（电力系统及其自动化专业论文）面向不平衡负荷补偿的svc的研究与设计.pdf

a b s t r a c t a st h ei n c r e a s eo fu n b a l a n c et h r e e p h a s ee l e m e n t so rl o a d s ，t h e p o w e rs y s t e m sv o l t a g eu n b a l a n c eb e c o m e s at h r e a ta g a i n s tt h es e c u r i t y a n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m t h et c re q u i p m e n th a s b e e np r o v e dt ob ea l le f f e c t i v em e a s u r et or e d u c ee l e c t r i cc i r c u i tl o s s ，t o i n c r e a s ew o r k i n g s y s t e ms t a b l el e v e l ，a n dt oc o m p e n s a t et h eu n b a l a n c eo f t h ep o w e rs y s t e m b u ti th a ss o m es h o r t c o m i n g s ，s u c ha sl o wc o m p e n s a t e e 伍c i e n c y , l o wr e s p o n s es p e e d ，a n dt h er e s t r i c t i o nt h a tt h et r a n d i t i o n a l f i r i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h y r i s t o rv a l v e sc o u l dn o ts a t i s f yt h e n e wr e q u i r e m e n t s f i r s t l y , t h en e g a t i v e - s e q u e n c ea n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n w h i c hb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yw a su s e dt o c o m p e n s a t ee v e r yp h a s e sp o w e r f a c t o ra n di m p r o v et h es y s t e m s u n b a l a n c ec o n d i t i o n a d d i t i o n a l l y , am e t h o dh a db e e np u tf o r w a r dt o s o l v et h eo v e rc o m p e n s a t i o np r o b l e m s e c o n d l y , t h e s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ( s v c ) b a s e d o nt h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ( t c r ) w h i c h f a c e dt ot h el o a d sm a i n l yu s e so p e n - l o o pc o n t r o l ，t h i st h e s i sp u tf o r w a r da c o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nl o c a lo p e n l o o pa n dg l o b a lc l o s e - l o o pi nt h e w h o l e ，w h i c hc a ni m p r o v ec o n t r o la c c u r a c ya n da s s u r er e s p o n s es p e e d f i n a l l y , i no r d e rt oi m p r o v er e l i a b i l i t y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h et h y r i s t o r v a l v e sp h o t o e l e c t r i cf i r i n ga n do n 1 i n em o n i t o r i n gs y s t e mi n t ot h es v c d e s i g n t h es i m u l a t i o nb vm 灯l a b s i m u l i n kh a sp r o v e dt h a tt h ec o n