（控制科学与工程专业论文）三相不对称负荷的tcrfc型svc的研究与设计.pdf

摘要 电弧炉是利用电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉。大型电弧炉会 引起电网的剧烈扰动，它是一种剧烈变化又严重不对称的冲击负载，需对 其进行快速补偿以抑制电压波动和闪变，同时需要进行平衡化补偿以减小 负序电流对电网的污染。晶闸管控制电抗器( t c r ) 型静止无功补偿器能 维持其端电压不发生变化，具有快速响应性、可频繁动作性以及分相补偿 能力，能较好地解决电弧炉引起的无功补偿问题。 论文采用瞬时无功功率理论对负荷电压电流瞬时值进行分析，基于三 相不对称负荷的平衡化原理，提出了对电弧炉等大型的三相不对称负荷实 行分相补偿的方法，该方法运用对称分量法求出负荷各相的等效补偿电纳 值，采用有理插值法，将等效电纳值转换成晶闸管的触发角，实现快速无 功补偿。论文对所研究与设计的t c r + f c 型s v c 系统在m a t l a b 中进 行了仿真，仿真结果表明，该系统动态响应性能良好，补偿效果明显。基 于仿真结果，论文对t c i c 型s v c 系统进行了研究与设计。 关键词：无功补偿，晶闸管控制电抗器，瞬时无功功率，三相不平衡 a bs t r a c t b e c a u s eo ft h eh i g ht e m p e r a t u r eo fa r c ，a r cf u r n a c ei su s et om e l t i n go r e a n dm e t a l l a r g ea r cf u m a c ew o u l dc a u s et h eg r i dd i s t u r b i n gs e r i o u s l y ，i ti sa n i m p a c tl o a dw h i c hi sd r a m a t i cc h a n g ea n da s y m m e t r i c i no r d e rt os u p p r e s s v o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e r w en e e dt ob a l a n c i n gc o m p e n s a t i o nq u i c k l y a n dr e d u c et h e p o l l u t i o no fn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t t c rs t a t i cv a r c o m p e n s a t o rc o u l dm a i n t a i n i t s v o l t a g ed o e sn o tc h a n g e ，a n d i tc o u l d r e s p o n s eq u i c k l ya n do p e r a t ef r e q u e n t l y , i ta l s oc o u l dc o m p e n s a t ee v e r yp h a s e s e p a r a t e l y s oi tc a ns o l v et h ep r o b l e mo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nw h i c h i sc a u s e db ya r cf u r n a c e i nt h i sp a p e r , w eu s et h et h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sa c t i v ep o w e rt oa n a l y s i s t h ev o l t a g ea n dc u r r e n to fl o a d ，a n dw eb a s eo nt h eb a l a n c eo fp r i n c i p l et o c o m p e n s a t ee a c hp h a s es e p a r a t e l y , w h i c hi sc a u s e db ya r cf u r n a c e w eu s et h e s y m m e t r i c a lc o m p o n e n tm e t h o dt of i n dt h ee q u i v a l e n ta d m i t t a n c eo fe v e r y p h a s e ，a n dt h e nu s et h er a t i o n a li n t e r p o l a t i o nm e t h o dt oc o n v e at h ee q u i v a l e n t a d m i t t a n c ei n t ot h et r i g g e ra n g l e ，a c h i e v et h ea i mo fr e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o