SVC无功补偿.doc

1、第 一 章 绪 论1.1 课 题 背 景随 着 现 代 电 力 电 子 技 术 的 飞 速 发 展 ， 大 量 大 功 率 、 非 线 性 负 荷 的 接 入 电 网 中 ，使 得 电 网 供 电 质 量 受 到 了 严 重 的 威 胁 。 特 别 是 一 些 像 电 弧 炉 、 轧 机 、 整 流 桥 等 非 线性 和 冲 击 性 负 荷 的 大 量 使 用 是 导 致 电 能 质 量 恶 化 的 最 主 要 来 源 ， 造 成 了 一 系 列 严 重的 影 响 。理 想 状 态 的 电 力 供 应 要 求 频 率 为 50Hz， 电 压 幅 值 稳 定 在 额 定 值 的 标 准 正 弦

2、波形 。 在 三 相 电 网 供 电 系 统 中 ， A、 B、 C 三 相 电 压 电 流 的 幅 值 大 小 相 等 、 相 位 差 依次 落 后 120 度 。 但 当 电 力 用 户 的 各 种 用 电 装 置 接 入 电 力 系 统 后 ， 电 力 供 应 由 理 想的 电 力 供 应 变 成 了 电 压 电 流 偏 离 这 种 状 态 的 非 理 想 状 态 。 电 网 中 的 许 多 用 电 负 荷 都具 有 低 功 率 因 数 、 非 线 性 、 不 平 衡 性 和 冲 击 性 的 特 征 ， 这 些 特 征 严 重 地 危 害 着 电 网的 电 力 供 应 ， 可 表 现 在

3、 ： 电 压 值 跌 落 或 浪 涌 、 各 次 谐 波 含 量 大 、 电 压 波 形 发 生 闪变 、 电 压 电 流 波 形 失 真 等 ， 这 样 便 出 现 了 电 能 质 量 问 题 。 由 文 献 一 把 电 能 质 量 1可定 义 为 导 致 用 电 设 备 故 障 或 不 能 正 常 工 作 的 电 压 、 电 流 或 频 率 偏 差 ， 其 内 容 涉 及有 频 率 偏 差 、 电 磁 暂 态 、 供 电 可 靠 性 、 波 形 失 真 、 三 相 不 平 衡 以 及 电 压 波 动 和 闪变 等 。 实 际 电 网 中 的 电 能 质 量 问 题 主 要 表 现 如 下

4、2：(1) 低 功 率 因 数 ， 高 电 网 损 耗 ， 高 生 产 成 本 ， 低 生 产 效 率 和 较 低 设 备 使 用 安 全性 ；(2) 无 功 负 荷 突 变 能 直 接 引 起 电 网 供 电 电 压 降 落 与 浪 涌 、 电 压 波 动 和 电 压 闪 变 ，甚 至 能 影 响 用 电 设 备 的 正 常 使 用 与 造 成 工 农 业 生 产 的 停 产 ；(3) 非 线 性 负 荷 的 谐 波 电 流 造 成 电 网 电 压 畸 变 ， 它 能 导 致 如 下 结 果 ：(a) 电 力 系 统 中 继 电 保 护 及 安 全 装 置 的 误 动 作 ；(b) 电 力

5、电 容 器 中 通 过 的 谐 波 及 放 大 电 网 的 高 次 谐 波 电 流 ， 使 电 容 器 过 电流 、 过 电 压 或 者 过 温 过 热 ， 造 成 电 容 器 鼓 肚 现 象 ， 减 少 电 容 器 的 使 用 寿 命 、甚 至 会 烧 毁 ；(c) 造 成 电 力 变 压 器 铁 芯 饱 和 ， 增 加 了 铁 芯 损 耗 ， 引 起 变 压 器 发 热 减 少 其 使用 寿 命 ；(d) 造 成 各 种 用 电 设 备 发 热 ；(e) 加 速 各 种 用 电 设 备 绝 缘 的 老 化 与 击 穿 ， 带 来 经 济 上 的 损 失 ；(4) 造 成 电 网 三 相 不

