低压动态无功补偿装置开发平台设计 精品

第一章绪论 (2)
1.1课题研究的背景及意义 (2)
1.2国内外研究动态和趋势 (3)
1.2.1目前无功补偿装置的不足 (3)
1.2.2无功补偿装置的现状 (3)
1.2.3动态无功补偿的发展趋势 (4)
1.3无功补偿装置的选择 (6)
1.3.1控制投切装置的选择 (6)
1.3.2控制方式的选择 (6)
1.4当前无功补偿装置分类 (10)
1.5本章小结 (12)
第二章动态无功补偿关键技术研究 (13)
2.1无功补偿原理 (13)
2.2无功算法的选择 (16)
2.2．1公式法 (17)
2.2.2移相法 (17)
2.2.3积分法 (18)
2.2.4基于FFT的无功功率测量法 (18)
2.3晶闸管的触发原则 (19)
2.4晶闸管投切电容器理论 (20)
2.4.1晶闸管器件及其串联技术的应用研究 (20)
2.4.2晶闸管器串并联技术研究 (22)
2.5本章小结 (23)
第三章新型TSC系统的保护部分设计 (24)
3.1电容器保护 (24)
3.1.1过压保护 (25)
3.1.2缺相保护 (25)
3.1.3欠压保护 (25)
3.1.4过流保护 (25)
3.1.5谐波保护 (25)
3.2晶闸管保护过压过流保护 (26)
3.3其他保护 (26)
3.3.1控制器电源单元异常 (26)
3.3.2冷却系统保护 (26)
3.3.3丢脉冲保护 (26)
3.4本章小结 (27)
第四章系统硬件设计 (27)
4.1 DSP控制系统实现 (27)
4.1.1TMS320F2812主要功能简介 (28)
4.2系统基本原理和硬件总框图 (34)
4.3系统功能模块 (35)
4.3.1信号变换及调理模块 (35)
4.3.2 AD采样模块 (36)
4.3.3锁相同步采样电路 (37)
4.3.4电源模块 (38)
4.3.5人机对话模块 (39)
4.3.6通讯模块 (40)
4.3.7其他辅助模块 (41)
4.3.8逻辑电平转换模块 (43)
4.3.9可控硅驱动模块 (43)
4.3.10补偿电容器过载电流调理电路 (44)
4.4系统抗干扰考虑 (45)
4.4.1干扰源 (45)
4.4.2抑制干扰源 (45)
4.3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。

1.2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
1.2.3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. Hingorani; 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²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，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 , 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-UPFC )(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1p i ，无功电流1p i ，总电流1p i ，功率因数1cos 0.90α<我门将1cos 0.90α=定为投入门限，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221,p p p i i i =，无功电流21q q c i i i =-功率因数2cos 0.9α>我门又将切除门限设为20q i >。

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，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1p i 大于负载2p i ，无功1q i 也大于2q i ，而这时的功率因数却是相同的。

虽然1q i 与2q i 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1p i 是轻载时的有功电流，1q i 是与之对应的无功电流，并且1q i 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c i 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、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:
max (sin )/L L B B δδπ=-和max 1/L R B X = （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。