无功功率补偿器设计

1、武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书目录摘要I1 绪论11.1 课题背景与意义11.1.1 无功功率的产生11.1.2 无功功率的影响11.1.3 无功补偿的作用11.2 国内外研究现状21.3 论文的主要研究内容32 SVG的基础理论42.1 无功功率和功率因数的定义42.1.1正弦电路无功功率和功率因数42.1.2 非正弦电路无功功率和功率因数42.2 无功功率动态补偿原理52.3阻抗补偿方案62.3.1 晶闸管投切电容器TSC62.3.2 晶闸管控制电抗器TCR72.3.3晶闸管控制串联电容器TSC82.4 电压源变流器型补偿方案82.4.1 无功功率发生器92.4.2 开关型串

2、联基波电压补偿器103静止无功发生器（SVG）的设计113.1 静止无功发生器(SVG)主电路113.2 无功电流检测电路143.3 无功控制电路154系统仿真及分析174.1 系统仿真模型174.2 仿真结果与分析19小结与体会23参考文献24无功功率补偿器（7000VA）设计1绪论1.1 课题背景与意义 1.1.1 无功功率的产生  在电网中由于大量感性负载的存在，使线路电压与线路电流在相位上存在一个角度差，这样就引出了无功功率的概念。无功功率是一个反映电源与负载间的能量交换的物理量，它的大小表明了电源与负载间能量交换的幅度，本身并不消耗能量。同时，

3、无功功率在系统中的流动对电力系统本身也产生了很大的影响。 在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大比例。异步电动机、变压器、荧光灯等，都是典型的感性负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占很大比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。感性负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。 近年来，电力系统中非线性用电设备，特别是电力电子装置的应用日益广泛，而大多数电力电子装置功率因数较低，工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率，也给电网带来额外负担，并影响供电质量。因此，提高功率因数已成为电力电子技术和电力系

4、统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。 1.1.2 无功功率的影响  (1) 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器等各种电气设备的容量和导线的容量增加。  (2) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。  (3) 线路和变压器的电压降增大。若是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。 (4) 功率因数降低，设备容量利用少。 1.1.3 无

5、功补偿的作用  无功补偿是维持现代电力系统的稳定与经济运行所必须的，它对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络中不仅大多数负荷消耗无功功率，大多数网络组件也要消耗无功功率。网络组件和负荷所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率由发电机提供并经长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。因此，合理的方法应当是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即进行合理的无功补偿。 无功补偿的作用主要有以下几点：  (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

6、质量。在长距离输电线路中合适的地点设置动态无功补偿装置，还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力；  (3) 在一些三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功功率及无功负荷1。 1.2 国内外研究现状  解决电力电子装置产生的低功率因数问题不外乎两种途径：一种是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波也不消耗无功功率，或根据需要对其功率因数进行调节；另外一种是装设无功补偿装置，如无功功率补偿器等，设法对无功进行补偿。前一种方法是对现有电力电子设备进行大规模更新，代价较大，并且只适用于作为主要谐波源的电力电子装置，因此有一定的

7、局限性。而后一种方法则适用于各种谐波源和低功率因数设备，并且方法简单，已得到广泛应用。  目前，使用较为广泛的无功补偿方法主要有以下几种。 (1) 同步调相机 同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，而且对变化的无功功率也能进行动态补偿。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率，提高系统电压；在欠励磁运行时，从系统吸收感性无功功率，降低系统电压。至今在无功补偿领域中这种装置还在使用，但其运行维护比较复杂，而且总体上说这种补偿手段已然落后。  (2) 并联电容器  设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传

8、统方法之一，目前在国内外得到了广泛应用。这种方法有集中补偿、分散补偿、就地补偿三种方式。设置并联电容器补偿无功功率具有简单、经济、方便等优点。但由于电容器供给的无功功率与节点电压成正比，当节点电压下降时，供给无功反而减少，其无功功率调节性能较差。但其维护比较方便，装设容量可大可小，既可集中使用，又可分散装设。在国内，补偿无功用的最多的办法是并联电容器。  (3) 静止无功补偿  静止无功补偿装置是相对于调相机而言的一种利用电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿（可提供可变动的容性或感性无功）的上网装置，简称静补装置或精致补偿器。1967年，第一台静止补偿装置在英国研

9、制成功后，受到世界各国的广泛关注，西德、美国、日本、瑞典、比利时、苏联等国竞先研制、大力推广，使得静止补偿装置比调相机具有更大的竞争力，广泛用于电力、铁道、科研等部门，成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系统过电压、改善运行条件的有效设备。  (4) 变流器模块  由于ASVG(Advanced Static Var Generator,新型静止无功发生器)的工作原理是建立在电压型变流器基础之上的，其基本构成单元是变流器模块，通常采用单相桥式二电平交流器，三相基本模块的器件利用率相同，所以单纯从器件利用率的角度，或者说从同容量装

