无功补偿的意义

第1章 绪论

1.1 无功补偿的意义
国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高带来了电力负荷的高速增长。尤其是近两、三年来，由于电力负荷增长迅猛，而发电装机容量和输配电能力不足，造成全国近20个省市电力供应紧张，部分省市出现限电拉闸 [1]。与此同时，随着电力市场的开放，电力用户对电能质量的要求也在提高；电力生产与供应企业也比以往任何时候都重视电力系统运行的经济性。
电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。无功功率是电力系统一种不可缺少的功率。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。
无功功率从何而来？显然，发电机提供的无功功率相对负荷和网络对无功功率的需求来说只是“杯水车薪”，仅仅依靠发电机提供无功功率也是极不经济的。无功功率最主要的来源是利用各种无功功率补偿（以下简称无功补偿）设备在电力系统的各个环节进行无功补偿。因此，无功补偿是电力系统的重要组成部分，它是保证电能质量和实现电力系统经济运行的基本手段。
低压电力用户量大面广，其负荷的功率因数又大都比较低，因此在低压电网中进行无功功率的就地补偿是整个电力系统无功补偿的重要环节。
低压电网的无功补偿主要采用并联电容器进行，它包括固定电容器（FC）补偿和自动投切电容器的动态补偿以及两者混合补偿等方式。
电力负荷是随时变化的，所需要的无功功率也是随时变化的，为了维持无功平衡，要求无功补偿设备实行动态补偿，即要根据无功负荷的变化及时投切电容器。以往的低压动态无功补偿设备以机械开关（接触器）作为电容器的投切开关，机械开关不仅动作速度慢，而且会产生诸如涌流冲击、过电压、电弧重燃等现象，开关本身和电容器都容易损坏。据调查，我国过去使用的自动投切电容器无功补偿装置在使用3年后损坏率达75％[2]。
随着电力电子技术和微机控制技术的迅速发展和广泛应用，出现了智能型的动态无功补偿装置。这种以电力电子器件作为无功器件（电容器、电抗器）的控制或开关器件的动态无功补偿装置被称为静止无功补偿装置（SVC：Static Var Compensator）。
SVC是动态无功补偿技术的发展方向，它正成为传统无功补偿装置的更新换代产品。正因为如此，本课题选择这一技术领域进行研究。
1.2 静止无功补偿技术的发展
1.2.1 静止无功补偿的作用与类型
对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下的功能[3,4]：
（1）对动态无功负荷的功率因数校正。
（2）改善电压调整。
（3）提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。
（4）降低过电压。
（5）减少电压闪变。
（6）阻尼次同步振荡。
（7）减少电压和电流的不平衡。
应当指出，以上这些功能虽然是相互关联的，但实际的静止无功补偿装置往往只能以其中某一条或某几条为直接控制目标，其控制策略也因此而不同。此外，这些功能有的属于对一个或几个在一起的负载的补偿效果（负载补偿），有的则是以整个输电系统性能的改善和传输能力的提高为目标（输电补偿），而改善电压调整，提高电压的稳定度，则可以看作是两者的共同目标。在不同的应用场合，对补偿装置容量的要求也不一样。以电弧炉、电解、轧机等大容量工业冲击负荷为直接补偿对象的无功补偿装置，要求的容量较小，而以电力系统性能为直接控制目标的系统用无功补偿装置，则要求具有较大的容量，往往达到几十或几百兆乏[3]。
早期的无功补偿装置的典型代表是同步调相机。同步调相机能进行动态的无功补偿，至今在无功补偿领域中还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。但同步调相机是一种旋转的机械，其损耗、噪声都很大，它正被静止无功补偿装置（SVC）所取代。
SVC近年来获得了很大发展，已广泛用于输电系统和供电系统的无功补偿。早期的SVC是饱和电抗器（SR）型的，尽管它具有静止型的优点，但它需要工作在饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性的问题，因而未能占据SVC的主流。采用并联电容器进行无功补偿有一系列的优点，因而在电力系统的无功补偿中获得广泛应用。
并联电容器补偿可采用固定电容器（FC）补偿和开关投切电容器的自动补偿。前者是不能调节的，不能进行动态补偿；后者用开关投切电容器，能进行动态无功补偿。传统的电容器动态无功补偿装置采用机械开关（接触器或断路器）投切电容器。机械开关的开关速度较慢，不可能快速跟踪负荷无功功率的变化；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，这样开关触头易受电弧作用而损坏，而且可能使电容器承受过电压而击穿。
随着电力电子技术的迅速发展，晶闸管开始用于SVC装置中，出现了晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）这两种基本结构型式的SVC，以及它们的混合装置，如TCR＋TSC、TCR＋FC等。
