（电工理论与新技术专业论文）一种新型静止无功补偿装置设计.pdf

堕垒堡些三查兰三兰堡兰耋竺篁兰 t h ed e s i g no fn o v e ls t a t i cv a rc o m p e n s a t o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ne l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ， r e a c t i v ec o m p e n s a t i o ni sn o to n l ya ni m p o r t a n ts h b i e c tt o u c h i n gu p o ne l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，p o w e rs y s t e m ，e l e c t r i c a la u t o m a t i o n ，a n dt h e o r yo f e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，e t c ，b u ta l s oo n eo ft h ef o c u sp r o b l e m si nr e c e n ty e a r s a n o v e ls t a t i cd e v i c eo fv a rc o m p e n s a t i o ni s p r e s e n t e d i nt h et h e s i s ，b a s e do n r e s e a r c ho fv a rc o m p e n s a t o r sa th o m ea n da b r o a d t h ec o m p e n s a t i o nd e v i c ei ss h u n ts t a t i cv a rc o m p e n s a t o rw h i c hi n c l u d e s4 m a i np a r t s ：m a i nc i r c u i t ，m e a s u r i n gc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n dd r i v ec i r c u i t t h e m a i nc i r c u i ti n c l u d e s p a r a l l e l f i x e d c o m p e n s a t i n g c a p a c i t o r ，v a r i a b l e c o m p e n s a t i n gi n d u c t o ra n di g b t ，e t c t h em e a s u r i n gc i r c u i tc a na c h i e v er e a l t i m er e a c t i v ep o w e rt ob ec o m p e n s a t e db yu s i n gh a r d w a r eo p e r a t i o n s ，s u c ha s m u l t i p l i c a t i o na n ds u m m a t i o n t h ed e v i c e c a nr e a l i z et r a c i n gc o m p e n s a t i o n ， b e c a u s ep w m p u l s ei sp r o d u c e di nt h ec o n t r o l c i r c u i t t h ee l e c t r i cc u r r e n ta n d v o l t a g ea r ec l o s et ot h ep h a s ea f t e rc o m p e n s a t i n g ，n a m e l yt h ep o w e rf a c t o ri s c l o s et o1 ，s ot h ep u r p o s eo fd y n a m i cv a rc o m p e n s a t i o ni sa c h i e v e d t h ec h a r a c t e r i s t i c si nt h ec i r c u i td e s i g n e da r ea sf o l l o w s ：i g b q lt h a ti su s e d i nt h em a i nc i r c u i th a sg o o di m p r o v e m e n ta tp e r f o r m a n c et h a ns c rt h a ti su s e d i nt h ep a s t ，a n dn u m