毕业设计方案kV配电线路实时动态无功补偿研究.docx

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毕业设计方案kV配电线路实时动态无功补偿研究

本科生毕业设计<论文）

题目10kV配电线路实时动态无功补偿研究

电气与自动化工程学院<系）自动化专业

学生姓名学号

指导教师职称

指导教师工作单位

起讫日期

摘要

本文分析了无功功率对电力系统的不良影响，说明了无功补偿的必要性和重要意义，以无功补偿技术及装置的发展进程为线索，分析了不同时期无功补偿技术状况及特点，以实例说明了我国10kV配电系统无功补偿的应用情况。

从无功补偿的基本理论出发，阐述了无功补偿的基本原理、基本方法，说明了无功补偿的作用，进行了无功补偿的策略分析。

本文介绍了晶闸管的工作特性和参数，研究了晶闸管串联技术，针对目前晶闸管投切电容器进行无功补偿存在的主要问题，提出了用晶闸管串联开关投切10kV电容器的方案，给出了晶闸管串联开关的静态和动态均压方法，设计出了主电路结构，并对晶闸管参数的选择进行了分析和计算。

对晶闸管触发技术进行了详细的分析和研究，给出峰值电压触发方式的数字电路的设计方案，并通过了仿真实验，阐述了晶闸管触发系统的抗干扰措施。

基于MATLAB仿真软件，本文对电容器投切控制及晶闸管触发装置进行了实验研究，并得出与理论分析一致的结论。

关键词：

无功补偿；动态无功补偿装置；晶闸管；触发控制电路；MATLAB仿真

ABSTRACT

Thispaperanalysistheadverseeffectsofreactionpowerinthepowersystem,illustratesthenecessityofusingthemethodofreactionpowercompensationanditsimportantsignificance.Withthedevelopmentprocessofreactivecompensationtechnologyanditsdevices,expoundsthestalesandcharacteristicsaboutvarcompensationtechnologyinthedifferentperiods.Bylivingexamplethepaperillustratesreactionpowercompensation’sapplicationforlOkVdistributionlineinourcountry.Beginingwiththebasictheoryofreactionpowercompensation,illustratesthebasicprinciplesandbasiccompensationmethods,anditsfunction.

Thepaperintroducestheworkingcharacteristicsandparametersofthethyristor,investigatethethyristor’sspecialtyandtechniqueinseries,inallusiontotheproblemexistencesinreactivecompensationwithcapacitoratpresently,bringforwardtheadvancedutilitytechniqueinvestigatedcontrollinglOkVcapacitorwiththyristorswitchinseries,broughtforwardthestaticstateanddynamicvoltage,designedthemaincircuitframeworkwhichusedwithreason,analysisandcalculatesthethyristor’sparametersforitsselected.

Istudythyristortrigger’stechnic,deviceadigitalcircuitundermaxvalueburstmodeandcompleteit’semulationtext.Iexpatiatethemeasureofdevaluingdisturbforthyristortriggersystem.

UndertheMATLABpowersimulationenvironment,capacitorinput-eliminationcontrolandthyristor-triggercontrolwerestudyed,thesameresultoftheoryanalysiswereget.

