【文章內(nèi)容簡介】 TCR+MSC)。這種具有 TCR 型的補(bǔ)償器反應(yīng)速度快、靈活性大，目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。 （ 3)晶閘管投切電容器 (Thyristor Switch Capacitor,TSC) 這種裝置是將并聯(lián)補(bǔ)償電容器分成若干組，根據(jù)負(fù)荷無功的變化情況對補(bǔ)償電容器進(jìn)行分組投切，達(dá)到調(diào)整無 功補(bǔ)償量的目的，其單相原理如圖 所示。 TSC 的單相電路還有一個二極管與一個晶閘管反并聯(lián)后與一個電容器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)方式。 TSC 用于三相電網(wǎng)中可以是三角形連接，也可以是星形連接。一般對稱網(wǎng)絡(luò)采用星形連接，負(fù)荷不對稱網(wǎng)絡(luò)采用三角形連接。在工程實(shí)際中，不論是星形還是三角形連接，一般將電容器分成幾組，每組都可由晶閘管投切。這樣，可根據(jù)電網(wǎng)的無功需求投切這些電容器。晶閘管投切電容器裝置特別適合于沖擊性負(fù)荷及經(jīng)常波動性超負(fù)荷的場所?，F(xiàn)在普遍把這種可以快速補(bǔ)償電網(wǎng)無功功率的晶閘管投切電容器的無功補(bǔ)償裝置叫做動態(tài)無功 補(bǔ)償蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 器。 TSC 型動態(tài)補(bǔ)償方式具有以下特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)緊湊，可設(shè)計成柜體形式，占地面積?。辉O(shè)備投資小，大約比 TCR 降低 25%； 運(yùn)行能耗小； 電容器是無過渡過程投切，本身不產(chǎn)生諧波，合理的參 數(shù)還可吸收諧波； 接入系統(tǒng)靈活，可設(shè)計成高壓型。缺點(diǎn)是不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。 TSC 補(bǔ)償器如果級數(shù)分得足夠細(xì)化，基本上可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。 TSC 對三相不平衡負(fù)荷可以分相 補(bǔ)償，但對抑制沖擊負(fù)荷引起的電壓閃變，單靠電容器投入電網(wǎng)的電容量的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)是不夠的，所以 TSC 裝置一般與電感相并聯(lián)，其典型設(shè)備是TSC+TCR 補(bǔ)償裝 置。這種補(bǔ)償器均采用三角形連接，以電容器作為分級粗調(diào)，以電感作相控細(xì)調(diào)，三次諧波不會流入電網(wǎng)，大大減小了諧波。 以上所舉的裝置合起來統(tǒng)稱為 SVC(Static Var Compensatory)。這些靜止補(bǔ)償器對電力系統(tǒng)狀況的調(diào)整和暫態(tài)性能的改善起到了重要的作用，且其控制技術(shù)也比較成熟，在實(shí)際電力系統(tǒng)中也得到了不少有效應(yīng)用 [12]。但是它們都是利用晶閘管進(jìn)行換相控制，在無功變動時容易發(fā)生逆變現(xiàn)象，并且都需要大電感或大電容來產(chǎn)生感性和容性無功，因而人們期待有新的補(bǔ)償方式改善上述缺陷。 隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步 發(fā)展，一種更先進(jìn)的靜止型無功補(bǔ)償裝置出現(xiàn)了，即采用自換相變流電路的靜止無功發(fā)生器 (Static Var Generator,SVG)，也稱之為高級靜止無功補(bǔ)償器 (Advanced Static Var Compensator,ASVC)。靜止無功發(fā)生器的基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹? 與傳統(tǒng)的以 TCR為代表的 SVC裝置相比， SVG的調(diào)節(jié)速度 更快，運(yùn)行范圍寬，而且在采取多重化、多電平或 PWM技術(shù)等措施后可大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量。