陈志华毕业论文低压动态无功补偿装置的研究.doc

兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）低压动态无功补偿装置的研究摘 要随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。无功功率在电网中传输会造成网络损耗以及受电端电压下降，使电能利用率大大降低且严重影响供电质量。因此，在电网中的适当位置装设无功补偿装置是满足电网无功需求的必要手段。本文介绍了无功补偿的目的和意义，阐述了国内外无功补偿的现状与发展趋势。针对低压电网，本文分析了无功补偿原理及补偿接线方式，讨论了几种不同负荷情况下电网最佳补偿点的位置及容量配置的问题。同时，在分析各种无功补偿控制策略的基础上，将模糊控制理论引入电容器的投切控制，兼顾了提高功率因数与改善电压质量，并且避免了无功补偿装置往复投切问题。 本文设计了一种适用于低压电网进行集中无功补偿的晶闸管投切电容器装置。在装置设计中采用电压无功复合投切判据，以无功功率作为主判据、电压作为辅助判据，有效地克服了以功率因数作为投切判据的控制方式中的轻载时容易产生投切振荡而重载时容易出现补偿不充分的缺点，同时兼顾了降低功率损耗与改善电压质量；投切复合开关采用单独的脉冲触发装置触发，保证了晶闸管在两端电压过零时触发，从而在硬件电路上实现电容器组的无过渡过程投切，且简单可靠；控制系统采用价格比较便宜的at89c51 单片机作为控制系统主体。装置能够实现无功功率的快速、准确补偿且成本较低，具有较好的实用性以及广阔的应用前景。论文阐述了该控制系统的原理及软硬件设计过程。最后，本文通过软件matlab/simulink 对装置进行了仿真研究，仿真结果表明该装置可以有效的对系统无功进行补偿。关键字：无功补偿，模糊控制，单片机studies on the low-voltage dynamicreactive power compensation deviceabstractdue to increasing loads of electric power system, demand on reactive power was also increasing. because transmission of reactive power in electric network can lead to network loss and step-down voltage, resulted in reduction of using efficiency of power energy and severely effected voltage quality. it became necessary means that reac-tive power compensation devices were installed in proper position of electric network.this paper introduced the principle and objective of var compensation, and presented thedevelopmental actuality and trend of reactive power compensation system. based on compensation principle and connection way, this paper studied switches of capacitors and themodel of reactive power optimization planning about low voltage system. based on analysis of other criterion methods, the paper introduced fuzzy control into var compe-nsation. this new method can manage the relationship between voltage quality and power factor properly and eliminate the repeatedly switching problem.a tsc reactive power compensation device which was fit for low-voltage distributionnet work was introduced in this paper. the compound criterion whose main criterion is reactive power and whose assistant criterion is voltage was applied in the device, which effectively overcame the defects of the power factor