（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的港口供电系统动态无功补偿装置的设计.pdf

d e s i g no nt h e d e v i c e so fp o r tp o w e rs u p p l ys y s t e mv a r c o m p e n s a t i o nb a s e do nd s p c o m p e n s a t i o n a s e a b s t r a c t t h e r ea r eal o to fi n d u c t i v el o a d si nt h ep o w e rs u p p l ys y s t e mo ft h ep o r t ，w h i c h c o n s u m e sal a r g ea m o u n to fr e a c t i v ep o w e ri nt h ep r o c e s so fr u n n i n g ，m a d et h ep o w e r f a c t o ro fp o r tp o w e rs u p p l ys y s t e ml o w , r e s u l t i n gi nh u g ee c o n o m i cl o s s e s b e c a u s et h e l o a d sc o n s u m et o om u c hr e a c t i v ep o w e r , t h ev o l t a g eo ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e mi s u n s t a b l e i no r d e rt oe n h a n c ee c o n o m i ce f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fp o w e r , t h es y s t e m n e e d saf a s t ，r e l i a b l er 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 e b e c a u s eo ft h es t a t u so fr 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 ei np o w e rs u p p l y s y s t e m ，b 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 y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sas o r to f d y n a m i c r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o ro ft h et y p eo ft h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o ra d d i n g 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 c r + t s c ) ，t h e d e v i c ea d o p t sa d v a n c e dd s pc h i p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a st h ec o r eo ft h ec o n t r o l l e r , w h i c he n s u r ei t sr e a lt i m er e s p o n s es p e e d a n dc o n t r o lp r e c i s i o n t h ep a p e r a n a l y z e st h ep r i n c i p l e sa n dk e yt e c h n o l o g yo ft h er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n , a n ds t u d i e st h er 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 ef o r t h ei m p r o v e m e n t 0 ft h ep o w e rs y s t e mp e r f o r m a n c e ，i t sp r i n c i p l e 、c o n t r o la n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g no ft h ec o n t r o l l e r b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fp o r tp o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h