波电压，同样会给电力系统造 成危害，而谐波电流的危害更为严重【i 。j 。 高次谐波对各种电力设备、通信设备及线路都会产生有害的影响，严重时会造 成设备的损坏和电力系统事故。尤其是近年来电力电子设备的迅速增长，谐波的危 害日趋严重n 1 。高次谐波对公用电网和其它系统的危害主要有以下几个方面f 卜3 】： 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加的功率损耗，降低发电、输电及用电设备 的效率； 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使旋转电机( 发电机和电动机) 发热、 产生脉动转矩和噪声，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘 老化、寿命缩短，甚至损坏： 3 ) 谐波会导致继电保护和自动控制装置的误动或拒动，并使电气测量仪表的计 量不准确； 4 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导 致信息丢失，使通信系统无法正常工作； 5 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就 使前几个方面的危害大大增加，甚至引起严重事故。 1 2 2 无功补偿技术原则 电压是电力系统电能质量的重要指标之一，而系统的无功平衡是保证电压质量 的重要条件：系统中各种无功电源的无功出力应满足系统所有负荷和网络损耗的需 求，否则电压就会偏离额定值。当电压偏低时，系统中的功率损耗和能量损耗加大， 电压过低时，还可能危及系统运行的稳定性，甚至引起电压崩溃：而电压过高时， 2 华北电力大学工程硕士学位论文 各种电气设备的绝缘可能受到损害。通过合理调节电压和投退无功补偿设备就能使 我们的电能质量得到保证，达到稳定运行的标准和满足用户的要求f 9 。们。 电力系统除发电机可以作为无功源发出无功电力满足系统需要外，还有多种静 止无功补偿装置【l l o - 1 烈。 国家及电力部门无功补偿配置的技术原则如下 ( 1 ) 电力系统配置的无功补偿装置应能保证在系统有功负荷高峰和负荷低谷运 行方式下，分( 电压) 层和分( 供电) 区的无功平衡。分( 电压) 层无功平衡的重 点是2 2 0 k v 及以上电压等级层面的无功平衡，分( 供电) 区就地平衡的重点是l l o k v 及以下配电系统的无功平衡。无功补偿配置应根据电网情况，实施分散就地补偿与 变电站集中补偿相结合，电网补偿与用户补偿相结合，高压补偿与低压补偿相结合， 满足降损和调压的需要。 ( 2 ) 各级电网应避免通过输电线路远距离输送无功电力。 ( 3 ) 各电压等级的变电站应结合电网规划和电源建设，合理配置适当规模、类 型的无功补偿装置。所装设的无功补偿装置应不引起系统谐波明显放大，并应避免 大量的无功电力穿越变压器。 ( 4 ) 2 2 0 k v 变电站的容性无功补偿以补偿主变压器无功损耗为主，并适当补偿部 分线路的无功损耗。补偿容量按照主变压器容量的1 0 一2 5 配置。 ( 5 ) 3 5 1 1 0 k v 变电站的容性无功补偿装置以补偿变压器无功损耗为主，并适当 兼顾负荷侧的无功补偿。容性无功补偿装置的容量按主变压器容量的l o 一3 0 配 置。 ( 6 ) 电力用户应根据其负荷特点，合理配置无功补偿装置，并达到以下要求： l o o k v a 及以上高压供电的电力用户，在用户高峰负荷时变压器高压侧功率因数不 宜低于o 9 5 。其它电力用户，功率因数不宣低于o 9 0 。 国家及电力部门电压无功运行技术要求如下 ( 1 ) 无功电压工作的基本内容就是使任一时间( 适时) 和任一负荷的无功总出 力( 含无功补偿) 与无功总负荷( 含无功负荷) 保持平衡并努力降低线损。 ( 2 ) 3 5 k v 2 2 0 k v 变电站在主变最大负荷时，其一次侧功率因数不低于o 9 5 ，在 低谷时功率因数不应高于0 9 5 。 ( 3 ) 公用电网的无功补偿以公用配电变压器低压集中补偿为主，补偿高压侧功 率因数达到0 9 5 以上。 ( 4 ) 对于用户则按用电多少，即按月功率因数进行功率因数奖罚。 ( 5 ) 对于运行电压国标g b l 2 3 2 5 1 9 9 0 对供电电压质量进行规定，3 5 k v 以上供 华北电力大学工程硕士学位论文 电电压正负偏差绝对值之和不超过额定电压的1 0 ，1 0 k v 及以下供电电压允许偏 差为额定电压的士7 ；2 2 0 k v 单相供电电压为额定电压的+ 7 ，一1 0 。 1 2 3 谐波治理与电压无功综合控制技术现状 近年来，随着技术进步，运行管理水平大幅提高，微机应用技术迅速发展，无 人值班变电站正在成为一种趋势。作为变电站综合自动化的重要组成部分，电压一 无功综合控制装置的研究和应用也得到了重视和发展。华北电力大学、清华大学、 北京农业大学、山东工业大学和些电力研究单位先后提出了一些控制方案。一些 公司也先后推出了多种v q c 装置。这些电压无功综合控制装置的控制策略，大部分 为按照电压、无功综合控制的控制策略。大致可分为以下几种【1 2 2 8 1 ： 1 ) 单一功能的控制策略 这类控制器包括： 按功率因数大小控制 按母线电压曲线控制 按无功功率变化控制 按昼夜时间段控制 按负载电流大小控制 按电压电流相位差控制等。 2 ) 综合控制功能的控制策略 这类控制器包括： 按电压、功率因数复合控制 按电压、时间复合控制等。 3 ) 按电压无功综合控制的控制策略 这类控制方法也就是通常所说的“九区图”法【i ，1 6 。2 0 1 。即以主变低压侧电压为 主要控制目标，以无功功率( 或功率因数) 为参考条件，通过界定电压和无功功率 ( 或功率因数) 的上下限，将平面分为九个区，通过对不同的区域内控制方式的不 同规定，实现对电容器组和主变有载分接开关的联合控制，国内目前在线运行的电 压无功综合控制装置大多基于此法。 现行策略存在的问题有： 第一，也是最重要的一点，没有考虑谐波对控制策略的影响。所以不能从 4 华北电力大学工程硕士学位论文 根本上解决由谐波引起的电容器损坏。 第二，现有控制策略未计及电压、无功、负荷之间的耦合作用。 第三，现行的控制策略中，如何消除“投切振荡”现象，仍需进一步深入 探讨。 由前面的叙述可以知道，电压无功控制的难点在于二者的关联耦合和边界模糊 性，所以在电压无功控制引入了人工智能等算法来解决这些问题。在过去所发表的 大量文献和现场实践证明，对这些问题已经有了深入了研究和很好的效果，因此在 谐波无功综合治理当中可以吸取这些研究成果。所幸的是，由于谐波与电压无功没 有直接的关联性，在控制系统当中可以与电压无功解耦考虑，从而有可能为解决这 个问题开辟道路。 抑制谐波的方法是装设电力滤波器。电力滤波器分为无源滤波器和有源滤波 器。无源滤波器主要由电感、电容等无源器件构成。有源滤波器则在无源滤波器的 基础上增加了电力电子器件。目前在我国电力滤波器的应用中仍以无源滤波器为 主。 考虑到单独设置滤波器在经济上存在浪费，因此，通过合理设置电容器上串联 电抗器的大小，实现限制甚至消除谐波的目的。在无功、电压、谐波的综合治理当 中，应遵循以下基本原则：一是满足国标对电能质量各项指标的要求，二是杜绝谐 波的并联谐振；三是限制电容器对谐波的放大程度；四是综合考虑电容器和电抗器 对谐波的承受能力。 1 3 本文主要工作 针对包头钢铁公司供电厂7 7 孬1 1 0 k v 变电站存在的高次谐波超标的情况，以及 实现全站电压无功综合控制的要求，本论文重点研究了变电站谐波治理和电压无功 控制的问题，提出了解决方案和技术措施。具体工作内容如下： ( 1 ) 从理论上分析谐波对电容器的影响，以及电容器对谐波的放大作用，为治 理各种高次谐波，提出了电容器的分组和谐波治理的方案； ( 2 ) 结合实际设备和电网参数，为保持电压水平的稳定，提出电压无功综合控 制方案： ( 3 ) 综合考虑谐波治理和电压无功控制两者的需要，提出综合控制策略； ( 4 ) 按照以上方案，研究适合该现场的综合控制系统，实现对电网调节控制， 完成现场试运行与技术完善工作。