磁控电抗器无功补偿技术在电力系统中的应用.pdf

论文评阅人1：评阅人2：评阅人3：评阅人4：评阅人5：论文作者签名：指导教师签名：答辩委员会主席：聋萎整数煎遥迸虫浊垃委员1：江金毛氢凌雌琏燃竖烧委员2：豳籼划熟撬通江琏垒冬至必委员3：趄遏盘逝鸿蚣姻巍院委员4：毽是悫2避鹚蚴蛐院应皿受害竖毅遍赶雄攀酚搜越羞量煎燃兰生煎L差浙江大学研究生学位论文独创性声明j I l l lllI II Il I J II J IIJJ l l fY 2 0 4 7 3 11本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：虱寺签字日期：f 鲜3 月7 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝望盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：冈井导师签名：签-y-日期：口f 缉弓月7 日签-y-日期：加埠3 月浙江大学硕士学位论文致谢致谢本文是在恩师江全元教授的悉心指导和殷切关怀下完成的。从最初的定题、开题报告修改，到论文写作修改，以至最终定稿，江老师都给了我耐心的指导和无微不至的关怀。江老师学术上一丝不苟、知识渊博，给我留下了深刻的印象。江老师在学业上对我悉心指导，严格要求，言传身教，使我受益非浅，在此我向江老师表示深深的谢意!湖州电力局副总工程师楼建航高级工程师对本论文的工作给予了极大的关心和支持，提供了很多帮助，在此一并表示衷心的感谢。借此机会，向帮助我完成学业的老师、同学及家人表示真诚的感谢!周平2 0 1 2 年1 月1 0 日浙江大学硕士学位论文摘要摘要在系统中装设无功功率补偿装置是保持电网高质量运行的一个主要措施，也是当今电气自动化技术及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。针对目前现有的无功补偿装置存在的问题，本文分析了一种基于磁阀式可控电抗器(M a g n e t i c V a l u eC o n t r o l l a b l eR e a c t o r，M C R)的动态无功补偿装置。磁阀式可控电抗器是在电力电子技术以及对电抗器工艺、结构的突破性改进的基础上发展起来的，克服了传统饱和电抗器响应速度慢、损耗大、噪音大、谐波大等缺点，具有可靠性高、谐波含量低、能平滑调节无功等优点，在电力系统中有十分广阔的应用前景。本文首先介绍了课题提出的背景和研究意义，指出传统无功补偿方式存在的问题，并阐述了它的发展现状及发展趋势；接着论述了磁控电抗器的结构和基本工作原理，对磁控电抗器进行了理论分析并对磁控电抗器的优点进行了总结；接着介绍了开发基于磁控电抗器的3 5 k V 动态无功补偿系统的关键技术，重点分析了电压无功综合控制策略并对系统的各项技术指标和功能特点做了简要介绍；之后介绍了白雀变电站的动态无功补偿系统的测试状况和测试结果并阐述了该系统投入白雀变电站的经济效益和社会效益；最后总结了本文所做的工作，并展望了仍需继续研究和努力的方向。关键词：磁控电抗器；电力电子；无功补偿；动态；电压无功综合控制A B S T R A C TAm a i nm e a s u r et h a tk e e p st h eh i g hq u a n t i t yo fp o w e rs y s t e mi su s i n gt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e s N o w a d a y s，i ti sa l s oa ni m p o r t a n ts u b je c tr e l a t e dt Os u c hf i e l d sa sp o w e rs y s t e m，e l e c t r i ca u t o m a t i o n，e t c A tt h es 锄et i m e m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sp a ya t t e n t i o nt Ot h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n A i ma tt h ee x i s t e n tp r o b l e