（电气工程专业论文）高压静止无功补偿器监控系统及参数优化设计的研究.pdf

l，乓t r e s e a r c ho nm o n i t o rs y s t e ma n d p a r a m e t e rd e s i g n i n gi nt h eh i g h v o l t a g es t a t i cv a rc o m p e n s a t o r b y y a n gc u i c u i b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl u 0a n a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 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：杨孕羊 日期：l 年岁月蜘 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：如j | 年j 月雌日 日期：讼1 1 年r 月脚日 高压静止无功补偿器监控系统及参数优化设计的研究 摘要 随着电力电子技术的发展及其在工业领域中的广泛应用，带有冲击性和不平 衡性的非线性负荷在电网中的应用大量增加，使得电网中的电压，电流发生畸变， 导致电网电压波动、闪变和三相不平衡等问题的出现。随着信息技术的飞速发展， 对电能质量敏感的负荷日益增加，电能质量问题造成的危害也日益突出，因此研 究电能质量问题具有重大的意义，是近年来电力领域的研究热点。 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 ) 能够通过快速改变无功出力， 实现动态无功补偿、快速调节系统节点电压、提高送电线路输送能力的作用。在 电力系统动态稳定性方面，s v c 能够加强对系统功率振荡和系统次同步谐振的阻 尼，有利于系统故障后暂态电压的恢复和稳定，对保证电力系统安全稳定运行可 以起到十分重要的作用。本文介绍了高压静止无功补偿器( h i g hv o l t a g es t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ) 的整体结构设计与研究，包括控制和监控程序的开发；高低压控 制板的设计和制作；通讯方式和通讯协议的设计；主电路参数的设计等。装置采 用开环控制方式和闭环控制方式相结合的控制方法，实现了对电网的功率因数的 补偿和电网的不平衡的补偿；装置凭借以太网通讯技术，保证了上位机监控系统 与低电位控制板之间可靠通讯；光纤通讯技术和脉冲编码技术的应用，不仅实现 了低电位控制板与高电位触发板之间的信息交流，并且实现了高低电位的隔离作 用；在装置研究过程中，还采用了先进的方法计算了主电路及无源电力滤波器的 参数。 最后成功研制了应用于电压等级为6 k v 的高压静止无功补偿器，装置容量为 6 m v a r 。通过在高压模拟环境中运行和调试可知：装置很好的实现了实时的功率 因数补偿和不平衡补偿，同时大大减少了装置和其他负载注入电网的谐波含量。 无论是在性能方面还是在安全可靠方面都优与传统的s v c 。 关键词：高压s v c ；上位机监控系统；触发与监测系统；通讯；参数计算 l l 硕七学位论文 a b s t r a c t a st h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l ya n da p p l i e dw i d e l yi ni n d u s t r y ， al o to fa p p l i c a t i o n si ng r i do fn o n l i n e a rl o a d sw i t hi m p a c ta n du n b a l a n c ei si n c r e a s i n g ， m a k i n gg r i dv o l t a g ea n dc u r r e n td i s t o r t e da n dt h e nb r i n g i n gm a n yp r o b l e m ss u c ha s v o l t a g ef l u c t u a t i o n ，v o l t a g e f l i c k e ra n dt h r e e p h a s eu n b a l a n c e w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h