Keyword：

reactivepowercompensation。

staticvarcompensation。

thyristor。

triggercontrolcircuit；MATLABSimulation

摘要2

ABSTRACT3

目录4

第一章无功补偿技术的发展、现状及展望1

1.1无功补偿技术研究的背景1

1.2无功补偿技术研究的目的和意义1

1.3无功补偿技术的发展2

1.3.1传统的无功补偿技术2

1.4无功补偿技术在我国供网中得应用3

1.4.1无功补偿技术在我国应用的历程3

1.4.2我国lOkV配电网无功补偿技术的现状及实例4

1.5课题完成主要任务5

第二章无功补偿技术的实现及控制策略6

2.1无功补偿的基本原理及功率因数与电路参数的关系6

2.2无功补偿的基本方式7

2.3无功补偿的控制策略8

2.3.1单一物理量的控制方式8

2.3.2“九域图法”控制策略8

2.4本章小结10

第三章无功补偿电路晶闸管触发系统的研究与设计11

3.1晶闸管的工作特性及主要参数11

3.1.1晶闸管的工作原理11

3.1.2晶闸管的特性分析及主要参数12

3.2晶闸管串并联技术及其参数的计算13

3.2.1晶闸管串联技术14

3.3晶闸管投切电容器主电路的接线分析15

3.4晶闸管触发系统的研究与设计17

3.4.1无功补偿装置系统结构17

3.4.2晶闸管触发方式的分析19

3.5晶闸管触发电路的设计及仿真20

3.5.1同步信号检测电路21

3.5.3脉冲触发电路的仿真实验22

3.6晶闸管脉冲触发系统的抗干扰措施23

3.7本章小结24

第四章10kV无功补偿系统的仿真研究25

4.1晶闸管触发系统的MATLAB仿真25

4.1.1非峰值电压时刻触发晶闸管的实验26

4.1.2峰值电压时刻触发晶闸管的实验28

4.2基于电容器投切控制的无功补偿系统的MATLAB仿真29

4.3本章小结33

第五章结论34

参考文献35

致谢36

第一章无功补偿技术的发展、现状及展望

1.1无功补偿技术研究的背景

近几年来,我国经济发展迅速,对电力的需求越来越大。

同时对供电的可靠性和质量提出了更高的要求，电力建设投资跟不上经济发展，供需关系矛盾更为突出，尤其是小城镇和城乡配电网。

我国小城乡地区的多为10kV配电线路，具有负荷密度大、用电量集中、供电可靠性要求高等特点，表现出线损高、功率因数低、输电效率低、输电能力不足、末端电压低等问题。

这严重的影响了人们生活水平的提高和经济发展。

目前,国内外针对此问题采取的措施主要是进行电网建设和改造，有：

新建线路和变电站，更换线路，对已变电所和线路进行改造和增容，进行无功功率补偿等。

根据我国小城镇和城乡配电网的特点以及电力公司的资金和人力情况，最为普遍采用的是并联电容器无功功率补偿。

就其补偿方式而言，分为：

变电所集中补偿，配电线路分散补偿，负荷侧就地补偿等。

我国10kV配电线路以往多采用负荷侧就地补偿，这种方案就用户而言可以获得很好的补偿效果，但就10kV配电网络整体而言，技术性和经济性都不是最合理的。

1.2无功补偿技术研究的目的和意义

近年来，世界各地发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起人们高度重视。

当地时间2003年8月14日美国东北部、中西部和加拿大安大略省发生了历史最大规模的停电事故，纽约、底特律、渥太华、多伦多等重要城市及周边地区近5000万人口受到影响，制造业停产，交通运输瘫痪，经济运转产生中断。

经济学家估计整个经济损失达300亿美元。

事故的原因可能是雷电袭击、负荷太重或部分电站停运引发的。

这次灾难说明美国中西部供电系统过于陈旧且存在严重安全系统缺陷。

美国灾难性的大停电给以科技为主导的现代社会敲响了警钟。

巨大的经济损失和严重的社会影响提醒人们电力系统应进行设备的更新换代，加强电力系统的安全系数，从而避免事故的发生。

不要让美国大停电在中国发生，中国的电力专家们应为中国的电力系统的安全思考。

2002年下半年以来，经济的高增长带动电力需求增大，中国部分地区出现结构性的供电紧张，部分地区出现用电紧张和高峰时段拉闸限电问题，大功率非线性负载的不断增加，对电网的无功冲击和谐波污染呈上升趋势，缺乏有效地无功调节手段使母线电压变化很大导致配电系统线损增加，电压合格率下降。

我国电网建设和运行中长期存在无功补偿容量不足、配备不合理、无功补偿效果不理想等问题，特别在10kV供电系统中，快速、准确、可连续的补偿技术没有得到实质性的应用、

中科院院士、清华大学教授卢强说：

“我们致力于建设的不只是世界第一流的，而且是世界上最强大、最安全的电力大系统。

”

无功功率是建立交流电、磁场所需的功率，在交流电力系统的设计和运行中，无功功率是一个重要因素。

对无功功率的补偿研究是十分必要的，原因如下：

1.由于成本的增加，提高电力系统运行效率的要求日益迫切。

2.输电网络的扩展已经受到限制。

3.远距离输电要求解决稳定性及电压控制问题。

4.工业增长的需求和用户电子设备的增多，对供电质量的要求越来越高。

5.直流输电系统的应用研究表明，在换流器的交流侧应该进行无功控制。

无功补偿的目的：

1.改善电压调整；2.提供静态和动态稳定；3.降低过电压；4.减少电压闪变；5.阻尼次同步震荡；6.减少电压和电流的不平衡。

1.3无功补偿技术的发展

人们很早就认识到无功功率的危害，认识到是系统中的电容和电感元件产生的无功功率。

最初人们使用了无源补偿方法，即通过改变网络参数的方法对系统进行无功补偿，也就是将一定容量的电容器或电抗器以并联或串联的方式安装在系统的母线中，如在高峰负荷下将并联电容器接入系统中以防止电压过低。

