第七章相角控制器

1、第七章相角控制器 下 页返回)2cos1 (24sin2XUUIQ)sin(sin)(1)(tLUdttuLtimtL为分析线路传输的有功功率为分析线路传输的有功功率P P和线性无功功率和线性无功功率Q 提供了提供了基本的计算方法。基本的计算方法。当中压输电系统或配网负荷出现波动时，对大电网当中压输电系统或配网负荷出现波动时，对大电网采用可控并联无功补偿来维持电压稳定。采用可控并联无功补偿来维持电压稳定。 下 页上 页返 回 7.1.1 7.1.1 电压和相角调节电压和相角调节电压和相角调节电压和相角调节 在母线端电压上加上适当的同在母线端电压上加上适当的同相或正交电压分量，使母线电相或正交电

2、压分量，使母线电压的幅值产生压的幅值产生DU的变化，的变化，或使相角发生相应变化，使之或使相角发生相应变化，使之达到某一特定值或为所期望的达到某一特定值或为所期望的数值。数值。 u0uu0下 页上 页返 回 F通过串联到线路中三通过串联到线路中三相调节或励磁变压器原相调节或励磁变压器原边的抽头变化实现电压边的抽头变化实现电压的调节。的调节。 UcUbUaUc RegUa RegUb RegUcUbUaE注入电压注入电压D DUa、D DUb和和D DUc与相电压与相电压ua、ub和和uc同相。同相。 UbUaUcUbUaUc下 页上 页返 回 U90UU90UUaUaUaUbUbUcUcUbU

3、cUcUcUbUaUaUaUbUbUcUcUbUas ss ss s相角调节器的基本概相角调节器的基本概念和实现方法念和实现方法 下 页上 页返 回 7.1.2 相角调节器对潮流控制的基本概念相角调节器对潮流控制的基本概念Us sIXUsUrUseff相角相角调节器调节器F相角调节器的两相角调节器的两机系统。机系统。 Useff(+s s)+Us s-Us sUx(s s=0)Ux(-s s)Ux(+s s)+s+sss+s+sssE发电机输出母线上输出的发电机输出母线上输出的实际总电压实际总电压useff是母线输出的端是母线输出的端电压电压Us和相角调节器输出电压和相角调节器输出电压Us s

4、的矢量和的矢量和。 下 页上 页返 回 理想的相角调节器理想的相角调节器Us s相相对于对于Us的变化是相位的变化是相位的的变化，对应的幅值为：变化，对应的幅值为： Useff(+s s)+Us s-Us sUx(s s=0)Ux(-s s)Ux(+s s)+s+sss+s+sss对应的相位关系为：对应的相位关系为：在预先确定的运行范围内在预先确定的运行范围内, ,独立相角调节器使传输功独立相角调节器使传输功率保持在所需水平，不受到主传输角率保持在所需水平，不受到主传输角 的影响。的影响。 UUUsseffsseffUUsseffUUU+下 页上 页返 回 受端的传输功率为：受端的传输功率为：

5、受端的无功功率受端的无功功率Q为：为：)sin(2sXUP)cos(12sXUQsss s0p p/2p pp+sp+s Pa= sin(ss)U2XPPmaxE相角调节器使传输角相角调节器使传输角在在/2 /2+范围内任意变化，范围内任意变化，并保持最大的输出功率。并保持最大的输出功率。 下 页上 页返 回 如果如果Us s与与Us之间的夹角固定为之间的夹角固定为90，它们之间的关系为：，它们之间的关系为：22sUUUsseff+seffU正交型相角调节器的调压传输中有功功率正交型相角调节器的调压传输中有功功率P为：为： +scossin2UUXUPsseffUUU+22sUUUsseff+

6、seffU下 页上 页返 回 Useff(+s s)+Us s-Us sUx(s s=0)Ux(-s s)Ux(+s s) +s+sssUseff(-s s)UsP0p/p/2p p Us s=0Us s=1.0Us s=-0.33Us s=-0.66Us s=-1.0Us s=0.33Us s=0.66Pa= (sin + cos )U2XUs sUG正交调压器的矢量图和传输特性正交调压器的矢量图和传输特性 电压型相位调节器总容量电压型相位调节器总容量SPAR表示为：表示为： IUIUSPARssIUUsseff下 页上 页返 回 7.1.3 有功和无功环路潮流的控制有功和无功环路潮流的控制

