基于MCR无功补偿控制器研究_硕士学位论文.doc

工程硕士学位论文 基于 MCR 无功补偿控制器研究 Research on the Reactive Power Compensation Controller Based on the MCR 中国矿业大学 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留 使用学位论文的规定 同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学 位论文的部分使用权 即 学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版 和电子版 可以使用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文 为 教学和科研目的 学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案 馆 图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读 浏览 另外 根据有关法规 同意中国国家图书馆保存研究生学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 中图分类号 TM474 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学 工程硕士学位论文 基于 MCR 无功补偿控制器研究 Research on the Reactive Power Compensation Controller Based on the MCR 作 者 导 师 申请学位 工程硕士 培养单位 信息与电气工程学院 学科专业 控制工程 研究方向 无功补偿 答辩委员会主席 评 阅 人 二 一二年五月 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 在规定的学习年限内 按照研究生培养方案 的要求 完成了研究生课程的学习 成绩合格 在我的指导下完成 本学位论文 经审阅 论文中的观点 数据 表述和结构为我所认 同 论文撰写格式符合学校的相关规定 同意将本论文作为学位申 请论文送专家评审 导师签字 年 月 日 致谢致谢 几年的工程硕士学习生涯转瞬即逝 这继续深造 不断提升自己的求学之 路让我在各方面都得到了成长与锻炼 是我人生中非常宝贵的一段时光 值此 论文完成之际 诚挚的向每一位关心 帮助 支持过我的老师 领导 同学 同事 朋友 亲人致以深深的谢意 本论文是在导师 副教授的悉心指导下完成的 与此同时 导师在生 活和工作上都对我给予了极大的关怀和帮助 在此向他致以衷心的感谢和崇高 的敬意 刘老师优秀的做人品质 严谨的治学态度 开拓创新的精神 高屋建 瓴把握全局的能力 忘我的工作精神在潜移默化中给我树立了典范形象 这也 是导师授予我最为宝贵的财富 真诚地感谢实验室 等几位老师在学习上对我的帮助 他 们让我在学习期间收获更多 论文的写作过程中 实验室的各位兄弟姐妹们给我提出了很多宝贵的意见 对我的学习提供了诸多实实在在的帮助 在此一并表示感激 同窗数载 深情 留驻 这份珍贵的情谊 值得我一生珍藏 在攻读工程硕士期间 单位 等领导给予了我很大的支持 关心和照顾 同时 我的家人也给予了巨大的理解和精神上的鼓励 才使我能 顺利地完成学业 谨以此文献给他们 感谢各位专家 老师在百忙之中评阅本文 I 摘摘 要要 伴随着现代工业的迅猛发展 电能质量问题日益突出 如果我们要提高电 网电压稳定性 那么就需要增加无功功率补偿装置 在工矿企业的基本建设期 间 由于用电负荷的运行不稳定 如果采用简单的电容电抗组合的方式进行补 偿 将导致功率因数低下 电能质量不高 增加企业经济负担 通过实践运行 在电力系统中运用可控电抗器能够实现连续平滑地对无功功率进行调节 同时 能够有效抑制电压波动 可控电抗器能够根据电力系统的扰动情况做出快速响 应 根据线路功率或母线电压自动调节无功容量 对电压波动和功率振荡进行 有效抑制 同目前的一些动态无功补偿装置相比 它具有明显的更广电压适用 范围 可靠性更高 谐波小 占地面积小 维护方便等优点 因此其获得了广 泛的使用 结合晋城市胡底矿井蒲池变电所技术改造项目所采用的磁阀式可控电抗器 MCR 对无功功率进行补偿的技术 本文介绍了无功补偿及可控电抗器的国 内外研究现状 从理论上对磁阀式可控电抗器基本原理和基本特性进行了研究 分析了无功补偿原理及无功检测方法 对无功补偿装置进行了硬件 软件设计 并在 MATLAB 平台上对磁阀式可控电抗器进行了仿真 从晋城市胡底煤矿基于磁阀式可控电抗器的无功补偿控制器已经投运的情 况来看 能够切实对无功进行有效补偿 提高功率因数 改善电能质量 达到 节能目的 增加企业经济效益 该论文中有图 41 幅 表 12 个 参考文献 53 篇 关键词 关键词 MCR 无功补偿 控制器 仿真 II Abstract With the rapid development of modern industry the problem of power quality has been outstanding increasingly If we want to improve the network