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磁阀式可控电抗器在无功补偿中的应用研究 摘要 在电力系统中，无功功率的不足或者过剩都会严重地影响供电质量。通过 合理的补偿，保持系统功率因数在一个较高的水平，可以大大提高供电质量。 无功补偿技术是多年来研究的重点之一。随着技术的不断进步和发展，各种设 备工作时所需要的无功功率不断增大，并且无功功率在电力网络中的分布越来 越复杂，因此对无功补偿的要求也越来越高。 。 电力系统在运行过程中，由于感性负载的存在，使电网无功功率大量增加。 另外，近些年来，国民经济各部门大力推广使用各种新型的电力电子整流装置， 他们在减少能量耗损的同时，也带来了功率因数下降、电压波动、闪变、三相 不平衡以及谐波干扰等问题。其最终结果都是使配电设备的使用效能得不到充 分发挥，设备的附加功耗增加。因此，进行有效的无功功率补偿，提高功率因 数是电网及电力系统安全经济运行的重要保证。毫无疑问，无功功率补偿的研 究势在必行。本文提出了一种基于d s p 控制的磁控电抗器无功补偿装置，能够 根据系统的无功功率状况，快速补偿系统无功，达到提高系统稳定性，维持指 定功率因数的目的。 本文对磁控电控器的原理进行了详细的分析，对m c r 的谐波特性、控制 特性进行了分析。对于实际应用的m c r ，要求能够自动控制。本文采用以d s p 为核心的控制器方案，包括检测电路、处理电路、触发电路、显示电路等。检 测电路用于检测电压和电流；处理电路根据相应的控制策略，对检测信号和给 定输入量进行计算，给出控制信号；触发电路根据控制信号输出的控制信号产 生相应触发角的晶闸管触发脉冲；显示电路可以直观的输出系统的各种状态。 在控制策略上采用闭环p i 控制，使系统功率因数达到指定的功率因数。并对控 制系统的软件流程做了简要的介绍。 文中最后对装置进行了实验验证，并给出电流波形。实验结果与文中分析 一致，说明了本文无功补偿装置的正确性和可行性。 关键词：无功补偿；磁控电抗器；瞬时无功功率；d s p ； t h e a p p l i c a t i o na n dr e a e a r c ho fm a g n e t i cv a l v e c o n t r o l l a b l er e a c t o ri nr e a c t i v ec o m p e n s a t i o n a b s t r a c t i ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，i n s u f f i c i e n to rs u r p l u sr e a c t i v ep o w e rw i l l a f f e c tt h e q u a l i t yo ft h es u p p l i e dp o w e rs e v e r e l y b ya p p r o p r i a t ec o m p e n s a t i o n ，t h ep o w e r f a c t o ro ft h es y s t e mi sk e p ta tah i g h e rl e v e lt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h es y s t e m t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u ei so n eo ft h em a j o rr e s e a r c h e s a st h e a d v a n c ea n dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n i q u e ，t h er e a c t i v ep o w e rw h i c hv a r i o u s d e v i c en e e di n c r e a s ec o n t i n u o u s l ya n dt h er e a c t i v ep o w e rd i s t r i b u t e di nt h ep o w e r n e t w o r kb e c o m em o r ec o m p l i c a t e d ，s ot h er e q u i r e m e n tt ot h er e a c t i v ep o w e r b e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r w h e nt h ep o w e rs u p p l ys y s t e mi so nt h es t a to fw o r k i n g ，t h er e a c t i v ep o w e r w i l li n c r e a s eg r e a t l yb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fi