criterion in which switching oscillation was often resulted in under light load and compensation was insufficient under heavy load, and the compound criterion gave attention to decreasing power loss and improving voltage quality. the system adopted thyristor as switch that connect capacitors to main circuit, and the thyristor was triggered by a special device in the zero-voltage condition and thus greatly reduced surge current. this sort of switch circuit achieved switching of capacitors without transition course and was simple and reliable. the device took the at89c51 which is a sort of cheap single chip micro-controller as main control chip. this device could fleetly and truly compensate reactive power and was low-cost. it processed preferably practicability and wide application foreground in low voltage network.at last, the device was simulated through software matlab/simulink, and simulation and experiment show that the basic principle and method was totally feasible and effectual.key words: reactive power compensation, fuzzy control，single chip microcomputer目录摘 要1abstract2目录4第一章 绪论61.1无功补偿的意义61.2 无功功率补偿的历史与现状7第二章 无功功率补偿有关理论的研究132.1交流电路的无功功率132.2并联电容器组补偿无功功率的原理.142.3永磁真空同步开关投切电容器组低压无功补偿装置152.4无功补偿容量的确定162.5无功补偿的经济效益分析17第三章 无功补偿装置硬件设计193.1主电路结构设计193.2无功补偿控制器硬件总体结构设计213.2.1信号采集通道及转换电路213.2.2功率因数测量电路223.2.3晶闸管触发驱动电路243.2.4显示电路253.2.5键盘电路263.2.6电源电路273.2.7复位电路273.2.8通信接口部分293.2.9开关量输入、输出模块部分293.3 硬件设计中的抗干扰设计30第四章 无功补偿装置控制系统软件设计324.1主程序结构324.2功率因数采样及数据处理模块设计334.3模糊控制算法程序模块设计354.3.1模糊控制器的结构设计354.3.2无功补偿模糊控制器的计算机实现374.4 投切控制程序模块设计374.5软件设计中的抗干扰措施39第五章 无功补偿装置的matlab 仿真425.1仿真软件简介425.2无功补偿装置的仿真实现42第六章 结论45致 谢46参考文献47附录48第一章 绪论1.1无功补偿的意义随着我国经济改革的不断深入，经济发展速度越来越快，工业企业数量发展迅速，人民生活水平不断提高，这导致电力负荷的增长速度迅猛，相比较而言，发电机的装机容量和输配电能力显得不足，致使全国的多数省份出现供电紧张的“电荒”情况，尤其是经济发达地区和一些用电负荷较大的大中型城市。更有甚着出现了部分省、市的用电高峰期采取拉闸限电以保证电网正常运行的措施，严重制约了国民经济的发展，也给人民群众的日常生活带来极大不便。在各种不同的工矿企业以及人民日常生活的用电中，都不同程度的存在着功率因数偏低的现象。如工矿企业建设时供电容量都较大，如果企业没有满负荷运行就会出现功率因数偏低的现象。电力系统的用电负荷主要分为感应电动机、变压器、感应电炉与电弧炉、电焊机和电焊变压器、整流设备等，这些用电设备在消耗有功功率的同时都会消耗大量的无功功率，造成电网功率因数偏低。就我国来说，电动机所耗的电能占整个工业用电的6070。根据上海市的统计资料，仅风机、水泵两项就占工业用电的40左右，加之其他种类的电动机负载，整个电动机的耗电量超过全部工业用电的60以上。大量的感性负载的使用使得电网必须提供足够的无功容量来满足负载要求，否则会造成电网电压降低，电网供电质量下降的不良后果。