t r o l s t r a t e g yw h i c hb a s e do nl o c a lo p e n l o o pa n dg l o b a lc l o s e l o o pi nt h e w h o l ep u tf o r w o r di nt h i st h e s i sc a l lq u i c k l yc o m p e n s a t et h es y s t e m sv a r a n dt h el o a d si m b a l a n c e a tl a s t ，t h et h e s i sp u tf o r w o r dt h ed e s i g n m e t h o do ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h es v c k e y w o r d su n b a l a n c e d - l o a dc o m p e n s a t i o n ，t h y r i s t o rc o n t r o l l e d r e a c t o r , s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r , p h o t o e l e c t r i cf i r i n g ， m o n i t o r i n g n 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：j 啦 日期：丝年羔月塑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文口同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：2 舞月雩日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 无功功率指的是交流电路中，电压u 与电流i 存在一相角差时，电流流过容 性电抗( x c ) 或感性电抗( x l ) 时所形成的功率分量。这种功率在电网中会造成电压 降落( 感性电抗时) 或电压升高( 容性电抗时) 和焦耳( 电阻发热) 损失，却不能做出有 效的功。当功率因数非常低时，无功功率就会变得很大而造成能源的浪费，在这 种情况下，必须提高功率因数，对无功进行补偿。无功功率补偿对电力系统具有 重要意义【，概括起来有： ( 1 ) 维持系统电压基本不变，抑制电压闪变。 ( 2 ) 提高供电系统及负载的功率因数，减小功率损耗。 ( 3 ) 提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。 ( 4 ) 提高发电机有功输出能力。 ( 5 ) 平衡三相的有功功率和无功功率。 因而合理配置无功补偿( 包括使用场合、容量设计和采用型式选择) 是电力系 统规划和设计工作中一项重要内容。通过对电力系统无功电源的合理配置和对无 功负荷的最佳补偿，不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性，而且 可以降低有功网损和无功网损，使电力系统能够安全经济运行。 传统的无功补偿装置很多，有同步调相机、并联电容器等。同步调相机 ( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r s c ) 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。由于它是 旋转电机，损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，响应速度慢，在很多情况下己 经不能满足快速无功功率控制的要求。并联电容器也是无功补偿的传统方法之 一，其结构简单，费用低廉。然而，并联电容器不能跟踪负载无功需求的变化， 只能补偿固定无变化的无功功率，且当系统中存在谐波时，还有可能发生并联谐 振，导致谐波放大。 除此之外，随着各种用电设备越来越多样化。对三相供电系统来说，除了存 在大量的对称负荷外，还有许多不对称负荷，譬如电气化铁路和交流电弧炉等。 三相电压电流不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害，其中主要有：引起 旋转电机的附加发热和振动，危及其安全运行和j 下常出力：引起以负序分量为启 动元件的各种保护装置发生误动作( 特别是当电网中同时存在谐波时) ，这对电网 安全运行具有严重威胁；电压不平衡会使半导体变流设备产生附加的非特征谐波 硕士学位论文 电流，而这种设备一般设计上只允许2 的电压不平衡度等【2 】。因此，对负荷实 现分相补偿成了一个亟待解决的问题。 由于传统无功补偿装置自身的局限性，从2 0 世纪7 0 年代开始逐渐被静止无 功功率补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r s v c ) 所取代。饱和电抗器( s a t u r a t o d r e a c t o r s r ) 属于早期的静止无功补偿装置，其铁心工作在饱和状态，因而损耗 和噪声都很大，而且存在一些非线性电路的特殊问题，又不能分相调节以补偿负 荷的不平衡，故此未能占据静止无功补偿装置的主流。