静止无功补偿器的设计.doc

学院 课 程 设 计 2009 年 11 月 15 日 课 程 电力电子技术课程设计 题 目 静止无功补偿器的设计 院 系 电气信息工程学院电气工程系 专业班级 电气 07 1 班 学生姓名 学生学号 指导教师 学院课程设计任务书 课程 电力电子技术课程设计 题目 静止无功补偿器的设计 专业 电气工程及其自动化 姓名 学号 0 主要内容 基本要求 主要参考资料等 主要内容 本次课程设计的 10kV 静止无功补偿器 主要包括 SVC 的运行原理 晶闸管的保护与触发电路 控制系统 监测系统 水冷系统 保护系统等 设计完成 后进行微机实验 基本要求 设计的静止无功补偿电路正确 能够维持输电线路上节点的电压 在 输电线路末端进行无功功率补偿和电压支持 提高电压稳定性 抑制负荷变化造成的 电压波动和闪变 补偿负荷所需要的无功电流 改善功率因数 优化电网的能量流动 补偿有功和无功负荷的不平衡 参考资料 1 王兆安 黄俊 电力电子技术 M 北京 机械工业出版社 2005 1 2 林在荣 低压并联无功补偿技术的现状与发展 J 电工技术杂志 2003 8 3 逯帅 刘秀成 陈建业 SVC 平衡控制方法及其所需信号的检测 电工电能新技术 2002 4 姜伟 基于无功补偿技术的探讨 J 中国高新技术企业 2007 10 5 张明勋 电力电子设备设计和应用手册 M 北京 机械工业出版社 1990 6 完成期限 2009 11 8 至 2009 11 15 指导教师 专业负责人 2009 年 11 月 30 日 目 录 1 设计要求 1 2 无功补偿的意义 1 2 1 无功功率的分布对电压有决定性的影响 1 2 2 无功功率在线路中的传输引起的损耗 2 2 3 负荷无功功率对系统电压的影响 2 3 静止无功补偿器设计 3 3 1 静止无功补偿装置的必要性 3 3 2 静止无功补偿装置的用途 3 3 3 静止无功补偿装置的设计 4 4 微机试验 10 5 结论 11 参考文献 12 电力电子技术课程设计 报告 1 1 设计要求 所设计的静止无功补偿器应该满足以下要求 维持输电线路上节点的电压 减小线路上因为功率流动变化造成的电压波 动提高输电线路有功功率的传输容量和电网的静态稳定性 在网络故障情况下 快速稳定电压 维持线路输电能力 提高电网的暂态稳定性 增加系统的阻尼 抑制电网的功率振荡 在输电线路末端进行无功功率补偿和电压支持 提高电压 稳定性 抑制负荷变化造成的电压波动和闪变 补偿负荷所需要的无功电流 改善 功率因数 优化电网的能量流动 补偿有功和无功负荷的不平衡 2 无功补偿的意义 电压是衡量电能质量的一个重要指标 电压质量对电网稳定运行 降低线路 损耗 保证工农业安全生产 提高产品质量 降低用电损耗等都有直接影响 因 此 必须对系统各节点进行监视和控制 使电压水平在一个正常的范围内 电力系统的各个节点无功功率平衡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无功功率频繁变化的设备 如 轧钢机 电弧炉 电气 化铁路等 同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备 如 计算机 医用设备等 因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿 2 1 无功功率的分布对电压有决定性的影响 以图 2 1 所示的简单的输电线为例加以说明 图 2 1 简单输电线路模型 在不考虑输电线的对地电容时 从节点 i 送到节点 j 的功率为 P jQ 节点 i P jQ 节点 i 节点 j R jX j U i U 电力电子技术课程设计 报告 2 和节点 j 的电压分别为和 节点 i j 之间的支路阻抗为 R jX 节点电压的 i U j U 关系为 1 j UU U QRPX j U QXPR UU j ji ji 