b e ro fi g b tu s e di sf e w e r i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r c a l c u l a t e di nt h em e a s u r i n gc i r c u i ti sb a s e do ni n s t a n t a n e o u sv o l t a g ea n d i n s t a n t a n e o u sc u r r e n tv a l u eo ft h es u p p l yp o w e rl i n e t h ec a l c u l a t i n gm e t h o di s s i m p l e ，e a s yt or e a l i z e t h ec o n t r o lc i r c u i th a sa d o p t e dh i g ho p t i c a lc o u p l e rt h a t m a k e st h em a i nc i r c u i ta n dt h e c o n t r 0 1c i r c u i ti s o l a t e a n dh a sa d o p t e dp w m c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y t h et e c h n o l o g yc a np r o d u c tl e s sh a r m o n i cw h i l et r a c i n g c o m p e n s a t i o nr e a c t i v ep o w e ro fe l e c t r i cn e t w o r k t h eb a s i c p r i n c i p l e o ft h e d e s i g n e d d e v i c ec i r c u i th a sb e e ns i m u l a t e d t h r o u g hs o f t w a r eo r c a d ，a n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n th a sb e e nf i n i s h e df o rt h e e x p e r i m e n t a ld e v i c ei nt h i st h e s i s ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts h o wt h a tt h eb a s i c p r i n c i p l ea n dm e t h o da r et o t a l l yf e a s i b l ea n de f f e c t u a l t h ed e v i c ed e s i g n e dw i t h t h i sm e t h o di sn o to n l ys u i t a b l ef o rt h el o w v o l t a g e ，h i g h v o l t a g er e a c t i v ep o w e r 堕堡堡堡三查兰三兰堡圭耋堡丝兰 o f p o w e rs y s t e m ，a n db u tc a nr e a l i z es p l i t p h a s er e a c t i v ec o m p e n s a t i o n k e y w o r d s r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n ；i n s t a n t a n e o u sp o w e r ；p w mc o n t r o l 。i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文一种新型静止无功补偿装霄设 计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己发表或撰 写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：言1 纳年 同期：p 以年弓月惕日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 一种新型静止无功补偿装置设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大 学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子 版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。