SVC无功补偿.doc

第一章 绪论1.1 课题背景随着现代电力电子技术的飞速发展，大量大功率、非线性负荷的接入电网中，使得电网供电质量受到了严重的威胁。特别是一些像电弧炉、轧机、整流桥等非线性和冲击性负荷的大量使用是导致电能质量恶化的最主要来源，造成了一系列严重的影响。理想状态的电力供应要求频率为50Hz，电压幅值稳定在额定值的标准正弦波形。在三相电网供电系统中，A、B、C三相电压电流的幅值大小相等、相位差依次落后120度。但当电力用户的各种用电装置接入电力系统后，电力供应由理想的电力供应变成了电压电流偏离这种状态的非理想状态。电网中的许多用电负荷都具有低功率因数、非线性、不平衡性和冲击性的特征，这些特征严重地危害着电网的电力供应，可表现在：电压值跌落或浪涌、各次谐波含量大、电压波形发生闪变、电压电流波形失真等，这样便出现了电能质量问题。由文献一把电能质量1可定义为导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差，其内容涉及有频率偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不平衡以及电压波动和闪变等。实际电网中的电能质量问题主要表现如下2：(1) 低功率因数，高电网损耗，高生产成本，低生产效率和较低设备使用安全性；(2) 无功负荷突变能直接引起电网供电电压降落与浪涌、电压波动和电压闪变，甚至能影响用电设备的正常使用与造成工农业生产的停产；(3) 非线性负荷的谐波电流造成电网电压畸变，它能导致如下结果：(a) 电力系统中继电保护及安全装置的误动作；(b) 电力电容器中通过的谐波及放大电网的高次谐波电流，使电容器过电流、过电压或者过温过热，造成电容器鼓肚现象，减少电容器的使用寿命、甚至会烧毁；(c) 造成电力变压器铁芯饱和，增加了铁芯损耗，引起变压器发热减少其使用寿命；(d) 造成各种用电设备发热；(e) 加速各种用电设备绝缘的老化与击穿，带来经济上的损失；(4) 造成电网三相不对称，造成中心线过电流，引起中心线过温。静止型动态无功补偿装置即Static Var Compensator( SVC )是目前国内外解决这一系列问题普遍采用的方法，在无功负荷接入点处接入SVC装置后，无功负荷冲击得到抑制、高次谐波得到滤除、三相电网得到平衡、PCC点电压得到稳定和提高了电力系统的稳定性。在实际应用中，将固定电容器和晶闸管控制电抗器 (Fixed Capacitor Thyristor Controlled Reactor 即FC+TCR )组合在一起，这种FC+TCR型SVC就可以在感性与容性的整个范围内进行无功调节。在FC的配合下，TCR通过在90180度的范围内改变晶闸管的触发角便能连续无级地调节SVC系统从电网吸收或者发出无功功率。实际上，这种通过调节晶闸管的触发延迟角来等效改变电抗器的感抗来实现无功动态补偿的，同时根据不同控制的要求，SVC可以实现补偿点的电压接近稳定在给定值（额定值），实现补偿点处的功率因数为给定值（一般要求0.95），实现补偿点处保留给定量的无功功率。SVC最重要的性质是稳定电网端电压，快速响应无功的变化以及能进行分相补偿无功能力，平衡三相电网。在大型的具有冲击性、快速负荷变化、非对称、非线性负荷的动态无功补偿领域得到了广泛的应用。SVC装置有效地抑制和改善这些负荷所引起的电能质量问题，在解决电压畸变、电压波动和闪变问题上，具有着显著的作用。所以近年来，SVC在世界范围内其市场一直在迅猛地发展，目前已经在静止无功补偿领域特别是在高压输配电系统中占据了主导地位23。与SVC相比，静止无功发生器(SVG)调节速度更快且不需要大容量的电容电感等储能元件，谐波特性好，同容量占地面积小，在系统欠压条件下仍能容易实现给定的无容功率，可以等效成一个受控电流源，无功调节能力强。