毕业论文（设计）面向不平衡负荷补偿的SVC的研究与设计.pdf

摘要随着电力系统中不平衡负荷的增加，电网三相电压不平衡日趋严 重，电力系统的安全和经济运行受到威胁。晶闸管投切电抗器(Thyristor Controlled Recator,TCR)型静止无功补偿装置是提高电力系统运行电压 和提高系统稳定水平、减小网损、补偿不平衡负荷的常用手段。但从 目前已投运的TCR运行情况来看，普遍存在平衡化能力较差、响应速 度较慢等问题，以及晶闸管电磁触发与监测方式已不能满足装置的要 求的缺点。本文主要研究面向不平衡负荷补偿的静止无功补偿装置补偿方 法及晶闸管阀光电触发与在线监测系统的设计。首先结合基于瞬时无 功功率理论的负序和无功综合补偿的策略来实现对不平衡负荷及负 荷的功率因数进行补偿，并采用在系统允许精度范围内降低补偿精度 的方法改进负序和无功综合补偿方法所存在的过补偿的问题。其次，针对当前面向负荷的TCR型静止无功补偿装置(SVC)多采用的开环 控制方式中存在的不足，本文采用一种局部开环整体闭环的控制策 略，在保证响应速度的同时也提高了控制的精度。最后，在对晶闸管 光电触发与在线监测系统进行深入研究的基础上，将其引入到SVC的 设计中，以改进对晶闸管阀状态的监测，提高晶闸管触发的可靠性。通过仿真研究表明：局部开环、整体闭环的控制策略有效地补偿 了系统无功及负荷的不平衡度。本文最后给出了高压TCR型SVC设计 中的硬件及软件设计的思路。关键词 不平衡负荷补偿；晶闸管控制电抗；静止无功补偿；光电触 发；在线监测I 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,ABSTRACTAs the increase of unbalance three-phase elements or loads,the power systems voltage unbalance becomes a threat against the security and economical operation of the power system.The TCR equipment has been proved to be an effective measure to reduce electric circuit loss,to increase working-system stable level,and to compensate the unbalance of the power system.But it has some shortcomings,such as low compensate efficiency,low response speed,and the restriction that the tranditional firing and monitoring system fbr thyristor valves could not satisfy the new requirements.Firstly,the negative-sequence and reactive power compensation which based on instantaneous reactive power theory was used to compensate every phases power factor and improve the systems unbalance condition.Additionally,a method had been put forward to solve the over compensation problem.Secondly,the Static Var Compensator(SVC)based on Thyristor Controlled Reactor(TCR)which faced to the loads mainly uses open-loop control,this thesis put forward a control strategy based on local open-loop and global close-loop in the whole,which can improve control accuracy and