输电线路无功补偿设计

1、华北电力大学成人教育毕业设计（论文）目 录摘 要3第1章 绪论41.1 无功补偿的意义41.2 静止无功补偿技术的发展51.2.1 概述51.2.2 静止无功补偿的现状51.2.3 静止无功补偿的类型51.2.4 静止无功补偿的作用81.3 课题来源及主要研究内容91.3.1 课题来源91.3.2 主要研究内容9第2章 输电线路中点无功补偿对传输功率极限的影响112.1 输电线路基本方程112.2 无功损耗线路的传输功率11第3章 仿真分析与SVC静态补偿系统的研究163.1 无功分量的检测方法163.1.1 无功电流幅值的检测163.1.2 基于瞬时无功功率理论的瞬时无功电流检测173.2

2、SVC无功补偿原理193.2.1 输电系统的无功功率影响和补偿193.2.2 晶闸管无功功率可控补偿装置203.2.3 晶闸管投切电容器(TSC) 213.2.4 谐波的影响及控制243.2.5 SVC控制系统263.3 测量系统263.4 电压调节器273.5 触发脉冲发生器273.6 同步系统283.7 主要附加功能和保护功能28第4章 电力系统稳定器PSS 与静止无功补偿器SVC交互作用的仿真研究294.1 概述294.2 低频振荡分析294.2.1 低频振荡产生原因294.2.2 低频振荡产生方法304.2.3 解决低频振荡的措施304.3 元件仿真模型314.3.1 PSS仿真模型3

3、14.3.2 SVC仿真模型314.3.3 阻尼低频振荡研究33结 论38致 谢40参考文献4142华北电力大学成人教育毕业设计（论文）摘 要静止无功补偿器(SVC)系统是目前世界上柔性交流电输电系统发展的一个重要方向，具有增加输电网络的传输容量，提高输电网络运行稳定性等优点，相对传统的无功补偿方法更具有实时性和精确性。根据无功补偿的原理分析了SVC的基本组成和工作原理，提出SVC控制系统的基本模型，给出模型中各模块的主要功能，同时从整体运行的角度提出了控制系统的保护措施。静止无功补偿装置(SVC)是柔性交流输电控制装置的重要内容之一,具有动态平滑的调节特性及向电力系统提供阻尼的作用。介绍了S

4、VC实用化技术,如进行自动电压控制(AVC),预防电网电压失稳,提高电网的输送能力,防止事故扩大,紧急情况下可以形成有效的反电压崩溃防线,在冶金、电气化铁路等行业治理电压波动、闪变、谐波污染并平衡随时间变化的非对称负荷,防止发生次同步谐振,给直流输电提供无功等在提升电力系统安全优质经济运行水平中的作用。关键词：无功补偿、输电线路、谐波治理、静止无功补偿器。第1章 绪论1.1 无功补偿的意义 国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高带来了电力负荷的高速增长。尤其是近两、三年来，由于电力负荷增长迅猛，而发电装机容量和输配电能力不足，造成全国近20个省市电力供应紧张，部分省市出现限电拉闸。与此同时

5、，随着电力市场的开放，电力用户对电能质量的要求也在提高；电力生产与供应企业也比以往任何时候都重视电力系统运行的经济性。电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。无功功率是电力系统一种不可缺少的功率。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。无功功率从何而来？显然，发电机提供的无功功率相对负荷和网络对无功功率的需求来说只是“杯水车薪”，仅仅依靠发电机提供无功功率也是极不经济的。无功功率最主要的来源是利用各种无功功率补偿（以下简称无功补偿）设备在电力系

6、统的各个环节进行无功补偿。因此，无功补偿是电力系统的重要组成部分，它是保证电能质量和实现电力系统经济运行的基本手段。低压电力用户量大面广，其负荷的功率因数又大都比较低，因此在低压电网中进行无功功率的就地补偿是整个电力系统无功补偿的重要环节。低压电网的无功补偿主要采用并联电容器进行，它包括固定电容器（FC）补偿和自动投切电容器的动态补偿以及两者混合补偿等方式。 电力负荷是随时变化的，所需要的无功功率也是随时变化的，为了维持无功平衡，要求无功补偿设备实行动态补偿，即要根据无功负荷的变化及时投切电容器。以往的低压动态无功补偿设备以机械开关（接触器）作为电容器的投切开关，机械开关不仅动作速度慢，而且会