1.3.1传统的无功补偿技术

传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等。

设置无功补偿电容器是传统补偿方法之一，并联电容器因简单经济，灵活方便而得到广泛应用。

缺点是只能补偿固定无功，不能跟踪负荷无功需求的变化，即不能实现对无功的动态补偿，且还有可能与系统发生谐波放大甚至谐振。

传统的真空开关或接触器投切电容器的方法，投切电容器时会产生很大的冲击电流，对电网造成干扰，由于投切瞬间主触头的拉弧现象，导致主触头烧损，影响无功补偿的正常运行。

因接触器动作速度慢，寿命短，所以不适用于快速频繁投切补偿电容器的场合。

同步调相机又称同步补偿器，属于有源补偿器。

作为并联补偿设计的同步调相机实质上是一个被拖动到某一转速下并与电力系统同步且空载运行的电动机。

根据控制需要，控制其励磁磁场，使其工作在过励磁或欠励磁的状态下，从而发出大小不同的容性或感性无功功率。

同步调相机可对系统进行动态补偿，但它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声比较大，维护复杂，成本高，响应速度慢。

不适应各类快速变化非线性负载的要求。

1967年英国首先研制成功具有饱和电抗器的无功补偿装置。

SR分为自饱和型和和可控饱和型两种。

自饱和型依靠自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收的无功功率的大小。

可控饱和型是通过改变工作绕组的感抗来控制无功电流的大小。

这种补偿装置属于第一代静止补偿器。

这种补偿装置造价高，损耗大，运行时有振动和噪声，补偿速度慢。

一般在超高压输电线路中使用。

1.4无功补偿技术在我国供网中得应用

国内早期无功补偿用得最多的是并联电容器。

在低压<10kV以下）供电网络中装设电容器组，以满足调压要求。

1.4.1无功补偿技术在我国应用的历程

20世纪70年代初，武汉钢铁公司1.7cm轧钢工程进口了比利时的直流励磁饱和电抗器和日本的电容器组成静补装置后，引起国内相关人士对可变无功补偿问题的注意。

于是有人提出用大负荷调压变压器改变并联电容器组端电压以调节无功的设想，终因调压器的操作开关寿命不能保证而未能实现。

1981年我国输电系统引进一套ABB公司的SVC装置投入凤凰山变电站运行，到1990年共有五个500kV变电站采用6套进口SVC装置，容量在105-170Mvar之间，形式为TCR+TSC或固定电容器组。

它们都曾在历史上发挥过作用。

如凤凰山SVC投入运行后，对湖北电网的安全、经济运行起到巨大作用，对抑制500kV过高压，增加输电容量、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。

遗憾的是由于种种原因，这些SVC陆续退出运行，主要原因如下：

1.早期国外供应商对中国电网不了解，初期投运时，SVC与系统之间相互作用问题比较突出。

2.早期控制系统采用模拟技术，系统运行可靠性差。

3.因空间距离、费用等方面的原因，使后期技术服务没有跟上，没有必要的技术升级措施。

这些系统越来越落后，没有办法运行。

1.4.2我国lOkV配电网无功补偿技术的现状及实例

图1

我国供电系统内变电所10kV无功补偿装置目前均采用整组投入或切除，运行时不能连续灵活调节，损耗也大。

10kV无功补偿的关键技术问题：

1.大功率电力电子器件串联技术和补偿装置并网与电力系统保护配合技术。

开关元件晶闸管的容量受到限制。

由于晶闸管是灵敏度很高的半导体元件，超过其额定值的冲击电压或冲击电流都可能损坏晶闸管。

2.高压侧直接取能方式的光电触发及在线监测系统技术。

3.抑制谐波问题。

4.晶闸管驱动电路的设计技术。

金杭市供电局与科研争位合作，研制开发了针对10kV变电站、电弧炉炼钢等需要无功补偿应用场合的10kv、1200kVar的FC-TCR动态补偿装置，并制定了相应的设计方案和技术措施。