更重要的是， SVG使用的電抗器和電容元件遠(yuǎn)比 SVC中使用的電抗器和電容元件要小，這將大大縮小裝置的體積和成本。 SVG具有如此優(yōu)越的性能，顯示了動態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。但是， SVG的控制方法和控制系統(tǒng)比 SVC要復(fù)雜的多。另外， SVG要使用數(shù)量較多的較大容量全控型器件，其價格目前仍比 SVC使用的普通晶閘管高得多。因此， SVG由于用小的儲能元件而具有的總體成本的潛在優(yōu)勢，還有待于器件水平的提高和成本的降低來得以發(fā)揮。 在 SVG的基礎(chǔ)上，靜止同步補(bǔ)償器 (Static Synchronous Compensatory,STATCOM)，也稱為新型靜止無功發(fā)生器 (Advanced Static Var Generator,ASVG)產(chǎn)生了。這種無功功蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 率調(diào)節(jié)裝置可以從感性到容性平滑地調(diào)節(jié)無功功率，相當(dāng)于一個電壓大小可以控制的電壓源，其工作原理是：當(dāng)裝置產(chǎn)生的電壓小于系統(tǒng)電壓時，吸收感性無功功率，此時相當(dāng)于電感；當(dāng)裝置產(chǎn)生的電壓大于系統(tǒng)電壓時，輸出容性無功功率，此時相當(dāng)于電容。 由以上概述可知，補(bǔ)償無功功率的方法先后采用了同步 調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器、靜止無功補(bǔ)償裝置 (SVC、 SVG、 STATCOM)等。 無功功率補(bǔ)償技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 現(xiàn)在，在世界范圍內(nèi)，以 TCR和 TSC為代表的靜止無功補(bǔ)償裝置 SVC已經(jīng)占據(jù)了動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)闹匾匚?，是動態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)研究的發(fā)展趨勢。同時， SVG在一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)也開始研究。截止到 2021 年，全世界已有超過 400 套、總?cè)萘考s為 60Gvar的 SVC在輸配電系統(tǒng)中運(yùn)行；全世界已有超過 600 套、總?cè)萘考s為 40Gvar的 SVC在工業(yè)部門使用。我國的輸電系統(tǒng)中有 6 套容量為 105~170Mvar的 SVC安裝在 5個 500kV變電站，均為進(jìn)口；工業(yè)用戶安裝了 100 多套 SVC，約有 1/5 是進(jìn)口的。從 2021年起中國電力科學(xué)研究院已為工業(yè)用戶提供了 26 套 10~35kV TCR型 SVC新平臺， l0kV TSC型 SVC裝置于 2021 年、 2021 年在變電站分別投入運(yùn)行，填補(bǔ)了 SVC國內(nèi)工程化應(yīng)用的空白。而 STATCOM裝置是基于變流器的無功功率補(bǔ)償裝置，其技術(shù)是所有基于變流器的FACTS裝置的基礎(chǔ)，已經(jīng)獲得了廣泛的重視 [21~25]。世界上各大著名的電氣設(shè)備制造商 (如西門子公司、 ABB公司、阿爾斯 通公司、 GE公司、三菱公司等 )都開發(fā)了 STATCOM工業(yè)裝置產(chǎn)品。 1999 年我國清華大學(xué)也開發(fā)了士 20Mvar STATCOM裝置，且在河南電網(wǎng)成功投入運(yùn)行。 STATCOM裝置在國際上已有幾十套示范工程投入使用，單套容量已達(dá)到 200Mvar，該技術(shù)正在逐漸成熟 . 從無功功率補(bǔ)償裝置的應(yīng)用來看， SVC裝置控制簡單、價格低、能滿足大多數(shù)用戶對于無功功率補(bǔ) 償?shù)男枰?