低压动态无功补偿装置开发平台设计(编辑修改稿)

低压动态无功补偿装置开发平台设计(编辑修改稿)内容摘要：

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, 2020。 Trujillo et al,2020: . Sahoo et al , 2020 )。 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 (, 2020 )。 美国电力研究院还提出统一潮流控制器 (UnifiedPower Flow ControllerUPFC )(王建元等， 2020。 郭培源， 2020)，集并联补偿、串联补偿、移相等多种功能于一身 (, 2020: P. Kumkratug et al, 2020 )，造价非常高，控制非常复杂，目前仅美国 Inez 变电站安装了这天津理工大学中环信息学院 2020届本科毕业设计说明书 6 一装置 (李骄文， 2020) 无功补偿装置的选择 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 ：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 Thyristor switch control circuit breaker switch and switching of reactive power pensation device performance parison 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。 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。 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。 天津理工大学中环信息学院 2020届本科毕业设计说明书 7 图 功率补偿原理 Reactive power pensation principle 参照图 假设补偿前的参数是有功电流 1pi ，无功电流 1pi ，总电流 1pi ，功率因数1cos   我门将 1cos   定为投入门限，当控制器检测到当前的功率因数值小于 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 2 2 1,p p pi i i ，无功电流21q q ci i i功率因数 2cos   我门又将切除门限设为 2 0qi 。 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 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 和 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 Under the same power factor and load reactive current relationship 用图 可以很清楚地说明重载时的情况。 图 中，负载今 1pi 大于负载 2pi ，无功 1qi 也大于 2qi ，而这时的功率因数却是相同的。 虽然 1qi 与 2qi 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。 天津理工大学中环信息学院 2020届本科毕业设计说明书 8 图 Lightload power factor pensation oscillation 功率因数控制的另一个问题是轻载下的投切振荡。 图 12说明了轻载振荡的情况。 图 12中 1pi 是轻载时的有功电流， 1qi 是与之对应的无功电流，并且 1qi 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 ci 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。 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 所示是无功功率（无功电流 )控制的补偿效果示意图。 图 Schematic diagram of reactive power pensation 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 ：两种控制方式控制的无功补偿器补偿性能比较 Table : control of two control methods to pensate the reactive power pensation performance 天津理工大学中环信息学院 2020届本科毕业设计说明书 9 parison 既然各种装置之间有这样大的差别，那么应该怎样选择呢 ? 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。 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 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。 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，有些是为天津理工大学中环信息学院 2020届本科毕业设计说明书 10 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。 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。 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 23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。 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 15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 90176。 180176。 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 : m a x ( si n ) /LLBB   和 max 1/LRBX （ ） 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 天津理工大学中环信息学院 2020届本科毕业设计说明书 11 图 TCR补偿器原理 图 TSC型补偿器原理 TCR pensator principle TSC pensator principle 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178。 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+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TCRFCMSC 型的 SVC，其控制范围为士177。 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。