voltage stability we must increase the reactive power compensation device Due to the operation of the electrical load is not stable if we use the simple circuit reactance capacitance and combinations to compensate the reactive in industrial and mining enterprises of basic construction period then power factor will be low the power quality will not be high and the enterprise economic burden will increase Through the practice operation power system in the use of controlled reactor to really achieve continuous smoothly adjustment on reactive power at the same time it can effectively restrain the voltage fluctuation Controlled reactor can rapidly make response according to the situation disturbance of power system it can automatically adjust the reactive power capacity according to the line power or bus voltage it can effectively restrain the voltage fluctuations and power oscillation Compared with some dynamic reactive compensation device it has many advantages such as the broader voltage applied range the higher reliability the smaller harmonic the smaller land area the more convenient maintenance etc so it has used widely Combined with the magnetic valve type controlled reactor on reactive power compensation technology used by the PuChi substation of Hudi coal mine Jincheng city technical renovation programs in this paper the research situation of the reactive power compensation and controlled reactor has been introduced the basic principle and basic characteristics of magnetic valve type controlled reactor have been researched in theory the principle of reactive power compensation and the methods of reactive detection have been analyzed the hardware and software of reactive power compensation device has been designed the magnetic valve type controlled reactor has been simulated on the platform of MATLAB From the running situation of the controller for the reactive power compensation which based on magnetic valve type controlled reactor of Hudi coal mine Jincheng city it can compensate the reactive power effectively it can improve the power factor and the quality of power it can achieve the purpose of saving energy and it can increase the enterprise economic benefits There are 41figures 12 tables and 53 references in the paper Keywords magnetic valve type