es e n s i t i v el o a d sa r ei n c r e a s i n ga n dt h e d a m a g ec a u s e db yp o w e rq u a l i t yp r o b l e m si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s s o ， t h es t u d yo fp o w e rq u a l i t yp r o b l e m si so fc r i t i c a ls i g n i f i c a n c e s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) m a k e sd y n a m i cv a rc o m p e n s a t i o na n df a s ts y s t e m v o l t a g er e g u l a t i o np o s s i b l ea n di m p r o v e st h ea b i l i t yo fp o w e rt r a n s m i s s i o nb yq u i c k l y c h a n g i n gt h eo u t p u to fv a t i nt h ea s p e c to fd y n a m i cs t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m ，s v c c a ns t r e n g t h e np o w e ro s c i l l a t i o na n ds u bs y n c h r o n o u sr e s o n a n c ed a m p i n g ，a n dt h e n b e n e f i t st h er e c o v e r ya n ds t a b i l i t yo ft r a n s i e n tv o l t a g ea f t e rg r i df a u l t s oi tp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei ne n s u r i n gs t a b l eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h e i n t e g r a l s t r u c t u r ed e s i g no fh i g hv o l t a g es t a t i cv a rc o m p e n s a t o r , i n c l u d i n gt h e d e v e l o p m e n to fc o n t r o lp r o g r a m ，t h ed e s i g no fc o n t r o lc i r c u i t ，t h ed e s i g no f t h ew a y s a n da g r e e m e n t so fc o m m u n i c a t i o na n dt h ed e s i g no fm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r se t c t h e e q u i p m e n tu s e s c o n t r o lm e t h o do ft h ec o m b i n a t i o n o fo p e n - l o o pc o n t r o la n d c l o s e 1 0 0 pc o n t r o lt oa c h i e v e c o m p e n s a t i o no fg r i dp o w e rf a c t o ra n dg r i du n b a l a n c e e t h e r n e tt e c h n o l o g yi su s e dt og u a r a n t e er e l i a b l ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e r a n d1 0 wp o t e n t i a lc o n t r o lb o a r d m o r e o v e rt h eu s eo ff i