7、UsUrPRIjx系统系统“r”系统系统“s”IqIdIUsUdUqUs-UrIRjxIU1分解成与送端电压矢量分解成与送端电压矢量Us同相同相和与它正交的两个分量，这两个电压和与它正交的两个分量，这两个电压分量决定了送端系统所提供的无功功分量决定了送端系统所提供的无功功率和有功功率。率和有功功率。下 页上 页返 回 UsUrIcR1I1jx1系统系统“r”系统系统“s”I2jx2R2IqIdIUsUdUqUs-UrIRjxI将将I1和和I2两个电流分别分解成与送端电压矢量两个电流分别分解成与送端电压矢量Us同相和同相和正交的两个电流分量，由此可得到这两个电流分量在线路正交的两个电流分量，由此

8、可得到这两个电流分量在线路阻抗上对应的同相和正交电压降阻抗上对应的同相和正交电压降U1d，U1q以及以及U2d和和U2q。下 页上 页返 回 IqIdIUsUdUqUs-UrIRjxI11)()(XjRcq1qcd1d1dIIIIU+11)()(XjRcd1dcq1q1qIIIIU+22)()(XjRcq2qcd2d2dIIIIU+22)()(XjRcd2dcq2q2qIIIIU+电压表达式可以表示成线路电阻、线路电压表达式可以表示成线路电阻、线路电抗、线路电流和环流的线性组合关系，电抗、线路电流和环流的线性组合关系， 下 页上 页返 回 UrUsUs-UrUrUsUs-UrUrUsUs-Ur

9、U1qU1qU1dU2qUcqU2dUcqU2qUrUsUs-UrU2dUcdU1dUcdF正交电压分量存在幅正交电压分量存在幅值差值差U1q -U2qF同相电压分量存在电同相电压分量存在电压差压差U1d -U2d 下 页上 页返 回 传输线路的阻抗表现为感性电抗时：传输线路的阻抗表现为感性电抗时：S用相角调节器来控制环路的有功功用相角调节器来控制环路的有功功S用电压调节器控制无功功率潮流用电压调节器控制无功功率潮流总结串联方式接入的电压调节器：串联方式接入的电压调节器：S独立独立S嵌入相角调节器中嵌入相角调节器中消除同相电压分量的电压差消除同相电压分量的电压差控制无功潮流的平衡控制无功潮流的

10、平衡下 页上 页返 回 电压调节器与相角调节器在多条传输线路或网孔系统中的应用电压调节器与相角调节器在多条传输线路或网孔系统中的应用优点：优点：S充分利用传输设施充分利用传输设施S环流而使系统总体损耗降低。环流而使系统总体损耗降低。 下 页上 页返 回 7.1.4 利用相角调节器改善暂态稳定性利用相角调节器改善暂态稳定性 UUUsseffsseffUUsseffUUU+)sin(2sXUP)cos(12sXUQ相角调节器的理想特性相角调节器的理想特性建立在式建立在式下 页上 页返 回 Us sIXUsUrUseff相角相角调节器调节器假设无补偿系统和相角调假设无补偿系统和相角调节器在相同时间内

11、出现相节器在相同时间内出现相同的故障。同的故障。 余量余量0 crit 3 2 1p pPmaxPPmP = sin U2XA1A2PPmaxPms smaxP= sin(ss)U2X余量余量0 crit 3 2 1p+sp+sAa1Aa2下 页上 页返 回 余量余量0 crit 3 2 1p pPmaxPPmP = sin U2XA1A2PPmaxPms smaxP= sin(ss)U2X余量余量0 crit 3 2 1p+sp+sAa1Aa2相角调节器能够显著增加系统的瞬态稳定裕量。相角调节器能够显著增加系统的瞬态稳定裕量。并联和串联补偿器对瞬态稳定性的改善是通过自身能力来增并联和串联补偿

12、器对瞬态稳定性的改善是通过自身能力来增加未补偿线路的稳态传输极限。加未补偿线路的稳态传输极限。可以从变压器上面和下面的两个抽头分别获电压可以从变压器上面和下面的两个抽头分别获电压u2和和u1。 。 开关开关2开关开关1交流电源交流电源RU1U2下 页上 页返 回 输出电压基波分量的表达式：输出电压基波分量的表达式：21211baUo+)(tan1111baoUo1：基波幅值：基波幅值Jo1：基波电压相对于未经调节电压的相角：基波电压相对于未经调节电压的相角) 12)(cos2(121pUUa)22sin)(1211pp+UUUb下 页上 页返 回 设调节范围为设调节范围为10，电压，电压U1和