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章无功补偿电容器与谐波抑制分析 设置并联无功补偿电容器是补偿无功功率，提高电能质量与经济运行的传统而 有效的方法，目前在国内外均得到广泛的应用，具有结构简单、经济方便的优点。 但是，其补偿容量与供电电压平方成正比，而且与谐波之间具有相互影响。本章分 析了并联电容器对谐波放大的机理，研究了串联电抗器对谐波的抑制作用，说明了 串联电抗器的选择方法。 2 1 并联电容器对谐波的放大作用 随着电力系统中的非线性负荷的不断增多和容量的增大，由此产生的谐波给电 力系统造成相当严重的问题1 - 7 1 。由于电力系统中的谐波源主要是电流源，电流源的 内阻抗很大，当外阻抗发生变化时其电流基本不变。谐波电流源的负荷是整个供电 系统，包括主系统和所有用户的电力设备。 并联电容器引起谐波电流放大的基本原理可用图2 1 说明。 ( a ) 电路( b ) 谐波等效电路 图2 1 电力系统简化电路及谐波等效电路 设厶谐波源的厅次谐波电流；l 为进入电网的办次谐波电流；l 为进入电 容器的厅次谐波电流。 当l 厶时，称为系统谐波电流放大；乞 厶时，称为电容器谐波电流放大； 当l 厶，l 厶时，称为谐波电流严重放大。 由于如 l ，忽略如。由图2 1 ( b ) 可得，l 和乙分别为 6 华北电力人学工程硕- j ：学位论文 l = 蒜踹厶 屯2 面厶 式中：噩串联电抗器的基波电抗 娩一并联电容器的基波容抗 凰一系统的等值电抗 设串联电抗器的电抗与电容器的容抗的关系为 x 。= k x r ， 一 将( 2 - 3 ) 式代入( 2 1 ) 式，( 2 2 ) 式得 l = 老鬻厶 l = 酉意丽厶 电容器的额定电压与母线额定电压的关系为： = 轰如；鲁 电容器输出的实际无功功率： q = 警= 燕 母线的短路容量： 瓯：譬 以s ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 电容器组的谐波电流放大倍数如和系统谐波电流放大倍数为两者并联的 谐波电流乙和l 分别与谐波源电流厶的比值： l i c h 气h 一一 j i ， 7 ( 2 - 9 ) 华北电力人学工程硕士学位论文 其中： = 等f 硒等淼f 亿 鱼： s n 七= o 忌0 令_ 或一o o 得出产生并联谐振q c & 为： 随j 器 产生并联谐振的鲛鼠值见表2 一l ： 表2 1 并联谐振的q c s n 值 ( 2 一1 1 ) ( 2 一1 2 ) 3 o5 0 1 1 a 0 0 4 70 0 2 0 4 从表2 一l 可以看出，并联电容器未串联电抗器( 电抗率k = 0 ) 时，3 ，5 ，7 次谐波 均可能发生谐振，相应的谐波电流趋向无穷大。实际上，由于存在电阻，谐波电流 均为一很大的有限值，谐波电流在系统感抗和电容器组之间形成谐波环流。当并联 电容器串联电抗率为k = 6 的电抗器时，对3 次谐波有可能产生谐振，而对于5 、7 次谐波，由于4 和彳。h 均小于1 ，即电容器支路对5 、7 次谐波均无放大作用。当 并联电容器串联电抗率为k = l3 的电抗器时，对3 、5 、7 次谐波均无放大作用，4 和爿。均小于l ，而且不存在高次谐波的并联谐振点。 2 2 谐波对并联电容器的危害 并联电容补偿装置为连接于系统的固定设备，其基波电流、电压、无功功率决 一户b k 华北电力大学工程硕士学位论文 定于系统的电压，而与系统负荷及运行方式无关。当谐波注入后，特别在谐振或谐 波放大的情况下，便会造成过电流、过电压、过负荷及过热，导致电容器或串联电 抗器的损坏。设装置中各次谐波电流含有率为愀厶= 厶如，向= 2 ，3 ，4 ，总谐波 电流畸变率： 2 2 1 谐波过电流 姻= 防 ( 2 1 3 ) 电容装置总电流有效值为 乇= 属i 百_ 丽= 站。正面 ( 2 - 1 4 ) 电容器和串联电抗器的过电流倍数分别为 ：争：争正面万 l c hl l h 屹= 告= 笋正面万 ll hll h ( 2 - 1 5 ) 式中b 和屯r 电容器和串联电抗器的额定电流。 国家标准高电压并联电容器规定局c 茎1 3 。