静止无功补偿(SVC)技术(完整版)实用资料

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国家电网公司先进适用技术评估报告静止无功补偿(SVC)技术（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）静止无功补偿（SVC）技术1技术原理1.1概述SVC（StaticVarCompensator）——静止无功补偿器，其静止是相对于发电机、调相机等旋转设备而言的。它可快速改变其发出的无功，具有较强的无功调节能力，可为电力系统提供动态无功电源、调节系统电压，当系统电压较低、重负荷时能输出容性无功；当系统电压较高、轻负荷时能输出感性无功，将供电电压补偿到一个合理水平。SVC通过动态调节无功出力，抑制波动冲击负荷运行时引起的母线电压变化，有利于暂态电压恢复，提高系统电压稳定水平。1.2SVC工作原理SVC技术是灵活交流输电（FACTS）技术之一，根据结构原理的不同，SVC技术又分为：自饱和电抗器型（SSR－Self－saturableReactor）、晶闸管相控电抗器型（TCR－ThyristorControlledReactor）、晶闸管投切电容器型（TSC–ThyristorSwitchedCapcitor）、高阻抗变压器型（TCT）和励磁控制的电抗器型（AR）等。随着大功率电力电子器件制造技术的发展，SVC从早期的SSR过渡到TCR/TSC方式，并成为SVC的主流实用技术。国外TCR/TSC型的SVC装置从上世纪70年代投入商业运行以来，其装置集成技术、控制原理、设备制造技术已趋于成熟，是目前仍广泛使用的动态无功补偿设备。从装置构成来看，TCR型的SVC装置主要由滤波/电容支路和TCR支路组成，其接线示意图见图7－1，输出特性见图7－2。国家电网公司先进适用技术评估报告图7－1TCR型SVC主接线原理图图7－2TCR型SVC输出特性从TCR型SVC接线结构可知，其无功调节是通过电力电子器件（晶闸管）控制常规电感/电容元件来实现的。图7－3为单相TCR接线原理图及电流电压波形。TCR控制系统通过改变晶闸管的触发时刻控制主回路电流大小，从波形图可见只有当触发角为90º时电流方为正弦，其他触发时刻TCR回路电流将含有高次谐波，其谐波含量见图7－4。国家电网公司先进适用技术评估报告e图7－3单相TCR工作原理10.06fundpu基波电流0.40.020.20.0101800.60.85th7th11th13th0.050.040.03pu谐波电流90100120140触发角1601.3与同类技术对比与SVC具有类似静止型动态无功调节性能的技术为静止无功发生器，即SVG（StaticVarGenerator），亦称为STATCOM，ABB公司的产品名称为SVCLight。从名称上虽然前者为补偿器，后者为发生器，差别不大，而实际其技术原理完全不同。国家电网公司先进适用技术评估报告图7－5概念化的STATCOM主接线原理示意图STATCOM的基本原理是通过可控关断电力电子元件来生成与系统电压成一定角差的信号注入电力系统，来实现无功生成的目的。其装置的核心部分为逆变器，常见的逆变器有两种主要构成方式，一种为多重化/多电平方式，另一种为链式结构，各有优缺点。（a）容性工况（b）感性工况图7－6STATCOM输出特性多重化/多电平STATCOM是三相运行的对称设备，这是由于STATCOM的无功电流需要在三相之间相互交换，尚不具备在系统严重不平衡情况下的运行能力。链式STATCOM是单相构造设备，仍需要大量的电容器，只是将SVC所需的交流电容器折算至直流侧使用。因此，链式STATCOM非真正意义上的无功“发生器”，优点是不产生谐波及低电压时的运行特性较好。投入电网运行的STATCOM容量较大，一般均采用GTO器件，因GTO是电流驱动型，器件损耗太大，不是发展方向，目前采用IGCT替代，商业化IGCT的容量还较小，且价格高。STATCOM作为一项前瞻性研究的新技术，具备诸多优点，如占地面积比SVC少、可提供瞬时有功功率（取决于储能部件）等，当然也有一些缺点。SVC是成熟技术，也是处于发展中的技术，国外仍在不断加大SVC的更新和研发力度。STATCOM与SVC的技术经济对比见表7－1。国家电网公司先进适用技术评估报告表7－1STATCOM与SVC的技术经济对比比较项目开关元件STATCOM可控关断元件TCR/TSC型SVC晶闸管响应速度～15ms低电压特性装置复杂程度占地不平衡情况下的运行能力装置容量技术成熟度好高小一般目前最大容量仅做到SVC的一半尚处于发展期差一般大好多套超过500Mvar的SVC在输电系统运行成熟，但仍在发展损耗％造价约为SVC的2倍以上国产约180元/kvar按照CIGRE会议SCB4研究委员会关于电力电子技术发展规划可知：STATCOM技术有着很好的发展前途，但要替代SVC技术必须克服两个主要障碍，一个是价格，另一个则是损耗。1.4SVC调节控制策略SVC在容性和感性运行区域内连续可调以及快速响应的特性，使电压和无功双参数综合控制方式真正得以实施。并且可以解决系统暂态稳定问题和冲击负荷的影响。针对电力配电系统的要求，SVC调节策略采用了电压和无功双参数综合控制的方式，通过有载调压变压器与静态无功补偿器的优化配合，可以改善电压质量、降低网损。而对于高压输电系统，SVC主要发挥提供动态无功支撑、提高输电容量、增强系统阻尼和降低网损等作用。输电系统用SVC采用电压控制方式即可实现所要求的控制目标。图7－7为应用于鞍山红一变国产化应用工程的调节控制框图。TCR调节器主要针对电压偏差、电压振荡和功率进行控制。国家电网公司先进适用技术评估报告图7－7SVC控制框图按照图7－7控制传递函数框图建立SVC模型，应用电力系统综合程序对SVC在电力系统出现三永故障后的暂态过程进行仿真，并与装置RTDS动模试验进行对比，证实其调节效果对抑制系统振荡，提高系统阻尼具有较好效果。鞍山红一变SVC在220kV母线近端三永故障后66kV母线电压恢复过程的RTDS对照波形见图7－8：（a）无SVC（b）有SVC图7－8SVC对暂态稳定的控制效果仿真对比鞍山红一变SVC的调节策略采用多目标、多反馈的调节方式，实现开关投切、变压器分接头、晶闸管触发角协调控制，并考虑对低频振荡的阻尼及抑制SSR的能力，满足电网各种运行方式的要求。在示范工程实施过程中建立了以电力系统综合程序为平台的SVC静、动态模型，该模型可用于电力系统分析计算，特别是对电压稳定性分析计算，与实际装置比较具有较好的拟合特性。从对调节策略的仿真和试验结果可见，我国在SVC输电系统调节控制研究已取得了重要的阶段性成果，为SVC技术在输电网的应用奠定了基础。国家电网公司先进适用技术评估报告1.5SVC装置制造核心技术SVC系统由多个不同部分组成，其构成较复杂，装置设计和制造中所涉及的专业技术领域较多，包括电力电子、电力系统、高电压、继电保护、自动控制、应用电子技术、计算机软机工程、通讯、工业结构设计等。SVC系统自上世纪60年代进入商业化运行以来，其装置设计经历了多次重大变革，如早期的SVC阀组采用的是汞弧阀，随着大功率半导体技术的不断发展，电触发的晶闸管（ETT）替换了汞弧阀。目前光直接触发的晶闸管（LTT）已进入大规模商业应用，将再次推动SVC技术的发展。而控制系统、触发、冷却等核心技术也随着相关专业领域的发展和制造技术的进步而不断发展创新。通过对鞍山红一变SVC国产化应用工程的研究项目成果的总结，并广泛参考国内外SVC应用情况，认为以下方面是SVC装置制造的核心技术，它们反映了一个生产厂家技术水平的高低，也体现了一个国家基础制造业的发展水平。（1）大功率晶闸管的串联技术大功率晶闸管串联技术是输电网用SVC核心技术之一，该技术直接反映了制造厂的综合实力。