10、置所需的器件最小数量的角度而言，三种结构是大体相同的2。 采用单相桥式变流器模块的明显优点是便于进行分相控制，这对于ASVG在系统电压不对称运行时，特别是不对称故障时的控制是一个重要的优点。 1.3 论文的主要研究内容  无功补偿是维持电网电压稳定，维护电流系统安全运行的重要手段。无功补偿技术是当前研究的热点之一。本文主要研究三相瞬时无功功率理论在电力系统无功补偿中的应用，主要包括： (1) 介绍了选题背景，通过对几种无功补偿装置的比较说明了本论文研究的必要性。 (2) 分析了ASVG的工作原理。 (3) 

11、;利用MATLAB进行了仿真试验，根据仿真结果讨论了新型静止无功补偿器的优越性能。2 SVG的基础理论2.1 无功功率和功率因数的定义2.1.1正弦电路无功功率和功率因数在正弦电路中，负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。设电压和电流可分别表示为：其中，是电流滞后电压的相角。电流分解为电压同相位的分量，和比电压滞后90°的分量。电路的有功功率就是其平均功率，即：=电路的无功功率定义为：工程上，把电压电流有效值的乘积作为电气设备功率设计极限，这个值也就是电气设备最大可利用容量，称为视在功率：有功功率和视在功率的比值为功率因数：2.1.2 非正弦电路无功功率和功率因数在含有谐波的非

12、正弦电路中，有功功率、视在功率、功率因数的定义和正弦电路相同。经傅里叶分解，有功功率P为：视在功率为其中，为第次谐波电压、电流有效值，为第次谐波电压与电流相角差，(=1,2,3)。含有谐波的非正弦电路中的无功功率情况非常复杂，至今没有被广泛接受。可以定义无功功率：其中，无功功率只反映了能量的流动和交换，并不反映能量在负载中的消耗。在这一点上，它和正弦电路中无功功率最基本的意义是完全一致的。因此，这一定义被广泛接受。但是，这一定义对无功功率的描述是很粗糙的，它没有区别基波电压和电流之间产生的无功功率。也就是说，这一定义，对于谐波源和无功功率的辨识，对于理解谐波和无功功率的流动，都缺乏明确的指导意

13、义。于是，为了更加清楚，也可以这样定义无功功率：其中，是由同频率电压和电流正弦波分量之间产生的，已没有度量电源和负载之间能量交换幅度的物理意义了3。2.2 无功功率动态补偿原理对电力系统进行快速的动态补偿，可以实现如下的功能：(1) 对动态无功负荷的功率因数进行校正，使其保持在一定范围内；(2) 改善电压，防止过电压和欠电压；(3) 减小电压和电流的不平衡；(4) 减少电压波动，抑制电压崩溃；(5) 减少谐波；(6) 提高系统的稳定极限值；(7) 提高系统三相平衡化，使系统三相平衡程度提高。2.3阻抗补偿方案2.3.1 晶闸管投切电容器TSC a）单相结构简图 b）电压电流特性图2-1晶闸管投

14、切电容器TSC(thyristor switched capacitor)电路如图2-1所示，通过控制晶闸管开关在电网上投切并联电力电容器C，改变电网负载的总阻抗性质。其中的两个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流的。因此，当电容器投入时，TSC的电压电流特性就是该电容的伏安特性，即如图1-1（b）中OA所示。电容器C从电网吸收容性电流，相当于为电网提供感性电流，从而补偿电网的无功，负载无功功率的大小是随机变化的，因此一般设置多个小容量的TSC，根据情况分级投切，才能得到较好的补偿效果。其电压电流特性按照投入电容器组

15、数的不同可以是图1-1（b）中的OA、OB或OC。当TSC用于三相电路时，可以是连接，也可以是Y连接，每一项都可以设计成分组投切的。尽管这种方法的调节是有限的，但补偿电流不含谐波。 电容器的分组投切在较早的时候大多是用机械断路器来实现的，即投切电容器，和机械断路器相比，晶闸管的操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，以减少投切时的冲击电流和操作困难。另外与TCR相比，TSC虽然不能连续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点。2.3.2 晶闸管控制电抗器TCR （）单相（）三相图2-2晶闸管控制电抗器TCR TCR(thyristor controlle

16、d reactor)电路如图22所示TCR采用相控原理，其有效移相范围为90°180°。当触发角=90°时，晶闸管全导通，导通角=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和中可知：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

17、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。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。2.3.3晶闸管控制串联电容器TSC图2-3 晶闸管控制串联电容器TSC