感性负荷分布的不规律性也要求电网根据负荷情况合理分配无功，否则容易形成大量无功功率在电网的流动，降低电网容量，使得电网线路损耗增加，同时也增加了供电成本，影响电力系统供电的经济性，尤其是在我国的农网供电区域内，变电站数量少，供电线路覆盖面积大，长距离供电成为一种普遍的现象，过低的功率因数使得线路损耗增大，供电网末端电压下降较大，这也间接的提高了供电成本。解决上述问题的一个简单而行之有效的办法就是对电网进行无功功率补偿。电力系统无功功率主要来源就是采用各种无功补偿设备本着尽可能就地补偿的原则在各个环节对电网进行无功功率补偿。随着电子技术的发展，无功补偿设备越来越智能化，带有微处理器控制器的智能无功补偿设备在电力系统中的应用越来越广泛，本课题就是在这种背景下提出来的。试图就高性能、多功能的智能低压无功补偿装置的设计进行有益的探讨。1.2 无功功率补偿的历史与现状1.2.1无功功率补偿的分类 无功补偿可以分为串联补偿和并联补偿。串联补偿的目的在于控制线路的阻抗参数，欧美一些国家普遍采用串联补偿来提高输电线的传输能力。而我国大多采取并联补偿的方式来补偿系统无功，并联补偿的目的在于控制线路的电压参数。并联补偿按补偿对象不同可分为系统补偿和负荷补偿两大类。 系统补偿通常指对交流输配电系统进行补偿，目的是维持电网枢纽点处的电压稳定，提高系统的稳定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流、降低线损等。负荷补偿通常是指在靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿，目的是提高负荷的功率因数，改善电压质量，减少或消除由冲击性负荷、不对称负荷、非线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流波形畸变等危害。负荷补偿可分为静态补偿和动态补偿6。静态补偿是根据三相负荷的平衡化原理，通过在负荷点串、并入无功导纳网络，把三相不对称负荷补偿成对供电系统来说是三相对称的。该方法优点是结构和控制简单、造价低，缺点是对工业电弧炉、电焊机等动态负荷难以达到理想的补偿效果。真正意义上的不对称负荷动态补偿是从1977 年grandpierre提出分相控制的静止无功补偿器(static var compensatory,svc)的方法后开始的。分相控制的svc能根据系统的实际情况，通过调整可控硅触发角来改变svc的各相补偿度，从而达到补偿负荷负序分量和调整负荷功率因数的目的。因此，该方法一提出就受到了普遍关注913。1.2 .2无功功率补偿装置的发展概况早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机(synchronous condenser,sc)和并联电容器。同步调相机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。自二三十年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用，但它属于旋转设备，运行过程中的损耗和噪声都比较大，维护复杂，且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求，目前在现场仅有少量使用。并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点，按电容器安装的位置不同，通常有三种补偿方式：集中补偿、分组补偿、就地补偿。一，集中补偿是电容器组集中装设在企业或地方总降压变电所的610kv 母线上，用来提高整个变电所的功率因数，保障供电范围内无功功率基本平衡，可减少高压线路的无功损耗，而且能够提高供电电压质量。二，分组补偿是将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或终端配电所高压或低压母线上，这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅补偿容量和范围相对小些，但补偿效果比较明显，采用比较普遍。三，就地补偿是将电容器或电容器组装设在异步电动机或电感用电设备附近，就地进行无功补偿，这种补偿方式既能提高用电设备供电回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量，对中、小型设备十分适用。若能将这三种补偿方式统筹考虑、合理布局，一定可以取得很好的技术经济效益。并联电容器的缺点是只能补偿固定无功，且还可能与系统发生并联谐振，导致谐波放大，但是由于并联电容器在其它方面的优势所致，到目前为止在我国仍是主要的无功补偿方式。现今所指的无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型5,7：一类是具有饱和电抗器的无功补偿装置(saturated reactor,sr)；第二类是晶闸管控制电抗器(thyristor control reactor,tcr)；第三类是晶闸管投切电容器(thyristor switch capacitor,tsc)。