从目前各国际大公司所提供的SVC阀组结构来看，阀层静态及动态均压技术差别不大，主要原因一是由于大功率晶闸管制造技术和工艺趋于成熟，参数控制手段被广泛采用，不同厂家产品参数虽有差异，但差别不大；二是大功率电力电子仿真理论和工具被广泛认同和使用。鞍山红一变SVC国产化应用工程阀组每相为26对晶闸管反并联层串联构成，单管耐压值达6500V峰值，静、动态均压效果接近或优于国外类似容量阀组，阀组损耗较低，与国际先进技术同步。阀组的机械结构各厂家差别较大。Siemens、Toshiba、中国电科院等公司采用的是卧式叠压方式，ABB公司采用立式叠压结构，Alstom公司则采用了单对阀压装后级联方式。对各种不同结构方式进行了对比情况见表7－2。表7－2阀组不同结构方式对比情况比较项目占地结构复杂性散热与温度均匀性压力均匀性控制冷却液泄露防护维护方便性卧式叠压较大小好好可好立式叠压小小较好好较难实现好单层级联小大好较好好好国家电网公司先进适用技术评估报告鞍山红一变SVC国产化应用工程中采用了卧式结构，与国际其他公司相比电气和机械结构设计合理，并采用了多项创新技术，从示范工程的实际应用效果来看，阀组串联技术已达到国际同类先进水平。（2）全数字化控制保护系统SVC控制保护系统对SVC装置得可靠性和运行效果起到至关重要的作用。各大SVC供应商均提供其控制保护平台，如ABB公司的MACHII系统，Siemens公司的SIMADYND控制系统等。从历史上看，SVC等电力电子装置的控制系统经历了从模拟式到数字式，直到目前的多微处理器系统。中国电科院在鞍山红一变SVC所使用的全数字化控制保护平台采用了分层分布式结构，控制器采用DSP快速数字信号处理技术，使TCR控制系统的响应时间控制在10ms以内，可以快速跟踪负荷的无功需求变化进行补偿。控制器采用现场总线技术，实现各子系统之间的可靠、快速数字信号传输，为实时记录系统的故障、动态刷新人机界面提供了保障。控制系统具有多重监控及保护功能，完成在系统各种异常情况下的可靠保护。监控系统采用一体化工作站，并具有友好的全图形化中文人机界面，便于控制和查询故障类型和故障位置。控制器的监控及保护系统通过“通讯控制器”与上级自动化系统实现通讯规约联接，这样可以达到远方的监视和控制，实现无人值守。阀基电子采用可编程逻辑阵列CPLD，不仅具备高可靠性，而且具备可扩充性。整个控制系统平台具有自主知识产权，整体已达到国际先进水平，部分技术有所创新。（3）阀组冷却技术SVC阀组的冷却方式包括自然风冷、强迫风冷、油冷、开放式水冷系统、全封闭式水冷系统等。从目前的应用来看，自然风冷、强迫风冷方式仅被用于中小容量阀组的冷却，从实际冷却效果来看，温度控制能力较差，结温往往较高，且受环境影响较大，不利于采用大量串联方式的晶闸管元件的静、动态均压。油冷方式在SVC阀组中的应用仅见于小容量SVC和非主流供应商（原苏联厂家）。水冷方式在大容量的SVC阀组冷却方式中最为常用，技术也趋于成熟。最新的全封闭式水冷系统因其散热效率高、性能可靠、维护工作量小、自动化程度高等优点而得以广泛应用。鞍山红一变SVC装置即采用了全密闭式循环纯水冷却方式，水冷系统的装置设计和制造工艺已达到或超过了欧美等国际大公司的水冷系统，其自动化水平也领先于国际大公司。国家电网公司先进适用技术评估报告（4）晶闸管阀触发技术采用ETT型晶闸管阀的SVC阀组触发方式分为电磁触发、电磁送能光电触发和高压取能光电触发。电磁触发因其噪音大、可靠性低、干扰大等缺点较少被国际大公司采用，电磁送能光电触发方式具有光电触发的优点，但同时电磁送能仍然存在噪音大、干扰大等缺点，ALSTOM公司SVC阀即采用此种方式。高压取能光电触发是目前最先进的触发技术，该触发方式已在高压直流输电（HVDC）等工程实践中得到应用，其可靠性得到了时间的考验，但其缺点是取能回路相对复杂，且由于其工作在高压大电流和冲击工况下，是故障的高发点。据对SVC和HVDC故障统计表明，90％故障均与高压取能相关。但从装置总体可靠性统计来看，高压取能光电触发方式的可靠性优于其他方式。中国电科院在充分考察现有触发技术后，采用了高压侧直接取能方式的光电触发及在线监测系统，该系统在2001年开始用于工业用户SVC，并于2004年在鞍山红一变SVC国产化应用工程中成功应用，该触发技术大大提高了整个系统的电磁兼容性能及可靠性。同时，由于高电位电子板是传递控制系统和晶闸管阀的转换枢纽，在设计上采用了防止误触发的专有技术，并设置了di/dt、dv/dt检测，以及BOD保护技术等。2国内外应用情况2.1SVC技术国外发展状况与应用情况SVC在国外已是成熟的技术，截至2000年，全世界已有超过400套、总容量60Gvar的SVC在输配电系统运行，有超过600套、总容量约40Gvar的SVC在工业部门使用。从1978年至2000年，ABB公司共提供输电SVC约140套，从1972年至2000年，ABB公司共提供工业SVC约180套。Siemens公司供货的数量大约为ABB公司的一半。ABB为世界范围提供的大容量SVC工程见下表7－3。国家电网公司先进适用技术评估报告表7－3ABB在世界范围提供的大容量SVC工程输电线路名称CFE－CerrodeOroMexicoCFE－PiedelaCuestaMexicoCFE－MoctezumaMexicoTransGrid–SydneyAustraliaNorth.StatesPower－ForbesS/SUSAEdelca－SanGeronimoVenezuelaEdelca－LaHorquetaVenezuelaHQ－LaVerendryeIICanadaHQ－LaVerendryeICanadaSEGBA－RodriguezIIArgentinSEGBA－RodriguezIArgentinaCFE－TemascalMexico电压等级400kV230kV230kV330kV500kV765kV765kV735kV735kV500kV500kV400kV额定容量300Mvar150Mvar300Mvar380Mvar800（200）Mvar580（580）Mvar580（580）Mvar445（445）Mvar445（445）Mvar426（320）Mvar426（320）Mvar1066（600）Mvar拟投运时间2005200520052004199419851985198419841983198319822.2SVC在我国的应用及运行情况我国SVC在配电工业用户广泛使用，国内自行生产的第一套SVC是由西电集团于上世纪80年代引进原BBC公司技术。90年代中期，中国电科院自主研发的第一代SVC装置投入运行。90年代末期，鞍山容信生产的SVC投入商业运行，其技术全部引进自原苏联。与此同时中国电科院自主研发的基于全新技术平台的SVC装置研制成功。从2000年开始，在国内经济总体快速发展的背景下，国内工业用户对SVC的需求得到了快速发展。据初步统计，截止2004年国内工业用SVC约有100套以上，其中约五分之一为进口。我国输电系统共装设了7套SVC。其中6套为进口，容量为105～170Mvar，安装在5个500kV变电站，容量为100Mvar的鞍山红一变国产化SVC工程为第七套。六套引进SVC在特定时期为电力输电系统发挥了积极的作用，具体情况是：（1）郑州SVC使河南南北联络线输送功率极限提高5％，500kV葛岗云线路稳定极限提高8％，并有效稳定了220kV母线电压；（2）辽宁网500kV辽沙线并联电抗器1990年11月发生故障，500kV电压高达550kV，沙岭SVC投入后，500kV电压迅速降低到正常水平；（3）广东江门SVC投入为稳定电网电压起了重要作用，在2005年“西电东送”国家电网公司先进适用技术评估报告规划工程中，仍对改善电压稳定性有好处；（4）凤凰山SVC对湖北电网安全、经济运行作用巨大。对抑制500kV过高电压，增加“西电东送”输送容量、保证系统电压稳定、改善系统电压水平、降低高压网损意义重大。