基于MCR无功补偿控制器研究论文.doc

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1、 工程硕士学位论文基于MCR无功补偿控制器研究Research on the Reactive Power Compensation Controller Based on the MCR中国矿业大学学位论文使用授权声明本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理：作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的部分使用权，即：学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、

2、图书馆等场所或在校园网上供校师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。（的学位论文在解密后适用本授权书）。作者签名： 导师签名：年 月 日 年 月 日中图分类号 TM474 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学工程硕士学位论文基于MCR无功补偿控制器研究Research on the Reactive Power Compensation Controller Based on the MCR作 者 * 导 师 * 申请学位 工程硕士 培养单位 信息与电气工程学院 学科专业 控制工程 研究方向 无功补偿 答辩委员会主席 * 评 阅 人二一二年

3、五月论文审阅认定书研究生 * 在规定的学习年限，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字： 年 月 日致几年的工程硕士学习生涯转瞬即逝，这继续深造、不断提升自己的求学之路让我在各方面都得到了成长与锻炼，是我人生中非常宝贵的一段时光。值此论文完成之际，诚挚的向每一位关心、帮助、支持过我的老师、领导、同学、同事、朋友、亲人致以深深的意！本论文是在导师*副教授的悉心指导下完成的。与此同时，导师在生活和工作上都对我给予了极大

4、的关怀和帮助，在此向他致以衷心的感和崇高的敬意。老师优秀的做人品质，严谨的治学态度，开拓创新的精神，高屋建瓴把握全局的能力，忘我的工作精神在潜移默化中给我树立了典形象，这也是导师授予我最为宝贵的财富。真诚地感实验室*等几位老师在学习上对我的帮助，他们让我在学习期间收获更多。论文的写作过程中，实验室的各位兄弟姐妹们给我提出了很多宝贵的意见，对我的学习提供了诸多实实在在的帮助，在此一并表示感激。同窗数载，深情留驻。这份珍贵的情谊，值得我一生珍藏。在攻读工程硕士期间，单位*等领导给予了我很大的支持、关心和照顾；同时，我的家人也给予了巨大的理解和精神上的鼓励，才使我能顺利地完成学业，谨以此文献给他们！

5、感各位专家、老师在百忙之中评阅本文。67 / 83摘 要伴随着现代工业的迅猛发展，电能质量问题日益突出。如果我们要提高电网电压稳定性，那么就需要增加无功功率补偿装置。在工矿企业的基本建设期间，由于用电负荷的运行不稳定，如果采用简单的电容电抗组合的方式进行补偿，将导致功率因数低下，电能质量不高，增加企业经济负担。通过实践运行，在电力系统中运用可控电抗器能够实现连续平滑地对无功功率进行调节，同时能够有效抑制电压波动。可控电抗器能够根据电力系统的扰动情况做出快速响应，根据线路功率或母线电压自动调节无功容量，对电压波动和功率振荡进行有效抑制。同目前的一些动态无功补偿装置相比，它具有明显的更广电压适用围

6、、可靠性更高、谐波小、占地面积小、维护方便等优点，因此其获得了广泛的使用。结合市胡底矿井蒲池变电所技术改造项目所采用的磁阀式可控电抗器（MCR）对无功功率进行补偿的技术，本文介绍了无功补偿与可控电抗器的国外研究现状，从理论上对磁阀式可控电抗器基本原理和基本特性进行了研究，分析了无功补偿原理与无功检测方法，对无功补偿装置进行了硬件、软件设计，并在MATLAB平台上对磁阀式可控电抗器进行了仿真。从市胡底煤矿基于磁阀式可控电抗器的无功补偿控制器已经投运的情况来看，能够切实对无功进行有效补偿，提高功率因数，改善电能质量，达到节能目的，增加企业经济效益。该论文中有图41幅，表12个，参考文献53篇。关键

7、词：MCR；无功补偿；控制器；仿真AbstractWith the rapid development of modern industry, the problem of power quality has been outstanding increasingly. If we want to improve the network voltage stability, we must increase the reactive power compensation device. Due to the operation of the electrical load is not sta

8、ble, if we use the simple circuit reactance capacitance and combinations to compensate the reactive in industrial and mining enterprises of basic construction period, then power factor will be low, the power quality will not be high, and the enterprise economic burden will increase. Through the prac

9、tice operation, power system in the use of controlled reactor to really achieve continuous smoothly adjustment on reactive power, at the same time, it can effectively restrain the voltage fluctuation. Controlled reactor can rapidly make response according to the situation disturbance of power system