nq u i c k l y w eu s et h es o f t w a r eo fm a t l a bt os i m u l a t et h e t c r + f c c o m p e n s a t i o ns y s t e mw h i c hi sd e s i g nb yt h em e t h o dw ej u s td i s c u s s ， t h er e s u l t ss h o wt h a t t h i sd e v i c ec a nr e s p o n s e q u i c k l ya n dt h ee f f e c to f c o m p e n s a t i o ni so b v i o u s l y b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h i sp a p e rd e s i g n t h es y s t e mo ft c r + f c k e y w 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 ，t c r , 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 , u n b a l a n c ei nt h r e ep h a s e s n 中南大学硕十学位论文第章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题背景与研究意义 1 1 1 无功功率对电力系统的影响 近年来，随着我国电力工业的发展以及电子元器件的不断更新进步，加上高压输 电网络的范围越来越大，这些因素综合起来对电网的无功功率的要求也日益严格。如 果电网无功功率不平衡，那将会引起系统电压的波动，损坏用电设备，严重时甚至可 能会出现系统电压崩溃等严重事故。对电力系统来说，无功功率是十分重要的，对无 功补偿进行研究具有很重要的现实意义【l j 。 目前，大多数网络元件以及大多数用户负荷都需要消耗无功功率，因为这些设备 正常工作时必须具备交变磁场，他们既要从电力系统中吸收有功功率，又要吸收无功 功率，它们的典型代表有冰箱、空调、电风扇气体、放电电灯、大量感应式电动机、 变压器等设备。很多人误认为无功功率就是没有用的功率，这显然是错的。它是能量 交换、输送、转换过程中所必须的。但是如果系统中的无功功率过多，也会引起有功 损耗，并造成电压降落，这样不仅影响到电能的质量，也会对发电、供电和配电三方 都产生不利的影响。下面我们分别介绍无功功率对有功功率和电压的影响。 ( 1 ) 无功功率对有功功率的影响 输送有功功率是输电线路的主要任务，为了实现有功功率的输送，一般需要同时 输送一定量的无功功率，以使电网无功功率达到平衡。但是在输送无功功率的过程中 需要消耗一定量的有功功率。当总的有功功率一定时，如果传输过程中的无功功率越 大，那么输送过程中的有功损耗就会越大。当线路总的传输能力一定时，如果传输的 无功功率越小，那么线路能够传输的有功功率就越大【2 】。 ( 2 ) 无功功率对电压的影响 电力系统中，如果系统的无功电源比较充足，发电机也拥有足够的备用无功功率， 那么就能满足较高电压质量下无功功率平衡的需要，系统就能够在较高质量的电压水 平下运行。反之，则系统就只能在较低质量的电压水平下运行。另外，电能在电力线 路网络的传输过程中，会消耗掉部分有功功率和无功功率。如果无功功率损耗较大， 将会导致系统电压的大幅度下降，进而影响系统运行的经济性和稳定性。 目前，大部分国家规定的允许电压变化的范围是( + 5 - 1 0 ) 玑( 额定电压) 。 如果要使电力系统在正常运行时能够提供较高质量的电压，电力部门必须保证各输配 电线路的母线电压稳定在允许的偏差范围之内。一般来说，正常运行的电力系统应该 拥有充足的无功电源。无功电源的总容量应该要能满足系统在额定电压下运行时对无 功功率的需求。不然电压就会偏离其额定值。当电压超出允许的偏差范围时，将会对 中南大学硕士学位论文第一章绪论 用电设备产生不良后果。 如果电力网能够给负荷提供足够的无功功率，那么就能保持负荷电压在正常的水 平上运行。但是如果无功电源的能量不充足，将会导致负荷的端电压降低。为了保证 电力系统的电压质量，我们首先就必须要保证电力系统的无功功率平衡【3 j 。 ( 3 ) 无功功率对线损的影响 无功功率的传输、管理以及无功电源的布局，这些因素都会直接影响线路的损耗 和电力系统的经济运行。当有功功率和无功功率在传送过程中通过网络电阻时，有功 功率会有一定的损耗。如果网络结构已定，并且输送的有功功率一定，那么总的功率 损耗将取决于于无功功率的大小【4 l 。 1 1 2 电弧炉工作特性及其对电能质量的影响 电弧炉是一种利用电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉。电弧炉可以分为单相 电弧炉、三相电弧炉、自耗电弧炉和电阻电弧炉等多种类型。电弧炉的冶炼过程一般 可以分为两个阶段，即熔化期和精炼期。