可以公邗论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密固。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：毒j 砷! 开期：如6 年弓月，a 同 名：裁k 彳慨俐年罗月乃同 哈尔演理丁大学 学硬+ 学位论文 第1 章绪论 本章阐述了电力系统无功补偿的重要意义、发展史和现状，详细分析了 几种无功补偿装置的原理、结构及其优缺点，并对本文的主要内容、方法作 了介绍。 1 1 课题背景 供电系统的主要任务是输送有功功率，而为了实现有功功率的传输，一 般也需要输送一定量的无功功率。在工业用电中，异步电动机和变压器所需 要的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。此外，电力 系统中的电抗器和架空线、电力电子装置等非线性装置、日常生活中的日光 灯、以及工业用电弧炉等也都需要一定的无功功率。无功功率使得这些装置 的功率因数往往很低，不仅给电网带来额外负担并影响供电效益。因此，如 何快速、有效地补偿无功功率问题的研究已经成为理论电工、电力电子技术 等领域的重要课题。 有功功率与视在功率的比值称为功率因数，无功功率的存在使功率因数 降低，造成如下影响： ( 1 ) 当有功功率不变时，功率因数低，使发电机和变压器的容量增大，不 能充分发挥原有供电设备的效率； ( 2 ) 在线路输送有功功率相同的情况下，功率因数低，使线路中的电流增 加，电压损失增加，给感应电动机的启动、运行造成困难，导致供电质量下 降。若增大导线截面积，相应的增加了有色金属的消耗量； ( 3 ) 当电网电压及有功功率不变时，功率因数低，使输电线路中的无功电 流增大，功率损耗增加，引起发电机端电压的下降【1 】i ”。 无功功率补偿有以下几方面的作用： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗； ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线合适的地 点设置动态无功功率补偿装置，还可以改善系统的稳定，提高输电能力； ( 3 ) 在电气化铁道等三相负载的场合，通过适当的无功补偿，可以平衡三 相的有功及无功负载i ，l 哪。 从我国电力系统所处的发展阶段来看，正处于发展时期。虽然我国总装 哈尔滨理_ 大学_ 学硕七学位论文 机容量已跃居世界第二，但全国( 大陆部分) 人均拥有的装机容量还只是世 界平均水平的l 3 。不及发达国家水平的1 1 0 ，还有约80 0 0 万边远农村人口尚 未用上电，严重的缺电局面决定了我们必须保持高的电力增长速度为国民经 济发展保驾护航；资金不足的客观事实决定了我们必须采用适合中国国情的 高新技术，在加强一次系统电源和电网建设的同时，更多地靠“二次” 或新的控制来弥补“一次的不足”我国各大电网几乎无例外地缺乏有效的无 功和电压调节手段，因而带来一系列安全、经济与制约输电能力的问题，迫 切需要寻找高投资效益比的新出路阁 世界上一些大停电事故1 6 l 川又表明现代电力系统在一定意义上讲还是相当 脆弱的动态大系统。因此现代电力系统必然成为各种新技术竞相被引入和渗 透的交汇点。 鉴于无功功率的影响、无功功率补偿的作用和现有电力系统的状况和补 偿装置的优缺点，强烈需要寻求一种能综合现有多种补偿装置的优点，且成 本较低的静止无功功率补偿装置。该补偿装置通过实时检测供电系统需要补 偿的无功功率，对系统进行跟踪补偿。本课题就是在此基础上提出的。 1 2 无功功率补偿的历史与现状 1 2 1 无功功率补偿的分类 无功补偿可以分为串联补偿和并联补偿，欧美一些国家普遍采用串联补 偿来提高输电线的传输能力，但我国至今投入运行的串联补偿装置甚少，而 是采取并联补偿的方式串联补偿的目的在于控制线路的阻抗参数，并联补 偿的目的在于控制线路的电压参数 8 1 。 并联补偿按补偿对象不同可分为负荷补偿和系统补偿两类。 负荷补偿通常是指在靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补 偿，其目的是提高负荷的功率因数，改善电压质量，减少或消除由于冲击性 负荷、不对称负荷和非线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不 平衡及电压和电流波形畸变等危害。负荷补偿可分为静态补偿和动态补偿既。 静态补偿即根据三相负荷的平衡化原理，通过在负荷点串、并入无功导纳网 络，把三相不对称负荷补偿成对于供电系统来说是三相对称的。该方法优点 是结构和控制简单、造价低，缺点是对于工业电弧炉、电焊机等动态负荷难 以达到理想的补偿效果真正意义上的不对称负荷动态补偿是从1 9 7 7 年 g r a n d p i e r r e 提出分相控制的静止无功补偿器( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ，s v c ) 的 方法后开始的。