mo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e s，t h i sp a p e ra n a l y s e sak i n do fd y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c eb a s e do nM C R(M a g n e t i c V a l u eC o n t r o l l a b l eR e a c t o r)I ti sd e v e l o p e dw i t hp o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u ea n df o u n do nt h eb r e a k t h r o u g ho ft r a d i t i o n a ls a t u r a t i o nr e a c t o r m a ti sm o r e，I to v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a ls a t u r a t i o nr e a c t o rs u c ha ss l o wr e s p o n s es p e e d，h i g hl o s sa n dh a r m o n i cd i s t o r t i o ne t c T h ed y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c en o to n l yh a sh i g h e rr e l i a b i l i t ya n dl o w e rh a r m o n i cd i s t o r t i o nb u ta l s oC a nr e g u l a t et h er e a c t i v ep o w e rs m o o t h l y S ot h ed e v i s ec a nb eu s e dw i d e l yi nt h ep o w e rs y s t e m F i r s tt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo ft h i ss u b j e c ta n dp o i n t so u tt h ee x i s t i n gp r o b l e m su s i n gt r a d i t i o n a lr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nm o d e，i t sp r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n d W h a t Sm o r e,t h es t r u c t u r ea n db a s i cp r i n c i p l eo fM C Ri sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r T h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fM C Ra n di t sa d v a n t a g e sa r ea l s oi n t r o d u c e di ni t F u t h e rm o r et h i sp a p e rr e c o m m e n d st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ed e v e l o p m e n tw h i c hb a s e do nt h e3 5 k Vd y n a m i cr e a c t i v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mw i t ht h eM C R T h ev o l t a g er e a c t i v e p o w e ri n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g yi sf o c u