在熔化期阶段，炉内填料由于尚未熔化而呈 块状固体，电弧炉的阻抗会很不稳定，有时甚至会因为电极都插在熔化金属中而造成 电极间金属性短路，此时只能依靠所串电抗器和电炉变压器的总电抗来限制短路电 流，使短路电流不超过电炉变压器额定电流的2 3 倍。这种不稳定的短路状态使熔化 期电流的波形变化很快，实际上每半个工频周期的电流波形都不相同。在熔化初期和 熔化的不稳定时期，电流的波形极不规律，而且谐波含量大，主要有2 、3 、4 、5 、6 、 7 次谐波电流。在熔化期这个阶段三相不平衡电流中会含有较大的负序分量。当三相 电弧中的一相熄弧而另外两相短路时，基波负序电流分量与谐波的等值负序电流甚至 可以达到正序电流的5 0 一7 0 。这会导致公共供电点的电压不平衡，且会对电机的 安全运行有较大影响p j 。 在精炼期阶段，电弧炉各相的等效弧长会有周期性或者拟周期性的波动，而且脱 碳反应会造成钢液的强烈沸腾，这些都会导致电弧电流长时间不规则的波动，进而出 现电压波动与闪变等问题。 电弧炉对线路最重要的影响不是谐波，而是电压的波动和闪变问题。大型电弧炉 投入电路会引起电网的剧烈扰动，这种类型的冲击性负荷会引起电网电压的巨大波 动。尤其在将其接入短路容量相对来说比较小的电网时，它所引起的电压波动和闪变 ( 有时还包括频率波动) 以及三相电压不平衡，甚至会使连接在其公共供电点的其他 用户不能够正常用电，产生极大的危害1 6 j 。 为了解决电弧炉引起的三相电压波动与闪变，以及三相不对称等问题，我们需对 电路进行平衡化补偿以减小负序电流对电网的污染，而且补偿速度要快，以抑制电压 的波动和闪变。目前t c r + f c 型s v c 以其性价比最优而被广泛应用于电弧炉的动态 无功补偿中。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 3 无功补偿装置及作用 电力系统网络中大多数网络组件以及负荷都需要消耗无功功率。电力系统中网络 组件和负荷所需要的无功功率必须从输电网络中的某个地方获取。如果这些无功功率 由发电机提供，需要经过长距离的传送，这显然是不合理的，一般来说也是不可能的； 如果这部分无功功率不能得到及时的补偿，那么用电设备以及电力系统的安全运行就 会受到影响。目前广泛应用于比较广泛的方法是在干扰负荷的接入点接入静止型动态 无功补偿装置，以限制无功的冲击，并滤除高次谐波，达到平衡三相电网的目的。其 中的典型代表是晶闸管控制电抗器+ 固定电容器( t c r + f c ) 。t c r + f c 型s v c 能够 连续调节补偿装置的无功功率，而它最重要的性质是能够维持其端电压不发生变化， 具有分相补偿能力、可频繁动作性以及快速响应性。目前广泛应用于大型冲击性、不 平衡、快速周期波动变化、非线性负荷( 如轧钢机、电弧炉、远距离电力传输、电力 机车供电、城市二级变电站等) 的动态无功补偿领域。它能够有效抑制电压的波动与 闪变，并且能够好地解决电压畸变问题，有效地改善了电能质量【7 】。 在2 0 世纪7 0 年代，静止型动态无功补偿技术是世界范围内的重点攻关技术，虽 然在我国起步比较晚，但是它的发展前景是相当广泛的。一方面，电力电子装置为代 表的非线性负荷的使用率日益增高，并且各种大型用电设备的启动和停止等造成的电 能质量问题日益突出；另一方面，随着各种精密的、复杂的、对电能质量更为敏感的 用电设备的研制成功以及不断普及应用，人们对改善电能质量的要求也就越来越高。 电能质量目前已直接关系到国民经济的总体效益，电能质量问题对电网和配电系统造 成的危害使得改善电能质量的重要性日益突出l s 】。 综上所述，无功功率补偿对电力系统有着重要的意义，概括起来有一下几点： ( 1 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 改善系统的稳定性，提高输电能力，并提供一定的系统阻尼。 ( 4 ) 提高发电机有功输出能力。 ( 5 ) 减少线路损失，提高电网的有功传输能力。 ( 6 ) 降低电网的功率损耗，提高变压器的输出功率及运行经济效益。 ( 7 ) 降低设备发热，延长设备寿命，改善设备的利用率。 ( 8 ) 平衡的三相有功功率和无功功率。 ( 9 ) 避免系统电压崩溃和稳定破坏事故，提高运行安全性【9 】。 1 2 国内外研究历史与现状 无功补偿的发展经历了较长的时间，也经历了好几个阶段，大致有同步调相机、 并联电容器、静止无功补偿器等几个发展阶段。无功补偿发展初期主要是运用同步调 3 中南大学硕士学1 _ 7 ：论文 第一章绪论 相机进行无功补偿，同步调相机是专门用来产生无功功率的一种同步电机，它可以在 欠励磁的情况下发出感性无功，在过励磁的情况下发出容性无功。它也能够对变化的 无功功率进行动态的无功补偿。但是由于它运行维护复杂，而且损耗噪声比较大，随 着电力电子技术的发展，这种方法已使用得较少。 用并联电容器进行无功补偿这种方式结构简单，而且成本较低。这种补偿方式与 同步调相机相比，如果要获得相近的补偿效果，它的总成本要比同步调相机节省很多。 因为有这一点优势，并联电容器在配电系统中基本上取代了同步调相机。但是并联电 容器也有明显的缺点，它不能跟踪负荷无功的变化而进行补偿，而且由于使用的是电 容器，当线路中含有谐波时，有可能会与线路中的电感发生并联谐振，严重时甚至会 烧毁并联电容器。