i s p a p e rp r o p o s e san e wr e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d ，m a k ef u l lu s eo fd s pc h i p s f a s t , p o w e r f u lc o m p u t i n gf e a t u r e s ，d e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i ta g a i n s tt h em e a s u r e m e n t a n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t s t h ec o n t r o lm e t h o di sb a s e do na s s u r ev o l t a g es t a b l e ，r e a c t i v ep o w e rb a l a n c e ， r e d u c es w i t c h i n gt i m e s c o m p a r i n gw i t hf a m i l i a rc o n t r o lm e t h o dc o n s i d e r i n gp o w e r f a c t o r , t h i sm e t h o da v o i d st h es w i t c ho s c i l l a t i o no nt h ec o n d i t i o no fl i g h tl o a da n dm a k e r e a c t i v ep o w e ra d j u s t m e n tm o r er e a s o n a b l e i nt h es w i t c h i n gp r o c e s so fc a p a c i t o r g r o u p s ，u s i n gad e d i c a t e dz e r ot r i g g e rc i r c u i tc h i p s ，u s e dz e r ot r i g g e rm o c 3 0 8 3 b i d i r e c t i o n a lt h y r i s t o rc o n t r o l l e dt oa v o i dc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ri nt h ei n p u ta n d p r o c e s sw i t ht h ei m p a c to ft h ef l o wp h e n o m e n a i nt h es a m et i m es i m p l i f y i n gt h et r i g g e r 英文摘要 c o n t r o lc i r c u i to ft h es t r u c t u r e ，i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h ed e v i c e 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 ；d s p ；i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r ； s t a t i cv a rc o m p e n s a t i o nd e v i c e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文! 基王旦s 的渣旦送鱼丕缝塾查玉功主e 垡苤置鳆遨过：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：隧业o j 姆弓月2 驹 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密“请在以上方框内打“，) ：吼3 。薪密轶日期：忒、) 奸弓月哿 基于d s p 的港口供电系统动态无功补偿装置的设计 第1 章绪论 1 1 课题背景 在电力系统中，供电质量、电网运行的安全性、可靠性和经济性是最根本的 问题，无功功率平衡对提高电网的经济效益和改善供电质量有着非常重要的意义。 随着我国工业水平和人民生活水平的提高，日益增多的各种复杂的、精密的电气 设备对电压的波动非常敏感，对电能质量的要求也越来越高，因而供电企业必须 提高电能质量以满足用户的更高要求。而作为影响电能质量的重要因素无功 功率补偿，在提高供电质量和用电设备的安全可靠运行、提高电力系统功率因数、 降低电路损耗、减少设备容量等许多方面作用明显。因此，研究无功功率补偿问 题具有十分重要的意义。 在电力系统中，无功功率的消耗主要有两个方面；一是在远距离输电过程中 输电系统自身吸收的无功功率，另一方面是负载所消耗的无功功率。在电力系统 中，为了输送有功功率，要求送电端和受电端有一定的相位差，这在相当宽的范 围内可以实现；而为了输送无功功率，需要两端电压有一定的幅值差，这只能在 很窄的范围内实现。