b e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n d p u l s ec o d et e c h n o l o g yi st oe n s u r eb o t hi s o l a t i o na n dc o m m u n i c a t i o no f i n f o r m a t i o n b e t w e e nl o wp o t e n t i a lc o n t r o lb o a r da n dt h eh i g h d u r i n gt h ep r o c e s so fe q u i p m e n t d e s i g n i n g ，a na d v a n c e dm e t h o dt oc a l c u l a t et h ep a r a m e t e r so ft h em a i nc i r c u i ta n d p a s s i v ep o w e rf i l t e ri sa d o p t e d i nt h ee n d ，ah i g hv o l t a g es t a t i cv a rc o m p e n s a t o re q u i p m e n tw i t ht h ec a p a c i t yo f 6 m v a ru s e di n6 k vp o w e rn e t w o r ki sd e v e l o p e di no u rl a b o r a t o r y b yd e b u g g i n gi n t h ec i r c u m s t a n c eo fh i g hv o l t a g es t i m u l a t i o n ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ee q u i p m e n t p e r f o r m sw e l li na c h i e v i n gt h ec o m p e n s a t i o no ff a c t o rp a r a m e t e r sa n du n b a l a n c e w h a t sm o r e ，i td r a m a t i c a l l yr e d u c e st h ep r o p o r t i o no fh a r m o n i cw a v e si nt h eg r i d c a u s e db yt h ee q u i p m e n t i ns u m ，w ec a nf i n dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h i se q u i p m e n t i sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a ls v ci nt h ea s p e c to fs e c u r i t ya n ds t a b i l i t ya n di nt h ea s p e c t o ff u n c t i o n k e y w o r d s ：s v c ；u p p e rm o n i t o r i n gs y s t e m ；f i r i n g a n d m o n i t o r i n gs y s t e m ； c o m m u n i c a t i o n ；p a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n i i i 高压静止无功补偿器监控系统及参数优化设计的研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要：i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i 附表索引v i i i 第1 章绪论。1 1 1 电网无功不平衡的危害及其补偿意义l 1 2 电网三相不平衡的危害及其补偿方法2 1 3 静止无功补偿技术研究现状3 1 4 本文主要研究内容及其章节安排5 第2 章上位机监控系统介绍6 2 1 数据采集模块7 2 2 数据处理模块及控制模块8 2 21 电网相关参数计算一8 2 2 2 控制算法的实现1 0 2 3 数据显示、历史查询及故障监视模块1 6 2 4 通信模块一1 9 2 4 1 通讯方式简介1 9 2 4 2 通讯协议2l 2 5 本章小结2 4 第3 章触发与监测系统2 5 3 1 低电位控制板结构及功能的实现。