10、; it can automatically adjust the reactive power capacity according to the line power or bus voltage; it can effectively restrain the voltage fluctuations and power oscillation. Compared with some dynamic reactive compensation device, it has many advantages，such as the broader voltage applied range,

11、 the higher reliability, the smaller harmonic, the smaller land area, the more convenient maintenance etc, so it has used widely.Combined with the magnetic valve type controlled reactor on reactive power compensation technology used by the PuChi substation of Hudi coal mine Jincheng city technical r

12、enovation programs, in this paper, the research situation of the reactive power compensation and controlled reactor has been introduced; the basic principle and basic characteristics of magnetic valve type controlled reactor have been researched in theory; the principle of reactive power compensatio

13、n and the methods of reactive detection have been analyzed; the hardware and software of reactive power compensation device has been designed; the magnetic valve type controlled reactor has been simulated on the platform of MATLAB.From the running situation of the controller for the reactive power c

14、ompensation which based on magnetic valve type controlled reactor of Hudi coal mine Jincheng city, it can compensate the reactive power effectively; it can improve the power factor and the quality of power; it can achieve the purpose of saving energy; and it can increase the enterprise economic bene

15、fits.There are 41figures, 12 tables and 53 references in the paper.Keywords: magnetic valve type controlled reactor；reactive power compensation；controller；the simulation. 目录摘 要I目 录III图清单VII表清单IX变量注释表X1绪论11.1课题研究的背景与意义11.2工程背景21.3国外无功补偿方式与补偿装置31.4本文主要容52磁阀式可控电抗器工作原理与特性62.1工作原理62.2电抗器各工作状态之间的转换条件与判断82

16、.3工作特性分析92.4控制特性162.5响应速度192.6有功损耗202.7小结213无功补偿的原理与分析223.1有功功率与无功功率的基础223.2瞬时无功功率理论243.3小结284控制策略与优化294.1无功控制一般方式294.2对传统无功控制方法的改进314.3提高响应速度344.4谐波抑制与策略374.5小结415控制系统硬软件设计与MCR仿真425.1硬件设计425.2软件设计475.3 基于MATLAB的MCR仿真495.4小结556工程应用与结论566.1工程应用566.2结论57参考文献59作者简历65学位论文原创性声明66学位论文数据集67ContentsABSTRACT

17、IICONTENTSVLIST OF FIGURESVIILIST OF TABLESIXLIST OF VARIABLESX1 INTRODUCTION11.1 The Background and Significance of Research Subjects11.2 Engineering Background21.3 Reactive Power Compensation Methods and Compensation Device at Overseas and Domestic31.4 The main content52 MAGNETIC VALVE TYPE CONTRO

18、LLED REACTOR WORKING PRINCIPLE AND CHARACTERISTICS62.1 Working Principle62.2 The Transition Conditions and Judgment Between Working States of the Reactor82.3 The Analysis for Working Characteristic92.4 Controlling Characteristic162.5 Response Speed192.6 Active Loss202.7 Summary213 THE PRINCIPLE AND

19、ANALYSIS OF REACTIVE POWER COMPENSATION223.1 The Base of Active Power and the Reactive Power223.2 Instantaneous Reactive Power Theory243.3 Summary284 CONTROL STRATEGY AND OPTIMIZATION294.1 General Methods of Reactive Power Controlling294.2 Improving Method for the Traditional Reactive Control314.3 I

20、mproving the Response Speed344.4 Harmonic Control and Strategy374.5 Summary415 CONTROLLING SYSTEM HARDWARE AND SOFTWARE DESIGN AND SIMULATION OF MCR425.1 Hardware and software design425.2 Software Design475.3 Simulation of MCR Based on MATLAB495.4 Summary556 THE ENGINEERING APPLICATION AND CONCLUSIO

21、N566.1 The engineering application566.2 Conclusion57REFERENCES59AUTHOR RESUME65DECLARATION OF THESIS ORIGINALITY66THESIS DATA COLLECTION67图清单图序号图名称页码图2-1磁阀式可控电抗器结构电路6Figure 2-1Structure circuit diagram of magnetic-valve controlled reactor6图2-2晶闸管导通等效电路图7Figure 2-2Equivalent circuit diagram of thyris

22、tor conduction7图2-3磁阀式可控电抗器工作状态变化过程9Figure 1-3Working process transformation of MCR9图2-4MCR的简化等效电路11Figure 2-4Equivalent circuit diagram of MCR11图2-5MCR伏安特性12Figure 2-5Current-voltage characters curve of MCR12图2-6-1谐波电路峰值与饱和度关系曲线14Figure 2-6-1Peak of harmonic current and curves of saturation relatio