但六套引进的SVC运行效果并未达到理想的预期效果，主要原因是：（1）对中国电网了解不够，与系统相互作用问题突出；（2）早期技术陈旧，自动化程度低，对运行人员素质要求较高；（3）后期技术服务没有跟上，又没有技术升级措施等。目前由于技术陈旧，设备老化，国外公司技术支持不足等原因，所有六套引进的输电网用SVC全部退出了运行。安装在鞍山红一变的SVC国产化应用工程在2004年8月正式投入运行，9月通过了辽宁省电力公司的验收，11月通过了国家电网公司的验收。至今运行状况良好，可靠性较高，实现了科技向生产力转化及其工程化、实用化过程。鞍山红一变SVC运行效果显著，主要体现在以下方面：（1）减少一次系统远距离输送无功功率，降低一次网损。可使系统减少一次有功网损2.13MW；（2）提高红一变二次系统电压，降低二次网损。可使红一变二次系统每年少损失电量约401.3万kWh；（3）降低系统电压波动，提高电能质量。投入SVC后，红一变66kV西母电压的波动0.5%范围内，波动很小，红一变所带的站前、繁荣等二次变电所10kV系统电压的波动也很小。SVC也使220kV电压的波动降低，大大地提高系统的电能质量；（4）快速电压支撑作用。SVC投运以后，由于SVC的快速响应能力，能够在系统出现电压跌落时，迅速支撑系统电压；（5）改善了系统潮流分布。由于红一变处于负荷中心，又是辽宁中部与南部电网连接的枢纽，正常红东一、二线的潮流为南送潮流，由于红一变的无功负荷较大，出现了红东一、二线无功功率逆流，使南部系统的安全裕度降低。红一变SVC投运之后，红东一、二线无功功率也向南送出，使系统潮流分布更加合理，系统更加稳定；（6）提高了鞍山受电断面的稳定水平。由于送往红一变的辽红东、西线、红前线、浑鞍线、新红线五回线路的无功功率的减少，使鞍山受电断面的稳定水平有了一定的提高，这五回线路在用电高峰时输送有功能力有了一定的提高。国家电网公司先进适用技术评估报告3综合效益分析由于建成的其他六套电力输电系统用SVC进口设备已退出运行，无法进行完整的效益分析，因此本报告仅对鞍山红一变SVC的应用效益进行分析。3.1鞍山红一变SVC应用效益红旗堡一次变电所是东北电网的枢纽变电所。它主要是为全国最大钢铁联合企业——鞍山钢铁集团公司及鞍山市部分厂矿、居民供电。红一变一次系统是辽宁中部与南部电网连接的枢纽，220kV母线为东北电力系统电压中枢点。红一变原有一台额定容量为60Mvar的调相机，由于设备陈旧，仅能发出20Mvar无功功率，动态无功支撑能力低，系统电压水平低，网损大，其二次66kV系统所带鞍钢和鞍山的主要负荷为冲击性的轧钢企业，这种负荷对电网瞬间冲击将造成电压的较大波动，甚至使同一电网的有些企业无法正常运转。在红一变安装以具有快速调节能力的SVC系统即静止无功补偿装置后，替代原有调相机可以实现对电网的动态无功调节，将对稳定电网电压，并抑制冲击负荷造成的电压波动起到相当大的作用，其经济效益非常显著，红一变SVC既是一个科技项目，也是将科技应用生产实际的工程项目，其主要经济效益表现为如下的几个方面：（1）减少一次系统远距离输送无功功率，降低一次网损由于红一变是负荷中心，距离较大的发电厂较远，红一变及南送所需120～250Mvar的无功主要通过辽红东、西线、红前线、浑鞍线、新红线五回线路来自较远的发电厂，远距离输送大量的无功可造成一定的有功损耗。SVC投运之后，实现无功就地合理补偿，大大地降低因远距离输送无功造成的一次电网损失。根据东北电网EMS系统的计算，红一变SVC平均容性无功出力在85Mvar（动态65Mvar、固定电容器20Mvar），可使系统减少一次有功网损2.13MW，这样，每年可使东北电网降低一次网损1865.9万kWh，每kWh按0.4元计算，折合人民币近743.6万元。（2）提高红一变二次系统电压，降低二次网损通过SVC的优化无功补偿后，系统二次电压基本稳定并将电压提高到最佳值，2003年红一变66kV西母系统的平均电压为64.85kV，红一变SVC投入以后，使红一变66kV西母系统的平均电压提高到66.1kV，电压提高后，电能的可变损失降低11.6%，可使红一变二次系统每年少损失电量为：401.3万kWh，每kWh按0.4元计算，折合人民国家电网公司先进适用技术评估报告币近160.5万元。（3）与调相机比较减少有功电量的消耗过去红一变用调相机进行无功补偿，年用电量为785万kWh，附属设备用电50万kWh，年耗电共835万kWh，调相机向系统发出每万乏的无功年耗电为278万kWh。用100MvarSVC代替调相机后，SVC向系统发出每万乏的无功年耗电仅为13.98万kWh。单位年少损失有功电量264.02万kWh，相当于比同容量（100Mvar的调相机）的调相机年少损失有功电量2640.2万kWh，每kWh按0.4元计算，折合人民币近1056.08万元。（4）与调相机比较降低运行维护费用由于红一变调相机设备过于陈旧，维持其运行还需要大量的投资，设备改造费用就需100万元以上，同时每年还缴纳水费近10万元。目前SVC的维护费用很小，到目前为止还未发生，相当于每年节省近110万元。（5）降低系统电压波动，提高电能质量由于目前220kV系统的日电压波动较大，加上红一变所带的负荷具有一定的冲击性，造成了红一变二次66kV系统电压的波动较大，使红一变系统所带的站前、繁荣等二次变电所10kV系统电压的波动也较大，有时影响部分企业的正常生产，电能质量达不到国家标准。投入SVC后，红一变66kV西母电压的波动0.5%范围内，波动很小，红一变所带的站前、繁荣等二次变电所10kV系统电压的波动也很小。SVC也使220kV电压的波动降低，大大的提高系统的电能质量，减少了用户因电压波动而造成设备停运的损失。（6）快速电压支承作用由于红一变系统所带的负荷主要鞍山钢铁集团公司的炼钢、制氧、轧钢等重要负荷，部分用电设备采用进口设备，对电压质量要求较高，由于在系统出现短路故障（如：红一变送出66kV线路或其所带的二次变二次侧10kV短路）时，出现瞬间的电压跌落，使在这一系统运行的部分设备因失压跳闸，甚至造成整个生产线的全停，使企业造成较大的经济损失。SVC投运以后，由于SVC的快速响应能力，能够在系统出现电压跌落时，迅速支承系统电压，使用户不至于因电压的瞬间跌落造成跳闸停产，减少了用户损失。（7）改善了系统潮流分布由于红一变处于负荷中心，又是辽宁中部与南部电网连接的枢纽，正常红东一、国家电网公司先进适用技术评估报告二线的潮流为南送潮流，由于红一变的无功负荷较大，出现了红东一、二线无功功率逆流，使南部系统的安全裕度降低。红一变SVC投运之后，红东一、二线无功功率也向南送出，使系统潮流分布更加合理，系统更加稳定。（8）提高了鞍山受电断面的稳定水平由于送往红一变的辽红东、西线、红前线、浑鞍线、新红线五回线路的无功功率的减少，使鞍山受电断面的稳定水平有了一定的提高，这五回线路在用电高峰时输送有功能力有了一定的提高。综上所述，鞍山红一变SVC项目年增收节支总和达2070.2万元，其经济效益十分显著。3.2SVC技术所创造的产业经济效益SVC技术所创造的经济效益不仅仅体现在其所依托的工程。SVC应用技术所带来的巨大市场前景还体现在科技向产业化转化的过程中。配电网工业用户SVC随着国家经济的快速发展而形成了巨大的市场前景，2004年前国内企业已签订了一百多套SVC工程合同，所创造的产业经济效益超过5亿元人民币，预计2005年将需求SVC约30余套。对于输电网SVC，随着“西电东送、南北互供、全国联网”的实施，我国电网进入一个快速发展的时期，电力输电网SVC的应用正进入全面的实施阶段。2005年国家电网公司计划为川渝电网装设输电网SVC设备，与此同时，各网省公司也逐步将动态无功支撑纳入到其电网建设规划中，包括华北电网公司、辽宁省电力公司、甘肃省电力公司、江西省电力公司等均进行了较为深入的前期研究工作。随着我国经济的发展，2000年至2004年间国内SVC所创造的产值以超过100％的速度高速发展，SVC实用化技术所创造的产业化规模效益将进一步提升，这对我国电网的发展将带来深刻的影响，同时对科学技术向生产力转化带来积极的示范作用。