而且在电网中存在无功电流会使线路总电流增大，增加了输 配电线路的有功损耗，造成电压下降，电能质量恶化。因此在电力系统中缺失的 无功功率如果都要由发电机提供并经过远距离传输是不合理，通常也是不可能的。 于是需要一个合理的办法来解决电力系统中因为无功功率缺失造成的电能质量下 降等问题，这个合理的办法就是在需要消耗无功功率的地方来对无功功率进行补 石当 i 。z ；o 在民用和工业用电设备中，阻感负载占有很大的比例。变压器、交流电动机、 目光灯等都是阻感性负载。电力系统所消耗的无功功率很大一部分都是交流电机 和变压器所消耗。在电网中安装了并联电容器等无功补偿装置后，就可以提供供 电系统和负载所消耗的感性无功功率，减少了电网电源向负荷提供的、并由线路 输送的感性无功功率，正是由于减少了无功功率在电网中的流动，也就降低了线 路和变压器因为传送无功功率造成的电能损耗。 第1 章绪论 无功功率补偿在输配电系统中的作用主要有以下几个方面： ( 1 ) 提高供电系统以及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点 设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 ( 3 ) 在三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无 功负载。 1 2 供电系统无功补偿的现状和发展方向 无功补偿 装置的发展 现代无功 补偿装置 静止悉功龚生嚣il 静止无( s 功v c 补) s v gs v c 偿器ii 同步调帽机补偿 () i 早期无功 补偿装簧 混合型静止补偿器 ( t s c + t c r ) 晶闸气投切电容器ll 晶闸管控制电抗器ii 饱和电抗器( s r ) t s c ) ( t c r )(lil ”1 ”“”、 图1 1 无功补偿装置发展历程 f i g 1 1d e v e l o p m e n tp r o c e s so fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e 从电力系统的诞生开始，并联补偿技术就开始在电力系统中应用，同步发电 机可以看作是最早的并联补偿装置。随着电力系统的发展，各种并联补偿装置不 断出现，如：采用机械投切的电容器和电抗器对系统进行无功补偿，改善系统的 电压水平；在发电机端口采用机械投切制动电阻；在负荷中心安装同步调相机， 可以平滑地调节无功功率。由于电力系统发电、输电、配电和用电必须同时完成， 基于d s p 的港口供电系统动态无功补偿装置的设计 系统始终要处于动态平衡状态。电力系统瞬时不平衡可能导致安全稳定问题，因 此要求并联补偿装置具有较快的响应速度，这样采用大容量、快速的电子开关并 联补偿装置就应运而生了。在2 0 世纪7 0 年代，出现了一系列的晶闸管投切和晶 闸管控制的并联补偿装置。随着高压大容量可关断器件，如i g b t 、g t o 等器件的 发展又出现了基于可关断器件的电压源或电流源的并联补偿装置，这种并联补偿 装置成为完全可控的电压源和电流源，使得并联补偿装置的性能得到了大幅的提 升，这就是静止无功发生装置( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ，s v g ) 。图1 1 表示供电系统并 联无功补偿装置发展的历史。 ( 1 ) 同步调相机1 1 】1 2 】 同步调相机是用来专门产生无功功率的发电机，在欠励磁和过励磁条件下， 可以分别发出大小不同的感性和容性无功功率。在很长一段时间内，同步调相机 在电力系统无功补偿中发挥主要作用。然而，由于它是旋转电机，运行维护复杂， 响应速度较慢，随着负荷中心地区对环境要求的提高，旋转设备带来的噪声等问 题使居民越来越不满意。目前有些国家甚至已经不再使用同步调相机。 ( 2 ) 开关投切电容器 这种方法有集中补偿及分组就地补偿两种方式。并联电容器补偿简单经济， 灵活方便。其缺点就是只能补偿固定无功，还有可能与系统发生并联谐振，使谐 波放大，而且开关投切电容器反应速度慢、连续可控性较差。 ( 3 ) 具有饱和电抗器的无功补偿装置( s r ) 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置 也就分为具有自饱和电抗器的和可控饱和电抗器的无功补偿装置两种。具有自饱 和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心 的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕 组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进步控制 无功电流的大小。饱和电抗器和同步调相机相比，具有静止性的优点，响应速度 快。但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4 倍，并且电 抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大2 3 倍，另外这 第1 章绪论 种装置还有振动和噪声，而且调整时间长，动态补偿速度慢。