分相控制的s v c 能根据系统的实际情况，通过调整可控硅触 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 发角来改变s v c 的各相补偿度，从而达到补偿负荷负序分量和调整负荷功率 因数的目的。因此，该方法一提出就受到了普遍关注【j ” 系统补偿通常指对交流输配电系统进行补偿，目的是维持电网枢纽点处 的电压稳定，提高系统的稳定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流， 降低线损等。 i e e e 定义了两个专门的术语来表述综合的并联无功补偿技术，其一是静 止无功发生器( s t a t i cv a tg e n e r a t o r ，s v g ) ，定义为能向电网提供可控的容性 和，或感性电流从而发出或吸收无功功率的静止电力设备、装置或系统；其二 是“静止无功补偿系统”( s t a t i cv a ts y s t e m ，s v s ) 定义为不同的静止补偿器 以及机械投切电容器电抗器相结合并可协调操作的综合体。静止无功补偿器 s v c 和静止同步补偿器s t a t c o m 都属于s v g ，s v s 的范围更广，不但包括 了具有良好可控性的s v g ，还包括了机械开关切换的电容器和电抗器。 1 2 2 无功功率补偿的发展史 早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ， s c ) ，它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况 下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自二三十年代以来的几 十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。但是 在目前现场只有少量应用，原因为它是旋转电机，损耗和噪声都较大，运行 维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的 要求1 1 2 】【1 3 】 最初的静止无功补偿装置是饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) 1 1 ”。 1 9 6 7 年，英国g e c 公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装 置。此后，各国厂家纷纷推出各自的产品。饱和电抗器与同步调相机相比， 具有静止型的优点，响应速度快：但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而 损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节 以补偿负荷的不平衡，所以没有占据静止无功补偿装置的主流。 并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点，按电容器安 装的位置不同，通常有三种补偿方式：集中补偿、分组补偿、就地补偿。若 能将三种补偿方式统筹考虑、合理布局，可取得很好的技术经济效益。 集中补偿是电容器组集中装设在企业或地方总降压变电所的6 1 0 k v 母 线上，用来提高整个变电所的功率因数，使该变电所的供电范围内无功功率 3 - 略尔滨理 - 大学t 学硕士学位论文 基本平衡。可减少高压线路的无功损耗，而且能够提高本变电所的供电电压 质量。 分组补偿是将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或村镇终端配电 所高压或低压母线上。这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅无功补偿容 量和范围相对小些。但是分组补偿的效果比较明显，采用得也较普遍。 就地补偿是将电容器或电容器组装设在异步电动机或电感用电设备附 近，就地进行无功补偿。这种补偿方式既能提高用电设备供电回路的功率因 数，又能改善用电设备的电压质量，对中、小型设备十分适用。 并联电容器的缺点之一是补偿容量与供电电压平方成正比，而其更为严 重的缺点是与谐波之间的相互影响，对谐波有放大作用。但是由于并联电容 器在其它方面的优势所致，在我国仍然是主要的无功补偿方式，并已逐渐取 代同步调相机。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，使得用晶闸管的静止无 功补偿装置占据了主导地位。 静止无功补偿器( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ，s v c ) 是使用晶闸管来快速调 整并联电抗器的大小及投切电容器组。可以调节系统电压，阻尼功率振荡， 改善电力系统的稳定性，增加输电线路输电能力，并减少能量损耗【。 