assure response speed.Finally,In order to improve reliability,this thesis introduces the thyristor valves photoelectric firing and on-line monitoring system into the SVC design.The simulation by MATLAB/Simulink has proved that the control strategy which based on local open-loop and global close-loop in the whole put fbrword in this thesis can quickly compensate the systems Var and the loads imbalance.At last,the thesis put fbrword the design method of the software and hardware of the SVC.KEYWORDS Unbalanced-Load compensation,Thyristor Controlled Reactor,Static Var Compensator,Photoelectric Firing,Monitoringii1 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,目录第一章绪论.11.1 课题研究的背景和意义.1L2国内外研究现状.41.2.1 不平衡负荷补偿的现状.41.2.2 面向负荷型SVC研究的热点问题.713本文主要工作和章节安排.9第二章TCR型动态无功补偿装置的结构及工作原理.112.1 SVC的补偿原理与结构.112.1.1 TCR+FC型动态无功补偿装置的补偿原理.122.1.2 单相TCR结构与基本原理.132.1.3 TCR型动态无功补偿装置运行特性分析.152.1.4 谐波分析与抑制.162.2 滤波器设计.182.2.1 单调谐滤波器参数设计.202.2.2 高通滤波器参数设计.202.3 本章小结.22第三章面向不平衡负荷的分相补偿技术.233.1 三相不平衡概念.233.1.1 三相不平衡的危害.243.1.2 三相不平衡的产生原因.243.2 不平衡负荷补偿方法.253.2.1 三相平衡化的基本原理及理想补偿导纳网络.25322对称分量法在不平衡补偿中的应用.263.2.3 负序无功综合补偿电纳计算.273.2.4 负序无功综合补偿方法的改进.303.3 基于瞬时无功理论的无功电流检测.31331*-iq法无功电流检测在三相三线制系统中的应用.313.3.2低通数字滤波器设计.333.4 TCR型动态无功补偿装置控制部分设计.353.4 控制策略选择.35illb 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,3.4.2控制器设计.363.5 仿真分析.413.5.1 TCR型SVC仿真建模.42352仿真结果分析.443.6 本章小结.46第四章SVC控制器硬件设计.474.1 电源模块.484.2 模/数转换电路.484.3 TMS320F2812 及接 口电路.4944 C8051F045单片机部分.50441键盘接口.504.4.2 液晶显示接口.504.4.3 开关量输入.514.4.4 通讯接口.524.5 CPLD及脉冲输出部分.534.5.1 光电触发与在线监测系统的构成与工作原理.534.5.2 阀基甩子设备的构成与实现.564.53晶 闸管光电触发与在线监测部分.594.5.4 电光转换接口电路.604.6 本章小结.60第五章SVC控制器软件设计.615.1 DSP部分软件设计.615.L1主程序设计.615.L2A/D采样模块.625.1.3算法模块设计.625.1.4导通角计算模块设计.635.2 单片机部分软件设计.65521人机接口模块设计.66522通讯模块设计.66523晶闸管状态检测模块.685.3 本章小结.69第六章总结与展望.706.1 研究工作的总结.706.2 进一步的工作展望.70IV 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,参考文献.72致谢.77攻读硕士学位期间主要的研究成果.787 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,硕士学位论文第一章绪论第一章绪论L1课题研究的背景和意义无功功率指的是交流电路中，电压U与电流I存在一相角差时，电流流过容 性电抗(Xc)或感性电抗(XD时所形成的功率分量。