下面依次介绍此三类无功补偿装置的情况：(1) 具有饱和电抗器的无功补偿装置(saturated reactor,sr)这种装置是最早的一种静止无功补偿装置，早在1967 年，这种装置就在英国制成。饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。但是这种装置中选用的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4倍，且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大23 倍，另外这种装置有振动和噪声，调整时间长、动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。(2)晶闸管控制电抗器(thyristor control reactor,tcr)这种装置是利用晶闸管的相位控制来调整电抗器的电流，从而达到调整无功功率的目的。其单相原理图如图1.1 所示。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为9001800。当触发角 = 900时，晶闸管全导通，导通角 = 1800，此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式： （） 可知，增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。 tcr 型动态补偿方式具有以下优点： 从0到最大功率连续可调；可以根据电网负荷情况分相调节；电路简单，便于操作维护。不可避免的也具有一些缺点：在运行中会产生谐波；占地面积大；电容、电抗器和晶闸管容量都是按系统最大冲击无功功率来配备，设备投资大；从实际情况看，跟踪补偿装置大部分时间处于零或低无功功率补偿状态，最大功率运行能耗大。单独的tcr 只能吸收无功功率，不能发出无功功率，为了解决此问题，通常将并联电容器与tcr配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器元件的不同，又可分为tcr 与固定电容器配合使用的静止无功补偿器(tcr+fc)和tcr 与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器(tcr+msc)。这种具有tcr 型的补偿器反应速度快、灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。（3)晶闸管投切电容器(thyristor switch capacitor,tsc)这种装置是将并联补偿电容器分成若干组，根据负荷无功的变化情况对补偿电容器进行分组投切，达到调整无功补偿量的目的，其单相原理如图1.2 所示。tsc 的单相电路还有一个二极管与一个晶闸管反并联后与一个电容器串联的结构方式。tsc 用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。在工程实际中，不论是星形还是三角形连接，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。这样，可根据电网的无功需求投切这些电容器。晶闸管投切电容器装置特别适合于冲击性负荷及经常波动性超负荷的场所。现在普遍把这种可以快速补偿电网无功功率的晶闸管投切电容器的无功补偿装置叫做动态无功补偿器。tsc 型动态补偿方式具有以下特点： 结构紧凑，可设计成柜体形式，占地面积小；设备投资小，大约比tcr 降低25%； 运行能耗小；电容器是无过渡过程投切，本身不产生谐波，合理的参数还可吸收谐波；接入系统灵活，可设计成高压型。缺点是不能连续调节无功功率。tsc 补偿器如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节。tsc 对三相不平衡负荷可以分相补偿，但对抑制冲击负荷引起的电压闪变，单靠电容器投入电网的电容量的变化进行调节是不够的，所以tsc 装置一般与电感相并联，其典型设备是tsc+tcr 补偿装置。这种补偿器均采用三角形连接，以电容器作为分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不会流入电网，大大减小了谐波。以上所举的装置合起来统称为svc(static var compensatory)。这些静止补偿器对电力系统状况的调整和暂态性能的改善起到了重要的作用，且其控制技术也比较成熟，在实际电力系统中也得到了不少有效应用12。但是它们都是利用晶闸管进行换相控制，在无功变动时容易发生逆变现象，并且都需要大电感或大电容来产生感性和容性无功，因而人们期待有新的补偿方式改善上述缺陷。随着电力电子技术的进一步发展，一种更先进的静止型无功补偿装置出现了，即采用自换相变流电路的静止无功发生器(static var generator,svg)，也称之为高级静止无功补偿器(advanced static var compensator,asvc)。