23、n14图2-6-2谐波电路峰值与饱和度关系曲线15Figure 2-6-2Peak of harmonic current and curves of saturation relation15图2-7触发角-磁饱和度关系曲线17Figure 2-7Relation curves of triggering angle and magnetic saturation17图2-8触发角-基波电流曲线与余弦对比关系18Figure 2-8Relation of triggering Angle of alpha base wave current curve and cosine contrast

24、18图2-9响应速度与抽头比关系曲线19Figure 2-9The curve of response speed and tap proportion19图2-10与抽头比关系20Figure 2-10Relations of and tap proportion20图3-1线路型等值电路图23Figure 3-1Diagram of type equivalent circuit23图3-2变压器型等值电路图23Figure 3-2Diagram of type equivalent circuit for transformer23图3-3坐标变换24Figure 3-3Three co

25、ordinate transformation24图3-4三相电路谐波和无功电流检测方法26Figure 3-4Methods of detection for three-phase circuit harmonic and reactive current26图3-5、法检测框图27Figure 3-5Diagram of examination for and 27图3-6改进的瞬时无功检测方法框图28Figure 3-6Diagram of improved instantaneous reactive detection method28图4-1电压/无功的“九区图法”控制30Fig

26、ure 4-1The voltage/reactive power the nine area chart control30图4-2几种改进的九区图法30Figure 4-2Several improvement “nine area chart”30图4-3模糊控制系统的结构32Figure 4-3Structure of Fuzzy control system32图4-4模糊PI控制器框图32Figure 4-4Fuzzy PI controller diagram32图4-5L-C 振荡回路35Figure 4-5L-C resonance circuit35图4- 6直流激磁电路图

27、36Figure 4-6DC exciting circuit36图4-7不同控制电压下，的变化情况36Figure 4-7Transformation ofunder different control voltages36图4-8单调谐滤波器40Figure 4-8Single tuned filter40图4-9阻抗频率特性40Figure 4-9Impedance frequency characteristics40图4-10FC滤波装置41Figure 4-10FC filtering device41图5-1MCR+FC系统构成42Figure 5-1MCR + FC syste

28、m structure42图5-2控制原理框图43Figure 5-2Control principle block diagram43图5-3电压同步信号调理电路45Figure 5-3Voltage synchronized signal regulate circuit45图5-4电压调理电路45Figure 5-4Voltage regulate circuit45图5-5键盘模块46Figure 5-5Keyboard module46图5-6通讯接口46Figure 5-6Communication interface46图5-7系统初始化流程47Figure 5-7The sys

29、tem initialization procedure47图5-8控制策略软件流程图48Figure 5-8Control strategy software flow chart48图5-9单相MCR仿真49Figure 5-9Single-phase MCR simulation49图5-10=0.03时，电压电流仿真波形50Figure 5-10Waveforms of voltage and current, =0.0350图5-11=0.075时，电压电流仿真波形51Figure 5-11Waveforms of voltage and current, =0.07551图5-12

30、=0.15时，电压电流仿真波形52Figure 5-12Waveforms of voltage and current, =0.1552图5-13=0. 3时，电压电流仿真波形53Figure 5-13Waveforms of voltage and current, =0.353图5-14控制电流对比54Figure 5-14Control current contrast54表清单表序号表名称页码表1-1各种新型无功补偿装置性能比较4Table 1-1Various new reactive compensation device performance comparison4表2-1各

31、次谐波峰值与基波与饱和度对应关系16Table 1-2Every harmonic peak and the corresponding relations between over saturation16表4-1的规则表33Table 4-1Fuzzy rule table of 33表4-2的规则表33Table 4-2Fuzzy rule table of33表4-3模糊控制表34Table 4-3Fuzzy control table of34表4-4模糊控制表34Table 4-4Fuzzy control table of34表4-5不同移相角下的电流畸变结果39Table 4-

32、5Results of different moving phase Angle of current distortion39表6-1电压电流数据56Table 6-1Data for voltage and current 56表6-2负荷状态56Table 6-2Load conditions56表6-3电容器状态57Table 6-3Capacitor state57表6-4变压器状态57Table 6-4Transformer state57表6-5直流屏参数57Table 6-5DC panel parameters57变量注释表二极管误差变化率电流瞬时值电流平均值，A电流标幺值电