3.3社会效益分析我国的一次能源分布不平衡，水利资源主要集中在长江、黄河上游及西南，煤炭资源集中在内蒙、山西、陕西，而主要的负荷集中在华北京津地区、华东以上海为龙头的长江三角洲以及华南珠江三角洲一带。这种情况下，国家提出了“西电东送、南北互供、全国联网”的战略决策。至2年我国西电东送的总容量将达到1.2亿kW，国家电网公司先进适用技术评估报告计划到2005年将初步形成全国跨大区互联电网。与电网规划和建设的宏伟构想形成鲜明反差的是我国电网建设和运行中，长期存在的一个问题是无功补偿容量不足和配备不合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。此外，电网的发展，系统稳定性问题越发重要。近二十年来，世界各地由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故，引起各国的高度重视，在我国电压崩溃事故也多次发生。由于我国尚未建立起联结紧密，坚强的超高压主干网架，互联电网中各区域电网主网架结构尚不十分健全，整个互联电网的稳定问题比较突出。受稳定极限限制，输电线路的输电容量远低于西方发达国家。同时，随着互联电网规模的扩大，在事故扰动过程中影响和波及的范围也将扩大，电压稳定问题更为突出，电网安全稳定水平的因素呈现多元化，电网抗御多重故障能力差，稳定极限水平低。在配电网方面，我国在上世纪80年代进入经济高速发展轨道以来，高污染，高耗能工业用户如电气化铁路、冶炼、轧机等与高技术产业如IT、集成电路生产线、液晶生产线等对电能质量的高要求形成了巨大的矛盾。供电电能质量标准在此期间受到日益重视和关注。从1984年的“电力系统谐波管理暂行规定”，到电能质量系列化国家标准，前后经历了近十年的时间。采用静止无功补偿器（StaticVarCompensator，SVC）是解决以上电网动态无功储备和解决大多数电能质量问题的最有效措施之一。而由于过去在电网中应用的SVC均为进口设备，只有国产小容量SVC在工业用户中应用过，但未形成规范的设计、安装、试验、调试、验收投运、调节控制策略以及检修等规程，对SVC大规模推广应用形成了障碍。鞍山红一变SVC应用工程项目针对SVC核心技术进行的工作为SVC的国产化打下了基础，并通过产业化运作推动了SVC的大规模应用进程。为解决上述问题提供了技术成熟、经济可靠的方法，与国外产品对比，装置造价约降低30～50％，同时为国家节省大量外汇。在SVC技术水平上，大量采用了目前国际先进技术，其技术先进性完全可满足我国电网对SVC的要求。同时在项目研究中将SVC设备从原材料采购、制造、出厂试验、调试、验收、运行维护到检修等所有层面的标准化工作纳入到项目研究的中来，并取得了丰硕的成果。这些成果对我国电网SVC的管理工作也将带来巨大的社会效益。国家电网公司先进适用技术评估报告4生产能力分析4.1国外相关制造业的现状和发展趋势世界上第一台电网用SVC由美国GE公司制造，1977年安装于Tri－stateG&T系统，主要用于电压控制，另一台用于电压及稳定控制的SVC，由美国电科院（EPRI）主持及西屋公司制造，1978年安装在明尼苏达州（Minnesota）的动力与照明系统。80年代初，西屋公司为加拿大提供250Mvar补偿装置一套，为新墨西哥州提供300Mvar补偿装置一套。而后，ABB、ALSTOM、Siemens和三菱等公司也分别开展包括TCR和TSC在内的静补装置研究，并推出相应的产品。经过30年的发展，SVC在国外已是成熟的技术，至2000年全世界有近400套SVC在输电系统运行；超过600套、总容量约25000Mvar的SVC在配电工业部门使用。4.2国内相关制造业的现状和发展趋势（1）中国电力科学研究院中国电力科学研究院电力电子公司是在输配电及节电技术国家工程研究中心的基础上组建的专业公司。主要从事电力电子技术、电能质量技术、小波变换理论在电力系统的应用等高新技术产品的研究与开发、生产以及销售、技术咨询和工程承包。其中包括SVC工程的设计、制造、安装、调试。中国电科院在静止无功补偿装置的系统设计、装置设计上有长期理论研究和装置研发的经验，其2004年投运的鞍山红一变SVC系统采用了多项国际先进国内领先技术。部分技术已达到国际领先水平。在国家电网公司对该工程的验收中专家组一致认为，鞍山红一变100MvarSVC示范工程是国内第一套应用于输电网的科技示范工程，拥有独立自主知识产权。项目重点解决了输电网SVC系统集成的一系列关键技术问题，接受了实际工程运行的考验，实现了科技项目工程化。控制系统采用分层分布式结构，应用现场控制总线技术，由多个处理器共享数据资源，可适应今后对装置自动化终端设备的要求，具备可扩展性以及性能提升的便捷性，对相关输变电设备的设计具有重要的借鉴意义。在国产化输电网SVC调节控制策略及实现技术、多微处理器协调控制和多重监控及保护技术等方面有重大突破；在SVC接入电网及与电力系统保护配合技术、大功率电力电子器件串联及冷却技术、基于DSP快速全数字化信号处理技术、高电位取能及光电光转换技术、阀基电子技术等方面有所创新。项目提供了输电网SVC国家电网公司先进适用技术评估报告系统集成技术、仿真技术、系统设计导则、运行维护导则和验收导则，为工程推广应用奠定了基础，在全国电网起到了示范作用。中国电科院在电力系统分析方面拥有国内最强的技术力量和专家队伍，有长期从事电网系统研究的经验。在SVC用于输电网中的系统分析、电网稳定性分析方面等具有较强的实力和优势。拥有SVC十多项国家专利，通过ISO9001质量保证体系认证。在SVC的制造与试验手段上，中国电科院拥有上千平米的净化车间，现代化的表贴生产线，具备SVC批量化生产设备。目前中国电力科学研究院具备年产20套SVC的生产制造能力。从2001年到2004年，中国电力科学研究院共安装SVC30套，其中35kV26套，10kV4套。容量最大为125Mvar，其中鞍山红一变输电系统SVC为100Mvar容量，运行状况良好。（2）鞍山荣信鞍山荣信电力电子股份为民营股份制企业，主要从事高压电网动态无功补偿装置（SVC）、电力滤波装置（FC）、高压变频传动装置的设备制造企业，公司位于鞍山经济开发区内。鞍山荣信SVC技术引进自原苏联，其SVC阀的冷却采用热管自然冷却，世界上尚无在100Mvar以上容量的SVC装置中使用该冷却方式的应用（包括原苏联国家在内）。阀的触发方式为高频电磁触发方式，触发能量由位于控制器内部的功率单元发出，通过电磁耦合方式送入位于高压侧的阀组。控制系统采用单片机完成监控与调节，人机界面为数码显示方式，无与上级综合自动化系统接口。从1997年3月到2004年8月，鞍山荣信在全国各地共安装SVC56套，其中35kV23套，22kV1套，10kV14套，6kV18套。其中80％为容量小于35Mvar的小容量SVC，全部为配网工业用SVC。（3）西电科技西安西电科技实业有限责任公司隶属中国西电集团，在西安国家级高新技术开发区注册，公司依托西电集团的整体配置优势和信息网络资源，SVC装置的主要元件生产主要依托于西安ABB电容器厂、西安整流器厂、西安扬子电抗器厂，从事电力系统变流、变频、滤波、补偿及有关电力电子设备的研发。其SVC技术源于80年代中期原BBC引进技术，阀组采用卧式结构，散热方式为水冷，水冷目前为国内配套，采用开放式水冷结构。控制系统为80年代中期模拟式。国家电网公司先进适用技术评估报告从1986年到2002年，西安西电科技共安装SVC16套，其中35kV10套，22kV1套，10kV5套。近年来无新的SVC业绩。（4）其它厂家除以上三个企业外，其他企业也有涉足SVC工程，但均无长期运行的业绩验证，部分企业的关键部件如阀组、冷却系统、控制系统等直接外购，仅做系统集成，技术支持能力有限。从以上三家SVC装置生产厂家生产情况看，生产能力和业绩均具有一定的规模和市场占有，从装置的型式看，三家目前均为TCR＋FC型式，从装置的运行使用情况看，国产化的SVC装置运行可靠性已经比较高，运行维护工作量比较少。