n d u c t i v el o a d i nr e c e n ty e a r s ，a l o to fd e p a r t m e n t sh a v et a k e ne f f e c t i v em e a s u r e st os p r e a dt h eu s i n go fv a r i o u s n e w l yr e c t i f y i n ge q u i p m e n t s ，w h i c hh a v ed e c r e a s e dt h ep o w e rl o s s ，b u ti nt h e m e a n t i m eo t h e r sp r o b l e m sa r ec a u s e ds u c ha sp o w e rf a c t o rd e c r e a s i n g ，v o l t a g e f l u c t u a t i n go ra b r u p t l yc h a n g i n g ，t h r e ep h a s eu n b a l a n c ea n dh a r m o n i ci n t e r f e r e n c e e t c a sar e s u l t ，t h ee f f i c i e n c yo ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mc a nn o tb ew e l lu s e d ， a n dt h ea d d i t i o n a lp o w e rl o s so fe q u i p m e n t sw i l li n c r e a s e u n d o u b t e d l y , i ti s i m p e r a t i v et od om o r er e s e a r c hw o r ko nr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e t h i sp a p e rp r o p o s e sm a g n e t i c a l l yc o n t r o l l e dr e a c t o rr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n e q u i p m e n tb a s e do nd s p i tc a nc o m p e n s a t et h es y s t e mr e a c t i v ep o w e rq u i c k l y a c c o r d i n gt ot h er e a c t i v ec o n d i t i o nt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e ma n dk e e p t h eg i v e np o w e rf a c t o r t h i sp a p e rg i v e sad e t a i l e da n a l y s i so ft h em a g n e t i c a l l yc o n t r o l l e dr e a c t o r t h e h a r m o n i cc h a r a c t e ra n dt h ec o n t r o lc h a r a c t e ro fm c ra r ea n a l y z e df o rt h ea c t u a l l y u s e dm c r ，w h i c hs h o u l db ea u t o m a t i cc o n t r o l l a b l e t h ea r t i c l e p r e s e n t s a c o n t r o l l e rw h i c hu s e sad s p , a n da l s o d e s i g n e st h em e a s u r ec i r c u i t ，p r o c e s s e s c i r c u i t ，t r i g g e rc i r c u i t ，a sw e l la sd i s p l a y sc i r c u i t t h em e a s u r i n gc i r c u i ti su s e dt o m e a s u r ev o l t a g e sa n dc u r r e n t so fc i r c u i t ；t h ep r o c e s sc i r c u i ti sa p p l i e dt oc a l c u l a t e t h ec o n t r o lo u t p u t sw i t ht h em e a s u r e ds i g n a la n