2 6 3 1 1 低电位控制板结构介绍2 6 3 1 2 低电位控制板的运行状态3 l 3 1 3 低电位控制板脉冲编码及通讯3 2 3 2 高电位触发板介绍3 6 3 2 1 高电位触发板模块构成介绍3 6 3 2 2 高电位触发板的工作任务及时序介绍3 9 3 3 本章小结一4 1 第4 章主电路参数计算及实验样机介绍4 2 4 1 参数计算4 2 i v 硕上学位论文 4 1 1 电抗器参数计算4 2 4 1 2 阀组的参数计算4 4 4 1 3 无源电力滤波器参数优化5 l 4 2 实验样机及其实验结果介绍5 4 4 2 1 实验样机介绍5 4 4 2 2 仿真及其实验结果5 8 4 3 本章小结5 9 总结与展望6 0 参考文献6 2 致谢6 6 附录a 攻读学位期间获得的研究成果6 7 v 图2 1 高压s v c 控制部分结构框图6 图2 2p c i 1 8 0 0 采集卡实物及单端a d 方式接线图7 图2 3 功率因数变化情况l l 图2 4 高压s v c 控制框图1 5 图2 5 波形显示界面1 6 图2 6 参数显示界面1 7 图2 7 状态监控界面1 8 图2 8 控制区界面1 8 图2 9 通讯连接方式。2 0 图2 1 0u d p 封装2 2 图3 1 高压s v c 系统整体结构。2 6 图3 2 阀基电子设备实物图2 6 图3 3 低电位控制板的电路结构2 7 图3 4 产品d s k 2 8 3 35 i 实物图2 8 图3 5 同步电路图2 8 图3 6 电光转换部分原理图2 9 图3 7 光电转换部分原理图3 0 图3 8 锁存电路原理图3 0 图3 9 电平装换电路3 l 图3 1 0 编码脉冲序列3 2 图3 1 l 双窄脉冲程序流程图3 3 图3 1 2 检测脉冲序列程序流程图3 4 图3 1 3 低电位控制板主程序流程图3 5 图3 1 4 高电位触发板实物图3 6 图3 1 5 高电位触发板功能模块3 7 图4 1t c r 结构图。4 2 图4 2 静态均压电路4 7 图4 3 动态均压电路4 8 图4 4s v c 装置及其试验平台5 5 图4 5 高压和低压开关柜5 5 图4 6 负载柜5 6 v i v n j 附表索引 表4 1 晶闸管主要参数4 6 v i i i 硕士学位论文 第1 章绪论 电能是一种经济实用、清洁方便且容易传输、转换、控制的能源形式，可以 转换成许多场合和领域所需要的各种能量形态【l 艺】。例如，电能可直接转化成光能、 热能和机械能被利用，也可以先转换成非工频、非正弦的电能形态为现代工业、 现代通信、计算机技术和日常生活提供基本动力源。理想供电系统正常运行时应 具有如下基本特性：以单一恒定的电网标称频率5 0 h z 运行；始终保持三相电压 和负荷电流的平衡运行；应该有充足的电能供应。国家电能质量标准【3 】制定出了 具体规定：不同电压等级下的电压偏差允许值一般不得超过额定电压的士5 ；电 网正常运行允许的频率偏差不得超过4 - 0 2 h z ；三相电压不平衡度的安全运行范围 一般不超过为2 ；按照不同电压等级规定，电网总畸变率极限值为5 等。 近年来，随着电力电子技术的发展及其在工业领域中应用的扩大，非线性负 荷 4 - 8 1 的应用大量增加，这些带有冲击性和不平衡性的负荷，使电网中的电压，电 流发生畸变，导致电网电压波动、闪变和三相不平衡等问题的出现。随着高新技 术尤其是信息技术的飞速发展，对电能质量敏感的负荷日益增加，电能质量【9 以5 l 问题造成的危害也日益突出，给电力用户带来经济损失也日益增加。因此研究电 能质量问题具有重大的意义，是近年来电力领域的研究热点。 1 1 电网无功不平衡的危害及其补偿意义 由于在电力系统中有显感性和容性的储能元件存在，使系统中不仅存在着用 户所要求的有功功率，而且还存在无功功率。无功功率【1 6 。1 8 l 是在电能传输和转换 过程中建立电磁场和维持电网稳定运行不可缺少的一部分功率，但是在这种能量 交换的过程中会引起电能的损耗，这将对系统产生以下一系列负面影响： ( 1 ) 电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压偏低，无功容量过剩， 则会造成电网的运行电压过高，都会影响正常的生产和生活用电。 ( 2 ) 电网的无功不平衡会导致功率因数下降，使得电能损耗大大增加，当电 网的功率因数由o 8 下降到o 6 ，系统的电能损耗几乎要提高一倍。 ( 3 ) 电网的无功容量不平衡会导致电网总电流增加，从而会使系统中电气设 设备和导线等容量大大增加，系统中的起动控制设备和量测仪表等规格、尺寸也 随之增大，所以初投资费用会增大。当传输的有功功率一定时，总电流增大，线 路和变压器的电压损失会增大，同时设备及线路的损耗也会增加。 ( 4 ) 针对发电设备，无功电流的增大，会引起发电机转子去磁效应大增，也 就导致输出端电压降低，若通过增加励磁电流来提高输出端电压，会引起转子绕 高压静止无功补偿器监控系统及参数优化设计的研究 组温升过高，所以不允许发电机达到预定的出力。在发电机视在功率一定的情况 下，无功功率的增加必然会引起原动机效率的降低。 在系统运行时，如果不对无功不平衡问题进行实时跟踪补偿，会反复地使负 载的无功功率出现大幅度的波动，这不仅使电气设备无法得到充分的利用，同时 引起网络传输能力下降，电能损耗增加，严重时可能导致设备损坏、系统瘫痪。 由此可知，合理的无功补偿【1 9 之2 】是十分必要的，不仅可以提高系统的功率因数， 减少设备的功率损耗，稳定电压，提高供电质量，还可以提高输电线路的稳定和 输电能力，从而提高供电能力，而且在三相负载不平衡的场合，适当的无功功率 补偿可以实现平衡三相。 1 2 电网三相不平衡的危害及其补偿方法 三相系统可分为平衡的三相系统和不平衡的三相系统。平衡的三相系统是指 三相电压或者电流的幅值相等、频率相同、相位互差1 2 0 度的系统。不同时满足 这三个条件的三相系统称为不平衡三相系统【2 弘2 6 1 。不平衡三相系统主要是由于各 相电源所加的负荷不均所导致的，属于基波负荷配置问题。系统不平衡运行会产 生负序分量和零序分量，对运行的电气设备产生的不良影响包括以下几点： ( 1 ) 电力变压器。在生产和生活用电中，三相系统不平衡时，会导致变压器 处于不平衡运行状态，使其损耗增加，同时电力系统三相变压器有一相电流最大， 不能有效发挥变压器的额定出力，使其利用率下降。 ( 2 ) 感应电动机。三相不平衡导致达数倍电流不平衡的发生，使感应电动机 的制动转矩增大，从而使感应电动机的温度上升、输出功率下降、能耗增加，还 可能引起电动机振动，加速电动机的绝缘老化过程，缩短使用寿命。 ( 3 ) 继电保护装置。负序电流的存在会引起继电保护和安全自动装置误动作， 影响电网的稳定运行。 ( 4 ) 换流装置。三相不平衡会使换流装置的触发角不对称，这样换流装置会 产生较大的非特征谐波，给电网带来很大的危害。 ( 5 ) 计算机系统。三相不平衡会使中线上出现不平衡电流，产生零电位漂移， 可能造成计算机无法正常工作。 可见，三相不平衡给电力系统的稳定运行带来了很多不良影响，所以必须采 取相应措旌进行改善，常用的改善方法有三种：一种是改变不对称负荷在系统中 的介入位置，比如将不对称负荷分散接于不同的供电点，减小集中连接引起的不 平衡度超标，或者将不对称负荷接入更高电压等级，增大短路容量；另一种是改 变不对称负荷的接入方式，例如采用单独的变压器供电，或者采用特殊接线的不 平衡变压器供电；第三种方法是加装三相平衡装置，s v c 具有调节范围宽、动态 性能好、可靠性高、阻抗连续可调等优点，特别适合于可变的不对称负载。因此 硕士学位论文 研究s v c t 2 7 。2 9 】对电网不平衡的改善具有重要意义。 1 3 静止无功补偿技术研究现状 电力系统的各节点的无功功率是否平衡直接决定了该节点的电压水平，由于 当今电力系统的用户中存在着大量的如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等无功功率 频繁变化的设备，同时用户中又有大量的如计算机、医用设备、测量设备等对系 统电压稳定性要求较高的精密设备，因此对系统的无功不平衡进行补偿是十分必 要的。 传统的无功补偿设备【3 0 3 l 】有并联电容器、同步调相机和发电机等，并联电 容器补偿无功具有功率损耗小、结构简单、经济、安装及运行方便等优点。但是 并联电容器阻抗值是固定不变的，不能对电网进行动态补偿，还可能会与系统发 生并联谐振，将谐波电流放大，对电网的稳定运行带来威胁；同步调相机是早期 无功补偿装置的典型代表，当装置过励磁运行时为系统提供容性无功功率，可以 提高系统电压，当装置欠励磁运行时为系统提供感性无功功率，可以调低系统电 压。它能够通过调节励磁来连续调节发出的无功功率，但它是旋转电机，噪声和 电机损耗较大，且响应速度较慢、运行维护复杂、造价较高，已达不到快速动态 无功装置的要求。