controlled reactor reactive power compensation controller the simulation III 目目 录录 摘摘 要要 I 目目 录录 III 图清单图清单 VII 表清单表清单 IX 变量注释表变量注释表 X 1 绪论绪论 1 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 2 工程背景 2 1 3 国内外无功补偿方式及补偿装置 3 1 4 本文主要内容 5 2 磁阀式可控电抗器工作原理及特性磁阀式可控电抗器工作原理及特性 6 2 1 工作原理 6 2 2 电抗器各工作状态之间的转换条件及判断 8 2 3 工作特性分析 9 2 4 控制特性 16 2 5 响应速度 19 2 6 有功损耗 20 2 7 小结 21 3 无功补偿的原理与分析无功补偿的原理与分析 22 3 1 有功功率与无功功率的基础 22 3 2 瞬时无功功率理论 24 3 3 小结 28 4 控制策略及优化控制策略及优化 29 4 1 无功控制一般方式 29 4 2 对传统无功控制方法的改进 31 4 3 提高响应速度 34 4 4 谐波抑制及策略 37 4 5 小结 41 5 控制系统硬软件设计与控制系统硬软件设计与 MCR 仿真仿真 42 IV 5 1 硬件设计 42 5 2 软件设计 47 5 3 基于 MATLAB 的 MCR 仿真 49 5 4 小结 55 6 工程应用与结论工程应用与结论 56 6 1 工程应用 56 6 2 结论 57 参考文献参考文献 59 作者简历作者简历 65 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 66 学位论文数据集学位论文数据集 67 V Contents Abstract II Contents V List of Figures VII List of Tables IX List of Variables X 1 Introduction 1 1 1 The Background and Significance of Research Subjects 1 1 2 Engineering Background 2 1 3 Reactive Power Compensation Methods and Compensation Device at Overseas and Domestic 3 1 4 The main content 5 2 Magnetic Valve Type Controlled Reactor Working Principle and Characteristics 6 2 1 Working Principle 6 2 2 The Transition Conditions and Judgment Between Working States of the Reactor 8 2 3 The Analysis for Working Characteristic 9 2 4 Controlling Characteristic 16 2 5 Response Speed 19 2 6 Active Loss 20 2 7 Summary 21 3 The principle and analysis of reactive power compensation 22 3 1 The Base of Active Power and the Reactive Power 22 3 2 Instantaneous Reactive Power Theory 24 3 3 Summary 28 4 Control Strategy and Optimization 29 4 1 General Methods of Reactive Power Controlling 29 4 2 Improving Method for the Traditional Reactive Control 31 4 3 Improving the Response Speed 34 4 4 Harmonic Control and Strategy 37 VI 4 5 Summary 41 5 Controlling system Hardware and Software Design and Simulation of MCR 42 5 1 Hardware and software design 42 5 2 Software Design 47 5 3 Simulation of MCR Based on MATLAB 49 5 4 Summary 55 6 The engineering application and conclusion 56 6 1 The engineering application 56 6 2 Conclusion 57 References 59 Author Resume 65 Declaration of thesis originality 66 Thesis Data Collection 67 VII 图清单图清单 图序号图名称页码 图 2 1磁阀式可控电抗器结构电路6 Figure 2 1Structure circuit diagram