dt h ei n p u tp a r a m e t e r a c c o r d i n gt h e r e l e v a n tc o n t r o ls c h e m e ；t h et r i g g e rc i r c u i tp r o d u c e st h ep u l s e st o t r i g g e rt h e t h y r i s t o r sw i t ht h ec o n t r o lo u t p u t ；t h ed i s p l a yc i r c u i tc a ns h o ws t a t e so ft h es y s t e m l l i i n t u i t i o n i s t i c l y t h el o o p 1 0 c k e dp i c o n t r o lm e t h o di sa d o p t e di n t h ec o n t r o l s t r a t e g vt om a k et h ep o w e rf a c t o ro ft h es y s t e ma c h i e v et h ea p p o i n t e do n e 。t h e s o f t w a r ef l o wo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sa l s oi n t r o d u c e ds i m p l y t h i sp a p e ra l s op r e s e n t se x p e r i m e n t st ot e s tt h ed e v i c e ，a n dg i v e sw a v e so f c u r r e n t t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa r eq u i t e l ya c c o r d a n tw i t ht h ea n a l y s i s i nt h e a r t i c l e a n ds h o wt h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t m n d e v i c eo ft b i sa r t i c l e 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 ；m a g n e t i c a l l y c o n t r o l l e dr e a c t o r s ； i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r ；d s p i v 插图清单 图2 1 磁控电抗器原理图8 图2 2 晶闸管舡、丘分别打开时电抗器等效电路图9 图2 3磁控电抗器工作状态过程11 图2 4 磁控电抗器电路图11 图2 5 磁控电抗器的结构原理图14 图2 6 磁控电抗器谐波电流分布l5 图2 7 磁控电抗器伏安特性l5 图2 8 磁控电抗器控制特性1 6 图3 1 电力系统负荷无功补偿的示意图1 7 图3 2 无源滤波器种类2 0 图3 3 f c 滤波电路2 1 图3 4 磁控电抗器支路电流波形2 l 图3 5 电源进线侧电流波形2 2 图3 6 电源侧串联谐振电路2 2 图3 7 电源进线侧电流波形( 串联谐振电路) 2 2 图4 1 控制系统原理框图2 4 图4 2 负载电流调理电路2 5 图4 3 压控电压源二阶有源低通滤波器2 5 图4 4 负载电压调理电路2 5 图4 5 电压同步电路2 6 图4 6 软件设计主流程图2 7 图4 7 系统初始化模块程序流程图2 7 图4 8 过零检测模块流程图2 8 图4 9 p i 控制原理图3 0 图4 1 0 p i 控制流程图3 l 图5 1 试验电路3 6 图5 2 m c r 支路电流波形及其频谱3 7 图5 3 电源进线侧电流波形及其频谱3 7 图5 4 m c r 支路电流及其频谱3 8 图5 5 感性负荷投入时，进行端功率因数趋势图3 8 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 盒筵王些盍堂 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： 参l 昆 签字日期：多w 7 钾z 月亨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金8 墨王些态堂有关保留、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。本人授权佥胆= ! ：些盔堂可 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) 学位论文作者签名： 乡l 影 签字b 期：五q 年j f 2 月亨舀 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：形小岛 导师签名： 4vj 签字目期哆年f 尹月乡曰 电话： 邮编： 致谢 值此论文脱稿之际谨向我的导师孙鸣教授致以最诚挚的感谢。