18、 晶闸管控制串联电容器TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)由串联补偿电容器和与其并联的晶闸管控制的电抗器组成，在实际中一般用几个基本TCSC模块串联而成以得到所需的电压等级和工作特性。TCSC基本思想是通过控制TCSC并联支路的晶闸管的触发延迟角控制电抗器来部分抵消串联电容以实现串联补偿电容值的连续调节。TCSC可以控制为合适的电容或者电抗，从而通过调节传输线的阻抗来调节线路的功率潮流传输。然而TCSC存在一些缺点：第一，由于TCSC的等效阻抗是通过控制其晶闸管导通延时角来调节，所以其晶闸管是部分导通的

19、，这样会在线路中注入低次谐波电压;第二，TCSC的阻抗调节不是连续的，在 其最小等效容性阻抗 和最小等效感性阻抗 间存在一个不可控区，若TCSC是由基本单元串联而成，则它的阻抗不可控区将很大，使TCSC无法完全对系统动态稳定的控制。一般系统传输线路中分设多个TCSC元件，协调调控有效减小整个系统阻抗不可控区;第三，TCSC只实现对线路阻抗的补偿，而不改变线路感性性质，所以TCSC只可调节潮流大小而不改变潮流方向;第四，串联电容与传输 线路电抗会在次同步频率点 =(电 网 频 率 ) ( 

20、;发电机转矩谐振频率 ) 发生次同步谐振，所以实际应用要防止与系统发生同步谐振，常在电感支路中串联一个小电阻R，阻尼电力系统的此同步谐振。2.4 电压源变流器型补偿方案 电压源变流器型补偿是利用电力电子开关组成变换器，向电网提供负载需要的无功功率，达到补偿的目的。变换器可以和电网并联，向电网注入无功电流，也可以串联在电网中，补偿基波电压。2.4.1 无功功率发生器（a)电压型桥式电路（b）电流型桥式电路 图2-4 无功功率发生器无功功率发生器为并联型，电路结构如图2-4所示，它是以电容C的充电电压作为直流电源的三相全桥电压型逆变器，其输出经电感L（电抗）并联接至三相交流电网

21、，输出电流滞后电感上电压，对开关器件进行PWM控制，使得逆变器输出电压跟踪电网电压，如果大于，逆变器输出电流比滞后的，如果小于，逆变器输出电流反向。因此，调控逆变器输出电压的大小，可以方便地改变向电网输出无功功率的大小和性质。无功功率发生器的控制与有源逆变类似，电路结构如图1-4(b)所示，不同的是其输出无功功率。为了维持逆变器的直流电压源（电容C的电压）恒定，要求电网向其输入少量的有功功率，以补偿开关损耗和线路损耗。可以采用无功电流和直流电压的闭环控制，调节输出电压的相位，使输出电流除含有无功电流外，还有一定的负有功电流。PWM电压源变流器型无功功率发生器和早期采用的“旋转式无功同步补偿机”

22、一样，可以连续调节输出无功功率，因此它又称为先进的静止型无功功率发生器ASVG（advanced static var generator）。它是电网无功功率补偿技术的发展方向。2.4.2 开关型串联基波电压补偿器图2-5 PWM开关型串联基波电压补偿器基于PWM变换器的串联基波电压补偿器如图2-5所示，变换器输出电压与负载电流相差，将无功功率串联注入电网，以调节电网电压。这种方案既能连续调控，又能双向补偿（升高电压或降低电压都能实现），且不会引发LC振荡，是一项先进的调控电网节点电压、补偿线路感抗、增强电力系统传输功率极限、增加电力系统稳定性的技术。这种PWM开关型串联基波电压补偿器被称为静

23、止串联同步电压补偿器SSSC（static synchronous series compensatory）。3静止无功发生器（SVG）的设计 图3-1 SVG结构图 静止无功发生器（SVG）的工作原理就是通过电抗器或电容器直接把三相桥式电路连到电网上，通过调节三相桥式电路交流侧电流或电压的幅值和相位，就可以是该电路发生需要的容性或感性无功电流，从而实现动态补偿，提高电力系统的功率因数。根据其工作原理，SVG由主电路、无功检测电路和PWM控制电路三部分组成，其结构图如图2-1所示。3.1 静止无功发生器(SVG)主电路 由于SVG正常工作时就是通过电力电子开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电

24、网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波时SVG可以等效地被视为幅值和相位均可控的与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器连接到电网上。这样，SVG的工作原理可用图2-2所示的等效电路来说明。设电网电压和SVG输出交流电压分别用相量和表示，则连接电抗 X 上的电压即为和的相量差, 而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是 SVG 从电网吸收的电流。因此，改变SVG交流侧输出电压的幅值及其相对于的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收无功功率的性质和大小。（a