正是由于这些优点，SVG在改善系统电压质量，提高电力系统稳定性方面具有SVC无法比拟的优点。尽管在理论上拥有这些无法比拟的优势，但是限于目前全控型电力电子器件的耐压电压、电流水平，要做到大容量的补偿装置，成本太高4。因此，目前广泛应用于国内外输配电系统中的无功补偿装置依然是SVC，它在无功补偿、平衡电网电压、改善电压闪变与波动等方面具有优秀的性能，单位容量的价格低廉等特点，在下面各场合中得到了广泛的应用。(1) 电弧炉电弧炉是一种在电网中最为典型的非线性及非对称负荷，当电弧炉接入电网后，对电网造成了一系列负面的影响，而且在电弧炉的不同工作阶段对电网的影响也是不同的，其影响具体如下：导致电网的严重三相不对称，产生负序电流和高次谐波（包括奇次与偶次谐波），严重时能导致电网电压发生畸变和产生电压的闪变，导致电网中功率因数偏低。根据电弧炉的负荷特点，采用普通的静态补偿装置是难以满足补偿的要求的。用户可以利用SVC具有快速响应速度的优越特性来解决上述问题，SVC系统通过检测电弧炉负载瞬时消耗的无功电流，并同时提供等值的无功电流来来满足其无功的消耗，从而避免了直接从电力系统中获取，实现了稳定电网PCC点处母线电压，增加冶炼装置有功功率的输出，提高冶炼效率和产品的合格率，并且能有效地减少电压闪变对别的电力用户的影响。SVC同时还具有的分相补偿负荷的能力，可以消除对电网造成的三相不平衡，固定滤波支路在滤除特定高次谐波的同时向电力系统提供无功功率，这样可以提高了系统的功率因数。(2) 轧机等大型电机型的对称负载这些电机类负载的主要特点是：易引起电网电压降落和电压波动，尤其是在电机的启动与制动过程中消耗大量的无功功率，对电网造成比较大的冲击，甚至会使附近的电气设备不能正常工作。一般传动装置中会产生6K1次谐波，导致电网电压发生严重畸变。当安装SVC系统后，便可以有效地解决上述问题，稳定交流母线电压，提高系统功率因数。(3) 城市二级变电站在区域电网中，系统无功的补偿与功率因数的改善一般都采用分级投切电容器组的方式，由于电容器组只能有级地向系统提供无功功率，这就意味着：第一，此方式不能随负载的微小变化来实现相应的快速精确无功补偿；第二，当电网轻载的时候，由于架空线之间的电容效应，使得电网母线末端电压升高，此时无法消耗电网中过剩的无功功率来降低母线末端的电压值；第三,当电网中功率因数很高的时候，易向电力系统倒送无功，抬高了系统母线电压，对电力设备安全及其系统稳定性造成了威胁，甚至可能会击穿电力设备的绝缘，造成了经济损失。SVC系统能够准确快速地进行无功补偿、稳定母线电压、提高功率因数的同时并能解决无功倒送问题。(4) 远距离电力传输在世界范围内，已经无数次证明了SVC可以显著提高电力系统输配电性能，在不同的电网条件下，在电网中适合的位置安装SVC系统可以保证一个平衡的电压，可以稳定系统电压、减少电力传输线路损耗、提高输电线线路传输能力，让现有电网发挥出更高的效率、提高瞬变稳态极限、增加小干扰下的阻尼、增强电压控制及稳定性。(5) 电力机车供电目前电力机车的供电一般采用单相供电方式，而单相负荷就造成了供电网的严重三相不对称和低功率因数。在铁路沿线两侧安装SVC系统是目前解决这一问题的有效方法，利用SVC系统具有分相补偿和快速补偿的特点来平衡三相电网，并利用FC支路来提高电网功率因数。1.2 国内外研究现状电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的无功补偿装置推上了电力系统无功控制的历史舞台。世界上第一台实用SVC是由美国GE公司制造，1977年安装在Tri-state G&T系统，主要用于电压控制方式。