s e so nt h ea n a l y s i s I na d d i t i o n，t h et e s ts t a t ea n dt e s tr e s u l to fd y n a m i cr e a c t w ec o m p e n s a t i o ns y s t e mi nB a i q u et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni Sp r e s e n t e di nt h i sp a p e rT h eE c o n o m i cb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i ti ni nB a i q u et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o no ft h i ss y s t e mi sa l s op r e s e n t e d A tl a s tt h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ew o r ka n dp r o s p e c tt h ep r o b l e mw h i c hs t i l ln e e dt os t u d ya n dr e s o l v e K E YW O R D S：M C R；e l e c t r o n i c；r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n；d y n a m i c；v o l t a g er e a c t i v e-p o w e ri n t e g r a t e dc o n t r o l1 1 浙江大学硕士学位论文目次目次致谢I摘要A B S 嗽C T 目次I V1 绪论11 1 课题提出背景11 2 课题的研究意义一：11 2 课题国内外发展状况41 4 本文所作的工作71 5 本章小结一82 磁控电抗器的原理与特性分析92 1 磁控电抗器的结构和工作原理92 1 1 磁控电抗器的结构分析一92 1 1 磁控电抗器的工作原理92 2 磁控电抗器工作状态分析1 12 3 磁控电抗器的数学模型1 32 4 磁控电抗器的基本特性1 42 4 1 基波伏安特性1 42 4 2 控制特性1 52 4 3 谐波特性1 62 5 磁控电抗器的优点1 62 6 本章小结1 73 基于磁控电抗器的3 5 k V 动态无功补偿系统开发1 83 1 关键技术1 83 1 1 磁控电抗器设计1 83 1 2 高电位可控硅触发及隔离1 93 1 3 数据高速采集和实时处理1 93 2 电压无功综合控制策略2 03 2 1 无功功率定义2 0I V浙江大学硕士学位论文目次3 2 2 无功补偿原理和方法2 23 2 3 系统动态无功补偿策略2 43 3 系统结构组成2 83 3 1 数据测量3 03 3 2 控制器硬件结构3 03 3 3 系统保护闭锁3 13 3 4 通信接口及数据传输3 13 3 5 电能质量监测3 23 4 系统的技术指标和功能3 23 4 1 系统的技术指标3 23 4 2 系统的功能特点3 33 5 本章小结3 44 基于磁控电抗器的3 5 k V 动态无功补偿系统测试及应用效果3 54 1 白雀变电站一次主接线3 54 2 白雀变系统运行数据分析3 54 3 系统测试状况3 84 3 1 测试内容和测试环境3 84 3 2 控制器基本性能检查3 84 3 3 保护闭锁功能试验3 94 3 4 控制策略试验4 l4 3 5 通讯试验4 34 3 6 控制器电压、电流误差测量4 34 3 7 装置开环输出试验4 44 4 应用效果4 54 4 1 经济效益4 54 4 2 社会效益4 64 5 本章小结4 7V892o；|一一|；|；|i|一望i；展与献介论、又简结考者5 参作浙江大学硕士学位论文绪论1 绪论1 1 课题提出背景在电力系统的运行中，系统运行的安全性、可靠性和经济性、输送电能的质量是其最根本的问题。电能质量是指电压或电流的幅值、频率、波形等参量距规定值的偏差【1 1。电压和频率是衡量电能质量两个最重要指标。为确保电力系统正常运行，必须将供电电压和频率稳定在一定范围内。