而且随着电力电子技术的发展，对系统进行快速的动态无功补偿的 要求已越来越高 9 1 。 随着科技的进步，静止无功补偿装置( s v c ) 在近年来得到了很大的发展，目前 广泛应用于输配电系统的电压稳定和工业配电系统的无功补偿。但是早期的静止无功 补偿装置由于铁芯一般都工作在饱和状态，存在非线性电路的些特殊问题，加上损 耗噪声都比较大，而且又不能对不对称负荷进行分相调节以补偿负荷的不平衡，由于 以上种种原因，它一开始一直未能占据无功补偿装置的主流位置。但是随着电力电子 技术的不断发展进步，把晶闸管等半控型或者全控型器件与s v c 装置配合使用，使 得静止无功补偿技术得到了很大的发展。1 9 7 7 年，美国g e 公司首次在实际电力系统 中演示运行了使用晶闸管这种半控型器件的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，西屋电气公 司在美国电力研究院的支持下，成功制造了使用晶闸管的静止无功补偿装置并且正式 投入实际生产中。s v c 是采用大容量的晶闸管这种半控型器件代替断路器等触点式开 关，去控制电容或者电感的投入切除的。它的主要代表有晶闸管控制电抗器+ 固定 电容器( t c r + f c ) 、晶闸管投切电容器( t s c ) 、晶闸管投切电感( t s r ) 等，由于 使用晶闸管的s v c 具有优良的性能，所以在市场上迅速占有了静止无功补偿装置的 主导地位。自饱和电抗器( s r ) 、晶闸管投切电容器( t s c ) 、晶闸管控制电抗器( t c r ) 这三种补偿装置的性能比较如表1 一l 所示。 表1 1 三种补偿装置性能比较 项目 t c r + f ct s c多相饱和电抗器 输出的无功 超前滞后超前超前滞后 可否连续控制可以不可以可以 系统灵活性很好好差 各相平衡能力好有限有限 限制过压能力好 有限 有限 通过表1 - 1 比较发现，晶闸管控制电抗器+ 固定电容器( t c r + f c ) 可以通过调节 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 晶闸管的触发角，动态地调节接入电路的等效导纳值。而且它也可以对各相进行分相 补偿。加上系统灵活性好，限制过压能力强，可以输出超- 刚1 z + - 之后无功以及能够联系进 行控制，而且t c r + f c 可以对输出进行平滑调节，加上成本比较低，维护也比较简单， 基于上述优点t c r + f c 很快就成为了电力系统并联补偿的主要选择，并且在工业上得 到了广泛的应用。从此使电力系统的并联补偿进入了一个崭新的时期。截至2 0 0 4 年， 全世界已有上千个s v c 工程投入运行，它的总容量已经达到了1 0 0 g v a r l l o l 。 1 9 8 0 年，世界上第一台基于变换器的静止同步补偿器( s t a t c o m ) 由日本三菱 公司研制成功，它是采用晶闸管和强迫换相技术。随着科技的不断发展，诸如i g b t 、 g t o 、i g c t 等高压、大容量的全控型关断器件得到了越来越广泛的使用，s t a t c o m 的主电路已采用这种类型的自换相器件取代了半控型的晶闸管，使它的性能得到了进 一步的优化。为此，s t a t c o m 得到了迅速的发展，应用也越来越广泛，成为了继s v c 之后的又一种先进的动态并联补偿设备。从1 9 8 0 年到2 0 0 4 年底，经过短短的2 0 多 年的发展，全世界投入工程运行的大容量( 1 0 m v a r 及以上) 的s t a t c o m 已经超过 2 0 项，s t a t c o m 的总容量已经达到了3 0 0 0 m v a r 。 为了降低设备的成本，或者为了满足某种特定的补偿需要，在实际工程运用中常 常将s t a t c o m 、s v c 或者其他机械式并联无功补偿设备组合起来，这种组合，我们 称之为综合无功补偿系统( s v s ) 。有时候还会将s t a t c o m 与大容量储能设备结合 起来，构成并联有功静止补偿设备( s s g ) ，以达到对电网有功功率进行快速平滑控制 的目的。这种设备的典型代表有b e s s 和s m e s 。它们的容量已经能够达到数十甚至 上百兆瓦【1 。 2 0 世纪8 0 年代，我国首次从a b b 、s i e m e n s 等跨国公司引进s v c 装置，至今为 止，在5 0 0 k v 的变电站以及大型的冶金企业已有数十套进口的s v c 设备。与此同时， 通过对国外技术的不断学习以及自己孜孜不倦的探索，我国已经能够独立生产出成套 的s v c 装置。1 9 9 9 年，我国首台大容量( _ _ _ 2 0 m v a r ) s t a t c o m 由清华大学与河南 省电力局合作研制成功，这标志着我国已经具备了自主研制工业化s t a t c o m 的能力。 除此之外，在我国同样也得到了很大的发展的还有b e s s ，s m e s 和a p f 等其它并联 补偿设备i l 。 要对系统进行无功补偿，首先需要对系统线路的无功功率和无功电流进行检测。 目前有很多方法可以快速检测系统线路的无功功率和无功电流，其中应用最为广泛的 是瞬时无功功率理论。