这种功率在电网中会造成电压 降落(感性电抗时)或电压升高(容性电抗时)和焦耳(电阻发热)损失，却不能做出有 效的功。当功率因数非常低时，无功功率就会变得很大而造成能源的浪费，在这 种情况下，必须提高功率因数，对无功进行补偿。无功功率补偿对电力系统具有 重要意义川，概括起来有：(1)维持系统电压基本不变，抑制电压闪变。(2)提高供电系统及负载的功率因数，减小功率损耗。(3)提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。(4)提高发电机有功输出能力。(5)平衡三相的有功功率和无功功率。因而合理配置无功补偿(包括使用场合、容量设计和采用型式选择)是电力系 统规划和设计工作中一项重要内容。通过对电力系统无功电源的合理配置和对无 功负荷的最佳补偿，不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性，而且 可以降低有功网损和无功网损，使电力系统能够安全经济运行。传统的无功补偿装置很多，有同步调相机、并联电容器等。同步调相机(Synchronous Conienser-SC)是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或 欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。由于它是 旋转电机，损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，响应速度慢，在很多情况下己 经不能满足快速无功功率控制的要求。并联电容器也是无功补偿的传统方法之 一，其结构简单，费用低廉。然而一，并联电容器不能跟踪负载无功需求的变化，只能补偿固定无变化的无功功率，且当系统中存在谐波时，还有可能发生并联谐 振，导致谐波放大。除此之外，随着各种用电设备越来越多样化。对三相供电系统来说，除了存、在大量的对称负荷外，还有许多不对称负荷，譬如电气化铁路和交流电弧炉等。;三相电压电流不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害，其中主要有：引起 旋转电机的附加发热和振动，危及其安全运行和正常出力；引起以负序分量4启 动元件的各种保护装置发生误动作(特别是当电网中同时存在谐波时)，节对电网 安全运行具有严重威胁；电压不平衡会使半导体变流设备产生附加的尹征谐波I 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,夕硕士学位论文第一章绪论电流，而这种设备一般设计上只允许2%的电压不平衡度等。因此，对负荷实 现分相补偿成了一个亟待解决的问题。由于传统无功补偿装置自身的局限性，从20世纪70年代开始逐渐被静止无 功功率补偿装置(StaticVar Compensator-SVC)所取代。饱和电抗器(Saturated Reactor-SR)属于早期的静止无功补偿装置，其铁心工作在饱和状态，因而损耗 和噪声都很大，而且存在一些非线性电路的特殊问题，又不能分相调节以补偿负 荷的不平衡，故此未能占据静止无功补偿装置的主流。随着电力电子技术的发展 及其在电力系统中的应用，使用晶闸管的静止无功补偿装置逐渐取代上述补偿装 置成为首选方案。这类静止无功补偿装置没有旋转元件、可靠性高，可以根据电 网无功的实时需求连续调节无功功率的输出，从而实现系统无功功率的动态补 偿。具有快速响应性，可频繁动作性，以及分相补偿的能力，可应用于大型冲击 性、快速周期波动、不平衡以及非线性负荷的动态无功补偿领域，改善电能质量。因此，近十年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定的增长，己占据了静止 无功补偿器的主导地位。