7、产生诸如涌流冲击、过电压、电弧重燃等现象，开关本身和电容器都容易损坏。据调查，我国过去使用的自动投切电容器无功补偿装置在使用3年后损坏率达752。随着电力电子技术和微机控制技术的迅速发展和广泛应用，出现了智能型的动态无功补偿装置。这种以电力电子器件作为无功器件（电容器、电抗器）的控制或开关器件的动态无功补偿装置被称为静止无功补偿装置（SVC：Static Var Compensator）。SVC是动态无功补偿技术的发展方向，它正成为传统无功补偿装置的更新换代产品。正因为如此，本课题选择这一技术领域进行研究。1.2 静止无功补偿技术的发展1.2.1 概述电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的

8、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、电气化铁道等。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。传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻抗固定不能动态的跟踪负荷无功功率的变化；而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。1.2.2 静止无功补偿的现状 20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。这种技术经过20多年

9、的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为1030s，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。1.2.3 静止无功补偿装置的类型随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR、GTR、GTO等的出现，将

10、其作为投切开关，速度可以提高500倍（约为10s），对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节。现今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型，一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置（SR：SaturatedReactor）；第二类是晶闸管控制电抗器（TCR：ThyristorControlReactor）、晶闸管投切电容器（TSC：ThyristorSwitchCapacitor），这两种装置统称为SVC（StaticVarCompensator）；第三类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置高级静止无功发生器（ASVG：Advanc

11、edStaticVarGenerator）。以下对此三类静止无功补偿技术逐一简单介绍，主要对SVC和ASVG这两类补偿技术作详细介绍，并指出今后静止无功补偿技术的发展趋势。1.2.3.1具有饱和电抗器的无功补偿装置（SR）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，进一步控制无功电流的大小。这类装置组成的静止无功补偿装置属于第一批静止补偿器。早在1967

12、年，这种装置就在英国制成，后来美国通用电气公司（GE）也制成了这样的静止无功补偿装置，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23倍，另外这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，所有饱和电抗器的静止无功补偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。1.2.3.2 晶闸管控制电抗器（TCR）两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图如图1所示。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90180。当触发角90

13、时，晶闸管全导通，导通角180，此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式：BLBLmax（sin）和BLmax1XL可知。增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用可控硅控制电抗变压器，这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。电抗变压器的一次绕组直接与高压线路连接，二次绕组经过较小的电抗器与可控硅阀连接。如果在电抗变压器的第三绕组选择适当的装置回路，例如加装滤波器，可以进一步降低无功

14、补偿产生的谐波。瑞士勃郎鲍威利公司已经制造出此种补偿器用于高压输电系统的无功补偿。由于单独的TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器（TCRFC）和TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器（TCRMSC）。这种具有TCR型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。我国江门变电站采用的静止无功补偿器是端士BBC公司生产的TCRFCMSC型的SVC，其控制范围为120Mvar。由于固定电容器的TCRFC型补偿装置在补偿范

15、围从感性范围延伸到容性范围时要求电抗器的容量大于电容器的容量，另外当补偿器工作在吸收较小的无功电流时，其电抗器和电容器都已吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。TSCMSC型补偿器通过采用分组投切电容器，在某种程度上克服了这种缺点，但应尽量避免断路器频繁的投入与切除，减小断路器的工况。1.2.3.3 晶闸管投切电容器（TSC）为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC装置应运而生。其单相原理图如图2所示。两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。TSC用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连

16、接，负荷不对称网络采用三角形连接。不论是星形还是三角形连接都采用电容器分组投切。为了对无功电流能尽量做到无级调节，总是希望电容器级数越多越好，但考虑到系统的复杂性及经济性，一般用K1个电容值为C的电容和电容值为C2的电容组成2K级的电容组数。TSC的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多年的分析与实验研究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置为了保证更好的投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级