1 在超高压电力系统中 线路电抗远大于线路电阻 因而上式可写成 1 jj ji U PX j U QX UU 2 电压还可以写成 j U 1 sincos iii jUUU 3 式中为线路两端电压的相位角差 比较 1 2 1 3 可以得到 1 j jicos U X U U Q 4 由 1 4 正常运行时输电线路两端的电压的相位角差比较小 可以认为 这样线路中传输的无功功率大小就与线路两端电压有效值之差成正比 1cos 无功功率将节点电压高的一端流向节点电压低的一端 节点电压有效值的变化 也将使流经线路的无功功率随之发生变化 因此电力网中节点电压的变化会引起 无功功率潮流的变化 而且从上式可以看出 如果从远处电源经输电线路向负荷 提供无功功率 会使沿线路各点电压下降 甚至不能满足质量要求 2 2 无功功率在线路中的传输引起的损耗 传输无功功率产生的功率损耗为 1 2 sin4 1 2 ji 2 ji0 UUUU Z Q 5 可见经电抗传输无功时产生的无功功率损耗有两部分 一部分是因为沿电抗传输 有功功率 0 这是不可避免的 另一部分是因为经联络阻抗传输了无功功率 可见减少线路无功功率的传输可以减少线路的无功功率损耗 从有 i U j U 功功率损耗公式 1 2 22 U R QPP 6 电力电子技术课程设计 报告 3 可见 当有功功率和无功功率通过网络电阻时 会造成有功功率损耗 当输送的 有功功率一定时 总的有功网损主要取决于输送的无功功率的数值 2 3 负荷无功功率对系统电压的影响 在额定电压附近 负荷从系统吸收的无功功率随电压上升而增加 随电压下 降而减少 当系统出现无功功率缺额 即无功电源不能提供足够的无功功率时 系统所接各负荷的电压将下降 减少其向系统吸收的无功功率 当系统无功过剩 无功吸收能力不足的情况下 系统电压将普遍升高 如果利用发动机进行吸收无 功功率 当吸收无功超过其最大吸收能力时 可能会引起系统暂态不稳定 3 静止无功补偿器设计 3 1 静止无功补偿装置的必要性 随着电网互联的发展和负荷密度的增加 提高电力系统运行稳定性和电压质 量的要求日益迫切 电力电子技术的发展使得静止无功补偿装置 SVC 在该领 域发挥了巨大的作用 文中对 TCR TSC 型 SVC 样机的设计进行了详细的介绍 分别讨论了主电路 控制系统 监测系统等部分的原理与设计 运行试验的结果 表明 样机设计效果良好 电力系统的互联和远距离 大容量输电已成为电力工业发展的一个重要趋势 随着负荷用电密度的增加和区域电网互联的发展 最大限度地发挥输电线路的设 计容量和提高系统运行稳定性的问题日益突出 在配电系统中 大功率冲击性负 荷和不平衡负荷的影响也日益严重 造成了系统电压波动 影响了其他电气设备 的正常运行和用电的经济性 静止无功补偿器 SVC 作为 70 年代发展起来的 一种并联无功补偿装置 在国内外的输配电系统中有着十分广泛的应用 目前在 世界范围内已有超过 500 套装置投入运行 对电力系统电压稳定和改善电能质量 起到了明显的作用 3 2 静止无功补偿装置的用途 静止无功补偿器 SVC 是一种由电容器和各种类型的电抗器组成的无功补 偿装置 用电子开关来实现无功功率的快速平滑控制 SVC 的应用可以分为 2 个 方面 系统补偿和负荷补偿 当作为系统补偿时 他的作用主要有 维持输电线路上节点的电压 减小线 路上因为功率流动变化造成的电压波动 并提高输电线路有功功率的传输容量和 电网的静态稳定性 在网络故障情况下 快速稳定电压 维持线路输电能力 提 电力电子技术课程设计 报告 4 高电网的暂态稳定性 增加系统的阻尼 抑制电网的功率振荡 在输电线路末端 进行无功功率补偿和电压支持 提高电压稳定性等等 当作为负荷补偿时 SVC 的作用有 抑制负荷变化造成的电压波动和闪变 补偿负荷所需要的无功电流 改善功率因数 优化电网的能量流动 补偿有功和 无功负荷的不平衡 基于以上作用 SVC 除了应用于互联电网的高压输电线路外 