of magnetic valve controlled reactor6 图 2 2晶闸管导通等效电路图 7 Figure 2 2Equivalent circuit diagram of thyristor conduction7 图 2 3磁阀式可控电抗器工作状态变化过程 9 Figure 1 3Working process transformation of MCR9 图 2 4MCR 的简化等效电路 11 Figure 2 4Equivalent circuit diagram of MCR11 图 2 5MCR 伏安特性 12 Figure 2 5Current voltage characters curve of MCR12 图 2 6 1谐波电路峰值与饱和度关系曲线 14 Figure 2 6 1Peak of harmonic current and curves of saturation relation14 图 2 6 2谐波电路峰值与饱和度关系曲线 15 Figure 2 6 2Peak of harmonic current and curves of saturation relation15 图 2 7触发角 磁饱和度关系曲线17 Figure 2 7Relation curves of triggering angle and magnetic saturation 17 图 2 8触发角 基波电流曲线与余弦对比关系 18 Figure 2 8 Relation of triggering Angle of alpha base wave current curve and cosine contrast18 图 2 9响应速度与抽头比关系曲线 19 Figure 2 9 The curve of response speed and tap proportion19 图 2 10与抽头比关系 P Q 20 Figure 2 10 Relations of and tap proportion P Q 20 图 3 1线路型等值电路图 23 Figure 3 1Diagram of type equivalent circuit 23 图 3 2变压器型等值电路图 23 Figure 3 2Diagram of type equivalent circuit for transformer 23 图 3 3坐标变换 24 Figure 3 3Three coordinate transformation 24 图 3 4三相电路谐波和无功电流检测方法 26 Figure 3 4Methods of detection for three phase circuit harmonic and reactive current 26 图 3 5 法检测框图 p i q i 27 Figure 3 5 Diagram of examination for and q i p i27 图 3 6改进的瞬时无功检测方法框图 28 Figure 3 6Diagram of improved instantaneous reactive detection method 28 图 4 1电压 无功的 九区图法 控制 30 Figure 4 1The voltage reactive power the nine area chart control 30 图 4 2几种改进的 九区图法 30 Figure 4 2 Several improvement nine area chart 30 图 4 3模糊控制系统的结构 32 Figure 4 3Structure of Fuzzy control system 32 图 4 4模糊 PI 控制器框图 32 VIII Figure 4 4Fuzzy PI controller diagram 32 图 4 5L C 振荡回路 35 Figure 4 5L C resonance circuit 35 图 4 6直流激磁电路图 36 Figure 4 6DC exciting circuit 36 图 4 7 不同控制电压下 的变化情况 d B36 Figure 4 7 Transformation of under different control voltages d B36 图 4 8单调谐滤波器 40 Figure 4 8Single tuned filter 40 图 4 9阻抗频率特性 40 Figure 4 9Impedance frequency characteristics 40 图 4 10FC 滤波装置 41 Figure 4 10FC filtering device 41 图 5 1MCR FC 系统构成 42 Figure 5 1MCR FC system structure 42 图 5 2控制原理框图 43 Figure 5 2Control principle block diagram 43 图 5 3电压同步信号调理电路 45 Figure 5 3Voltage synchronized signal regulate circuit 45 图 5 4电压调理电路 45 Figure 5 4Voltage regulate circuit 45 图 5 5键盘模块 46 Figure 5 