哈爾濱理t 大學(xué)丁學(xué)碩士學(xué)位論文 t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e r b a s e do nd s p a bs t r a c t p o w e re q u i p m e n ta n dp o w e re l e c t r o n i cd e v i c es p e n dal o to fr e a c t i v ep o w e r ， l e a dp o w e rf a c t o rt od e c r e a s e ，c a u s ev o l t a g ef l u c t u a t i o n ，f l i c k e r ，t h r e e p h a s e i m b a l a n c ea n do t h e rp r o b l e m s t h ep u r p o s eo ft h i sa r t i c l ei sd e t e c t i n gt h e r e q u i r e dr e a c t i v ec u r r e n tc o m p e n s a t i o nq u i c k l ya n da c c u r a t e l y , t h e nas t a b l e s y s t e mi sc o n s t r u c t e d ，c o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e rt i m e l y , w h i c hc a ne n s u r e t h e s e c u r i t yo fp o w e rn e t so rp o w e re q u i p m e n to p e r a t i n gn o r m a l l y t h i sa r t i c l e d i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n tm e t h o d so fi t sc o n t r o l l e rf r o mt h es y s t e mp o i n t f i r s tt h eb a s i cp r i n c i p l eo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dt h em a i nc i r c u i t o ft h et s c ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) a r ea n a l y z e d ，t h et h i r dh a r m o n i co ft h e s y s t e mi sa n a l y z e dd e e p l y ，t h e s o l u t i o no fh o wt os e l e c tt h er a t eo fe l e c t r i c r e s i s t a n c ea td i f f e r e n th a r m o n i cb a c k g r o u n di sg i v e n t h e nad e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i so nt r a d i t i o n a lr e a c t i v ep o w e r ，s l i d i n g w i n d o wf o u r i e rt r a n s f o l - m ，f r y z e sa n di n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r ya n d an u m b e ro fo t h e rd e t e c t i n gm e t h o d si sd o n es e p a r a t e l y , a n df o ro b t a i n i n ga m u l t i p a r a m e t e r s t a b l e s y s t e m t h ec l o s e d 1 0 0 p c o n t r o lm e t h o do ft s ci s d i s c u s s e di nd e t a i l t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt h ec o n t r o l l e r sr e a c t i v e p o w e rd e t e c t i n ga l g o r i t h ma n dc l o s e d l o o pc o n t r o lt h e o r yi sd e t e r m i n e d f i n a l l yt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n c o n t r o l l e rb a s e do nd s p t m $ 3 2 0 f 2 812i si n t r o d u c e dd e t a i l e d l yi nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a r d w a r e ：a d e t a i l e dd e s c r i p t i o no fs i g n a ld e t e c t i o n ，t h y r i s t o rt r i g g e r , i n p u ta n dd i s p l a ym o d u l e c i r c u i t ；s o f t w a r e ：t h ed e s i g no ft h ea dd a t as a m p l i n g ，m e a s u r i n gf r e q u e n c y , e x t r a c t i o no ff u n d a m e n t a lr e a c t i v ec u r r e n t ，s e a r c ha l g o r i t h mo fc a p a c i t o r s i n t e l l i g e n t ，k e y b o a r da n dd i s p l a ys u b r o u t i n e