基于MCR无功补偿控制器研究

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：* 副教授中国矿业大学二一二年五月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。摘 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：MCR；无功补偿；控制器；仿真AbstractWith 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. 目 录摘 要 .I目 录 .III图清单 .VII表清单 .IX变量注释表 .X1 绪论 .11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 工程背景 .21.3 国内外无功补偿方式及补偿装置 .31.4 本文主要内容 .52 磁阀式可控电抗器工作原理及特性 .62.1 工作原理 .62.2 电抗器各工作状态之间的转换条件及判断 .82.3 工作特性分析 .92.4 控制特性 .162.5 响应速度 .192.6 有功损耗 .202.7 小结 .213 无功补偿的原理与分析 .223.1 有功功率与无功功率的基础 .223.2 瞬时无功功率理论 .243.3 小结 .284 控制策略及优化 .294.1 无功控制一般方式 .294.2 对传统无功控制方法的改进 .314.3 提高响应速度 .344.4 谐波抑制及策略 .374.5 小结 .415 控制系统硬软件设计与 MCR 仿真 .425.1 硬件设计 .425.2 软件设计 .475.3 基于 MATLAB 的 MCR 仿真 .495.4 小结 .556 工程应用与结论 .566.1 工程应用 .566.2 结论 .57参考文献 .59作者简历 .65学位论文原创性声明 .66学位论文数据集 .67ContentsAbstract.IIContents.VList of Figures.VIIList of Tables .IXList of Variables .X1 Introduction.11.1 The Background and Significance of Research Subjects .11.2 Engineering Background .21.3 Reactive Power Compensation Methods and Compensation Device at Overseas and Domestic .31.4 The main content .52 Magnetic Valve Type Controlled Reactor Working Principle and Characteristics.62.1 Working Principle.62.2 The Transition Conditions and Judgment Between Working States of the Reactor.82.3 The Analysis for Working Characteristic.92.4 Controlling Characteristic.162.5 Response Speed .192.6 Active Loss .202.7 Summary.213 The principle and analysis of reactive power compensation.223.1 The Base of Active Power and the Reactive Power .223.2 Instantaneous Reactive Power Theory.243.3 Summary.284 Control Strategy and Optimization.294.1 General Methods of Reactive Power Controlling.294.2 Improving Method for the Traditional Reactive Control .314.3 Improving the Response Speed .344.4 Harmonic Control and Strategy.374.5 Summary.415 Controlling system Hardware and Software Design and Simulation of MCR.425.1 Hardware and software design.425.2 Software Design .475.3 Simulation of MCR Based on MATLAB.495.4 Summary.556 The engineering application and conclusion.566.1 The engineering application .566.2 Conclusion .57References .59Author Resume.65Declaration of thesis originality .66Thesis Data Collection .67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 6Figure 2-1 Structure circuit diagram of magnetic-valve controlled reactor 6图 2-2 晶闸管导通等效电路图 7Figure 2-2 Equivalent circuit diagram of thyristor conduction 7图 2-3 磁阀式可控电抗器工作状态变化过程 9Figure 1-3 Working process transformation of MCR 9图 2-4 MCR 的简化等效电路 11Figure 2-4 Equivalent circuit diagram of MCR 11图 2-5 MCR 伏安特性 12Figure 2-5 Current-voltage characters curve of MCR 12图 2-6-1 谐波电路峰值与饱和度关系曲线 14Figure 2-6-1 Peak of harmonic current and curves of saturation relation 14图 2-6-2 谐波电路峰值与饱和度关系曲线 15Figure 2-6-2 Peak of harmonic current and curves of saturation relation 15图 2-7 触发角-磁饱和度关系曲线 17Figure 2-7 Relation 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 18Figure 2-8 Relation of triggering Angle of alpha base wave current curve and cosine contrast 18图 2-9 响应速度与抽头比关系曲线 19Figure 2-9 The