本文是在孙 鸣老师的悉心指导下完成的，从课题选择到论文完成，无不倾注着孙鸣老师的 心血与细心指点。孙鸣老师严谨、勤奋、细致和求实的治学作风，渊博的学识， 朴实无华的工作作风以及为力提携后辈的无私奉献精神，是我学习的楷模，使 我受益终身。 感谢电气工程学院的老师们在学术和生活中给予的无私的指导和帮助。各 位老师的教导和帮助常常使我受到启发，给我思考问题和解决问题的灵感，在 此一并表示谢意。 衷心感谢我的父母和家人多年来对我的关心和培育，我的每一份成长，每 一点成绩，都与他们一直以来所给予的无私奉献和支持分不开。 感谢所有关心和帮助过我的师长、同学、亲人和朋友。 v 作者：刘星 2 0 0 9 年1 2 月7 日 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 众所周知，随着用电量的日益增加，电网的经济运行已是一个不可忽视的 问题。因此，降低线路的损耗，减少故障的发生，提高电力系统的输电效率和 质量，保证电力系统的经济运行是电力系统的技术焦点。 在电力负荷中，有相当一部分属于感性负荷，这些负荷不仅要消耗大量的 有功功率，还要吸收大量的无功功率。在有功功率不变的情况下，无功功率的 存在会使功率因数降低，从而需要增大发电和输电设备的容量，增加投资和电 力损耗，增加运行费用，不利于电力的输送和合理应用。大量的无功功率如果 完全由发电厂提供，会加大线路的有功损失，降低用户电压。当整个系统无功 严重缺乏时，还会使整个电力系统崩溃。 此外，各种新型的电力电子整流装置的广泛应用，在减少能量损耗的同时， 也带来了功率因数下降、电压波动、闪变、三相不平衡以及谐波干扰等问题。 最终使配电设备的使用效能得不到充分发挥，设备的附加功耗增加。 近年来，随着电力工业的不断发展，对电网无功功率的要求也日益严格。 从以前仅需补偿容性无功发展到如今需要补偿容性和感性无功，并且要求能够 连续调节，具体表现为：一方面要求在负荷高峰期能提供较多的容性无功，以 满足企业的无功需求，稳定系统电压；另一方面，又要在电网轻载时提供感性 无功，保证系统电压不致过高。无功补偿在改善电压的同时还能降低系统的网 损，减少系统的电能损失，这使得研究无功补偿问题的意义更加重大。 1 2 无功功率产生原因及其不良影响 1 2 1 电力系统无功功率产生的原因 在工业和生活用电负载中，感性负荷占有很大的比例。感应电动机、变压 器、传统的日光灯镇流器等都是典型的感性负载。感应电动机和变压器所需要 的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。一些电力电子装 置，特别是各种相控装置，如相控整流器、相控交流电力调节装置等，在工作 时基波电流滞后于电网电压，要吸收大量的无功功率。电气化铁路和工业用电 弧炉在工作时，不但要吸收大量的无功功率，而且所吸收的无功功率的波动也 很大。所有这些负载在正常工作时，都需要大量的无功功率。 1 2 2 无功功率的不良影响 在电力负荷中，感性负荷投入运行之后除了消耗大量的有功之外还要吸收 大量的无功。根据有关资料分析，电力系统的无功负荷约为有功负荷的1 3 倍。 大量的无功如果完全由发电厂来提供，就会使用户功率因数降低，其结果造成 线路有功损失加大，用户电压降低，电力设备得不到充分应用。当整个系统无 功严重缺乏时，还会使电力系统崩溃。无功功率增加将使视在功率增加，从而 使流过供电系统的电流增加，这将对系统产生如下影响： ( 1 ) 总电流增加会使设备容量增加。无功功率的增加，会使发电机、变压 器及其它电气设备容量和导线的容量增大。同时，电力用户的起动及控制设备、 测量仪表的尺寸和规格也要加大，因而使投资费用增大。 ( 2 ) 在传输同样有功功率的情况下，总电流的增大，是设备及线路的损耗 增加。 ( 3 ) 线路及变压器的电压损耗增加。 ( 4 ) 导致原动机效率的相对降低。对电力系统的发电设备来说，无功电流 的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，使 转子绕组超过允许温升。无功功率的变化会引起电网电压的波动，使一些用电 设备无法正常工作，降低供电质量。 所以，进行无功补偿是保证电网质量的主要途径之一，无功补偿的作用主 要有以下几点【i i , ( 1 ) 改善功率因数。可以对动态无功负荷的功率因数进行校正，不但能把 平均功率因数补偿到所需的值，而且使动态功率因数保持在一定的范围内。 ( 2 ) 改善电压调整。能通过发出和吸收无功功率来提高电压和降低电压， 防止过电压和欠电压。 ( 3 ) 减少电压波动。由于反映迅速，所以能补偿快速变化的电压波动，减 少电压闪烁。 ( 4 ) 减少谐波。早期的动态静止无功功率补偿装置带有调谐的滤波线路， 吸收系统内或负荷内的谐波，改善电流和电压波形，同时也吸收了静止无功功 率补偿装置本身产生的谐波。