5Keyboard module 46 图 5 6通讯接口 46 Figure 5 6Communication interface 46 图 5 7系统初始化流程 47 Figure 5 7The system initialization procedure 47 图 5 8控制策略软件流程图 48 Figure 5 8Control strategy software flow chart 48 图 5 9单相 MCR 仿真 49 Figure 5 9Single phase MCR simulation 49 图 5 10 0 03 时 电压电流仿真波形 50 Figure 5 10 Waveforms of voltage and current 0 03 50 图 5 11 0 075 时 电压电流仿真波形 51 Figure 5 11 Waveforms of voltage and current 0 075 51 图 5 12 0 15 时 电压电流仿真波形 52 Figure 5 12 Waveforms of voltage and current 0 15 52 图 5 13 0 3 时 电压电流仿真波形 53 Figure 5 13 Waveforms of voltage and current 0 3 53 图 5 14控制电流对比 54 Figure 5 14Control current contrast 54 IX 表清单表清单 表序号表名称页码 表 1 1各种新型无功补偿装置性能比较4 Table 1 1Various new reactive compensation device performance comparison4 表 2 1各次谐波峰值与基波及饱和度对应关系16 Table 1 2Every harmonic peak and the corresponding relations between over saturation16 表 4 1的规则表 p K 33 Table 4 1Fuzzy rule table of p K 33 表 4 2的规则表 i K 33 Table 4 2Fuzzy rule table of i K 33 表 4 3模糊控制表 p K 34 Table 4 3Fuzzy control table of p K 34 表 4 4模糊控制表 i K 34 Table 4 4Fuzzy control table of i K 34 表 4 5不同移相角下的电流畸变结果39 Table 4 5Results of different moving phase Angle of current distortion39 表 6 1电压电流数据56 Table 6 1Data for voltage and current 56 表 6 2负荷状态56 Table 6 2Load conditions56 表 6 3电容器状态57 Table 6 3Capacitor state57 表 6 4变压器状态57 Table 6 4Transformer state57 表 6 5直流屏参数57 Table 6 5DC panel parameters57 X 变量注释表变量注释表 D二极管 c E误差变化率 i电流瞬时值 I电流平均值 A I 电流标幺值 p I 电流无功分量 q I 电流有功分量 i K比例系数 或 1 K 2 K 晶闸管 N线圈匝数 P有功功率 W Q无功功率 Var S面积 2 m u电压瞬时值 U电压平均值 V 导通角 rad 磁饱和度 电角度 抽头比 角频率 功率因数角 cos 功率因数 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1 Introduction 1 1 课题研究的背景及意义 The Background and Significance of Research Subjects 在我国经济又好又快的发展过程中 对电力需求越来越大的同时 更对其 系统运行的安全性以及电能的质量提出了越来越高的要求 在长时间实际工作 经验总结的基础上 在整个电力行业形成这样一种几近相同的观点 要让电网 运行的安全性和经济性以及电能的质量得到提高 不仅仅要有合理的电网结构 还需采取先进的调节控制手段对其作为保障 如果在电力系统中能够采用合理 的无功补偿装置 一方面不但能够对供用电系统的功率因数进行提升 而且可 以让系统中设备容量和功耗降低 另一方面来说 对负载端电压的稳定可以起 到积极的作用 从而将提高系统供电质量 特别是在长远距离输电中的合适地 点设置无功补偿装置 对提高输电系统的稳定性和改善输电能力的效果是非常 显著的 正因为它不仅仅是确保电力系统能够高质量运行的一个主要措施 同 时也是如今电力系统和电气自动化技术研究领域所面临的一个重大课题 所以 无功补偿装置正在受到日益广泛的关注与研究 由于目前超高压 长距离电网的建设与发展 尤其是超 特高压输电线路的 建设 比如 山西长治到湖北荆门的 1000kV 晋东南 南阳 荆门 特高压交流 输电线路 1 800kV 糯扎渡送广东直流工程 500kV 溪洛渡送广东直流工程 等 高压输电线路对地的充电容量明显增加 空载和轻载时超前无功功率太大 进而导致整个线路的末端电压偏高 切除负荷过程中所产生的超前电流和过电 