由于电容器的实际电容量可能 达到额定电容量的1 1 0 倍，该允许如可能达到1 4 3 。 ：厄再瓦了j 歹再= 。 有效过电压倍数为 = 老= 等 式中r 电容器的额定电压 国家标准高电压并联电容器规定雅1 1 。 2 2 2 谐波峰值过电压 ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 电容器绝缘介质内部的局部放电决定于峰值电压。当电压瞬时值超过介质的起 始放电电压时，便产生局部游离放电，而当其瞬时值减小到介质的比放电电压较低 的熄灭电压时，局部游离放电停止，进行介质恢复，到下半个周波时又重复产生。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 谐波的频率较基波为高，能使电容器绝缘介质的起始放电电压和熄灭电压下降，局 部放电性能降低。当谐波过大，形成的峰值电压过高时，会导致产生的局部游离放 电不能熄灭，形成长期局部放电，造成介质击穿、电容器损坏。对于串联电抗器，峰 值电压会影响匝间绝缘。 峰值电压的大小不仅决定于谐波电压含量的大小，还决定于各次谐波对于基 波的相位。同样的三次谐波电压，当其峰值与基波峰值同时、同向出现时，畸变波 形的峰值电压最大，为两者峰值的算术和= 掰+ 协m = 2 ( 研+ 协) 。因此，可能出 现的最大峰值电压为基波和各次谐波有效值算术和的2 倍。并以此考核峰值过电压 的大小。 ( 1 ) 电容器 其最大可能的峰值电压为 = 压( 。+ ) ：2 ( 2 - 2 1 ) = 缸， 1 + ( 脚厶乃) 2 】 最大可能的峰值过电压倍数 2 法。等 1 + 薹( 驯妒】 ( 2 - 2 2 ) 国家标准g b 3 9 8 3 1 8 9 和g b 3 9 8 3 2 8 9 高电压并联电容器规定：搬1 2 。 ( 2 ) 串联电抗器 它可能出现的最大峰值电压为 = 压( 吮。+ ) ? 2 ( 2 2 3 ) = 现。【l + q 巩) 】 最大可能的峰值过电压倍数 = 溉2 器【1 + 薹啪2 】 ( 2 - 2 4 ) 由式( 2 2 0 ) 和式( 2 2 4 ) 可见，由于串联电抗器的谐波感抗随谐波次数成倍增大， 其谐波过电压比电容器高得多。 2 2 3 谐波过负荷 ( 1 ) 电容器。其基波及谐波无功为q c ，_ ，尼广七，和q 函= 也= 七i i l 锄， 故电容器的总无功即谐波过负荷 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 铴 1 + 薹半】 一 嚆二罄_ 1 2 6 ， = 争 1 + 型 】 过负荷倍数为 舻多2 爹 1 + 砉故删2 1 陋2 8 ， = 鲁【1 + | l l ( ) 2 】 可见，串联电抗器谐波过负荷较电容器大得多。 ( 3 ) 电容器的有功损耗。电容器的有功损耗即为发热功率，由介质损耗和金属 极板及接触电阻f 产生的电阻损耗两部分组成，即 凹= 如t a l l 瓯+ 露， ( 2 - 2 9 ) 式中t a n 6 r 损耗因数，即基波和谐波介质损耗角的正切值。 由电工材料的性能可知，在一般的谐波频率范围内，t a n 以随频率的变化不大， 例如h 高达3 9 次，各次谐波的t a n 以近似与基波t a n 6 ，相等，基波和谐波相同。故上 式可近似表示为 华北电力人学t 程硕士学位论文 凹= t a n 磊如+ ，珞 锄。孟本，蝴，+ 兰。驯， ( 2 - 3 0 ) 式中略去了h 次以上很小的谐波损耗。 电容器的抗谐波能力十分脆弱，在电网谐波的作用下，会产生发热、异响、击 穿和外壳鼓肚等引起损坏。此外不少电容补偿装置的过电流保护因谐波过电流而动 作，把电容器装置切除，无法投入运行。对于电网影响调压和无功补偿，降低运行 的电压质量和经济性，对于用户，降低功率因数，由利率受奖变为利率受罚，遭受 经济损失。 2 3 抑制谐波放大的措施 抑制谐波放大和谐波谐振的方法是多种多样的，采用何种方法应视网络情况、 负荷性质等因素确定。在公共电网应主要考虑3 、5 次谐波的抑制，在用户站应针 对负荷的特征谐波，例如交流电弧炉的特征谐波是2 、3 、4 、5 次，脉冲整流设备 是5 、7 、1 l 、1 3 次等。