在电压平衡的情况下，瞬时无功功率理论能够快速、有效、准 确的检测出系统的无功功率和无功电流，基于此，它具有比较好的工程应用价值。 三相负荷不对称成为了运用t c r + f c 装置进行无功补偿要解决的另一难题。斯坦 米兹( c e s t e i n m e t z ) 提出了理想补偿网络理论，在假定电源是三相对称的前提下， 任何不平衡的、线性的、不接地的三相负荷都可以通过并联一个理想补偿网络变换成 为一个平衡的、对称的、三相有功负荷，而且电源和负荷间的有功交换不会改变。理 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 想补偿器是用负荷的导纳来表示的，但是在实际应用中，负荷的导纳很难测量，我们 一般能够较易测量的是线路的电压、电流以及他们的相位关系。如何将很难求解的导 纳用线路电压、电流表示出来，是论文要解决的_ 个难题。运用对称分量法来分析三 相不对称负荷，可以解决这一难题。该方法可以利用理想补偿条件，将各相所需补偿 的导纳用负荷的时间电压、电流表示出来。使得补偿后，负序电流的实部为零，则三 相负荷平衡；系统的正序电流的虚部为零，达到功率因数最佳。目前该方法广泛运用 于三相不对称电路的研究中 1 3 1 。 1 3 论文主要内容和工作 本文是针对铁合金电弧炉冲击性负荷造成电网电压波动与闪变及三相不平衡，研 究并设计了t c r + f c 型s v c 系统。 本论文主要包括以下主要内容： ( 1 ) 阐述了无功补偿的概念、目的、原理及基本方法。 ( 2 ) 通过了解t c r 的基本工作原理及其电气特性，了解t c r + f c 的工作特点 及方式。 ( 3 ) 从诸多无功功率的检测方法中，选择了瞬时无功功率理论作为检测无功功 率和无功电流的方法。对检测算法进行了深入的研究。 ( 4 ) 基于三相不对称负荷的平衡化原理，提出了分相补偿的方法。该方法运用 对称分量法得出负荷各相的等效补偿电纳值。 ( 5 ) 运用有理插值法，将各相的等效补偿电纳转换为晶闸管的触发角。 ( 6 ) 对所设计的系统，在m a t l a b 中进行了仿真。通过对单相t c r 的仿真以 及三相t c r + f c 型s v c 系统的仿真，验证了设计的j 下确性。 ( 7 ) 设计了基于d s p 的数字化控制硬件平台，采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处 理器，并以此为基础设计了系统的硬件电路和软件的总体流程。 6 中南大学硕士学位论文第二章t c r 型s v c 的工作原理 第二章t c r 型s v c 的工作原理 2 1t c r 的工作原理 单相t c r 是由两个反并联的晶闸管( 或者一个双向晶闸管) 与一个电抗器串联而 成，它的基本结构如图2 1 所示。通过控制晶闸管触发脉冲的时间，就可以控制两个 晶闸管的导通时间，进而控制正负半周的电流通断。一般情况下，三相电路中t c r 多采用三角形连接，其结构见图2 2 f 1 4 1 。 图2 - 1 单相t c r 系统结构图图2 2 三相t c r 系统结构图 一般用触发延时角口来表示晶闸管的触发瞬间，它是从电压过零点开始计算的。 如果在0 9 0 。的范围内触发晶闸管，那么系统中就会产生含直流分量的不对称电流， 因此t c r 装置中晶闸管触发角的范围为9 0 1 8 0 。( 本文后面所涉及到的触发角口， 。 如无特别说明，均默认其范围为9 0 1 8 0 。) 。在电压的每个正负半周的后1 4 周波中， 即从电压峰值到电压过零点的间隔内，触发晶闸管，此时承受正向电压的晶闸管将导 通，使t c r 支路进入导通状态。如果触发角为9 0 。亦即电压峰值时触发晶闸管，此时 承受正向压降的晶闸管完全导通，不同触发角时t c r 的电流波形如图2 3 所示【1 5 1 。 乃惫引。 衍 图2 - 3t c r 电流波形 由于电抗器几乎是纯感性负荷，流过它的电流为纯无功电流，因此电感中的电流 一般滞后于电感两端电压约9 0 。当口= 9 0 。时，晶闸管完全导通，电抗器完全投入运 行，电流为连续的，此时电抗器吸收的感性无功最大( 额定功率) ；当口= 1 8 0 。时，晶 7 中南大学硕士学位论文第二章t c r 型s v c 的工作原理 闸管不导通，电抗器不投入运行，吸收的感性无功最小。当口在9 0 1 8 0 。之间调节时， 流过t c r 支路的电流为断续的，如图2 3 所示。通过控制晶闸管的触发角口，可以连 续调节流过电抗器的电流，在0 ( 晶闸管阻断) 到最大值( 晶闸管全导通) 之间变化。 由于端电压不变，改变t c r 支路的电流即相当于改变了电抗器的等效电抗值i l 6 。 2 2t o r 的主要特性 ( 1 ) 电压电流基本特性。图2 4 为t c r 的电压电流特性。图中有系统负荷线和 补偿器特性控制曲线，从图中可以看出，t c r 的电压电流特性是一种稳定的特性， 特性上的每一点代表的是晶闸管不同的导通角，对应的等效感抗在伏安特性上的一 点。补偿特性曲线与电力系统负载线的交点我们称之为系统的稳定运行点。t c r 就是 通过控制系统不断调节晶闸管触发角口，改变晶闸管的导通角，进而改变t c r 的基 波电纳值，使系统从某一稳态工作点移到另一稳态工作点【l 7 。 