静止无功补偿器的设计

*****学院课程设计2009年11月15日课程电力电子技术课程设计题目静止无功补偿器的设计院系电气信息工程学院电气工程系专业班级电气07-1班学生姓名学生学号指导教师****学院课程设计任务书课程电力电子技术课程设计题目静止无功补偿器的设计专业电气工程及其自动化姓名学号0主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容：本次课程设计的10kV静止无功补偿器，主要包括SVC的运行原理、晶闸管的保护与触发电路、控制系统、监测系统、水冷系统、保护系统等；设计完成后进行微机实验。基本要求：设计的静止无功补偿电路正确，能够维持输电线路上节点的电压，在输电线路末端进行无功功率补偿和电压支持，提高电压稳定性；抑制负荷变化造成的电压波动和闪变；补偿负荷所需要的无功电流，改善功率因数，优化电网的能量流动；补偿有功和无功负荷的不平衡。参考资料：[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2005.1[2]林在荣.低压并联无功补偿技术的现状与发展[J].电工技术杂志，2003.8[3]逯帅，刘秀成，陈建业.SVC平衡控制方法及其所需信号的检测.电工电能新技术，2002[4]姜伟.基于无功补偿技术的探讨[J].中国高新技术企业，2007.10[5]张明勋．电力电子设备设计和应用手册[M]．北京：机械工业出版社，1990.6完成期限2009.11.8至2009.11.15指导教师专业负责人2009年11月30日目录1设计要求........................................................................................................................12无功补偿的意义............................................................................................................12.1无功功率的分布对电压有决定性的影响.............................................................12.2无功功率在线路中的传输引起的损耗.................................................................22.3负荷无功功率对系统电压的影响.........................................................................23静止无功补偿器设计....................................................................................................33.1静止无功补偿装置的必要性.................................................................................33.2静止无功补偿装置的用途.....................................................................................33.3静止无功补偿装置的设计.....................................................................................44微机试验......................................................................................................................105结论..........................................................................................................................11参考文献..........................................................................................................................12电力电子技术课程设计（报告）11设计要求所设计的静止无功补偿器应该满足以下要求：①维持输电线路上节点的电压，减小线路上因为功率流动变化造成的电压波动提高输电线路有功功率的传输容量和电网的静态稳定性；在网络故障情况下，快速稳定电压，维持线路输电能力，提高电网的暂态稳定性；增加系统的阻尼，抑制电网的功率振荡；在输电线路末端进行无功功率补偿和电压支持，提高电压稳定性。②抑制负荷变化造成的电压波动和闪变；补偿负荷所需要的无功电流，改善功率因数，优化电网的能量流动；补偿有功和无功负荷的不平衡。2无功补偿的意义电压是衡量电能质量的一个重要指标。电压质量对电网稳定运行，降低线路损耗，保证工农业安全生产，提高产品质量，降低用电损耗等都有直接影响。因此，必须对系统各节点进行监视和控制，使电压水平在一个正常的范围内。电力系统的各个节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备，如：轧钢机、电弧炉、电气化铁路等；同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备，如：计算机，医用设备等。因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。2.1无功功率的分布对电压有决定性的影响以图2.1所示的简单的输电线为例加以说明。