17、调节。瑞典某钢厂两台100t电弧炉，装有60Mvar的TSC后，有效的使130kV电网的电压保持在15的波动范围。运行实践证明此装置具有较快的反映速度（约为510ms），体积小，重量轻，对三相不平衡负荷可以分相补偿，操作过程不产生有害的过电压、过电流，但TSC对于抑制冲击负荷引起的电压闪变，单靠电容器投入电网的电容量的变化进行调节是不够的，所以TSC装置一般与电感相并联，其典型设备是TSCTCR补偿器。这种补偿器均采用三角形连接，以电容器作分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不能流入电网，同时又设有5次谐波滤波器，大大减小了谐波。我国平顶山至武汉凤凰山500kV变电站引用进口的无功补偿设备就是

18、TSCTCR型。1.2.3.4 新型静止无功发生器（ASVG）随着电力电子技术的进一步发展，特别是LGyugyi提出利用变流器进行无功补偿的理论以来，逐步出现了应用变流技术进行动态无功补偿的静止补偿器。它是通过将自换相桥式电路直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网上。ASVG根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型和电流型两种，如图3所示。图3所示的原理图为电压型补偿器，如果将直流侧的电容器用电抗器代替，交流侧的串联电感用并联电容代替，则为电流型的ASVG。交流侧所接的电感L和电容C的作用分别为阻止高次谐波进入电网和吸收换相时产生的过电压。无论是电压型，还是电流型的ASVG

19、其动态补偿的机理是相同的。当逆变器脉宽恒定时，调节逆变器输出电压及系统电压之间的夹角，就可以调节无功功率及逆变器直流侧电容电压UC，同时调节夹角和逆变器脉宽，既可以保持UC恒定的情况下，发出或吸收所需的无功功率。根据这一原理从1980年日本研制出第一台20Mvar的强迫自换相的桥式ASVG之后，经过10多年的发展，ASVG的容量不断增大，1991年和1994年日本和美国又相继研制出80Mvar和100Mvar的ASVG，在1995年，清华大学和河南省电力局共同研制了我国第一台ASVG，其容量为300kvar，开辟了我国研制ASVG补偿设备的先行。ASVG通过采用桥式电路的多重化技术，多电平技术

20、或PWM技术进行处理，以消除较低次的谐波，并使较高的谐波限制在一定范围内；由于ASVG不需储能元件来达到与系统交换无功的目的，实际上它使用直流电容来维持稳定的直流电源电压，和SVC使用的交流电容相比，直流电容量相对较小，成本较低；另外，在系统电压很低的情况下，仍能输出额定无功电流，而SVC补偿的无功电流随系统电压的降低而降低。正是由于这些优点，ASVG在改善系统电压质量，提高稳定性方面具有SVC无法比拟的优点，这也显示出ASVG是今后静止无功补偿技术发展的方向。另外随着电力电子技术的发展，电子有源滤波器也日益得到完善，由于电力有源滤波器在滤除谐波的时候与电力系统不发生谐振，因此目前不少电力系统

21、工作者致力于将电力有源滤波与ASVG相结合的研究，以消除传统的ASVG设备中并联无源滤波器的所产生的谐振问题。1.2.4 静止无功补偿的作用对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下的功能： （1）对动态无功负荷的功率因数校正。 （2）改善电压调整。 （3）提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。 （4）降低过电压。 （5）减少电压闪变。 （6）阻尼次同步振荡。 （7）减少电压和电流的不平衡。 应当指出，以上这些功能虽然是相互关联的，但实际的静止无功补偿装置往往只能以其中某一条或某几条为直接控制目标，其控制策略也因此而不同。此外，这些功能有的属于对一个或几个在一起的负载的补偿效

22、果（负载补偿），有的则是以整个输电系统性能的改善和传输能力的提高为目标（输电补偿），而改善电压调整，提高电压的稳定度，则可以看作是两者的共同目标。在不同的应用场合，对补偿装置容量的要求也不一样。以电弧炉、电解、轧机等大容量工业冲击负荷为直接补偿对象的无功补偿装置，要求的容量较小，而以电力系统性能为直接控制目标的系统用无功补偿装置，则要求具有较大的容量，往往达到几十或几百兆乏。1.3 课题来源及主要研究内容1.3.1 课题来源 本课题是针对国内现有的电容器自动投切装置存在下列问题而提出的：（1）采用接触器或断路器作投切开关，无法实现零电压（电网电压与电容器电压之差）投切，这样会产生很大的涌流冲击