抑制谐波的手段虽然很多，但每种方法均有各自的特点和 适用范围，按照谐波对电网影响的程度划分，治理措施可遵循以下原则： 当谐波不是十分严重时，应考虑采用偏调谐电容器组，其主要目的是抑制 谐振、部分滤除谐波和降低工程造价。 当负荷谐波较为严重时，应考虑采用调谐滤波器，其目的是滤除谐波，改 善电网电压质量，滤波器应滤除8 0 9 0 的谐波。 当负荷是大功率波动性负荷时，除考虑滤波外，还应考虑无功功率的动态 补偿，以克服电压的波动和闪变。 并联电容器组串联电抗器是抑制谐波电流放大的有效措施，其参数应根据实际 的存在的谐波进行选择。目前国内并联电容器配置的电抗器的电抗率主要有以下4 种类型：小于0 5 、4 5 、6 和1 2 。配置小于o 5 电抗率的电抗器的主要目的 是限制电容器的合闸涌流；当采用电抗率为4 5 、6 的电抗器时，可抑制5 次及 以上的高次谐波电流；当采用电抗率为1 2 的电抗器时，可抑制3 次及以上的高次 谐波电流。 在变电站中一般以3 次与5 次谐波含有率较高，一般采用串联电抗率为6 ( 1 2 ) 的电抗器。然而在并联电容器分组较多的变电站中。电容器投入两组及以上的谐波 等效电路图如图2 2 所示： 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 2 等效电路图 设电容器和电抗器的参数相同，由图2 2 可得： 厶= 意揣厶 k 面厶 il 上 h x u ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 当办= 3 ，电抗率肛6 时，随着投入电容器组数f 的增加，厅。+ ( 肼，一群办) 将 趋向于零，产生谐振，使三次谐波放大。为了防止上述现象的产生，对于电容器分 组较多的变电站。一般采用电容器串联不同电抗率的电抗器，例如一组电容器串大 电抗，另一组串小电抗，投电容器时按先投串大电抗电容器，再投串小电抗电容器； 切电容器时相反，先切串小电抗电容器，再切串大电抗电容器。这样即可以抑制3 次及以上的谐波，又可以抑制投入电容器时的涌流。 有关资料表明，谐波是引起当前系统大部分并联电容器不能正常投入的主要原 因，严重影响了系统的无功补偿容量和电压的调整。对于电压无功控制装置来讲， 怎样控制电容器的投切并防止变电站谐波放大是当前电压无功控制装置急需解决 的问题。 通过上述的分析，以下两种措施可有效防止谐波放大，保证电容器的安全。 在电容器组的投切顺序控制上，必须严格遵守最先投和最后切串大电抗率 的电容器，在此基础上实现电容器组的循环投切。 对变电站的谐波进行监测，在投电容器之前预先判断是否会引起谐波放大， 并根据电容器组的参数以及所测量到的谐波数据决定投哪组电容器更能抑制谐波。 投入电容器后，实时测量各次谐波，判断谐波是否越限，如果越限，将电容器切掉， 以保证谐波不越限，同时对电容器也有保护作用，延长电容器的使用寿命。 2 4 本章小结 华北电力大学工程硕士学位论文 本章分析了并联补偿电容器对谐波进行放大的机理，详细说明了谐波对电容器 的危害。研究了串联电抗器对谐波的抑制作用以及电抗率的选择方法，对谐波条件 下电容器组的投、退方式进行了说明。第六章的工程应用即是以此为依据完成的。 华北电力大学工程硕j ：学位论文 第三章电压无功谐波综合控制策略及其实现 3 1 并联无功补偿与控制原理 从理论上来讲，变电站电压、无功控制是一个有着多目标( 维持供电电压在规定 范围、保持电网稳定和无功功率平衡、在电压合格的前提下使电能损耗最小) 以及众 多约束条件( 主变分接头日动作次数、电容器开关日动作次数、电压和无功上下限、 受控对象的运行状况等) 的最优控制问题5 1 。 