静止无功发生器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，实现动态无功补偿的目的。与传统的以tcr为代表的svc装置相比，svg的调节速度更快，运行范围宽，而且在采取多重化、多电平或pwm技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是，svg使用的电抗器和电容元件远比svc中使用的电抗器和电容元件要小，这将大大缩小装置的体积和成本。svg具有如此优越的性能，显示了动态无功补偿技术的发展方向。但是，svg的控制方法和控制系统比svc要复杂的多。另外，svg要使用数量较多的较大容量全控型器件，其价格目前仍比svc使用的普通晶闸管高得多。因此，svg由于用小的储能元件而具有的总体成本的潜在优势，还有待于器件水平的提高和成本的降低来得以发挥。在svg的基础上，静止同步补偿器 (static synchronous compensatory,statcom)，也称为新型静止无功发生器(advanced static var generator,asvg)产生了。这种无功功率调节装置可以从感性到容性平滑地调节无功功率，相当于一个电压大小可以控制的电压源，其工作原理是：当装置产生的电压小于系统电压时，吸收感性无功功率，此时相当于电感；当装置产生的电压大于系统电压时，输出容性无功功率，此时相当于电容。由以上概述可知，补偿无功功率的方法先后采用了同步调相机、并联电容器、静止无功补偿装置(svc、svg、statcom)等。1.2.3无功功率补偿技术现状及发展趋势现在，在世界范围内，以tcr和tsc为代表的静止无功补偿装置svc已经占据了动态无功补偿的重要地位，是动态无功补偿技术研究的发展趋势。同时，svg在一些发达国家和地区也开始研究。截止到2000 年，全世界已有超过400 套、总容量约为60gvar的svc在输配电系统中运行；全世界已有超过600 套、总容量约为40gvar的svc在工业部门使用。我国的输电系统中有6 套容量为105170mvar的svc安装在5个500kv变电站，均为进口；工业用户安装了100 多套svc，约有1/5 是进口的。从2001年起中国电力科学研究院已为工业用户提供了26 套1035kv tcr型svc新平台，l0kv tsc型svc装置于2001 年、2003 年在变电站分别投入运行，填补了svc国内工程化应用的空白。而statcom装置是基于变流器的无功功率补偿装置，其技术是所有基于变流器的facts装置的基础，已经获得了广泛的重视2125。世界上各大著名的电气设备制造商(如西门子公司、abb公司、阿尔斯通公司、ge公司、三菱公司等)都开发了statcom工业装置产品。1999 年我国清华大学也开发了士20mvar statcom装置，且在河南电网成功投入运行。statcom装置在国际上已有几十套示范工程投入使用，单套容量已达到200mvar，该技术正在逐渐成熟.从无功功率补偿装置的应用来看，svc装置控制简单、价格低、能满足大多数用户对于无功功率补偿的需要，应用最为普遍，在电力系统和工矿企业用户中拥有广大市场，是并联无功补偿的主要装置。目前，国内外有关svc的研究多集中在对其应用于输电补偿的各种场合时控制策略和方法的进一步探讨上，随着模糊控制、人工神经网络、专家系统等智能控制手段相继被引入svc控制系统，使svc系统的性能更加提高，但还有很多理论和实际运用的问题尚待解决2125。而对svg的研究除了控制方法以外，还呈现出与有源电力滤波器相结合的发展趋势，但svg控制复杂，所用全控器件价格昂贵，目前还没有普及。尤其在我国，大功率电力电子器件基本依赖进口，成本太高，此类装置的实用化尚需相当长的一段时间。而采用可关断器件的statcom装置，由于历史和价格的原因，目前在国内外应用的实例并不多。然而statcom是性能最优的无功补偿装置，是facts的核心，值得加强研究和推广使用17,29,25。1.3本文的主要内容第一章中，首先介绍了无功补偿研究的目的和意义，接着阐述了无功功率补偿的历史、现状及技术发展趋势，并对各种不同类型的无功补偿装置进行了比较。第二章中，详细阐述了无功功率补偿的有关理论，针对低压电网，重点分析了tsc 型无功补偿原理、补偿容量和补偿位置的优化方法及其无功补偿自动投切控制方式。第三、四章中，根据要求设计了用于低压电网的无功补偿装置，介绍了装置的主电路原理及其主要元件的选取方法，完成了无功功率补偿控制器的有关硬件设计，编写了控制器软件，并对软硬件设计中采用的抗干扰措施进行了总结。第五章中，利用matlab/simulink 软件中的仿真功能对设计的无功补偿装置进行了仿真，结果表明设计的该装置可以对系统无功实时补偿。第六章中，对全文进行了总结。第二章 无功功率补偿有关理论的研究无功功率的概念是与交流电和非纯阻性负载联系在一起的。在直流系统或者纯阻性负载的系统中不存在无功功率的概念，也就不存在无功补偿问题。