由于具有这些缺点， 所以饱和电抗器的静止无功补偿器( s v c ) 目前应用的比较少，一般只在超高压输电 线路才有使用。 ( 4 ) 晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) 型s v c 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无 功补偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台，这类静止无功补偿装置包括晶 闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) ，以及两者的混合装置 ( t c r + t s c ) ，或者t c r 与固定电容器( f c ) 混合使用的装置。1 9 7 7 年美国通用电气 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，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公司制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相继推出了各具特点的补偿装 置。我国电力科学研究院和西安电力机械制造公司也已先后具备了自行设计制造 这类装置的能力，并向国外出口。不过从总体上来讲目前国内对无功功率的实时、 动态补偿和自动调节技术还相对落后。 s v c 在工程实践中主要有如下应用f 4 1 【5 】 ( 1 ) 输电线路：在高压系统中，s v c 具有提高稳定性、增加输电能力、降低工 频过电压等功能。 ( 2 ) 电弧炉作为非线性、无规律负荷接入电网，将会对电网产生一系列不良影 响，其中主要问题是：导致电网三相严重不平衡，产生负序电流和高次谐波，其 中普遍存在如2 、4 次偶次谐波与3 、5 、7 次等奇次谐波共存的状况，使电压畸变 更为复杂化，存在严重的电压闪变，功率因数低。 s v c 具有动态响应速度快的特点，它可以向电弧炉快速提供无功电流，并且 稳定母线电压，最大限度地降低闪变的影响。s v c 具有分相补偿的功能，可以消 除电弧炉造成的三相不平衡问题，滤波装置可以消除有害的高次谐波，并向系统 提供容性无功来提高功率因数。 ( 3 ) 轧机及其它大型电机等对称负载引起电网电压降及电压波动，严重时使电 气设备不能正常工作，降低了工作效率和电网的功率因数；负载在传动装置中会 基于d s p 的港口供电系统动态无功补偿装置的设计 产生以5 、7 、1 1 、1 3 次为代表的高次谐波及旁频，会使电网电压严重畸变。安装 s v c 可以解决以上问题，保持母线电压平稳。 ( 4 ) 城市二级变电站在区域电网中，一般采用分级投切电容器组的方式来补偿 系统无功，改善功率因数。这种方式只能向系统提供容性无功，并且不能随负载 变化而实现快速精确调节，在保证母线功率因数的同时，容易造成向系统倒送无 功功率，抬高母线电压，降低用电设备及系统稳定性。 t c r 结合固定电容器或者t c r + t s c 可以快速准确的进行容性和感性无功功 率的补偿，稳定母线电压、提高功率因数。并且，在改造旧的补偿系统时，在原 有的固定电容器组的基础上，只需增加晶闸管相控电抗器部分即可，用最少的投 资取得最佳的效果，成为改善区域电网供电质量最有效的方法。 动态无功补偿可以很好的解决以上问题，由于使用晶闸管的静止动态无功补 偿装置具有优良的性能，所以，近2 0 多年以来，在世界范围内其市场一直在迅速 而稳定的增长，已经占据了静止无功补偿装置的主导地位，在国内外电力系统中 得到了极其广泛的应用。 表1 1 各种类型并联补偿设备的特性比较 t a b l e1 1t h ec o m p a r eo fp a r a l l e lc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t s c h a r a c t e r i s t i c s s v c 类型 s rt c rt s c 无功输出连续连续级差 响应时间约1 0 m s约1 0 m s 约1 0 2 0 m s 分相调节个日j 以可以可以 自身谐波量小有无 噪声大 较小很小 损耗率 0 7 1 0 5 0 7 o 3 ，o 5 控制灵活性差好 好 限制过电压能力很好依靠设计无 运行维护简单复杂较复杂 上述各种阻抗型并联补偿设备的主要特性如表1 1 所示。在实际选用时，一方 第1 章绪论 面可以根据具体系统的要求，选择技术、经济综合指标最佳的补偿设备，另一方 面可以将它们综合起来构成综合的静止无功补偿器。 s v c 是目前电力系统中应用最多、最成熟的并联补偿设备，它也是一类较早 得到应用的f a c t s 控制器。静止无功补偿器包括与负荷并联的电抗器或者电容器， 或二者的组合，且具有可调可控部分。可调可控电抗器包括晶闸管控制的电抗器 或者晶闸管投切的电抗器两种形式。电容器则通常包括与谐波滤波器电路结合成 一体的固定的或机械投切的电容器，或者在需要对电容器进行高速或者频繁投切 时采用的晶闸管控制投切的电容器等形式。 1 3 供电系统无功补偿的发展方向 随着电力电子技术的发展，在2 0 世纪8 0 年代以来，一种更先进的静止型无 功补偿装置出现了，这就是采用自换相电力半导体桥式变流器来进行动态无功补 偿装置。