从此展开了10kV配电系统动态无功补偿技术的研究。

2005年5月邓州市电业局在高集变电站10kV母线上安装无功补偿装置。

如图1示，该装置采用固定电容与可调电容并联运行方式，固定电容的容量为1.2Mvar，TSC部分的容量为1Mvar，TSC分成3级调节，为了调节不平衡负荷，采取分相补偿，并在TSC回路中串联了电抗率为6%的电抗元件，用来抑制系统谐波。

在试运行期间，该装置能够自动适应变电站各种运行方式的变化和无功的变化，自动准确地投切补偿电容器，提高了电容器的运行时间及利用率，性能稳定可靠，功能达到了变电站无功补偿自动投切的控制要求。

投入前后的运行数据如表1-1。

根据表1-1中数据分析，将投入两组和投入固定组进行比较，因补偿无功功率使母线相电流降低变压器输出功率降低：

AS=yf3y（U]I]-U2I2>=^x（\0Axm0-\0.6x770>=4957kFA（1-1>

变压器的额定功率为40000kVA，此时可增加变压器输送能力：

tj=4957/40000x100%=12.4%功率为40000kVA，此时可增加变压器输送能力：

TJ=4957/40000x100%=12.4%（1-2>

已知变压器的各种参数如下：

额定容量为40000Kva。

短路损耗为151‘lkW。

阻抗电压9.83%。

空载电流0.25%。

空载损耗为32.6kW。

计算变压器的功率损耗：

AP=PKUlS2N/（U22S22>（1-3>

①投入固定组后，变压器的功率损耗为Af；=38.52kW，（1-4>

②投入全部容量后，变压器的功率损耗为AF2=20.32kW。

<1-5>由计算结果可知，由于无功补偿，使变压器的有功功率损耗减少

为18.2kW。

高集变电站仅为受端变电站，功率传输方向单一，故在输电线路上必然也会由于末端功率的改变而导致线路损失的改变。

1.5课题完成主要任务

本文阐述了无功补偿技术的基本原理、基本方法及基本的控制策略，探讨了我国10k无功补偿技术中存在的主要问题及其解决方法。

详尽分析了开关元件晶闸管的工作特性和技术参数，研究了晶闸管串联技术，提出用晶闸管串联开关投切10kV电容器的方案，给出了晶闸管串联开关的静态和动态均压方法，设计出了主电路结构，对晶闸管参数的选择进行了分析和计算。

本文对晶闸管触发技术进行了深入分析和研究，给出峰值触发方式的晶闸管数字触发电路的设计方案，基于MATLAB仿真软件，对晶闸管触发装置进行了实验研究，用仿真验证了电容器投切控制及其补偿效果，得出与理论分析一致的结论。

最后阐述了晶闸管触发系统的抗干扰措施。

第二章无功补偿技术的实现及控制策略

电力系统网络元件的阻抗主要是感性的，因此在实际电力系统中，包括异步电动机在内的绝大多数电气设备的等效电路可看作电阻和电感L的串联电路。

网络元件和大多数用电设备工作时将消耗无功功率。

这些无功功率必须从网络中某个地方获得。

合理的方法是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。

2.1无功补偿的基本原理及功率因数与电路参数的关系

在正弦交流电路中，网络复阻抗与电阻、电抗元件有阻抗三角形的关系如图2-1所示，若复阻抗Z呈纯电阻性质，则电压与电流的相位角相同，相位差@=0，则此时负载只消耗有功功率，没有无功功率，若复阻抗呈感性或容性，9*0，则负载不仅消耗有功功率同时也消耗无功功率。