s v c 的种类按结构划分包括晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e d r e a c t o r ，t c r ) 和晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ，t s c ) ， 以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者晶闸管控制电抗器与固定电容器 ( f i x e dc a p a c i t o r ，f c ) 或机械投切电容器( m e c h a n i c a l l ys w i t c h e d c a p a c i t o r ，m s c ) 混合使用的装置( 如t c r + f c 、t c r + m s c 等) 。国内外有 关文献对s v c 装置及其应用作了充分的剖析1 1 q l ”】。 t c r 的单相基本结构就是两个反向并联的晶闸管与一个电抗器相串联， 而三相多采用三角形联结。这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的 交流侧调压电路的结构。触发延迟角在9 0 。- 1 8 0 。之间时，晶闸管为部分导 通，导通角 以) 时，s t a t c o m 装置吸收的无功功率q 吨此时s t a t c o m 装置相当于电容。由 于s t a t c o m 装置产生的电压口，的大小可以连续快速地控制，因此 s t a t c o m 吸收的无功功率可以连续地由正到负快速地调节。 s t a t c o m 与s v c 相比具有如下优势1 2 7 1 辨1 2 9 1 ： ( 1 ) s t a t c o m 装置输出的无功功率与系统电压成比例，而s v c 装置输出 的无功功率与系统电压的平方成正比，因此在电力系统电压下降时， s t a t c o m 装置输出无功功率的能力比s v c 装置强。 ( 2 ) s t a t c o m 装置由于可以等效为可控的电流源，接入系统后不会改变 系统的阻抗特性，因此不存在谐振问题。 ( 3 ) s t a t c o m 装置中逆变器输出的电压谐波含量较低，一般情况不需要 安装滤波器。 ( 4 ) s t a t c o m 装置无需大容量的交流电容器和电抗器，因此占地面积 小 ( 5 ) s t a t c o m 装置的响应速度比s v c 装置快 ( 6 ) 在故障条件下，s t a t c o m 比s v c 具有更好的控制稳定性。 ( 7 ) s t a t c o m 具有优良的可扩展性。 ( 8 ) s t a r c o m 运行过程中电磁噪声显著降低。 由以上概述可知，补偿无功功率的方法先后采用了同步调相机、并联电容 器、静止无功补偿装置( s v c 、s v g 、s t a t c o m ) 等。表1 1 示出了各种无 功功率动态补偿装置的简要对比 啥尔滨理工大学t 学硕十学位论文 表1 1 各种无功功率补偿装置的简单对比 t a b l e l 一1s i m p l e c o m p a r i s o no f v a r i o u sv f i c o m p e n s a t o r s 装置 混合型 弋 同步饱和 晶闸管控静止同 调相机电抗器 制电抗器 晶闸管投静止补偿器静止无功 步补偿 ( t c r 或 切电容器 ( t c r + t s c 发生器 项目 ( s o ( s r ) ( t s c ) 或( s v g ) 器( s t - t c r + f c ) a t c o m ) t c r + m s c ) 响应 慢较快较快较快较快快 快 速度 吸收 连续连续 连续 分级连续 连续连续 无功 控制简单不控较简单较简单较简单复杂 复杂 谐波 无 大大无大 小小 电流 分相 有限不可可以有限可以可以 可以 调节 损耗大较大 中 小 小小小 噪声大大小小小小小 1 2 3 无功功率补偿技术的现状和发展方向 目前，电力系统和工业企业中应用最多的无功补偿设备是s v c 。截止到 2 0 0 0 年，全世界已有超过4 0 0 套、总容量约为6 0 0 v a r 的s v c 在输配电系统 中运行；全世界已有超过6 0 0 套、总容量约为4 0 g v a r 的s v c 在工业部门使 用。我国的输电系统中有6 套容量为1 0 5 1 7 0 m v a r 的s v c 安装在5 个5 0 0 k v 变电站，均为进口；工业用户安装了1 0 0 多套s v c ，约有1 5 是进口的。从 2 0 0 1 年起中国电力科学研究院已为工业用户提供了2 6 套l o 3 5 k vt c r 型 s v c 新平台，1 0 k vt s c 型s v c 装雹于2 0 0 1 年、2 0 0 3 年在变电站分别投入 运行，填补了s v c 国内工程化应用的空白p 0 。