采用电力半导体变流器实现无功补偿的思想早在2 0 世纪7 0 年代就已有 人提出，1 9 7 2 年日本就发表了用强迫换相的晶闸管桥式电路作为调相装置的研究 论文；1 9 7 6 年，美国学者l g y u g y i 在其论文中提出了用电力半导体变流器进行无 功补偿的各种方案，其中使用自换相实现变流电路的方案最受青睐。限于当时的 器件水平，采用强迫换相的晶闸管器件是实现自换相桥式电路的唯一选择。 1 9 8 0 年日本研制出了2 0 m v a 采用强迫换相晶闸管桥式电路的s v g ，并成功 投入了电网运行。随着电力半导体器件的发展，g t o 晶闸管等全控型器件开始达 到了可用于s v g 中的电压和电流等级，并逐渐成为s v g 的自换相桥式电路的主 力。目前国际上有关s v g 的研究和将其应用于电网或工业实际的研究机构非常多， 我国清华大学等单位也进行了相关的研究，部分研究成果已经投入了实际的使用。 与传统的以t c r 为代表的s v c 装置相比，s v g 的调节速度更快，运行范围 宽，而且采取多重化、多电平或p w m 技术等措施可以大大减少补偿电流中谐波的 含量。更为重要的是，s v g 使用的电抗器和电容组件远比s v c 中使用的电抗器和 电容组件要少，这将大大缩小装置的体积和成本。s v g 具有如此优越的性能，显 示了动态无功补偿装置的发展方向。 基于d s p 的港口供电系统动态无功补偿装置的设计 1 4 本文所要做的工作 根据无功功率补偿装置的发展现状，分析了目前应用比较广泛的几种无功功 率补偿装置的原理、性能、适用的场合及各自的结构，在此基础之上，为了提高 港口供电系统的电能质量，提出了采用以高速d s p 芯片为处理核心来进行控制的 动态无功补偿装置，并对该装嚣软硬件的主要部分分别进行了设计。 本设计所要做的工作主要有以下几点： ( 1 ) 介绍供电系统无功补偿装置的分类及其结构，着重分析晶闸管控制电抗器 与晶闸管投切电容器所构成混合型补偿装置( t c r + t s c ) 的基本原理，并寻找出一 种比较好的控制策略。 ( 2 ) 介绍两种基于瞬时无功功率理论的无功电流实时检测方法，结合港口供电 系统的特点提出了一种更合适的无功电流检测方法【1 7 1 ，来检测系统的无功电流与 谐波。 ( 3 ) 研究t i 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 处理芯片的使用，包括其各模 块的功能、内部资源和编程方法等等。根据动态无功补偿装置的原理来设计控制 系统的硬件结构，包括信号调理电路、d s p 控制板以及系统外围电路和辅助电路 的设计。 ( 4 ) 基于1 i 公司的c o d ec o m p o s e s t u d i 0 2 0 0 0 集成开发环境，利用c 语言和汇 编语言编写a d 转换程序、计算程序、控制程序以及键盘响应、液晶显示、串口 通信等辅助性程序。 1 一一一l i q ，l： 朴偿器 l ( 负载 u ：i： ! 一一一一j 一一一二 b 动态补偿原理 q o 撕 垒 萨 理 原武 的 卿 偿 弘 补“ 态 删 稚釉掣功啊 功懈 知m 斟唧 路 j 电 乒 树 融 荜 映 嗣反 为假 r， 图渺 烈弘啦洧 测故 寿乏剃报 觯删黜液 雠撤 雠负电个b、， 秭设 载n俐航 缌m 群阻 为吨曲聃 基于d s p 的港口供电系统动态无功补偿装置的设计 系统电压与无功功率关系的特性曲线如图2 1 b 所示，由于系统电压变化不大，其 横坐标也可换为无功电流。可以看出，该特性曲线是向下倾斜的，即随着系统供 给的无功功率q 的增加，供电电压下降。实际上，由电力系统中的分析可知【9 】，系 统的特性曲线可近似用下式表示： 哪一蚤) ( 2 1 ) 或者写为： 筹2i 詈 仁动 一2 。一 i - u o s s c 、。 式中无功功率为零时的系统电压； s ，。系统短路容量。 由上式可见无功功率的变化将引起系统电压成比例的变化。 投入补偿器后，系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即 q = q + q r( 2 3 ) 因此当负载无功功率q 变化时，如果补偿器的无功功率q r 总能够弥补q 的变 化，从而使q 维持不变，即a q ；0 ，则u 也将为0 ，供电电压保持恒定。这就是 对无功功率进行动态补偿的原理。图2 1 b 给出了进行动态无功补偿，并使系统工 作点保持在q = q = 常数的示意图。当系统工作点保持在q = 0 处，即图中c 点时， 就实现了功率因数的完全补偿。可见补偿功率因数的功能可以看作是改善电压调 整的功能的特例。 在工程实际中，为了分析方便，常常把负载也包括在系统之内考虑，总体等 效为一个串联一定内阻的电压源，即将图2 1 a 中点划线框内的部分等效为图2 2 a 中点划线框内的部分，并忽略内部阻抗中的电阻，而记电抗为x 。等效后系统电 源电压为等效前连接点处未接补偿器时的电压。另外，由于补偿器具有维持连接 点电压恒定的作用，故可以将其视为恒定电压源。电压值取为系统未接补偿器( 即 补偿器吸收的无功电流为零) 时连接点处的正常工作电压，也就是图2 1 中补偿器 第2 章静止无功补偿装置的基本原理和组成 未接且负载无功不变时的供电电压，记为【，呵。