压致使电力损耗增大等严重后果 在系统中安装滞后分量的调节装置 例如 并联电抗器能够限制操作过电压和工频过电压 吸收超前无功 在各种已经使用的并联电抗器中 某些比较早的 过时的不可控电抗器长 期并入电网 已经显现出来诸多的弊端 首先 在大功率输电网络当中 向电 抗器提供大量无功仍然是不可缺少的 从而导致客户端系统容性无功的补偿增 大 资金投入增加就不可避免 其次 输电成本将因电抗器持续的有功损耗而 势必增大 最后 等效波的阻抗变大 自然功率值和线路传输能力减小了 尤 其是线路将会在传输大功率时将造成很大的附加功耗 与此同时电压会降低 基于此 投入人力 物力 财力来研究大容量 快响应 调节连续灵活 价廉 物美 后续维护简单的无功补偿设备的课题与技术显得越来越迫切与重要 对 新型无功补偿技术的研究和应用在较大范围内进行大力推广就显得特别紧迫 任重道远 工程硕士学位论文 2 就普通电网来说 因为系统用户的负载通常为感性 常采用固定电容器组 进行就地集中或分散补偿的方法来提高功率因数 使得系统损耗降低 然而 要是在运行时负荷较小 处于低谷期间不切除电容器组的话 多余的容性无功 就会在线路中流动 势必导致电压波动并使得线路损耗增大 可控电抗器能够 平滑调节系统容量的性能 极大的改进了无功补偿系统 使得电网损耗减少 供电质量提升 经济效益增加 可控电抗器既可以用在高压电网中起抑制过电压的作用 又能够在配电网 中作可调消弧线圈而对接地的容性电流进行动态补偿 并且 还能在电机起动 等过程中抑制因冲击电流引起的电压波动 与此同时 由于现代电力电子技术 的发展应用 使得大功率电力电子等大容量变流装置的使用 一方面在运行过 程当中自身就呈现非线性 需要不少的无功功率进行平衡 另一方面 谐波电 流将伴随补偿设备动作而产生 功率因数大大降低 危及整个供电系统的安全 运行 甚至导致系统的瘫痪 前些年北美出现的严重电力系统崩溃 造成了重 大的经济损失 为改善供电系统质量 让系统和负荷无功的调节变得更容易实 现 节约能源 改善供电质量 增加企业经济效益 其重要意义是毋庸置疑的 在电力负荷系统中 大多数用电设备运行时都呈感性 不仅要消耗大量的 有功分量 还要吸收大量的无功 要是如此大容量的无功完全由电能输出端来 解决的话 电能接收端功率因数就必然下降 线损自然而然会增加 用户端电 压降低 电力设备不能充分利用 而无功严重时 还将导致供电系统崩溃 无 功功率增加将导致系统的视在功率以及系统电流增大 将会严重影响整个系统 正常运行 设备容量增加 线路压降 线损增大 发电机组效率相对变低 造 成电压波动危及供电系统安全与稳定 所以 采取有效的无功补偿措施对确保系统供电安全和稳定运行是必需的 具体来说 它的作用主要有 2 提升系统功率因数 改善和调整电压质量 减 少电压波动 减少系统谐波 系统的静态和动态稳定性得以提高 增加低频振 荡的阻尼 抑制同步振荡 1 2 工程背景 Engineering Background 晋煤集团胡底矿井及选煤厂扩建项目前身为胡底矿井原年产 30 万吨建设项 目 2009 年在全省煤炭资源整合兼并重组工作中 确定为单独保留矿井 根据 国家能源局关于晋城矿区总体规划要求 将扩建为年生产 400 万吨矿井 并确 定为 2010 年省重点工程建设项目 项目包括生产矿井 配套选煤厂及铁路运输 专用线三大主体工程 有井田面积 73 04 平方公里 3 号煤层地质储量 6 13 亿 1 绪论 3 吨 项目设计生产能力 400 万吨 年 配套建设年入洗能力 400 万吨的选煤厂及 铁路运输专用线 规划占地 49 2 公顷 估算总投资 43 5 亿元 预计 2015 年竣 工投产 胡底煤矿处于建井期间 矿井供电电源一路引自附近蒲池 35kV 变电站 蒲池 35kV 变电站装设 4000kVA 主变压器两台 双回路供电 为了对系统 无功进行补偿 以往在该变电站的 10kV 母线上装备两台容量为 1200 kVar 的集 合式电容器和容量为 24kVar 的电抗器进行补偿 由于矿井用电负荷小 蒲池 35kV 变电站对无功补偿采取的集中补偿存在 如下严重的缺陷 1 这种补偿方法不能对系统无功进行有效补偿 要么欠补 要么过补 补 偿方案没有机会发挥作用 2 正是这种落后的补偿方案 造成了胡底煤矿每月担负十余万元的罚款 按照供电部门的要求 若当功率因数达到 0 9 时 这部分费用可以全额节约 当功率因数大于 0 9 时 还可以得到相应的减收电费 3 胡底煤矿处于建井初期 各种负荷的变化比较频繁 如果使用传统的通 过改变电容器投入数量及调节主变电压分接开关来实现无功补偿的方案 不能 平滑应对系统感性无功改变 调节比较粗略 鉴于以上不足 为了确保供电系统的稳定 减少电费投资 对其原有的无 功补偿方式进行技术改造 1 3 国内外无功补偿方式及补偿装置 Reactive Power Compensation Methods and Compensation Device at Overseas and Domestic 较早使用的无功补偿装置 常见的有同步调相机 并联电容器因其自身难 以灵活提供所需无功 调节不连续等缺陷 已不能满足电力行业的要求 3 在供电系统中 如果输变电系统设备和负载所需要的无功功率都由电能输 出设备提供 显然对于长线路的输变系统来说是不合适的 所以还是需要根据 负荷情况进行就地补偿 4 同步调相机因其励磁可以运行在过 