，?yīng)用最為普遍，在電力系統(tǒng)和工礦企業(yè)用戶中擁有廣大市場，是并聯(lián)無功補(bǔ)償?shù)闹饕b置。 目前，國內(nèi)外有關(guān) SVC的研究多集中在對其應(yīng)用于輸電補(bǔ)償?shù)母鞣N場合時 控制策略和方法的進(jìn)一步探討上，隨著模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等智能控制手段相繼被引入 SVC控制系統(tǒng)，使 SVC系統(tǒng)的性能更加提高，但還有很多理論和實(shí)際運(yùn)用的問題尚待解決 [21~25]。而對 SVG的研究除了控制方法以外，還呈現(xiàn)出與有源電力濾波器相結(jié)合的發(fā)展趨勢，但 SVG控制復(fù)雜，所用全控器件價格昂貴，目前還沒有普及。尤其在我國，大功率電力電子器件基本依賴進(jìn)口，成本太高，此類裝置的實(shí)用化尚需相當(dāng)長的蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 一段時間。而采用可關(guān)斷器件的 STATCOM裝置，由于歷史和價格的原因，目前在國內(nèi)外應(yīng)用的實(shí)例并不多。然而 STATCOM是性能最優(yōu)的無功補(bǔ)償裝置，是 FACTS的核心，值得加強(qiáng)研究和推廣使用 [17,29,25]。 本文的主要內(nèi)容 第一章中，首先介紹了無功補(bǔ)償研究的目的和意義，接著闡述了無功功率補(bǔ)償?shù)臍v史、現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢，并對各種不同類型的無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了比較。 第二章中，詳細(xì)闡述了無功功率補(bǔ)償?shù)挠嘘P(guān)理論，針對低壓電網(wǎng)，重點(diǎn)分析了 TSC 型無功補(bǔ)償原理、補(bǔ)償容量和補(bǔ)償位置的優(yōu)化方法及其無功補(bǔ)償自動投切控制方式。 第三、四章中，根據(jù)要求設(shè)計了用于低壓電網(wǎng)的無功補(bǔ)償裝置，介紹了裝置的主電路原理及其主要元件的選取方 法，完成了無功功率補(bǔ)償控制器的有關(guān)硬件設(shè)計，編寫了控制器軟件，并對軟硬件設(shè)計中采用的抗干擾措施進(jìn)行了總結(jié) 。 第五章中，利用 MATLAB/SimuLink 軟件中的仿真功能對設(shè)計的無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明設(shè)計的該裝置可以對系統(tǒng)無功實(shí)時補(bǔ)償。 第六章中，對全文進(jìn)行了總結(jié)。 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 第二章 無功功率補(bǔ)償有關(guān)理論的研究 無功功率的概念是與交流電和非純阻性負(fù)載聯(lián)系在一起的。在直流系統(tǒng)或者純阻性負(fù)載的系統(tǒng)中不存在無功功率的概念，也就不存在無功補(bǔ)償問題。 交流電路的無功功率 在正弦交流電 路中，如果負(fù)載是線性的，電路中的電壓和電流都是正弦波。 圖 2． 1無源一端口網(wǎng)絡(luò) 對于如圖 2． 1所示的內(nèi)部不含有獨(dú)立電源，僅含電阻、電感和電容等無源元件的 端口，設(shè)電路中正弦交流電壓為 2 sin( )u U wt? （ ） 端口等效負(fù)載為 z，則流過負(fù)載電路中的電流為 2 si n( ) /i U w t z? （ ） 當(dāng)負(fù)載 Z不是純阻性時，流過負(fù)載的電流就會和電壓有一個相角差值 9，即，此 時電流表示為 ( 2 / ) si n( ) 2 si n( )i U z w t I w t??? ? ? ? （ ） 此時電路的有功功率 P就是其平均功率，即： 201 ()2p uid w t??? ? （ ） 則 cosp UI ?? （ ） 可以看出，有功功率 P不再是電壓 U和電流川 }g有效值乘積，還要乘以二者夾角的余弦值 。 