其电压一电流特性如图2 2 b 所示， 为一水平直线。由于电流为无功电流，电压又维持一定，因此也可以看作电压一 无功功率特性曲线。这样，整个系统等效电路即如图2 2 a 所示。 x 。，r y i u i i 系统 补偿器i 石 u _ u 。矿u 。 1 i u 耐 ji u u 耐 i ci l i ( q c )( q l )( q ) a 等效电路 b 电压一电流( 无功功率) 特性 图2 2等效电路及特性 f i g2 2e q u i v a l e n tc i r c u i ta n di t sc h a r a c t e r i s t i c 当图2 1 a 中未接补偿器而由于某种原因( 例如负载无功的变化) 使连接点处电 压变化a u ，时，也就是在图2 2 a 中系统电源电压变化u ，时，接入补偿器后，连 接点电压即可以回到正常值。由图2 2 a 可得，此时补偿器所吸收的无功功率应为 q ，；了a u , u , 4 ( 2 4 )q ，= f( 2 4 ) 换句话说，一台可吸收无功功率为q 的补偿器，可以补偿的系统电压变化为 岈铮， ( 2 5 ) 按照电力系统中的常规做法，这里采用的是标幺制，各量均为标幺值，故三 相电路与单相电路的公式都是一样的，且与三相的连接方式无关。 以上所讨论的补偿器具有水平的电压一电流特性曲线，能维持连接点电压恒 定不变，被称为完全补偿器或理想特性补偿器。实际的静止无功补偿装置一般不 设计成具有水平的电压一电流特性，而是设计成具有如图2 3 b 所示的倾斜特性， 倾斜的方向是电压随吸收的感性电流的增加而升高。这种倾斜的特性可以兼顾补 基于d s p 的港口供电系统动态无功补偿装置的设计 偿器容量和电压稳定的要求。另外，这种倾斜特性可以改善并联的补偿器之间的 电流分配，并有利于预留稳定要求的无功备用1 8 i 。 电压一电流特性的斜率表明，补偿器电压随无功电流的变化而有一定的变化， 因此其等效电路可以看作在恒定电压源的基础上还串联了一个等效电抗x ，如图 2 3 a 所示。由该等效电路可得，当未接补偿器时，由于负载无功的变化所引起连 接点电压的变化为u ，时，也即等效电路中若系统电源电压变化为u ，时，则投 入补偿器后补偿器吸收的无功功率为 q ，= 器 ( 2 6 ) q ，2 云葛 ( 2 石) ji u u 耐 一，一，1 一 l c ( q c ) a 等效电路 b 电压一电流( 无功功率) 特性 图2 3 实际补偿器的等效电路及特性 f i g2 3e q u i v a l e n tc i r c u i ta n di t sc h a r a c t e r i s t i co ft h ea c t u a lc o m p e n s a t i o n 可见与理想补偿器相比，所需吸收的无功功率减小了。而连接点电压并不像 理想补偿时那样保持原正常值不变，而是变化了u 。 们她以轰 ( 2 7 ) 从图2 2 a 或图2 3 a 可以看出，系统和补偿器之间是串联而构成回路的关系。所 以工程实际中还常应用求系统的负载特性与补偿器电压一电流特性交点的方法来 分析静止无功补偿器的工作点l 引。 第2 章静i e 无功补偿装置的基本原理和组成 2 2 t c r + t s c 混合型动态无功补偿装置基本组成 本文主要研究t c r + t s c 型静止无功补偿装置，因此在本节中将主要介绍t s c 和t c r 型静止无功补偿装置的基本原理和组成。 2 2 1t c r 基本原理 单相t c r ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 的基本原理如图2 4 所示。其单相基本 结构就是由双向导通晶闸管( 或两个反并联的晶闸管) 与一个固定电抗器( 通常是铁 心的) 相串联，而三相多采用三角形连接。由于目前晶闸管的关断能力通常在 3 - 9 k v 、3 - 6 k a 左右，实际应用时，往往采用多个( 1 0 2 0 ) 晶闸管串联使用，以满 足需要的电压和容量要求，串联的晶闸管要求同时触发导通，而电流过零时自动 阻断。这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路的结构。 a 单相电路结构简图 等 效 电 纳 o 性 b 电压一电流特性 图2 4 t c r 的基本原理图 f i g2 4t h eb a s i cs c h e m a t i c so ft c r i l i 触发延迟角口的有效移相范围为9 0 0 1 8 0 0 时，其位移因数始终为0 ，基波电 流全为无功电流。口= 9 0 0 时，晶闸管完全导通，导通角6 = 1 8 0 0 ，与晶闸管串联的 电抗相当于直接接到电网上，这时其吸收的基波电流和无功功率最大。当触发延 迟角在9 0 0 1 8 0 0 时，晶闸管为部分区间导通，导通角6 l。r 制的一 一 ，1 一僦叫 茚 第2 章静止无功补偿装置的基本原理和组成 电容中的容性无功电流来平衡，因此在需要实现输出从额定感性无功到容性无功 调节时，t c r 的容量是额定容量的两倍，从而导致器件和容量上的浪费，造成了 可观的经济损失。 