还广泛地应用 于高压直流输电 HVDC 换流站的无功补偿和抑制电弧炉等大型冲击负荷造成 的闪变和电压波动 因此 研制和开发容量大 响应速度快 调节灵活 经济性 好 维护方便的 SVC 对电力系统的发展具有重要意义 本文对最近由清华大学 与广东顺德特种变压器厂联合开发的 SVC 样机的结构和设计原理进行比较全面 的介绍 主要包括主电路 控制系统 监测系统 水冷系统 保护系统等部分的 设计开发 最后给出了现场试验的结果 3 3 静止无功补偿装置的设计 1 SVC 的运行原理 本文所讨论的静止无功补偿装置是由晶闸管控制的电抗器 TCR 和晶闸管 投切的电容器 TSC 所构成的混合型 SVC 其拓扑结构见图 3 1 图 3 1 TCR TSC 型 SVC 的拓扑结构 TCR TSC 型 SVC 主要由 TCR TSC 降压变压器 滤波器组和控制系统组 成 其基本功能是控制系统根据指定的控制策略 通过触发晶闸管阀适当地投切 电容器组 并控制电抗器的电流 调节补偿器输出的无功功率 来控制补偿器与 电力电子技术课程设计 报告 5 电网连接点的电压 其电压电流特性见图 3 2 在实际的应用中 SVC 的电压电流特性并不设计成理想的水平线 而是有一 定的倾斜 这样做 一方面可以增大补偿器的运行范围 因为在补偿器输出容性 无功时 连接点电压可以比无载 输出的无功功率为零 常将这一点的电压设为 参考电压即图 2 中的 U0 时低 而在补偿器输出感性无功时 连接点电压可以 高 图 3 2 SVC 的电压电流特性 一些 对 SVC 的容量要求可以小一些 兼顾了补偿器的容量和电压水平恒定的 要求 另一方面 由于呈现正电阻特性 改善了并联的静止补偿器之间或与其他 发电机等电压控制设备之间的电流分配 作为一个完整的设备 除了主电路和控制系统以外 SVC 还要具有监测 水 冷 保护等子系统才能正常运行 这些都是样机的设计开发中不可或缺的有机组 成部分 2 主电路设计 1 晶闸管的保护与触发电路 晶闸管阀是主电路中最重要的部分 在 SVC 中采用的是反并联晶闸管对串 联的结构 由于电力电子器件的价格昂贵 而且工作时频繁地承受着高电压 大 电流的冲击 所以很容易损坏 因此 对晶闸管的保护十分重要 在样机所使用 的晶闸管串上 配备了 RC 缓冲吸收电路 BOD 转折二极管 以及均压电阻对 其加以保护 由于电压等级较高 需要多个晶闸管串联使用 因此采取必要的措施保证器 件同时导通是正常工作的关键 图 3 3 表示的是晶闸管的触发电路 给出了晶闸 管末级触发和信号反馈的原理 事实上 该触发电路分为 2 个部分 首先是将触 电力电子技术课程设计 报告 6 发光信号转化为大电流信号 送到脉冲变压器的初级侧 同时 脉冲变压器次级 输出去触发每个晶闸管 由于同串同向阀体中的所有脉冲变压器采用一个公共的 初级 这样就确保了导通时刻的一致 顺便指出 每个反并联的晶闸管对都有一 个状态信号的光反馈 可以据此来判断晶闸管阀的运行状态 图 3 3 晶闸管触发电路及信号反馈 2 TCR 与 TSC TSC 由多个电容器组并联组成 用反并联的晶闸管阀作为投切开关 响应迅 速 可靠性高 在实际系统中 每个电容器组要串联一个限流电抗器 以降低晶 闸管导通使电容器接入系统时可能产生的电流冲击 以及避免与系统阻抗产生谐 振现象 由于 TSC 只有投入和切除 2 种状态 所以不会产生谐波 但是无功功率 的补偿是以单组电容器的容量为单位跳跃的 此时就需要通过调节 TCR 的输出 来平滑无功功率的改变 TCR 是通过反并联的晶闸管对和电抗器串连 在电压 的每个正的或负的半周中 从电压峰值到电压过零点的间隔内触发晶闸管 承受 正向电压的晶闸管导通 电抗器进入工作状态 通过改变投入时刻的相位来控制 电抗器电流有效值的大小 从而改变吸收的无功功率 一般容量的选择要比 TSC 中的单组电容器的容量稍大方能满足连续改变无功功率的要求 TCR 的工作是会 引起谐波电流的 