近期的新型动态静止无功功率补偿装置，如有源 电力滤波器，能够通过产生谐波的方式消除系统内或负荷内的谐波。 ( 5 ) 提高了电力系统的静态和动态稳定性，限制操作过电压。 ( 6 ) 加强对低频振荡的阻尼以及抑制次同步振荡。 1 3 国内外无功补偿方式及补偿装置 早期的无功补偿装置，如同步调相机、并联电容器等，虽在很长一段时间 内为维持电网的电压稳定发挥了十分重要的作用，但因其无法同时提供感性和 容性无功、不能连续调节等缺点，已无法满足电力行业的要求。因此，目前迫 切需要能够实现快速响应、连续调节的动态无功补偿装置。 在电网中，网络元件的阻抗主要是电感性的，需要无功功率，大多数负载 也需要无功功率。显然，网络元件和负载所需的无功功率如果都由发电机提供 2 并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要无 功功率的地方产生无功功率，实行就地补偿 2 】。 同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r 一s c ) 又称同步补偿器，是早期无 功补偿装置的典型代表。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或 欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自二三 十年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统电压和无功功率控制中一度发 挥着主要作用。与电容器相比，同步调相机有一个固有的优点，即在系统电压 下降时，它通过控制励磁发出和吸收无功功率，并通过电压调节器自动调节无 功功率的大小以维持端电压恒定。但其属于旋转设备，故损耗和噪音很大，运 行维护复杂，响应速度慢，且不适用于太大或太小的无功补偿。 并联电容器是电网获取无功功率，提高功率因数的有效手段，是当前最主 要的无功补偿方法。其丰要特点是价格低，效率高，运行成本低，在保护完善 的情况下可靠性也很高。 在高压及中压系统中主要使用固定连接的并联电容器组，而在低压配电系 统中则主要使用自动控制电容器投切的自动无功补偿装置。自动无功补偿装置 的结构则多种多样形形色色，适用于各种不同的负荷情况。 并联电容器的最主要缺点是其对谐波的敏感性。当电网中含有谐波时，电 容器的电流会急剧增大，还会与电网中的感性元件谐振使谐波放大。另外，并 联电容器属于恒阻抗元件，在电网电压下降时其输出的无功电流也下降，因此 不利于电网的无功安全。此外，电容器组数量的限制，无功补偿只能实现有级 调整，难免出现欠补偿和过补偿的现象。 静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r s v g ) 是一种现代电力电子无功补 偿装置，s v g 在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可。s v g 通过 不同的控制，即可使其发出无功功率，呈电容性，也可使其吸收无功功率，呈 电感性。s v g 是一种先进的现代补偿装置，若采用多重化或p w m 控制技术， 可以使其输出电流谐波成分较小，但其只能补偿无功功率，功能略显单一。 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 是一种新型的谐波、无功和负序电 流综合补偿系统。有源电力滤波器具有以下一些特点 3 ，4 ，5 ，6 ，7 ： ( 1 ) 实现了动态补偿。有源电力滤波器可对频率和幅值都变化的谐波以及 变化的无功和负序电流进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应； ( 2 ) 可同时对谐波、无功和负序电流进行补偿。也可单独补偿谐波、无功 或负序电流，且补偿无功的程度可连续调节； ( 3 ) 补偿无功功率时无需贮能元件，补偿谐波时贮能元件容量也不大； ( 4 ) 即使需要补偿的电流超过其额定值，也不会发生过载情况，并能在其 额定容量内继续正常工作； ( 5 ) 受电网阻抗的影响较小，不容易和电网阻抗发生谐振； 3 ( 6 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响； ( 7 ) 即可对特定的谐波源和需要无功及产生负序电流的负载进行补偿，也 可对多个谐波源和需要无功及产生负序电流的负载进行补偿。 可见，采用有源电力滤波器可以获得比以往谐波、无功及负序电流抑制方 法优越的补偿性能。但大容量高电压有源滤波器价格昂贵，其大量使用，还有 赖于电力电子技术的发展和控制理论的完善。只有电力电子器件容量的增加， 成本降低，控制理论的完善，有源电力滤波器在谐波、无功和负序电流综合补 偿中的良好应用前景才能得以实现。目前，a p f 已开始从实验室原理型转变为 工业生产应用型，在世界发达国家获得了工业应用。当前，a p f 在日本的应用 最为广泛，补偿范围包括谐波、无功、负序以及电压调节等，补偿对象有电气 化铁路、工业整流负载和电弧炉等。