频率控制与有功功率控制密切相关，而对电力系统无功功率进行控制是电压控制重要方法之一【2 卅。无功功率与电力系统的经济运行和安全稳定关系重大，随着电力工业的发展，对无功功率的要求越来越严格。正常情况下，电力系统中大多数的用电负荷，变压器、如异步电动机、工业电弧炉、非线性电力电子装置和气体放电灯，需要消耗无功功率，而且大多数的网络元件，如架空线和电抗器，也会消耗无功功率。因此，对电网的无功功率进行快速有效地调节，使整个电网的潮流分配更加合理，这对电网的稳定、调压、调相、防止过电压等方面都是非常重要的。无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。因此就应该在需要消耗无功功率的地方来补充无功功率，做到无功就地补偿，避免线路传输无功功率。此外，针对所要求的某一目标(通常为额定电压)，还应使电力系统在任一时间和任一负荷时的无功总出力(含无功补偿)与无功总负荷(含无功总损耗)之间保持分层和分区平衡【5，6 1。无功平衡对于线损和电压具有重要意义，无功过剩或不足将导致电压升高或降低，电能质量恶化，线损增加。无功补偿可分为动态无功补偿和静态无功补偿两种。动态无功补偿是指阻抗可调，可提供连续变化的无功功率的补偿方式，其补偿容量能够实时地跟踪负荷无功需求的变化。静态无功补偿是指阻抗固定，只能提供固定无功功率的补偿方式，其补偿容量不能实时跟踪负荷无功需求的变化【7。9】。随着电力系统的发展，越来月需要对无功功率进行快速动态补偿，动态无功补偿对现代电力系统的重要性日趋明显。1 2 课题的研究意义电能质量的重要指标之一是电压。电压问题不仅影响对用户的正常供电，而且对电力系统的安全、稳定和经济运行、用户安全生产、电气设备的安全与寿命以及产品质量等，都有重要的影响。电力系统中的无功功率分布是影响电压质量浙江大学硕士学位论文绪论的一个重要因素，系统的电压水平是无功功率功率供需平衡情况的具体表现，无功就地平衡与无功补偿是保证电压质量的重要条件。电力系统除了在正常运行时能够保持无功平衡外，在遇到系统事故或遭遇重大冲击后，枢纽点电压迅速下降，无功平衡突然破坏的情况时，也必须能够迅速保持无功动态平衡，以维持暂态电压稳定。在我国电网的建设和运行中，无功补偿容量不足和配备不合理的问题长期存在，特别是可被调节的无功容量不足，具有快速响应能力的无功调节设备则更少。近年来，随着大功率、非线性负荷的不断增加，电网的无功冲击和谐波污染日趋严重，无功调节手段缺乏使得母线电压随运行方式的变化差别很大，导致电网(特别是配电系统)的线损增大、电压质量降低。此外，随着电网的发展，系统的稳定性也更加重要。电网的动态稳定性高低与快速无功功率调节器的性能好坏有关；电网的电压稳定性高低与无功功率是否有效补偿有关。根据电力系统电压和无功电力技术导则(1 9 8 9 发布)相关规定，“对2 2 0 k V变电所，在切除并联电容器后，其一次母线功率因数高于0 9 8 时，应装设并联电抗器”。同时，根据能源d L 1 9 9 3 1 2 1 8 号文中规定，“变电所需补偿无功设备，使最大负荷时一次侧功率因数不低于0 9 5”。湖州电力局2 2 0 k V 白雀变电站位于湖州城区，承担着重要供电任务，2 0 0 5年正常方式容载比小于1 4。近年来随着负荷上升，无功补偿容器投切或配置并不合理，造成低谷时段无功过剩，大量无功流向上级电网，导致力率偏高、电压过高。这种高峰时段低力率低电压，低谷时段高力率高电压的特点，导致l l O k V侧电压日波动偏大，超过5，波动超限。过剩的无功和过高的电压不但影响系统经济运行，还影响运行安全和用电设备安全。解决无功倒送和电压偏高的问题，只能采用无功补偿装置来进行动态无功补偿和电压调节，这样在一定范围内可以实现感性无功的连续平滑调节，能够灵活的补偿系统无功、调节系统电压。可控电抗器是一种特殊的特高压或超高压并联电抗器，它具有随着传输功率的变化而自动平滑地调节本身的容量的功能。但早期的可控电抗器因损耗较大、调节速度慢及其他无功补偿装置的迅速发展等原因并没有受到人们的重视【1 0 1。1 9 8 6 年，原苏联科学家提出了一种新型结构的可控电抗器，从而使可控电抗器的发展有了突破性进展。新型的可控电抗器作为连续可调的无功辛I、偿装置可直接2用于电压等级直到1 1 5 0 k V 的任何电网，因而可直接连接于特高压或超高压线路侧，同时发挥同步补偿机和并联电抗器的作用1 1 1 l。