因此需要安装滤波器来尽量减少 SVC 对系统的谐波电流注入 3 滤波器设计 电力电子技术课程设计 报告 7 通常的滤波方法是配置无源滤波器 既可以滤除谐波 又可以补偿一定容量 的无功 对装设于电力系统中的 SVC 装置而言 系统谐波含量相对较少而且比 较稳定 主要谐波源就是 SVC 装置本身 因此设计起来相对简单 一般只需要 装设 5 次以上的单调谐滤波器即可 必要时装设高通滤波器 但对于补偿冲击性 负荷的 SVC 装置 在设计滤波器时 不仅要考虑装置本身产生的谐波 还需考 虑负荷侧产生的大量非特征谐波和偶次谐波 关键是要具有充足的设计经验 才 能使得滤波器设计的性价比最高 顺便说明 滤波器在实际工作中并不是处于真 正的谐振状态 为防止谐波电流过大 考虑到系统一般呈感性 通常将滤波器设 计成感性偏调谐 这样也避免了与系统发生谐振的可能 3 控制系统 1 控制系统结构 控制系统是整个 SVC 的核心部分 其系统结构见图 3 4 主要由 DSP 控制板 脉冲移相电路 过零检测电路 电光转换装置等相互独立的硬件模块组成 图 3 4 SVC 控制器的结构 在软件方面 有面向系统补偿和面向负荷补偿 2 种方式 对他们的信号采集 和算法实现都有所不同 下面分别加以讨论 2 SVC 控制算法的实现 作系统补偿时 主要是维持系统电压在一定的范围内变化 在三相电压对称 和无畸变的情况下 利用对称平衡系统三相电压 电流幅值相等 相位互差 120 的关系 可以由三相的电压 电流瞬时值得到电压有效值 计算简单快速 电力电子技术课程设计 报告 8 在三相电压不对称或有畸变的情况下 利用正序 负序和零序电压 电流都是正 弦函数以及三角函数运算的特点 将由正弦量瞬时值计算出的特征量经过简单的 滤波处理 仍可以得到所需要的控制信号 结果也是准确的 作负荷补偿时 除了抑制电压波动和闪变以及校正功率因数外 还要求 SVC 具有不对称补偿的能力 亦即能补偿负荷的不平衡 我们采用了前馈与反馈相结 合的控制方式 前馈部分直接由检测出的负荷电流计算出 SVC 应输出的各相电抗 响应迅速 反馈部分根据控制目标的实际值和设定值之间的误差对 SVC 的输出进 行调整 以提高控制精度 SVC 提供的同样是三相不对称的电抗 以抵偿三相不 平衡负荷在线路中产生的负序电流分量 使得补偿后的负序电流只在负荷与补偿 电抗之间流通 从而改善负荷不平衡运行对系统的影响 SVC 控制算法的实现是在以 DSP 芯片为核心的控制板上用 C 语言和汇编语 言混合编程实现的 以兼顾开发工作的简化和程序的运行高效 由于 DSP 的运算 速度快 精度高 可以保证控制的实时性和准确性 试验证明 该控制算法可以 圆满完成控制任务 3 各功能电路介绍 TCR 脉冲发生板的作用是根据 DSP 板输出的控制角信号及同步电压的输入 发出经过移相的高频脉冲 以控制 TCR 主电路里晶闸管的导通角度来改变接入 系统的等效电抗 同步信号是由电源兼同步变压器输出的交流信号 经双半波整 流 再经同步整形环节变成方波 然后经锯齿波发生器变成与电源同频的同步锯 齿波信号 该信号与控制角信号相比较 并将比较结果输出至脉冲发生环节 高 频调制电路 即得到移相之后的脉冲序列 TSC 过零投切电路通过检测晶闸管两端电压过零点来决定投入电容器组的时 刻 晶闸管两端的电压是系统电压和电容器上电压之差 当这个电压等于零时投 入电容器 不会对系统造成冲击 而且可以将电容器尽快地投入到系统中 不受 电源电压值的限制 对提高 TSC 响应的速度也很有利 此外 由于晶闸管的触发需要提供光信号 所以产生的脉冲序列要经过电光 转换装置转化成光信号 然后通过光纤传送到主电路一端 在此不再赘述 4 监测系统 电力电子技术课程设计 报告 9 图 3 5 SVC 监测系统的硬件结构 SVC 是一个复杂庞大的系统装置 所有的子系统都必须各自正常运行并且相 互协作才能实现装置的整体功能 作为操作人员 及时有效地获知系统状态信息 