23、，容易损坏电力电容器和投切开关等设备。（2）采用机械开关投切无法实现分相投切，这样在三相负荷不平衡时达不到补偿效果，并可能出现某些相过补偿。（3）投切判据单一，通常根据以下五种方法之一来对电容器进行投切：电网电压高低、无功功率方向、功率因数大小、负荷电流大小、昼夜时间划分。很明显，这种投切方式无法做到最优化补偿，有时还会出现过补偿。以功率因数作为投切判据的无功补偿装置，在小负荷情况下会出现投切振荡。1.3.2 主要研究内容 本课题研究交流输电线路静止无功补偿器(SVC)控制系统。静止无功补偿器(StaticLr Compensator，SVC)是一种基于晶闸管技术的并联型静止无功发生器或吸收器

24、，其输出可以调节和交换容性或感性电流，从而维持或控制电力系统中某些参数，达到运行在约束条件下，控制线路上的无功功率以获得最大的安全裕度和最小的输电运行成本。主要研究内容如下： （1）分析计算输电线路中点无功补偿对传输功率极限的影响（2）理论分析与仿真研究 a.对TSC静止无功补偿装置可能的主电路结构进行理论分析和仿真研究，明确各种方案的特点与适应性。b.检测和控制方法的研究。研究无功电流、无功功率的实时检测方法及其实现，并探讨基于瞬时无功理论的无功电流检测方法。并确定合适的控制方法。c.对电容器投入电网时的涌流进行分析计算，研究各种零电压投入方法，研究一种适应性较强的零电压投入方法。（3）研制

25、交流输电线路静止无功补偿器(SVC)控制系第2章 输电线路中点无功补偿对传输功率极限的影响2.1 输电线路基本方程为了分析线路中装设无功补偿器对线路传输功率的影响，首先需要建立绂路的基本方程，输电线路等随电路如图2-1所示图2-1 输电线路等值电路设线路全长为L，在x点处的电压和电流分别以VX和IX表示：送端的电压和电流分别以V(0)=VS和I0=IS表示。输电线路的基本线路方程式为： ， (2.1) (2.2)式中是线路波阻抗，单位为；是单位长度上包含的波长数，单位为；为单位长度的电感，单位为Hkm；为单位长度的电容，单位为Fkm；x表示线路中的x点与线路首端的距离(见图2-1)，单位为km

26、。 式(2.1)、(2.2)表明，沿线任何一点处的电压和电流都可以表示为一送端电压 和电流 的函数。2.2 无损耗线路的传输功率为了研究无损耗线路的传输功率问题，首先假设线路两端的电压是已知的，且为 (2.3.1) (2.3.2)式中为负荷角，若0，则受端电压在相位上滞后于送端电压。由式(2.3.2)和式(2.1)，可得出送端电流的表达式为: （2.4）再由可得送端的有功和无功的表达式分别为: （2.5） （2.6）受端的有功和无功的表达式分别为 （2.7） （2.8）如果线路为对称线路，即线路两端的电压有相同的幅值，则式(2.5)式(2.8)可简化为： (2.9) （2.10） （2.11）

27、 （2.12）将以上 与与 表达式加以对比，可以看出, =-，=，线路中既无有功功率损耗又无无功功率损耗，所以它称为无损耗线路或简称 无损线”。线路的波阻抗负荷又称自然功率，定义为: （2.13）此处为线路额定电压，若以额定电压为基值，则的标仫值为1.0假设送端和受端电压为:，由式(2.9)(2.12)，可以导出： （2.14） （2.15）若将线路中点看作是右半线路的送端，应用式(1)，就可以用线路中点电压 和电流 表示受端电压，即 （2.16）因为线路为对称线路，则有，因此有 （2.17） （2.18）式中是中点电压矢量的共轭复数，若选择作为参考电压矢量，则由式(2.17)可得到取电压基值

28、为额定电压，并把上式转化为标么值，则可由上式解出线路中点电压标么值为： （2.19）为了维持线路中点电压，我们需要确定在线路中点处应补偿的无功，线路之间节点无功平衡方程有： （2.20）在假设线路为对称线路的条件下，则线路中点需要补偿的无功功率应为： （2.21）应用式(2.15)有 （2.22）当，若把中点看作是左线路的终端，同时看作是右线路的右端应用式(2.14)，则有： （2.23）同时，由式(2.19)可得到在和处的最高电压，当时，为： （2.24）如果在线路中点采用电容补偿装置，这不仅会直接影响线路中点电压而且会影响到线路中传输的有功功率，以下让我们对这个问题进行分析。首先把式(2.