2.1交流电路的无功功率 在正弦交流电路中，如果负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。图21无源一端口网络对于如图21所示的内部不含有独立电源，仅含电阻、电感和电容等无源元件的端口，设电路中正弦交流电压为 （2.1）端口等效负载为z，则流过负载电路中的电流为 （2.2） 当负载z不是纯阻性时，流过负载的电流就会和电压有一个相角差值9，即，此时电流表示为 （2.3）此时电路的有功功率p就是其平均功率，即： （2.4） 则 （2.5）可以看出，有功功率p不再是电压u和电流川g有效值乘积，还要乘以二者夹角的余弦值。电路的无功功率定义为： （2.6）无功电流分量的产生是由于系统中含有电感性或电容性的负载而产生的，该电流用于建立磁场或静电场，存储于电感或电容中，并往返于电源与电感或电容之间，并不会像有功功率那样被消耗掉。电路中将电压u和电流i的有效值乘积定义为视在功率，即： （2.7）视在功率只是电压有效值和电流有效值的乘积，它并不能准确反映能量交换和消耗的强度，并且在一般电路中，视在功率并不遵守能量守恒定律。从上式（2.5）（2.6），（2.7）可以看出，无功功率，有功功率，视在功率在数值时上满足如下关系：在正弦波网络中，当负载为感性时，线路电压相位会超前线路的电流相位，即此时0。无功功率q0，我们说网络“吸收”感性无功功率，也可以说是“发出”容性无功功率；当负载为容性时，线路电压相位会滞后线路的电流相位，即此时0，无功功率q0，我们说网络“吸收”容性无功功率，也可以说是“发出”感性无功功率。无功功率的“发出”和“吸收”不同于有功功率的发出和吸收，这只是一种习惯说法而已。2.2并联电容器组补偿无功功率的原理.在实际的电力系统中，大部分负载为异步电动机。包括异步电动机在内的绝大部分电气设备的等效电路可看作是电阻r和电感l串联的电路，其功率因数为： （2.8）式中 给r,l电路并联接入电容器c之后，电路如图22所示。图2-2并联电容补偿无功功率的电路和相量图a)电路b)相量图(欠补偿) c)相量图(过补偿)该电路的电流方程为： （2.9）由图22b的相量图可知，并联电容器后电压u与电流i的相位差变小了，即供电回路的功率因数提高了。此时供电电流i的相位滞后于电压u，这种情况称为欠补偿。若电容器c的容量过大，使得供电电流i的相位超前于电压u，这种情况称为过补偿，其相量图如图22c所示。通常我们并不希望出现过补偿的情况，因为这会引起变压器二次侧电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗。如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器的使用寿命。2.3永磁真空同步开关投切电容器组低压无功补偿装置本文阐述的低压无功补偿装置采用并联电容器组的方法，容量配置灵活，电容器的投切采用永磁真空同步开关，实现电容器组的投入过程无涌流。系统的原理如图2-3所示。系统中三相电容器组共接有三组，图中只画出其中一组。控制器检测电网的三相电压和三相电流数据，对只要求三相共补的情况下，为简化设计，控制器对电网电流数据的获得也可以只采集一相电流的数据，其他两相电流认为与所采集相的电流相同。控制器根据电网的运行状况和设定要求进行数据的计算、处理和逻辑判断，在需要的情况下通过继电器输出控制信号km1-km6，进而控制图中的km1、km2包括图中未画出的km3、km4、km5、km6等永磁真空同步开关，控制电容器组的投入和切除，完成对电网进行的合理的无功容量的补偿。 图2-3系统结构图永磁真空同步开关是真空开关技术、永磁操作机构技术和微电子技术三者组合的产物，将同步开关的概念应用到低压无功补偿领域，具有选相合闸功能和高可靠、免维护、长寿命等优点。能够精确地在任意设定的相位角接通电路，如在投入电容时，在主回路交流电压过零的瞬间接通电路，从而消除了合闸涌流，大幅度提高了电容的寿命和系统的稳定性。而对于感性负载，则正好相反。在电压最大值的瞬间接通电路，以消除过渡过程。采用永磁操作机构，在分闸或合闸状态时开关的线圈无需保持电流，即开关仅在合闸或分闸操作时线圈通以一个忙冲的小电流即可彻底解决线圈的过热问题。2.4无功补偿容量的确定无功补偿装置的用途就是为电网补偿无功功率，但是对电网的无功补偿容量不是随意的，需要根据电网的运行情况来确定，因此确定无功补偿容量成为必不可少的步骤。确定无功补偿容量最直接的方法就是从提高功率因数的需要来确定补偿容量。如果补偿线路有功功率为p1，补偿前的功率因数为cos1，补偿后的功率因数为cos2，则补偿容量可以用下述公式计算： （2.10）上式中表示线路中需要的补偿容量。对于补偿后的功率因数cos2的设定要适当，通常设为0.91.0之间的某个合适的值，该值不宣设的过高。例如对于一个有功功率为100kw功率因数为075的待补偿线路，如果将功率因数补偿到0.9，按照式210计算所得的补偿容量为398kvar，如果将功率因数补偿到1.0，计算所得的补偿容量则为882lkvar，可以看出，在超过0.9的高功率因数下进行无功补偿其效益将显著下降。所以可能的情况下可以将补偿后功率因数适当设置的低些。对于并联电容器组补偿方式来说，电力电容器组额定容量与其接线方式有关。对于三相电路，电容器容量为： （2.11）上式中 表示电容器容量 kvar f表示交流电网频率，f=50hz u表示相电压 kv c为单相电容器电容值 f对于三相三角形接线的系统，线电压等于相电压，而对于三相星形接线的系统，线电压等于相电压的倍，对于同样的电容器组三角形接线的无功出力是星形接线的3倍，这也是将并联电容器组以三角形连接并联于电网的原因。2.5无功补偿的经济效益分析无功补偿的经济效益主要体现在减少无功功率在电网中的流动，提高电力系统有功输送容量和供电能力，降低输电线路因输送无功功率造成的输送线路损耗，节省投资，在有限的输电网络中最大可能地为用户输送更多地有功电能等几个方面。根据有功功率的计算公式2.5有： （2.12） 由公式2.12可知负载电流i，与线路功率因数cos成反比，如果线路输送的有功功率一定，那么功率因数提高则可使线路中的电流降低，根据线路损耗的计算公式ps=且可知，线损下降。安装无功补偿设备的最主要的目的就是为了提高线路的功率因数，从而降低线路损耗。以广东省中山供电局李铨怡的文章“低压无功补偿的综合经济效益”中所写数据为例，按中山供电局电网的供电量，根据有代表性的五个1lokv变电站无功补偿的节能计算，在l0kv系统装设10000kvar集中补偿，可在llokv网络中获得年节电60万kwh电之利。如果在380v低压系统中装设同样多的无功补偿，则在110kv及以下电网中，年节电量达80万kwh。这就等于给地方系统节省80万元电力建设资金。也就是说，每降损1kwh，可节省电力建设费1元。而给新用户输送的80万kwh年电量，不需增加运行费,可以看出，其经济效益明显。第三章 无功补偿装置硬件设计本课题设计的为晶闸管投切电容器(tsc)型动态无功补偿装置，采用集中补偿方式，装配在配电变压器低压侧母线上，对配电变压器所带整个区域负荷进行补偿。本章主要介绍装置的主电路结构设计和无功补偿控制器的部分硬件电路设计及其采取的抗干扰措施。3.1主电路结构设计本课题设计的无功补偿装置主体结构由柜体、控制器、空气开关、避雷器、三相电容器、熔断器、可控开关、触发板和串联电抗器等部分组成，主电路接线示意图如图3.1 所示：如图3.1 所示，为无功补偿装置主电路接线图。由图可以看出：电网中a、b、c 三相电源线经空气开关进入无功补偿装置的柜体内，再经熔断器与复合开关模块连接，电容器经复合开关模块与熔断器和空气开关连接，避雷器经空气开关与三相电源线相连后接地。工作过程为：将从线路采集电压、电流等采样信号送入控制器内进行数据分析处理，计算线路所缺的无功功率，控制器再根据此无功功率，按照预先设定的控制策略，来判定是否需要投入或切除电容器。控制器通过晶闸管与二极管反并联组成的复合开关模块来控制投切电容器主要元件功能及其选择原则介绍如下：(1)柜体：即无功补偿柜的箱体，顶部有防尘盖，在防尘盖和箱体之间留有一定的空隙，同时在底部和侧面都有空气流通孔，以保证充分散热。(2)控制器：控制器具有无功投切判断、电量参数计算等功能，通过控制二极管和晶闸管反并联组成的复合开关进行补偿电容器的投切。 (3)空气开关：空气开关是整个无功补偿装置的总开关，它控制着整个无功补偿柜的电源及过流保护。空气开关又称空气断路器，其选取根据装置中电容器容量的大小不同和通过的电流不同来选取，主要用来分配电能和保护线路及电源设备的过载、欠电压和短路。(4)避雷器：避雷器起保护作用，防止装置因雷击过电压而受到损坏。避雷器的选取应以保证电力系统安全的前提下选择。一般情况选取避雷器额定电压为系统标称电压的1.21.3 倍。(5)电容器：电容器采用0.4kv 三相自愈式并联电容器，采用三相角形接法、三相共补的补偿方式实施动态补偿系统无功功率。(6)熔断器：熔断器起保护作用，防止补偿装置由于过电流的原因而损坏。熔断器的选取要和空气断路器配合，一般其跌落电流选为通过电流的两倍。 (7)可控开关：可控开关采用晶闸管和二极管反并联的组合形式，通过二极管的反向自然关断和可控硅的可控关断来控制电容器组的投切。复合开关模块主要控制a、c 两相，对于三相电路而言，若a、c 两相断开，则b 相即使连接，三相并联电容器也不能投入，因此此接法具有更大的经济效益。控制a、c 两相电容器投切的每相可控开关由一只二极管和一只晶闸管反并联组成。另外，每只二极管和晶闸管上均有rc 阻容吸收回路，用于吸收浪涌电压和抑制过电压。当主回路施加正向电压于晶闸管两端，且控制极上得到触发信号时，晶闸管导通，相当于开关合上，电容器投入运行，当加反向电压时，晶闸管反向截止，而二极管导通，电容器残压沿回路快速放电。 (8)触发板：触发板是晶闸管的控制驱动电路，它将来自控制器的投切信号转化为高频脉冲信号，控制可控硅复合开关的通断。(9)串联电抗器：串联电抗器抑制电容器的投切涌流，保护电容器的正常运行。3.2无功补偿控制器硬件总体结构设计由于控制系统以无功功率作为主要的检测及控制目标，而无功功率的计算公式如下： （3.1）其中，q为无功功率，i为电网线电压， u1为负载相电流， 为功率因数角。据此，本文在控制系统中设计了电压、电流信号采集电路及功率因数测量电路，无功功率可以由所测得的电压值、电流值以及功率因数值根据公式(3.1)计算得到。同时系统还设计了四位数码管的显示电路以显示电压值、电流值以及功率因数值。由于系统只设置了四个数码管，因此键盘电路的设计是用于切换显示内容。控制系统根据计算得到的无功缺额控制相应电容器组的投切，投切指令由单片机的i/o口输出到脉冲触发装置控制晶闸管投切开关的开通与关断。3.2.1信号采集通道及转换电路数字控制器采集的电流和电压信号来自于无功调节器的互感器，目前的工艺做到互感器初级和次级的电流或电压信号的相位差很小，一般相位误差只有正负几分到几十分(取决于互感器的精度等级)，完全能够满足无功补偿的需要。因此，采集电流和电压信号时可以不需要额外的校正或补偿电路。无功补偿装置所需测量的电网电压和各支路电流通过两级互感器耦合提供给控制器。第二级互感器电路如图3.3 所示，这些信号可以直接利用模拟器件来进行处理。图3.3 互感器模拟量采集电路以及a/d转换电路如图3.4 所示。交流电压量、电流量分别经电压互感器、电流互感器变换成适用于微机处理的弱信号后，再经整流滤波电路把交流量变换为直流量以便进行a/d转换，a/d转换电路再把模拟量转换为数字量送入cpu。本系统中的a/d转换器采用tlc2543 芯片，它是ti公司生产的12 位开关电容型逐次逼近模数转换器，具有三个控制输入端：片选端(cs )、串行数据输入端(data input) 以及输入/输出时钟端(i/o clock)，其简单的3 线spi串行接口可以非常容易地与微处理器进行通信，11 路输入通道可采集11 路模拟信号，是12 位数据采集系统的低成本方案。图3.4 模拟量采集电路图3.2.2功率因数测量电路由于电力系统中三相负载的不平衡，为了能真实反映三相功率因数值，故从一相取相电流信号，从另外两相取线电压信号。相电流和线电压之间的夹角(为线电压滞后相电流的角度)随功率因数角的变化而变化，二者之间有着对应关系，因此，本文采用通过采样三相中任意一相的电流以及另外两相的线电压之间的相位差的方法设计了三相系统的功率因数采样检测电路。图3.5 功率因数测量电路功率因数的测量电路如图3.5 所示。电路的输入是a、c 相之间的线电压以及b 相电流，输出是包含功率因数信息的方波信号。工作过程为：由电压互感器取得的线电压信号输入到比较器lm339 的同相输入端，由电流互感器取得的相电流信号首先转化成电压，然后输入到lm339 的另一个同相输入端，再分别转化成相应的方波信号和。由于比较器接成零比较器而且是同相输入，因此方波信号和的上升沿均决定于输入信号由负变正这一过零时刻。两个方波信号和经异或门后得到一新的方波信号，将方波信号送入到单片机的外中断int0 引脚，把单片机的外中断int0和定时器t0 联合使用，就可以检测出经异或门之后的方波信号的脉冲宽度, 该方波信号的脉冲宽度 随功率因数角 的变化而变化，二者之间有着对应关系。相电流线电压的相位差 和功率因数角可通过下式计算： （3.2）式中为由正变负时，t0 停止计数，得到与时间差成正比的计数值，从而得到电网的功率因数cos 。采用multisim 软件对上述设计的电路图3.5 进行仿真，结果如图3.6所示图3.6仿真结果从实验仿真结果来看，该方法设计的电路可以有效的检测电网的功率因数。采用该方法设计的功率因数检测电路硬件结构简单、稳定性较好，无需中性点，可以方便的进行安装调试。3.2.3晶闸管触发驱动电路控制器是无功补偿装置的核心处理单元，但控制器将采样信号换算后，发出相应的投切控制信号时，必须有高频触发脉冲去触发晶闸管。如何选择适当的时刻触发晶闸管导通以对电容器进行无冲击投切动作，是tsc 设计的关键技术。总的原则是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻，而通常的做法都不可避免地有各种缺点，因此本文采用设计独立的tsc 脉冲触发装置，利用uln2003an(其输出达到500ma)来驱动脉冲触发装置工作，从而控制晶闸管的导通和关断，即电容器的投入与切除。本文设计的脉冲触发装置基本原理图如图3.7所示。由于电容器上的电压是一直变化的，所以晶闸管上的电压是一个不能根据电源电压计算出来的一个动态值，必须在投切的时候对晶闸管两端的电压进行实测。因此本文采用了380v/24v 同步变压器对晶闸管复合开关的电压采集信号进行降压处理，得到的三相同步电压，再经过滤波电路(主要滤去高次谐波) 后作为脉冲触发板的同步电压输入信号。如图3.7所示，无功补偿系统脉冲触发装置的电路可以人为的分成模数转换电路、单片机逻辑处理电路和隔离放大驱动电路三个部分。模数转换电路部分的主要由二极管回路和光电耦合三极管组成，输入是对电网进行采样处理的三相交流电(幅值约为24v)，输出为通过光电耦合三极管转换后的三个数字逻辑电平。单片机控制系统将模数转换电路部分输出的逻辑电平进行逻辑判断处理，输出两路对晶闸管的投切控制信号。