6、 对 称 ， 造 成 中 心 线 过 电 流 ， 引 起 中 心 线 过 温 。静 止 型 动 态 无 功 补 偿 装 置 即 Static Var Compensator( SVC )是 目 前 国 内 外 解 决 这一 系 列 问 题 普 遍 采 用 的 方 法 ， 在 无 功 负 荷 接 入 点 处 接 入 SVC 装 置 后 ， 无 功 负 荷 冲击 得 到 抑 制 、 高 次 谐 波 得 到 滤 除 、 三 相 电 网 得 到 平 衡 、 PCC 点 电 压 得 到 稳 定 和 提高 了 电 力 系 统 的 稳 定 性 。 在 实 际 应 用 中 ， 将 固 定 电 容 器 和 晶

7、闸 管 控 制 电 抗 器 (Fixed Capacitor Thyristor Controlled Reactor 即 FC+TCR )组 合 在 一 起 ， 这 种 FC+TCR 型SVC 就 可 以 在 感 性 与 容 性 的 整 个 范 围 内 进 行 无 功 调 节 。 在 FC 的 配 合 下 ， TCR 通过 在 90180 度 的 范 围 内 改 变 晶 闸 管 的 触 发 角 便 能 连 续 无 级 地 调 节 SVC 系 统 从 电 网吸 收 或 者 发 出 无 功 功 率 。 实 际 上 ， 这 种 通 过 调 节 晶 闸 管 的 触 发 延 迟 角 来 等 效 改 变

8、 电抗 器 的 感 抗 来 实 现 无 功 动 态 补 偿 的 ， 同 时 根 据 不 同 控 制 的 要 求 ， SVC 可 以 实 现 补偿 点 的 电 压 接 近 稳 定 在 给 定 值 （ 额 定 值 ） ， 实 现 补 偿 点 处 的 功 率 因 数 为 给 定 值（ 一 般 要 求 0.95） ， 实 现 补 偿 点 处 保 留 给 定 量 的 无 功 功 率 。 SVC 最 重 要 的 性 质 是稳 定 电 网 端 电 压 ， 快 速 响 应 无 功 的 变 化 以 及 能 进 行 分 相 补 偿 无 功 能 力 ， 平 衡 三 相 电网 。 在 大 型 的 具 有 冲 击 性

9、、 快 速 负 荷 变 化 、 非 对 称 、 非 线 性 负 荷 的 动 态 无 功 补 偿领 域 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 SVC 装 置 有 效 地 抑 制 和 改 善 这 些 负 荷 所 引 起 的 电 能 质 量问 题 ， 在 解 决 电 压 畸 变 、 电 压 波 动 和 闪 变 问 题 上 ， 具 有 着 显 著 的 作 用 。 所 以 近 年来 ， SVC 在 世 界 范 围 内 其 市 场 一 直 在 迅 猛 地 发 展 ， 目 前 已 经 在 静 止 无 功 补 偿 领 域特 别 是 在 高 压 输 配 电 系 统 中 占 据 了 主 导 地 位 23。与 SVC

10、 相 比 ， 静 止 无 功 发 生 器 (SVG)调 节 速 度 更 快 且 不 需 要 大 容 量 的 电 容 电感 等 储 能 元 件 ， 谐 波 特 性 好 ， 同 容 量 占 地 面 积 小 ， 在 系 统 欠 压 条 件 下 仍 能 容 易 实现 给 定 的 无 容 功 率 ， 可 以 等 效 成 一 个 受 控 电 流 源 ， 无 功 调 节 能 力 强 。 正 是 由 于 这些 优 点 ， SVG 在 改 善 系 统 电 压 质 量 ， 提 高 电 力 系 统 稳 定 性 方 面 具 有 SVC 无 法 比 拟的 优 点 。 尽 管 在 理 论 上 拥 有 这 些 无 法 比

11、拟 的 优 势 ， 但 是 限 于 目 前 全 控 型 电 力 电 子器 件 的 耐 压 电 压 、 电 流 水 平 ， 要 做 到 大 容 量 的 补 偿 装 置 ， 成 本 太 高 4。 因 此 ， 目 前广 泛 应 用 于 国 内 外 输 配 电 系 统 中 的 无 功 补 偿 装 置 依 然 是 SVC， 它 在 无 功 补 偿 、 平衡 电 网 电 压 、 改 善 电 压 闪 变 与 波 动 等 方 面 具 有 优 秀 的 性 能 ， 单 位 容 量 的 价 格 低 廉等 特 点 ， 在 下 面 各 场 合 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 。(1) 电 弧 炉电 弧 炉 是 一