不过我国有源电力滤波器的研究还停留在 实验室研究和工业化实验阶段，其可靠性和经济性还不允许我们大规模的实现 工业化应用。 国外7 0 年代发展起来的静止型无功动态补偿器是一种快速调节无功功率 的装置，已成功地应用于电气化铁路、冶金、电力、采矿和高能加速器等负荷 的补偿上。这种装置在调节的快速性、功能的多样性、工作的可靠性、投资和 运行费用的经济性等比调相机具有显著的优点，能够获得较好的技术经济效益， 因而在国内外取得了较快的发展。 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 ) 是国际上的通称，其中“静 止”是指其构成的元件设备没有旋转而言，国内有的部门按补偿功能，把这类 装置叫“动补 装置，而把电容器、电抗器之类的补偿器叫“静补”装置。 s v c 是目前基于灵活交流输电系统( f a c t s ) 技术应用最广泛的无功补偿 装置，常用的有以下几种形式：饱和电抗器型( s r 型s v c ) 、晶闸管投切电容 器型( t s c 型s v c ) 、晶闸管控制电抗器( t c r 型s v c ) 等 8 】。 从2 0 世纪7 0 年代中期开始，美国的g e 公司、b b c 公司( 现为a b b 公 司) 和s i e m e n s 公司先后开发出了t c r 型s v c 装置，并开始应用于工业用户 和输配电领域。我国在2 0 世纪8 0 年代初期由机械部和电力部联合引进了b b c 公司的t c r 型s v c 动态无功补偿技术，并经过多年的努力在大冶钢厂投入使 用，但由于其控制器和调节器采用的是模拟技术，冷却系统采用半封闭开放式 手动方式，自动化程度和装置的可靠性较低，因此没有得到广泛使用。9 0 年代 中期，我国又引进了乌克兰的t c r 型s v c 动态无功补偿技术，其价格较低， 在一定时期内赢得了市场，但其控制器和调节器以分立元件为主，采用脉冲变 压器隔离的电磁触发方式，通过风冷式热管散热，在补偿容量较大时晶闸管的 结温较水冷散热方式高3 0 0 以上，装置故障率较高，也限制了其应用范围。 进入9 0 年代后，随着电力电子技术的不断发展和控制技术的不断提高， a b b 、s i e m e n s 、日本东芝、三菱等大公司的全数字化大容量t c r 型s v c 装置 4 进入了实用化阶段，装置的可靠性和无功补偿的效果得到了明显提高，s v c 在 工业领域和输配电领域得到了前所未有的高速发展。 截止到2 0 0 0 年，全世界已有超过4 0 0 套、总容量约为6 0 g v a r 的s v c 在输 配电系统中运行；全世界已有超过6 0 0 套、总容量约为4 0 g v a r 的s v c 在工业 部门使用。我国的输电系统中有6 套容量为1 0 5 l7 0 m v a r 的s v c 安装在5 个 5 0 0 k v 变电站，均为进口；工业用户安装了l0 0 多套s v c ，约有1 5 是进口的。 但引进的s v c 的运行情况都不太理想，主要原因有：与中国电网不相适应，与 系统的相互作用问题突出；早期技术陈旧，自动化程度低，对运行人员素质要 求较高；后期技术服务不及时，又没有技术升级措施等 9 。 中国电力科学研究院于2 0 0 1 年推出了t c r 型s v c 新平台，采用了全数字 化控制、封闭式纯水冷却、综合自动化、光电触发等一系列新技术，并成功应 用到了工业用户( 交流电弧炉、轧机) 及电网变电站的无功电压控制中，技术 上已经同国外各大公司处于同等水平。 基于t c r 的s v c 在电力系统中得到了大量应用，但存在以下问题：( 1 ) 虽然可以平滑调节容量，但是t c r 是通过控制晶闸管触发相位角来直接控制电 抗器输出电流的，这样电抗器的输出电流畸变非常严重，产生很大的谐波；( 2 ) 在工作过程中晶闸管需要承受全部的工作电压和工作电流，这使t c r 的电压等 级无法做得很高，不能直接用在3 5 k v 以上系统中，通常通过降压变压器接在 高电压等级线路中；( 3 ) 晶闸管阀需要准确的控制和过复杂的保护装置，来保 护由于它的不当控制使变压器饱和而令其产生的过压过流；( 4 ) 晶闸管的容量 要求也很严格，从而使t c r 的占地面积变大，控制复杂，价格昂贵。 磁阀式可控电抗器是一种较为经济实用的可控电抗器，其控制晶闸管所承 受的电压只有额定电压的2 左右，其电流也只要求额定的控制电流，主回路 的电压电流将由电抗器部分承受。这可使磁阀式可控电抗器不受晶阐管容量的 限制，应用于任何电压等级的网络。且磁阀式可控电抗器输出电流的谐波性能 比t c r 好。从经济性来考虑，磁阀式可控电抗器结构简单，价格便宜。在很多 领域都有使用磁阀式可控电抗器代替t c r 的趋势【l 。 1 4 磁控电抗器的发展 磁控电抗器是借助控制回路直流控制电流的激磁改变铁心的磁饱和度( 即 工作点) ，从而达到平滑调节无功输出的目的。可控电抗器是在磁放大器的基础 上发展起来的【l1 】。早在1 9 1 6 年就由美国的e e w 亚历山德逊提出了“磁放大 器”的报告。