将t c r + f c 型补偿装置进行改进，将并联电容器的一部分或者全部改为可以 分组投切，这样就构成了晶闸管投切电容+ 晶闸管控制电抗型无功补偿器( t h y r i s t o r s 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 a c t o rt y p es t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ， t s c + t c rs v c ) ，可以克服上述两种装置的缺点，与f c + t c r 型s v c 相比较，具 备更好的灵活性，并有利于减少损耗。t s c + t c r 型s v c 的基本结构如图2 7 所示。 这样电压一电流特性中电容造成的偏置度就可以分级调节，就可以使用容量相对 较小的t c r ，这样就可以实现无功功率的分相连续调节。这种补偿装置的响应速 度较快，所造成的损耗和噪声也相对较小。 根据装置的容量、谐波影响、晶闸管阈值参数、成本等有n 条t s c 支路和m 条t c r 支路构成，图中n = 4 ，m = l 。各t s c 、t c r 参数一致，通常t c r 支路的容 量稍大于t s c 支路的容量。 厶 图2 7t s c + t c r 型s v c 的单相原理图 f i g2 7s c h e m a t i c so ft s c + t c rs v c u ( 4 ) 上矽 ( 啦盟f 牛一 、一沁 在额定电压下，t s c + t c r 型s v c 在所有t s c 支路投入而t c r 支路断开时，输 出最大的容性无功功率为q c 一。在所有t s c 支路断开而t c r 支路投入( 口= 0 ) 时， 基于d s p 的港口供电系统动态无功补偿装置的设计 输出最大的感性无功功率q 。“。当要求装置输出容性无功，且q q c 。时，则投 入k 条t s c 支路，使得竺兰q c q s 竺q c 一，并调节t c r 支路的出发延迟角口， t lr 吸收多余的容性无功功率三q c 。一q 。而要求装置输出感性无功时，可关断所有 仃 的t s c 支路而通过控带i j t c r 支路来获得所需的无功功率，为减少谐波成分，可以采 用顺序控制方法【3 3 1 。在装置的运行过程之中，要特别注意如何在设定的运行电压 附近协调t c r 与t s c 的运行，抑制临界点处可能出现的振荡等问题。 混合型静止补偿器的电压一电流特性如图2 7 所示。图中特性0 ( 1 ) 一( 1 ) 、 0 - ( 2 ) 一( 2 i ) 、0 - ( 3 ) - ( 3 ) 和o - ( 4 ) ( 4 ) 分别是t c r 并联一组、两组、三组和四组电容器时 的电压一电流特性，而所组成的混合型补偿器是在电容器组切换时与t c r 的控制 适当配合，形成总的电压一电流特性o - ( 4 ) ( 1 ) 。为了在切换时保持电压一电流特 性连续而不出现跳跃，在t c r 的控制器中应有代表当前并联电容器组的信号，当 一组并联电容器投入或者切除时，该信号使t c r 的导通角立即调整，以使所增减 的容性无功功率刚好被t c r 的感性无功功率变化所平衡。 从电压一电流特性可以看出，混合型补偿器中的t c r 的容量只需抵消固定电 容的容性无功，满足感性无功的要求后多余的部分即可，而不必像t c r + f c 型补 偿器那样要能在对消全部并联电容器的容性无功或满足对感性无功的要求。 2 - 3 控制系统 s v c 的控制系统应该能够检测所要补偿系统的有关变化量，并根据检测量的 大小以及给定输入量的大小，采取一种比较合适的控制方法，产生相应的t c r 晶 闸管触发延迟角并和t s c 电容器组的切换相互配合，以调节补偿器吸收的无功功 率，并使补偿器的电压一电流特性保持连续。因此控制系统应包括信号检测、触 发脉冲的产生和控制方法三个部分，其中触发脉冲的产生和控制系统所要采用的 控制方法需要针对系统的特点慎重考虑。 2 3 1 触发脉冲的产生 第2 章静i f = 无功补偿装置的基本原理和组成 o 、 一一 。 毒、? 一 o h j 卜_ o l 一l 图2 9 导通角6 与t c r 等效电纳吃之间的非线性关系 f i g2 9n o n l i n e a rr e l a t i o n s h i po f6a n d 眈o f t c r 在本装置中采用锯齿波作为触发电路的同步信号，这样触发电路的控制信号 和触发延迟角口以及晶闸管导通角6 都是线性关系。但是，触发延迟角与补偿器 实际的等效电纳指间却并不是线性关系。t c r 电流的基波分量与晶闸管导通角之 间的关系为【8 】： 1 1 等【， ( 2 8 ) 玎五， 式中( ，l 一系统电压； x ，与晶闸管串联电抗的感抗值。 因此t c r 的等效电纳为 吼，鱼兰竽；眈一鱼堂 ( 2 9 ) 万x ， “ 万 、7 其中等效电纳最大值吃一= 1 x 。可见，导通角6 与t c r 等效电纳指间是非 线性关系。将其绘成曲线，如图2 9 所示。 为了克服这种非线性的影响，需要在触发电路的输入端与触发脉冲之间插入 一个非线性环节，以补偿导通角与实际等效电纳之间的非线性，如图2 1 0 。