无功功率补偿器设计

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1、目录摘要 错误！未定义书签。1 绪论 错误！未定义书签。1.1 课题背景与意义 错误！未定义书签。1.1.1 无功功率的产生 错误！未定义书签。1.1.2 无功功率的影响 错误！未定义书签。1.1.3 无功补偿的作用 错误！未定义书签。1.2 国内外研究现状 错误！未定义书签。1.3 论文的主要研究内容 错误！未定义书签。2 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 TSC 62.3.2 晶闸管控制电抗器 T

2、CR 72.3.3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

3、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，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

4、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 无功补偿的作用无功补偿是维持现代电力系统

5、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

6、；(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

7、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

8、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

9、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

10、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) 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：u=、；2Usineti=、j2 Isin(wt-q )=,2 Icossinwt -2 Isin q coset=i +i

11、p q其中， q 是电流滞后电压的相角。电流i分解为电压同相位的分量i，和比电压滞后90的分量i。电路的有功功率Ppq就是其平均功率，即：P =丄 J2n uid(et )=丄 J2n (uip+uiq )d(et)2n o2n o=丄 J2n (Ulcosq-UIcosqcos2et )d(t)-丄 J2n (Ulsinqsinet )d(t )=UIcosq 2n 02n 0电路的无功功率定义为：Q=UIsinq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：S=UI有功功率和视在功率的比值为功率因数：P九=S2.1.2 非正弦电

12、路无功功率和功率因数在含有谐波的非正弦电路中，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：P=2n 卜uid(et )=为U I cos q nn视在功率 S 为其中，U，I为第n次谐波电压、电流有效值，Q为第n次谐波电压与电流相角差，n nn( n =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：Q 斗 S 2 - P2其中，无功功率Q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

13、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义。于是，为了更加清楚，也可以这样定义无功 功率：Q =乞 U I sin 申f n n n1其中， Q 是由同频率电压和电流正弦波分量之间产生的， Q 已没有度量电源和负载之 ff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

14、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图 2-1 晶闸管投切电容器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。

15、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数的不同可以是图1-1 (b)中的OA、OB或0C。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(b)三相(a)单相图 2-2 晶闸管控制电抗器 TCRTCR(thyristor controlled reactor)电路如图2 2所示TCR米用相控原理，其有效移相 范围为90180。当触发角a=90时，晶闸管全导通，导通角6=