1 2 1 1 l 0 0 9 0 8 s0 7 3 b 00 20 40 60 81 0 基波电流i i ( p 捌) 图2 - 4 电压一电流特性曲线 ( 2 ) 谐波特性。由于t c r 装置采用分相独立控制原理，在动态调节晶闸管触发 角时，难免会产生大量的谐波，并且谐波含量与触发角口有很大关系。增大触发角口 ( 即减小导通角仃) 可以改变t c r 的等效电抗值外，除此之外它还有两个重要作用： 减少了系统在电抗器中的损耗；t c r 产生了谐波电流，也就是说电流波形发生了 畸变。如果反并联的两个晶闸管的触发角口相等，那么产生的谐波全部是奇次谐波。 如果t c r 用于补偿电弧炉或其它大型冲击性不对称负荷，负荷本身的特性会导致 负荷电流不规则而且变化很大，在这种情况下，有必要对各相电路实行分相独立控制， 达到减小补偿误差的目的。表2 1 是负荷在三相对称与三相不对称情况下的t c r 谐波 相对于基波的最大含有率的对比情况l l 引。 8 中南大学硕七学位论文 第二章t c r 型s v c 的 ：作原理 表2 1t c r 谐波含有率 谐波次数 234 571 1 2 3 对称情况0 51 3o 55 6 2 30 5 l 不对称情况 7 81 5 2 05 7 8 l o乱7 2 3 ( 3 ) 功率损耗。在实际应用中，s v c 的损耗必须作为一个很重要的因素进行考 虑。t c r + f c 型s v c 中，f c 的容性部分损耗虽然会随电压的变化出现一点波动，但 是一般变化不大。t c r 部分的动态感性的损耗一般包括电抗器的电阻性损耗和晶闸管 中导通、切换等损耗，这种损耗会随晶闸管导通程度的增加而增大。对1 0 - - - 5 0 m v a r 的t c r + f c 型s v c 来说，它的损耗大概是总容量的0 5 加7 1 1 9 1 。 2 3t c r 的控制系统 t c r 控制系统的主要任务是检测系统的有关变量，然后根据检测到的数据，经过 计算后，与给定参考( 输入) 量进行比较，在相应的时刻产生相应的晶闸管触发角， 通过这种方式调节补偿器吸收的无功功率。t c r 控制系统一般包括以下三部分电路： ( 1 ) 检测电路。主要任务是检测t c r 控制系统所需的系统变量和补偿器变量。 ( 2 ) 控制电路。主要是对检测信号和给定参考( 输入) 量进行计算处理，通过计 算结果，将数据换算成晶闸管的触发角，并给出控制信号。 ( 3 ) 触发电路。根据控制电路发出的控制信号，与给定的输入进行对比，在正确 的时间产生相应的晶闸管触发脉冲，并将触发脉冲送到晶闸管门极1 2 0 1 。 t c r 的控制系统主要有四种形式：开环系统、闭环系统、复合系统和计算机系统。 一般来说，t c r 的控制系统随着补偿目的不同而不尽相同，具体到某个工程应用的控 制系统比较理论上的都要复杂。下面我们对控制系统的四种形式进行简单的介绍。 ( 1 ) 开环系统。开环系统的优点是结构简单、工作可靠、响应速度快。在负荷容 易出现比较大的波动，或者在干扰比较大的场合，开环系统能够很好地抑制闪变。缺 点是这种系统没有反馈网络，没有控制变量的信息反馈回路，它的传递函数g 是按照 预定条件先设定好的，那么在设定之前就必须将一切的边界条件都考虑好。一旦发生 意外的情况或者考虑不够周全，就得不到理想的控制效果和补偿效果。 ( 2 ) 闭环系统。闭环系统增加了一个反馈网络，与开环系统相比，它的响应时间 比较长，但是稳定度比开环系统高。它的优点是精确，主要适用于负荷干扰和控制对 象滞后时间较小，控制质量要求比较高的场合。比如那些离负荷和电源都比较远的输 电线路中间点的补偿这样的场合。对于静止无功功率补偿系统，它的系统电压与系统 电流之间的误差的关系是非线性的，为了调节它的线性度和稳定度，一般都会在系统 中增加一个非线性的校正环节。 ( 3 ) 复合系统。复合系统就是将开环系统与闭环系统结合起来。因此它既有开环 系统的对负荷变化较大时的快速补偿的特点，也有闭环系统的稳定度较高的特点。它 9 中南大学硕士学位论文 第二章t c r 型s v c 的工作原理 能对被控对象的动态特性起到很好的改善作用，也能够很好的克服二次干扰，还能大 大减小时间常数。 ( 4 ) 计算机控制系统。随着科学技术的不断发展和进步，计算机控制系统最终将 会取代开环系统、闭环系统以及复合系统等各种控制形式。因为这种系统既能够同时 实现上述系统的功能，电压闪变、无功功率、流量、系统温度及压力等各种参数变化 情况也可以方便地在计算机上进行监控，简洁而又直观。同时在计算机上还能够实现 事故处理、记录、打印等功能1 2 。 无论是哪一种控制系统，一般情况下控制电路输出的控制信号是期望补偿器所能 够提供的等效电纳参考值以，。当然也有些是在控制算法中直接得到触发脉冲而未出 现等效电纳参考值，但是它们之间并没有太大的区别。t c r 理想的响应时间一般 是5 1 0 m s ，但是由于信号在测量回路和控制回路之间传递时可能会产生延迟，在实 际应用中，t c r 的响应速度会比理想的响应时间稍微慢一点。一般情况下，为了保证 控制系统的稳定性，t c r 典型的响应时间值应该是电源频率的1 5 周波1 2 2 。 2 4t c r + f c 型s v c 通过前面介绍的t c r 的工作原理，我们不难发现，单独的t c r 由于线路中只有 电感，因此它只能吸收无功功率，而不能发出无功功率。