29、12)转化为标仫值形式，并应用到线路的右半侧后可以得到： （2.25）同理，左半侧线路有与上式大小相同的无功功率需求，因此线路中点总无功功率需求为： （2.26）解式(2.25)并考虑到式(2.26)，便可得到当端点电压时中点电压标么值： （2.27）由于需要补偿的值是已知的，应用式(2.5)，当两端点电压时，线路传输的有功功率可表示为： （2.28）式(2.28)表明线路中点电压对线路上传输有功功率的影响让我们进一步以下例说明这个问题：设一条电压等级为765 kV，600 km长的线路，线路参数MHkm=13 2 MFkm，。km当维持中点电压标么值为1.0时，根据式(2.25)式(2.28

30、)计算出需要补偿的无功功率如图2-2所示。从图2-2可以看出当线路传输的有功功率小于自然功率P。时，为了维持线路的两端及中点电压等于1 0补偿器必须吸收线路产生的无功功率；而当传输有功功率大于P。时，补偿器需产生无功功率:图2-2 无功功率补偿图第3章 SVC静态补偿系统的研究3.1 无功分量的检测方法 3.1.1 无功电流幅值的检测 图3-1是采用并联电容器对负荷进行无功补偿的系统示意图。 图3-1 用电容器进行负荷补偿的系统示意图设节点电压为 (3.1)负载电流为 (3.2)式(3.2)通过三角函数变换后得 (3.3)式中 ip(t)和iq(t)分别为有功电流分量和无功电流分量。当t=2k

31、时，由公式(3.2)得 (3.4)式中 IQM为负荷无功电流幅值。 可见，只要检测在电网电压正向过零时刻的负荷电流，就可知对应的无功电流幅值IQM 。这种无功电流检测方法简单、快速（在一个周期内只要采样一次）。基于上述原理的无功电流幅值检测原理电路框图如图3-2所示。来自电压互感器的电压信号u和电流互感器的电流信号i经过低通滤波器（LPF）滤波后由过零脉冲发生电路产生电压正向过零脉冲信号，作为采样保持器的采样开关信号，于是采样保持器的输出就是无功电流幅值。图3-2 无功电流幅值检测原理电路框图 检测无功电流幅值可用于TSC无功补偿装置的电容器投切判据。由图3-1可知，il=ic+is ，如果使

32、iq=ic ，则实现了完全补偿。根据 (3.5)(3.6) 可得 (3.7)C即为全补偿所需投切的电容量。若C为负，则是切除相应容量的电容器；反之，则应投入相应容量的电容器。3.1.2 基于瞬时无功功率理论的瞬时无功电流检测 三相电路瞬时无功理论自20世纪80年代提出以来，在许多方面得到了成功的应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出用于无功补偿的无功电流实时检测方法。无功电流实时检测方法为实现最优化的无功补偿控制奠定了技术基础。3.1.2.1瞬时无功功率理论简述 在瞬时无功功率理论体系中，将三相瞬时电压ua

33、，ub，uc和瞬时电流ia，ib，ic分别变换到两相正交的-坐标系上，得到两相瞬时电压u，u和瞬时电流i，i，有 (3.8) (3.9) 在平面上，矢量u，u和i，i的合成旋转电压矢量为u，合成旋转电流矢量为i，则有 u=u+u ，i=i+i (3.10)电流矢量i可分解为与电压矢量u同相位的瞬时有功电流ip和与u正交的瞬时无功电流iq (3.11)式中，为平面上u与i的相位差。 瞬时有功功率p和瞬时无功电流q为 (3.12)根据三相电路各相电压的相位关系，设矩阵C为 (3.13)则有 (3.14) 各相瞬时无功电流iaq，ibq，icq由下式求取 (3.15) 式中，CT为C的转置矩阵。3.