简化的变电站等值电路如图3 1 u s u g k ：1u dr i + j x l u l 图3 1 简化的变电站等值电路 虮系统电压 ( ，卜变电站主变低压侧电压 殿j 变压器变比 q r 电容器补偿的无功功率 凰，妊一系统等值阻抗 一变电站主变高压侧电压 ( 龙负荷端电压 凡、q 分别为有功、无功负荷 届、墨变压器等值参数 毗、跹线路等值阻抗 将所有参数归算到高压侧，且忽略电压降落的横分量得： 叱蛆半 ( 3 - 1 ) 一一归算到高压侧的低压侧母线电压 足+ 系统的等值阻抗 + q 一一系统传输的功率 当变电站低压侧母线所带的电容器投入后 ：玑一丛萼掣 ( 3 2 ) u 出 电容投入后归算到高压侧的低压侧母线电压 设投电容器前后系统电压魄不变，则由( 2 一1 ) 式( 2 - 2 ) 式得 华北电力大学工程硕上学位论文 由( 2 3 ) 式可解得 叱+ 笋= + 盟等必 ( 3 - 3 ) 州堋警 将暖、叱改以低压侧实际电压表示 丝：亚巫 22 x ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 由( 2 5 ) 式可见，电压调节不仅受无功补偿量影响，而且和变压器变比及受控电 压侧母线的短路容量有关。因此变电站的电压与无功调节彼此不是孤立的，是相互 影响的，要将电压和无功综合起来考虑，以实现变电站电压、无功的最优控制。 控制变电站电压、无功调节设备所引起的变电站低压侧母线电压和从系统吸收 无功功率变化的综合特性曲线如图3 2 所示 系统容 j+ u 姜念 系2 爿 涉。 1 r 、7 棚南 u 图3 2 综合特性曲线 增大 从图3 2 可以看出，调节变压器的变比k 或无功补偿容量q c ，对母线电压沈 和从系统吸收无功功率总量q z 的影响效果如下表2 1 所示。 表3 1 变比k 变化时对u d 和q z 的影响效果表 动作类型玩和q 的变化短路容量增加对玑和q z 的影响 升主变分接头觇上升，q z 增加阮上升幅度加大，q z 增加幅度减少 降主变分接头 以下降，q z 减少下降幅度加大，q z 减少幅度减少 投电容器组叻上升，q z 减少观上升幅度减少，q z 减少幅度增大 切电容器组 以下降，q z 增加叻下降幅度减少，q z 增加幅度增大 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 改进九区图控制策略 3 2 1 一般情况下控制策略 以改进的九区图( 如图3 3 ) 为基础，结合专家知识库的历史数据，对两台主变 分别评估控制策略，再结合运行方式确定控制策略的实施。 jl i 8 q 一 1 2 1 - ： 1 0； 1 2i u 一 7 0 1 1l 叶 i ：q + 65 卜叶 4 ： 9 i 图3 3 改进的九区图 图中，q + 为分接头档位上调一档引起的无功变化量； q 一为分接头档位下调一档引起的无功变化量； 。 u + 为投电容引起的电压变化量； u 一为切电容引起的电压变化量。 以上四项数据从专家知识库读取，初始值取经验值( 或计算值) ，通过多次动作、 学习，不断更新、丰富知识库，逐步接近实际值。 各区控制策略： 0 区：电压、无功都合格，不动作； l 区：降档位，若无法降则切电容； 2 区：降档位，若无法降则切电容； 3 区：投电容： 4 区：投电容，若无电容可投则升档位； 华北电力大学工程硕士学位论文 5 区：升档位，若无法升则投电容； 6 区：升档位，若无法升则投电容； 7 区：切电容； 8 区：切电容，若无电容可切则降档位： 9 区：投电容，若无电容可投则升档位； 1 0 区：切电容，若无电容可切则降档位； l l 区，1 2 区：不动作。 3 2 2 谐波超标的控制策略 谐波超标时闭锁九区图控制策略，首先按限制3 、5 、7 次谐波的顺序确定投入 电容器，如评估结果发现无功倒送超标，放弃投电容。如果无功合格，电压过高， 则先下调主变分接头，再重新评估投电容策略，如果无法达到投电容器的允许范围， 则放弃投电容器。在达到谐波指标范围后，再部分开放九区图控制策略( 闭锁切电容 策略，延时解除，如果解除后谐波又超标，需再投电容，再投后延长闭锁时间) 。 3 2 3 无功倒送超标的控制策略 如果已经出现无功倒送超标，闭锁九区图控制策略，直接切除电容；如果目前 还没有出现倒送超标，则在评估控制策略时加一条禁止无功倒送的限制条件。是否 禁止无功倒送通过无功下限实现，下限为0 即为不允许倒送，为负则是允许倒送。 