随着电力电子技术的发展 及其在电力系统中的应用，使用品闸管的静止无功补偿装置逐渐取代上述补偿装 置成为首选方案。这类静止无功补偿装置没有旋转元件、可靠性高，可以根据电 网无功的实时需求连续调节无功功率的输出，从而实现系统无功功率的动态补 偿。具有快速响应性，可频繁动作性，以及分相补偿的能力，可应用于大型冲击 性、快速周期波动、不平衡以及非线性负荷的动态无功补偿领域，改善电能质量。 因此，近十年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定的增长，己占据了静止 无功补偿器的主导地位。 s v c 由可控电感支路和固定( 或可变) 电容器支路并联组成，已经工程实现并 大量应用的有以下几种可控电感、电容支路型式【”】： ( 1 ) 自饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s a ) 白饱和电抗器，可分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种。它通常应用在 控制电压的大幅偏移、缓解电压闪变、在直流输电终端进行无功补偿等领域。商 用饱和电抗器的补偿容量已达2 7 弧肭r 。 ( 2 ) 可控硅控制电抗器( t h y f i s t o rc o n t r o l l e dr e c a t o r ，t c r ) t c r 型补偿器具有反应时间快( 1 0 - 2 0 m s ) ，无级调节，运行可靠，分相调节， 平衡有功，适用范围广，价格较便宜等优点，实际应用最广，在控制电弧炉负荷 产生的闪烁时，几乎都采用这种型式。 ( 3 ) 可控硅投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ，t s c ) t s c 型补偿器由一组并联的电容器组成，每一台电容器都与双向晶闸管串 联。这里的晶闸管仅起开关的作用，以替代常规电容器所配置的机械式开关。在 运行时，根据所需补偿电流的大小，决定投入电容的组数。由于电容是按组投切 的，所以会在电网中产生冲击电流。为了实现无功电流尽可能的平滑调节，有两 个解决办法：首先可以增加电容的组数，组数越多，级差就越小，但这必然会增 加运行成本，如何协调二者的关系，是电网公司应该考虑的问题：其次就是要把 握电容器的投切时间。研究表明，最佳的投切时间是晶闸管两端电压为零的时刻， 也就是电容器两端电压等于电源电压的时刻。所以t s c 一般都是采取过零投切 的。 2 硕士学位论文 第一章绪论 t s c 型补偿器的特点是反应时间快，适用范围广，分相调节装置本身不产生 谐波，损耗小；但它只能分级调节，价格较高。1 0 k v 以上难以广泛应用，l k v 以下使用很广，进口设备最高用在8 k v 。 ( 4 ) 可控硅控制高漏抗变压器( t h y d s t o rc o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r , t c t ) t c t 具有t c r 的几乎所有优点。由于t c t 变压器一、二次绕组损耗较大， 比t c r 的效率低，同时，运行时，噪声较大。研究表明，从补偿器容量和价格 等角度进行综合比较，补偿容量在2 5 m v a r 以下选用t c t 比较经济，在2 5 m v a r 以上的补偿容量则不宜采用t c t 而应采用t c r 。t i 玎的可控硅采用并联均流可 承受大电流，t c r 的可控硅则采用串联均压以承受高电压。高漏抗变压器的漏 磁大，要加强变压器箱体对漏磁的屏蔽和采用无磁性央件等技术措施。当电弧炉 等三相不平衡负荷以t c t 作无功补偿时，如果将t c t 的高漏抗变压器做成三相 变压器型式，则其铁芯必须有两边芯柱作为零序磁通的闭合铁芯磁路。 ( 5 ) 机械开关投切电容晶闸管控制电抗器型( 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 + t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e c a t o r ，m s c + t c r ) 在一些要求不高，电容投切不频繁的应用场合，可以采用机械开关代替t s c 支路的晶闸管，构成机械开关投切电容晶闸管控制电抗器型无功补偿装置，有 利于降低成本和降低损耗。 。 ( 6 ) 固定电容晶闸管控制电抗器型( f c + t c r ) f c + t c r 型补偿器由t c r 和若干组不可控电容器并联而成。通过控制与电 抗器串联的双向晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系 统输送容性无功电流。由于该补偿器响应时间快( 小于半周波) ，灵活性大，而且 可以连续调节无功输出，同时，可以补偿电网的三相不平衡。所以目前在国内的 电力系统中应用最为广泛。但该补偿装置输出的电流中含有较多的高次谐波，而 且电抗器体积大，成本也比较高。 ( 7 ) 晶闸管投切电容晶闸管控制电抗器型( t c r + t s c ) t c r + f c 型和t s c 型补偿器都能有效的补偿系统中的无功电流，但各有自 己的缺点，t c r + f c 型补偿器容易产生谐波，而t s c 型补偿器对于冲击性负荷 引起的电压闪变不能进行很好的抑制。二者的缺点正是对方的优点，所以 t c r + t s c 型补偿器应运而生。由t c r 提供可调的感性无功功率，f c 提供容性 无功功率，同时作为5 ，7 次谐波的滤波器，当f c 提供的容性无功不足时，t s c 投入运行。武汉凤凰山5 0 0 k v 变电站采用的就是t s c + t c r 型补偿器。 总的来说，没有任何一种s v c 可以力- 能地满足所有无功功率补偿的要求。 选择特定结构的s v c 通常基于如下几个因素：应用的要求、响应速度、运行的 频率、损耗、投资成本等。不过，f c + t c r 是迄今为止最为通用的一种s v c 结 3 硕士学位论文 第一章绪论 构。 国内s v c 的研究大概起始于上世纪9 0 年代初，国外的研究及应用相对较早， 其控制技术也相当成熟。但早期的不对称负荷并不象今天这样多，所以大多s v c 装置从控制方面和节约成本方面考虑都是针对三相对称负荷补偿设计的。而且由 于其控制技术的成熟，很多人都把对无功补偿的注意力放到了更为新型的 s t a t c o m 上了，这种情况不仅在国外一些发达国家如此，在国内也是如此。文 献【6 】对基于s t a t c o m 的平衡补偿和基于$ v c 的平衡补偿方法进行了比较，得 出结论是：基于s v c 的平衡补偿成本低，响应速度较快，且控制算法简单；基 于s t a t c o m 的平衡补偿装置虽然有体积小，重量轻，且装置发出的无功电流谐 波含量小，补偿速度快等优点，但成本比较高，且控制系统结构复杂。s t a t c o m 要替代$ v c 技术必须克服两个主要障碍，一个是价格，另一个是损耗。目前基 于全控型器件的电力电子装置损耗大约是基于半控型器件电力电子装置的2 倍。 因此，研究s v c 的补偿方法仍然具有现实意义。 晶闸管控制电抗器+ 滤波器组( t c r + f c ) 构成的无功补偿装置在理论上可以 较好的解决电压闪变的问题，因而近年来推广很快，应用领域也逐步扩大。目前 一些国外大公司( 如西门子) 和国内的一些研究机构及公司都有自己研制的t c r 装置投入商业运行，在提高功率因数、抑制谐波方面取得了较好的效果。但在抑 制母线电压波动和平衡化补偿方面效果并不十分满意，这主要是因为控制系统的 响应速度较慢和控制策略不理想。如何提高t c r 动态无功补偿装置的响应速度 和补偿效果及光电触发晶闸管技术、监控保护晶闸管工作状态技术、晶闸管阀串 联同步工作筛选测试技术在t c r 中的应用是近期研究的热点。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 不平衡负荷补偿的现状 目前，电力系统不平衡负荷的补偿，主要有以下两类：一种是利用t c r + f c 或t c r + t s c 结构形式的s v c 装置对负荷进行无功和不平衡补偿，另一种是利 用s t a t c o m 或a p f 等s v g 装置对负荷进行无功及不平衡补偿。以下对他们的 特点和优劣势进行比较。 ( 1 ) 利用s v c 对不平衡负荷进行补偿的方法。前面提到t c r 、t s c 都具 备分相补偿的能力，目前应用较为广泛的主要包括t c r + f c 和t c r + t s c 两种。 此类s v c 包括与负荷并联的电抗器或电容器或二者的组合，具有可调可控部分。 可调可控电抗器包括晶闸管控制电抗器( t c r ) 或晶闸管投切电抗器( t s r ) 两 种形式。电容器通常包括与谐波滤波器电路结合成为一体的固定的或机械投切的 4 硕：l 二学位论文第一章绪论 电容器，或在需要对电容器进行高速或非常频繁投切时所采用的晶闸管投切的电 容器( t s c ) 等形式。s v c 装置无功输出呈连续变化，静态和动态地使电压保持 在一定范围内，提高系统的稳定性。通过对与负荷并联的电抗器或电容器的分相 控制即可实现对不平衡负荷的补偿。 国外这方面的研究始于1 9 7 7 年，美国g e 公司首次在实际电力系统中演示 运行了其使用晶闸管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 c p o w c rr 器e a r e hi m f i m t e ) 的支持下，西屋电气公司( w e s t i n gh o u s ee l e c t r i cc o r p ) 铝0 造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后世界各大电气公司都竞 相推出了系列产品。近十多年来，s v c 在世界范围内其市场一直在迅速而又稳 定的增长，己经占据了静止无功补偿装置的主导地位。目前世界上几个著名的电 气生产产商( 如瑞士a b b 公司、德国西门子公司、法国阿尔斯通公司、美国通 用电气公司以及日本东芝、三菱等公司) 在s v c 装置的研制方面都具有较为成 熟的技术和经验。其中以a b b 公司在其中的份额最大截止到2 0 0 5 年9 月， a b b 公司已给世界各国提供近4 0 0 套s v c 装置( 其中输电网s v c 约1 8 3 套，总 容量3 8 5 5 5 m v 缸) ，每年仍提供约8 套左右的s v c 装置。 