34、1.2.2 瞬时无功电流微机检测的原理三相电路瞬时无功电流的检测原理框图如图 3-3所示。图3-3 瞬时无功电流检测原理框图 3.2 SVC无功补偿原理3.2.1 输电系统的无功功率影响和补偿输电线路中无功功率的影响可以从图3-4(a)线路进行分析，该段线路连接电源和负载，为简化起见该段线路只用电抗来表示，从描述电压和电流关系的相量图如图3-4(b)，可以看出，从输电端电压到受电端电压会产生幅值和相位的变化，而线路电抗压降中最主要的部分(V =jIxX。)是由负荷电流中的无功分量I 造成的。一般电力部门采用系统补偿的方法，如图3-4(c)，图3-4(d)所示，补偿器发出一个无功电流来同时补偿因

35、负荷电流流线路电抗而产生的两个电压降分量 和 。为了补偿电压降分量y。，补偿器在发出用于补偿 的电流J的基础上，再产生一个与I 同方向的附加容性电流I ，当AI *XoAVz时，受端电压就等于送端电压 ，并且由于线路上总电流的减小，增大了供电的能力。图3-4 无功功率的影响和补偿根据单相补偿的原理，在三相交流输电系统中，无功功率的补偿可以通过注入一个正交电压分量来实现。如图3-5的三相无功补偿图，从图中可以看出在三相交流系统中加入同频的控制电压可以实现改变系统电压的大小和相位，尽管控制电压容量小，但通过控制电压相位移动可以实现电压输出的强有力控制。如果能够实现控制电压的相位和大小的可调性，则可

36、以根据电网的波动情况实现准确、快速的补偿，从而保证供电质量，减小供电成本，而要实现补偿的准确性和快速性，必须使补偿装置发出的无功补偿具有平滑的可调性，即较强的可控性。图3-5 三相无功补偿3.2.2 晶闸管无功功率可控补偿装置可控电抗器(TCR)主要用于感性无功补偿，如图3-6三相TCR组成及触发波形所示，基本的单相可控电抗器(TCR)由反并联的1对晶闸管与1个空心的电抗器串联而成，三相TCR由3个单相的TCR按三角形连接而成，所有晶闸管是对称触发的，触发角的可控范围为90。180。，当触发角为9O。时，晶闸管全导通，单相TCR中的电流为连续的正弦波；当触发角从90。接近180。时，单相TCR

37、中电流呈非连续脉冲形，对称分布于正半波和负半波；当触发角为180。时，电流减小到零，当触发角小于90。时，将引入直流分量，从而破坏两个反并联支路的对称运行。晶闸管一旦导通，电流的关断将发生在其自然过零点，即电网换相时刻。图3-6 三相TCR组成及触发波形可投切电容器(TSC)主要用于容性无功补偿(如图3-7中所示)，晶闸管开关仅用于接通和切断电容器，由于电容器电流超前电压90。，电容器的投切总是会引起暂态涌流，这个电流可以通过在开关电压接近于零时投切已充电的电容器而得到最小化。将可投切电容器(TSC)与可控制电抗器(TCR)并联组合起来，形成了静止无功补偿器(SVC)的通用结构(如图3-7)，

38、通过可投切电容器与可控制电抗器中的电流，实现从容性电流到感性电流的平滑调节。通常情况下SVC由N个TSC单元和1个TCR并联组成，TCR的容量选择为SVC总容量的1 。电容器可以分级投切，但在每个分级之问的无功功率可以由TCR来连续调节。因此SVC的最大感性无功范围与相对较小的、用于平滑无功功率的TCR的容量一致。由于TCR容量较小，因此产生的谐波也大大减少。TSC支路通过串联电抗器被调谐在不同的主导谐波频率上。为了避免所有的TSC被同时切除的情况，即使只有TCR单独运行的情况，也需要添加一个不可切的电容滤波支路 。图3-7 静止无功补偿器(SVC)的通用结构3.2.3 晶闸管投切电容器(TS