在美国电力研究院 (EPRI)支持下，1978年西屋电气公司采用晶闸管控制的静止无功补偿装置在明尼苏达州的动力与照明系统投入实际运行。20世纪80年代，西屋公司为加拿大和新墨西哥分别提供了一套250Mvar和300Mvar的武功补偿装置。90年代，基于TCR的SVC装置在国外电力系统中得到相当广泛的应用。ABB,BBC,Siemens和三菱等大公司也分别展开TCR和TSC装置方面的研究。日本1972年引进SVC技术，截至2001年共生产SVC装置264台，总容量达到9018Mvar。英国国家电网也有32套各种SVC装置在输电网中运行。经过三十多年的发展，SVC在国外已是很成熟的技术，其应用领域包括输配电系统、高压直流输电(High Voltage Direct Current HVDC)换流站的无功补偿和抑制电弧炉等大型冲击负载造成的电压波动等89。在SVC的研制方面都具有较为成熟的几个著名电气生产商中，以ABB公司的市场份额最大，至2005年ABB公司共提供近400套SVC装置并且每年继续提供大约8套左右的SVC装置1011。经过对国外技术20年的消化吸收，国内的像中国电科院电力电子公司、西安整流器厂、鞍山荣信公司已经具有生产SVC产品的能力。但在技术水平上，国内这些厂商与国外大公司相比仍让有一定的差距，凭借在价格上有较多的优势，在国内的无功补偿领域得到了较多的使用。目前国内市场中的SVC有：1982年的武汉凤凰山2套60MvarSVC系统; 1987年的广东江门1套170 MvarSVC系统；1988年株洲云田1套120MVarSVC系统;1988年郑州小刘1套135MvarSVC系统；1990年，沈阳沙岭1套105MvarSVC系统。运行在钢铁行业的SVC系统有使用ABB技术的河南平顶山钢铁公司；ABB技术的河南安阳钢铁厂；ABB技术的天津钢管公司；西门子技术的韶关钢铁厂，西门子技术的武汉硅钢厂，ABB技术的本溪冷轧板厂和使用西门子技术的宝钢冷轧板厂。2002年，变流技术国家工程研究中心也开始了静止无功补偿器的研究，在2005年成功开发出TSC和TCR控制平台，采用了全数字化控制、热管冷却、综合自动化技术和光电触发技术，并将其成功应用于电气化铁道无功补偿1213。目前，国内对SVC的研究取得一些进步，但对于大容量的SVC仍然不具备生产能力，尤其是对一些核心技术和关键部分的缺乏系统集成能力。近几年随着晶闸管控制技术的日趋成熟，产品价格大幅度降低，由于受到单个器件的耐电压和耐电流能力的限制，对于高压系统来说，单个器件的耐压值是满足不了要求的，所以晶闸管需要串联以承受高压，这样使得主电路的结构变得复杂，控制难度也大幅的增加，而由于晶闸管串联带来的动态与静态均压、各种保护等问题，进一步增加了主电路与控制部分的复杂程度，同时使得控制器需要处理的数据量和控制实现的难度大幅度增加。此外，由于晶闸管阀组的工作损耗导致的温升需要采用复杂的冷却技术来保证其安全，目前国内外大容量的SVC系统中一般应用水冷及热管技术，不仅成本很高而且体积大，给安装和运输带来一些困难，国产SVC装置在高压配电系统中仍难以得到大规模的推广与应用。设计出控制精确、响应速度快，主电路结构简单、性价比高、运行稳定的SVC装置已成为无功补偿行业的当务之急。1.3 本文主要研究内容根据当前国内的无功补偿领域的需求出发，本文设计出一套容量为65Kvar、电压等级380V的低压FC+TCR型SVC试验装置，以应对负载变化时实现动态无功补偿。考虑到实际使用过程中控制策略的不同，本文设计时采用了电压控制模式、功率因数控制模式、无功控制模式。使用时只需要选择相应的控制模式，SVC系统就能自动按照相应的模式进行精确的控制。在参阅了大量文献的基础上，并对目前比较通用的电压闭环装置基础上进行了改进，设计出电压闭环导纳开环的双环控