3 2 4 峰时段控制策略 当峰时段来临前，根据前一天的负荷情况，提前( 提前一个固定的时间段或是在 达到峰值的某个百分点时) 预置主变分接头。 3 2 5 运行方式对控制策略的影响 系统运行方式归纳起来有以下几种： 方式1 ：高压侧并列，低压侧并列，中压侧并列 方式2 ：高压侧并列，低压侧并列，中压侧分列 方式3 ：高压侧分列，低压侧并列，中压侧并列 方式4 ：高压侧分列，低压侧并列，中压侧分列 方式5 ：高压侧并列，低压侧分列，中压侧并列 方式6 ：高压侧分列，低压侧分列，中压侧并列 方式7 ：高压侧并列，低压侧分列，中压侧分列 1 8 华北电力大学工程硕士学位论文 方式8 ：高压侧分列，低压侧分列，中压侧分列 当中、低压有任意一侧并列运行时，两台主变的分接头必须要统一调整，只有 中、低压侧都分裂运行时，分接头和电容器都可以分段控制。 具体来说： 方式1 、2 、3 、4 ：两台主变分接头同时调整，电容器统一控制。 方式5 、6 ：两台主变分接头同时调整，电容器分段控制。 此六种方式下，每段由九区图确定的控制策略最多有两级，考虑到两段有可能 落在九区图中不同的区域( 但应该是相近的区域) ，两段的分级策略有相同的情况下， 选择该相同的控制策略： 两段控制策略均有调整分接头( 或者有一段处于0 区) 时，选择统一调整分接头； 两段控制策略均有投电容器( 或者有一段处于0 区) 时，选择执行i 段策略( 投l # 电容器) ； 两段控制策略均有切电容器( 或者有一段处于0 区) 时，选择执行i i 段策略( 从3 撑 电容器开始切) ； 两段的分级策略都不相同的情况下( 控制策略完全不同的相近的区域只有1 、2 区和3 区，5 、6 区和7 区) ，选择其中调整分接头的策略； 方式7 、8 ：两台主变分接头分别调整，电容器分段控制，控制策略的评估和执 行都相互独立。 3 2 6 闭锁功能 1 ) 手动闭锁整个控制系统，手动解除； 2 ) 动作总次数到达上限闭锁相应设备，不能手动解除； 3 ) 当日动作次数到达上限，不能手动解除，次日自动解除闭锁； 4 ) 电容器跳闸后，在一定时问内闭锁该组电容的投入，时间可整定，自动解除； 5 ) 一次设备执行命令有误( 滑档、拒动) ，闭锁该台设备，手动解除： 6 ) 保护动作闭锁相应设备，手动解除； 7 ) 变压器高压侧负荷电流大于设定值，闭锁该台变压器，恢复正常后自动解除； 8 ) 低压侧母线电压达到欠压、过压定值时，闭锁电容器，恢复后自动解除。 3 3 主要控制策略的程序流程 谐波在正常范围内、谐波超标情况下的控制流程如图3 4 和3 5 所示，图3 6 和3 7 分别为专家库检索和控制命令流程。 1 9 华北电力人学工程硕士学位论文 图3 4 谐波在正常范围内控制流程 华北电力大学工程硕士学位论文 其中，评估动作结果的标准： l 、不满足无功倒送要求，不执行； 2 、进入另一个非正常区域，不执行； 图3 5 谐波超标控制流程 2 l 华北电力大学工程硕上学位论文 图3 6 专家库检索流程图 3 4 本章小结 图3 7 控制命令执行流程图 本章研究了电压、无功控制的方法，对传统的九区控制图进行了改进。以改进 的九区图为基础，详细说明了变电站谐波抑制及电压、无功综合控制的策略及部分 控制流程，为系统的软件开发奠定了基础。 华北电力大学工程硕士学位论文 第四章电压无功控制器硬件设计 4 1 控制器功能概述 变电站电压无功控制装置作为一种在线自动控制装置，在功能上应该具有合理 的电压无功控制方案、友好的用户界面、可靠的闭锁保护、完善的数据记录等。最 基本的功能是在保证母线电压合格的前提下，充分利用母线上装设的并联电容器的 无功补偿作用，使变电站的无功达到就地平衡。控制判据以电压优先，有效保证电 压质量并使主变分接头调整次数最少。当被控母线电压运行值在其允许变动范围内 时，装置以控制调节电容器无功出力为主，有效防止发生投切振荡；当被控主变无 功负荷小于与该主变相连的母线上每组电容器容量时，装置以控制主变有载调压分 接开关为主；当被控母线电压运行值超过允许范围，且主变有载调压分接开关位置 已经处在上限( 或下限) ，或主变调压机构故障闭锁时，装置对电容器组实行强投或 强切控制。 