欠等情况下 可以利用它的这种特性 而为系统提供所需的无功功率 在比较早的时候 它在调节系统电压和控制无 功功率等领域中起到举足轻重的作用 由于在运行时损耗和噪音较大 运行维 护较为复杂 响应速度较慢 不太适合较大或较小的无功功率调节 恰恰并联 电容价格低廉 效率较高 运行成本较为便宜 在低压运行中主要采用自动控 制电容器投切的自动无功功率装置 高中压系统运行时主要采用固定并联电容 工程硕士学位论文 4 器组的方式 然而其对谐波比较敏感 容易随之快速增长 易与系统中感性器 件产生谐振 加重危害 同时 因为其阻抗恒定不变 输出无功电流将随系统 压降降低 危及系统无功安全 无功补偿有级调节的结构本身使得欠补和过补 不可根除 SVG 则显得更为高级 可实现小容量器件支撑直流电压 采用适当的方法 进行控制 可按需提供无功 是目前相对而言更为先进的一种现代补偿装置 若是采用 PWM 或者多重化等控制技术 可实现输出电流的谐波成分达到比较 小的水平 但是功能简单 新出现的有源电力滤波器 Active Power Filter 可以对系统谐波 无功和 负序电流综合补偿 具有这些特征 5 对系统动态补偿 对无功补偿无需贮能 元件 对谐波的补偿不用较大容量的贮能元件 可以同时补偿谐波 无功和负 序电流 也能够对谐波 无功及负序电流单独补偿 连续可调 不因补偿电流 过大而出现过载 能正常运行在其额定容量内 受电网阻抗影响较小 受系统 频率影响小 对系统谐波源的补偿比较灵活多样 因此 有源电力滤波器比以往谐波 无功和负序电流抑制方法的补偿效果 更好 但是 造价高 设备多 所涉及到的控制理论还需要不断的完善 所必 需的电力电子应用技术仍需要继续发展 在国外已经将其从实验室原理型转变 为工业应用型 国外 70 年代发展起来的 Static Var Compensator SVC 静止型无功动态补 偿器 已成功应用在系统谐波 无功 负序的补偿和电压调整等实例当中 其 表现出来的快速性 多样性 可靠性 经济性等显著优点很受青睐 可以得到 较好的经济效益 突出的技术效果 因而其发展比较迅速 Flexible AC Transmission Systems FACTS 基于灵活交流输电系统 技术应 用最广泛的无功补偿装置 常常以如下几种形式出现 TSC 型 SVC 晶闸管投 切电容器型 SR 型 SVC 饱和电抗器型 TCR 型 SVC 晶闸管控制电抗器 等 伴随控制技术和电力电子技术的迅速发展 容量大 数字化的 TCR SVC 得到实际应用 取得的效果更好 可靠性更高 SVC 的发展较为迅猛 截止到 两千年 全球有上千套 SVC 在输配电和工业领域得到应用 但是从我国所应用 的一百多套 SVC 来看 运行效果欠佳 在电网运行中容易出现系统相互影响 早期技术差 自动化程度低下 要求有较高素质的运行人员 技术升级受到限 制 技术服务落后 下表为各种新型无功补偿装置性能比较 6 7 8 表 1 1 各种新型无功补偿装置性能比较 Table 1 1 Various new reactive compensation device performance comparison 1 绪论 5 型式TSCTCTTCRMCRSVG 相应时间10 20ms10ms10ms 0 3 0 5 s 5 10ms 限制过压不能好好好好 分相调节能能能能不能 提供无功 分级 容 连续感 容 连续感 容 连续感 容 连续感 容 抑制闪变 可以 但能 力不足 可以可以可以可以 自生谐波无有有小小 噪声很小稍大较小稍大很小 损耗0 3 0 5 0 7 1 0 5 0 7 0 7 1 0 3 0 5 控制难度较大小较大小非常大 控制灵活性好好好好好 线性度好好好好好 运行维护比较麻烦容易比较麻烦容易特别麻烦 制作成本大比较大比较大大特别大 自一九一六年 美国人首先提出了 磁放大器 的理论以来 先后经历被 俄国科研人员在运用到了电力系统中 英国研制出第一台可控电抗器等过程 在一九八六年 苏联解体之前便有研究人员推出了 可控电抗器磁阀 的概念 后可控电抗器才获得突破性的进展 极大改善其性能 因低价 高能 在超高 压可控补偿领域成为首选 从俄罗斯已运行的多套 MCR 情况来看 系统能量 损耗得到有效减少 电网运行的可靠性得以增强 线路运行条件得到优化 开 关操作次数和发生事故的情况切实减少 运行费用得到降低 9 从最早国内的武汉大学对其的研究 以及后来的上海交大 华电 浙大等 院校对其从不同的应用领域进行了探索 从近期来看 磁阀式可控电抗器在各 大院校和研究院都获得各方面的应用研究 并且已经有多套设备在铁路电力系 统 风力发电系统 矿山提升系统 冶金工业 高压长距离输电系统等领域投 入运用 已然成为一种成熟的技术手段 1 4 本文主要内容 The main content 本章节对课题的时代背景和工程背景进行了简述 并对所研究的 MCR 的 国内外应用情况及其发展情况进行了介绍 本课题的主要内容为 第一章 介绍该课题的时代背景及工程实际背景情况 第二章 对 MCR 磁阀式可控电抗器 的工作原理和工作特性进行分析 第三章 对无功理论基础进行分析 并探讨无功功率检测方法 第四章 对提高其响应速度的方法和谐波抑制策略进行研究 第五章 对控制系统进行硬软件设计 并用仿真来验证分析 MCR 的一些 工程硕士学位论文 6 特性 第六章 结合工程应用实例 分析总结 2 