无功补偿器的设计Word文档格式.docx

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SVG-StaticVarGeneratorhasavailabilityinreactivepowercompensation,sotheSVGcancontrolthevoltage.

Thepapermainlyincludesthefollowedparts：

thecontrolmethodandprincipleofreactivepowercompensationdeviceandthehardwareandsoftwaredesignofthedevice．Thedevice’shardwarecoreisthe16-bitfixpointDSPTMS320LF2407producedbyTICorp,whichhasmanymeritssuchashighoperatingspeedandhighreal-time．Thesystemadoptsthyristorasswitchthatconnectcapacitorstomaincircuit,numeralizationcontrol．andChinesemenuLCDscreeninterfacedisplayingsystem’srun-timeStatusmomentarily．Itactualizesthecapacitor’sspeediness，noarc，nopercussionswitching,andhassuperiorperformance．Thesoftwaredesignadoptstheassemblelanguage；

weusethemethodofmodularizationwhichcanimprovetheuniversaltraitoftheprogramandsimplifythedevice’smaintenance.Inordertorealizesystem’srequiredfunction,thispaperdesignscomparativelyintegratemicrocomputercontrolledcircuitanditsperipheralscircuit,includingtriggeringcircuit,samplingcircuit,displayingcircuitandcommunicatingcircuit．Italsodesignsthewholecontrollingprogramofthesystem，andgivesthecontrollingsoftwarestructureflowchart．

Atlast,thethesislooksintothefutureofthedevelopmentofreactivepowercompensationandthetechniqueofDSPcontroller,thepapersummarizesthewholeofthedesign,anddoessomeexpectationofthereactive-powervoltagecontrol.