39、C)随着电力电子技术及计算机控制技术的发展,各种新型的自动、快速无功补偿装置相继出现,晶闸管投切电容器( TSC) 就是一种广泛应用于配电系统的动态无功补偿装置。与机械投切电容器相比,晶闸管的开、关无触点,其操作寿命几乎是无限的,而且晶闸管的投切时刻可以精确控制,可以快速无冲击地将电容器接入电网,大大减少了投切时的冲击电流和操作困难,其动态响应时间约为0. 010. 02s。TSC 能快速跟踪冲击负荷的突变,随时保持最佳馈电功率因数,实现动态无功补偿,减小电压波动,提高电能质量,节约电能。另外, TSC 虽然不能连续调节无功功率,但具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点。若输出无功功率需要连续

40、调节,或者要求能提供感性无功的情况下,TSC 常与TCR 配合使用。3.2.3.1 TSC 的分类TSC系统是一个对供电网络波动无功进行动态补偿的相对独立系统,其应用形式有很大的灵活性,可按电压等级划分和按应用范围划分。按电压等级划分: 低压补偿方式,该补偿方式究方向为无功功率补偿。适用于1kV 及其以下电压的补偿; 高压补偿方式即补偿系统直接接入电网进行高压补偿。按应用范围划分: 负荷补偿方式,该方式是直接对某一负荷进行针对性动态补偿,消除对电网的无功冲击; 集中补偿方式,该方式是对电网供电采取系统补偿的方法来解决整个电网的各种无功功率的波动问题,一般为高压补偿方式。3.2.3.2 主电路3

41、.2.3.2.1 晶闸管阀TSC 投入电容的时刻,即晶闸管开通时刻,必须是在电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻。在低压系统中,为保证投入电容器时不产生冲击电流,现有TSC 装置的过零检测电路一般采用光耦来保证晶闸管阀两端的电压过零时触发晶闸管。晶闸管阀常见的接线方式有两种:晶闸管与二极管反并联接线方式和晶闸管反并联接线方式。采用晶闸管与二极管反并联的方式投资小,断开后它可以保持电容电压为峰值,电容器在电源电压为峰值时无电压差投入,晶闸管在电流过零时自动切断。无论电容器的投或切,都不会产生冲击电流和过电压,控制简便,电容器无需放电即可重新投入,从而实现电容器的频繁投切。该接线方式存在的问题是

42、,晶闸管承受的最大反向电压为电源电压峰值的2 倍。而采取晶闸管反并联方式,在晶闸管阀关断时如果采取措施将电容器的残压放掉,晶闸管阀承受的最大反向电压为电源电压的峰值。晶闸管反并联方式可靠性高,即使某相损坏一个晶闸管,也不会导致电容器误投入;但投资较大,控制较复杂。晶闸管和二极管反并联方式的响应速度比两晶闸管反并联方式稍差。在主电路中,晶闸管阀还并联有RC 吸收电路,用于吸收浪涌电流和抑制过电压。要求比较高时,还专门设置氧化锌压敏电阻以吸收操作过电压,保护电容器。3.2.3. 2.2 串联电感为了限制因晶闸管误触发或事故情况下引起的合闸涌流,抑制高次谐波,限制短路电流,主电路中应加装串联电抗器。

43、当串联电抗器以抑制谐波放大为主要目的时,其参数应根据实际存在的谐波情况进行选择。目前,国内并联电容器配置的电抗器,其电抗率主要有以下4 种类型: 0. 5 %、4. 5 %、6 %和12 %13 %。配置 0. 5 %(有时到0. 01 %0. 02 %) 电抗率的电抗器,主要目的是限制电容器的合闸涌流;采用电抗率为4. 5 %或6 %的串联电抗器,可抑制5次以上的谐波电流;采用电抗率为12 %13 %的串联电抗器,可抑制3 次以上的谐波电流。由于串联电抗器后,电容器端电压有所提高,所以应选择电容器的额定电压高于电网的额定电压,以确保并联电容器能够长期安全运行。空芯电抗器限流效果好,但造价较高