图2.1简单输电线路模型在不考虑输电线的对地电容时，从节点i送到节点j的功率为P+jQ，节点iP+jQ节点i节点jR+jXjUiU电力电子技术课程设计（报告）2和节点j的电压分别为iU和jU，节点i、j之间的支路阻抗为R+jX。节点电压的关系为：jδδUUUQRPXjUQXPRUUjjiji（1-1）在超高压电力系统中，线路电抗远大于线路电阻，因而上式可写成jjjiUPXjUQXUU（1-2）电压jU还可以写成：sincosiiijUUU（1-3）式中为线路两端电压的相位角差。比较（1-2）、（1-3）可以得到：jjicosUXUδUQ（1-4）由（1-4），正常运行时输电线路两端的电压的相位角差比较小，可以认为1cosδ，这样线路中传输的无功功率大小就与线路两端电压有效值之差成正比，无功功率将节点电压高的一端流向节点电压低的一端。节点电压有效值的变化，也将使流经线路的无功功率随之发生变化。因此电力网中节点电压的变化会引起无功功率潮流的变化。而且从上式可以看出，如果从远处电源经输电线路向负荷提供无功功率，会使沿线路各点电压下降，甚至不能满足质量要求。2.2无功功率在线路中的传输引起的损耗传输无功功率产生的功率损耗为2sin412ji2ji0δUUUUZQ（1-5）可见经电抗传输无功时产生的无功功率损耗有两部分，一部分是因为沿电抗传输有功功率（0）,这是不可避免的；另一部分是因为经联络阻抗传输了无功功率（iUjU）。可见减少线路无功功率的传输可以减少线路的无功功率损耗。从有功功率损耗公式222URQPP（1-6）可见，当有功功率和无功功率通过网络电阻时，会造成有功功率损耗。当输送的有功功率一定时，总的有功网损主要取决于输送的无功功率的数值。2.3负荷无功功率对系统电压的影响在额定电压附近，负荷从系统吸收的无功功率随电压上升而增加，随电压下降而减少，当系统出现无功功率缺额，即无功电源不能提供足够的无功功率时，电力电子技术课程设计（报告）3系统所接各负荷的电压将下降，减少其向系统吸收的无功功率；当系统无功过剩，无功吸收能力不足的情况下，系统电压将普遍升高，如果利用发动机进行吸收无功功率，当吸收无功超过其最大吸收能力时，可能会引起系统暂态不稳定。3静止无功补偿器设计3.1静止无功补偿装置的必要性随着电网互联的发展和负荷密度的增加，提高电力系统运行稳定性和电压质量的要求日益迫切。电力电子技术的发展使得静止无功补偿装置（SVC）在该领域发挥了巨大的作用。文中对TCR+TSC型SVC样机的设计进行了详细的介绍，分别讨论了主电路、控制系统、监测系统等部分的原理与设计。运行试验的结果表明，样机设计效果良好。电力系统的互联和远距离、大容量输电已成为电力工业发展的一个重要趋势。随着负荷用电密度的增加和区域电网互联的发展，最大限度地发挥输电线路的设计容量和提高系统运行稳定性的问题日益突出；在配电系统中，大功率冲击性负荷和不平衡负荷的影响也日益严重，造成了系统电压波动，影响了其他电气设备的正常运行和用电的经济性。静止无功补偿器（SVC）作为70年代发展起来的一种并联无功补偿装置，在国内外的输配电系统中有着十分广泛的应用，目前在世界范围内已有超过500套装置投入运行，对电力系统电压稳定和改善电能质量起到了明显的作用。3.2静止无功补偿装置的用途静止无功补偿器（SVC）是一种由电容器和各种类型的电抗器组成的无功补偿装置，用电子开关来实现无功功率的快速平滑控制。SVC的应用可以分为2个方面：系统补偿和负荷补偿。当作为系统补偿时，他的作用主要有：维持输电线路上节点的电压，减小线路上因为功率流动变化造成的电压波动，并提高输电线路有功功率的传输容量和电网的静态稳定性；在网络故障情况下，快速稳定电压，维持线路输电能力，提高电网的暂态稳定性；增加系统的阻尼，抑制电网的功率振荡；在输电线路末端进行无功功率补偿和电压支持，提高电压稳定性等等。当作为负荷补偿时，SVC的作用有：抑制负荷变化造成的电压波动和闪变；补偿负荷所需要的无功电流，改善功率因数，优化电网的能量流动；补偿有功和无功负荷的不平衡。基于以上作用，SVC除了应用于互联电网的高压输电线路外，还广泛地应用电力电子技术课程设计（报告）4于高压直流输电（HVDC）换流站的无功补偿和抑制电弧炉等大型冲击负荷造成的闪变和电压波动。因此，研制和开发容量大、响应速度快、调节灵活、经济性好、维护方便的SVC对电力系统的发展具有重要意义。本文对最近由清华大学与广东顺德特种变压器厂联合开发的SVC样机的结构和设计原理进行比较全面的介绍，主要包括主电路、控制系统、监测系统、水冷系统、保护系统等部分的设计开发，最后给出了现场试验的结果。3.3静止无功补偿装置的设计1、SVC的运行原理本文所讨论的静止无功补偿装置是由晶闸管控制的电抗器（TCR）和晶闸管投切的电容器（TSC）所构成的混合型SVC，其拓扑结构见图3.1。图3.1TCR+TSC型SVC的拓扑结构TCR＋TSC型SVC主要由TCR、TSC、降压变压器、滤波器组和控制系统组成。其基本功能是控制系统根据指定的控制策略,通过触发晶闸管阀适当地投切电容器组，并控制电抗器的电流，调节补偿器输出的无功功率，来控制补偿器与电网连接点的电压。其电压电流特性见图3.2。在实际的应用中，SVC的电压电流特性并不设计成理想的水平线，而是有一定的倾斜。这样做，一方面可以增大补偿器的运行范围，因为在补偿器输出容性无功时，连接点电压可以比无载（输出的无功功率为零，常将这一点的电压设为参考电压即图2中的U0）时低，而在补偿器输出感性无功时，连接点电压可以高电力电子技术课程设计（报告）5图3.2SVC的电压电流特性一些，对SVC的容量要求可以小一些，兼顾了补偿器的容量和电压水平恒定的要求；另一方面，由于呈现正电阻特性，改善了并联的静止补偿器之间或与其他发电机等电压控制设备之间的电流分配。作为一个完整的设备，除了主电路和控制系统以外，SVC还要具有监测、水冷、保护等子系统才能正常运行。这些都是样机的设计开发中不可或缺的有机组成部分。2、主电路设