12、种 在 电 网 中 最 为 典 型 的 非 线 性 及 非 对 称 负 荷 ， 当 电 弧 炉 接 入 电 网 后 ，对 电 网 造 成 了 一 系 列 负 面 的 影 响 ， 而 且 在 电 弧 炉 的 不 同 工 作 阶 段 对 电 网 的 影 响 也是 不 同 的 ， 其 影 响 具 体 如 下 ： 导 致 电 网 的 严 重 三 相 不 对 称 ， 产 生 负 序 电 流 和 高 次谐 波 （ 包 括 奇 次 与 偶 次 谐 波 ） ， 严 重 时 能 导 致 电 网 电 压 发 生 畸 变 和 产 生 电 压 的 闪 变 ，导 致 电 网 中 功 率 因 数 偏 低 。 根 据 电

13、弧 炉 的 负 荷 特 点 ， 采 用 普 通 的 静 态 补 偿 装 置 是难 以 满 足 补 偿 的 要 求 的 。 用 户 可 以 利 用 SVC 具 有 快 速 响 应 速 度 的 优 越 特 性 来 解 决上 述 问 题 ， SVC 系 统 通 过 检 测 电 弧 炉 负 载 瞬 时 消 耗 的 无 功 电 流 ， 并 同 时 提 供 等 值的 无 功 电 流 来 来 满 足 其 无 功 的 消 耗 ， 从 而 避 免 了 直 接 从 电 力 系 统 中 获 取 ， 实 现 了 稳定 电 网 PCC 点 处 母 线 电 压 ， 增 加 冶 炼 装 置 有 功 功 率 的 输 出 ，

14、提 高 冶 炼 效 率 和 产 品的 合 格 率 ， 并 且 能 有 效 地 减 少 电 压 闪 变 对 别 的 电 力 用 户 的 影 响 。 SVC 同 时 还 具 有的 分 相 补 偿 负 荷 的 能 力 ， 可 以 消 除 对 电 网 造 成 的 三 相 不 平 衡 ， 固 定 滤 波 支 路 在 滤 除特 定 高 次 谐 波 的 同 时 向 电 力 系 统 提 供 无 功 功 率 ， 这 样 可 以 提 高 了 系 统 的 功 率 因 数 。(2) 轧 机 等 大 型 电 机 型 的 对 称 负 载这 些 电 机 类 负 载 的 主 要 特 点 是 ： 易 引 起 电 网 电 压 降

15、 落 和 电 压 波 动 ， 尤 其 是 在 电机 的 启 动 与 制 动 过 程 中 消 耗 大 量 的 无 功 功 率 ， 对 电 网 造 成 比 较 大 的 冲 击 ， 甚 至 会 使附 近 的 电 气 设 备 不 能 正 常 工 作 。 一 般 传 动 装 置 中 会 产 生 6K1 次 谐 波 ， 导 致 电 网 电压 发 生 严 重 畸 变 。 当 安 装 SVC 系 统 后 ， 便 可 以 有 效 地 解 决 上 述 问 题 ， 稳 定 交 流 母线 电 压 ， 提 高 系 统 功 率 因 数 。(3) 城 市 二 级 变 电 站在 区 域 电 网 中 ， 系 统 无 功 的 补

16、 偿 与 功 率 因 数 的 改 善 一 般 都 采 用 分 级 投 切 电 容 器组 的 方 式 ， 由 于 电 容 器 组 只 能 有 级 地 向 系 统 提 供 无 功 功 率 ， 这 就 意 味 着 ： 第 一 ，此 方 式 不 能 随 负 载 的 微 小 变 化 来 实 现 相 应 的 快 速 精 确 无 功 补 偿 ； 第 二 ， 当 电 网 轻载 的 时 候 ， 由 于 架 空 线 之 间 的 电 容 效 应 ， 使 得 电 网 母 线 末 端 电 压 升 高 ， 此 时 无 法 消耗 电 网 中 过 剩 的 无 功 功 率 来 降 低 母 线 末 端 的 电 压 值 ； 第 三