我国输电系统早在1 9 8 1 年就将a b b 公司的第九套和第十套s v c 引进，投 入凤凰山变电站，至1 9 9 0 年总共有五个5 0 0 k v 变电站( 广东的江门、湖南的云 田、湖北的凤凰山( 两套) 、河南的小刘以及辽宁的沙岭) 采用6 套进口s v c 装 置，容量在1 0 5 1 7 0 m v 盯之间，型式为t c r 卜t s c 或者固定电容器组( f c ) 。鞍 山荣信公司于9 0 年代引进乌克兰t c r 型s v c 技术，采用热管散热、电磁触发， 控制器采用单片机等一系列技术，由于总体技术落后，但其价格较低、机制灵活， 在国内钢铁行业推出得到了较广泛的应用。1 9 9 9 年中国电科院在原国家电力公 司的资助下开始了“静止无功补偿器实用化技术的研究 ，并在2 0 0 2 年推出了 t c r 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 技术，并将其成功运用于电弧炉的治理工程。但就输电网而言，对于高压大容量 的s v c 国内尚不具备制造能力，特别是关键技术的系统集成能力。目前国内一 些产家也推出了自己的t c r 型s v c 产品，但大多仍以低压产品为主。主要的生 产厂家有鞍山荣信公司、北京金白天正公司( 冶自院) 、中国电力科学院、保定 三伊公司、西安电力电子研究所、深圳波宏公司、哈尔滨九洲电气有限公司等。 目前在我国s v c 应用的领域主要是以提高功率因数和电压调整为目标的无 功补偿。而在利用储能元件实现负序和无功综合补偿方面的研究和应用还比较 少，其补偿的容量也较低1 7 j 。国外也有关于采用t c r + f c 型静止无功补偿装置进 行负荷平衡化方面的研烈酎，有一些国家，如同本、澳大利亚等国已成功地将s v c 技术应用在电气化铁道的无功和负序补偿中一】。 硕i ：学位论文第一章绪论 近几年来，对于不平衡系统无功功率补偿方法的研究同样层出不穷，其中比 较重要的方法主要有以下两种：第一种就是基于平衡化补偿理论的负序和无功综 合补偿理论的基本原理，参考文献【1 0 】就平衡化补偿理论在补偿电弧炼钢炉的负 序和无功功率中的应用进行的研究，参考文献【l l 】也是采用平衡化补偿理论对不 对称负荷和功率因数补偿进行研究这种方法分析简单，但不易实现。第二种就 是基于相量法的负序和无功功率补偿【1 2 j 4 1 ，此方法大多设定前提条件为不平衡负 载由三相平衡电压供电，其适用范围比较窄。 在不平衡系统无功功率补偿中，对于电流、电压以及功率的检测是一个重要 的任务，这儿简要介绍一下目前电量检测方法的研究现状。由s f r y z e 提出的 f r y z e 时域非正弦电流检测【b 】理论物理意义明确，但其检测需要一定的延时【1 8 1 。 参考文献 1 9 2 1 在该理论的基础上探讨了三相系统无功的实时检测方法，该方法 只有在电压和电流都不含谐波成分时才能实现实时检测，其他情况下都需要一定 周期的延时才能实现检测，其局限性显而易见。基于平均功率理论【2 2 ，2 3 l 的检测 方法是后来出现的一种比较重要的电量检测法，其定义明确，但需构建复杂的模 拟器件来实现，实时性和精确度不高。小波变换也在逐渐地应用于无功补偿 中【2 4 2 5 1 ，但此方法一直还处于理论研究阶段。由赤木泰文提出了三相电路瞬时 无功功率理论，并在此理论基础上提出了p q 检测法，之后基于瞬时无功功率 理论的各种检测方法研究有很多，其中比较重要的是由西安交通大学王兆安教授 提出的f 。一t 法，该方法可以不受电压畸变的影响，准确检测出电流的各种分量， 但由于其存在滤波器模块，将会产生延时，对检测的实时性有影响。国内还有许 多基于瞬时无功功率理论的实时电量检测方法【2 6 2 7 l 的研究，这些方法的研究使 得瞬时无功功率理论的优点越来越明显。 ( 2 ) 利用s v g 装置对不平衡负荷进行补偿。s t a t c o m ( s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r s t a t c o m ，即静止同步补偿器，亦称a d v a n c e ds t a t i c v a tg e n e r a t o r a s v g ，既新型静止无功发生器) 为第二代f a c t s 控制装置， f a c t s 家族s t a t c o m 按应用场合，可分为高压输电网s t a t c o m 和中低压配 电网s t a t c o m 。高压输电网s t a t c o m 装置容量较大，主电路结构复杂，其作 用主要是提高输电网络的电力传输能力，提高输电系统稳定性，减少线路损耗。 中低压配电网络s t a t c o m ，又称为d s t a t c o m ( d i s t r i b u t i o ns t a t i cc o m p e n s - a t o r d s t a t c o m ，配网静止同步补偿器) ，系统容量较小，主电路结构简单， 主要用于提高系统功率因素，维持配电母线电压稳定。