KEYWORDS：

reactivepowercompensation,monitorofelectricpowerwire,digitalsignalprocessor

1绪论

1.1无功补偿的意义

电压是衡量电能质量的一个重要指标。

电压质量对电网稳定运行，降低线路损耗，保证工农业安全生产，提高产品质量，降低用电损耗等都有直接影响。

因此，必须对系统各节点进行监视和控制，使电压水平维持在一个正常范围内。

电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备，如：

轧钢机、电弧炉、电气化铁路等；

同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备，如：

计算机，医用设备等。

因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。

1.1.1无功功率的分布对电压有决定性的影响

以图1-1所示的简单的输电线为例加以说明。

图1-1简单输电线模型

在不考虑输电线的对地电容时，从节点i输送到节点j的功率为P十jQ，节点i和节点j的电压分别为Ui和Uj，节点i、j之间的支路阻抗为R十jX。

节点电压的关系为：

（1-1）

在超高压电力系统中，线路电抗远大于线路电阻，因而上式可写成

（1-2）

电压

还可以写成

（1-3）

式中

为线路两端电压的相位角差。

比较（1-2）、（1-3）可以得到：

（1-4）

由式（1-4），正常运行时输电线路两端的电压的相位角差

比较小，可以认为cos

1，这样线路中传输的无功功率大小就与线路两端电压有效值之差成正比，无功功率将从节点电压高的一端流向节点电压低的一端。

节点电压有效值的变化，也将使流经线路的无功功率随之发生变化。

因此电力网中节点电压的变化会引起无功功率潮流的变化。

而且从上式可以看出，如果从远处电源经输电线路向负荷提供无功功率，会使沿线路各点电压下降，甚至不能满足质量要求。

1.1.2无功功率在线路中的传输引起的损耗

传输无功功率所产生的无功功率损耗，

可见经电抗传输无功时产生的无功功率损耗有两部分，一部分是因为沿电抗传输有功功率（

>

0），这是不可避免的；

另一部分是因为经联络阻抗传输了无功功率（

）。

可见减少线路无功功率的传输可以减少线路的无功功率损耗。

从有功功率损耗公式

可见，当有功功率和无功功率通过网络电阻时，会造成有功功率损耗。

当输送的有功功率一定时，总的有功网损主要取决于输送的无功功率的数值。

1.1.3负荷无功功率对系统电压的影响

在额定电压附近，负荷从系统吸收的无功功率随电压上升而增加，随电压下降而减小。

当系统出现无功功率缺额，以及无功电源不能提供足够的无功功率时，系统所接各负荷的电压将下降，减少其向系统吸收的无功功率；

当系统无功过剩，无功吸收能力不足的情况下，系统电压将普遍升高，如果利用发电机进相吸收过剩无功功率，当吸收无功超过其最大吸收能力时，可能会引起系统暂态不稳定。

1.2无功补偿装置的发展现状

1.2.1无功补偿装置的发展

传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，图1-2所示为一种最简单的无功补偿。

图1-2中，M代表需要滞后无功功率的用电设备，K2和C是用于向M提供无功的无功补偿装置。

当K1闭合使M运行时，M从电网吸取有功功率和无功功率。

为减少电网中的无功水平，我们将K2闭合，用C中的超前电流补偿M中的滞后电流，完成无功补偿任务。

图1-2最简单的无功补偿

由于C的补偿容量是固定的，它不能随着实际无功的变化而变化。

因此，它适用于无功变化不大的场合。

但在实际用电系统中，无功往往变化很大，图1-2所示的补偿装置显然无法满足要求。

由于并联电容器阻抗固定，不能动态的跟踪负荷无功功率的变化：

而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。

所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。

20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术（StaticVatCompensation）。

这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。

所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。

如图1-3所示是能适应经常变动负载的无功补偿装置的原理图。

图1-3所示电路中，当无功变化时，控制器检测到该变化，并根据该变化控制补偿电容器组的投切，达到按实际需求的无功量进行补偿的目的。

图1-3实用的无功补偿装置

无论是图1-2电路还是图1-3电路，电容器组的投切都是靠开关

来完成的目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。

断路器开关由于受器件固有特性的限制，在控制器检测到无功的变化需要投入或切除补偿电容器组时，开关速度较慢，约为10～30ms，不能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样在需要频繁投切时，不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容内部击穿，所受应力大，维修量大。

因此，采用断路器作为开关的静止无功补偿装置也只适合于负荷变化不大，即相对稳定的情况。

为了能快速跟踪补偿电网中的无功变化，在现代电力电子器件和数字控制技术的支持下，具有瞬时投切能力的动态无功补偿装置应运而生。

图1-4便是动态无功补偿装置原理。

图1-4具有瞬时投切能力的动态无功补偿装置

1.2.2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10us），对任何系统参数，无功补偿都可以在—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：

SaturatedReactor）；

第二类是晶闸管控制电抗器（TCR：

ThyristorControlReactor）；

第三类是晶闸管投切电容器（TSC：

ThyristorSwitchCapacilor），后两类装置统称为SVC（StaticVarCompensator）。

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，另外有振动和噪声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，一般只在超高压输电线路才使用。

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。

其三相多接成三角形，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度。

当触发角

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

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果。

图l-5TCR补偿器原理图1-6TSC型补偿器原理

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+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。

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已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性及经济性，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级的电容组数。

经过多年的分析与实验研究，TSC的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。

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。

1.3无功补偿装置的选择

1.3.1控制投切装置的选择

从控制投切装置的不同来看可以分为两类：

—类是采用断路器开关来控制；

一类是采用晶闸管控制。

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—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，因此在工程应用上也并没有被晶闸管开关完全取代。

这两种装置的特性比较见．表l-1：

表1-1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

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）控制两种控制方式的特点。

一．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1-7无功功率补偿原理

参照图1-7。

假设补偿前的参数是有功电流

，无功电流

，总电流

，功率因数

。

将

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，，无功电流，功率因数。

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，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1-8相同功率因数下无功电流与负载的关系

用图l-8可以很清楚地说明重载时的情况。

图1-8中，负载

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1-9功率因数补偿的轻载振荡

功率因数控制的另一个问题是轻载下的投切振荡。

图1-9说明了轻载振荡的情况。

图1-9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—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。

二．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。

若当前值超前，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1-10所示是无功功率（无功电流）控制的补偿效果示意图。

图1-10无功功率补偿示意图

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。

两种控制方式控制的无功补偿器补偿性能比较见表1-2：

表1-2功率因数控制与无功功率控制无功补偿装置性能比较

各种装置之间的选择

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，由于负载变化平稳、周期长，所以，接触器的动作次数少，使用寿命已不再是主要问题。

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。

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，即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，可根据自己的实际需要，再结合价格，综合选取。

2无功补偿原理

2.1引言

由图2-1可以看出，整个无功补偿装置包括执行装置、模拟量输入、开关量输入、开关量输出、CPU模块。

无功补偿装置是采用微处理器检测电网上的实时模拟电压、电流信号，进行数字化处理并计算电网所需的无功功率，根据计算结果投入和切除电容补偿系统需要的无功功率。

图2-1无功补偿原理图

从无功补偿器的原理可以看出，无功补偿的精确性依赖于对电网信号的测量与计算的精确性。

因此，电网信号测量精确性是很重要的。

同时，由于电网信号的变化很快，通常情况下要求尽量短的时间内（—般要求1s以内）做出相应的投切动作，因此测量设备和算法都对实时性有很高的要求。

数字信号处理方法，作为电力系统信号处理的主要方法，在本系统中起着十分重要的作用。

由于大量整流器件的应用，使电网中谐波的存在非常普遍，有的场合甚至非常严重。

在谐波存在的电网中，系统的电压信号和电流信号都要用各次谐波量的叠加来计算。

电网信号是工频50Hz的周期信号。

由于电网信号的特殊性，对电网信号