r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na l g o r i t h ms i m u l a t i o nr e s e a r c hi sd o n eb a s e d o nt h ea b o v ew o r k ，t h eo v e r a l ls i m u l a t i o nf o rt h es y s t e m ，t h a nh a r d w a r et e s t p l a t f o r m i sb u i l t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rc a nm e a s u r e t h e f u n d a m e n t a lr e a c t i v ec u r r e n tf a s t e ra n do p e r a t e s t a b l y , t h e e n t i r ed e v i c ei s l i 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 o p e r a t i n gw e l l ，i th a sp r a c t i c a le n g i n e e r i n gv a l u e k e y w o r d st h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r , s l i d i n g w i n d o wf o u r i e rt r a n s f o r m ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，f u n d a m e n t a lr e a c t i v ec u r r e n t i i i 哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文基于d s p 無功補償控制 器的研究，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間獨 立進(jìn)行研究工作所取得的成果。據(jù)本人所知，論文中除已注明的部分外，不 包含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文研究工作做出貢獻(xiàn)的個人和集 體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)。 作者簽名：朱曉清日期：2 0 0 9 年月日 哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書 基于d s p 無功補償控制器的研究系本人在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩 士學(xué)位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。本論文的研究成果歸哈爾濱 理工大學(xué)所有，本論文的研究內(nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了 解哈爾濱理工大學(xué)關(guān)于保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān) 部門提交論文和電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)哈爾濱理工大 學(xué)可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文，可以公布論文的全部或部 分內(nèi)容。 本學(xué)位論文屬于 保密口，在年解密后適用授權(quán)書。 不保密口。 ( 請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打、) 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 朱曉清 方目勇 日期：2 0 0 9 年3 月b 1 - 日 日期： 2 0 0 9 年3 月2 日 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 引言 第1 章緒論 異步電動機(jī)和變壓器等設(shè)備要消耗大量的無功功率。這些無功功率如果不 能及時地得到補償?shù)脑?，會對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利影響。首先，無 功功率的增加會導(dǎo)致電流的增大，這不僅使設(shè)備及線路的損耗增加，而且還會 威脅到設(shè)備的安全運行；另外，電流和視在功率的增大也會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)、變壓 器及其他電氣設(shè)備容量的增加，同時，電力用戶的啟動及控制設(shè)備、測量儀表 的尺寸和規(guī)格也要加大，這使電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行大打折扣；另外，無功儲備的不 足會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓水平的降低。此外，隨著電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各個工業(yè)部 門都采用大功率的硅整流設(shè)備，這些大型非線性整流負(fù)荷在運行中引起的功率 因數(shù)下降、電壓波動、閃變、三相不平衡以及波形畸變等一系列問題，已構(gòu)成 派生性的電網(wǎng)“公害 ，嚴(yán)重的影響著整個電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運行。與此 同時，各種復(fù)雜的精密設(shè)備對電能質(zhì)量非常敏感，生產(chǎn)過程的自動化和智能化 對電能質(zhì)量也提出了更高的要求，因此電力部門與用戶對電能質(zhì)量的改善提出 了迫切需求。在電力系統(tǒng)中，最大限度地發(fā)揮輸電線路的設(shè)計容量和提高系統(tǒng) 運行穩(wěn)定性的問題目益突出，大功率沖擊性負(fù)荷和不平衡負(fù)荷也日益嚴(yán)重，沖 擊性的無功功率的負(fù)載，會使電壓產(chǎn)生劇烈的波動，例如電弧爐、軋鋼機(jī)等大 型設(shè)備會產(chǎn)生頻繁的無功功率沖擊，使電網(wǎng)的供電質(zhì)量更加惡化。 