是至关重要的 监测系统就是完成此项任务的有力工具 近来随着 IT 技术的发 展 计算机的性能飞速提高而价格却日益低廉 因此 SVC 样机的监测系统是采 用内置数据采集卡的工控机为基础 图形化编程语言 LABVIEW 为工具开发完成 的 监测系统的硬件结构见图 3 5 从图 3 5 中可以看出 除了数据采集之外 监测系统还要负责和其他设备的 通信以及远程数据传输工作 采用高性能的工控机使得同时完成如此复杂的任务 变得更加容易 为了缩短开发周期 监测系统的开发采用了图形化的编程语言 LABVIEW 他引入了虚拟仪器的概念 把底层与硬件交互的部分封装起来 使得应用程序的 开发过程十分简单 SVC 监测系统主要完成以下功能 监视装置的启动过程 实 时采集并显示系统的运行状态 在线判断系统故障状态 记录重要系统运行信息 为远程计算机传递数据 系统长期运行状态分析 生成电压质量 谐波含量分析 报告 系统调试期间录波回显 协助安装人员快速查看系统状态等 这些功能为 SVC 正常工作提供强有力的保障 5 水冷系统 高电压大功率晶闸管高纯水循环冷却系统对 SVC 的正常运行有着不可替代 的作用 他比风冷系统和传统的油冷系统体积更小 效率更高 无污染 无燃烧 危险 在运行中高纯水不导电 封闭循环冷却几乎不消耗水 并可实现完全自动 化 该套水冷系统采用 PLC 控制 对水冷的故障状态给出分级的预警和停主机报 警信号 同时通过 RS485 协议与监测系统通信 可以快速准确地将水冷系统的状 态信息 比如水温 水压 电导率等传递给监测系统 供操作人员分析水冷系统 的故障信息 6 保护系统 SVC 样机的保护系统采用的是微机过流和过载保护继电装置 这是一个综合 电力电子技术课程设计 报告 10 的继电保护装置 提供定时限与反时限过流保护以及过负荷不平衡保护 他提供 的功能包括 测量值的采集 评估 操作与显示 信号和跳闸命令的输出 二进 制信号的输入与评估 通过 RS485 远程数据传输 由于全部微机操作 具有强劲 有效的算法 可以大大抑制高频暂态分量和直流暂态分量的影响 而且可编程能 力很强 二进制的输入输出都可重新定位 能够选择跳闸启动或二进制输入触发 多达 8 个通道的故障录波 装置中的硬件和软件都被连续地自监视 可靠性极高 可以减小对常规检验的需要 4 微机试验 为了验证 SVC 系统的功能 该样机在 2kV 的电压等级下进行了试验 图 4 1 是在切除了无功负荷造成系统电压跃升时 SVC 的补偿作用对系统电压影响的过 程 可以看出 SVC 对这种扰动的响应时间约为 25ms 图4 1 切除无功负荷时在 SVC 补偿作用下系统电压变化 为检验 SVC 对负荷补偿时抵消负荷不平衡的能力 在现场试验系统中接入 单相有功负荷 造成系统线电压产生大约 3 的不平衡度 试验显示 SVC 投入 运行后 能够快速补偿负荷线电流的负序分量 使系统的三个线电流得以平衡从 而减小了系统线电压的不平衡度 试验波形见图 4 2 投入前后的线电压记录于 表 4 1 中 电力电子技术课程设计 报告 11 图 4 2 不平衡负荷下 SVC 投入前后系统线电流波形 表 4 1 不平衡负荷下 SVC 投入前 后系统线电压的对比 系统线电压 V ab U bc U ca U SVC 投入前161015601570 SVC 投入后150015101500 由以上试验可以看出 SVC 在对电压控制和补偿不平衡方面都取得了满意的 效果 稳态下电压控制精度较高 偏差小于 1 对负荷投切扰动的响应速度为 20 40ms 但是该参数会受到多方面因素的影响 比如系统短路容量 SVC 特性 斜率的变化等等 因此 要在不同的系统或负荷情况下对 SVC 系统进行反复试 验来对控制器的特性参数加以改进以达到最佳效果 另外 通过对样机进行连续 48h 的工况试验 可以验证 SVC 样机具有长期连续运行的能力 5 结论 在设计初期 确定了对静止无功补偿器进行研究 通过查阅有关资料