为了解决这一问题，实际应 用中通常将将t c r 与并联电容器( f c ) 配合使用，亦即我们常说的t c r + f c 型s v c 。 这种t c r + f c 型s v c 具有反应速度快，灵活性大等特点。基于这些优点，目前它在 工业企业和输电系统中得到了最为广泛的应用【2 3 】。 图2 - 6t c r + f c 原理图 图2 - 6 为单相的t c r + f c 型s v c 的原理图，它由以下几个部分组成：补偿电抗器 l 、固定电容器( f c ) 、晶闸管及其控制系统等。图中，绞为并联电容器组发出的容 性无功功率，由于电容器是固定的，因此它提供的无功一般为固定值；q 为补偿电抗 器吸收的感性无功功率，可以通过调节晶闸管的触发角来调节鲛的大小；绋是负荷 侧所需要的无功功率，q c 是t c r + f c 型s v c 系统输出的无功功率，也就是t c r 提 l o 中南大学硕士学位论文第二章t c r 型s v c 的工作原理 供的q 与f c 提供的q 的总和；酝是系统提供的无功功率；当负载的无功功率鳞发 生变化时，可以通过连续调节滞后无功功率q ，使( q 一骇? ) 也随着绋而发生变化。 当绋增大时，我们可以通过调节晶闸管触发角使t c r 提供的q 减小；反之，当绋减 小时，则我们可以通过调节使q 增大。只要负载的无功功率g 发生变化，不管是增 大还是减小，总要满足q = 绋+ ( 鱿一q ，) 常数这一公式，使得系统供给的无功功率 基本上维持不变，达到限制电压闪变的目的【2 4 1 。 超前 滞后 图2 7t c r + f c 电压一电流曲线 t c r 并联上电容器f c 之后，使得t c r + f c 型s v c 的总无功功率为t c r 与f c 的无功功率抵消后的净无功功率，因而可以将t c r + f c 型s v c 的无功补偿范围从感 性范围延伸到容性范围内，t c r + f c 型s v c 的电压电流特性如图2 7 所示。从图中 可以看出，它既可以吸收感性无功，又可以吸收容性无功。当晶闸管完全阻断时，亦 即触发角为1 8 0 。时，t c r 不投入电路，此时投入的总无功就是f c 所提供的容性无 功。要改变改变特性的截距，我们可以通过改变控制系统的参考电压来实现。特性左 边界的曲线，就是晶闸管触发角为1 8 0 。，而仅有固定电容器并联在母线上的电容器 的伏安特性；特性右边界的曲线，就是触发角为9 0 。，晶闸管完全导通时，t c r 的 串联电抗器直接接在母线上，并与f c 并联产生的总等效阻抗的伏安特性，而它对应 的无功是f c 与t c r 的无功对消后的净无功功率【2 5 1 。 一般在实际应用中，并联电容器f c 上都会串联一个小的电抗器，它的作用主要 是，防止f c 支路的电流发生突变，同时吸收t c r 支路产生的谐波电流。在电抗器和 电容器的容量进行选择时，需要注意t c r + f c 型s v c 系统要求电抗器的容量大于电 容器的容量。当补偿装置吸收的无功电流较小时，并不表示线路的无功电流很小，其 实电抗器和电容器都已经吸收了很大的无功电流，只是它们相互抵消掉了而己【2 们。 2 5 本章小结 本章首先介绍了t c r 的工作原理及其主要特性，通过对t c r 的了解，进一步介 绍了t c r + f c 型s v c 的补偿原理。此外还简单叙述了t c r 的控制系统，即丌坏控制、 闭环控制、复合控制及计算机控制四种控制系统的优缺点。 中南大学硕士学位论文第三章无功检测及不对称负荷补偿策略 第三章无功检测及不对称负荷补偿控制研究 t c r + f c 型s v c 一般都是以负载或系统的无功功率作为控制系统的输入参数。随 着科技的发展，用电设备中出现了越来越多的非线性负荷，这使得线路中的电压电流 畸变更为严重，在非正弦的情况下，基于正弦波形定义的无功功率已没有了明确的物 理意义。正是在这样的背景下，在原有的正弦定义上延伸出来的基于瞬时值定义的瞬 时无功功率理论得到了快速的发展。而由于t c r 所补偿的是基波无功电流，根据它 的这一特点，如何找到一种快速、准确而又有效的测量基波电流分量和无功功率的方 法，是研究与设计t c r 装置面临的首要问题。目前，无功电流和谐波电流的检测方 法有很多种，主要有滤波技术、基于f r y z e 功率定义的检测方法、傅里叶变换、神经 网络、小波变换、瞬时无功功率理论等1 2 。 正弦电路无功功率和无功电流检测在静止无功功率补偿中占有很重要的位置。电 容器、电抗器等静态无功补偿器以及静止无功功率补偿器、统一潮流控制器等动态无 功功率补偿器，它们的设计、运行都是以正弦电路为前提条件的，并且它们都是以平 均无功功率( 简称无功功率) 或者无功电流有效值( 简称无功电流) 为控制目标。在 正弦电路中，般都是根据无功功率和电压来求出无功电流的。无功功率的检测成为 了关键所在。无功功率的检测方法有很多，概括起来有间接法、直接法和瞬时无功功 率理论三大类。间接法就是通过求有功功率来间接求得无功功率，这种方法在以往被 广泛应用于三相正弦电路中；直接法就是从无功功率定义的角度出发，直接求得无功 功率，这在数字检测技术已经成熟的今天也被广泛采用。