自日本三菱公司于1 9 8 0 年成功研制基于晶闸管的2 0 m v a rs t a t c o m 以来，s t a t c o m 作为 f a c t s ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，柔性交流输电) 的重要成员己引起各国 电力工业界的重视，得到迅速发展和应用。由于s t a t c o m 的技术含量较高，目 6 硕士学位论文第一章绪论 前掌握并应用这一技术的国家还只限于少数国家( 如同本、美国、德国、英国和 中国等) 。 我国在这方面起步较晚，1 9 9 4 年研制大容量s t a t c o m 被列为电力部重点 科研攻关项目。同年在电力部的支持下，河南省电力局决定和清华大学共同研制 士2 0 m v a r 的s t a t c o m 。为进行机理研究，先研制一台士3 0 0 k v a r 的中间工业试 验装置。该装置己于1 9 9 5 年8 月在清华大学并网运行，并在河南盂岩经受了电 弧炉冲击负荷和电压不对称运行工况的考验。1 9 9 9 年夏，基于g t o 的士2 0 m v a r 的s t a t c o m 己在河南省电网试运行。通过以上研究获得很多实践经验，并在理 论上有显著的发展。2 0 0 6 年2 月，由许继电气公司、清华大学、上海电力公司 联合承担的上海“+ 5 0 m v a rs t a t c o m 工程项目已成功并网，该项目是世界首 家采用i g c t 电力电子阀的静态天功发生器的生产和调试技术。 近几年来，d s t a t c o m 不对称补偿时的控制方法成为国内外学者研究的 热点瞰- 3 2 l 。文献【3 3 】提出了以各相无功功率为零作为控制目标，在保持调制比相 同的情况下通过调节补偿器各相输出电压相对于系统电压的相角差6 来调节各 相的输出电流来实现补偿器的分相控制的方法。文献【3 4 】提出了一种根据f b d 功 率理论，以单位功率因数为补偿目标的d s t a t c o m 新型控制方法。该控制方 法将目标电流进行序分解。对其j 下、负序分量分别转换到两个独立的旋转坐标系 中，对正、负序电流的d 轴和q 轴分量分别采用比例积分( p r o p o r t i o n a li n t e g r a l ，p i ) 控制的方法。但目前的不平衡系统中的d s t a t c o m 多以负载平衡为控制目标， 补偿后电网电流三相平衡，但这不能满足能量传输过程中的损失最小的目标，同 时也对电网电压的不平衡程度有一定的加剧【蚓。同时由于其控制方法复杂、造 价高等原因也限制了它的普遍应用。目前，关于a p f 在不平衡负荷领域的补偿应 用较少，它主要应用于无功及谐波补偿领域，同时由于技术限制它一般用于低压 小容量系统中，a p f 和s t a t c o m 具有同样的缺点，那就是其控制方法复杂、造 价高等，这些都限制了它的广泛应用。所以本文主要针对目前s v c 在不平衡负荷 领域中遇到的问题进行深入研究，这也具有很大的现实意义。 1 2 2 面向负荷型s v c 研究的热点问题 近年来，直接光触发晶闸管技术、晶闸管光电触发技术、监控保护晶闸管工 作状态技术、晶闸管阀串联同步工作筛选测试技术逐步成为s v c 装置研究的热 点。本文主要研究晶闸管光电触发及在线检测技术在t c r 型s v c 中的应用。 晶闸管触发方式与在线检测系统是t c r 型s v c 系统中一个特别重要的部分。 随着电力电子器件的发展和光电技术的成熟，晶闸管阀触发与在线监测系统也经 历了巨大的发展。初期的晶闸管阀触发与监测几乎无一例外的采用电磁方式。由 7 硕：l 学位论文 第一章绪论 于这种方式采用脉冲变压器来实现高、低电位隔离和信号传递，它具有下面一些 不可避免的缺点【3 5 l ：( 1 ) 脉冲变压器回路中的漏感将使触发脉冲上升沿陡度大大 下降，特别是当电压等级较高时，为了保证脉冲变压器具有足够的绝缘能力，原、 副边的漏抗将大大增大，进一步造成触发脉冲前沿陡度下降，这对高压阀中晶闸 管串的同时触发是极为不利的。( 2 ) 脉冲变压器原、副边的分布电容形成了高频 干扰通道，阀换相或雷电冲击时，容易引起误触发，因而其抗干扰能力差。( 3 ) 在电压等级很高时，电磁触发方式很难准确地将监测信号传递到低电位，因而难 以实现晶闸管的在线监测。为了克服电磁触发系统的缺点，提高可靠性，需要采 取许多措施，比如：脉冲变压器原边、副边的隔离：使用屏蔽线代替一般导线等。 表1 1l 1 可与e r t 的性能对比 特性e 1 tm 相同英寸的晶闸管，即使最小保护电压相同，u t 的额定电流一 额定电流 般比较小 典犁最小保 护电压 5 2 0 0 v7 5 0 0 v d i d t 3 0 0 a i a s3 0 0 a a s d v d t 2 0 0 0 a a s 2 0 0 0 a l a s 电磁干扰一般比较敏感不敏感 i = 3 5 0 m a ，v 1 2 5 3 5 v ，电脉 触发脉冲p - - 4 0 m w ，激光脉冲宽度t = 5 u s 冲宽度= 2 u s 触发脉冲能位于高电位的晶闸管电子设v b e 在低电位，有冗余的激光二二 量提供备，无冗余极管 可能( 当足够的触发能鲑能够 无电启动长时间储存在品闸管电子设没有限制 备上时) 过电压保护由外部的电子设备( 1 5 0 个元内部集成b o d 保护，不需要额外 的可靠性器件组成) 起保护作用的组件 1 个晶闸管1 个晶闸管电子设 电子设备2 个晶闸管配一个硎板 备 由许多电气元件和集成电路 可靠性可靠性高，因为电气元件少 决定 触发脉冲高 取自r c 阻尼同路 不需要 位取能 光发射器红外二极管，5 0 m w激光二极管，3 w 光纤的传输 距离 不超过4 0 m可达1 0 0 m 正是由于电磁触发系统不可克服的缺点促使了一种新的晶闸管触发与在线监测 8 硕士学位论文第一章绪论 方法一光触发与监测方法的诞生，它具有电磁触发系统不可比拟的优点 3 5 , 3 6 ：( 1 ) 系统使用光纤进行信号传输和实现高、低电位的隔离，与电磁触发与在线监测系 统相比，系统的可靠性明显提高。