SVC由可控电感支路和固定(或可变)电容器支路并联组成，已经工程实现并 大量应用的有以下几种可控甩感、电容支路型式(1)自饱和电抗器(Saturated Reactor,SR)自饱和电抗器，可分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种。它通常应用在 控制电压的大幅偏移、缓解电压闪变、在直流输电终端进行无功补偿等领域。商 用饱和电抗器的补偿容量已达270MVar。(2)可控硅控制电抗器(Thyristor Controlled Recator,TCR)TCR型补偿器具有反应时间快(1020ms),无级调节，运行可靠，分相调节,平衡有功，适用范围广，价格较便宜等优点，实际应用最广，在控制电弧炉负荷 产生的闪烁时，几乎都采用这种型式。(3)可控硅投切电容器(Thyristor Switched Capacitor,TSC)TSC型补偿器由一组并联的电容器组成，每一台电容器都与双向晶闸管串 联。这里的晶闸管仅起开关的作用，以替代常规电容器所配置的机械式开关。在 运行时，根据所需补偿电流的大小，决定投入电容的组数。由于电容是按组投切 的，所以会在电网中产生冲击电流。为了实现无功电流尽可能的平滑调节，有两 个解决办法：首先可以增加电容的组数，组数越多，级差就越小，但这必然会增 加运行成本，如何协调二者的关系，是电网公司应该考虑的问题；其次就是要把 握电容器的投切时间。研究表明，最佳的投切时间是晶闸管两端电压为零的时刻，也就是电容器两端电压等于电源电压的时刻。所以TSC 一般都是采取过零投切 的。2 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.硕士学位论文第一章绪论TSC型补偿器的特点是反应时间快，适用范围广，分相调节装置本身不产生 谐波，损耗小；但它只能分级调节，价格较高。10kV以上难以广泛应用，IkV 以下使用很广，进口设备最高用在8kV。(4)可控硅控制高漏抗变压器(Thyristor Controlled Transformer,TCT)TCT具有TCR的几乎所有优点。由于TCT变压器一、二次绕组损耗较大，比TCR的效率低，同时，运行时，噪声较大。研究表明，从补偿器容量和价格 等角度进行综合比较，补偿容量在25MVar以下选用TCT比较经济，在25MVar 以上的补偿容量则不宜采用TCT而应采用TCRo TCT的可控硅采用并联均流可 承受大电流，TCR的可控硅则采用串联均压以承受高电压。高漏抗变压器的漏 磁大，要加强变压器箱体对漏磁的屏蔽和采用无磁性夹件等技术措施。当电弧炉 等三相不平衡负荷以TCT作无功补偿时，如果将TCT的高漏抗变压器做成三相 变压器型式，则其铁芯必须有两边芯柱作为零序磁通的闭合铁芯磁路。(5)机械开关投切电容晶闸管控制电抗器型(Mechanically Switched Capacitor+Thyristor Controlled Recator,MSC+TCR)在一些要求不高，电容投切不频繁的应用场合，可以采用机械开关代替TSC 支路的晶闸管，构成机械开关投切电容晶闸管控制电抗器型无功补偿装置，有 利于降低成本和降低损耗。(6)固定电容-晶闸管控制电抗器型(FC+TCR)FC+TCR型补偿器由TCR和若干组不可控电容器并联而成。通过控制与电 抗器串联的双向晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系 统输送容性无功电流。由于该补偿器响应时间快(小于半周波)，灵活性大，而且 可以连续调节无功输出，同时，可以补偿电网的三相不平衡。所以目前在国内的 电力系统中应用最为广泛。但该补偿装置输出的电流中含有较多的高次谐波，而 且电抗器体积大，成本也比较高。晶闸管投切电容晶闸管控制电抗器型(TCR+TSC)TCR+FC型和TSC型补偿器都能有效的补偿系统中的无功电流，但各有自 己的缺点，TCR+FC型补偿器容易产生谐波，而TSC型补偿器对于冲击性负荷 引起的电压闪变不能进行很好的抑制。二者的缺点正是对方的优点，所以 TCR+TSC型补偿器应运而生。由TCR提供可调的感性无功功率，FC提供容性 无功功率，同时作为5,7次谐波的滤波器，当FC提供的容性无功不足时，TSC 投入运行。武汉凤凰山500kV变电站采用的就是TSC+TCR型补偿器。总的来说，没有任何一种SVC可以万能地满足所有无功功率补偿的要求。选择特定结构的SVC通常基于如下几个因素：应用的要求、响应速度、运行的 频率、损耗、投资成本等。