而s t a t c o m 装置是基于变流 器的无功功率补偿装置，其技术是所有基于变流器的f a c t s 装置的基础，已 经获得了广泛的重视。世界上各大著名的电气设备制造商( 如西门子公司、 a b b 公司、阿尔斯通公司、g e 公司、三菱公司等) 都开发了s t a t c o mt 业 装置产品。1 9 9 9 年我国清华大学也开发了2 0 m v a rs t a t c o m 装置，且在河 南电网成功投入运行。s t a t c o m 装置在国际上已有几十套示范工程投入使 用，单套容量已达到2 0 0 m v a r ，该技术正在逐渐成熟。 从无功功率补偿装置的应用来看，s v c 装置因为控制简单、价格低，能 满足大多数用户对于无功功率补偿的需要，因此应用最为普遍，目前在电力 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 系统和工矿企业用户中拥有广大的市场，是并联无功补偿的主要应用装胃。 国内外对s v c 的研究仍在继续，研究的重点集中在控制策略上，试图借助于 人工智能提高s v c 的性能。而采用可关断器件的s t a t c o m 装置，由于历史 和价格的原因，目前在国内外应用并不多。然而s t a t c o m 是性能最优的无 功补偿装置，是f a c t s 的核心，值得加强研究和推广使用嗍。 1 2 4 课题研究的目的 该课题研究的目的是研制一种新型的并联无功功率补偿装置。该装置能 够连续地调节供给电网无功功率的大小，而不产生谐波。并且具有造价低， 操作简单的优点。 1 3 课题研究主要内容及方法 研究主要内容： ( 1 ) 研究利用瞬时电压、电流测定无功功率的方法； ( 2 ) 研制利用瞬时电压、电流测定无功功率的硬件电路模块； ( 3 ) 设计一个新型的无功补偿主电路； ( 4 ) 选择主电路中的电力电子器件，确定电力电子器件的驱动方法，研究 电力电子器件的过压、过流等保护形式； ( 5 ) 确定补偿装置的控制回路； ( 6 ) 利用o r c a d 软件对新型补偿装置进行模拟仿真； ( 7 ) 搭建实验装置进行模拟实验。 研究方法：利用m a t l a b 提供的动态仿真工具s i m u l i n k 对所提出的无功 功率检测方法进行仿真分析；利用o r c a d 中的p s p i c e 的仿真功能进行装置 的电路仿真设计，对补偿装置应能达到的性能进行验证。 ：堡耋矍：盔茎二兰：茎竺兰三 第2 章无功功率理论 2 1 无功功率理论的研究历史 目i ； 功率理论包括平均值功率理论( 或称有效值功率理论) 和瞬时功率 理论，前者主要是基于电压、电流的有效值及它们之间的相位角而定义的， 后者则是基于电压、电流的瞬时值而定义的，两者之间既相互区别又相互联 系。 学术界有关功率理论的争论可以追溯到本世纪2 0 和3 0 年代，1 9 2 7 和 1 9 ；1 年b u d e a n u 和f r y z e 最早分别提出了功率在频域和时域定义的方法m l 洲，在电工界的影响最大，它们至今还被广泛应用。b u d e a n u 提出的频域方法 是棒畸变的电压和电流分解为傅立叶级数形式，在此基础上定义了有功、无 功及畸变功率，有功、无功及畸变电流。该方法的缺点是无功功率的定义没 有明晌的物理意义，且不便直接铡量，在非1 下弦条件下无功功率的定义根本 不能正确反映电源与负载日j 的能量往返现象【“。f r y z e 提出的功率时域定义方 去是将负荷电流分解为两个正交分量，即与电源电压波形完全一致的有功电 氚分量彝1 以负荷电流与有功电流分量之差为定义的广义无功电流分量。该方 凌的缺点，黾用它检测出的广义无功电流的瞬时值至少有一个周期以上的时间 延迟，且改方法主要是针对单相电路提出的f 3 6 ) 。以后又有各种定义和理论不 断出现。8 0 年代以来，新的定义和理论更是不断推出。1 9 8 4 年a k a g i 提出了 广义瞬时无功功率。该理论的基本思想是首先定义了基于直角坐标系下的瞬 时有功和瞬时无功，并由此推导出瞬时无功及谐波电流。基于该理论的检测 方法可以全部采用模拟电路实现，时间延迟仅决定于低通滤波器的性能，具 有较好的实时性。缺点是该方法仅适用于三相电压波形对称且无畸变、电流 不含零序分量的场合i 】。自1 9 9 1 年以来，已多次举办了专门讨论非正弦情况 下功率定义和测量问题的国际会议，但迄今为止。尚未找到彻底解决问题的 理论和方法。 新的理论往往是解决了f i 人未解决好的问题，同时却又存在另一些不 足，或引出了新的待解决的问题。对瓤提出的功率定义和理论应有如下要 求： ( 1 ) 物理意义明确，能解释实际系统中的各种功率现象，适用于单相或多 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 相、对称或不对称，及正弦或非正弦电路，且能被工程界理解和接受； ( 2 ) 能用于谐波或不对称源及其对功率贡献的辨识和分析，利于制定谐波 和不对称源的管理和收费的标准； ( 3 ) 能用实际计量设备实现对各量的检测，从而实现对电能的管理和收 费； ( 4 ) 能被用于谐波和无功功率的补偿，利于功率因数的提高。 