( 2 ) 光电器件的响应速度较高，容易获得分散 性小，前沿陡的光信号，进而可以产生分散性小、前沿陡的晶闸管门极触发脉冲， 这非常有利于串联晶闸管阀的同时触发；因而对整个装置的可靠、长期运行非常 有利。( 3 ) 能够获取晶闸管及其相关电路更多的信息，这远远优于电磁触发与在 线监测系统。( 4 ) 由于系统用光纤实现高、低电位隔离和信号传输，系统具有较 理想的抗电磁干扰能力，因而极大地降低了晶闸管的误触发率，利于高压晶闸管 阀和系统的安全运行。现在国外已经在光直接触发晶闸管( l i g h tt r i g g e r e d t h y r i s t o r ，l t t ) 的研究方面取得了初步成功，容量已能达到7 5 0 0 v 2 5 0 0 a 3 7 1 。l 1 - r 与勘广r 的性能比较见表1 1 所示。 光直接触发晶闸管在很大程度上简化了晶闸管的触发电路，降低了触发电路 的故障率，提高了晶闸管的运行可靠性和装置的可靠性。但由于国内光直接触发 晶闸管现阶段没有成品出现，所以在实际应用中晶闸管光电触发与在线检测方法 得到广泛的研究。晶闸管光电触发与在线检测方法不仅具有直接光触发方式的优 点，而且可以直接采用普通晶闸管，所以可以在提高系统可靠性的同时，也很大 程度上降低系统的成本。 1 3 本文主要工作和章节安排 本文的主要工作： ( 1 ) 根据基于s t e i n m e t z 原理的不平衡系统理想补偿模型，给出了基于负序、 无功综合补偿理论的补偿电纳计算方法。并针对系统可能出现的过补偿情况给出 了其改进算法。 ( 2 ) 利用瞬时无功理论实现了对系统无功电流的检测，并给出了针对三相三 线系统的改进方法。同时针对一般低通滤波器中存在频谱泄露、检测精度不高等 缺点，设计了加窗f i r 低通滤波器。 ( 3 ) 面向不平衡负荷型s v c 多采用开环控制的方法，但这种方式在提高补 偿速度的同时，忽视了补偿的精度。本文提出了一种局部开环、整体闭环的控制 算法，在保证响应速度的同时也提高了补偿的精度。 ( 4 ) 在m a t l a b 环境下，搭建了t c r 型s v c 补偿系统的模型，并对上述提出 的控制算法进行了仿真，达到了预期的目的。 ( 5 ) 为了克服电磁触发晶闸管存在的缺陷，将光电触发晶闸管及其监测系统 引入到s v c 的设计当中，提高了系统的可靠性。 本文章节安排如下： 9 硕七学位论文第一章绪论 第一章绪论，主要介绍课题研究的背景和意义，分析t c r 型s v c 在国内外 的发展现状，介绍本文研究的主要内容。 第二章t c r 型动态无功补偿装置的结构及工作原理，主要阐述晶闸管投切 电抗器的补偿原理，并针对s v c 系统中滤波器的设计及晶闸管触发与监测系统 这两个重要部分进行了详细阐述。 第三章面向不平衡负荷的分相补偿技术，主要阐述不平衡负荷补偿的方法， 控制的设计及系统的仿真分析。 第四章s v c 控制器的硬件设计，给出s v c 装置中d s p 模块、m c u 模块及 c p l d 模块的外围接口电路的实现方法及并分别对每个部分的具体功能进行了 阐述。 第五章s v c 控制器的软件设计，给出系统各主要模块软件的流程图，并针 对其功能进行了详细说明。 第六章对本文所做工作进行总结，并提出进一步的研究方向。 i o 硕：i ：学位论文第二章t c r 型动态无功补偿装置的结构及t 作殿理 第二章t c r 型动态无功补偿装置的结构及工作原理 t c r 型s v c 是并联无功补偿装置中的一种，它通过控制晶闸管的导通角口 来控制电抗器在一周内投入时间的长短，从而控制流过电抗器的电流的有效值， 这相当于通过调节电抗的大小，来达到控制其吸收的无功功率大小的目的。本章 主要介绍t c r 型s v c 的工作原理及结构。 2 1s v c 的补偿原理与结构 s v c 专指使用晶闸管的静止型动态无功补偿装置，包括晶闸管相控电抗器 ( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) ，以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者t c r 与固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r ) 或机械投切电容器( m s c ) 混合使用的装置 ( t c r + f c ，t c r + m s c ) 。此类无功补偿器的补偿原理主要是通过改变系统阻抗来 实现对系统无功的补偿，所以又称变阻抗型静止无功补偿器。 