到了4 0 年代，随着高磁感应强度及低损耗的晶粒取代硅钢带和高 磁导、高矩形系数的坡莫合金材料的出现，把磁放大器以及饱和电抗器的理论 和应用提高到一个新水平。2 0 世纪5 0 年代，俄罗斯的科技工作者将磁放大理 论引入电力系统中，对饱和式可控电抗器进行了深入的研究。19 5 5 年英国电气 公司( g e c ) 制造成功了世界上第一台可控电抗器，其额定容量为1 0 0 m v a ， 工作电压为6 6 k v 2 2 k v 。该可控电抗器主绕组为2 组，均为“之”字形连接。 这样，对应相的两个基波电流在相位上相差3 0 0 ，并且由于有三角形绕组，3 倍 频及7 次以下的奇次谐波自我抵消而不注入电网。据当时的测量，电流所含谐 波不超过1 5 的额定电流，直流绕组损耗不超过o 2 5 的电抗器额定容量，主 绕组损耗不超过0 8 。该可控电抗器有很大的缺点：控制电流的改变会导致接 成三角形线圈内部电流的变化，过渡过程的时间常数取决于三角形线圈的时间 常数，其值一般很大，故调节速度很慢。另外，其有功损耗和材料消耗都较大。 这些缺点使可控电抗器的推广应用受到了限制。2 0 世纪7 0 年代，随着晶闸管 的发展，晶闸管控制电抗器( t c r ) 以其控制灵活的特点成为了研究热点。 直到1 9 8 6 年，原苏联学者首先提出了可控电抗器磁阀( m a g n e t i cv a l v e ) 的概念，才使可控电抗器的发展有了突破性进展，电抗器性能大大改善。由于 磁饱和可控电抗器成本低、性能高，是超高压可控补偿的首选设备。 国外俄罗斯学者在m c r 方面进行了深入的研究，取得了显著的进展，其 m c r 可用于直至1 15 0 k v 的任何电压等级。从第一台设备运行以来应用越来越 广泛，当前运行m c r 大约有1 4 0 多台，而且有许多正在安装中。在俄罗斯 k u d y m k a r 变电站，电网需要承受非常严重的负荷波动，每年因此造成的开 关操作多达8 0 0 多次，从而每年投入的维护费用非常巨大，开关设备的老化现 象也非常严重。l9 9 9 年在这个变电站安装了第一台m c r ，系统立即稳定下来。 此后，每月的开关事件平均只有一次，在高峰期平均节电2 5 m w ，也就是每年 节电5 5 g w h 。而且，m c r 的安装使这个变电站在此后的8 年内不需要再修 建新的输电线路，节省投资超过$ 2 5 m 。这样，m c r 有效地减小了系统的能量 损耗，增加了电网运行的可靠性，优化了输电线的运行条件，减少了开关操作 次数及相应的人工操作事件，降低了系统的运行费用。 2 0 0 2 年俄罗斯赤塔电站电压等级为2 2 0 k v 、容量为10 0 m v a 的三相m c r 投入运行；2 0 0 3 年白俄罗斯巴拉诺维奇电站电压等级为3 3 0 k v 、容量为18 0 m v a 的三相m c r 投入运行；2 0 0 5 年俄罗斯西伯利亚电压等级为5 0 0 k v 、容量为 1 8 0 m v a 的三相m c r 投入运行【1 2 1 。 国内武汉大学对m c r 的研究开展得较早，已成功地研制出磁控式动态无 功补偿装置和消弧线圈，运行效果良好。上海交通大学，华北电力大学等院校 对直流可控电抗器进行了研究：浙江大学等对交流可控电抗器进行了较为细致 的研究。2 0 0 7 年9 月2 9 日，由中国电力科学研究院、华东电力设计院、特变 电工沈阳变压器集团、西电集团等相关单位联合攻关自主研发的国内首台 5 0 0 k v 一一江陵站可控高压电抗器的全部调试工作顺利结束，与右荆( 峡山) i i 回线路同时进入2 4 小时试运行，标志着我国已经掌握了m c r 的核心技术， 达到国际先进水平。 6 1 5 本课题所做的主要工作 磁控电抗器由于其优良的性能和良好的应用前景，在电力系统无功补偿领 域受到了越来越广泛的重视。本文提出了一种基于单片机控制的磁控电抗器动 态无功功率补偿装置，并对其结构，补偿原理，补偿效果进行了全面的分析。 ( 1 ) 介绍了可控电抗器的发展状况及当前无功补偿装置的优缺点，指出了 磁控电抗器在电力系统无功补偿方面的优势。 ( 2 ) 全面分析了自励磁式磁控电抗器和外励磁式磁控电抗器的工作原理和 特性，指出了外励磁式磁控电抗器的优点。 ( 3 ) 对无功补偿装置的控制系统做了简单的介绍，介绍了硬件设计，主控 制器，控制策略以及软件设计思想。介绍了系统的可靠性和抗干扰设计。 ( 4 ) 对装置进行试验运行，证明该系统的有效性和实用性。 1 6 本章小结 本章介绍了无功功率的研究背景和研究意义以及国内外的发展状况，介绍 了无功功率补偿原理和作用。介绍了磁控电抗器的发展。根据实际要求，综合 考虑，确实了本课题的研究目的和主要内容。 7 第二章磁控电抗器的数学模型及工作特性 磁控电抗器是借助控制回路产生直流电流以控制激磁，改变铁心的饱和度， 从而达到平滑调节电抗的目的。磁控电抗器的特点是铁芯的一小段截面比正常 小，在整个容量调节范围内，只有小面积的那一段饱和，其余段均处于未饱和 线性状态，通过改变小截面段的饱和程度来改变电抗器的容量。 