就国内应用情况看，作为输电网应用的补偿装置还很少，中国电科院开发的用于电网补偿的SVC于2004年8月在鞍山红旗堡红一变投入运行。其余装置均是在针对配网用户运行。（5）国内试验条件调研SVC装置集合了电力系统、高电压、继电保护、通讯、自动控制、电力电子等专业技术，装置构成比较复杂。为保证装置可靠安全运行，必须在装置设计定型和出厂前进行严格试验和检验。控制系统的相关检验标准可参照电力系统自动装置和保护的相关要求，国内阀组件试验标准目前正在编制起草中，可参照国际IEC61954标准。SVC出厂前应进行的试验和检验项目及国内厂家的试验条件见表7－4。表7－4SVC出厂前的试验和检验项目装置组件控制系统阀组件试验项目调节功能监控及保护EMC静态均压试验触发及动态均压试验阀对地工频交流耐压试验阀对地工局放试验阀对地雷电冲击波试验试验条件电科院有有德国SCHAFFNEREMC测试仪有有大功率电力电子试验室工频耐压试验台大功率电力电子试验室局放测试仪大功率电力电子试验室冲击波发生器鞍山容信西电科技有有无有有－无无有有无有有－无无国家电网公司先进适用技术评估报告装置组件试验项目阀端间工频交流耐压试验阀端间工局放试验阀端间操作冲击波试验及非周期触发试验周期触发和熄灭试验最小交流电压试验温升试验试验条件电科院大功率电力电子试验室工频耐压试验台大功率电力电子试验室局放测试仪大功率电力电子试验室冲击波发生器大功率电力电子试验室大功率电力电子试验室大功率电力电子试验室大功率电力电子试验室合成回路（最大电压峰值80kV最大电流4000A）鞍山容信西电科技－无无有－－66kV10MVA试验变压器－－无无有－－全工况试验（6）主要元件国内配套情况主要元件国内配套情况见表7－5：表7－5主要元件国内配套情况元件相控电抗器配套厂家西安中洋电气股份北京电力设备总厂烟台哈大电器西安中洋电气股份滤波电抗器北京电抗器厂烟台哈大电器锦州电力电容器有限责任公司电容晶闸管阻尼电容阻尼电阻散热器水冷系统桂林电力电容器总厂西安ABB电力电容器株洲半导体厂桂林电容器厂河南鹤壁第794厂陕西咸阳亚华电子电器厂广州高澜水技术备注合资新品种，无运行业绩控制系统装置成套设备厂家供货国家电网公司先进适用技术评估报告5规程及标准状况（1）国家标准GB/TXXXX－XXXX静止式动态无功补偿装置（SVC）功能特性导则主要起草单位：全国电压电流等级和频率标准化技术委员会秘书处、全国电力电子标准化技术委员会秘书处、中国电力科学研究院等工作阶段：已完成征求意见稿（2）国家标准GB/TXXXX－XXXX静止式动态无功补偿装置（SVC）现场试验导则主要起草单位：全国电压电流等级和频率标准化技术委员会秘书处、全国电力电子标准化技术委员会秘书处、中国电力科学研究院等工作阶段：已完成征求意见稿（3）电力行业标准DLxxxx－200x高压无功补偿装置系列标准第1部分：系统设计主要起草单位：中国电力科学研究院工作阶段：已完成征求意见稿（4）电力行业标准DLxxxx－200x高压无功补偿装置系列标准第2部分：晶闸管阀的试验主要起草单位：中国电力科学研究院工作阶段：已完成征求意见稿（5）电力行业标准DLxxxx－200x高压无功补偿装置系列标准第3部分：调节、监测、保护和触发系统主要起草单位：中国电力科学研究院工作阶段：已完成征求意见稿（6）电力行业标准DLxxxx－200x高压无功补偿装置系列标准第4部分：现场试验和验收主要起草单位：中国电力科学研究院工作阶段：已完成征求意见稿（7）电力行业标准国家电网公司先进适用技术评估报告DLxxxx－200x高压无功补偿装置系列标准第5部分：密闭式纯水冷却系统主要起草单位：中国电力科学研究院工作阶段：已完成征求意见稿（8）企业标准辽宁省电力公司输电网SVC系统设计导则工作阶段：已批准实施（9）企业标准辽宁省电力公司SVC装置验收导则工作阶段：已批准实施（10）企业标准辽宁省电力公司SVC装置现场运行维护导则工作阶段：已批准实施从目前已批准实施和正在起草的相关标准体系来看，其内容已基本包含了SVC装置设计、生产、建设、运行等过程。但处于企业标准阶段的“SVC装置验收导则”、“SVC装置现场运行维护导则”还有待进一步完善后升级为更高级别标准，以服务于更大范围。特别是“SVC装置现场运行维护导则”还需要通过SVC装置更长时间的运行经验进一步补充和完善。6结论与建议6.1结论通过对SVC技术相关资料的认真分析，对SVC技术进行了充分论证，得出以下结论：（1）SVC作为FACTS技术的一种，其技术成熟、性价比高，是目前电力系统适用的动态无功储备设备。其替代技术STATCOM有着很好的发展前途，但要替代SVC技术必须克服价格和损耗两个主要障碍。（2）我国输电系统所配置的进口SVC设备均发挥过积极的作用，鞍山红一变国产化SVC工程为第一套国产化的输电网用SVC装置，其发挥了显著的效果，社会经济效益明显。（3）国内已完全掌握了SVC装置的核心技术，包括大功率晶闸管的串联技术，国家电网公司先进适用技术评估报告全数字化控制保护系统，阀组冷却技术，晶闸管阀触发技术等。（4）国内SVC装置的集成能力和设备配套能力大为增强，已基本实现了核心部件的国产化，配套技术水平可满足SVC装置性能和可靠性要求，大功率电力电子实验室等SVC设备相关型式试验手段的建设已初步完成，已具备年产20～30套SVC的生产能力。（5）SVC相关标准体系正在建立中，列入计划和正在实施的标准的内容基本包含了SVC装置设计、生产、建设、运行等全过程。（6）从装置的运行使用情况看，国产化的SVC装置运行可靠性已经比较高，运行维护工作量比较少。综上所述，SVC装置整体技术先进适用，具备在国家电网公司系统全面推广应用的条件。6.2建议针对SVC技术在国内的应用现状，仍需进一步完善的方面包括：（1）进一步开展500kV及以上电压等级变电站用超大容量SVC应用技术的研究与工程化；（2）进一步完善SVC运行中有关的技术监督导则。（3）积累SVC装置的运行经验，进一步补充和完善SVC装置运行维护相关标准。分类号UDC4密级学位论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究(题名和副题名郭晓(作者姓名指导教师姓名匿麴堡塾量申请学位级别:亟±专业名称电力丕笪丛基自塾丝论文提交日期2QQ§.§.g论文答辩日期学位授予单位和日期壹室堡三叁生、:之答辩委员会主席评阅人年月日注1:注明《国际十进分类法UDC>>的类号。硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究摘要首先对国内外谐波和无功电流综合补偿技术发展现状和三相瞬时无功功率理论进行了综述。重点研究了基于瞬时无功功率理论检测谐波和无功电流的i。一己法。接着对有源电力滤波器原理与结构予以介绍。并以MATLAB6.5软件包中的SIMULINK仿真环境为平台,构建了基于i。一i。检测算法的综合补偿谐波和无功电流的并联型有源电力滤波器仿真模型。研究产生补偿电流的P1】|『M变流器的内环控制方法以及使APF稳定运行的外环控制方法。结果表明,所构建的仿真模型和所采用的内外环控制方法是有效,而且补偿效果较好。在仿真基础上,建立了基于TMSF240DSP控制器的综合补偿谐波和无功电流的三相并联型有源电力滤波器实验系统,进行了软、硬件设计。搭建的硬件电路包括:电流和电压检测电路、基于IR2233J的PWM驱动电路、PWM三相变流桥主电路及IGBT保护电路等几部分。系统软件部分用DSP汇编语言编写,其中包括:定时器中断控制及AD采样、软件方法实现与电压过零同步、基于f。一i。法的谐波和无功电流的计算、平均值数字滤波、直流侧电压数字PI控制、PWM驱动脉冲的输出控制和外部中断保护控制。最后对综合补偿谐波和无功电流的有源电力滤波器进行了系统调试。实验结果表明,开发的基于DSP控制的综合补偿谐波和无功电流的并联型有源电力滤波器实验系统,能够有较好的补偿效果。