感性元件消耗无功功率，容性元件产生无功功率。

复阻抗角的余弦函数COS0称为功率因数。

COS由负载性质决定，它与电路的参数和电源频率有关，与电源的电压、电流大小无关。

如图2-1所不，其中xl-Xc

在供电系统中，电力网除了要负担用电负荷的有功功率凡还要承担负荷的无功功率0。

有功功率、无功功率和视在功率S有功率三角形的关系如图2-2所示。

功率因数还可以用有功功率与视在功率的比值表示C0S^=|,它不但表明电力负荷的性质，而且表明电能质量的水平。

由图2-2可以看出，在有功功率不变的情况下，无功功率的存在会使功率因数降低，视在功率增大。

从而需要增大发、输电设备的容量，增加电力损耗，增加投资和运行费用，不利于电力的输送与合理应用。

将电容器与感性负载并联是补偿无功的传统方法，无功补偿的目的就是提高电网的功率因数。

提高功率因数的前提是必须保证原负载的工作状态不变。

即：

加至负载上的电压和负载的有功功率不变。

将电容C与感性R、L电路并联后，如图2-3所示，总电流j-L+fc。

由相量图图2-4可知，并联电容后电压[>和电流/的相位差减小，功率因数提高了，根据并联电容的大小功率因数补偿结果有欠补偿、完全补偿<即：

C0Sp=l>和过补偿三种情况，若补偿电容的容量过大出现过补偿情况，此时复阻抗呈容性，供电电流/的相位超前于电压。

2.2无功补偿的基本方式

无功补偿分为集中补偿、分组补偿、随器补偿和随机补偿。

1.集中补偿是将电容器装设在用户专用变电所或配电室的低压母线上，低压集中补偿方式适用于线路末端负荷波动幅度不大、基荷所占比重较大、负荷容量较大，地点集中的场合。

这种补偿方式的优点是:

①可以就地补偿变压器的无功功率损耗。

由于减少了变压器的无功电流。

相应地减少了变压器的容量，也就是说，可以增加变压器所带的有功负荷。

②可以补偿变电所以上输电线路的功率损耗。

③可以就近供应380V配电线路的前段部分及所带用电设备的无功功率损耗。

④便于集中控制。

缺点是:

它只能减少装设点以上线路和变压器因输送无功功率所造成的损耗，而不能减少用户内部通过配电线路向用电设备输送无功功率所造成的损耗。

2.分组补偿是将电容器组按低压配电网的无功负荷分布分组装设在相应的母线上，或者直接与低压干线相联接，形成低压电网内部的多组分散补偿方式。

该种方式是被补偿的无功功率不再通过主干线以上线路输送，从而使变压器和配电主干线路的无功功率损耗相应地减少，因而分组补偿比集中补偿降损节电效益显著，尤其是当用电负荷点较多<比如多个车间），而且距离较远时，补偿效率更高。

其优点:

①有利于对配电变压器所带的无功进行分区控制，实现无功负荷就地平衡，减少无功功率在变配电所以下配电线路中的流动，使线损显著降低:

②分组电容器的投切随总的负荷水平而变化，其利用率较单台补偿高，分组补偿虽然不如集中补偿管理方便，但比单台电动机补偿易于控制。

3.随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护装置与电机共同投切。

随机补偿的优点是:

用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量=具有投资少，配置灵活，维修简单等优点。

在实际补偿中，应该遵循：

全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡；集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；调压与降损相结合，以降损为主的原则。

2.3无功补偿的控制策略

根据控制物理量选择的不同，TSC所釆取的控制方法也多种多样。

较为合理的补偿装置应最大限度提高电网的功率因数，且不发生过补偿，无投切振荡，无冲击投切，控制过程反应灵敏、迅速。

按照控制物理量的不同无功补偿装置分为：

无功功率补偿、无功电流补偿、功率因数补偿及综合型补偿。

2.3.1单一物理量的控制方式

时间控制法是最常用的控制方式之一，这种方法根据电网中用电设备24小时无功功率变化情况，绘出全天无功变化负荷曲线，由无功变化的时间规律决定定时投入或切除一定容量的补偿电容。

例如主要负荷在上午8点投入运行，到下午5点退出运行，而这期间负荷变化不大，调整策略可整.定为上午8点投入电容器组，下午5点切除。

显然这种控制方式简单，但只适用于负荷稳定且变化规律一定、功率因数变化不大的场合。

2.3.2“九域图法”控制策略

现阶段多参量综合控制通常以无功功率为基础电网电压上限値和负载电流下限値作为控制电容器组投切的约束条件，实现电容器组的智能综合控制。

“九域图法”以控制器接入侧电压为主要控制目标，以无功功率（或功率因数）为参考条件，通过界定电压和无功功率的上下限，将平面分为九个区，规定不同区域内的控制方式，实现对电容器组和主变分接开关的联合控制。

目前在线运行的电压无功综合控制装置大多基于此法。

根据要求得到U、Q

九域图控制法原理是调节有载调压变压器分接头及投切电容器，使系统尽量运行于区域9。

调节有载调压变压器分接头位置或投切电容器改变无功补偿量Qc，都将引起变电站母线电压U和从系统吸收的无功功率Q

表1.分接头正接时U、Q动作变化关系

由表3.1可得出U、Q

区域1：

COSФ

区域2：

COSФ

区域3：

COSФUH，调分接头降压