電路的無功功率定義為： sinQ UI ?? （ ） 無功電流分量的產(chǎn)生是由于系統(tǒng)中含有電感性或電容性的負(fù)載而產(chǎn)生的，該電 流用于建立磁場或靜電場，存儲于電感或電容中，并往返于電源與電感或電容之間，并不會蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 像 有功功率那樣被消耗掉。 電路中將電壓 u和電 流 i的有效值乘積定義為視在功率，即： s u i?? （ ） 視在 功率只是電壓有效值和電流有效值的乘積，它并不能準(zhǔn)確反映能量交換和消耗的強(qiáng)度，并且在一般電路中，視在功率并不遵守能量守恒定律。 從上式（ ）（ ），（ ） 可以看出，無功功率，有功功率，視在功率在數(shù)值時上滿足如下關(guān)系： 2 2 2s p Q?? 在正弦波網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)負(fù)載為感性時，線路電壓相位會超前線路的電流相位，即此時? 0。無功功率 Q0，我們說網(wǎng)絡(luò)“吸收”感性無功功率，也可以說是“發(fā)出”容性無功功率；當(dāng)負(fù)載為容性時， 線路電壓相位會滯后線路的電流相位，即此時 ? 0，無功功率 Q0，我們說網(wǎng)絡(luò)“吸收”容性無功功率，也可以說是“發(fā)出”感性無功功率。無功功率的“發(fā)出”和“吸收”不同于有功功率的發(fā)出和吸收，這只是一種習(xí)慣說法而已。 并聯(lián)電容器組補(bǔ)償無功功率的原理 . 在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，大部分負(fù)載為異步電動機(jī)。包括異步電動機(jī)在內(nèi)的絕大部分電氣設(shè)備的等效電路可看作是電阻 R和電感 L串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為： 22cos LRRX? ? ? （ ） 式中 LXL?? 給 R,L電路并聯(lián)接入電容器 C之后，電路如圖 2． 2所示。 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 圖 22并聯(lián)電容補(bǔ)償無功功率的電路和相量圖 a)電路 b)相量圖 (欠補(bǔ)償 ) c)相量圖 (過補(bǔ)償 ) 該電路的電流方程為： . . .c RLI I I?? （ ） 由圖 2． 2b的相量圖可知，并聯(lián)電容器后電壓 U與電流 i的相位差變小了，即供電回路的功率因數(shù)提高了。此時供電電流 i的相位滯后于電壓 u，這種情況稱為欠補(bǔ)償 。 若電容器 c的容量過大，使得供電電流 i的相位超前于電壓 u，這種情況稱為過補(bǔ)償，其相量圖如圖 2． 2c所示。通常我們并不希望出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)那闆r，因?yàn)檫@會引起變壓器二次側(cè)電壓的升高，而且容性無功功率在電力線路上傳輸同樣會增加電能損耗。如果供電線路電壓因此而升高，還會增大電容器本身的功率損耗， 使溫升增大，影響電容器的使用壽命。 永磁真空同步開關(guān)投切電容器組低壓無功補(bǔ)償裝置 本文闡述的低壓無功補(bǔ)償裝置采用并聯(lián)電容器組的方法，容量配置靈活，電容器的投切采用永磁真空同步開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電容器組的投入過程無涌流。系統(tǒng)的原理如圖 23所示。 系統(tǒng)中三相電容器組共接有三組，圖中只畫出其中一組?？刂破鳈z測電網(wǎng)的三相電壓和三相電流數(shù)據(jù)，對只要求三相共補(bǔ)的情況下，為簡化設(shè)計，控制器對電網(wǎng)電流數(shù)據(jù)的獲得也可以只采集一相電流的數(shù)據(jù)，其他兩相電流認(rèn)為與所采集相的電流相同。控制器根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀況和設(shè)定要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算 、處理和邏輯判斷，在需要的情況下蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 通過繼電器輸出控制信號 KM1KM6，進(jìn)而控制圖中的 KM KM2包括圖中未畫出的 KM KMKM