44、,而铁芯电抗器限流效果较差,但造价低,所以在串联电抗器选型时,应通过技术、经济比较来确定。3.2.3.2. 3 TSC主接线接法只适用于三相共补电路,如果三相负荷不平衡、三相的功率因数角和电流差异较大, TSC主电路就只能采用Y 接法,以满足分相补偿的要求。但是,TSC 采用接线方式,也有一定的优势:可以降低晶闸管阀的电流容量; 能够保证电源电压; 避免中线电流。如果采用Y 接法,那么晶闸管阀中电流为接法的3倍,而且在投切过程中可能有较大的中线电流,将产生较大的电压漂移,影响投入时的准确角度,可能会产生投切冲击电流。TSC 常见的主接线方式有以下几种(以晶闸管反并联方式的晶闸管阀为例进行介绍)

45、 :(1) 三相控制的接线方式(图3-8a) 。晶闸管阀为晶闸管反并联接线方式。晶闸管重投时需考虑电容器的残压,原因是电容器两端电压不能突变,电源电压和电容器残压的差值较大时触发晶闸管会产生很大的冲击电流,这一冲击会直接损坏晶闸管。为了确定触发的合适时刻,需要预先测量电容的残压,这通常不易做到。为解决这一问题,可选择脉冲序列作为晶闸管的触发信号。另外,无论电容器残压多高,它总是小于等于电源电压的幅值。每次触发晶闸管时,选择其承受反压的时刻作为触发脉冲序列的开始,这样当晶闸管由反向转为正向偏置时就自动进入平稳导通状态,也就解决了电容残压测量的问题。采用二极管与晶闸管反并联方式的晶闸管阀,特点是每

46、次切除电容器时,电容电压总是保持电源电压峰值。这样,晶闸管投入时,只要脉冲序列从系统电压峰值开始触发就可以保证平稳过渡。其缺点是第一次送电时仍会发生电流冲击。主回路中可设置预充电回路,可解决这个问题。(2) 采用两个晶闸管阀实现对一组 接线电容器的投切(图3-8b)。为了提高运行的可靠性,防止电容器和晶闸管阀损伤,晶闸管投入时有过零检测,当晶闸管两端的电压过大时,该晶闸管的触发信号被闭锁。在晶闸管阀端电压过零点附近触发晶闸管,电流有一个暂态过渡过程。如果电源的等值电抗和串联电抗等参数配合较为合理,则这个暂态过程的持续时间不长、幅值也不大,并且很快过渡到稳定状态。值得注意的是,晶闸管阀切除后补偿

47、电容上的残压将超过线电压峰值,这不仅对并联补偿电容器的耐压提出了更高的要求,而且对晶闸管的耐压也提出了更高的要求。图3-8 TSC 常见的主接线方式(3) 采用Y0 接线方式(图3-8c) 。采用这种接线,晶闸管电压定额可以降低,但电流定额增大了,电容器电压降低会提高其单位价格,同时投入时会产生短时不平衡中线电流。(4) Y接线,没有B 相晶闸管阀,只控制A , C两相的接线方式(图3-8d) 。这种方式可采用最普通的三相电容器组,又可少用晶闸管。但由于电容器剩余电压的不确定性,晶闸管承受的最大电压将升高,并且需要零电压触发电路。另外,由于三相电容器的封装问题,一般不推荐三角接线方式(即图3-

48、8a 和图3-8b) ,对于低压配电网,从经济性来考虑,一般采用图3-8e 所示的接线。3.2.4 谐波的影响及控制 3.2.4.1 谐波的影响理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还需要严惩没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速使得公。用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大

49、致有以下几个方面：（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 （2）谐波影响各种电气设备的正常工作。 谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 （3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。 （4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。 （5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声

50、，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。谐波对旋转设备和变压器的主要危害是引起附加损耗和发热增加,此外谐波还会引起旋转设备和变压器振动并发出噪声,长时间的振动会造成金属疲劳和机械损坏；谐波对线路的主要危害是引起附加损耗；谐波可引起系统的电感、电容发生谐振,使谐波放大。当谐波引起系统谐振时,谐波电压升高,谐波电流增大,引起继电保护及安全自动装置误动,损坏系统设备(如电力电容器、电缆、电动机等),引发系统事故,威胁电力系统的安全运行；谐波可干扰通信设备,增加电力系统的功率损耗(如线损),使无功补偿设备不能正常运行等,给系统和用户带来危害。3.2.4.2 谐波抑制 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使期不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既