·摘要
在电力系统中，无功功率是影响电压稳定的一个重要因素，它关系到整个电 力系统能否安全稳定地运行，无功补偿是保证电力系统高效可靠运行的有效措施 之一。针对电力系统中无功补偿装置发展的现状，研制出了一套基于DSP控制的 SC型低压动态无功补偿装置。
本文在分析无功补偿的原理和无功补偿的关键技术的基础上，主要研究了无 功补偿对电网性能的改善、无功补偿装置的控制方式及原理、以及控制器的软硬 件设计。在硬件上，采用TI公司的32位定点DSPTMS320F2808为控制器的CPU， 充分利用DSP速度快、计算功能强大的特点，配合检测电路、触发电路、投切电 路、调理电路和其它外围控制电路。根据测量和控制的要求，利用DsP的采样技 术和捕获技术，准确跟踪系统无功变化，达到对系统无功功率动态实时补偿。采
用过零检测光祸Moc3061书驱动三端双向可控硅BT139一6OOE投切电容器，可以在 电网电压过零点可靠触发双向可控硅，实现了电容器的快速，无弧，无冲击投切。 于Cod。ComposeStudio3.3集成开发环境，编写并调试控制和计算程序，使
系统软件便于维护，具有开发效率高、可移植性强的特点。在控制策略上，根据 “保证电压合格，无功基本平衡，尽量减少投切次数”的原则，采用无功功率与 电压综合判据作为投切电容器组的判据，与常见的功率因数控制方案相比较，避 免了轻载投切振荡，使无功调节更为合理。
经过模拟负荷投切实验，校验其软硬件系统性能，均达到了预期设计指标。 关键词:静止无功补偿器(SVc);晶闸管投切电容器(TSc);动态无功补偿; 字信号处理器(DSP)
第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
静止型动态无功补偿技术是70年代世界范围内的重点攻关技术，在我国起步 虽晚，但其发展前景是广阔的。一方面，以电力电子装置为代表的非线性负荷的 使用造成电能质量问题的因素不断增长;另一方面，各种复杂的、精密的、对电 能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高。上 述问题的矛盾越来越突出，使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害 和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大，电能质量直接关系到国民经济 的总体效益。而在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上。如何提高和 保证电能质量，已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一〔”。 电网电压质量通常用稳定性、对称性及正弦性等指标衡量，随着现代电力电 子设备等非线性负荷大量接入电网，使电网供电质量受到严重影响，其中各种电 力电子开关器件的大量应用和负载的频繁波动是主要的干扰源，导致了一系列不 良影响:
(1)功率因数低，增加电网损耗，加大生产成本，降低生产率;
(2)产生的无功冲击引起电网电压降、电压波动及闪变，严重时导致传动装置及 保护装置无法正常工作甚至停产;
(3)产生高次谐波电流，导致电网电压畸变，能导致保护及安全自动装置误动作; 电容器组谐波及谐波电流放大，使电容器过负荷或过电压，甚至烧毁:增加 变压器损耗，引起变压器发热;导致电力设备发热，电机力矩不稳甚至损坏:’ 加速电力设备绝缘老化，易击穿;降低生产效率，增加损耗;干扰通讯信号; (4)导致电网三相不平衡，产生的负序电流使电机转子发生振动。
目前解决这一问题普遍使用的方法是在干扰负荷接入点同时接入静止型动态 无功功率补偿装置，即staticVarCompensator(SvC)，用以消除无功冲击，滤除 高次谐波，平衡三相电网，其典型代表为晶闸管控制电抗器+晶闸管投切电容器 (仆ytistorControlledReaCtor+仆州storSwitehedCapacitor-eses一一TCR+TSC)。TSC 型动态无功补偿装置(以下记为TSC)能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最
佳馈电功率因数，实现动态无功补偿，减小电压波动，提高电能质量，节约电能。 另外，TSC虽然不能连续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波而且损耗
较小的优点。若输出无功功率需要连续调节，或者要求能提供感性无功的情况下， TSC常与TCR配合使用。
无功功率补偿的作用就是要尽量减少无功功率对电网的影响。主要有以下几 点〔，，:
(l)提高供用电系统及负载的功率因数，降低输电线路及用电设备的容量和负 荷，减少功率损耗;
(2)稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点 设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力;