對于大中型用電用戶引起的電壓波動會危害連接在其公共供電點的其他用 戶的電工設(shè)備，必須進(jìn)行治理。加強電力系統(tǒng)的管理可以減少這些派生性“公 害 的影響，但更有效和經(jīng)濟(jì)的方法是采用相應(yīng)的動態(tài)無功功率補償。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對電能質(zhì)量的要求越來越高，而保持適量的無功裕 度是電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行的重要保障。鑒于以上所述種種危害，如何快 速有效地補償電力系統(tǒng)中的無功負(fù)荷，是我們相關(guān)科研人員正在研究和亟待解 決的問題【卜。】。 1 2 無功補償國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及其前景 早期的無功補償裝置為同步補償器、飽和電抗器和并聯(lián)電容器，多在系統(tǒng) 1 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩十學(xué)位論文 的高壓側(cè)進(jìn)行集中補償。至今并聯(lián)電容器仍是一種主要補償方式，應(yīng)用范圍廣 泛，只是控制器在不斷的更新發(fā)展。同步補償器的實質(zhì)是同步電機(jī)，當(dāng)勵磁電 流發(fā)生改變時，電機(jī)可隨之平滑的改變輸出無功電流的大小和方向，對電力系 統(tǒng)的穩(wěn)定運行有好處。但同步補償器成本高，安裝復(fù)雜，維護(hù)困難，使其推廣 使用受到限制。晶閘管的出現(xiàn)標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生，隨著半導(dǎo)體制造技 術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，新型的電力電子器件不斷問世，電力電子技術(shù)使無功補 償技術(shù)發(fā)展的非?？欤旅媸紫群喴榻B了一下傳統(tǒng)的無功補償方式。 1 2 1 傳統(tǒng)無功補償方式 1 同步調(diào)相機(jī)同步調(diào)相機(jī)是一臺同步電動機(jī)，其無功輸出可以通過調(diào)節(jié) 勵磁電流而連續(xù)的控制。當(dāng)同步調(diào)相機(jī)接入交流系統(tǒng)后，在欠勵磁情況下其行 為類似于電感器，從交流系統(tǒng)吸收無功功率；而在過勵磁情況下，其作用類似 于電容器，向交流系統(tǒng)注入無功功率。正常運行時，同步調(diào)相機(jī)的機(jī)端電壓等 于系統(tǒng)電壓，勵磁電流為基準(zhǔn)電流，此時同步調(diào)相機(jī)處于浮空狀態(tài)，與系統(tǒng)沒 有無功交換。由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因此損耗和噪聲都比較大，運行維護(hù)復(fù)雜， 而其響應(yīng)速度慢，在很多情況下已無法適應(yīng)快速無功功率控制的要求。 2 飽和電抗器飽和電抗器是非線性元件，它利用鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率可變進(jìn) 行工作，通過改變鐵芯磁通從而改變磁導(dǎo)率，以調(diào)節(jié)電抗器的電感量，起到直 流控制交流的作用。飽和電抗器與同步調(diào)相機(jī)相比，具有靜止型的優(yōu)點，響應(yīng) 速度快；但是由于其鐵心需磁化到飽和狀態(tài)，因此損耗和噪聲都很大，而且存 在非線性電路的一些特殊問題，又不能分相調(diào)節(jié)以補償負(fù)荷的不平衡，所以未 能占據(jù)靜止補償裝置的主流。 3 靜電電容器靜電電容器可以改善線路參數(shù)，減少線路感性無功功率， 補償系統(tǒng)無功。但由于它供給的無功功率與節(jié)點電壓的平方成正比，當(dāng)節(jié)點電 壓下降時，它供給的無功功率反而會減少，所以電容器的無功功率調(diào)節(jié)性能比 較差。但由于維護(hù)比較方便，裝設(shè)容量可大可小，既可集中使用、又可分散裝 設(shè)，所以目前仍是我國主要的補償方式。 1 2 2 無功補償技術(shù)的現(xiàn)狀 2 0 世紀(jì)7 0 年代以來，出現(xiàn)了靜止無功補償技術(shù)，這種技術(shù)經(jīng)過3 0 多年的 發(fā)展，經(jīng)歷了一個由不斷創(chuàng)新、發(fā)展完善的過程1 4 1 。所謂靜止無功補償是指用 不同的靜止開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有吸收或發(fā)出無功電流的能力， 2 哈爾濱理t 大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 具有提高系統(tǒng)的功率因數(shù)、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、抑制系統(tǒng)振蕩等功能。目前這種靜 止開關(guān)主要分為兩種，即斷路器和電力電子開關(guān)。由于用斷路器作為接觸器的 開關(guān)速度較慢，約為1 0 s 3 0 s ，不可能快速跟蹤負(fù)載無功，隨著電力電子技術(shù) 的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流無觸點開關(guān)s c r 、g t r 、g t o 等的出 現(xiàn)，將其作為投切開關(guān)，速度可以提高5 0 0 倍( 約為l o u s ) ，對任何參數(shù)，無功 補償都可以在一個周波內(nèi)完成，而且可以進(jìn)行單相調(diào)節(jié)?，F(xiàn)今所指的靜止無功 補償裝置一般專指使用晶閘管的無功補償設(shè)備，主要有以下三種類型：第一類 是飽和電抗器( s r ：s a t u r a t e dr e a c t o r ) ；第二類是晶閘管控制電抗器( t c r ： t h y r i s t o rc o n t r o lr e a c t o r ) 、晶閘管投切電容器( t s c ：t h y r i s t o r s w i t c h e d c a p a c i t o r ) ，這兩種裝置統(tǒng)稱為s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) ；第三類是采用自 換相變流技術(shù)的靜止無功補償裝置高級靜止無功發(fā)生器( s v g ：s t a t i cv a r g e n e r a t o r ) 。即根據(jù)電力電子變流裝置的特點可將無功補償與諧波抑制同時考 慮。國內(nèi)外對s v g 的建模、控制模式、結(jié)構(gòu)設(shè)計和不對稱控制等做了很多的 研究，但在實用化過程中這類技術(shù)存在一些問題：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大、制 造與維修不便、成本較高等。無功就地補償中要求裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu) 簡單易于安裝和維護(hù)。根據(jù)我國國情，此類裝置的實用化仍要一段時間。而 t s c 裝置非常適合于在無功就地補償領(lǐng)域推廣，與傳統(tǒng)的t c r 相比，無論從 結(jié)構(gòu)上還是從技術(shù)上都更為簡單，可靠性更高，作為t c r 的替代技術(shù)有著良 好的應(yīng)用背景【5 l 。 t s c 隸屬于靜止無功補償裝置s v c ，s v c 隸屬于f a c t s 家族，所以以下 簡要介紹一下f a c t s 技術(shù)。 柔性交流輸電系統(tǒng)是f l e x i b l ea l t e r n a t i v ec u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m s 的中文翻譯，英文簡稱f a c t s ，也稱為靈活交流輸電系統(tǒng)，指應(yīng)用于交流輸 電系統(tǒng)的電力電子裝置，其中“柔性 是指對電壓電流的可控性；如裝置與系 統(tǒng)并聯(lián)可以對系統(tǒng)電壓和無功功率進(jìn)行控制，裝置與系統(tǒng)串聯(lián)可以對電流和潮 流進(jìn)行控制f 6 墻】。 f a c t s 技術(shù)的概念最初是由美國著名的電力系統(tǒng)專家n g h i n g o r a n i 于 1 9 8 6 年提出的，后經(jīng)多次修訂，1 9 9 7 年i e e ep e s 冬季會議上對f a c t s 的定 義如下：所謂柔性交流輸電( f a c t s ) ，即是裝有電力電子型或其它靜止型控制 器以加強可控性和增大電力傳輸能力的交流輸電系統(tǒng)。f a c t s 控制器是可提 供一個或多個控制交流輸電系統(tǒng)參數(shù)的電力電子型系統(tǒng)和其他靜止型設(shè)備由此 可見，f a c t s 技術(shù)的實質(zhì)就是將電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)相結(jié)合，以實 現(xiàn)對系統(tǒng)電壓、線路阻抗、相位角、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅度提 哈爾濱理_ t 大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 高線路輸電能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。 目前，f a c t s 家族的品種繁多，如靜止無功補償器( s v c ) 、靜止同步補償 器( s t a t c o m ) 、可控串牢b ( t c s c ) 、靜止同步串聯(lián)補償器( s s s c ) 及統(tǒng)一潮流控 制器( u p f c ) 等，相間功率控制器( i p c ) 、晶閘管控制制動電p l f l 器( t c b r ) 、晶閘 管控制電壓限制器( t c v l ) 、電池儲能系統(tǒng)( b e s s ) 、超導(dǎo)磁能儲存器( s m e s ) 。 1 2 3t s c 產(chǎn)品的發(fā)展方向 1 進(jìn)一步提高t s c 產(chǎn)品的可靠性，降低產(chǎn)品成本t s c 產(chǎn)品是集強電( 晶 閘管、電容器等) 與弱電( 微處理器、存儲器等) 于一體，它們間的電磁干擾是非 常嚴(yán)重的。合理選擇電子器件及設(shè)計控制器電路，合理選擇檢測物理量和控制 算法，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性和抗干擾能力，減小投切的振蕩，降低產(chǎn)品成 本，提高產(chǎn)品的競爭力是今后的一個研究方向。 2 無功參量的快速檢測及控制新方法，快速準(zhǔn)確地檢測系統(tǒng)的無功參 數(shù)，是t s c 進(jìn)行快速動態(tài)補償?shù)那疤釛l件。雖然目前提出了一些檢測方法， 如測無功、相位差、瞬時無功電流等，但對于三相不平衡系統(tǒng)、存在諧波的系 統(tǒng)的無功功率的定義及無功參數(shù)的測量還值得研究。隨著計算機(jī)數(shù)字控制技術(shù) 和智能控制理論的發(fā)展，一些先進(jìn)的控制方法引入t s c 控制，提高其智能控 制水平也是一項非常有意義的工作。 3 研制兼具補償無功和抑制諧波的多功能產(chǎn)品二( t s c 實現(xiàn)了電容器快 速、無沖擊投切，但當(dāng)供電系統(tǒng)或負(fù)荷中存在大量諧波時，往往由于諧波放大 導(dǎo)致電容器損壞或晶閘管燒毀) 研制開發(fā)兼有t s c 與電力濾波器雙重優(yōu)點的 晶閘管開關(guān)濾波器( t s f t h y r i s t o rs w i t c h e df i l t e r ) ，將成為改善系統(tǒng)功率因數(shù)、 抑制諧波、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、改善電能質(zhì)量的有效手段。 4 高壓系統(tǒng)中的t s c 技術(shù)。由于受到晶閘管耐壓水平的限制，目前用于 高壓系統(tǒng)的t s c 是通過變壓器降壓接入的，如用于電氣化鐵道牽引變電所中 的t s c 研制直接接入高壓電網(wǎng)( 如 0 k v ) 進(jìn)行高壓動態(tài)無功補償?shù)难b置具有重要 意義。該方式的關(guān)鍵問題是要解決補償裝置可控硅和二極管的耐壓，即多個晶 閘管元件串聯(lián)及均壓、觸發(fā)控制的同步性等【9 】。 1 3 研究的目的和意義 無功補償是提高電力系統(tǒng)功率因數(shù)的一種有效且經(jīng)濟(jì)的方法，因而逐步得 到了廣泛的應(yīng)用。它在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，除了可提高輸送容量外，還可提高電 4 哈爾濱理工大學(xué)t 學(xué)碩上學(xué)位論文 網(wǎng)電壓質(zhì)量，減少大型用電設(shè)備投入時對電網(wǎng)沖擊而引起的電壓波動，改善大 型電動機(jī)起動的條件。特別是無功補償為減少電氣線路和電氣設(shè)備中的能量損 耗，發(fā)揮著難以替代的作用。靜止無功補償器s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 作 為7 0 年代發(fā)展起來的一種并聯(lián)無功補償裝置，在國內(nèi)外的輸配電系統(tǒng)中有著 十分廣泛的應(yīng)用，作為電能質(zhì)量的重要一環(huán)，無功功率的補償在提高供電和用 電設(shè)備的安全可靠運行、提高功率因數(shù)、降低電路損耗、減少設(shè)備容量等許多 方面作用明顯。靜止無功補償裝置還可以改善電網(wǎng)樞紐點的電壓控制；提高靜 態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性；抑制系統(tǒng)暫時過電壓；增加阻尼，抑制低頻和次同步振蕩； 改善直流換流站動態(tài)無功補償性能等功能f lo 1 1 】。 然而在諧波含量較大的場合，三相不平衡時，電壓和電流不再是正弦波， 補償情況也變的復(fù)雜，本課題就是研究在這種情況下，如何快速準(zhǔn)確的測得無 功量，并進(jìn)行穩(wěn)定的投切?？梢娧芯繜o功補償問題具有十分重要的意義。 1 4 本課題來源及主要研究內(nèi)容 本課題來源于哈爾濱特通電氣有限公司。 本文在分析了無功補償原理和t s c 的主電路的基礎(chǔ)上，詳細(xì)的介紹了基 于d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 無功補償控制器的軟硬件設(shè)計并進(jìn)行了算法和系統(tǒng)仿 真，主要研究內(nèi)容如下： 1 緒論引言部分主要介紹了無功補償在國內(nèi)外的研究背景發(fā)展?fàn)顩r，和 它在柔性交流輸電中所處的位置，然后介紹了t s c 型無功補償裝置的發(fā)展方 向，最后簡要介紹了無功補償?shù)囊饬x和重要性。 ， 2 建立了無功補償?shù)臄?shù)學(xué)模型，著重介紹了t s c 的工作原理和主電路形 式并進(jìn)行了諧波的分析，簡要介紹了串聯(lián)電抗器電抗率的選擇；詳細(xì)分析了各 種無功量的檢測方法，然后從電壓、補償電流等方面討論了t s c 控制器的閉 環(huán)控制方法。 3 控制器硬件設(shè)計：介紹了控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 及其最小系統(tǒng)實現(xiàn)方 法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了信號檢測、晶閘管觸發(fā)及輸入和顯示模塊電路；控制器 的系統(tǒng)軟件：設(shè)計了數(shù)據(jù)采樣、測頻、基波無功電流提取、電容器智能搜索算 法、鍵盤及顯示等子程序。 4 在對無功補償原理及t s c 控制方法進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，首先對本 控制器的無功量檢測算法進(jìn)行了仿真研究，在此基礎(chǔ)上，對無功補償系統(tǒng)進(jìn)行 了仿真研究。 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章無功補償基本原理 2 1 無功補償基本原理 對電力系統(tǒng)中無功功率進(jìn)行快速的動態(tài)補償，可以實現(xiàn)如下功能： 1 對動態(tài)無功負(fù)載的功率因數(shù)校正 2 改善電壓調(diào)整率 3 提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性 4 降低過電壓 5 減少電壓閃爍 6 阻尼次同步振蕩 7 減少電壓和電流的不平衡 應(yīng)當(dāng)指出，以上這些功能雖然是相互關(guān)聯(lián)的，但實際的靜止無功補償裝置 往往只能以其中某一條或某幾條為直接控制目標(biāo)，其控制策略也因此而不同。 補償功率因數(shù)的功能及原理是大家熟知的，下面僅以改善電壓調(diào)整的基本 功能來對無功功率動態(tài)補償?shù)脑碜鲆幌潞喴慕榻B。 如圖2 1 a ) 所示為系統(tǒng)、負(fù)載和補償器的單相等效電路。其中u 為系統(tǒng)線 電壓；r 和x 分別為系統(tǒng)電阻和電抗。設(shè)負(fù)載變化很小，故有a u u ，則假 定r x 時，反映系統(tǒng)電壓與無功功率關(guān)系的特性曲線如圖2 1 b ) 中實線所 示，由于系統(tǒng)電壓變化不大，其橫坐標(biāo)也可換為無功電流。 砜 一，l 壓u 卸 j rq 負(fù)載口 l 一 a ) 單相電路b ) 動態(tài)補償原理 圖2 1 無功功率動態(tài)補償原理 f i g 2 - 1c o m p e n s a t i o np r i n c i p l eo fr e a c t i v ep o w e rd y n a m i c 可以看出該特性曲線是向下傾斜的，即隨著系統(tǒng)供給的無功功率q 的增 6 哈爾濱理t 大學(xué)丁學(xué)碩上學(xué)位論文 加，供電電壓下降。實際上，由電力系統(tǒng)中的分析可知，系統(tǒng)的特性曲線近似 用下式表示： u ：砜( 1 一導(dǎo)) ( 2 1 ) - ) 船 或者寫為 坐：一絲 ( 2 - 2 ) = 一一 一- u qs 。 、 式中：為無功功率為零時的系統(tǒng)電壓；為系統(tǒng)短路容量。 可見，無功功率的變化將引起系統(tǒng)電壓成比例的變化。 投入補償器之后，系統(tǒng)供給的無功功率為負(fù)載和補償器無功功率之和，即 q = q + q r ( 2 3 ) 2 1 1 理想補償器的等效電路及特性 在實際應(yīng)用中，常常把負(fù)載包括在系統(tǒng)之內(nèi)考慮，把補償系統(tǒng)等效為一個 串聯(lián)一定內(nèi)阻的電壓源，如圖2 - 2 a ) 點劃線框內(nèi)部分，并忽略內(nèi)部阻抗中的電 阻，而電抗記為x 。等效后系統(tǒng)電源電壓為等效前連接點處未接補償器時的 電壓【1 2 1 。另外補償器具有維持連接點電壓恒定的作用，故可以將其視為恒定電 壓源，電壓值取為系統(tǒng)未接補償器時連接點處的正常工作電壓，也就是補償器 未接且負(fù)載無功不變時的供電電壓，記為u 耐。其電壓一電流特性如圖2 - 2 b ) 所 示( l 為容性無功電流、，為感性無功電流) ，為一水平直線，由于電流為無 功電流，電壓又維持一定，因此也可以看作電壓一無功功率特性曲線。 彳c& 補償利 a cf 廠、 l i 一j i cl l i a ) 等效電路b ) 電壓一電流特性 圖2 - 2 理想補償器的等效電路及特性 f i g 2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fi d e a lc o m p e n s a t o r 負(fù)載無功變化使連接點處電壓變化以時，接入補償器后，連接點電壓即 可以回到正常值。此時補償器吸收的無功功率為： 7 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 na u , q 2 1 2 1 2 非理想補償器的等效電路及特性 ( 2 - 4 ) 實際的靜止補償裝置一般不設(shè)計成具有水平的電壓一電流特性，而是設(shè)計 成具有如圖2 3 所示的傾斜特性，傾斜的方向是電壓隨吸收的感性電流的增加 而升高。在下述中將看到，這種傾斜的特性可以兼顧補償器容量和電壓穩(wěn)定的 要求。另外，這種傾斜特性可以改善并聯(lián)的補償器之間的電流分配，并有利于 預(yù)留穩(wěn)定要求的無功備用。 電壓一電流特性的斜率表明，補償器電壓隨無功電流的變化而有一定的變 化，因此其等效電路可以看作在恒定電壓源的基礎(chǔ)上還串聯(lián)了一個等效電抗 x ，如圖2 3 所示。由該等效電路可得，當(dāng)未接補償器時，由于負(fù)載無功的變 化所引起連接點電壓的變化為璣時，也即等效電路中若系統(tǒng)電源電壓變化為 u 時，則投入補償器后補償器吸收的無功功率為： 眩 與 【， v ，、_ 、r 、_ ， 五 補償器| 態(tài) i 、u 豎 一 i 一j l 一_ j cl ， a ) 等效電路b ) 電壓一電流特性 圖2 - 3 實際補償器的等效電路及特性 f i g 2 3e q u i v a l e n tc i r c u i ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fa c t u a lc o m p e n s a t o r q = 瓦a u s 瓦u r e y ( 2 5 )q = i 百( 2 5 ) 可見與理想補償器相比，所需吸收的無功功率減少了。而連接點電壓并不 像理想補償時那樣保持正常值不變，而是變化了： u ：a u , x r ( 2 6 ) xs 七x f 、 8 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 t s c 原理分析 單相t s c 的原理結(jié)構(gòu)如圖2 4 所示，它由電容器、反并聯(lián)晶閘管和阻值很 小的限流電抗器組成，限流電抗器的主要作用是限制晶閘管閥由于誤操作引起 的浪涌電流，而這種誤操作往往是由于誤控制導(dǎo)致電容器在不適當(dāng)?shù)臅r機(jī)進(jìn)行 投入引起的1 1 3 , 1 4 1 。同時，限流電抗器與電容器通過參數(shù)搭配可以避免與交流系 統(tǒng)電抗在某些特定頻率上發(fā)生諧振。 圖2 - 4 t s c 原理結(jié)構(gòu)圖 f i g 2 - 4d i a g r a mo ft s cp r i n c i p l es t r u c t u r e t s c 有兩個工作狀態(tài)，即投入和斷開狀態(tài)。投入狀態(tài)下，反并聯(lián)晶閘管之 一導(dǎo)通，電容起作用，t s c 發(fā)出容性無功功率；斷開狀態(tài)下，反并聯(lián)晶閘管均 阻斷，t s c 支路不起作用，不輸出無功功率。 當(dāng)t s c 支路投入運行并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時，假設(shè)母線電壓是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號： “，( f ) = s i n ( c o t + 口) ( 2 7 ) 忽略晶閘管的導(dǎo)通壓降和損耗，認(rèn)為是一個理想開關(guān)，則t s c 支路的電 流為： 砸) = 苦妻c o s ( c o t 刪( 2 - 8 ) 式中：k = 蜀五= c o 為l c 電路自然頻率- 與- r - 頻之比；k = l c o c ； 五= c o l 。 電容上電壓的幅值為： 五r 2 2 南( 2 - 9 ) 電容電流過零時，晶閘管自然關(guān)斷，t s c 支路被斷開，此時電容上的電壓 達(dá)到極值，即腳= 七2 ( k 2 - 1 ) u m ( 其中“+ 號對應(yīng)電容電流由正變?yōu)榱悖?晶閘管自然關(guān)斷的情況，“ 號對應(yīng)電容電流由負(fù)變?yōu)榱?，晶閘管自然關(guān)斷的 9 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 情況) 此后，如果忽略電容的漏電損耗，則其上的電壓將維持極值不變，而晶 閘管承受的電壓在零和交流電壓峰一峰值之間變化。 實際上，當(dāng)t s c 支路被斷開后，為了安全起見，或者由于電容的漏電效 應(yīng)，電容上的電壓將不能維持其極值，當(dāng)再次投入時，電容上的殘留電壓將為 零到j(luò) j 2 ( k 2 1 ) u r n 之間的某個值。 設(shè)母線電壓是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號u s p ) = s i n ( c o t + a ) ，投入時電容上的殘壓 為。，忽略晶閘管的導(dǎo)通壓降和損耗，認(rèn)為是一個理想開關(guān)，則用拉氏變換 表示的t s c 支路電壓方程為： r 1r 廠 呷) 2 ll s + 西1p + 等( 2 - 1 0 ) 式中：u ( s ) 、i ( s ) 分別為端電壓和支路電流的的拉氏變換，以晶閘管首次觸 發(fā)的時刻作為計算時間的起點，對應(yīng)的電壓波形中的角度是口。經(jīng)過簡單的變 換處理及逆變換后可以得到電容器上的瞬時電流為： 廠 2 砸) = 厶m c o s ( c o t + o r ) 一蛾1 一南s i n 叫s i n c o n t - - i l m c o s ac o s ( 2 - 1 1 ) 式中：c o , = 1 4 z c = k c o 是電路的自然頻率；毋= c o c 是電容的基波電納； 厶。= u b c k 2 ( k 2 - 1 ) 是電流基波分量的幅值。 右側(cè)兩項為電流振蕩分量，其頻率為自然頻率，實際上會由于該支路電阻 的影響而逐漸衰減為零。從上式可以看到，如果希望投入t s c 支路時完全沒 有過度過程，即后邊兩項振蕩分量為零，必須同時滿足以下兩個條件： 自然換相條件： c o s a = 0 ( 2 - 1 2 ) 零電壓切換條件： 2 2 2 南s h a ( a ) = 南( 2 - 1 3 ) 2 3 t s c 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 2 3 1 接線方式 t s c 的主電路按照晶閘管和電容器的連接方式，可以大致分為4 種類型： 星形有中線、星形無中線；角外接法、角內(nèi)接法。其中前兩者統(tǒng)稱為星形接 法，后兩者統(tǒng)稱為三角形接、法【15 1 。 l o 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 1 星形有中線如圖2 5 所示，這種接法優(yōu)點在于，晶閘管電壓定額降 低，可以進(jìn)行分相投切；但由于中線存在，對三倍次諧波無抑制作用，所以晶 閘管電流定額增大，因此該接線方式適合系統(tǒng)電壓波形畸變率很小且電網(wǎng)負(fù)荷 三相不平衡的情況。為了限制涌流和抑制諧波，通常在中線上加裝限流電抗 器。 = 三 i q g一劍 圖2 - 5 星型有中線 f i g 2 5s t a r - c o n n e c t i o nw i t ht h ec e n t e rl i n e 2 星形無中線如圖2 - 6 所示，與星形有中線相比，該接線方式由于取消 了中線，對三倍次諧波有抑制作用，對系統(tǒng)無污染；但需兩相電容才能形成回 路，不能進(jìn)行分相投切，因此，該方式不適合補償電網(wǎng)負(fù)荷三相不平衡的情 況。 弋丁 圖2 - 6 星型無中線 f i g 2 - 6s t a r - c o n n e c t i o nw i t h o u tt h ec e n t e rl i n e 3 角外接法如圖2 7 所示，晶閘管處于電容器三角形的外部。按照電工 理論中的角接到星接變換原理，在電容器總?cè)萘肯嗟鹊那闆r下，角外接法和星 形無中線對外電路所表現(xiàn)的特性都是一樣的。實際中，多采用三角形接法。角 哈爾濱理丁大學(xué)工學(xué)碩上學(xué)位論文 外接法對三倍次諧波也有抑制作用；與角內(nèi)接法相比，體積小，但不易控制， 投切時暫態(tài)過程較長適合于三相平衡負(fù)載。 j g c 3 廠= l 刊 型= = = i l 圖2 7 角外接法 f i g 2 - 7a n g l ej o i n to u t s i d e 4 角內(nèi)接法如圖2 8 所示，晶閘管處于電容器三角形的內(nèi)部。該接法對 系統(tǒng)無污染，相對另外3 種接法，晶閘管電流定額小，只有相電流的5 8 ，但 晶閘管電壓定額較大。 圖2 - 8 角內(nèi)接發(fā) f i g 2 8a n g l ej o i n ti n s i d e 當(dāng)有較大不平衡負(fù)載時，三角形接法的電容器組也可令各相電容值不等， 根據(jù)各相負(fù)荷大小作分相補償。 除了三角形接法和星形接法外，還常常使用三角形和星形相結(jié)合的接法這 種接法的優(yōu)點在于能綜合三角形接法和星形接法的長處，使補償裝置的性價比 達(dá)到最優(yōu)。 1 2 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 2 t s c 諧波分析 以上四種接線方式對三次諧波進(jìn)行討論【1 6 】。 按照國家標(biāo)準(zhǔn)，電網(wǎng)電壓波形畸變率一般應(yīng)不超過5 。因為電力系統(tǒng)中 主要以3 次諧波為主，為方便，在以下討論中，設(shè)電網(wǎng)電壓中僅包含5 的三 次諧波，即： iu a = u a l + u a 3 = u ，s i n c o t + 0s i n 3 r o t = l + u b 3 = 以，s i n ( c o t 一1 2 0 。) + s i n 3 c o t ( 2 1 4 ) 【u 。= u c l 4 - u c 3 = u ，s i n ( c o t + 1 2 0 。) + ，0s i n 3 c o t 設(shè)定= 0 0 5 吒，設(shè)圖2 5 到圖2 - 8 中各種方式的補償容量相等，設(shè)圖 2 - 5 中單相補償容量為q ，電容量為c ，則單相電容容納巧= j c o c ，3 次諧波容 納墨= j 3 c o c 。 1 星型有中線此方式的優(yōu)點在于可以進(jìn)行分相投切，從而補償電網(wǎng)負(fù)荷 的三相不平衡。由假設(shè)可知，每相電容器支路上流過的基波電流和3 次諧波 電流厶分別為： ，l = 巧吒，4 2 = i a , c u ，4 2( 2 - 1 5 ) 3 = e 0 4 2 = j 3 c u a 4 2( 2 - 1 6 ) 由式( 2 1 4 ) 可知，三相基波電壓完全對稱，所以三相基波電流合成值為 零；而三相電壓的3 次諧波大小相等，方向相同，所以三相3 次諧波電流也大 小相等，方向相同，他們匯合后由中線回流到系統(tǒng)，中線電流，。為： 厶= 3 a = j 9 c o c o , , a 4 2( 2 1 7 ) 由式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 可得： 量：絲：0 1 5 ( 2 - 1 8 ) l lu 耐 丘：9 0 s ：0 4 5 ( 2 1 9 1 i iu 啊f 2 星型無中線此方式由于取消了中線，需兩相電容才能形成回路，因此 不能分相投切補償三相負(fù)荷不平衡。與星形有中線相同，三相基波電壓完全對 稱，所以三相基波電流合成值為零；3 次諧波電流則由線電壓決定，以a b 相 間為例： 叱= 以一眈= 4 3 u ，s i n ( a ，t + 3 0 。)( 2 - 2 0 ) 由式( 2 2 0 ) 可知，因三相電壓的3 次諧波大小相等，方向相同，在線電壓 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩十學(xué)位論文 中相互抵消，電容支路中只有基波電流為： ，= = 巧吒，4 2 = j 緲c t ，4 2( 2 - 2 1 ) 由此可見，星形無中線方式對3 倍次諧波具有抑制作用，不對系統(tǒng)產(chǎn)生諧 波污染。 3 角外方式按照電工理論中的“星網(wǎng)變換原理，在電容器總?cè)萘肯嗟?的情況下，角外方式和星形無中線對外電路所表現(xiàn)的特性都是一樣的，對晶閘 管而言，無論是星接還是角接，流過的電流大小相等，所承受的電壓也一樣。 由于三相電壓源的3 次諧波向量相等，在電容器組中不會產(chǎn)生3 次諧波，對系 統(tǒng)沒有諧波污染。星接與角接相比較，由于三相電容器在價格和體積上的優(yōu) 勢，所以實際使用中多采用三相電容器。相對星型有中線接法，角外方式也不 能實現(xiàn)分相補償。 4 角內(nèi)方式與角外接法一樣，角內(nèi)接法也不會對系統(tǒng)造成諧波污染，它 的另一優(yōu)點在于，晶閘管上流過的電流是電容線電流。以a b 相為例： 6 = o 紇= o 4 3 0 = o 5 8 ( 2 2 2 ) 只有相電流的5 8 ，其缺點是它也不能進(jìn)行分相補償。 2 3 3t s c 中串聯(lián)電抗器的選擇 2 3 3 1 并聯(lián)電容器和諧波的相互影響 補償容量與供電電壓平方成正比，是并聯(lián)電容器的缺點之一。而其更為嚴(yán) 重的缺點是與諧波之間的互相影響，包括： 1 諧波對并聯(lián)電容器的直接影響諧波電流疊加在電容器的基波電流上， 使電容器電流有效值增大，溫升增高，甚至引起過熱而降低電容器的使用壽命 或使電容器損壞。諧波電壓疊加在電容器基波電壓上，不僅使電容器電壓有效 值增大，并可能使電壓峰值大大增加，使電容器運行中發(fā)生的局部放電不能熄 滅。這往往是使電容器損壞的一個主要原因。 2 并聯(lián)電容器對諧波電流放大電容器將諧波電流放大，不僅危害電容器 本身，而且會危及電網(wǎng)中的電氣設(shè)備，嚴(yán)重時會造成損壞，甚至破壞電網(wǎng)的正 常運行。據(jù)統(tǒng)計，由于諧波而損壞的電氣設(shè)備中，電容器約占4 0 ，其串聯(lián)電 抗器約占3 0 ，其他因諧波而損壞的電氣設(shè)備也與電容器有很大關(guān)系。 下面將討論并聯(lián)電容器對諧波電流的放大及對策。并聯(lián)電容器對諧波電流 放大的原理在沒有電容設(shè)備且不考慮輸電線路的電容時，電力系統(tǒng)的諧波阻抗 z ?？捎上率浇票硎荆?1 4 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 z 。= r 。+ j x m = r 。+ j 以sp 2 3 ) 式中：系統(tǒng)的刀次諧波電阻如；r 1 次諧波電抗以，以= 以；工頻短路電抗 x so 設(shè)并聯(lián)電容器的基波電抗為鼉，刀次諧波電抗為l ，則有以= 置n 并聯(lián)電容器后，系統(tǒng)的諧波等效電路如圖2 - 9 所示，系統(tǒng)的n 次諧波阻抗 變?yōu)閦 二。 z m = 一j x ，z 。| r 。+ q 。一x c m 2 4 ) = 石r x m = n x , 圖2 - 9 并聯(lián)電容器的系統(tǒng)諧波等效電路 f i g 2 - 9e q u i v a l e n tc i r c u i to fp a r a l l e lc a p a c i t o rs y s t e mh a r m o n i c 由上式可見，裝設(shè)電容器之后，系統(tǒng)諧波阻抗發(fā)生變化，既可為感性也可 為容性，并且對特定頻率的諧波，并聯(lián)電容器可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，使等 效諧波阻抗達(dá)到最大值。電力系統(tǒng)中主要諧波源為電流源，其主要特征是外阻 抗變化時電流不變，如圖2 1 0 所示，厶為諧波源的以次諧波電流，丘。為進(jìn)入 電網(wǎng)的諧波電流；乞為進(jìn)入電容器的諧波電流 圖2 - 1 0 諧波電流等效電路 f i g 2 l0e q u i v a l e n tc i r c u i to fh a r m o n i cc u r r e n t 在這種情況下，乞和么分別為： | i n = 卜j x m | r 。+ j q 鼬一x 。3 、| n q 一2 5 厶= i 尺。+ ，x 二盡。+ ( 爿i 。一x c n ) i 厶 ( 2 - 2 6 ) 由上式可知k = 瓦時，并聯(lián)電容器與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，0 和么 哈爾濱理工大學(xué)t 學(xué)碩士學(xué)位論文 均遠(yuǎn)大于厶諧波電流被放大。l = 蛾，如= 鼉刀，故諧振點諧波次數(shù)為 n o = 故4 ，即當(dāng)諧波源中含有次數(shù)為k 4 的諧波時，將引起諧振。若 諧波源中含有次數(shù)接近, x c x 。的諧波，雖不諧振，但也會導(dǎo)致該次諧波被放 大。 2 3 3 2 串聯(lián)電抗器的選擇 通常給并聯(lián)電容器串接一定電抗器，改變并聯(lián)電容器與系統(tǒng)阻抗的諧振 點，以避免諧振。由于通常如l ，故可忽略如。這樣串接電抗器之后， 丘。和么變?yōu)椋?乞= 面了n x 兩l - x c 石n 麗厶( 2 - 2 7 )j ”般。+ 嵌t x r 們1 - v n a 么2 麗。孓，s 一以r 胛j i ( 2 - 2 8 ) 式中：x ，串聯(lián)電抗器的基波電抗。 1 電網(wǎng)諧波中以3 次為主當(dāng)電網(wǎng)諧波以3 次及以上為主時，一般為1 2 也可采用4 5 6 與1 2 兩種電抗器 1 7 。1 9 】。3 次諧波含量較小