第四章风电场无功补偿4

静止无功功率补偿器无功补偿技术第四章相控单相交流调压电路1、电阻性负载★当电源电压为正半周期ωt=α时触发晶闸管VT1，VT1导通，负载输出电压u0=u；在ωt=π时，电源电压过零，i0=0，VT1自行关断，u0=0。u0u0iRVT1VT2★当电源电压为负半周期ωt=π+α时触发晶闸管VT2，VT2导通负载输出电压u0=u；在ωt=2π时，电源电压过零，i0=0，VT2自行关断。★通过改变控制角α就可以调节输出电压的大小。相控单相交流调压电路2、电感性负载★当正半周期VT1关断时，VT2恰好触发导通，在一个周期中两只晶闸管轮流导通180°。此时负载电流i0临界连续，负载电流是一个滞后电源电压的纯正弦电流。即任何时刻电源电压都加在负载上，负载电压为完整的正弦波，相当于晶闸管失去控制，无调压作用。u0u0iRVT1VT2触发角负载阻抗角arctan(/)LR相控单相交流调压电路2、电感性负载★当电源电压为正半周期ωt=α时触发晶闸管VT1，VT1导通，负载输出电压u0=u，电流、i0从零开始上升。★在ωt=π时，电源电压过零，电流并不为零，VT1继续导通，输出电压出现负值。直到i0=0，VT1自行关断，u0=0★但此时VT2的触发脉冲尚未到达，因此出现了电流的断续，导通角u0u0iRVT1VT2180触发角负载阻抗角arctan(/)LR相控单相交流调压电路2、电感性负载★这与时的工作情况一样，输出电压和电流波形都是完整的正弦波，电路失去调压的功能，也处于“失控’’状态。u0u0iRVT1VT24.1概述1、基本概念：静止无功功率补偿器（StaticVarCompensator-SVC）是指其输出随电力系统特定的控制参数而变化的并联连接的静止无功功率发生装置或无功功率吸收装置。2、SVC的基本作用：连续而迅速地控制无功功率，并通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。3、SVC的特点：●静止型。其主要部件是无转动部分，主要依靠晶闸管等电力电子器件完成调节或投切功能，可以频繁地调节和投切，其动作速度是毫秒级的，远比机械设备的动作速度要快。●动态补偿。能快速、平滑调节容性或感性无功功率，实现动态补偿。其反应速度很快，能及时跟踪无功功率快速变化做出变化，达到所设计的各种控制目标4.1概述●SVC的类型：近10多年来，在世界范围内，其市场一直在迅速而稳定的增长，并占据了动态无功功率补偿装置的主导地位。晶闸管控制电抗器(ThyristorControlReactor-TCR）晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchCapacitor-TSC）晶闸管投切电抗器（ThyristorSwitchReactoI-TSR）晶闸管控制高阻抗变压器型（ThyristorControlTransformer-TCT）饱和电抗器(SaturationReactor-SR)类型SVC基本类型，其他补偿器是这两种的发展●SVC需要在一定条件下才能实现无功功率的连续动态补偿，通常的方式有：TCR+TSCTCR+FC（或MSC）TCR+TSC+FC(或MSC)往往把这种包含SVC的无功功率补偿系统称为静止无功功率补偿系统(StaticVarSystem-SVS)4.2晶闸管控制电抗器（TCR）1、电路工作状态●当时流过电抗器的电流波形滞后电源电压900，晶闸管为全导通，导通角，此时电流波形连续且为正弦波一、晶闸管控制电抗器的基本原理相当于电感性负载的交流调压器电路，负载为纯电感9090uVT1VT2Li1802sinuUt2cosLLUitXXL=ωL，电抗器的基频电抗电感中电流iL将受到控制，即随着角的增大，电感电流基波分量IL1相应减小，谐波分量增加。●当时：电流波形为间断脉冲波4.2晶闸管控制电抗器（TCR）●当时双向晶闸管处于失控状态，已不能通过控制角变化来改变，IL大小。