使用晶闸管对无功器件（电容器和电抗器）进行投切或控制的优点是响应速度快，可以频繁投切。因此，使用晶闸管的静止无功补偿装置近年来发展很快，静止无功补偿装置（SVC）这个词往往专指使用晶闸管等电力电子开关器件的静止无功补偿装置。
1977年，美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院（EPRI）的支持下，西屋电气公司（Westing－house Electric Corp）制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行[5，6]。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。我国也先后引进了数套这类装置。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，自20世纪80年代以来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据静止无功补偿装置的主导地位[3]。
SVC主要有晶闸管控制电抗器（TCR：Thyristor Control Reactor）、晶闸管开关电容器 （TSC：Thyristor Switch Capacitor）。比SVC更先进的无功补偿装置是静止无功发生器 （SVG：Static VarGenerator）。以下进行简要介绍。
1.2.2　晶闸管控制电抗器 (TCR)
晶闸管控制电抗器(TCR)无功补偿装置的单相原理图如图1.1所示。两个反并联的晶闸管(SCR)与一个电抗器(L)相串联，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。
图1.1 TCR型补偿器原理图
TCR采用相控原理，其有效移相范围为90°～1 80°。当触发角α=90°时，晶闸管全导通，导通角δ=180°，此时电抗器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BL=BLmax（δ-sinδ）/ π和 BLmax=1 / XL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。所以通过调整触发延迟角α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。
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，用晶闸管控制电抗变压器。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晶闸管连接。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，可以进一步降低无功补偿产生的谐波。瑞士勃郎•鲍威利公司在20世纪80年代就制造出了此种补偿器用于高压输电系统的无功补偿[2]。
由于单独的 TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，因此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广泛。
1.3 课题来源及主要研究内容
1.3.1 课题来源
本课题是针对国内现有的电容器自动投切装置存在下列问题而提出的：
（1）采用接触器或断路器作投切开关，无法实现零电压（电网电压与电容器电压之差）投切，这样会产生很大的涌流冲击，容易损坏电力电容器和投切开关等设备。
（2）采用机械开关投切无法实现分相投切，这样在三相负荷不平衡时达不到补偿效果，并可能出现某些相过补偿。
（3）投切判据单一，通常根据以下五种方法之一来对电容器进行投切：电网电压高低、无功功率方向、功率因数大小、负荷电流大小、昼夜时间划分。很明显，这种投切方式无法做到最优化补偿，有时还会出现过补偿。以功率因数作为投切判据的无功补偿装置，在小负荷情况下会出现投切振荡[13]。
1.3.2 主要研究内容
本课题研究用电力电子开关器件和微处理器构成的TSC型低压动态无功补偿装置。将对TSC型无功补偿装置的主回路、检测和控制方法、零电压投入方法等关键技术进行研究，并研制一种TSC型低压动态无功补偿装置。主要研究内容如下：
（1）理论分析与仿真研究
a.对TSC静止无功补偿装置可能的主电路结构进行理论分析和仿真研究，明确各种方案的特点与适应性。
b.检测和控制方法的研究。研究无功电流、无功功率的实时检测方法及其实现，并探讨基于瞬时无功理论的无功电流检测方法。并确定合适的控制方法。
c.对电容器投入电网时的涌流进行分析计算，研究各种零电压投入方法，研究一种适应性较强的零电压投入方法。
（2）研制TSC型低压动态无功补偿装置
a.主回路的设计。
b.控制器的设计。设计一个基于16位高性能单片机的低压TSC装置，包括硬件电路设计和软件编程。控制器除了电容器的投切控制功能外，还具有电网参数测量和通信功能。
第2章 仿真分析与关键技术的研究
2.1 概述
……………
2.3 无功分量的检测方法
2.3.1 无功电流幅值的检测
图2.7是采用并联电容器对负荷进行无功补偿的系统示意图。