2 1 磁控电抗器工作原理 墨 8 气 b 2 ( a ) = 晶s i n c o t ( b ) 图2 1 磁控电抗器原理图 图2 1 ( a ) 为磁控电抗器的原理接线图，( b ) 为相应的电路图。由图可见， 磁控电抗器的主铁心分裂为两半，面积各为a b ，长度为l i t ，每一半铁心都 具有一长度为i t 的小截面段，其面积为a b l ( a b l a b ) 。在电抗器的整个工作 范围内，只有i t 一段磁路饱和，其余段均处于未饱和状态。两个匝数为n 2 的线圈分别对称地绕在两个半铁心柱上( 半铁心柱上的线圈总匝数为n ) ；每一 半铁心柱的上下两绕组各有一抽头比为d = n 2 n 的抽头，它们之间接有可控 硅k 1 ( k 2 ) ，不同铁心的上下两个绕组交叉连接后，并联至电网电源，续流二 极管d 则横跨在交叉端点上【1 ，2 ，1 0 ，1 6 】。 如图2 1 ( a ) ，若k 1 ，k 2 不导通，可控电抗器处于空载状态，由绕组结构 的对称性知可控电抗器与空载变压器无异。当电源e 处在正半周，晶闸管k 1 承受正向电压，k 2 承受反向电压。若k 1 触发导通( a 、b 点等电位) ，电源e 经 变比为d 的线圈( n 2 ) 自耦变压后由匝数为n 2 的线圈向电路提供直流控制 电压和电流i k ，i ”。 k 1 导通时的电路图如图2 2 ( a ) 所示。同理，若k 2 在电源的负半周导通 ( c ，d 等电位) ，则可得出图2 2 ( b ) 所示的等值电路。由图2 2 可见，k 2 导 通所产生的控制电流i k ( i k ”) 方向与k 1 导通时所产生的一致，也就是说在电 源一个工频周期内，k 1 、k 2 的轮流导通起了全波整流的作用，而二极管d 在 k 1 和k 2 导通和关断时起续流作用。与一般的可控整流原理一样，其有利于晶 闸管k 1 、k 2 的关断，提高整流效率。 n 、f 2 a , b j v l 2 ( a ) 溉1 s i n w t 画s i n w t c , d n l 注 ( b ) 图2 2 晶闸管置、尼分别打开时电抗器等效电路图 由图2 2 ( a ) 、( b ) 可知，匝数为n l 2 的线圈中流过的电流有两部分：直 流控制电流i k ( i k ”) 和工作电流i ( i i ) ( 约为i 的一半) 。直流控制电流i k ( i k ”) 流过两个匝数为n l2 的线圈( 串联) ，所产生的控制磁通在两个半铁心自我 闭合，工作电流i ( i i ) 流过上下两组串联的绕组，所产生的交流工作磁通通过 两个并联铁心和另一铁心而闭合。 当触发角a = p 时，晶闸管不导通，控制电压为零，磁路中无直流磁通， 只有交流磁通o ，此时电抗器为空载状态。当a p 时，绕组中有直流励磁， 铁芯中的磁通( 1 ，2 ) 由直流和交流磁通合成而成。当晶闸管k 1 导通时，左 柱支路绕组匝数减少n 2 匝，相应的右柱支路绕组匝数增加n 2 匝。由于电流近 似与匝数的平方成反比，所以i 几乎只有正半波；同理，当k 2 导通时，i t t 几乎 只有负半波，总的电流波形i 为正弦波。改变导通角即可改变直流电流i k ( i k ”) 9 的大小，铁芯的工作点随着改变，总电流会有很大的变化，从而达到平滑调节 电抗的目的。 2 2 磁控电抗器数学模型及状态分析 如图2 1 ( b ) 所示，根据晶闸管k 1 、k 2 及二极管d 的可能导通情况，列 出下列5 种工作状态： ( 1 ) k 1 导通，k 2 、d 截止； ( 2 ) k 1 、d 导通，k 2 截止； ( 3 ) d 导通，k 1 、k 2 截止； ( 4 ) k 2 导通，k l 、d 截止； ( 5 ) k 2 、d 导通，k 1 截止； 磁控电抗器的不同工作状态、各元件的导通和截止条件，是由晶闸管与二 极管所承受的电压、电流及触发脉冲信号决定的。假设磁控电抗器工作绕组两 端加有正弦电压：e = e ms i n c o t ，每一电源半周开始到晶闸管的触发导通时电角 度为a ，a 为触发角。 当无直流励磁( a = p ) 时，晶闸管k l 、k 2 不触发导通，电抗器为空载状 态。由图2 1 ( b ) 知e 、f 两点电位差为零，因而可以假定从a = o 开始，电抗 器处于状态3 ，即d 导通，k 1 、k 2 截止。此时k 1 承受的正向电压为u a b = d e m s i n o | ) t ，k 2 承受的反向电压为u a b = 一d e ms i n o ) t 。若在此正半周某一时刻o a t = a ， 向k 1 门极输入触发脉冲，其将会导通，而k 2 维持截止状态，可控电抗器进入 状态2 ，即k 1 、d 导通，k 2 截止。k 1 导通后，d 的关断时间取决于铁心直 流励磁电流的大小，其可能随k 1 导通而立即关断，也可能会延迟一很短时间 才关断，设其导通角为y 。d 关断后，电抗器进入状态1 ，即k 1 导通，k 2 、d 截止。在电源的正半周，电抗器处于状态1 时，晶闸管k 1 是不会截止的，k 2 上承受反向压降，不具备导通条件，而二极管d 则在接近半周期末的某个时刻 导通。设d 的导通角为1 ，l