不过，FC+TCR是迄今为止最为通用的一种SVC结3 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.硕士学位论文第一章绪论构。国内SVC的研究大概起始于上世纪90年代初,国外的研究及应用相对较早,其控制技术也相当成熟。但早期的不对称负荷并不象今天这样多，所以大多SVC 装置从控制方面和节约成本方面考虑都是针对三相对称负荷补偿设计的。而且由 于其控制技术的成熟，很多人都把对无功补偿的注意力放到了更为新型的 STATCOM上了，这种情况不仅在国外一些发达国家如此，在国内也是如此。文 献6对基于STATCOM的平衡补偿和基于SVC的平衡补偿方法进行了比较，得 出结论是：基于SVC的平衡补偿成本低，响应速度较快，且控制算法简单；基 于STATCOM的平衡补偿装置虽然有体积小，重量轻，且装置发出的无功电流谐 波含量小，补偿速度快等优点，但成本比较高，且控制系统结构复杂。STATCOM 要替代SVC技术必须克服两个主要障碍，一个是价格，另一个是损耗。目前基 于全控型器件的电力电子装置损耗大约是基于半控型器件电力电子装置的2倍。因此，研究SVC的补偿方法仍然具有现实意义。晶闸管控制电抗器+滤波器组（TCR+FC）构成的无功补偿装置在理论上可以 较好的解决电压闪变的问题，因而近年来推广很快，应用领域也逐步扩大。目前 一些国外大公司（如西门子）和国内的一些研究机构及公司都有自己研制的TCR 装置投入商业运行，在提高功率因数、抑制谐波方面取得了较好的效果。但在抑 制母线电压波动和平衡化补偿方面效果并不十分满意，这主要是因为控制系统的 响应速度较慢和控制策略不理想。如何提高TCR动态无功补偿装置的响应速度 和补偿效果及光电触发晶闸管技术、监控保护品闸管工作状态技术、晶闸管阀串 联同步工作筛选测试技术在TCR中的应用是近期研究的热点。1.2 国内外研究现状1.2.1 不平衡负荷补偿的现状目前，电力系统不平衡负荷的补偿，主要有以下两类：一种是利用TCR+FC 或TCR+TSC结构形式的SVC装置对负荷进行无功和不平衡补偿，另一种是利 用STATCOM或APF等SVG装置对负荷进行无功及不平衡补偿。以下对他们的 特点和优劣势进行比较。（1）利用SVC对不平衡负荷进行补偿的方法。前面提到TCR、TSC都具 备分相补偿的能力，目前应用较为广泛的主要包括TCR+FC和TCR+TSC两种。此类SVC包括与负荷并联的电抗器或电容器或二者的组合，具有可调/可控部分。可调/可控电抗器包括晶闸管控制电抗器（TCR）或晶闸管投切电抗器（TSR）两 种形式。电容器通常包括与谐波滤波器电路结合成为一体的固定的或机械投切的4 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,硕士学位论文第一章绪论电容器，或在需要对电容器进行高速或非常频繁投切时所采用的晶闸管投切的电 容器（TSC）等形式。SVC装置无功输出呈连续变化，静态和动态地使电压保持 在一定范围内，提高系统的稳定性。通过对与负荷并联的电抗器或电容器的分相 控制即可实现对不平衡负荷的补偿。国外这方面的研究始于1977年，美国GE公司首次在实际电力系统中演示 运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院（Electric Power Research Institute）的支持下，西屋电气公司（Westing house Electric Corp）制 造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后世界各大电气公司都竞 相推出了系列产品。近十多年来，SVC在世界范围内其市场一直在迅速而又稳 定的增长，己经占据了静止无功补偿装置的主导地位。目前世界上几个著名的电 气生产产商（如瑞士 ABB公司、德国西门子公司、法国阿尔斯通公司、美国通 用电气公司以及日本东芝、三菱等公司）在SVC装置的研制方面都具有较为成 熟的技术和经验。其中以ABB公司在其中的份额最大。截止到2005年9月，ABB公司已给世界各国提供近400套SVC装置（其中输电网SVC约183套，总 容量38555MVar）,每年仍提供约8套左右的SVC装置。