可控电抗器在电力系统中，特别是特高压或超高压电力系统中的应用前景和潜力是十分巨大的。磁控电抗器(M C R)在这个背景下提出具有重大的意义。磁阎式可控电抗器可随电网传输功率的变化而自动平滑调节自身的容量，当电网传输功率较大时，电抗器运行在空载或小容量状态；当电网传输功率很小或空载时，电抗器自动增大容量补偿对地电容无功，能够限制工频电压升高。在很大程度上提高了电网的运行经济效益1 2 1 4 1。综上所述，高压M C R 型动态无功补偿装置有以下特点【捧1 7 1：l、对电网而言：降低网损，提高功率因数，可以使电网的功率因数达到0 9 0 9 9；提高电网的电压稳定能力；阻尼系统振荡，提高阻尼极限，提高系统的传输功率。2、对用户而言：稳定端点电压(防止电压过高或过低)，提高输电线与变压器以及其他电器设备的使用寿命；安装与不安装S V C，对端点电压的波动幅度有很大的影响；提高功率因数，可以使功率因数提高到o 9 0 9 9，降低无功损耗，降低网损，节省电费开支，适用于电力系统庞大，网损非常严重的用户 1 9 l；消除或减轻谐波污染，提高系统的安全性，延长电气设备使用寿命，降低系统的损耗1 1 9 1；降低电弧炉运行、异步机启动等本地电网的冲击，提高系统安全性，对于弱电网尤其具有上述需求；消除或减轻电压闪变，针对f,-j 变专门设计了算法，将电压闪变降到最低水平，提高用户电压质量；在很多场合，为了实现1 2-1 5 倍的扩容，安装动态无功补偿装置，大幅节约了扩容开支；3、使用磁控电抗器来进行动态无功补偿的理由【2 0。2 2 1：(1)磁控电抗器性能优良，为2 l 世纪高新技术产物，是2 0 0 2 年美国电力科学研究院推荐的(技术)产品；(2)可靠性极高、耐用，免维护，使用寿命不低于2 5 年，电气化铁路牵引供电网等重要系统已予以优先采用；(3)能在任何恶劣电网工作环境下(如电压波形畸变、幅值波动大等)稳定、可靠工作；(4)可直接运行于任何电压等级电网(6-5 0 0 k V)，且安装简单(与普通变压器类似)、调试方便；(5)无功补偿容量无级调节，使补偿效果达到最佳；(6)M C R 型S V C动态无功补偿系统的性价比高，比较国产T C R 型S V C 的价格低1 3，只是进口浙江大学硕士学位论文绪论T C R 型S V C 价格的4 0。因此，调整电网电压和无功补偿，以提高传输容量和限制过电压，磁阀式可控电抗器具有广阔的发展前景。此外，磁阀式可控电抗器相对于其他可控电抗器，成本低，制造工艺简单，这将使磁阀式可控电抗器在电力系统中充分发挥重要的作用。1 2 课题国内外发展状况随着社会发展用电负荷增加，系统峰谷负荷差距增大。负荷高峰时无功不足，功率因数偏低，电压下降。负荷低谷时无功过剩流向上一级系统，功率因数偏高，电压上升。无功不足或者无功倒送时，需要系统提供更大的无功或者输出无功到系统，这部分无功一方面会增加系统损耗、降低设备利用率和输电能力，另一方面导致电压偏高或者偏低，降低了电能质量，影响系统稳定运行和设备安全运行。无功补偿的简称是无功补偿电源，是指为满足电力网和荷端电压水平及经济运行要求，须在电力网内和负荷端设置无功电源。电力系统的负载多数是电感性的，电力系统会消耗无功电力，使负载电流相位滞后于电压，相角差越大，无功电力需求就会相对增大，供给固定的有功功率，提高电流而产生的线路损耗。电力网络中所使用电设备消耗的无功功率，必须从网络中某个地方获得，如果由发电机提供并经过长距离传送这些无功功率是不合理的，通常也是不可能的，应该是在需要无功功率的地方产生无功功率。所以在配电系统里大多数都是使用电容器来补偿负载所需的无功功率，以改善功率因数。在S V C 出现前，人们除了精心设计和布局整个电网外，往往采用下面几种经典的办法或设备来调节电网的无功功率 2 3-2 6 1：适当调节发电机励磁，以调节机组运行功率因数。在交流系统适当地点(或直流输电弱系统侧)装设同步调相机，主要应用在控制电压的大幅偏移和在H V D C 的终端作为动态无功支持。使用带抽头或有载开关的变压器，通过调节电网某些点的电压来调节潮流。采用串联补偿电容器来改善收端电压，提高电网极限传输能力并增强系统的稳定性。用开关投切并联电容器或电抗器，以满足系统随时变化的无功功率需求量，达到调相调压的目的。这几种措施和方法，有些因其固有的优点，迄今仍为人们采用着，电力系统4浙江大学硕士学位论文绪论用得较多的是用开关投切电容器组方式进行无功补偿。