13、和U2的的标幺值分别为标幺值分别为0.9和和1.1，经调节后的输经调节后的输出电压滞后于电源出电压滞后于电源电压，滞后角度为电压，滞后角度为00 。最大相移出现在。最大相移出现在 = 90 = 90附近，与调节附近，与调节范围成正比。本例中，范围成正比。本例中，j jo1maxo1max = 7.3 = 7.3。 1.11.00.90.80.7120-30-20-10010uofuofy yofy yof1809060300下 页上 页返 回 输出电压中的谐波为：输出电压中的谐波为：22hhohbaU+)1) 1cos(1) 1cos(1111)(12+hhhhhhUUahp)1) 1sin(

14、1) 1sin()(12+hhhhUUbhp式中，式中，h=2k+1，k=1，2，3下 页上 页返 回 F基波输出电压基波输出电压(U1+U2)/2，抽头的电压，抽头的电压调节差为调节差为U1-U2 =0.2p.u.，对应的调节范围为对应的调节范围为10。 01.02.03.04.00306015090120180 U7U5U3U0=U1+U22Uon (%)U0下 页上 页返 回 例例 当调节范围为当调节范围为20时，谐波幅值曲线幅值的两时，谐波幅值曲线幅值的两倍。根据电压幅值和波形曲线可知，最大的三次谐波倍。根据电压幅值和波形曲线可知，最大的三次谐波畸变对应的延迟角为畸变对应的延迟角为90

15、，而五次谐波的最大值在延，而五次谐波的最大值在延迟角为迟角为120处。处。 01.02.03.04.0030 6015090 120180 U7U5U3Uon (%)U0U0=U1+U22uu1u1u2u2u2u1tt00u+p+p 上抽头电压上抽头电压下抽头电压下抽头电压延时角延时角 负负载电压载电压下 页上 页返 回 U0 tU1下抽头电压下抽头电压U2上抽头电压上抽头电压i负载电流负载电流y y0UU1U2U2U1U2U2 1 2 tDBBDCAACDBBDCAAC纯电感负载下延迟角控制纯电感负载下延迟角控制的晶闸管抽头调节器输出的晶闸管抽头调节器输出电压波形电压波形 开关开关2开关开关

16、1交流电源交流电源LU1U2下 页上 页返 回 输入电压的正半波输入电压的正半波时间段时间段 导通的晶闸管导通的晶闸管 允许的抽头变化允许的抽头变化 电压过零到电流过零电压过零到电流过零 电流过零到电压过零电流过零到电压过零 D D DB DB A A，C C AC AC !晶闸管控制的抽头调节器接上电阻性负载，则在任意正半晶闸管控制的抽头调节器接上电阻性负载，则在任意正半波的电压过零点到电流过零点的区间内，只会发生一次抽头波的电压过零点到电流过零点的区间内，只会发生一次抽头转换，对于感性负载，在相同时间段内也可以并允许从上方转换，对于感性负载，在相同时间段内也可以并允许从上方抽头到下方抽头的

17、转换。抽头到下方抽头的转换。 下 页上 页返 回 U0 tU1下抽头电压下抽头电压U2上抽头电压上抽头电压i负载电流负载电流开关开关2开关开关1交流电源交流电源CU1U2 tU1U1U0 2 1DBBDCAACDBBD CAAC纯容性负载时延迟角纯容性负载时延迟角可控的晶闸管抽头调可控的晶闸管抽头调节器输出电压波形节器输出电压波形下 页上 页返 回 输入电压的负半波输入电压的负半波时间段时间段 导通的晶闸管导通的晶闸管 允许的抽头变化允许的抽头变化 电压过零到电流过零电压过零到电流过零 电流过零到电压过零电流过零到电压过零 C C CA CA B B，D D BD BD !当电流克服电源电压反

18、极性流动时，触发下面抽头中的一当电流克服电源电压反极性流动时，触发下面抽头中的一个合适晶闸管，就能实现从上面抽头到下面抽头的换流。每个合适晶闸管，就能实现从上面抽头到下面抽头的换流。每半个周波都这样控制就可以实现半个周波都这样控制就可以实现180的连续控制。的连续控制。 下 页上 页返 回 偏差放大器偏差放大器(PI(PI控制器）控制器）U延时角延时角发生器发生器电压和电流电压和电流过过零检测器零检测器母线母线门极脉冲门极脉冲发生器发生器URefi 1 1URef 2 2 1 1UiU延迟角可控的延迟角可控的晶闸管抽头调节器内部控制建立在电压晶闸管抽头调节器内部控制建立在电压和电流过零点的检测

19、之上，过零点确定了晶闸管的换和电流过零点的检测之上，过零点确定了晶闸管的换流时刻，规定了所有负荷功率因数下延迟角流时刻，规定了所有负荷功率因数下延迟角 1和和 2的的控制区间。控制区间。 下 页上 页返 回 缺点L延迟角控制的晶闸管抽头调节器来实现连续控制的延迟角控制的晶闸管抽头调节器来实现连续控制的端电压的基波分量与母线电压之间会产生相移，相移的大端电压的基波分量与母线电压之间会产生相移，相移的大小取决于控制角小取决于控制角 或者或者 1, 2、负载功率因数角、负载功率因数角 ，而相移的，而相移的方向则取决于负载功率因数角。方向则取决于负载功率因数角。L这种控制输出中含有低次谐波，即使在低电

20、压抽头上的这种控制输出中含有低次谐波，即使在低电压抽头上的电压幅值较低时，这个谐波仍具有相当的比例，这对于很电压幅值较低时，这个谐波仍具有相当的比例，这对于很多电器设备来讲无法接受。多电器设备来讲无法接受。 下 页上 页返 回 7.2.2 离散电压等级的晶闸管抽头调节器离散电压等级的晶闸管抽头调节器电磁式离散抽头调节器采用离散的电压等级控制，不电磁式离散抽头调节器采用离散的电压等级控制，不会引入谐波畸变或相移，控制也不复杂。会引入谐波畸变或相移，控制也不复杂。 123n-1n负载负载下 页上 页返 回 139负载负载#9 #2 #1#9 #2 #1随着对晶闸管开关阀的电压和容量要求的增加，将增

21、加这随着对晶闸管开关阀的电压和容量要求的增加，将增加这种晶闸管控制结构的复杂性和成本。种晶闸管控制结构的复杂性和成本。 下 页上 页返 回 F三倍数绕三倍数绕组结构的晶组结构的晶闸管离散电闸管离散电压抽头调节压抽头调节器器 139#1#2#9#1#2#9139139UcUcUcUbUaUbUbUaUa下 页上 页返 回 UcUbUaUcUcUbUbUaUa139#1#2#9#1#2#9139139F三倍三倍数绕组数绕组结构的结构的晶闸管晶闸管离散相离散相角调节角调节器器 下 页上 页返 回 7.2.3 晶闸管抽头调节器中开关阀额定值的晶闸管抽头调节器中开关阀额定值的考虑考虑 在给定应用环境中，

22、抽头调节器中所需的晶闸管数量由工在给定应用环境中，抽头调节器中所需的晶闸管数量由工作电压、瞬态过电压、工作电流以及所有可能遇到的故障电作电压、瞬态过电压、工作电流以及所有可能遇到的故障电流来决定。流来决定。在晶闸管抽头调节器中，晶闸管瞬态故障电流是确定在晶闸管抽头调节器中，晶闸管瞬态故障电流是确定晶闸管允许的最大稳态额定电流的决定性因素。晶闸管允许的最大稳态额定电流的决定性因素。 下 页上 页返 回 如果将晶闸管开关阀看成是故障切除设备，那么就必须将如果将晶闸管开关阀看成是故障切除设备，那么就必须将它们设计成能满足交流系统电压的额定电压等级，而不是抽它们设计成能满足交流系统电压的额定电压等级，

23、而不是抽头上的电压等级，这样就会大大增加晶闸管的数量。头上的电压等级，这样就会大大增加晶闸管的数量。将晶闸管开关阀设计成只满足抽头电压的等级要求，而使将晶闸管开关阀设计成只满足抽头电压的等级要求，而使用常规的机电断路器来清除故障。用常规的机电断路器来清除故障。晶闸管开关阀的额定值不是由稳态工作条件来确定，晶闸管开关阀的额定值不是由稳态工作条件来确定，而是由系统受到冲击之后的瞬态电压来确定。而是由系统受到冲击之后的瞬态电压来确定。 下 页上 页返 回 Us+Uc-Uc-s s+s sUseff(+s s)Useff(-s s) =+(p p+s s)/2 =- (p p+s s)/2Us+Uc-Uc-s s+s sUseff(+s s)Useff(-s s) =+(p+s)p+s)/2 =-(p+s)p+s)/2UcUs-UcUsUc=Uc Useff+Uc =0SVS电压调节中同步电压源电压调节中同步电压源的的“正交自举正交自举”和相位调和相位调节节 下 页上 页返 回 IcdUsUcIcqI IIcqIcdUsUc UsUcIcqIcdI =p/p/2当同步电压源当同步电压源作为电压和相角作为电压和相角调节器使用时，调节器使用时，一般用于交换无一般用于交换无功和有功功率。功和有功功率。同步电