我国输电系统早在1981年就将ABB公司的第九套和第十套SVC引进，投 入凤凰山变电站，至1990年总共有五个500kV变电站（广东的江门、湖南的云 田、湖北的凤凰山（两套）、河南的小刘以及辽宁的沙岭）采用6套进DSVC装 置，容量在105170MVar之间，型式为TCR+TSC或者固定电容器组（FC）。鞍 山荣信公司于90年代引进乌克兰TCR型SVC技术，采用热管散热、电磁触发，控制器采用单片机等一系列技术，由于总体技术落后，但其价格较低、机制灵活，在国内钢铁行业推出得到了较广泛的应用。1999年中国电科院在原国家电力公 司的资助下开始了“静止无功补偿器实用化技术的研究”，并在2002年推出了 TCR平台，采用了全数字化控制、封闭式纯水冷却、综合自动化、光电触发等 技术，并将其成功运用于电弧炉的治理工程。但就输电网而言，对于高压大容量 的SVC国内尚不具备制造能力，特别是关键技术的系统集成能力。目前国内一 些产家也推出了自己的TCR型SVC产品，但大多仍以低压产品为主。主要的生 产厂家有鞍山荣信公司、北京金自天正公司（冶自院）、中国电力科学院、保定 三伊公司、西安电力电子研究所、深圳波宏公司、哈尔滨九洲电气有限公司等。目前在我国SVC应用的领域主要是以提高功率因数和电压调整为目标的无 功补偿。而在利用储能元件实现负序和无功综合补偿方面的研究和应用还比较 少，其补偿的容量也较低。国外也有关于采用TCR+FC型静止无功补偿装置进 行负荷平衡化方面的研究叫有一些国家,如日本、澳大利亚等国已成功地将SVC 技术应用在电气化铁道的无功和负序补偿中5 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,硕士学位论文第一章绪论近几年来，对于不平衡系统无功功率补偿方法的研究同样层出不穷，其中比 较重要的方法主要有以下两种：第一种就是基于平衡化补偿理论的负序和无功综 合补偿理论的基本原理，参考文献10就平衡化补偿理论在补偿电弧炼钢炉的负 序和无功功率中的应用进行的研究，参考文献11也是采用平衡化补偿理论对不 对称负荷和功率因数补偿进行研究。这种方法分析简单，但不易实现。第二种就 是基于相量法的负序和无功功率补偿口2呵,此方法大多设定前提条件为不平衡负 载由三相平衡电压供电，其适用范围比较窄。在不平衡系统无功功率补偿中，对于电流、电压以及功率的检测是一个重要 的任务，这儿简要介绍一下目前电量检测方法的研究现状。由S.Fryze提出的 Fryze时域非正弦电流检测理论物理意义明确，但其检测需要一定的延时网。参考文献在该理论的基础上探讨了三相系统无功的实时检测方法，该方法 只有在电压和电流都不含谐波成分时才能实现实时检测，其他情况下都需要一定 周期的延时才能实现检测，其局限性显而易见。基于平均功率理论以2V的检测 方法是后来出现的一种比较重要的电量检测法，其定义明确，但需构建复杂的模 拟器件来实现，实时性和精确度不高。小波变换也在逐渐地应用于无功补偿 中24,2叫但此方法一直还处于理论研究阶段。由赤木泰文提出了三相电路瞬时 无功功率理论，并在此理论基础上提出了 p-q检测法，之后基于瞬时无功功率 理论的各种检测方法研究有很多，其中比较重要的是由西安交通大学王兆安教授 提出的i.-iq法，该方法可以不受电压畸变的影响，准确检测出电流的各种分量，但由于其存在滤波器模块，将会产生延时，对检测的实时性有影响。国内还有许 多基于瞬时无功功率理论的实时电量检测方法26,27的研究，这些方法的研究使 得瞬时无功功率理论的优点越来越明显。（2）利用SVG装置对不平衡负荷进行补偿。STATCOM（Static Synchronous Compensator-STATCOM,即静止同步补偿器，亦称 Advanced Static Var Generator-ASVG,既新型静止无功发生器）为第二代FACTS控制装置，FACTS家族STATCOM按应用场合，可分为高压输电网STATCOM和中低压配 电网STATCOM。高压输电网STATCOM装置容量较大，主电路结构复杂，其作 用主要是提高输电网络的电力传输能力，提高输电系统稳定性，减少线路损耗。中低压配电网络 STATCOM,又称为 D-STATCOM（Distribution Static Compensator-D-STATCOM,配网静止同步补偿器），系统容量较小，主电路结构简单，主要用于提高系统功率因素，维持配电母线电压稳定。