但是，曾庆国在(电力系统无功补偿技术一文中指出这些方法明显存在着响应速度慢、调节性能差、运行维护和管理不便、长年运行损耗过大、自动监控跟踪性能差以及对整个电网的技术效益和经济效益都偏低等等缺陷。由于传统的无功补偿设备存在很多缺点，已经越来越不适应现代电力系统的无功补偿的需要，随之产生了一种新的静止无功补偿技术。电力电子技术近年来迅速发展，在电力系统中的应用越来越广泛，采用品闸管的静止无功补偿装置也逐渐占据了静止无功补偿装置的主导地位【2 7 2 8 1。现在，性能优良的S V C(静止无功补偿器)正逐步替换这些陈旧的设备。尤其在一些重要的场合，在大型复杂电网运行中的特殊要求方面，S V C 已经获得全面的应用。加拿大R o h a nM a t h u r 和印度R a j i vK V a r m a 著浙江大学徐政教授译的基于晶闸管的柔性交流输电控制装置一书中详细介绍了有关F A C T S 装置的结构和运行原理以及多个F A C T S 技术的工程应用。书中指出静止无功补偿器(S V C)是基于并联补偿原理的、早已成熟并已广泛使用的F A C T S 装置 2 9-3 1 1。它是一种并联型静止无功功率发生器或吸收器，其输出可变，以保持或控制电力系统中的特定参数。静止无功补偿器是电网中牢l、偿无功功率的装置，它自动根据无功功率的实时需求来进行补偿。所谓静止无功补偿的“静止”，是指它与同步调相机相比较，没有机械运动部件，是完全静止的设备。但它进行的是动态的无功补偿，即自动跟踪无功的需求或电压的变化来实现无功功率补偿【3 2 1。静止无功补偿系统中的各种无功补偿器都是用无功器件电容器或电抗器产生无功功率，并且根据需要调节容性或感性电流。这种调节可能采用连续调节或投切的方法进行。浙江大学张静博士在电力谐波抑制与无功功率补偿高级研修班的讲义中介绍静止补偿的另一个特点是依靠晶闸管等电力电子器件完成调节或投切功能，它们可以频繁的调节和投切。其动作速度是毫秒级的，远比机械设备的动作要快。对于系统中平衡无功功率或不变动的无功功率常采用传统的电容器补偿，而变动的部分采用动态补偿，这样可以节省投资。现在，静止无功补偿装置(S V C)这个词往往专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，主要包括晶闸管投切电抗器(T C R)和晶闸管投切电容器(T S C)，以及它们的混合装置，如T C R+T S C、T C R+F C，T C R+M S C 等。在黄艳燕译自(P r o c e e d i n g so f t h eI E E E)中由英国的J D i x o n 等人著的无功补偿技术的发展浙江大学硕士学位论文绪论中分别介绍了T C R 和T S C 的优缺点。1、晶闸管投切电容器(T S C)晶闸管投切电容器(T S C)是利用反并联的可控硅组成的高压交流无触点开关代替机械开关，根据输电系统或配电系统的无功功率的控制要求自动投切相应的电容器组，使并联到电网上的容抗分级变化，从而实现对无功补偿量的自动控制。T S C 的主要优点是：投切速度快，投切对电力系统无电流冲击，直接产生无功功率，结构简单，有功损耗最少，不产生高次谐波。其主要缺点是：在正常断开后，可控硅阀两端需承受两倍电源电压，无功功率不能平滑调节而只能作级差调节。2、晶闸管控制电容器(T C R)T C R 是晶闸管型S V C 的最重要组成部件之一。一般来说，T C R 有一个控制器，它接受系统的信息，判断当时需要多大的电抗电流，由控制器指挥晶闸管的开通角度以调节电抗器的电抗。T C R 可以单独使用，但它更经常地与固定电容器或晶闸管投切电容器相结合，在选定的超前一滞后补偿范围内对无功功率实施快速、连续的控制。T C R的响应迅速，典型响应时间为1 5 到3 个周波。实际的响应时间是测量延迟、T C R控制器的参数、和系统强度的函数。达到3 0 0 M V A 额定容量的T C R 已在电力系统中使用。由于T C R 直接控制电抗器电流，所以要求可控硅阀的容量与电抗器容量相当，需要控制电压和电流都很大，而且可控硅功耗损耗较大，需要采用水冷方式或者热管方式冷却，否则可控硅会过热内部击穿。据资料表明2 0 世纪8 0 年代以来，基于T C R 的S V C，在电力系统中投入实际运行，但是，因为它的投资昂贵，而且晶闸管型S V C 存在有多问题，所以很难推广。