所以这些设备已经越来越不能适应电力系统发展的需要。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着研究的迸一步加深，出现了一种静止无功补偿技 术，这种技术经历了一个不断创新、发展和完善的过程。所谓的静止无功补偿就 是指用不同的静止开关控制电容器或电抗器的投入和切除，实现稳定系统电压， 提高系统功率因数，抑制系统振荡的功能。所谓的静止开关通常指断路器和电力 电子开关。用断路器作为投切开关，速度较慢，无法实现实时跟踪负载变化，而 且投切时会引起冲击涌流和操作过电压，容易造成开关烧坏或者补偿设备内部击 。穿，使用寿命短，维修量大，在近年的补偿领域中应用不多。随着电力电子技术 的飞速发展，交流无触点开关s c r 、g t r 、g t o 等的相继出现，解决了断路器 在补偿投切方面无法克服的缺陷，由电力电子开关控制的补偿设备不仅可以实现 实时的跟踪无功补偿，而且可以进行单相调节【3 2 弓7 】。现今所指的静止无功补偿装 置主要有以下三大类型，一种是饱和电抗器型静止无功补偿装置 ( s a t u r a t e d r e a c t o r ，s r ) ，这类装置属于第一批静止补偿器；第二种是由电力电 子开关晶闸管控制的t c r ( t h y r i s t o rc o n t r o l r e a c t o r ) 、t s c ( t h y r i s t o r s w i t c h c a p a c i t o r ) ，这两种补偿装置统称为s v c ( s t a t i c v a rc o m p e n s a t o r ) ；第三种 是通过逆变器来实现无功动态补偿的装置a s v g ( a d v a n c e ds t a t i cv a r g e n e r a t o r ) 。 饱和电抗器型静止无功补偿装置s r t 碍j ，装置分为可控饱和电抗器型和自饱 和电抗器型两种。可控饱和电抗器通过改变绕组中的电流来改变铁心的饱和程度， 进一步改变了工作感抗的大小，从而实现控制无功电流的大小。具有自饱和电抗 高压静止无功补偿器监控系统及参数优化设计的研究 器的补偿装置是凭借电抗器自身固有的能力来实现稳定电压的功能，通过铁心的 饱和特性来控制装置的补偿能力。这种装置中的饱和电抗器造价很高，而且长期 处于饱和状态，所以铁心损耗很大。另外，这种类型的补偿装置存在噪声和振动， 调整时间比较长，动态补偿的速度也比较慢，正是由于这些缺点的存在，饱和电 抗器型静止无功补偿装置s r 应用的比较少，仅仅在超高压输电线路中有使用。 静止无功补偿器s v c 3 9 - 4 1 j ，两路反向并联的晶闸管与电抗器串联，其三相多 采用三角形接法，这样的电路并联接入电网中，相当于交流调压电路接感性负载， 所以9 0 1 8 0 为电路的有效移相范围。当晶闸管的触发角为9 0 时，晶闸管全 导通，相当于电抗器直接接入电网，补偿容量最大；当将闸管的触发角在9 0 。 18 0 。范围之内时，增大触发角即可增大补偿的等效导纳，减小补偿电流中的基波 分量，所以通过调整晶闸管触发角的大小就可以改变补偿的无功量，达到连续改 变补偿无功功率的效果；当晶闸管的触发角为1 8 0 时，晶闸管关断，电抗器全部 切除。单独的t c r 可以发出呈感性的无功功率，但不能发出呈容性的无功功率， 所以单独的t c r 不能满足电网的补偿要求，为了解决此问题，可以选择将t c r 同并联电容器结合使用，构成符合电网变化需求的无功补偿器。根据投切电容器 的元件不同，可将其分为t c r + f c 型和t c r + m s c 型。t c r + f c 型是指t c r 与固定电容器结合使用的无功补偿器；t c r + m s c 型是指t c r 与断路器投切电 容器结合使用的无功补偿器。s v c 能够通过快速改变无功出力，实现动态无功补 偿、快速调节系统节点电压、提高送电线路输送能力的作用。在电力系统动态稳 定性方面，s v c 能够加强对系统功率振荡和系统次同步谐振的阻尼，有利于系统 故障后暂态电压的恢复和稳定，对保证电力系统安全稳定运行可以起到十分重要 的作用。s v c 核心技术的全面掌握为s v c 装置的大规模推广应用奠定了重要的 基础。面对我国电力供应与消费市场的逐步成熟，电能质量日益受到重视，并借 助相应的技术标准、法律法规进行规范。对于输电网而言，随着电力体制改革的 进行，电网体制发生了巨大变化，“西电东送、南北互供、全国联网 战略的实施， 使电网规模不断扩大，对电网安全提出了更为迫切的要求。