自日本三菱公司于1980 年成功研制基于晶闸管的20MVar STATCOM以来，STATCOM作为 FACTS（Flexible AC Transmission System,柔性交流输电）的重要成员己引起各国 电力工业界的重视，得到迅速发展和应用。由于STATCOM的技术含量较高，目6 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.硕士学位论文第一章绪论前掌握并应用这一技术的国家还只限于少数国家(如日本、美国、德国、英国和 中国等)。我国在这方面起步较晚，1994年研制大容量STATCOM被列为电力部重点 科研攻关项目。同年在电力部的支持下，河南省电力局决定和清华大学共同研制 20MVar的STATCOM。为进行机理研究，先研制一台300KVar的中间工业试 验装置。该装置己于1995年8月在清华大学并网运行，并在河南盂岩经受了电 弧炉冲击负荷和电压不对称运行工况的考验。1999年夏，基于GTO的20MVar 的STATCOM己在河南省电网试运行。通过以上研究获得很多实践经验，并在理 论上有显著的发展。2006年2月，由许继电气公司、清华大学、上海电力公司 联合承担的上海50MVar STATCOM”工程项目已成功并网，该项目是世界首 家采用IGCT电力电子阀的静态天功发生器的生产和调试技术。近几年来，D-STATCOM不对称补偿时的控制方法成为国内外学者研究的 热点QB】。文献33提出了以各相无功功率为零作为控制目标，在保持调制比相 同的情况下通过调节补偿器各相输出电压相对于系统电压的相角差6来调节各 相的输出电流来实现补偿器的分相控制的方法。文献34提出了一种根据FBD功 率理论，以单位功率因数为补偿目标的D-STATCOM新型控制方法。该控制方 法将目标电流进行序分解，对其正、负序分量分别转换到两个独立的旋转坐标系 中,对正、负序电流的d轴和q轴分量分别采用比例积分(proportional integral,PI)控制的方法。但目前的不平衡系统中的D-STATCOM多以负载平衡为控制目标，补偿后电网电流三相平衡，但这不能满足能量传输过程中的损失最小的目标，同 时也对电网电压的不平衡程度有一定的加剧卬】。同时由于其控制方法复杂、造 价高等原因也限制了它的普遍应用。目前，关于APF在不平衡负荷领域的补偿应 用较少，它主要应用于无功及谐波补偿领域，同时由于技术限制它一般用于低压 小容量系统中，APF和STATCOM具有同样的缺点，那就是其控制方法复杂、造 价高等，这些都限制了它的广泛应用。所以本文主要针对目前SVC在不平衡负荷 领域中遇到的问题进行深入研究，这也具有很大的现实意义。1.2.2 面向负荷型SVC研究的热点问题近年来，直接光触发晶闸管技术、晶闸管光电触发技术、监控保护晶闸管工 作状态技术、晶闸管阀串联同步工作筛选测试技术逐步成为SVC装置研究的热 点。本文主要研究晶闸管光电触发及在线检测技术在TCR型SVC中的应用。晶闸管触发方式与在线检测系统是TCR型SVC系统中一个特别重要的部分。随着电力电子器件的发展和光电技术的成熟，晶闸管阀触发与在线监测系统也经 历了巨大的发展。初期的品闸管阀触发与监测几乎无一例外的采用电磁方式。由7 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,硕士学位论文第一章绪论于这种方式采用脉冲变压器来实现高、低电位隔离和信号传递，它具有下面一些 不可避免的缺点*】：（1）脉冲变压器回路中的漏感将使触发脉冲上升沿陡度大大 下降，特别是当电压等级较高时，为了保证脉冲变压器具有足够的绝缘能力，原、副边的漏抗将大大增大，进一步造成触发脉冲前沿陡度下降，这对高压阀中品闸 管串的同时触发是极为不利的。（2）脉冲变压器原、副边的分布电容形成了高频 干扰通道，阀换相或雷电冲击时，容易引起误触发，因而其抗干扰能力差。（3）在电压等级很高时，电磁触发方式很难准确地将监测信号传递到低电位，因而难 以实现晶闸管的在线监测。为了克服电磁触发系统的缺点，提高可靠性，需要采 取许多措施，比如：脉冲变压器原边、副边的隔离：使用屏蔽线代替一般导线等。