图2 1 给出了s v c 的不同配置类型，其中晶闸管控制变压器( t h y r i s t o r c o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r ，t c t ) 是t c r 装置的一种变型。 ( a ) t c r 工工 ( c ) t c r + t s c 图2 - ls v c 的配置类型 表2 1 列出了各种静止无功补偿装黄的简要对比。通过比较可以看出t c r 型具有反应时间短( 5 m s 2 0 m s ) ，运行可靠，相对于t s c 型可实现无级、分相调 节，能平衡有功和适用范围广等优点，而且t c r 型s v c 装置还具有很大的灵活 性，占地面积相对较小，产生的高次谐波和噪音较小。相对于静止无功发生器 s v g 来说控制较简单、开发时间短、成本低。t c r 型s v c 可以有效治理闪变， 硕士学位论文第二章t c r 塑动态无功补偿装置的结构及t 作原理 减小谐波电流，更具实用价值 3 8 , 3 9 。 表2 1各种无功功率动态补偿装置简明对比 补偿装置 响应速度吸收无功 控制谐波电流分相调节平衡化效果 投资 同步调相机2 0 m s连续简单无有限无较高 t c r 或t c r + f c1 0 m s连续较简单大可以有 较小 t c r1 0 m s分级较简单无有限稍有改善小 t c r + t s cl o m s连续较简单大可以有较小 静f l ：无功发生器 1 0 m s连续复杂小可以有高 2 1 1t c r + f c 型动态无功补偿装置的补偿原理 t c r 型s v c 一般由晶闸管控制电抗器( t c r ) 支路和几组l c 滤波器支路组 成，兼顾滤波和动态无功补偿。t c r + f c 型动态无功补偿器的单相原理图如图 2 2 所示。其中的l c 支路为固定连接，t c r 支路采用触发延迟控制，形成连续 可控的感性电抗，通常t c r 的容量大于f c 的容量，以保证既能输出容性无功 也能输出感性无功。 jl q 。i h q fi n ji q c i 一 i j r 图2 - 2t c r + f c 型s v c 单相等i t - i t - 线图 由图2 2 可得稳态下系统无功和谐波电流平衡方程： q = 骁+ q ，一q l = l 认+ i a lc l i 图中q ，表示负载无功( 随机的) ，骁为补偿电抗器提供的感性无功， 定电容器组提供的容性无功，q 为系统总无功。厶为谐波电流。 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) q 为固 s v c 如图2 - 2 接入系统中，电容器提供固定的容性无功q ，根据负载无功绋 的变化情况，调节补偿电抗器输出感性无功q 的大小，是的总的感性无功和容 1 2 硕士学位论文 第二章t c r 型动态无功补偿装簧的结构及t 作原理 性无功相抵消，即系统无功q = 骁+ q ，一q = 常数( 或0 ) ，则能实现电网功率因 数等于常数( 或1 ) ，电压几乎不波动。l c 滤波器的投入，理想情况下使流入系统 的谐波电流l h = i u + i - 蠡一i d = 0 。 2 1 2 单相t c r 结构与基本原理 可 控 电 纳 图2 - 3t c r 主电路示意图 基本的单相t c r 的原理结构如图2 3 所示，它由固定电抗器( 通常是铁心的) 、 双向导通晶闸管( 或两个反并联晶闸管) 串联组成。t c rj 下常工作时，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，使电抗器进入导通状念。一般用触发延迟角 ( f i r i n gd e l a ya n g l e ) a 来表示晶闸管的触发瞬问，它是从电压最大峰值点到触发时 刻的电角度，决定了电抗器中电流f 的有效值的大小1 3 4 0 。 ( a ) 正半周波是电感上的电压电流值( b ) 正半周波是电感上的电压电流值 图2 - 4t c r 的电压和电流波形 图2 _ 4 为t c r 的电流波形，图2 4 a 为正半周波的情况，图2 - 4 b 为负半周波 的情况。由于电抗器几乎是纯感性负荷，因此电感中的电流滞后于施加于电感两 端的电压约9 0 。，为纯无功电流。当口- - 0 。时，电抗器吸收的感性无功最大( 额 定功率) ：当口- - 9 0 。时，电抗器不投入运行，吸收的感性无功最小( 空负荷功率) 。 如果口介于0 。到9 0 。之间，则会产生含直流分量的不对称电流，所以口一 般在0 。到9 0 。范围内调节，即0 口万2 。通过控制晶闸管的触发延迟角口， 硕：b 学位论文 第一二章t c r 型动态无功补偿装置的结构及工作腻理 可以连续调节流过电抗器的电流在零( 晶闸管阻断) 到最大值( 晶闸管全导通) 之同 变化，相当于改变电抗器的等效电抗值。 设接入点母线电压为标准的正弦信号即 u ( t ) = 4 互u s i n c o t( 2 3 ) 将晶闸管视为理想开关，则在正半波时，电抗器支路上的电流由下式确定： 譬= # r 2 usin(cot)(2-4) d t 由于c o t = 口时f = 0 ，固有3 砸) = 胁r 等s i i l 删( 叫 ( 2 - 5 ) 积分得： 州=