关键词:谐波电流,无功电流,综合补偿,有源电力滤波器,瞬时无功功率理论Matlab仿真,数字信号处理器硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究AbstractAgeneraldescriptionofthedevelopmentofharmoniceliminationandreactivecompensationtechniquearoundtheworldandtheoryofthree--phaseinstantaneousreactivepowerisgiveninthisthesisatfirst.Their—iqmethodbasedontheoryofinstantaneousreactivepowerindetectingharmonicandreactivecurrentisresearchedasemphases,ThentheprincipleandstructureofActivePowerFilterisintroduced.ThesimulationmodeofActivePowerFilterinharmoniceliminationandreactivecompensationbasedoniP—iqmethodisgiveninSIMULINKenvironmentofMATLAB6.5software.SimulationresearchtothemethodofPWMcontrolofgeneratingcompensativecurrentisdone.ThesystemcontroltotheActivePowerFilterisalsoresearched.Theresultsindicatethatthesimulationmodeandthesimulationmeansimplementedareproperandefficient.Atthebasisofsimulation,theexperimentofintegratedcompensatingharmonicandreactivecurrentsshuntAPFcontrolledbyTMSF240DSPisestablished.Thehardwaresystemandthesoftwaresystemofthisdevicearcdesigned.Thehardwarecircuitsincludethecurrentandvoltagedetecting,thePWMdrivingcircuitbasedinIR2233Jchip,themaincircuitandtheprotectingcircuitofIGBT.ThesoftwaresystemiswrittenbyDSPcompilelanguage.Themainprogramincludestheinterruptcontrol,zeropointdetectingofvoltage,harmonicandreactivecurrentsdetect,digitalfilter,theDCbarvoltagecontrol,thePWMcontrolandtheprotectingcontr01.FinallytheAPFdeviceistested。TheshuntAPFofintegratedcompensatingharmonicandreactivecurrentscontrolledbyDSPiSeffective.KeyWords:Harmoniccurrents,Reactivecurrent,Integratedcompensation,ActivePowerFilter(APF,Instantaneousreactivepower,Matlabsimulation,DigitalSignalProcessor(DSPII声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名:盘亟2口辨加27日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容,可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于堤字论文,按保密的有关规定和程序处理。研究生签名:孟丑2蟛-年白27日,硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究1绪论随着国民经济和科学技术的快速发展,对电能的需求量极大增长,同时电能质量也越来越显示其重要性,电力部门和用户对电能质量的关注也目益增加。电能质量不良将会造成工业生产的非计划停产或设备损害,使用户遭受相当大的经济损失。其中,无功和谐波的问题是最为重要和基本的一个问题。1.1引言理想状态的公用电网应以恒定的频率,标准的电压和正弦波形对用户供电。同时,在三相交流系统中,各相电压和电流幅值应大小相等,相位对称且互差120。。但电力系统的非线性,以及现阶段电力电子装置的广泛应用,理想状态并不存在,产生了大量的谐波电流,谐波电压和无功‘61。这些谐波和无功就产生了电网运行和供电环节中的各种问题,如损耗增加,效率降低,噪声和过压过热等。如果输配电系统能够少送或不输送无功,以便减少电能传输损耗降低电能成本,提高用户用电装置的性能,减少不必要的损耗,将带来很大的经济效益。于是各国的电力科技人员对谐波抑制和无功补偿这方面课题的研究产生了浓厚的兴趣。并且随着电力电子技术的飞速发展,在这方面取得一些突破性进展,其中美日两国的科研人员取得了巨大的成就,而国内多处在起步阶段,但也有了不小的进步,因此选择这个课题是很有意义的。由于谐波的存在,传统的无功功率的定义和无功功率理论就显得不够完善,存在着多种无功功率理论,因此这个课题的研究也有较大的理论意义。1.2谐波和无功电流的产生原因及其危害和不良影响1.2。1谐波和无功电流的产生原因电网中的谐波主要是由各种大容量电力变流设备以及其它非线性负载产生的,其中主要的谐波源是各种电力电子装置,包括各种整流装置、交流调压装置、变流装置、电弧炉、办公及家用电器、照明设施等等。电力机车中采用的大容量单相整流装置,除产生谐波电流外,还引起三相交流供电系统的三相电流不平衡。此外,一些铁磁非线性设备,如发电机、变压器及铁磁谐振设备等也是不可忽视的谐波源。所有这些都使得电力系统的电压、电流波形发生畸变,从而产生高次谐波““”。在工业和生活用电负载中,感性负载占有很大的比例。感应电动机、变压器、传统的日光灯镇流器等都是典型的感性负载。感应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。电力系统中的电抗器和架空线等也需要一些无功功率”1。一些电力电子装置,特别是各种相控装置,如相控整流器、相控交流电力调节装置等,在工作时基波电流滞后于电网电压,要吸收大量的无功功率。硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究工业用电弧炉在工作时,不但要吸收大量的无功功率,且因其电弧不稳定,所吸收无功功率的波动也很大。所有这些负载在工作中都需要大量的无功功率。1.2.2谐波的危害和无功的不良影响高次谐波对各种电力设备、通信设备及线路都会产生有害的影响,严重时会造成设备的损坏和电力系统事故。尤其是近年来电力电子设备的迅速增长,谐波的危害日趋严重。