33、流无功分量电流有功分量比例系数或晶闸管线圈匝数有功功率W无功功率Var面积, 电压瞬时值电压平均值V导通角, rad磁饱和度电角度抽头比角频率功率因数角功率因数1绪论1 Introduction1.1课题研究的背景与意义(The Background and Significance of Research Subjects)在我国经济又好又快的发展过程中，对电力需求越来越大的同时，更对其系统运行的安全性以与电能的质量提出了越来越高的要求。在长时间实际工作经验总结的基础上，在整个电力行业形成这样一种几近一样的观点：要让电网运行的安全性和经济性以与电能的质量得到提高，不仅仅要有合理的电网结构，还

34、需采取先进的调节控制手段对其作为保障。如果在电力系统中能够采用合理的无功补偿装置，一方面不但能够对供用电系统的功率因数进行提升，而且可以让系统中设备容量和功耗降低；另一方面来说，对负载端电压的稳定可以起到积极的作用，从而将提高系统供电质量，特别是在长远距离输电中的合适地点设置无功补偿装置，对提高输电系统的稳定性和改善输电能力的效果是非常显著的。正因为它不仅仅是确保电力系统能够高质量运行的一个主要措施，同时也是如今电力系统和电气自动化技术研究领域所面临的一个重大课题，所以无功补偿装置正在受到日益广泛的关注与研究。由于目前超高压、长距离电网的建设与发展，尤其是超-特高压输电线路的建设，比如：到的1

35、000kV“晋东南-”特高压交流输电线路1、800kV糯扎渡送直流工程、500kV溪洛渡送直流工程等，高压输电线路对地的充电容量明显增加，空载和轻载时超前无功功率太大，进而导致整个线路的末端电压偏高，切除负荷过程中所产生的超前电流和过电压致使电力损耗增大等严重后果。在系统中安装滞后分量的调节装置，例如，并联电抗器能够限制操作过电压和工频过电压、吸收超前无功。在各种已经使用的并联电抗器中，某些比较早的、过时的不可控电抗器长期并入电网，已经显现出来诸多的弊端：首先，在大功率输电网络当中，向电抗器提供大量无功仍然是不可缺少的，从而导致客户端系统容性无功的补偿增大、资金投入增加就不可避免；其次，输电成

36、本将因电抗器持续的有功损耗而势必增大；最后，等效波的阻抗变大，自然功率值和线路传输能力减小了，尤其是线路将会在传输大功率时将造成很大的附加功耗，与此同时电压会降低。基于此，投入人力、物力、财力来研究大容量、快响应、调节连续灵活、价廉物美、后续维护简单的无功补偿设备的课题与技术显得越来越迫切与重要，对新型无功补偿技术的研究和应用在较大围进行大力推广就显得特别紧迫，任重道远。就普通电网来说，因为系统用户的负载通常为感性，常采用固定电容器组进行就地集中或分散补偿的方法来提高功率因数，使得系统损耗降低。然而，要是在运行时负荷较小，处于低谷期间不切除电容器组的话，多余的容性无功就会在线路中流动，势必导致

37、电压波动并使得线路损耗增大。可控电抗器能够平滑调节系统容量的性能，极大的改进了无功补偿系统，使得电网损耗减少、供电质量提升，经济效益增加。可控电抗器既可以用在高压电网中起抑制过电压的作用，又能够在配电网中作可调消弧线圈而对接地的容性电流进行动态补偿，并且，还能在电机起动等过程中抑制因冲击电流引起的电压波动。与此同时，由于现代电力电子技术的发展应用，使得大功率电力电子等大容量变流装置的使用，一方面在运行过程当中自身就呈现非线性，需要不少的无功功率进行平衡；另一方面，谐波电流将伴随补偿设备动作而产生，功率因数大大降低，危与整个供电系统的安全运行，甚至导致系统的瘫痪，前些年北美出现的严重电力系统崩溃

38、，造成了重大的经济损失。为改善供电系统质量，让系统和负荷无功的调节变得更容易实现，节约能源，改善供电质量，增加企业经济效益，其重要意义是毋庸置疑的。在电力负荷系统中，大多数用电设备运行时都呈感性，不仅要消耗大量的有功分量，还要吸收大量的无功。要是如此大容量的无功完全由电能输出端来解决的话，电能接收端功率因数就必然下降，线损自然而然会增加，用户端电压降低，电力设备不能充分利用。而无功严重时，还将导致供电系统崩溃。无功功率增加将导致系统的视在功率以与系统电流增大，将会严重影响整个系统正常运行：设备容量增加；线路压降；线损增大；发电机组效率相对变低；造成电压波动危与供电系统安全与稳定。所以，采取有效