表11 LTT与ETT的性能对比特性ETTLTT额定电流相同英寸的晶闸管，即使最小保护电压相同，LTT的额定电流一 般比较小典型最小保 护电压5200V7500Vdi/dt300 J/5300 A/isdv/dt2000 A/s2000/s电磁干扰一般比较敏感不敏感触发脉冲l=350mA,V=2.5-3.5V,电脉冲宽度=2usP=40mW,激光脉冲宽度t=5us触发脉冲能 量提供位于高电位的晶闸管电子设 备，无冗余VBE在低电位，有冗余的激光二 极管无电启动可能（当足够的触发能量能够 长时间储存在品闸管电子设 备上时）没有限制过电压保护 的可靠性由外部的电子设备（150个元 器件组成）起保护作用内部集成BOD保护，不需要额外 的组件电子设备1个晶闸管1个晶闸管电子设 备2个品闸管配一个TVM板可靠性由许多电气元件和集成电路 决定可靠性高，因为电气元件少触发脉冲高 位取能取自RC阻尼回路不需要光发射器红外二极管，50mW激光二极管，3W光纤的传输 距离不超过40m可达100m正是由于电磁触发系统不可克服的缺点促使了一种新的晶闸管触发与在线监测8 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,硕士学位论文第一章绪论方法-光触发与监测方法的诞生，它具有电磁触发系统不可比拟的优点*，36：(1)系统使用光纤进行信号传输和实现高、低电位的隔离，与电磁触发与在线监测系 统相比，系统的可靠性明显提高。(2)光电器件的响应速度较高，容易获得分散 性小，前沿陡的光信号，进而可以产生分散性小、前沿陡的晶闸管门极触发脉冲，这非常有利于串联晶闸管阀的同时触发；因而对整个装置的可靠、长期运行非常 有利。(3)能够获取晶闸管及其相关电路更多的信息，这远远优于电磁触发与在 线监测系统。(4)由于系统用光纤实现高、低电位隔离和信号传输，系统具有较 理想的抗电磁干扰能力，因而极大地降低了晶闸管的误触发率，利于高压晶闸管 阀和系统的安全运行。现在国外已经在光直接触发晶闸管(Light Triggered Thyristor,LTT)的研究方面取得了初步成功，容量已能达到7500V/2500AR】。LTT 与ETT的性能比较见表所示。光直接触发晶闸管在很大程度上简化了晶闸管的触发电路，降低了触发电路 的故障率，提高了品闸管的运行可靠性和装置的可靠性。但由于国内光直接触发 晶闸管现阶段没有成品出现，所以在实际应用中晶闸管光电触发与在线检测方法 得到广泛的研究。晶闸管光电触发与在线检测方法不仅具有直接光触发方式的优 点，而且可以直接采用普通晶闸管，所以可以在提高系统可靠性的同时，也很大 程度上降低系统的成本。1.3 本文主要工作和章节安排本文的主要工作：(1)根据基于Steinmetz原理的不平衡系统理想补偿模型，给出了基于负序、无功综合补偿理论的补偿电纳计算方法。并针对系统可能出现的过补偿情况给出 了其改进算法。(2)利用瞬时无功理论实现了对系统无功电流的检测，并给出了针对三相三 线系统的改进方法。同时针对一般低通滤波器中存在频谱泄露、检测精度不高等 缺点，设计了加窗FIR低通滤波器。(3)面向不平衡负荷型SVC多采用开环控制的方法，但这种方式在提高补 偿速度的同时，忽视了补偿的精度。本文提出了一种局部开环、整体闭环的控制 算法，在保证响应速度的同时也提高了补偿的精度。(4)在Matlab环境下，搭建了 TCR型SVC补偿系统的模型，并对上述提出 的控制算法进行了仿真，达到了预期的目的。(5)为了克服电磁触发晶闸管存在的缺陷，将光电触发晶闸管及其监测系统 引入到SVC的设计当中，提高了系统的可靠性。本文章节安排如下：9 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,硕士学位论文第一章绪论第一章绪论，主要介绍课题研究的背景和意义，分析TCR型SVC在国内外 的发展现状，介绍本文研究的主要内容。第二章TCR型动态无功补偿装置的结构及工作原理，主要阐述晶闸管投切 电抗器的补偿原理，并针对SVC系统中滤波器的设计及晶闸管触发与监测系统 这两个重要部分进行了详细阐述。第三章面向不平衡负荷的分相补偿技术，主要阐述不平衡负荷补偿的方法，控制的设计及系统的仿真分析 二第四章SVC控制器的硬件设计，给出SVC装置中DSP模块、MCU模块及 CPLD模块的外围接口电路的实现方法及并分别对每个部分的具体功能进行了 阐述。第五章SVC控制器的软件设计，给出系统各主要模块软件的流程图，并针 对其功能进行了详细说明。第六章对本文所做工作进行总结，并提出进一步的研究方向。1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,硕士学位论文第二章TCR