2 0 世纪末，磁控电抗器(M a g n e t i c a l l y C o n t r o l l e dR e a c t o r M C R)在俄罗斯、中国等国家问世，由于M C R 的价格便宜，维护方便等优点，基于M C R的S V C，相继在一些国家电网投入运行，并展示了它的优越性。用它来改造和发展电网的无功牢I、偿，实施动态无功优化调整，有着广阔的发展前景。李春华高工在磁控电抗器在变电站无功补偿中的应用一文中介绍磁控电抗器(M C R)是具有特殊结构的电抗器，其铁心截面积具有减小的一段，在整个容量调节范围6浙江大学硕士学位论文绪论内，只有小面积一段磁路饱和，其余段均处于未饱和线性状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量。M C R 同样具有分相调节能力，可以提供不对称补偿和感性无功和容性无功的连续补偿，控制线性度较好等，此外，它还具有控制电流小、功耗低、谐波电流小、免维护等优点。现代电网的无功补偿，正向着优化、动态和平滑调节方向发展，在原有V Q C 系统的基础上，增设基于M C R 的动态无功补偿装置可达到如下效果：(1)电抗器采用可控硅控制，其容量可以连续无级调节，消除了仅有电容器投切时的阶梯式无功补偿，实现无功的真正就地平衡，降低网损，提高系统的传输能力。(2)双向的无功功率补偿扩大了变电站无功调度的工作范围，达到了无功优化调节的目的，为电网的无功控制提供了有效手段。(3)扩大了变电站的无功调节容量，具有更优越的电压调节效果，减少了分接头的调整频次。(4)控制策略合理，硬件可靠，软件易于修改，维护方便，具有灵活性和适应性。基于晶闸管的柔性交流输电控制装置一书中还指出随着全球电力系统复杂性的进一步增加以及对安全、可靠、可控、经济和高质量电能需求的不断增长，特别是在放松管制的电力市场环境下，可以预见，F A C T S 装置将在未来的电力系统中发挥关键性的作用，一大批更加通用和有效的F A C T S 装置正在电力系统中快速的出现，其中的一些已在现场安装使用，这些装置包括静止同步补偿器(S T A T C O M)，晶闸管控制移相变压器(T C P S T)，静止同步串联补偿器(S S S C)，统一潮流控制器(U P F C)等等。1 4 本文所作的工作本文针对电力系统无功补偿的发展现状，通过对磁阀式可控电抗器的结构、原理，工作特性的研究分析，以公式推导的方式对以上其特性进行理论分析，结合白雀变电站实际系统，对基于磁控电抗器的动态无功补偿系统做了深入的分析和介绍。本文共分五章，主要内容如下-第一章为绪论，主要介绍课题的研究背景及研究意义，无功补偿在国内外的发展概况及趋势。7浙江大学硕士学位论文绪论第二章进行了磁阀式可控电抗器的结构、工作原理、工作状态的分析。给出了磁阀式可控电抗器铁芯动态磁化曲线拟合的方法，建立了理想的小斜率磁化曲线的数学模型、并推导了其等效磁路模型。根据晶闸管和二极管存在的导通情况，列写了五种工作状态下相应的电磁方程并得到了磁阀式可控电抗器的数学模型。最后详细分析了可控电抗器在不同工作状态之间的转换条件。第三章介绍了无功功率的定义，分析了无功补偿的原理和方法以及电压无功综合控制策略，介绍了基于磁控电抗器的3 5 k V 动态无功补偿系统的关键技术、结构组成，并介绍了系统的技术指标和功能特点。第四章首先对白雀变电站系统情况和实际运行数据进行了分析，然后介绍了基于磁控电抗器的动态无功补偿系统在白雀变电站的测试结果，最后介绍了该系统投入白雀变电站的经济和社会效益。第五章总结了本文所做的工作，并展望了仍需继续研究和努力的方向。1 5 本章小结本章介绍了课题研究的背景和意义，对电力系统无功补偿和磁控电抗器做了简单的概述，综述了无功补偿技术以及可控电抗器的国内外研究现状，最后提出了本论文的主要工作。8浙江大学硕士学位论文磁控电抗器的原理与特性分析2 磁控电抗器的原理与特性分析2 1 磁控电抗器的结构和工作原理2 1 1 磁控电抗器的结构分析磁控电抗器(m a g n e t i cc o n t r o lr e a c t o r)全称是磁阀式可控电抗器，简称M C R，是一种容量可调，特殊的特高压或超高压并联电抗器，同时还可以用作消弧线圈。磁控电抗器制造工艺简单，成本低廉，对于提高电网的输电能力、调节电网电压、补偿无功功率以及限制操作过电压，磁控电抗器都具有广阔的应用前景。如图2 1 为单相磁控电抗器结构图。电抗器由两个等截面、等长度的主铁芯1、和两个等截面、等长度的旁轭l、2 组成。