s v c 技术是解决非线 性、不平衡和冲击性负荷所带来的电能质量问题以及增加输电网送电能力，提高 动态稳定极限和增强电网阻尼的有效手段。通过历时几年针对核心技术集中攻关， s v c 核心技术研发及其成功应用为我国当前电网发展水平提供了最先进实用的 解决方案。 静止无功补偿装置a s v g 4 厶4 3 1 ，是利用变流技术实现动态无功补偿的装置， 它通过将自换相桥式电路直接或者间接并联到电网上的。a s v g 装置通过采用 p w m 技术、多重化或者多电平技术，消除了较低次数的谐波含量，并且可以将 较高次数谐波含量限制在某一范围内；虽然a s v g 要同系统进行无功交换，但是 装置并不需储能元件，它通过使用直流电容来维持直流侧电源电压的稳定，直流 硕士学位论文 电容很小，成本也比较低；装置的补偿效果不受系统运行情况的限制。正是由于 这些优点，a s v g 是现阶段配电网无功补偿和电能质量控制的发展方向之一。国 外发达工业国家已经有装置在电网和企业中投运，我国对a s v o 的研究还处于理 论研究和实验研究阶段，真正应用于电网和企业的装置不多见，其主要原因是一 些相关的理论问题和关键技术尚未得到解决。 1 4 本文主要研究内容及其章节安排 本课题是在国家8 6 3 计划引导项目大型企业电气节能新技术新装备及其工 程应用和广东省部产学研结合重大项目大型工业企业电气节能关键技术及典 型应用示范的资助下开展对高压静止无功补偿器s v c 实现技术的研究。开展本 课题的研究对缩短我国与先进国家的电能质量控制技术及装备的水平差距是很有 意义的。 本文主要的研究内容如下： 第二章主要介绍了高压静止无功补偿器s v c 装置中的上位机监控系统。详细 介绍了上位机监控系统硬件部分的组成和软件的开发。监控系统功能齐全，运行 可靠，控制方法先进，具有良好的人机交换界面，为整个s v c 装置的安全可靠运 行提供了保障。 第三章主要介绍了高压静止无功补偿器s v c 的触发与监控系统，位于低压部 分的低电位控制板、位于高压部分的高电位触发板、连接低电位控制板和高电位 触发板的光纤通道起构成了整个晶闸管光电触发与监测系统。文中详细介绍了 低电位控制板和高电位触发板的结构和功能以及相互之间的协调运行。 第四章主要介绍了高压静止无功补偿器s v c 主电路参数的计算及其实验样 机，参数的计算包括电感参数、晶闸管的参数、均压电路、无源滤波器参数等的 计算。最后成功研制了容量为6 m v a r 的实验样机，通过搭建的模拟高压环境对样 机进行具体实验，通过实验结果验证了s v c 的性能。 高压静止无功补偿器监控系统及参数优化设计的研究 第2 章上位机监控系统介绍 高压静止无功补偿器同低压静止无功补偿器相比t 所处电压等级比较高，从 而对功率器件和相关电气设备的耐压和可靠性提出更高的要求；有容量更大的补 偿能力；高压s v c 所处环境电磁干扰更加严重；电压等级高，对控制方法的可靠 性提出更高要求。本文所介绍的高压s v c 采用晶闸管串联技术解决了装置的耐压 问题；不同于低压s v c 的控制算法解决了装置的实时跟踪补偿以及运行状态的检 测和故障处理等问题，保证了装置的可靠运行；以太网和光纤通信方式解决了高 压环境中的电磁干扰以及高低电位隔离的问题，保证了上位机监控系统、低电位 控制板和高电位触发板之间可靠的通讯。 触发检测信 l a b 相控制板 士r ；a m ，= 目高电位触发板1 ： 控制回馈信 ( d s p 控制器及接口电路) 控制信号 高电位触发板l o 上位 机监 以太网 交 状态回报信弓高电位触发板l 控系 换 触发检测信 b c 相控制板 机 控制回馈信 ( d s p 控制器及接口电路) 控制信号 统 高电位触发板l o 触发检测信号 l 状态回报信号 i 高电位触发板1 c a 相控制板 1_ r 控制回馈信号( d s p 控制器及接口电路) 控制信号 i 高电位触发板1 0 低电位控制板 图2 1 高压s v c 控制部分结构框图 如图2 1 所示，高压s v c 的控制部分包括三部分：上位机监控系统，处于低 压部分的低电位控制板，处于高压部分的高电位触发板。为了能够实现不平衡补 偿，我们采取分相控制。上位机监控系统与三相的低电位控制板之间凭借以太网 进行通信，同传统的r s 4 8 5 2 3 2 通信方式相比，这种通信方式速度快、可靠性高、 抗干扰能力强。低电位控制板和高电位触发板之间的通讯采用光纤通讯方式，这 种通讯方式不仅实现了高低电位的隔离，还具有较理想的抗电磁干扰能力，响应 速度快，能够得到分散性小、前沿陡的脉冲，这对晶闸管正常触发以及系统长期 可靠运行非常有利。