高次谐波对公用电网和其它系统的危害主要有以下几个方面““”“3:(1谐波使公用电网中的元件产生附加的功率损耗,降低发电、输电及用电设备的效率:(2谐波影响各种电气设备的正常工作,使旋转电机(发电机和电动机发热、产生脉动转矩和噪声,使变压器局部严重过热,使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短,以至损坏:(3谐波会导致继电保护和自动控制装置的误动或拒动,并使电气测量仪表的计量不准确;(4谐波会对邻近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声,降低通信质量:重者导致信息丢失,使通信系统无法正常工作;(5谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,这就使前几个方面的危害大大增加,甚至引起严重事故。无功功率对公用电网的不良影响主要有以下几个方面。¨町”1:(1增加设备容量。无功功率的增加,会使发电机、变压器及其它电气设备容量和导线的容量增大。同时,电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大;(2设备及线路损耗增加;(3无功功率的变化会引起电网电压的波动,使一些用电设备无法正常工作,降低供电质量。1.3电力系统谐波和无功电流的综合补偿方法不论是谐波还是无功,从物理本质上看,都可以归结为波形的问题。谐波是工频正弦波畸变,无功是电压电流波形相位不同“”。正是由于这种物理本质的统一性,可以对电力系统中的谐波和无功进行综合补偿。有源电力滤波器(ActivePowerFilter就是一种谐波和无功的综合补偿系统。和前面论述的谐波和无功抑制方法相比,有源电力滤波器具有以下一些特点叫n4“例:(1实现了动态补偿。有源电力滤波器可对频率和幅值都变化的谐波以及变化的无功进行补偿,对补偿对象的变化有极快的响应;2(2可同时对谐波和无功进行补偿,也可单独补偿谐波或无功,且补偿无功的程度可连续调节;(3在实际应用中,有源电力滤波器的贮能元件容量很小;(4即使需要补偿的电流超过其额定值,也不会发生过载情况,并能在其额定容量内继续正常工作;(5受电网阻抗的影响较小。不易与电网阻抗发生谐振;(6能跟踪谐波频率的变化,补偿性能不受谐波频率的影响;(7既可对特定的谐波源和需要无功的负载进行补偿,也可对多个谐波源和需要无功的负载迸行补偿。可见,采用有源电力滤波器可以获得比以往谐波和无功抑制方法优越的补偿性能。随着电力电子技术的发展,电力电子器件容量的增加,成本的下降,有源电力滤波器将会成为一种具有良好应用前景的谐波和无功综合补偿装置。有源电力滤波器还可以补偿三相不对称非线性负载电流中的负序电流,则有源电力滤波器在抑制谐波、补偿无功的同时,还可以达到平衡三相负载的目的,使有源电力滤波器的性能得到更充分的发挥啡””3。有源电力滤波器的作用己不仅仅限于滤波,因此也有人将之称为有源线路调节器(ActivePowerLineConditionerso”。1.4国内外研究概况及发展趋势1.4.1谐波和无功功率的理论研究谐波和无功功率问题对电力系统和电力用户都是十分重要的问题,也是近年来各方面关注的热点之一。在无功和谐波的理论研究方面,两者虽然看似两个相对独立问题。但实际两者有着紧密的联系。这是因为在没有谐波的情况下,无功功率有其固定的概念和定义。但在含有谐波情况下无功定义和谐波有密切的关系,同时产生谐波的装置大都也是消耗基波无功功率的装置,所以在研究时都将两者统一起来。电力系统中,由于电压电流谐波的存在,功率现象比较复杂,建立包含畸变和不平衡的完善功率理论,在理论中是一个重要的基础性课题,迄今,主要有三种功率理论,各有各的优点和缺点【引。第一类功率理论适用于谐波和无功功率的辨识,包括谐波源的确定,谐波和无功功率的理解,Czamecki和Depenbrock对这一类功率问题的解决起重要的作用。第二类功率理论是由H.Akagi等人提出的瞬时无功功率理论,该理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测和不用储能元件实现谐波和无功补偿问题,对谐波和无功补偿装置研究和开发起到很大推动作用。第三类功率理论适于仪表测量和电能的管理,收费,但至今未取得大的突破。所以,国内外学者对无功和谐波理论上的研究方向是如何把以上三类无功理论的优点统一起来,找到一种彻底解决问题的理论和方法,但这较为困难。在理论上只能对上述几类理论进行小的改进以适应工程上3的应用,很难取得大的突破。1.4.2谐波抑制和无功补偿装置的研究现状电力系统中,谐波抑制和无功补偿实际装置工程技术的发展较理论的发展要快很多。传统的无功功率控制方法有很多,同步发电机直接输出无功,使用同步调相机,同步电动机和并联电容器提供无功,但这些方法存在很多无法克服的缺点。本世纪70年代以来,电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用,使晶闸管控制的静止无功补偿装置(SVC碍到迅速的应用【191。静止无功补偿器是现阶段广泛使用的无功补偿装置,技术已经很成熟。随着全控型电力电子器件GTO,IGBT的发展,一种新型的无功补偿装置静止无功发生器(SVG发展起来【201,原理和控制与SVC有很大不同,是动态无功补偿装嚣的发展方向。日本和美国已有少数几台80~100MVA的SVG投入运行。在中国,清华大学和河南省电力公司合作,自主研制出20MVA静止无功发生器【2l】,达到国际水平,使我国成为少数几个拥有SVG自主知识产权的国家之一。在谐波抑制方面,传统的抑制方法是使用LC滤波器,但其损耗大,参数易变,不能动态补偿等缺点已不能满足电能质量的要求。动态抑制谐波,补偿无功的新型电力电子装置有源电力滤波器(APF成为近些年来研究的热点。APF是在1971年由Sasaki.H最早提出。从80年代开始,发达国家在有源电力滤波器领域取得进展:1982年世界上第一台并联型有源滤波器投入工业应用;1987年Takeda等提出并联APF加并联无源滤波器的混合有源电力滤波器(I-IAPF;1988年,F.Z,Peng等提出串联APF加并联无源滤波器的HAPF;1990年,H.Fujit等提出APF与无源滤波器相串联的HAPF;1994年,H.Akagi等提出串联APF和并联APF的HAPF等等。最近又有人提出统一电能质量调节器(UPQC[221156],结合并联有源电力滤波器和串联有源电力滤波器的优点,综合改善电能质量。现阶段有源电力滤波器的研究方向是如何减少开关损耗,增大系统容量,其中基于SPWM的多电平级联变流器是研究的熟点ll”。90年代后期,并联APF在日本、美国等国开始广泛应用。日本迄今至少有500多台APF在现场应用。国外现已有50kVA-1MVA的APF产品。在国内,西安交大、浙大、清华、哈工大等高校正在积极研究,取得了阶段性成果,其中拓扑结构和控制方法方面取得了一定的成果,但离产业化目标甚远,有很多关键技术如APF大容量化,模块化,标准化有待解决f13】【17】,还未见到有应用性成果报道。谐波和无功综合补偿是在补偿谐波的同时补偿无功,即在APF装置中同时补偿基波无功,能降低设备的总成本。能综合补偿谐波和无功的APF的拓扑结构与只补偿谐波的APF很相似,但综合补偿装置还是有很多特别的地方。其中最大的不同是两者的指令运算系统。综合装置不但检测出谐波电流还检测出无功电流,这样补偿电4硕士论文谐波抑制和无功补偿综台控制技术的研究流发生电路产生的补偿电流中就包含有无功电流。也就是说对有源电力滤波器的指令系统加以改进就既可以抑制谐波也可以补偿无功。再有两者的容量也有区别,一般综合补偿的APF容量大,对器件的要求更高。在日本已投入的APF中就有20%能同时补偿无功。这也看出能够综合治理电能质量的装置是将来的一种趋势,是一种有前途的滤波装置。对中国来说,首要的任务是实现APF的产业化,尽早有产品投入运行,其中比较经济的做法是与LC滤波器混合使用的有源电力滤波器【40lt451。除装设APF外,另一条抑制谐波的途径是对电力电子装置本身进行改造,使其不产生谐波,且功率因数可控制为1,称之为高功率因数整流器¨“。