09090TCR吸收的感性无功功率：1LULI电抗器的等效电抗增加，等效电感值随之可控，21LUQUILTCR吸收的感性无功功率可平滑调节1、电路工作状态4.2晶闸管控制电抗器（TCR）2、晶闸管控制电抗器的基本原理周期分量：●当时：电流波形为间断脉冲波，可表示为：9018012Liiiu0u0iRVT1VT212cosLUitX非周期分量：122cosTLUieX忽略电阻时，T=L/R为无穷大，则：22cosLUiX122(coscos)LLUiiitX0Li对应的角度为1t22t导通角为：2()2、晶闸管控制电抗器的基本原理则iL的瞬时值可用下式表示：0902(coscos)0270LLtUittXt基波分量：1sin22sin2LLLUUIXX等效电抗值：'22sin2LLXX222sin2LLUQX吸收的感性无功功率：LLXUI,,1为基波分量、电压有效值和基波下电抗器的电抗值2、晶闸管控制电抗器的基本原理当时，2LLUQX90全导通，1801LLUIX'LLXX等效电抗值等于接在线路中电抗本身，吸收的无功功率最大。当时，0LQ18010LI等效电抗值最大，等效开路，吸收的无功功率最小。当时，90180增大控制角增大时，基波电流IL1减小，等效电抗值XL1增大，吸收的无功功率QL减小。★由此可见，在范围内，调节控制角的大小，可以连续、平滑地调节吸收的无功功率QL的大小。90180★除基波IL1外，还含3、5、7、9…奇次谐波，其大小与IL1正比，并随变化。为了防止3及3的倍数次谐波对交流系统的影响，常将三相系统中有三个单相TCR元件作三角形方式连接（6脉冲TCR），使这类谐波经三相电感环流而不注入交流电网，因而在线路中就不存在谐波。二、晶闸管控制电抗器的主要特性1sin()LLLIUBUX■电压—电流基本特性1ksUUjXI二、晶闸管控制电抗器的主要特性■谐波特性TCR装置采用相控原理，在动态调节基波无功功率的同时，也产生大量的谐波，并且谐波含量与控制角相关。TCR谐波与控制角的关系若两个晶闸管的控制角相等，则产生全部奇次谐波。二、晶闸管控制电抗器的主要特性■其它特性1、响应时间（扰动开始到调节器起作用的时间）TCR任何一相的动态响应时间约为10ms，对于三相电路，动态响应时间约为3.4ms，采用数字式快速调节器的条件下，动态响应时间约在5~10ms。2、独立相控TCR三相可以独立进行控制，故TCR型SVC可广泛用于三相不平衡负荷，以实施动态不平衡的补偿。3、功率损耗动态感性部分的损耗随导通程度增加而增大，这部分损耗中包括电抗器的电阻性损耗和晶闸管中导通、切换等损耗。三、晶闸管可控制电抗器的主要接线形式■晶闸管可控制电抗器(TCR)根据需要它们与降压变压器可以采用△形或Y形连接。■TCR中的电抗器采用△形连接最好，在对称运行时可以抵消3次谐波。因为当系统平衡时，所有的3次谐波序列的高次谐波电流都在闭合三角形中流通，所以线电流中不包括这些谐波分量。四、晶闸管可控制电抗器的谐波抑制措施■将TCR接成△形在三相平衡负载的情况下，使两个晶闸管的控制角相等，这时由于电流断续而引起的谐波为奇次谐波，其中3次及其整倍次谐波电流将在闭合的三角形中流动，而不会出现在线电流中。■采用滤波器专门的滤波器或者使用和补偿电容器相串联的电感构成谐振滤波器来消除，消除线路上的5次和7次谐波。四、晶闸管可控制电抗器的谐波抑制措施■采用分裂晶闸管可控制电抗器对12脉冲接线而言，最低次特征谐波是11次和13次，无需使用5次和7次谐波滤波器。■将电抗器分成两部分■使用电抗变压器使用电源变压器，将电网和谐波进行隔离以减少谐波对其他用户的影响。五、晶闸管控制电抗器的控制系统晶闸管控制电抗器的控制系统应能检测系统的有关变量，并根据检测量的大小以及给定参考（输入）量的大小，产生相应的晶闸管触发延迟角，以调节补偿器吸收的无功功率。因此，其控制一般应包括以下三部分电路：●检测电路。检测控制所需的系统变量相补偿器变量。系统电压、流过传输线或补偿器本身的无功功率、传输线输送的有功功率或其变化率、电压相角偏差、系统频率及其导数等。●控制电路。为获得所需的稳态和动态特性，对检测信号和给定参考（输入）量进行处理。●触发电路。根据检测电路输出的控制信号，产生相应触发延迟角的晶闸管触发脉冲。五、晶闸管控制电抗器的控制系统控制方式●开环控制开环系统结构简单，一旦遇到不可预测条件出现，得不到理想的控制效果。●闭环控制闭环系统结构较开环系统复杂，增加了一个反馈网络，响应时间比开环系统长，但稳定度高。比例调节器线性化环节触发和TCR主回路电网refUUU只有电压反馈控制电压调节器线性化环节触发和TCR主回路电网refUUU电流调节器refISVCI带电流内环的电压反馈控制五、晶闸管控制电抗器的控制系统控制方式●复合系统开环与闭环系统联合起来使用。优点：对二次干扰具有较强的克服能力，改善被控对象的动态特性，使时间常数大大减小，兼有开环和闭环系统的优点，负荷干扰变化剧烈的情况下，通过开环控制进行快速补偿。适用场合：控制对象滞后时间较长，负荷变化较大，被控对象又有较大非线性场合。●计算机控制系统计算机控制系统既能实现开环控制、闭环控制和复合控制，又可以实现无功功率、电压闪变、温度、压力、流量综合控制和管理，包括事故处理、记录、打印等。六、晶闸管控制电抗器与并联电容器的配合使用由于单独的晶闸管控制电抗器只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与晶闸管控制电抗器配合使用构成无功功率补偿器。根据投切电容器的元件不同可分为：●晶闸管控制电抗器与固定电容器配合使用的静止无功功率补偿系统(TCR+FC)●晶闸管控制电抗器与断路器投切电容器配合使用的静止无功功率补偿系统(TCR+MSC)优点：反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。■晶闸管控制电抗器与固定式电容器配合使用原理接线图各无功功率值变化曲线总要使由系统供给的无功功率Qs=QF+QL-Qc≈常数，以限制电压的闪变。QC■晶闸管控制电抗器与固定式电容器配合使用控制框图■晶闸管控制电抗器与固定式电容器配合使用电压—电流曲线TCR并联上电容器后，使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率，它既可以吸收感性，也可以吸收容性无功功率。特性左边界的斜线，就是晶闸管导通角为零，而仅有固定电容器并联在母线上的电容器的伏安特性；特性右边界的斜线，就是晶闸管完全导通，其串联电抗器直接接在母线上，并与并联电容器并联产生的总等效阻抗的伏安特性，而它对应的无功功率是电容器与电抗器无功功率对消后的净无功功率。■晶闸管控制电抗器与机械式投切电容器配合使用问题的提出TCR+FC型静止无功功率补偿系统要求电抗器的容量大于电容器的容量，另外当补偿装置工作在吸收较小的无功电流时，其电抗器和电容器都已吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。解决方法把固定电容器改为分组投切，可以减少电容造成的效应，但电容器组会频繁的投切，减少系统的寿命。而TSC+MSC型补偿器通过采用分组投切电容器，在某种程度上克服了这种缺点，但应尽量避免断路器频繁的投入与切除。■晶闸管控制电抗器与机械式投切电容器配合使用例如在最大为70kvar的无功功率补偿系统中按下列原则设置电容值Cl=10kvar、C2=20kvar、C3=40kvar。晶闸管控制电抗器的最大无功功率为10kvar，当TCR中的晶闸管导通角大于90°时，等效的电抗无功功率值小于10kvar。在初始状态下，电感器的导通角设置为90°，电容组中的Cl处于接入状态，两者无功功率之和为零，当所需的无功功率在10kv