瞬时无功功率理论就是基于 矢量分析的方法来检测三相正弦电路的无功功率和无功电流【2 引。 3 1 间接法检测无功功率 无功功率间接检测又可分为视在有功功率法和跨相法两种。视在有功功率法是 指利用视在功率、有功功率和无功功率的几何关系，根据视在功率、有功功率来求得 系统的无功功率。跨相法是在三相电路中根据相间电压、电流之间产生的有功功率与 三相无功功率之间存在的比例关系，采用检测相间电压、电流之间产生的有功功率来 求得三相无功功率。跨想法的基本思想是检测电路中的有功功率，通过跨相接线原理 来检测线路的无功功率。跨相无功检测的工作原理与有功功率检测原理样。因此跨 相无功功率检测出的无功功率本质上仍旧是一种假无功功率1 2 引。 跨相无功功率检测按测量单元使用数量及接入该测量单元电压、电流之间相位差 的不同分为一元件跨相9 0 。法、二元件跨相9 0 。法、二元件跨相6 0 。法等。 一元件跨相9 0 。法是指无功检测电路中只有一个测量单元，把三相三线制电路的 任相电流通过该测量单元，另外两相电压按正相序加于测量单元上，使得接入测量 1 2 中南大学硕七学位论文第三章无功检测及不对称负荷补偿策略 单元的电压、电流的相位差为9 0 。，测得的值乘以3 即可得到三相无功功率。 二元件跨相9 0 。法是指无功检测电路中有两个测量单元，把三相四线制电路的任 两相电流分别接入这两个测量单元，三相电压按照一定方式接入两个测量单元，使得 接入各个测量单元的电压、电流的相位差为9 0 。，测得的两测量单元有功功率的代数 和乘以3 2 即可得到三相无功功率。 二元件跨相6 0 。法同样是无功功率检测电路中有两个测量元件，不同的是把三相 三线制电路的任两相电流分别接入两个测量单元，三相电压按一定方式接入两个测量 单元，使得接入各个测量单元的电压、电流的相位差为6 0 。，测得的两测量单元有功 功率的代数和就等于三相无功功率。 一元件跨相9 0 。法和二元件跨相9 0 。法都只是用于三相平衡电路，当三相电路不 平衡时，将引入附加误差，不同的是后者是前者引入误差的一半。二元件跨相9 0 。法 虽然也可以用于三相三线制不平衡电路中，但是会产生一定的附加误差。二元件跨相 6 0 。法虽然也可以用于三相三线制不平衡电路，但是它也会产生一定的附加误差。 无功功率间接检测的跨相法在以往曾经得到过广泛应用，它充分利用了有功功率 容易被检测的优点。但是这种方法在三相不对称时会存在附加误差，它不能检测三相 电路各相无功功率，而且它也不能用于单相电路的无功功率检测。综上所述，间接法 的使用条件有比较严格的限制。在目前已经有更好的、更成熟的数字检测技术的现代 电力系统中，已经很少使用间接法测量线路的无功【3 们。 3 2 直接法检测无功功率 正弦电路无功功率的直接检测方法有很多，比如移相法、中值微分法、微分法、 积分法等。其中应用最广泛、技术最成熟也是最有效方法是移相法。其他方法主要是 作为理论研究被提出来，很少应用在工程中。在此论文仅对移相法进行详细介绍。 移相法的基本原理是将电路的电压移相9 0 。( 电压滞后9 0 。) 与电流相乘就可以 直接测量出无功功率。移相法的无功功率测量思想与传统正弦电路无功功率定义完全 一致，因此检测到的无功功率又称为正弦无功功率、真无功功率或自然无功功率。移 相法又称为时延法，因为移相的本质正是对正弦电路进行t 4 的时延。移相法是电子 技术发展的成果，它又能够细分为模拟移相法和数字移相法【3 。 3 2 1 模拟移相法 模拟移相法的电路主要由电压互感器、电流互感器、9 0 。移相器、乘法器、积分 器和比例器组成。图3 1 所示为模拟移相法检测a 相无功功率的原理电路构成。9 0 。 移相器可以采用截止频率( 一般选择3 d b 截止频率) 小于所需移相正弦波频率的单极 点r c 低通滤波器来实现9 0 。移相。 中南大学硕十学位论文第三章无功检测及不对称负荷补偿策略 图3 - 1 模拟移相法检测原理框图 有下式，式中r 为电网电压的周期。 以( ，) = u a ( 一r ) ( 3 - 1 ) 由图3 1 我们可以得到 q = ；知一枷o ) a t ( 3 2 ) 3 2 2 数字移相法 所谓数字移相法，它是在同步采样的基础上，对模拟信号进行采样，得到离散序 列n ( n 为工频信号一个周期内的采样点数) ，然后进行平移n 4 点，从而实现移相 9 0 。为了能够准确移相9 0 。，n 应该取为4 整数倍。数字移相法的检测电路结构图 如图3 2 所示【3 2 1 。其中的数字处理器可以采用通用d s p 、m c u 或专用无功功率测量 芯片，其算法可以用数学公式表示为： 电压互 i 口j 少坝硼电吩 烈 剥s d r m a 感器 秀蠢 剖放大电路酬加转换器 薹理 删f l a s h 岂器 电流互 感器- - 0 放大电路酬a d 转换器 o 剖输出接口 勺 3 3 瞬时无功功率理论 ( 3 3 ) 瞬时无功功率理论是由赤木泰文在1 9 8 3 年首先提出的，它是以瞬时实功率和瞬时 虚功率定义为基础的，也叫做朋理论。瞬时无功功率的基本思想是将曲f 三相系统的 电压电流转换成基于a p o 坐标变换的矢量，所谓瞬时实功率，它是电压电流矢量的标 量积，所谓瞬时虚功率，它是电压电流矢量的矢量积，根据瞬时实功率和瞬时虚功率 1 4 蚝 0b0 中南大学硕士学位论