1.5论文的主要工作论文中研究的课题是根据中国电能质量现状,谐波抑制和无功补偿的实际情况,追踪当前课题学术前沿,研究能够同时补偿谐波和无功的综合控制技术,最后通过研制有源电力滤波器的样机,用实验验证补偿效果。课题研究的谐波和无功综合补偿技术是面向0.4kV电压等级的谐波源和无功消耗大户,如住宅小区,办公大楼以及大型整流装置。实际投入后降低220V用户流入电网的谐波,实现用户谐波和无功的就地补偿,达到较好的效果。论文中仿真和实验用的综合补偿装置(即有源电力滤波器APF是能对谐波及无功电流进行综合补偿的,主要工作包括以下几个方面:(1首先要理解各谐波源产生谐波的特点,了解谐波和无功对电网的危害,研究综合治理谐波和无功的办法。(2解决谐波和无功精确检测问题,其中的检测方法有很多,论文中选取瞬时无功法实现检测。实验中谐波和无功电流检测算法将采用德州仪器公司生产的型号为TMS320F240的数字信号处理器(DSP编程实现。(3研究产生补偿电流的PWM变流器的控制方法,即APF内环控制方法。仿真和实验中将采用定时滞环电流控制,PWM变流器的控锩4器也将采用TMS320F240的数字信号处理器(DSP。定时滞环控制算法的实现以及PWM变流器的触发脉冲的产生均通过对DSP编程来实现。(4研究能使APF稳定运行的控制方法,即APF外环控制方法。论文中用Matlab软件对APF进行数学建模,并对整个APF系统进行仿真,讨论APF在外环控制算法下的稳定性问题。(5对综合补偿谐波和无功电流的三相并联型有源电力滤波器实验系统进行了硬件设计。搭建的硬件电路主要包括:电流和电压检测电路、基于IR2233J的PWM驱动电路、PWM三相变流桥主电路及IGBT保护电路等几部分。(6对综合补偿谐波和无功电流的三相并联型有源电力滤波器实验系统进行了硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究软件设计。系统软件部分用DSP汇编语言编写,其中包括:定时器中断控制及AD采样、软件方法实现与电压同步、基于f,一i。法的谐波和无功电流的计算、平均值数字滤波、直流侧电压的数字PI控制、PWM波输出控制和外部中断保护程序。其中,实验中综合补偿装置的软硬件系统设计是论文中的重要部分。最后通过实验,对谐波和无功的综合补偿的效果进行验证。6硕士论文谐波抑制和无功补偿综台控制技术的研究2谐波和无功电流检测算法的研究研究谐波和无功电流的综合补偿技术,首先要解决谐波和无功电流的精确检测问题,本章对各种检测算法予以介绍,重点研究基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测法。2.1谐波和无功电流的检测方法在有源电力滤波器中,实时准确的检测出谐波和无功电流是很重要的,方法有很多种。最早的谐波检测方法是用模拟带通滤波器来实现。由于滤波器中心频率固定,当电网频率波动时,滤波效果会大大下降。此外滤波器的元件参数受温度及老化的影响,要使滤波器得到理想的幅频特性和相频特性是很困难的,并且这种方法也不能同时分离出无功电流和谐波电流。第二种是基于Fryze功率定义的检测方法。其原理是将负荷电流分解为与电压波形一致的分量,将其余分量作为广义无功电流(包括谐波电流。它的缺点是:因为Fryze功率定义是建立在平均功率基础上的,所以要求的瞬时有功电流需要进行一个周期的积分,再加其它运算电路,要有几个周期延时。因此,用这种方法求得的瞬时有功电流实际是几个周期前的电流值。第三种是基于FFT的采样数字计算方法,此方法只能检测有限次数的谐波,且需进行两次FFT变换。由于需要一定的采样计算时间,造成谐波检测速度慢。瞬时性误差较大,特别是对高次谐波的捡测精度影响较大啪儿”1。第四种是基于自适应噪声相消的检测方法,自适应嗓声抵消技术是信号处理中的一种信号检测技术,它能把一个信号从加性噪声的干扰中分离出来。此方法其工作特性和器件参数几乎无关,对器件的依赖不大。因此,只要保证输入信号不超过其线性动态范围,系统就可正常工作。该系统基本上克服了传统检测方法的缺陷,是一种性能优越的自适应快速检测系统。…。第五种是基于瞬时无功功率理论的畸变电流瞬时检测方法。瞬时无功功率理论突破了传统功率理论在“平均值”基础上的功率定义,使谐波及无功电流的实时检测成为可能。该方法对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较好的实时性,有利于系统的快速控制,可以获得较好的补偿效果。在具体检测时存在两种检测方法。P—q法和i。一i。法,P—q法对于三相不平衡负荷所产生的无功和谐波电流,补偿效果则不理想,但f。一屯法在电压畸变和不平衡时没有误差,取得广泛的应用。”“2埘3。基于神经网络的谐波检测法和基于小波分析的谐波检测法研究不多,不再多述。综合以上比较,基于瞬时无功功率理论的谐波检测法实时性好,延时小,既能检测谐波又能检测无功。基于傅立叶快速变换的谐波检测法,在谐波检测、无功补偿和频谱7硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究分析方面,均获得较广泛的应用,这两种是目前采用的主要方法。在谐波和无功综合补偿装置设计中将采用基于瞬时无功功率理论的检测i。一iq法。2.2基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法经过对几种常用的谐波和无功电流检测方法的比较,基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测法实时性最好,最适于实验中综合补偿装置的检测应用。下面介绍瞬时无功功率理论。2.2.1瞬时无功功率理论基础“”…““在三相三线制电路中,设各相电压和电流的瞬时值分别为e。,e。,e。和f。,i。,i。。由于P。+P6+P。=0,ia+屯+f。=0,所以三相电压和三相电流各只有两个独立分量,其中一个分量可由另两个分量求出。为分析问题方便,把它们分别变换到两相正交的口一卢坐标系上研究。由式(2.1和式(2.2的变换,得到两相瞬时电压e。,P。和两相瞬时电流屯,‘。Ie“1--C32"剐眨”小:。图cz.z,其中C32=42/31———1—..—1—22.打订U一22(2.3_’—’.+"-k斗在如图2。1所示的口一∥平面上,矢量e。,e≯和名,‘分别合成电流矢量e与电流矢量了。硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究z印荔.\‰0i‰:::=■{q图2.1d一口坐标系e=P口十e口=eLfk,(2.4彳:艺+￡:f么死(2.5式中P,i为e,f的模。三相电路瞬时有功电流i,和瞬时无功电流‘分别为矢量i在矢量e及其法线上的投影。即i。=icos≯(2.6aiq=isinCl(2.6b式中≯=丸一线,i。,iq示于图2.1。三相电路瞬时无功功率q(瞬时有功功率P为电压矢量e的模和三相电路瞬时无功电流毛(瞬时有功电流≠,的乘积。即P=eipr2.7ag=eiq(2.7b式(2.6与庐=庐。一疵代入式(2.7,得踌I:羔][朝亿s,把式(2.1和(2.2代入式(2.8,得P=eaia+%‘+ecJc(2.9ag=—苦酩。一eck+(P。一eaf。+0。一B。k】(2.9b叫j从式(2.9a可以看出,三相电路的瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。2.2.2三相电路谐波和无功电流的实时检测以三相电路瞬时无功功率理论为基础的谐波和无功电流检测有两种方法,一是以9硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究计算瞬时有功功率P,瞬时无功功率g为出发点的P—g运算方式,另一个是以计算瞬时有功电流f,,瞬时无功电流‘为出发点的f,一‘运算方式。p-g运算方式‘31该检测方法的框图如图2.2。图中上标一1表示矩阵的逆。labl她●k图2.2P—g运算方式原理图该方法根据