磁阀式可控电抗器工作原理及特性 7 2 磁阀式可控电抗器工作原理及特性磁阀式可控电抗器工作原理及特性 2 Magnetic Valve Type Controlled Reactor Working Principle and Characteristics 2 1 工作原理 Working Principle MCR 磁阀式可控电抗器 的主铁心在制造时分裂为两个芯柱 芯 A 和芯 B 令芯柱横断面为 S A 和 B 的横断面均有一面积较小部分 每个面积减小段 所分隔开的两端铁心上绕有 N 2 匝数的线圈 在每个小段绕组各设一个绕组抽 头 使得取值为 每个铁心两端抽头间用晶闸管 连接 不同 2 NN 1 K 2 K 铁芯上的上下两个绕组交叉连接后 与电源并联 续流二极管则横跨在交叉端 点上 10 11 在其容量内 只有较小横断面的铁芯能够达到磁路饱和 其余均 因不饱和而呈现线性 可调节较小横断面铁心的饱和度从而实现对电抗器容量 的调节 目前 制造 MCR 磁阀式可控电抗器 的工艺简单 经济可靠 可在 对无功功率进行补偿 提高电网的输电能力 调整电网电压 限制过电压等多 种场合 多个领域进行广泛的应用 其结构电路可简化如图 2 1 所示 1 K 2 K D 1 2N sin m eEt a bd c ef 1k i 2k i i 2 2N A芯 芯 B 图 2 1 磁阀式可控电抗器结构电路 Figure 2 1 Structure circuit diagram of magnetic valve controlled reactor 对图 2 1 分析可以知道 如果两个晶闸管 都截止 铁芯上绕组线圈 1 K 2 K 对称 则整个器件可以视作变压器空载运行 假设我们设定电源为正 那么 e 的电压为正 的电压为负 如果给以信号让形成通路 那么 等电 1 K 2 K 1 K ab 位 电路的直流控制电压 以及电流 是由电源经变比为的 sin m Et d i d i e 线圈自藕变压后由匝数为的线圈得到 进而很容易得出形成通路时的等 2 N 1 K 效电路如图 2 2 1 所示 同样可推导出来 如果在电源方向为负的时候形成 2 K 通路 同电位 于是可以得出如图 2 2 2 所示的等效电路 12 cd 工程硕士学位论文 8 d i d i 1 2 N 2 2 N 1 2 N 2 2 N a b c d e f i i i i i d i d i 1 2 N 2 2 N 1 2 N 2 2 N e f i i i i i c d a b 1 导通等效电路图 2 导通等效电路图 1 K 2 K 图 2 2 晶闸管导通等效电路图 Figure 2 2 Equivalent circuit diagram of thyristor conduction 对图 2 2 进行研究后我们知道 发出信号使形成通路所产生的控制回路 1 K 电流 的方向和形成通路时的控制回路电流 一致 经一个正负交 d i d i 2 K d i d i 替的工频波形周期 轮流形成通路便等价于全波整流电路 中间转换时 1 K 2 K 所需的电流由二极管 D 所形成的通路予以支持 改变 触发角就能够让 1 K 2 K 控制电流随之调整 达到调整电抗器铁芯饱和度的目的 最终实现对电抗器容 量连续 平滑的调节 不难得出 MCR 的工作与控制回路巧妙的集成在一起 结构变得紧凑而简 单 13 因此 通过上面的分析 就可以总结出 MCR 与以往所用的电抗器在结构 方面异同如下 14 第一 铁芯的饱和度都是由直流控制 实现对容量平滑 连续可调 第二 MCR 经抽头线圈获得自耦电压 经晶闸管整流成为直流控制电源 其他饱和电抗器却需要单独引入直流电源才能实现对其控制 正由于其直流控 制电流获取途经的差异 从而导致各自伏安特性的差异较大 磁阀式可控电抗 器的伏安特性呈现近似的线性关系 而传统可控饱和电抗器的伏安特性的非线 性特征是非常明显的 第三 磁阀式可控电抗器的工作绕组和控制绕组巧妙的设置在一起 而传 统可控饱和电抗器工作绕组和控制绕组却是分离的 结构更为复杂 损耗也就 很自然的较大 第四 磁阀式可控电抗器称之为 磁阀 的原因是 其铁心横断面中有一 较小段 除了横断面较小段外的他部分都磁路不饱和而成线性 形成了特殊的 2 磁阀式可控电抗器工作原理及特性 9 控制特性 横断面较小段的功能如同阀门 控制磁路 2 2 电抗器各工作状态之间的转换条件及判断 The Transition Conditions and Judgment Between Working States of the Reactor 要想对其进行运用 就必须先了解每个器件各自的工作状态情况 器件所受电 压 电流以及控制信号发出状态决定了每个器件的通断情况 因此 需要对这些 电压和电流进行分析 才能掌握MCR 在工作中的各个状态是如何演变的 11 14 15 首先定义触发角 假设在其工作接线两端加上的电压信号 令 sin m eEt 从电势为零处到给或者触发信号的时间差为 那么我们就把称 1 K 2 K t 之为或者的触发角 1 K 2 K 其次 如果 MCR 就相当于一台空载运行的变压器 因为并没有 有效的触发信号来驱动晶闸管的通断 使抽头绕组形成通路 这个时候 关 1 K 断 二极管 D 通路 关断 或者的端电压正比于电源 比值由决定 2 K 1 K 2 K 相位相差 180 当电源 电势为正的情况下