本文所论述的无功功率的检测方法是基于瞬时无功功率理论，根据供电 系统电压、电流的瞬时值，通过移相、乘积、求和、比例运算、低通滤波得 到实时无功功率口的大小。检测电路的实现方法简单、实用。 2 2 传统功率理论 传统的功率理论是以平均值为基础定义的，该理论指出：在正弦交流电 路辛，无功功率是由储能元件电感或电容引起的，电感的磁场和电容的电场 在个周期的一部分时间内从电源吸收能量，另一部分时间内将能量返回电 源。在整个周期内电感或电容吸收的平均功率为零，即没有消耗能量，能量 在电源和电感或电容之间来回交换。 2 2 1 正弦电路的功率定义 输入任何一端口的瞬时功率p 等于端口的瞬时电压和瞬时电流乘积”。 如图2 一l 所示的一端口有： -p=“f( 2 1 ) n 图2 - 1 功率定义框图 f i g 2 1d i a g r a mo f p o w e rd e f i n i t i o n 在正弦稳态的情况下，设正弦电压和电流分别为 ”：助s i n c o t i = x 2 i s i n ( c o t 一妒) 式中伊= 丸一妒，为一端口电压、电流的相位差。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 堕堡堡矍三奎兰三兰堡尘兰堡篁兰 - i = 2 u i s i n o t s i n ( t o t 一妒1 = u l c o s p u l c o s ( 2 甜t 一妒) ( 2 - 4 ) = = u l c o s 妒( 1 - c o s 2 t ) u 1 s i n i os i n 2 c o t 由( 2 4 ) 式可知，瞬时功率p 有恒定分量u l c o s 妒和正弦分量 一u c o s ( 2 c o t p 1 两部分构成，正弦分量的频率是电压( 或电流) 频率的两 倍。 瞬时功率的实用意义一般不大。为了充分反映正弦电路能量交换的情 况，定义如下3 种功率： 1 ) 3 蝴j j p ，又称有功功率 p 竺；f p d t = ；r w 【c o s 妒- c o s 一妒凇 ( 2 - ，) = u l c o s 妒 这里r = 竺为周期。 有功功率代表电路实际所消耗功率的平均值，式( 2 5 ) 表明有功功率就是 式( 2 j 4 ) 中的恒定分量。它不仅与电压、电流有效值乘积有关，而且还与它们 之间的相位角有关。其中c o s 妒称为无源一端口网络的功率因数。 奎、无功功率q q = u i s i n p ( 2 - 6 ) 无功功率的存在是由于电路中的储能元件( 电感或电容) 有能量与外部 路来进行交换而产生的。 视在功率s 州 s = w ( 2 7 ) 电机和变压器的容量是由它们的额定电压和额定电流来决定的，因此往 往可以用视在功率来表示。 对于正弦三相对称线性系统，由( 2 5 ) 式及三相对称系统各相电压和电流 的关系得三相对称线性系统的瞬时功率为 p ，。0 ) = p 。( f ) + p 。o ) + p 。0 ) = 3 v l c o s c p ( 2 8 ) 其中，p o ( f ) 、仇o ) 和p c o ) 分别为a 拈三相的瞬时功率。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 由公式( 2 - 8 ) 可以看出三相对称线性系统的瞬时功率为一直流量，该量等 于每相平均功率之和。此时三相瞬时无功之和等于0 ，但每相无功仍然存在， 并在三相之间流动。利用类似单相正弦电路无功功率的定义方法将三相系统 的无功定义为： q 3 。= 3 v i s i n p( 2 9 ) 2 2 2 非正弦电路的功率定义 在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、无功功率和视在功率的定义均 和正弦电路相同。有功功率仍为瞬时功率在一个周期内的平均值。 非正弦周期函数可用傅立叶级数表示，故其有功功率p 为 p = 亭f “础= 喜u c 。s ( ：_ ，。) 电压和电流的有效值分别为 此 ， s = ：u = = 雁晖 = 鼯 蹂再 ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 定义无功功率为 q ，= 【，。s i n 。 ( 2 - 1 4 ) n = l 这里g 是由同频率电压电流正弦波分量之间产生的，它己没有度量电源 和负载之间能量交换幅度的物理意义了。但是因为q ，的定义可看成正弦波情 况下定义的自然延伸，所以它仍被广泛采用。 竺笙茎耋：耋兰二茎竺! 兰竺竺苎。 在非正弦情况下，s 2 尸2 + 讲，故引入畸变功率d ，使得 s2 = p 2 + 9 ；+ d 2 与办不同，d 是由不同频率的电压电流正弦波分量之日j 产生的。 ( 2 1 5 ) 在公用电网中，通常电压的波形畸变都很小，而电流波形的畸变则可能 很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波，电流波形为非正弦 波时的情况有很大的实际意义。设正弦电压有效值为【，畸变电流有效值为 ，其基波电流有效值及与电压相角差分别为1 1 和识，以次谐波有效值为 ，。由于不同频率的电压电流之间不产生有功功率。故有如下定义： p = i c o s 妒l ( 2 - 1 6 ) q ，= u ls i n 纯 ( 2 - 1 7 ) s 2 = ，2 ，2 = u 2 ，? + u2 e ( 2 一1 8 ) = 2 d 2 = s 2 - p 2 一q ；= u2 露 ( 2 1 9 ) 2 在这黾，q ，、d 分别是基波电流和谐波电流所产生的无功功率。 从上述公式可知，基于传统的功率理论进行无功功率的补偿应先测得电 路的电压、电流的有效值和功率因数角，进行运算得到无功功率值，然后通 过控制电路控制无功功率发生器提供无功功率。由于运箅的复杂性，很难实 现真正的实时补偿。 2 3 瞬时无功功率理论 2 3 1 瞬时功率概念 电力系统的备种传统装置的响应速度多在数十毫秒到秒级，而新型的基 于电力电子开关的补偿装置的时间常数则在毫秒以至微秒级，如s t a t c o m 装置的时间常数为几毫秒，有源电力滤波器的时间常数约为l m s ，均远小于 电力系统2 0 m s ( 对于5 0 h z 系统而占) 的工频周期。由于传统的电力系统的 哈尔泞理t 大学t 学矽卜学付诊定 交流电流和电压的有效值、有功功率、无功功率的概念部是建立在工频周期 的基础上的，而对于时日j 常数小于一周期的f a c t s 装霄，采用上述功率定义 无法准确地描述装置在一个时日j 常数的时i b j 内肓功功率和无功功率的变化。 因而发展新的能准确描述功率、电压瞬时变化的瞬时育功功率、瞬时无功功 率、瞬时电压、电流等概念不但是分析研究带f a c t s 装胃的电力系统的必要 手段，也是为f a c t s 装置设计性能优良的控制器所必需的。 最早的瞬时无功功率概念是只本学者a k a g ih 于1 9 8 4 年提出的，目的是 为解决无功功率的快速补偿问题。基于上述思想的瞬时无功功率概念可以发 展为能够快速地描述电压、电流、有功功率和无功功率等参量的瞬时电压、 瞬时电流、瞬时正序、瞬时负序、瞬时有功功率和瞬时无功功率的理论，按 照习惯统称为瞬时无功功率理论”。 2 3 2 瞬时无功功率理论 a k a g ih 提出瞬时无功理论主要是解决如何快速计算无功功率，从而对其 进行快速补偿。核心是采用一个变换矩阵将三相电路的各相电压和电流瞬时 值变换到两相正交的口口坐标系上研究。具体的理论如下：只考虑三相三线 制的情形，将三相电压和电流变换为a 、b 分量。即 l 一三 2 o 巫 2 l 2 压 2 “口 耻 三，三弘 22 4 压 以r 了。了且。 由公式( 2 - 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 定义瞬时有功功率和膀时无功功率为 ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) l o ，。l 巨怕 = 1jk 峰l 呛托泞理tk 掌t 学妒+ 。学付论史 瞄 陪：， p 为有功电流与电压作用所产生的瞬时有功功率，q 为无功电流与电压 贮澎酶s i n ( c o m t + q k 。) 砌，3 ) 且 i o = 4 互1 ns i n ( t o t + t p , ) ) 删) 1；u“6。=,j-22uuxs3i沁n(cot+中。+一22“n733；且1i：=_、2i，；sin(cot+妒；。；+-2n3sin(cot 2 n 3 i c 4 2 1s i n ( o 。t 2 n 3 ；2 2 4 i ) l = + 妒。+) 忙彩j 嚣豫) 且1 伊i = x 扬 2 1 u s i n ( 。c o t + t o , ) ( 2 - z s ) ；u a i a + u 。i a ) = 3 u ，c o s h 叫“ ( 2 2 6 ) 妄0 p 屯一名) = 3 u 。，。s i n 如。一饥) 可见计算出的瞬时有功功率p 和无功功率口均为常数( 直流分量) ，而且 其值的大小与采用传统有功功率和无功功率计算的结果相同。值得注意的 是，这里计算有功功率和无功功率只要同一时刻三相三线制系统的三相电压 和电流的瞬时值，而传统的有功功率定义和无功功率定义却需要一个周期的 值才能计算出来。因此采用这种计算方法可以大大节省功率的计算时间。 上述计算结果是假定电压和电流均为基波正序时得到的。当系统受到污 染时，首先假定系统三相电压仍为基波i e 序，而电流受到污染，即电流不仅 存在负序分量，而且存在谐波分量，因为是三相三线制系统，因此仍然