4 2 控制器硬件系统简介 本装置采用工业控制计算机i p c 6 l o 为硬件平台，辅以外围模块( 智能传感器、 继电器板、开入开出板以及电源等) ，构成了本装置完整的硬件体系，可完成数据采 集，实时控制等工作。具体模块如图4 1 所示： ( 1 ) 电源模块：将交流2 2 0 v 电源转换为传感器工作所需的直流+ 2 4 v 电源。 ( 2 ) 开关量输入模块：取自相应设备的辅助常开接点( 断路器触点信号，变压器 档位信号等) ，用于识别现场开关状态及分接头档位信号。需要输入的开关量有：主 变高中低压侧断路器，高中低压侧母联断路器，电容器组断路器，主变分接头档位 信号、继电保护信号等。 ( 3 ) 开关量输出模块：将系统发出的控制信号( 电平信号) 转化为接点，形成输出。 需要输出的开出信号包括：用于控制主变分接头调节的开关量( 升、降、急停) 和控 制电容器组的开关量( 投、切) ，控制电抗器组的开关量( 投、切) 。 ( 4 ) 模拟量输入模块：将现场t v 、t a 二次侧的电压、电流信号转化为微机可 识别的数字信号，并起到隔离和抗干扰作用。需要采集的模拟量有：主变高压侧三 相线电压( 取自高压侧两段母线t v 二次侧) 、三相相电流( 取自高压侧两段母线t a 二次侧) ，低压侧三相线电压( 取自低压侧两段母线t v 二次侧) 。采用工业总线r s 一4 8 5 通讯。 华北电力大学工程硕士学位论文 电源 上 主变高压侧电流 i ， 交 l 键盘ll 鼠标 流 采 样 r s 4 8 5 主变高压侧电压 及 模 数 ， 转 主变低压侧母线电压 换 主变分接头 升降急停控制 光 继 工控机 电 主变分接头位置状态 隔 + 电 离 器 电容器组 i p c h 6 1 0 输 启 投切控制 动 主变高中低压侧 光 出 断路器状态 电抗器组 电斗 投切控制 高中低压侧 t c a 苗姥 母联断路器状态隔 jl 离 显示 l l电容i组断路器状态f ， 打印 通信l l i 主变及电容器保护i ， 电抗器组断路器状态l ， 图4 1 硬件原理图 ( 5 ) 工控机模块：对数据进行实时分析、逻辑判断，并具有数据存储功能。为 用户提供人机接口，用于定值的整定、手动操作、显示、打印、通讯等。 ( 6 ) 通讯接口转换模块：由于工控机采用r s 一2 3 2 接口，需要采用专用转换器与 模拟量输入模块的r s ，4 8 5 接口进行r s 4 8 5 r s 2 3 2 转换。 4 3 模拟量输入模块 在电力系统中，常常需要采集各种电压、电流、功率、频率和功率因数等电参 量数据，完成设计、分析和现场的实时控制；工作现场往往存在着较强的干扰；各 待测点离散地分布在不同的区域，并且与中央控制系统之间有较远距离。因此，实 华北电力大学工程硕士学位论文 现高电压、大电流信号以及传感器输出弱电信号问的隔离变换，并采用d s p 技术计 算处理数据，获得高精度的数字化信息，最后以总线化的数字通信方式完成数据的 远传，是电力系统特定环境下对模拟量采集输入模块的特殊要求。 数字化智能变送器模块，是针对自动控制和微机监控领域的多点遥测和实时监 控功能而设计的，其性能价格比高，使用灵活，容易实现硬件和软件组态。主要优 点为： ( 1 ) 解决了系统中多种电信号混合时可能引入的共模干扰或相互干扰问题。 ( 2 ) 解决了现场信号的隔离问题，防止强干扰信号损坏测控系统的主机。 ( 3 ) 解决了现场复杂信号的高精度数据转换问题，为系统节省a d 转换的硬件 开销。 ( 4 ) 网络化体系结构设计，简化了系统，减少了现场配线。 针对系统的不同应用要求，本装置采用的交流智能变送器为w b l 8 0 2 a 和 w b l 8 9 l a 各两套。其中w b l 8 0 2 a 是数字输出式( r s 4 8 5 总线) 三隔离型交流多路电 压智能传感器。其输入信号为交流4 路电压，输出内容为4 路电压数字量( 有效值) ， 主要用于测量低压侧两段母线上的三相线电压。w b l 8 9 1 a 是针对三相交流单元式 供电、用电设备而设计的隔离型组合参数智能传感器，可为供、配电综