(3)在三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功 负载，减少了无功功率对电网的冲击。 1.2无功补偿装i的发展
随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。下面 介绍一下无功补偿装置的发展和应用。 1并联电容器
并联电容器是电网中应用最多的一种专用无功补偿器，它的特点是结构简单、 经济方便、适于分散安装，能较好地满足就地补偿的要求;分组投切的并联电容 器装置有良好的无功调节性能;投资省，能耗低，运行维护方便而得到广泛应用。 虽然并联电容器有许多优点，但它的容量有限，阻抗是固定的，不能跟踪负荷无 功需求的变化，即不能实现对无功功率的动态补偿，而且它的输出无功功率与安 装处电压平方成正比，当电压输出降低时，特别由于故障电压降低的时候，系统 需要电压支持，而并联电容器输出无功功率却继续急剧下降〔3〕。 2同步调相机
同步调相机又称同步补偿器，是作为并联补偿设计的一种同步机，它属于有 源补偿器。它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。该装置优点是:在系统电 压下降时，靠维持或提高本身的出力，可以给系统提供紧急的电压支持。从功能
上讲，同步调相机是一个被拖动到某一转速并与电力系统不同运行的同步机。当 电机同步运行后，根据需要，人为控制其磁场，使之产生无功功率，或从系统吸 收无功功率。然而，同步调相机动态响应速度慢，运行噪声大，发出单位无功功 率的有功损耗大，且运行维护复杂，己经无法适应各类非线性负载的快速变化， 因此，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置所取代。 3静止无功补偿装置(SVC)
电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用静止无功补偿装置推上了 电力系统无功功率控制的舞台。静止无功补偿装置由于其价格较低、维护简单、 工作可靠，在国内占据主流补偿装置的地位。SVe(StatieVareomvensat。r)先
后出现过不少类型，目前来看，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗器型、晶 闸管控制电抗器型和自饱和电抗器型3种。上述第二种又可分为:固定连接电容 器加晶闸管控制的电抗器(fixedeapaeitor+thyristorcontrolled
reactor—FC+TCR)、晶闸管开关操作的电容器加晶闸管控制的电抗器 (thyristorswitehedeapaeitor+thyristoreontrolled
reaotor—TSC+TCR)。SVC克服了同步调相机的响应速度慢，运行噪声大的缺点， 具有控制速度快、维护简单、成本较低的优点，所以在电力系统中得以大量应用。 但SVC也存在缺点，如工作于斩波状态的晶闸管会产生较大的谐波，’对电力系统 造成污染;其次这些装置并入系统后会改变系统的阻抗特性，过多安装这些设备 可能导致系统出现振荡。另外，由于晶闸管的关断不能控制，开关器件的工作频 率低，对电能质量的补偿能力相对减弱，动态性能难以提高很多，装置的网侧谐 波电流较大。目前国内外对SVC的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神经 网络控制和专家系统等智能控制手段也被引入SVC控制系统，使SVC系统的性能 更加提高。
4静止无功发生器(SVG)
随着电力电子技术的进一步发展，20世纪80年代以来，一种更为先进的静
止型无功补偿装置诞生了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，即 静止无功发生器。SVG的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联 在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其
交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，就可以使该 路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。 与传统的无功补偿装置相比，SVG有以下优点:
(1)连续调节、调节范围大、响应速度快、控制精度高;
(2)在采用多重化、多电平或P翎技术等措施后可大大减少补偿电流中的谐 波含量;
(3)可以分相调节，产生的损耗小、噪声小;
(4)可对系统电压进行瞬时补偿，而且在系统电压较低时仍能向系统注入较大 无功;
但是，SVG.目前还有很多的理论和实际运用的问题尚待解决。而且其控制 杂，所用的全控器件价格昂贵，所以目前还没有普及，尤其在我国，大功率电 电子器件目前基本依赖进口，成本太高，根据我国国情，此类装置的实用需要 长一段时间。而在低压无功补偿中要求装置体积小、重量轻、结构简单易于安 和维护，因此，TSC和TCR装置在当前的无功补偿领域得以广泛应用。 表1.1对各种无功补偿装置特点进行了简单的对比〔5]: