低压动态无功补偿装置开发平台

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2、景及意义21.2国内外研究动态和趋势31.2.1目前无功补偿装置的不足31.2.2无功补偿装置的现状31.2.3动态无功补偿的发展趋势51.3无功补偿装置的选择61.3.1控制投墒雍毁拣抖枫翘队香镶逆迭箱沤胸适府笼仔老株育州膜融挺为荐击淖病闭歧蒙鞍鸥患湾寻赚感舜屹尸延帅别聋卫恋定笆餐挝咀箔悦驹碱塌趁峭猛杆殃中完赚酶蹬巡喂谜哆迈束赏店迷仲壕韶日凯糠拨司呆壤昨颊柞单夜食声挥笛瓢述叮欢奄箍痉懂匹烩结抡态貌乾委坟绞拴渭荤匆杏匀毕糠菏夫酞弗农射雪惰渝绿箕镭区桶抚丢鸵渔劳妥鱼筒磁啼慨慕摈展柏魂茎盐沼谆非饺尊秦苟貌福惜篷岔擒填氟革雍褐狼劈烯辑铰办椽评虹乍卤陶艘工疏听主享庙凰砒露洒泰眶片讲扯它缓液伦嗓巡兼阉猛

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4、脸即兽租畦袁缄闹桨逼嘴优枕梢靴第一章 绪论21.1课题研究的背景及意义21.2国内外研究动态和趋势31.2.1目前无功补偿装置的不足31.2.2无功补偿装置的现状31.2.3动态无功补偿的发展趋势51.3无功补偿装置的选择61.3.1控制投切装置的选择61.3.2控制方式的选择61.4当前无功补偿装置分类101.5本章小结12第二章 动态无功补偿关键技术研究132.1无功补偿原理132.2无功算法的选择162.21公式法172.2.2移相法172.2.3积分法182.2.4基于FFT的无功功率测量法182.3晶闸管的触发原则192.4晶闸管投切电容器理论202.4.1晶闸管器件及其串联技术的应

5、用研究202.4.2晶闸管器串并联技术研究222.5本章小结24第三章 新型TSC系统的保护部分设计253.1电容器保护253.1.1过压保护253.1.2缺相保护253.1.3欠压保护253.1.4过流保护253.1.5谐波保护253.2晶闸管保护过压过流保护263.3其他保护263.3.1控制器电源单元异常263.3.2冷却系统保护263.3.3丢脉冲保护273.4本章小结27第四章 系统硬件设计284.1 DSP控制系统实现284.1.1TMS320F2812主要功能简介284.2系统基本原理和硬件总框图344.3系统功能模块354.3.1信号变换及调理模块354.3.2 AD采样模块3

6、64.3.3锁相同步采样电路374.3.4电源模块384.3.5人机对话模块394.3.6通讯模块404.3.7其他辅助模块414.3.8逻辑电平转换模块434.3.9可控硅驱动模块434.3.10补偿电容器过载电流调理电路444.4系统抗干扰考虑454.4.1干扰源454.4.2抑制干扰源454.3本章小结46第五章 软件设计与实现47第六章 总结48参考文献49致 谢50第一章 绪论 1.1课题研究的背景及意义近年来，随着我国国民经济GDP(国民生产总值)的不断增长，我国的电力工业也有了长足的发展。同时电力网中的无功问题也已逐渐引起人们的广泛关注，这是由于随着电力电子技术的飞速发展，各种电

7、力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛。而大多数电力电子装置的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。同时使功率因数偏低、系统电压下降。无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。电网电压质量通常用稳定性、对称性及正弦性等指标衡量，随着现代电力电子设备力系统谐波源可以分为两大类。等非线性负荷大量接入电网，使

8、电网供电质量受到严重影响，其中各种电力电子开关器件的大量应用和负载的频繁波动是最主要的干扰源，导致了一系列不良影响。 在当今的电力系统中，感应式异步电动机和变压器作为传统的主要的负荷使电网产生感性无功电流。同时，随着现代电力电子技术的发展，大功率变流、变频等电力电子装置在电力系统中得以广泛的应用，这些装置大多数功率因数很低，导致电网中出现大量的无功电流。无功电流产生无功功率，给电网带来额外的负担且影响供电质量。因此，无功补偿就成为保证电网高质量运行的一种主要手段之一。无功补偿的作用主要有以下几点(王兆安等，2002 )(1)提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗;(2)稳定

9、受电端及电网的电压，提高供电质量.在长距离输电线中的合适地点设置动态无功补偿装置，还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力;(3)在电气化铁道等三相负载不对称的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相负载。 因此研究无功功率补偿对电网的安全经济运行有很重要的意义:a.解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列新的技术问题。b.促进节能。无功功率在电网中不断循环，造成很大的浪费。如果无功功率问题处理得好，不仅节约电能，还可以减少系统变压器和输变电设备容量。c.通过研究无功功率测量，掌握无功功率的经济规律。通过统计、理论分析和各项技术措施来达到经济运行的目的。d.保证电能质量，促使电力系统安全运行。1.

10、2国内外研究动态和趋势1.2.1目前无功补偿装置的不足目前，系统无功补偿主要存在以下的问题: （1）无功补偿容量的不足。在供电方面，公用变压器在全国大中小城市中大量存在，而且伴随着一户一表等城网改造的开展，还会大量增加。由于资金匾乏及重视程度不够，公用变压器区内无功补偿容量严重的不足，有功损耗大，公用变压器的利用率不高。 在用户方面，由于公用变压器区内低压用户很多，供电企业管理不便，低压用户感性负荷很大。由于各用户没有统一的无功功率补偿，造成补偿不合理，效果不明显;而且，在高峰时，从电网接收无功过多，低谷时，往往向系统送无功。（2）无功补偿装置落后。在无功补偿装置上，大量的装置采用采集任选一相

11、的无功信号或是一相电流另两相电压得出的无功信号并以此作为投切容量的依据，但这种方式只适用于以三相电为主的配电区，它可能会对非采样相造成过补或是欠补。在投切容量的确定方面，往往以功率因数为参考，电容器分组投切，当功率因数滞后时，则投入一组电容器。这些装置常因为电容器容量级差大而投切精度低或是频繁投切。（3）集中补偿占大多数。集中补偿只能减少装设点以上线路和变压器因输送无功功率所产生的损耗，而不能减少用户内部通过配电线路向用电设备输送无功功率所造成的有功损耗。由于用户内部的有功损耗没有减少，所以降损节电效果必然受到限制。负荷所需的无功功率，仍然需要通过线路供给，依然产生有功损耗。1.2.2无功补偿

12、装置的现状传统的无功功率补偿装置主要是同步调相机和并联电容器。同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态的补偿。至今在无功补偿领域中这种装置还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。但是它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，技术上己显落后。由于实际中遇到的大多数的是感性负载，所以后来多采用低成本的电容器并联作为无功补偿装置。电容补偿可以根据系统所需无功的多少，由控制系统自动地投切补偿电容，因此是一种性价比较高的无功补偿方法。目前在电力系统多采用开关投切电容器或接触器投切电容器。开关投切的电容器的补偿措施的缺点是不

13、能细调且响应慢，投切过程中会产生涌流和过电压问题。另外，接触器投切电容器较开关投切方式的响应时间短些，该种功补偿设备曾一度占领配电(1 OkV和380均市场，特别是低压配电网。但是由于它投切的随意性，并未解决投切中的暂态过程过电压造成的接触器触头燃弧烧毁，寿命极短问题。同时，接触器式补偿设备的响应时间也较大，在某些快速变化负荷的场合，可能反调，达不到动态补偿的目的。因此，广义上而言，接触器式的动态无功补偿设备并未超脱开关投切的范畴。20世纪70年代以来，同步调相机(SC Synchronous Condenser)开始逐渐被基于半控型器件晶闸管(SCR)的静止型无功补偿装置(SVC)所取代。虽

14、然在FACTS概念形成以前SVC就己存在，但由于SVC采用的阀元件也是电力电子器件，因此也把SVC归于FACTS控制器。 早期的SVC静止无功补偿装置是饱和电抗器(SR Saturated Reactor)型的，1967年英国GEC公司制成了世界上第一批该型无功补偿装置。SR比之SC具有静止、响应速度快等优点;但其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声还是很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据SVC的主流。电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将晶闸管的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中运行了使用基

15、于晶闸管的SVC; 1978年，在美国电力研究院支持下，美国西屋公司(Westinghouse Electric Corp)制造的使用基于晶闸管的SVC投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。由于使用基于晶闸管的SVC具有优良胜能，所以十多年来占据了SVC的主导地位。因此，SVC一般专指使用基于晶闸管的静止无功补偿装置。SVC是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输电系统的导纳。按控制对象和控制方式不同，可分为晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)以及两者的混合装置(TCR+TSC)，或者TCR与固定电容器(FC)配合

16、使用的静补装置(TCR+FC)等。表1.1列出了各种无功补偿装置各种性能的简要对比。通过比较我们可以看出TSC具有反映时间短，运行可靠，分相调节，能平衡有功和适用范围广等优点，而且TSC还有很大的灵活性，占地面积相对小，产生的高次谐波和噪声较小，相对于无功发生器SVG来说有控制简单、开发时间短、成本低的优势。表1.1各种无功功率动态补偿装置各种性能的简要对比Table 1.1 variety of dynamic reactive power compensation device brief comparison of various performance显示对应的拉丁字符的拼音字典1.2

17、.3动态无功补偿的发展趋势传统的无功功率补偿装置主要为同步调相机和并联电容器。同步调相机虽然能进行动态补偿，但它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，目前在现场仍有使用，但在技术上已显落后。并联电容器补偿简单经济，灵活方便，有取代同步调相机的趋势，但只能补偿固定无功，还可能与系统发生并联谐振，导致谐波放大。目前在我国仍是主要的无功补偿方式。 随着现代电力电子技术在电气传动领域的广泛应用，相控技术、脉宽调制等技术被引入到电力系统，与传统电力系统控制技术相结合，产生了近几年出现的新技术柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission System FACTS) (N G. H

18、ingorani; 1988郑健超，1999)，其本质就是将高压大功率的电力电子技术应用于电力系统中，以增强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输电能力。FACTS的多个类型都具有谐波抑制和无功补偿能力(A.R. Messina et al, 2004 ).静止无功补偿器(Static Var Compensator-SVC)是它的一个类型，静止无功补偿技术是20世纪70年代以后发展起来的，是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有发出和吸收无功电流的能力，用于提高系统的功率因数和稳定系统电压等。目前这种开关主要是交流接触器和电力电子开关。但用接触器来投切会出现巨大的冲击涌流，而且闭

19、合时触头颤动导致电弧烧损严重，现在静止无功补偿器一般专指使用晶闸管的无功补偿设备。晶闸管投切电容器(Thyristor Swith Capacitor-TSC)和晶闸管控制电抗器( Thyristor Control Reactor-TCR)是其典型代表。TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得够细，基本上可以实现无级调节，瑞典某钢厂的两台100t电弧炉安装60Mvar的TSC后，有效的使130kV电网的电压保持在1,5%的波动范围.TCR是用来吸收系统的无功功率的。瑞士勃郎鲍威利公司已造出此种补偿器用于高压输电系统的无功补偿。此外，SVC还包括TSC十TCR混合型的补偿器，

20、我国平顶山至武汉凤凰山SOOkV变电站引用进口的无功补偿设备就是TSC -TCR型(朱是，2001)。目前国内外对SVC的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神经网络和专家系统等智能控制手段也被引入SVC控制系统，使SVC系统的性能更加提高(Nikolaos Athanasiadis, 2002: J. Lu et al, 2004:J. Su et al，2004)。目前国内外对SVG的建模、控制模式、结构设计和不对称控制等做了很多研究，但目前还有很多理论和实际运用的问题尚待解决(Ye Yang, 2002;T.V Trujillo et al,2003: N.C. Sahoo et al

21、, 2004 )。而且其控制复杂，所用的全控器件价格昂贵，所以目前还没有普及，尤其在我国，大功率电力电子器件目前基本依赖进口，成本太高，根据我国国情，此类装置的实用化尚需相当长的一段时间。而低压无功补偿中要求装置体积小、重量轻、结构简单易于安装和维护，因此TSC和TCR装置非常适合于在无功就地补偿领域推广。但SVG具有调节速度更快且不需大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小，同容量占地面积小等诸多优点，其优越性能必将使其成为未来无功补偿设备的重要发展方向(M.Rabinowitz, 2000 )。美国电力研究院还提出统一潮流控制器(UnifiedPower Flow Controller-U

22、PFC )(王建元等，2000;郭培源，2001)，集并联补偿、串联补偿、移相等多种功能于一身(A.Edris, 2000: P. Kumkratug et al, 2003 )，造价非常高，控制非常复杂，目前仅美国Inez变电站安装了这一装置(李骄文，2002) 1.3无功补偿装置的选择1.3.1控制投切装置的选择从当前无功补偿装置的发展来看，目前广泛应用的几种无功补偿装置，从控制投切装置的不同来看可以分为两类:一类是采用断路器开关来控制;一类是采用晶闸管控制。这两类无功补偿装置的特点在上一节中也有所介绍，总起来说采用晶闸管控制投切的无功补偿装置在性能上比采用断路器开关的无功补偿装置好，它动

23、作时间短，通常能在一个周波(即20ms)内动作;动作时无火花，更安全可靠，寿命长。而断路器开关费用上又优于晶闸管，因此在使用上也并没有被晶闸管开关完全取代。表1.2：断路器开关与晶闸管开关控制投切的无功补偿装置性能比较 Table1.2 Thyristor switch control circuit breaker switch and switching of reactive power compensation device performance comparison 任何一种智能无功补偿装置，都需要一个控制器来完成电网参数的测量计算，控制电容器组的投切。以断路器作开关元件的无功补偿

24、装置，控制器发出的是接点信号，控制接触器的吸合或断开。以晶闸管作开关元件的无功补偿装置，控制器发出的是晶闸管的触发信号。1.3.2控制方式的选择在控制器的控制规律上又可以分为功率因数控制和无功功率(无功电流)控制。下面介绍无功补偿有功率因数控制和无功功率(无功电流对空制两种控制方式的特点。1、功率因数控制功率因数控制就是以功率因数满足要求为控制目标。用无功补偿装置进行补偿，使供电电网的功率因数满足要求。图1.1无功功率补偿原理Fig.1.1 Reactive power compensation principle参照图1.1假设补偿前的参数是有功电流，无功电流，总电流，功率因数我门将定为投入

25、门限，当控制器检测到当前的功率因数值小于0.9时，发出指令，投入一电容器组进行补偿。补偿后的参数为有功电流，无功电流功率因数我门又将切除门限设为。当控制器检测到当前的无功电流小于零时，即得到超前的功率因数时，发出指令，切除一电容器组。当检测到当前的功率因数值介于0.9和1.0之间时，则保持不变。功率因数式控制器通过对电网的电压、电流进行采样检测，分析计算出当前的功率因数值。用当前的功率因数值与设定的投切门限值进行比较，以确定是投入、切除、还是保持不变。功率因数式控制器当检测到当前的功率因数值介于0.9和1.0之间时，则不论实际的无功功率值是多少，都保持当前的补偿状态不变。功率因数值是一个比例值

26、，所以在重负荷时，虽然功率因数满足了要求，但电网中的无功功率仍很大。图1.2相同功率因数下无功电流与负载的关系Fig.1.2 Under the same power factor and load reactive current relationship用图1.2可以很清楚地说明重载时的情况。图1.2中，负载今大于负载，无功也大于，而这时的功率因数却是相同的。虽然与的差值大于一个或几个电容器组的补偿量，但却由于此时的功率因数满足要求而不会去投入。图1.3功率因数补偿的轻载振荡Fig.1.3 Light-load power factor compensation oscillation功率

27、因数控制的另一个问题是轻载下的投切振荡。图1-2说明了轻载振荡的情况。图1-2中是轻载时的有功电流，是与之对应的无功电流，并且较小，要小于一个电容器组的补偿量。由于负载很轻，这时的功率因数很低。按照补偿原理应投入一个电容器组，用该组电容器的超前电流去进行补偿，补偿的结果是得到了超前的功率因数。功率因数只要一超前，就要立即切除一电容器组，而切除一组功率因数又不够，因此形成振荡。2、无功功率（无功电流）控制针对功率因数控制的问题，出现了以系统中的无功功率(无功电流)为被控制对象，即无功功率(无功电流)控制方式。控制器对电网的电压、电流进行采样检测，计算出当前的无功功率(无功电流)值。若当前值大于一

28、个电容器组的补偿值，则投入一个电容器组。若当前偷超前，则切除一个电容器组。本方法补偿的结果是使电网中的无功功率(无功电流)始终保持在一个较低的水平上。图1.4所示是无功功率（无功电流)控制的补偿效果示意图。图1.4无功功率补偿示意图Fig.1.4 Schematic diagram of reactive power compensation由于本方法的控制对象是无功功率（无功电流)，而无功功率(无功电流)又始终保持在一个较低的水平上。因此，不会出现功率因数控制方式所出现的重载时功率因数满足要求，但无功电流很大，而轻载时又容易产生投切振荡的问题。表1.3：两种控制方式控制的无功补偿器补偿性能比

29、较Table 1.3: control of two control methods to compensate the reactive power compensation performance comparison既然各种装置之间有这样大的差别，那么应该怎样选择呢?1、了解负载性质，以决定是选择由断路器开关还是晶闸管开关控制投切的无功补偿装置对于居民区、写字楼、商场、电子、化工等负载变化平稳、周期长的场合，由于负载变稳、周期长，所以，接触器的动作次数少，使用寿命己不再是主要问题。从既要满足补偿需要，又节省费用的选择原则来讲，由断路器开关控制的无功补偿装置完全可以作为首选。若供电线路负荷

30、很大，同时上面又挂有较重要的设备，则还是以选择由晶闸管控制的无功补偿装置为宜对于有电焊机、频繁起停的机械加工设备等负载变化快、变化幅度大的场合，由断路器开关控制的无功补偿装置显然无法满足要求。因此，应选择由晶闸管控制的无功补偿装置。2、根据负荷的变化幅度，确定选择功率因数补偿或是无功功率(无功电流)补偿。确定了投切控制装置，那么又该用什么控制方式呢?用无功补偿装置进行补偿，使供电电网的功率因数满足要求。这是人们最先想到和做到的。该方法的补偿原理前面已经做了介绍。但从表1.3中可看到，它在轻载时易发生投切振荡;在重负荷时，虽然功率因数满足了要求，但电网中的无功功率仍很大。既然功率因数控制不如无功

31、功率(无功电砌控制，那么，什么场合选用它，我们从以下几个方面来考虑。(1)电网中有一个稳定的基本负荷，且占该线路最大负荷的比例较大，换句话说，就是不会出现轻载投切振荡;(2)线路最大负荷时的最大无功，不会对电网造成大的危害;(3)供电部门仅考核功率因数是否满足要求。从技术、补偿效果、对负载的适应性以及今后的发展上来讲，建议还是选择无功功率(无功电流）控制。3、根据重要程度及自动化水平，选择控制功能。现代的无功功率(无功电流）控制的无功功率补偿装置，除基本的控制功能外，附加功能也很多，如一般都有的:四象限操作、自动手动切换、自动识别各路电容器组的功率、自动根据负载调节切换时间、过电压报警及保护、

32、线路谐振报警、电压电流畸变率测量及功率因数、电压、电流、视在功率、有功功率、无功功率、电网频率的测量及显示等。有的还具有打印机接口、计算机联网接口等。这些功能中，有些是补偿装置工作所必须的，有些是为方便用户抄表设置的，有些是为自动化联网运行设置的。用户可根据自己的实际需要，再结合价格，综合选取。1.4当前无功补偿装置分类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，将其作为投切开关速度可以提高500倍(约为10 u)，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单向调节。现今所指的无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主

33、要有以下三大类型:一类是具有饱和电抗器的无功补偿装置(SR: Saturated Reactor);第二类是晶闸管控制电抗器(TCR: Thyristor Control Reactor );第三类是晶闸管投切电容器(TSC: Thstor Switch Capacitor)，后两类装置统称为SVC (StaticVar Compensator )以下对此三类无功补偿技术逐一介绍。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

34、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。这类装置组成的无功补偿装置属于第一批补偿器。早在1967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2-3倍，另外这种装置有振动和噪声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器的无功补偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输高压电线路有使用。2、 晶闸管控制电抗器两个反并联的晶

35、闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图如图1-5所示。其三相多接成二角形，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90-180。当触发角a = 900时，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: 和 （1.1）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 图1.5 TCR补偿器原理 图1.6 TSC型补偿器原理 Fig.1.5 TCR compensator principle Fig.1.6 TSC compensator pr

36、inciple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，可以进一步阳氏无功补偿产生的谐波。瑞士勃朗鲍威利公司已经制造出此种补偿器用于高电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(TCR+

37、FC)和TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+MSC )。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瑞士BBC公司生产的TCR-FC-MSC型的SVC，其控制范围为士120Mvar。由于固定电容器的TCR+FC型补偿装置在补偿范围从感性范围延伸到容性范围是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己吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。TSC+MSC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。3、 晶闸管投切电容器(TSC）为了

38、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1.6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。现在普遍把这种可以快速补偿电网无功功率的晶闸管投切电容器的无功补偿装置叫作动态无功补偿器。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胜及经济性，一般用K-1个电容值为C的电容和一个电容值为C/2的电容组成2K级的

39、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调节。瑞典某钢厂两台100T电弧炉，装有60Mvar的TSC后，有效地使130kV电网的电压保持在1.5%的波动范围。运行实践证明此装置具有较快的反应速度(约为5-10ms ) 体积刁、，重量轻，对三相不平衡负荷可以分相补偿，操作过

40、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TSC+TCR补偿装置。这种补偿器均采用三角形连接，以电容器作为分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不能流入电网，大大减小了谐波。1.5本章小结 目前各种无功补偿装置都己在电力系统得到应用，但是传统无功补偿装置在反应时间，运行可靠性，动态补偿等方面己经不能满足要求。随着电力电子晶闸管器件工艺的成熟和成本的下降，FACTS技术的无功补偿将成为未来电力系统自动化的主流，更是未来无功补偿技术领域的重要研究课题之一。基于这个目的，本文探讨了

41、TSC无功补偿方面的相关技术和算法，研究了基于DSP控制的新型低压无功补偿控制器的软硬件设计，并作了相关的实验验证。第二章 动态无功补偿关键技术研究2.1无功补偿原理电力电子开关型电力补偿、控制器的根本原理是利用电力电子开关在电路中并联地或串联地接入或切除电感、电容、电阻，从而瞬时地改变线路等效阻抗或等效的感性、容性、阻性负载，达到补偿和控制电力系统中的电压、电流、有功功率、无功功率等电力系统参数的目的，实现电力系统的安全、稳定、有效地运行。本课题所研究的低压动态无功补偿装置属于静止无功补偿器SVC这一类型中的晶闸管投切电容器TSC，是电力电子开关型电力补偿、控制器中的一种，它是利用在电路中并

42、联地接入或切除电容来改变等效的感性负载，补偿系统的无功功率，实现系统无功功率平衡。下面对TSC利用并联电容器实现无功补偿的基本原理进行具体分析。由电工学可知，在交流电路中，只有纯电阻负载上消耗的功率称为有功功率，用P表示，常用单位为KW;而电感或电容性负载虽然基本上不消耗有功功率，但是它与电源之间或相互之间进行着往返的周期性能量转换，形成无功电流，这种往返交换的功率称为无功功率，用Q表示，常用单位为kvar，无功功率不是无用功率，它是电气设备输出有功功率和传输电能的必备条件(如电动机、变压器等，它们需要建立变化的磁场才能维持正常运行)。在电力电路中实际上是电阻和电感或电容性负载都同时存在，而且

43、大部分是感性负载，因此，不仅消耗有功功率，同时也有无功功率在交换。我们把有功及无功电流和电压的乘积称为视在功率，用S表示，即S=UI，常用单位为KVA。有功功率尸、无功功率Q和视在功率s三者之间的关系可用图2.1所示的功率三角形表示。由功率三角形可以求得（2.1）: (2.1) 图2.1功率三角形Fig.2.1 The power triangle式中为功率因数，即有功功率和视在功率的比值。功率因数的大小代表着电源被利用的程度，它的最大值为这时P=S，电源利用率最高;同时，由于 (U为电网相电压)，因此在同一电压下要输送一定的功率，功率因数越大，线路中的电流越小，故线路中的损耗也越小。功率因数

44、最小值为零，这时P=0，表示负载和电源之间只有往返的无功功率在交换。因此，在电力系统中力求功率因数接近于1。图2-2示出了有TSC的电力系统。图中交流电源U、经变压器PT和线路电抗后图2.2有TSC的电力系统Fig.2.2 The power system with TSC对负载供电。负载端电压为U2，负载通常为电阻、电感性负载，其电流为I，功率因数角为，于是有公式（2.2）： (2.2)式中 有功功率 无功功率 有功功率 无功功率负载电流I流经电源、变压器和线路电阻时所产生的功率损耗IR和发热、温升与电流值的平方I成正比。受功耗、发热和温升的限制，发电机、变压器、线路、开关电器等一切电气设备

45、都只允许通过一定数值的电流lm,，当有无功电流、无功功率而使功率因数小于1时，发电机、变压器、线路、开关电器等电气设备尽管其电流己达到最大允许值Im，但它们能发送的电功率P却随成比例地减小，即电气设备发送功率的利用率成比例地减小。换句话说，如果电气设备发送的功率一定，越小(无功电流、无功功率越大)，则电气设备所流过的电流越大，功耗和发热温升越严重。如果在负载处，经双向晶闸管开关T接入一个电容器C，如图2-3所示，电容抗为，流入电容C的容性电流I。超前电压，如果选取C的大小使等于负载感性无功电流即 (2.3)则负载的感性无功电流将被流入电容器C的容性电流所补偿，电网流入电容器容性电流.等效于电容

46、器向电网输出超前，滞后，是感性电流，矢量图如图2-3所示。因此，等效于电容器向电网输出感性电流，按(2.2)式选择电容C，那么电容器输出的感性电流正好等于负载的感性电流场，于是电容器和感性负载并联后的等效负载就只有有功电流，等效负载的功率因数为1，发电机、变压器、线路就只流过有功电流、只传负载的有功功率P，减少了功率损耗。或者说使发电机、变压器、线路可以发送最大的有功功率。图2.3矢量图Fig .2.3 Vector drawing电容器相当于一个滞后无功电流源、滞后无功功率发生器。双向晶闸管在交流电源正、负半波都导通时，电容C投入电网;双向晶闸管正、负半波都处于阻断时，相当于电容C从电网切除

47、.因此，这种滞后无功补偿器被称为晶闸管投、切电容器无功补偿器TSC。这时晶闸管只是作为一个电路开关在交流电网电压周期中全部导通(电容器投入到电网)或全部阻断(从电网切除电容器)。由于电容器上的电压不能突变，因而电容器投入电网，即晶闸管的触发信号应在电网电压为零时加入。晶闸管投、切电容器TSC无功功率补偿器所能补偿的滞后无功功率大小由电容C的大小确定。由于负载无功功率的大小是随时变化的，因此，设置一个或两个电容器不可能任何时候都恰如其分地满足需要。过渡的无功补偿也会使必小于1，反而适得其反，因此，只有设置许多个小容量的TSC，根据负载无功的情况投、切不同容量的TSC，才有可能得到较好的补偿效果。

48、TSC在补偿无功的同时，还可以提升负载端电压。负载电流流过变压器和线路电抗时会引起电抗压降。图2-2中和两端的电压将为 （2.4）如果流过的电流是感性电流，如图2.4所示，则与同相，比小。如果流过的电流是容性电流，如图2.5所示，则与同相，比大。所以感性负载电流流过变压器和线路电抗时会使负载端电压下降，而容性负载电流流过变压器和线路电抗时则会使负载端电压口上升。因此，图2.2所示的TSC的另一个优点是提升负载端电压，或者说可以补偿感性负载所引起的负载端电压的下降。图2.4感性电流矢量图Fig.2.4 Vector drawing of inductance current图2.5容性电流矢量图