17、 ,当 电 网 中 功 率 因 数 很 高的 时 候 ， 易 向 电 力 系 统 倒 送 无 功 ， 抬 高 了 系 统 母 线 电 压 ， 对 电 力 设 备 安 全 及 其 系统 稳 定 性 造 成 了 威 胁 ， 甚 至 可 能 会 击 穿 电 力 设 备 的 绝 缘 ， 造 成 了 经 济 损 失 。 SVC系 统 能 够 准 确 快 速 地 进 行 无 功 补 偿 、 稳 定 母 线 电 压 、 提 高 功 率 因 数 的 同 时 并 能 解 决无 功 倒 送 问 题 。(4) 远 距 离 电 力 传 输在 世 界 范 围 内 ， 已 经 无 数 次 证 明 了 SVC 可 以 显

18、著 提 高 电 力 系 统 输 配 电 性 能 ，在 不 同 的 电 网 条 件 下 ， 在 电 网 中 适 合 的 位 置 安 装 SVC 系 统 可 以 保 证 一 个 平 衡 的 电压 ， 可 以 稳 定 系 统 电 压 、 减 少 电 力 传 输 线 路 损 耗 、 提 高 输 电 线 线 路 传 输 能 力 ， 让 现有 电 网 发 挥 出 更 高 的 效 率 、 提 高 瞬 变 稳 态 极 限 、 增 加 小 干 扰 下 的 阻 尼 、 增 强 电 压控 制 及 稳 定 性 。(5) 电 力 机 车 供 电目 前 电 力 机 车 的 供 电 一 般 采 用 单 相 供 电 方 式

19、， 而 单 相 负 荷 就 造 成 了 供 电 网 的 严重 三 相 不 对 称 和 低 功 率 因 数 。 在 铁 路 沿 线 两 侧 安 装 SVC 系 统 是 目 前 解 决 这 一 问 题的 有 效 方 法 ， 利 用 SVC 系 统 具 有 分 相 补 偿 和 快 速 补 偿 的 特 点 来 平 衡 三 相 电 网 ， 并利 用 FC 支 路 来 提 高 电 网 功 率 因 数 。1.2 国 内 外 研 究 现 状电 力 电 子 技 术 的 发 展 及 其 在 电 力 系 统 中 的 应 用 ， 将 使 用 晶 闸 管 的 无 功 补 偿 装置 推 上 了 电 力 系 统 无 功 控

20、 制 的 历 史 舞 台 。 世 界 上 第 一 台 实 用 SVC 是 由 美 国 GE 公司 制 造 ， 1977 年 安 装 在 Tri-state G 1987 年 的 广 东 江 门 1 套 170 MvarSVC 系 统 ； 1988年 株 洲 云 田 1 套 120MVarSVC 系 统 ;1988 年 郑 州 小 刘 1 套 135MvarSVC 系 统 ； 1990年 ， 沈 阳 沙 岭 1 套 105MvarSVC 系 统 。 运 行 在 钢 铁 行 业 的 SVC 系 统 有 使 用 ABB技 术 的 河 南 平 顶 山 钢 铁 公 司 ； ABB 技 术 的 河 南 安

21、 阳 钢 铁 厂 ； ABB 技 术 的 天 津 钢 管公 司 ； 西 门 子 技 术 的 韶 关 钢 铁 厂 ， 西 门 子 技 术 的 武 汉 硅 钢 厂 ， ABB 技 术 的 本 溪 冷轧 板 厂 和 使 用 西 门 子 技 术 的 宝 钢 冷 轧 板 厂 。 2002 年 ， 变 流 技 术 国 家 工 程 研 究 中 心也 开 始 了 静 止 无 功 补 偿 器 的 研 究 ， 在 2005 年 成 功 开 发 出 TSC 和 TCR 控 制 平 台 ，采 用 了 全 数 字 化 控 制 、 热 管 冷 却 、 综 合 自 动 化 技 术 和 光 电 触 发 技 术 ， 并 将 其

22、 成 功应 用 于 电 气 化 铁 道 无 功 补 偿 1213。目 前 ， 国 内 对 SVC 的 研 究 取 得 一 些 进 步 ， 但 对 于 大 容 量 的 SVC 仍 然 不 具 备 生产 能 力 ， 尤 其 是 对 一 些 核 心 技 术 和 关 键 部 分 的 缺 乏 系 统 集 成 能 力 。 近 几 年 随 着 晶闸 管 控 制 技 术 的 日 趋 成 熟 ， 产 品 价 格 大 幅 度 降 低 ， 由 于 受 到 单 个 器 件 的 耐 电 压 和 耐电 流 能 力 的 限 制 ， 对 于 高 压 系 统 来 说 ， 单 个 器 件 的 耐 压 值 是 满 足 不 了 要