curve of response speed and tap proportion 19图 2-10 与抽头比关系/PQ20Figure 2-10 Relations of and tap proportion 20图 3-1 线路型等值电路图 23Figure 3-1 Diagram of type equivalent circuit23图 3-2 变压器 型等值电路图23Figure 3-2 Diagram of type equivalent circuit for transformer 23图 3-3 坐标变换 24Figure 3-3 Three coordinate transformation 24图 3-4 三相电路谐波和无功电流检测方法 26Figure 3-4 Methods of detection for three-phase circuit harmonic and reactive current 26图 3-5 、 法检测框图piq 27Figure 3-5 Diagram of examination for and qip 27图 3-6 改进的瞬时无功检测方法框图 28Figure 3-6 Diagram of improved instantaneous reactive detection method 28图 4-1 电压/无功的“ 九区图法”控制 30Figure 4-1 The voltage/reactive power the nine area chart control 30图 4-2 几种改进的 九区图法 30Figure 4-2 Several improvement “nine area chart” 30图 4-3 模糊控制系统的结构 32Figure 4-3 Structure of Fuzzy control system 32图 4-4 模糊 PI 控制器框图 32Figure 4-4 Fuzzy PI controller diagram 32图 4-5 L-C 振荡回路 35Figure 4-5 L-C resonance circuit 35图 4- 6 直流激磁电路图 36Figure 4-6 DC exciting circuit 36图 4-7 不同控制电压下， 的变化情况dB36Figure 4-7 Transformation of under different control voltagesd 36图 4-8 单调谐滤波器 40Figure 4-8 Single tuned filter 40图 4-9 阻抗频率特性 40Figure 4-9 Impedance frequency characteristics 40图 4-10 FC 滤波装置 41Figure 4-10 FC filtering device 41图 5-1 MCR+FC 系统构成 42Figure 5-1 MCR + FC system structure 42图 5-2 控制原理框图 43Figure 5-2 Control principle block diagram 43图 5-3 电压同步信号调理电路 45Figure 5-3 Voltage synchronized signal regulate circuit 45图 5-4 电压调理电路 45Figure 5-4 Voltage regulate circuit 45图 5-5 键盘模块 46Figure 5-5 Keyboard module 46图 5-6 通讯接口 46Figure 5-6 Communication interface 46图 5-7 系统初始化流程 47Figure 5-7 The system initialization procedure 47图 5-8 控制策略软件流程图 48Figure 5-8 Control strategy software flow chart 48图 5-9 单相 MCR 仿真 49Figure 5-9 Single-phase MCR simulation 49图 5-10 =0.03 时，电压电流仿真波形 50Figure 5-10 Waveforms of voltage and current, =0.03 50图 5-11 =0.075 时，电压电流仿真波形 51Figure 5-11 Waveforms of voltage and current, =0.075 51图 5-12 =0.15 时，电压电流仿真波形 52Figure 5-12 Waveforms of voltage and current, =0.15 52图 5-13 =0. 3 时，电压电流仿真波形 53Figure 5-13 Waveforms of voltage and current, =0.3 53图 5-14 控制电流对比 54Figure 5-14 Control current contrast 54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 4Table 1-1 Various new reactive compensation device performance comparison 4表 2-1 各次谐波峰值与基波及饱和度对应关系 16Table 1-2 Every harmonic peak and the corresponding relations between over saturation 16表 4-1 的规则表K33Table 4-1 Fuzzy rule table of p 33表 4-2 的规则表i 33Table 4-2 Fuzzy rule table of i 33表 4-3 模糊控制表p 34Table 4-3 Fuzzy control table of p 34表 4-4 模糊控制表iK34Table 4-4 Fuzzy control table of i 34表 4-5 不同移相角下的电流畸变结果 39Table 4-5 Results of different moving phase Angle of current distortion 39表 6-1 电压电流数据 56Table 6-1 Data for voltage and current 56表 6-2 负荷状态 56Table 6-2 Load conditions 56表 6-3 电容器状态 57Table 6-3 Capacitor state 57表 6-4 变压器状态 57Table 6-4 Transformer state 57表 6-5 直流屏参数 57Table 6-5 DC panel parameters 57变量注释表D二极管cE误差变化率i电流瞬时值I电流平均值，A电流标幺值pI电流无功分量q电流有功分量iK比例系数或12晶闸管N线圈匝数P有功功率 WQ无功功率 VarS面积, 2mu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 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。