25、）单相等效电路（b） 工作向量图图3-2 SVG等效电路及工作原理 ( 不考虑损耗)在图3-2（a）的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗以及变流器的损耗，因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需使与同相，仅改变的幅值大小即可以控制SVG从电网吸收的电流是超前还是滞后90°, 并且能控制该电流的大小。如图3-2（b）所示,当大于时 ,电流超前电压90°，SVG吸收容性的无功功率；当小于时，电流滞后电压90°，SVG吸收感性的无功功率。 （a） 单相等效电路图（b）电流超前 （C）电流滞后 图3-3 SVG单相等效电路图考虑到连接电抗器的损耗和变

26、流器本身的损耗（如管压降、线路电阻等）, 并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则SVG的实际等效电路如图3-3（a）所示，其电流超前和滞后工作的相量图如图3-3（b）所示。用向量和分别表示电网电压和SVG输出电压，由KVL可知： （3-1）由于连接电抗的作用，和之间不再是，而是比少了角。通过调节与的相位差和的幅值来控制SVG是发生容性无功还是感性无功，当且时SVG发出感性无功功率，当且时发出容性无功功率。 电压型SVG直流侧采用直流电容，它的电压值和电容值的选择会影响SVG系统的补偿容量。在本次课设中，相电压=220V，直流侧电压，TCR额定输出功率=7000 Var，令负载阻抗角为45

27、度，即，由 （3-2）得 ，又因为 （3-3）所以 与交流系统的连接电感具有调节SVG装置跟踪期望补偿电流的能力，电感值越大，跟踪效果越慢，值越小就会形成发生电流和期望电流较大的超调量，会使系统振荡，并且电流电压波形也会有毛刺，影响系统稳定性，因而根据能量守恒定律： （3-4）忽略电阻，可得出： （3-5）式（3-5）中，为逆变器输出电流的最大值。所以，可得出。3.2 无功电流检测电路图2-4 基波无功分量和谐波分量电流的检测电路系统环流器换流产生的谐波，其功率因数可定义如下： （3-6）式（3-6）中，、为基波电流有效值及其与基波电压的相位差；为总电流有效值。根据公式（3-6）：谐波和基波相

28、移是无功补偿的主要影响因子。故应在装置允许的范围内，将除了基波有功分量以外的所有谐波和基波无功都补偿掉。为了使SVG产生的无功电流能更好地跟踪待补偿的无功电流，基于 、的无功电流的检测方法，对基波无功电流和谐波电流进行检测。将a、b、c三相静止坐标系经过派克变换（park transform）形成两相旋转坐标系，以更好地控制功率流动。其控制算法的原理框图如图3-4所示：图3中的变量如式（3-7）、式（3-8）及式（3-9）所示： （3-7）式（2-7）中，；基波有功分量： (3-8)式（2-8）中，基波无功和谐波分量之和：3.3 无功控制电路图3-5 电流滞环控制工作原理示意图采用滞环比较方式

29、的电流跟踪型PWM交流电路有以下特点：（1） 硬件电路简单；（2） 属于实时控制纺织，电流反应快；（3） 不需要载波，输出电压波形中不含有特定频率的谐波分量；（4） 和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多。相比电流间接控制，电流直接控制响应速度和控制精度更优。电流直接控制就是对电流波形的瞬时值采用跟踪型PWM控制技术进行反馈控制。滞环比较控制是跟踪型PWM控制技术的一种，其跟踪效果好，控制结构简单。其工作原理结构示意图如图2-5所示。滞环比较控制的输入是补偿电流指令值和主电路逆变器发出电流值之差。逆变器开关的开合是通过差值控制的。其比滞环最小控制值小时，控制功率开关在电

30、流减小状态；比滞环最大控制值大时，则在电流增大状态，此时发出电流就会根据指令电流的轨迹在滞环宽度带内跟踪，使逆变器输出电流能够较好的跟踪补偿电流指令值。4系统仿真及分析4.1 系统仿真模型 无功发生器系统仿真模型如图4-1所示：图4-1无功发生器系统仿真模型 其子模块C32C变换如图4-2所示：图4-2 C32C子模块电路图其子模块C23C变换如图4-3所示：图4-3 C23C子模块电路图4.2 仿真结果与分析补偿前A相电流与电压的波形如图4-4所示：图4-4补偿前A相电压电流缩小20倍波形图补偿后A相电流与电压的波形如图4-5所示：图4-5 补偿后A相电流与电压缩小20倍波形示意图从图4-4与图4-5的波形图中可以看出，在补偿前，电压与电流的相角差恒定，在补偿后，电压与电流的相角差逐渐减小，直至电压与电流相位相同。说明无功发生器发出无功功率，补偿电网的无功损耗，提高供电质量。 补偿后，无功功率发生器发出的电压与电流如图4-6所示：图4-6无功发生器发出的电压与电流缩小20倍 从图4