23、求 的 ， 所以 晶 闸 管 需 要 串 联 以 承 受 高 压 ， 这 样 使 得 主 电 路 的 结 构 变 得 复 杂 ， 控 制 难 度 也 大幅 的 增 加 ， 而 由 于 晶 闸 管 串 联 带 来 的 动 态 与 静 态 均 压 、 各 种 保 护 等 问 题 ， 进 一 步增 加 了 主 电 路 与 控 制 部 分 的 复 杂 程 度 ， 同 时 使 得 控 制 器 需 要 处 理 的 数 据 量 和 控 制 实现 的 难 度 大 幅 度 增 加 。 此 外 ， 由 于 晶 闸 管 阀 组 的 工 作 损 耗 导 致 的 温 升 需 要 采 用 复 杂的 冷 却 技 术 来 保

24、 证 其 安 全 ， 目 前 国 内 外 大 容 量 的 SVC 系 统 中 一 般 应 用 水 冷 及 热 管技 术 ， 不 仅 成 本 很 高 而 且 体 积 大 ， 给 安 装 和 运 输 带 来 一 些 困 难 ， 国 产 SVC 装 置 在高 压 配 电 系 统 中 仍 难 以 得 到 大 规 模 的 推 广 与 应 用 。 设 计 出 控 制 精 确 、 响 应 速 度 快 ，主 电 路 结 构 简 单 、 性 价 比 高 、 运 行 稳 定 的 SVC 装 置 已 成 为 无 功 补 偿 行 业 的 当 务 之急 。1.3 本 文 主 要 研 究 内 容根 据 当 前 国 内 的

25、 无 功 补 偿 领 域 的 需 求 出 发 ， 本 文 设 计 出 一 套 容 量 为 65Kvar、电 压 等 级 380V 的 低 压 FC+TCR 型 SVC 试 验 装 置 ， 以 应 对 负 载 变 化 时 实 现 动 态 无功 补 偿 。 考 虑 到 实 际 使 用 过 程 中 控 制 策 略 的 不 同 ， 本 文 设 计 时 采 用 了 电 压 控 制 模式 、 功 率 因 数 控 制 模 式 、 无 功 控 制 模 式 。 使 用 时 只 需 要 选 择 相 应 的 控 制 模 式 ， SVC系 统 就 能 自 动 按 照 相 应 的 模 式 进 行 精 确 的 控 制 。

26、 在 参 阅 了 大 量 文 献 的 基 础 上 ， 并对 目 前 比 较 通 用 的 电 压 闭 环 装 置 基 础 上 进 行 了 改 进 ， 设 计 出 电 压 闭 环 导 纳 开 环 的 双环 控 制 系 统 和 电 压 导 纳 双 环 模 糊 自 适 应 控 制 系 统 ， 使 得 系 统 在 动 态 和 稳 态 控 制 性 能上 有 了 比 较 明 显 的 提 升 ， 尤 其 在 系 统 受 到 大 的 扰 动 时 ， 仍 然 能 很 好 地 进 行 控 制 。另 外 对 三 相 非 对 称 系 统 做 了 仿 真 ， 对 实 验 的 调 试 有 一 定 的 理 论 指 导 作 用 。 本 系 统 设计 时 在 考 虑 到 实 际 中 应 有 的 可 靠 性 ， 设 计 了 比 较 多 的 保 护 电 路 如 ： 零 序 电 压 保 护 ，零 序 电 流 保 护 ， 系 统 过 压 保 护 、 过 流 保 护 、 温 度 保 护 、 系 统 谐 波 含 量 保 护 等 ， 在系 统 出 现 故 障 的 时 候 能 够 自 动 切 除 系 统 与 电 网 的 连 接 并 进 行 声 光 报 警 。 最 后 ， 本 系统 进 行 了 实 验 验 证 ， 实 验 波 形 与 仿 真 波 形 一 致 ， 从 而 证 明 了 本 系 统 的 正 确 性 。