图2.7 用电容器进行负荷补偿的系统示意图
设节点电压为
(2.1)
负载电流为
(2.2)
式(2.2)通过三角函数变换后得
(2.3)

式中 ip(t)和iq(t)分别为有功电流分量和无功电流分量。
当ωt=2kπ时，由公式(2.2)得
(2.4)
式中 IQM为负荷无功电流幅值。
可见，只要检测在电网电压正向过零时刻的负荷电流，就可知对应的无功电流幅值IQM 。这种无功电流检测方法简单、快速（在一个周期内只要采样一次）。
基于上述原理的无功电流幅值检测原理电路框图如图2.8所示。来自电压互感器的电压信号u和电流互感器的电流信号i经过低通滤波器（LPF）滤波后由过零脉冲发生电路产生电压正向过零脉冲信号，作为采样保持器的采样开关信号，于是采样保持器的输出就是无功电流幅值。
图2.8 无功电流幅值检测原理电路框图

检测无功电流幅值可用于TSC无功补偿装置的电容器投切判据[23～25]。由图2.7可知，il=ic+is ，如果使iq=ic ，则实现了完全补偿。根据

(2.5)
(2.6)
可得
(2.7)

△C即为全补偿所需投切的电容量。若△C为负，则是切除相应容量的电容器；反之，则应投入相应容量的电容器。

2.3.2 基于瞬时无功功率理论的瞬时无功电流检测

三相电路瞬时无功理论自20世纪80年代提出以来，在许多方面得到了成功的应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出用于无功补偿的无功电流实时检测方法。无功电流实时检测方法为实现最优化的无功补偿控制奠定了技术基础[3]。

2.3.3.1　瞬时无功功率理论简述

在瞬时无功功率理论体系中，将三相瞬时电压ua，ub，uc和瞬时电流ia，ib，ic分别变换到两相正交的α-β坐标系上[3,26]，得到两相瞬时电压uα，uβ和瞬时电流iα，iβ，有

(2.16)

(2.17)


在α－β平面上，矢量uα，uβ和iα，iβ的合成旋转电压矢量为u，合成旋转电流矢量为i，则有
u=uα+uβ ，i=iα+iβ (2.18)
电流矢量i可分解为与电压矢量u同相位的瞬时有功电流ip和与u正交的瞬时无功电流iq
(2.19)
式中，θ为α－β平面上u与i的相位差。
瞬时有功功率p和瞬时无功电流q为
(2.20)


根据三相电路各相电压的相位关系，设矩阵C为

(2.21)

则有
(2.22)

各相瞬时无功电流iaq，ibq，icq由下式求取

(2.23)

式中，CT为C的转置矩阵。

2.3.3.2 瞬时无功电流微机检测的原理

三相电路瞬时无功电流的检测原理框图如图 2.10所示。
图2.10 瞬时无功电流检测原理框图



第4章 控制器软件设计与抗干扰设计


4.1 控制器软件结构

4.1.1 系统程序工作流程

本装置控制器主要采用汇编语言进行系统的程序设计，采用模块化结构，主要包括以下几部分：主程序模块、交流采样模块、数据处理模块、控制输出模块、键盘处理和液晶显示模块、通信处理模块等。系统软件工作流程图如图4.1所示。
图4.1 系统软件工作流程图

结束语

本文对静止无功补偿（SVC）这一技术领域进行了研究和工程设计，所做的工作主要包括两个方面：其一，对电力系统静止无功补偿装置的工作情况进行了仿真分析，对晶闸管开关电容器（TSC）型无功补偿装置的检测方法与控制目标，对电容器投入过程中的电流冲击与零电压投入等关键技术进行了研究，提出了有效的技术方案；其二，对低压TSC静止无功补偿装置进行了工程设计，设计方案中从根本上解决了电容器投入过程中的电流冲击问题和小负荷时投切振荡问题，并使TSC型无功补偿装置具有通信功能。