39、的无功补偿措施对确保系统供电安全和稳定运行是必需的，具体来说，它的作用主要有2：提升系统功率因数；改善和调整电压质量；减少电压波动；减少系统谐波；系统的静态和动态稳定性得以提高；增加低频振荡的阻尼、抑制同步振荡。1.2工程背景（Engineering Background）晋煤集团胡底矿井与选煤厂扩建项目前身为胡底矿井原年产30万吨建设项目，2009年在全省煤炭资源整合兼并重组工作中，确定为单独保留矿井，根据国家能源局关于矿区总体规划要求，将扩建为年生产400万吨矿井，并确定为2010年省重点工程建设项目，项目包括生产矿井、配套选煤厂与铁路运输专用线三大主体工程，有井田面积73.04平方公里，

40、3号煤层地质储量6.13亿吨，项目设计生产能力400万吨/年，配套建设年入洗能力400万吨的选煤厂与铁路运输专用线，规划占地49.2公顷，估算总投资43.5亿元，预计2015年竣工投产。胡底煤矿处于建井期间，矿井供电电源一路引自附近蒲池35kV变电站。蒲池35kV变电站装设4000kVA主变压器两台，双回路供电。为了对系统无功进行补偿，以往在该变电站的10kV母线上装备两台容量为1200 kVar的集合式电容器和容量为24kVar的电抗器进行补偿。由于矿井用电负荷小，蒲池35kV变电站对无功补偿采取的集中补偿存在如下严重的缺陷：1、这种补偿方法不能对系统无功进行有效补偿，要么欠补，要么过补，补

41、偿方案没有机会发挥作用。2、正是这种落后的补偿方案，造成了胡底煤矿每月担负十余万元的罚款。按照供电部门的要求，若当功率因数达到0.9时，这部分费用可以全额节约，当功率因数大于0.9时，还可以得到相应的减收电费。3、胡底煤矿处于建井初期，各种负荷的变化比较频繁，如果使用传统的通过改变电容器投入数量与调节主变电压分接开关来实现无功补偿的方案，不能平滑应对系统感性无功改变，调节比较粗略。鉴于以上不足，为了确保供电系统的稳定，减少电费投资，对其原有的无功补偿方式进行技术改造。1.3国外无功补偿方式与补偿装置（Reactive Power Compensation Methods and Compens

42、ation Device at Overseas and Domestic）较早使用的无功补偿装置，常见的有同步调相机、并联电容器因其自身难以灵活提供所需无功、调节不连续等缺陷，已不能满足电力行业的要求3。在供电系统中，如果输变电系统设备和负载所需要的无功功率都由电能输出设备提供，显然对于长线路的输变系统来说是不合适的，所以还是需要根据负荷情况进行就地补偿4。同步调相机因其励磁可以运行在过、欠等情况下，可以利用它的这种特性而为系统提供所需的无功功率。在比较早的时候，它在调节系统电压和控制无功功率等领域中起到举足轻重的作用，由于在运行时损耗和噪音较大，运行维护较为复杂，响应速度较慢，不太适合较大

43、或较小的无功功率调节。恰恰并联电容价格低廉，效率较高，运行成本较为便宜，在低压运行中主要采用自动控制电容器投切的自动无功功率装置，高中压系统运行时主要采用固定并联电容器组的方式。然而其对谐波比较敏感，容易随之快速增长，易与系统中感性器件产生谐振，加重危害；同时，因为其阻抗恒定不变，输出无功电流将随系统压降降低，危与系统无功安全，无功补偿有级调节的结构本身使得欠补和过补不可根除。SVG则显得更为高级，可实现小容量器件支撑直流电压。采用适当的方法进行控制，可按需提供无功，是目前相对而言更为先进的一种现代补偿装置，若是采用PWM或者多重化等控制技术，可实现输出电流的谐波成分达到比较小的水平，但是功能简单。新出现的有源电力滤波器（Active Power Filter）可以对系统谐波、无功和负序电流综合补偿。具有这些特征5：对系统动态补偿；对无功补偿无需贮能元件，对谐波的补偿不用较大容量的贮能元件；可以同时补偿谐波、无功和负序电流，也能够对谐波、无功与负序电流单独补偿，连续可调；不因补偿电流过大而出现过载，能正常运行在其额定容量；受电网阻抗影响较小；受系统频率影响小；对系统谐波源的补偿比较灵活多样。因此，有源电力滤波器比以往谐波、无功和负序电流抑制方法的补偿效果更好，但是，造价高，设备多，所涉与到的控制理论还需要不