旁轭截面积大于主铁芯截面积，两个主铁芯柱截面积较小可保证工作时磁压降大部分降落于两个主铁芯柱上，使其较容易达到饱和。每个主铁芯上绕有总匝数为w 的上、下两个绕组，W=W l+w：。每个绕组各有一个抽头分别与晶闸管T-和T 2 相连。不同铁芯的上、下两个绕组交叉顺连后并联至电网，续流二极管D 跨接在两个绕组的交叉处。铁芯l 和旁轭1、铁芯2 和旁轭2 分别组成两条交流磁通的回路，铁芯l、2 组成直流磁通的回路。图2 2 为磁控电抗器的电路图。oDa：bT I义。_ T 2并水I。一e：f图2 1 磁控电抗器结构示意图图2 2 磁控电抗器的电路图2 1 2 磁控电抗器的工作原理磁控电抗器M C R 通过改变磁芯的磁场强度达到改变其电抗值的目的磁场的变化引起磁芯饱和度的改变，从而达到控制M C R 的目的。铁芯饱和的时间周9浙江大学硕士学位论文磁控电抗器的原理与特性分析期是控制的重要参数。M C R 可完成o o l 1 0 0 倍的额定功率的调节。对于各种不同类型的M C R，短时过负荷4 0 可运行2 0 分钟，而过负荷2 0 则没有运行时间的限制【3 3 1。此种磁控电抗器是基于直流偏磁可调原理。下面说明在没有单独直流电源励磁时直流偏磁是如何产生的。当晶闸管T。和T：不导通时，磁控电抗器处于空载状态。当电源处于正半波时，晶闸管T 1 承受正向电压，T 2 承受反向电压。若T l触发导通，忽略晶闸管的正向压降a、e 两点等电位，电源U 经匝数为W 2 的绕组向电路提供直流控制电压和控制电流i d l，其等效电路如图2-3(a)所示。同理，T 2 在电源负半波时导通，b、f 两点等电位，得出图2 3(b)所示的等效电路。由图2 3 可见T l 导通产生的控制电流i d 2 与T l 导通产生的控制电流i d l 方向一致。也就是说，在电源的一个周期内，T l 和T 2 轮流导通起到了全波整流的作用，二极管D 在T l 和T 2 导通和关断时起续流作用。为方便起见，图2 3(a)和图2 3(b)可分别等效为图2 3(c)和图2 3(d)。即电抗器绕组中流过两部分流，一部分是直流控制电流i d。i d 2)，另一部分是工作电流。直流控制电流所产生的直流控制磁通，在两个中间铁心内闭合；工作电流所产生的交流工作磁通：通过中间铁心和旁轭闭合。如图2 4 所示，当触发角口=石时，晶闸管不导通，控制电压为零，磁路中无直流磁通，只有交流磁通o，此时电抗器为空载状态。当口 石时，绕组中有直流励磁，铁心中的磁通(l，2)由直流和交流磁通合成而成，忽略谐波的影响。当晶闸管T。导通时，左柱支路绕组匝数减少2 W z 匝，相应的右柱支路绕组匝数增加2 W 2 匝。由于电流近似与匝数的平方成反比，所以，i l 几乎只有正半波；同理，当T 2 导通时，i 2 几乎只有负半波，总的电流波形i 为正弦波。改变导通角即可改变直流电流i。，(i 2)的大小，铁心的工作点随着改变，总电流会有很大的变化，从而达到平滑调节电抗的目的。1 0浙江大学硕士学位论文磁控电抗器的原理与特性分析WaeW l1 2W lbdcdfeW lW l1 2W lbfW leW 1 2W lbdCfW lI iW laCdeW l(a)(b)(c)(d)(a)晶闸管T 1 导通时的等效电路图；(b)晶闸管T 2 导通时的等效电路图(c)将(a)化简之后的电路图；(d)将(b)化简之后的电路图图2 3 晶闸管T。和T 2 导通时的等效电路图O l厂、7、吼厂、0锄u勿一n刃：?j J：。?，、)、F o一F IL(F 2吐F1 2W lbfWm图2 4 磁控电抗器的工作原理2 2 磁控电抗器工作状态分析因为与电网的工频周期相比，晶闸管T l、T 2 和二极管D 的开关动作时间都很短，若忽略开关动作时间，可将它们视为理想开关元件。如图2 5 所示。p弋n兀行+a2 XOJI、，状态l状念2状念3状念4囹2 5 磁控电抗器的工作状态1 1浙江大学硕士学位论文磁控电抗器的原理与特性分析设电网电压为“：f-2 U s i n t a t 时，晶闸管的触发角为口，则一个工频周期内磁控电抗器存在以下四种工作状态，各状态对应的电路图如图2 6 示：(1)当口c o t 7 时，电抗器处于状态1，T l 导通，T 2 和二极管D 关断；(2)当0 t o t 口或 t v t 万+口时，电抗器处于状态2，D 导通，T 1 和T 2关断；(3)当尼+口口，2 7 r