本章将介绍上位机监控系统的功能及其实现。 上位机监控系统的硬件部分主要由工控机、显示器、键盘、鼠标、采集卡和 硕士学位论文 以太网交换机组成。监控系统的功能模块包括数据采集模块、数据处理模块、数 据及其波形显示模块、历史数据查询模块、通信模块、故障监视模块以及控制模 块。软件部分是由d e l p h i 7 0 开发的。d e l p h i 是由b o r l a n d 公司开发的可视化软件 开发工具，对d e l p h i 最经典、最实在的描述是“真正的程序员用c ，聪明的程序 员用d e l p h i 。d e l p h i 具有简单、高效、功能强大的特点。同语言v c 相比，d e l p h i 在功能上不相上下，但是实现起来更简单、更容易被掌握，同语言v b 相比，d e l p h i 在功能更胜一筹，而且更实用，也就是说d e l p h i 兼具了v c 和v b 各自的优点， 即功能强大且简单易学。d e l p h i 采用的编程思想是面向对象的程序设计。面向对 象技术是在编程的过程中逐渐发展起来的，具有很好的可扩展性、可复用性、可 管理性。同以往的方法相比能够更好的满足软件开发用户在规模上、可靠性、复 杂性、效率及其质量上的各种需求，因此在软件开发领域越来越多地被使用和推 广。d e l p h i 含有大量的可视化控件供编程者直接调用，可视化编程功能强，它不 需要编程者自己建立对象，只需在d e l p h i 提供的程序框架中添加需要完成某项功 能的代码，其它d e l p h i 就可以自己完成。所以使用d e l p h i 在编程的过程中生成漂 亮的界面和具有结构良好的程序并不困难，也大大提高了编程的效率。 2 1 数据采集模块 数据采集是控制器中的重要环节，采集卡的性能指标能否达到要求，直接影 响着整个设备的运行效果。本系统采用的采集卡类型为p c i 1 8 0 0 ，此卡具有适用 范围广、功能齐全、性价比高的特点。采集卡的主要参数：分辨率为1 2 位的1 6 路单端( 8 个差分输入) 的a d 输入和2 路d a 输出；采样频率为3 3 0 k h z ；g m h z 的外部时钟、内部时钟和机器独立时钟；触发方式包括外部触发和内部触发，其 中外部触发包括前触发、中触发和后触发；其输入的过压保护为3 5 v ，输入电 压可根据需要配置。图2 2 为采集卡的实物及单端a d 方式接线图。 图2 2p c i 1 8 0 0 采集卡实物及单端a d 方式接线图 hi 高压静止无功补偿器监控系统及参数优化设计的研究 在本系统中通过软件来修改采集卡的运行参数以及控制其启动和停止，并对 采集到的数据进行相应的处理。采集卡每路每次采集2 5 6 个点，2 5 6 个点包括两 个周期的电网信息，在进行数据处理时只需要用一个周期的数据即可，考虑到干 扰问题，在进行数据处理的时候我们采取掐头去尾的方式，选取1 0 0 点到2 2 7 点 之间的数据进行处理。高压s v c 采集的信息包括电网的三相电压和三相电流， t c r 的三相电流。由于采集卡的输入电压在0 1 0 v 的范围之内，所以电压等级为 6 k v 的电网电压和电流要经过两级变换才可以送入采集卡，电网电压经过 6 0 0 0 v 1 0 0 v 的互感器和3 0 0 v 3 v 的电压变送器送入采集卡，电网电流和t c r 电 流经过2 0 a 5 a 的电流互感器和5 a 5 m a 的电流变送器送入采集卡，最后通过由 d e l p h i 开发的程序对数据进行处理。如式2 1 所示，( w v o i 2 0 4 8 ) 2 0 4 8 0 ) 1 0 0 部分为恢复a d 采样之前的模拟量，是通过理论计算部分，后面是实际调整。通 过此式子可以将采集到的电网数据恢复原值，用于进行波形显示和计算。 d w v 0 i - = ( ( w v o i 一2 0 4 8 ) 2 0 4 8 0 ) 1 0 0 r a t i o ( 2 1 ) 式中r a t i o 为电压或者电流变送器的变比，w v 0 i 为采集卡显示的量化值， d w v o i 为采集的电压或者电流的某一个点所对应的实际值。 2 2 数据处理模块及控制模块 2 2 l 电网相关参数计算 数据处理模块主要是对采集来的数据进行必要的处理。采集卡每次采集两个 周期2 5 6 个点，我们选取从1 0 0 点开始的一个周期作为数据处理的依据，通过f f t 变换后得到电压和电流的基波分量和各次谐波分量的幅值和相角，方便用于计算 以下参数： 1 电压电