其具 基于d s p 的港口供电系统动态无功补偿装置的设计 体的实现方法非常方便，在数字控制电路中可以根据式( 2 9 ) 采用查表法实现，在模 拟控制电路中的实现方法可以参照参考文献【9 】。控制电路输出的控制信号一般是 补偿器等效电纳与实际值吼之间的线性关系。 阿可譬帮箍嚼峥挚 t c r j e 电路 输出一 l 一 输出 l 兰 一 弋2 ) 、e 对k j 、t 、 乞 l 、0 o i l i 图2 1 2t c r + t s c 混合型补偿器的动态调节过程 f i g2 1 2t h ed y n a m i cr e g u l a t i o np r o c e s so ft c r + t s c 图2 1 2 给出了t s c 与t c r 配合使用的混合型补偿器作为改善电压调整使用 时，对扰动的动态调节过程。图中0 - ( 1 卜( 1 ) 是t c r 与一组固定电容器并联后的电 压一电流特性，而0 - ( 2 ) 一( 2 ) 是再由t s c 投入一组电容器后的电压一电流特性。受 扰动前系统负载线为f 1 ，系统工作点为与0 一( 1 ) 一( 1 ) 的交点a ，a 点对应t c r 的导 通角为6 。因此a 点也就是t c r 加上固定电容器，在导通角为6 。时总等效阻抗的 伏安特性o a 与厶的交点。设系统受干扰，其负载线突然降至厶，则工作点将一下 移到厶与t c r 加固定电容器在导通角6 。下等效阻抗伏安特性o a 的交点b ，系统 电压因此降至b 点对应的电压。补偿器控制系统检测到这一电压变化，将随之调 第2 章静l ：无功补偿装置的基本原理和组成 节t c r 导通角减小至零，系统工作点到达仅并联固定电容器时伏安特性o ( 1 ) 与厶 的交点c 。由于c 点仍未达到补偿器总的电压一电流特性的要求，因此向t s c 发 出投入组电容的命令，补偿器的工作点因此由c 移至两组电容并联时等效伏安 特性0 一( 2 ) 与1 2 的交点d 。然后再由t c r 调节其导通角由零逐渐增大，最终使工作 点到达0 ( 2 ) ( 2 ) 与f 2 的交点e 。整个调节过程是按a - b c d e 这几步完成的。 可以看出在调节过程中，t c r 导通角的变化与t s c 投切的配合是非常重要的。 如果这两者配合适当，定时精确，整个过程可以简化到a b e 这三步，调节时间大 为缩短，补偿器动态性能将得到较大提高。 2 4 本章小结 在本章中主要介绍了静止无功补偿装置的原理、组成以及控制系统。目前， t c r 型s v c 得到了广泛的应用，但是它只能够补偿感性无功功率，不能够补偿容 性无功功率。在本章中，设计了由t s c 和t c r 相结合所组成的混合型动态无功补 偿装置，能够连续的对感性和容性无功功率进行补偿。讨论了s v c 装置的控制策 略，最终选用了一种适合于本装置使用目标的控制策略。 基于d s p 的港口供电系统动态无功补偿装置的设计 第3 章无功电流的检测方法 3 1 三相电路无功电流和谐波检测的现状 无功电流和谐波的检测方法是无功补偿装置的关键之处，能否精确的检测出 需要补偿的无功分量，并具有良好的动态跟踪性能，直接决定了该无功补偿装置 的整体性能。无功电流和谐波的一般检测方法有： ( 1 ) 模拟滤波器检测法【9 j 最早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器来实现，即采用陷波器将基波电 流分量滤除，得到谐波分量。或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流 相减得到谐波分量。 模拟滤波器检测法具有简单快速的优点，但这种检测方式有很多缺陷：由于 滤波器的中心频率固定，当电网频率波动时，滤波器的效果将随之变差；滤波器 的中心频率对元件的参数十分敏感，这样较难得到理想的幅频特性和相频特性。 并且，这种方法不能够有效的分析出无功电流分量。目前这种方法已经极少采用。 ( 2 ) 基于f i 丌的检测法【1 6 】 随着计算机和微电子技术的发展，数字信号处理器的数据处理能力和实时控 制能力比以往有了很大的提高，因此开始采用傅立叶分析的方法来检测无功电流 和谐波电流1 3 1 。该方法是建立在傅立叶分析的基础之上的，因此要求被补偿的波形 是周期变化的，否则会给检测结果带来较大的误差。这种检测方法根据处理器采 集到的一个周期的电流值进行f f t 分解，得到各次谐波的幅值和相位系数，再进行 f 兀反变换，合成出总的谐波和无功电流。在进行f f l 计算的时候，为了减少离散 傅立叶算法的计算次数，缩短计算时间的开销，根据d i t ( d e c i m a t i o ni nt i m e ) 采样 数据的时间特点，可采用高效的复序列快速傅立叶变换的算法。该算法能够将两 个相同序列的数据整合到同一个f f t 运算过程，只需要一次f f r 的计算即可同时求 出两路输入信号的频率，提高了系统实时数据处理的能力。 f f r 检测法的缺点是需要测得一个周期的电流值，而且需要进行两次变换， 虽然采用复序列快速傅立叶变换的算法，其计算量依然很大，需要浪费较多的计 第3 章无功电流检测方法 算时间，从而使得检测到的无功和谐波电流有较长时间的延迟( 至少延迟一个周 期1 ，检测出的结果实时性较差。 ( 3 ) 基于瞬时无功功率理论的检测法 基