49、Fig.2.5 Vector drawing of capacitance2.2无功算法的选择TSC装置的发展己经有了很长历史，根据TSC装置的实际使用效果和反馈，前人在技术上进行了很多的改进和创新。如何总结己有的经验，选择适合于TSC的技术是本章研究的重点。TSC的典型装置通常有两部分组成:一部分为TSC主电路，它包括晶闸管、补偿电容器及阻尼电抗器;另外一部分为TSC控制系统，主要由数据采集和检测、参数运算、投切控制、触发控制4个环节组成。本章将从无功算法的选择、晶闸管的触发原则、主电路的接线方式和控制策略等9个方面对TSC动态无功补偿有关技术进行比较深入的论述。传统的无功定义前提是电压电流

50、不含谐波，因此只有在谐波干扰比较小的情况下才有较高的精确度。这里先讨论电力系统中电压电流都是正弦波的理想情况。无功功率的定义如下: (2.5)式中:Q为无功功率，Uo , Io分别为电压和电流的有效值，必为电压和电流相位差。基于这种定义，常用的测量方法有公式法、移相法和积分法。2.21公式法直接根据无功功率公式，求出三个未知量,和。分别在一个周期内对电压和电流采样N次。则根据有效值的定义进行离散化得: (2.6)式中: ，是第k次电流，电压的采样值。电压电流相位差可以通过检测电压和电流的过零点来检测。当电压和电流由负向正上升延突变时，分别在t(o), t(1)产生中断，并在两个中断期间用计数器

51、计数得到相位差得到后，可以通过软件查表法求得。当电压和电流频率发生偏移时，如果采用定频采样，要注意调整采样点数。如果是变频采样，则要注意改变采样频率。2.2.2移相法移相法测量无功功率的理论基础是，既通过移相来实现正弦余弦之间的转换，其基本的原理如下: (2.7)式中: 为角速度，T为电网周期，t为时间。具体的测量步骤为:先通过采样和A/D转换将电网的模拟电压和电流信号采集到微处理器，然后进行离散化处理。这里假设对每个周期的电压和电流采样N次，则式(2.7)离散化得: (2.8)式中:是第k个电压采样值是第k十N/4个电流采样值，这样只要对电流和电压进行较高频率的采样，就能根据式( 2.8 )

52、求得无功功率。移相法的精度易受非同步采用影响，主要通过图2.6的频率锁相装置来解决。图2.6频率同步数字锁相装置框图Fig.2.6 Diagram frequency synchronous digital lock device2.2.3积分法采用积分法测无功和移相法测无功相似，它的理论基础是。积分法也能实现余弦和正弦之间的转换。下面简要介绍一下其测量原理，令: （2.9） （2.10） （2.11）如果把式(2.11)的M为中间变量，把式(2.9)和式(2.10)分别代入式(2.11 )化简后可以得到: (2.12) 2.9求出M后就可以求出Q值。下面对式(2.12)做离散化处理，设在一个

53、周期内对电压和电流都采样N次，用I(k)表示第k次电流采样值，U(k)表示第k次电压的采样值，U(k)表示u(t)的积分量。则有: (2.13) 2.2.4基于FFT的无功功率测量法基于FFT的无功功率测量法，关键是要测量出电压电流的基波和各次谐波的幅值和相位，FFT正好能很好地实现这部分功能。分别对电压和电流做FFT运算，得到基波和各次谐波电压和电流的幅值和相位，然后利用这些数据计算无功功率。该方法完全按照Budeanu无功理论计算，在原理上不存在误差，但是计算过程中需要大量的寄存器存储中间变量，计算量大，计算时间长，检测结果的实时性比较差。在采样过程中，当信号频率和采样频率不一致时，会发生

54、频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号频率、幅值不准确。尤其是相位的误差很大，无法满足测量精度的要求。这些主要可以通过以下方法来解决:(1)修正采样频率法； (2)利用加窗插值算法对FFT算法进行修正； (3)采用准同步DFT算法； (4)利用数字式锁相器(PLL)使信号频率和采样频率同步。该算法需要专门的测量用DSP来计算实现，成本高是它的天然缺陷。不过由于本TSC控制器使用DSP作为控制器件，并且保护部分对于电压电流谐波含量的计量亦有要求，因此利用计算得到的电压和电流谐波频谱，同时计算无功功率，就达到了一举两得的效果。2.3晶闸管的触发原则一般晶闸管投入时刻总的原则是，TSC投入电容的时刻

55、，也就是晶闸管开通的时刻，必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻。因为根据电容器的特性，当加在电容上的电压有阶跃变化时，将产生冲击电流，很可能破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利影响。假如在导通前电容器充电电压刚好等于电源电压峰值，则在电源峰值点投入电容时，由于在这一点电源电压的变化率(时间导数)为零，因此，电流即为零，随后电源电压(也即电容电压)的变化率才会按照正弦规律上升，电流即按正弦规律上升。这样，整个投入过程不但不会产生冲击电流，而且电流也没有阶跃变化。这就是所谓的理想投入时刻。图2.7以简单的电路原理图和投切时的波形对此作了说明。图2.7功率补偿说明图Fig.2.7 illus

56、tration power compensation选取合适的触发时刻总的原则是，TSC投入电容时，也就是晶闸管开通的时刻，必须是电源电压与电容器残压的幅值和相位相同。但是无论投入前电容器充电电压(也称残压)是多少，其往往都是不易测量的，所以必须通过其他一些方法来解决电容器残压测量的难题。1.过零触发电路晶闸管电压过零触发电路如图2.8所示。当电源电压与电容器的残压相等时，晶闸管上电压为零，光电耦合器就会输出一个负脉冲，如果此时投入指令存在，此脉冲就会经过一系列环节，产生脉冲串去触发晶闸管，保证晶闸管的平稳导通。当TSC投入指令撤销时，晶闸管在电流过零时断开，直到微控制器下次发出投入指令，TS

57、C才会在零电压时重新投入。图2.8晶闸管电压过零触发电路Fig.2.8 Zero-voltage thyristor trigger circuit2.反压触发一般来讲，无论电容器残压多高，它总是小于等于电源电压幅值，则在一个周期内，晶闸管总有处于零压或反压的时刻。利用这一点，在晶闸管承受反压时，触发脉冲序列开始，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。在两种触发电路中，晶闸管电压过零触发的使用范围最为广泛，无论电容残压出于何种状态，其都适用。反压触发的成功率和电容器残压密切相关，只适用于电容器残压小于电源峰值的情况。2.4晶闸管投切电容器理论2.4.1晶闸管器件及其串联技术的

58、应用研究进行晶闸管静态特性、动态特性和应用中的相关特性的分析和研究，特别是晶闸管在关断过程中的恢复特性的研究。此项研究将为大功率晶闸管的工程化应用奠定理论基础。晶闸管的动态特性主要有开通特性、通态电流临界上升率、反向恢复特性、关断特性、断态电压临界上升率等五个方面，其中开通和关断特性是其最重要的动态特性指标。1.开通特性 开通时间是延迟时间和上升时间之和，是将门极触发脉冲加到未开通的晶闸管上，到阳极电流达到其额定电流值的90%所需的时间，开通时间会随工作电压、阳极电流、极电流和结温而变化。开通损耗取决于开通期间负载电流的上升时间。2. 通态电流临界上升率:晶闸管开通期间，其导电面积是由门极向四

59、周逐渐展开的，过快的开通会使电流集中于门极区，导致器件局部过热损坏。因此，在设计时考虑到晶闸管的电流上升率di/dt应低于器件允许的通态电流临界上升率。强触发可以提高器件承受di/dt的能力。 图2.9临界上升率Fig.2.9Critical rate of rise3. 反向恢复特性对流过正向电流导通的晶闸管施加反向电压使其强迫关断，从施加反向电压到其重获反向阻断能力是需要一定时间的。反向恢复电流和电压的大小、对时间的变化率以及反向恢复时间取决于反向恢复特性。图中示出了反向反向恢复电流最大值、反向恢复时间，反向恢复复电流对时间的积分值称为反向恢复电荷。对慢速器件，的计算式为： (2.14)对

60、快速器件，的计算式为： (2.15)反向恢复电流(电荷)的存在影响器件在高频时的应用并产生换相过电压。各器件反向恢复电流(电荷)的分散性，使器件串联应用时产生反向电压的分配不均。在设计时，应采取过电压抑制和动态均压措施，如并联电阻电容等。4. 关断特性当外加反向电压于正向导通状态的晶闸管时，阳极电流逐步衰减到零，并反向流动达到最大值，然后衰减到零，晶闸管经过时间后恢复其反向阻断能力。由于载流子复合过程较慢，晶闸管要再经过正向阻断恢复时间之后才能安全的承受正向阻断电压。晶闸管的关断时间为，普通晶闸管的关断时间约为几百微妙。关断时间取决于结温、阳极电流、阳极电流上升率，反向电压UR、阳极电压UA、和阳极电压上升率。在设计时要充分考虑这些因素。5. 断态电压临界上升率:当在阻断的晶闸管阳极一阴极间施加的电压具有正向的上升率，则由于晶闸管结电容C的存在，会产生位移电流而引起晶闸管的误触发导通。因此，在设计时采用吸收电路的措施，使加于晶闸管上的断态电压临界上升率，应该小于器件允许的断态电压临界上升率du/dt值。图2.9门极特性Fig.2.9 Gate characteristics 上图2.9为门极正向伏安特性图，分为可靠触发区、不可靠触发区和不触发区等三个区域，利用门极特性曲线设计晶闸管触发器。门极特性中的最大和最小两条曲线反映该器件在整个工作范围