（控制科学与工程专业论文）智能无功补偿控制器的设计.pdf

i i 、， 1 ，j _ 独创性声明 l i i ii ii ri iii ii ii flru l y 18 8 0 4 0 4 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：耋奠金i t 期：迎! ! ：丛： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：镬真合 导师( 签名) ：农莠 日期卯多， 0 1 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着科技的进步和发展，感性负载设备大量增加，其工作时需要 电网提供大量的无功功率，无功功率在电网中的流动产生很大的危害。针对感 性负载设备进行就近无功补偿，对改善电能质量、降低线路有功损耗、提高功 率因数以及保证电力系统稳定运行有着至关重要的作用。本文从无功补偿的现 实意义出发，介绍了无功补偿的现状，比较了几种不同的无功补偿方式，重点 研究了并联电容器的无功补偿方式，在此基础上提出了一种智能无功补偿控制 器的总体方案，并详细阐述了控制器软硬的件设计。 控制器采用电能计量芯片a t t 7 0 2 2 a 检测电网运行参数，大大减少了c p u 的 运算量，提高了系统的测量精度，并可以大大简化系统软件设计。该系统由一 个主站和若干个子站构成，主站主要完成电量信息的读取、参数的设定、存储、 显示、计算处理以及发出投切命令等功能，它由c p u 、存储电路、实时时钟电路、 键盘输入电路、液晶显示电路、r s 一4 8 5 通信模块等组成，其中c p u 选用高性能、 低功耗的a t 8 9 s 5 2 单片机；子站主要负责控制命令的执行，并通过监控电容器回 路的电流确定控制命令是否真的被执行，它的c p u 选用带a d 转换器的 s t c l 2 c 5 a 0 8 a d 单片机：主站与子站之间通过r s - 4 8 5 总线实现数据的交换。在 硬件设计时，重点介绍了主站和子站的功能及设计思想，并给出了部分电路原 理图。在软件设计时，引入了嵌入式实时多任务操作系统r t x 5 1t i n y ，以r t x 5 1 t i n y 系统为开发平台，对主站的任务进行划分，并给出部分任务的程序流程图和 部分代码。r t x 5 1t i n y 系统的引入，极大方便了用户开发应用程序，提高了系 统的并发性，改善系统的响应时间。 在控制策略上，采用以无功功率控制为主，以功率因数控制为辅，以电压 电流为约束条件的综合控制方式，实现了无功的快速而又充分的补偿；并将电 容器分为优先补偿电容器和基础补偿电容器，实现三相共补和三相分补的统一。 本控制器完成了硬件和部分软件的设计，通过上位机的模拟测试情况来 看，基本上完全满足设计要求，工作可靠稳定。 关键字：无功补偿，功率因数，a t t 7 0 2 2 a ，并联电容器，r t x 5 1t i n y ， 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，丽t ht h ea d v a n c e m e n ta n dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，av a s t i n c r e a s ei ni n d u c t i v el o a de q u i p m e n t ，t h e i rw o r k sr e q u i r eal o to fr e a c t i v ep o w e r , p r o v i d e db yp o w e rg a d ，b u tt h ef l o wo fr e a c t i v ep o w e ri np o w e rg a di sl i k e l yt o g e n e r a t eg r e a th a r m a i m i n ga tn e a r b yr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt oi n d u c t i v el o a d e q u i p m e n tp l a y sav i t a lr o l ei ni m p r o v i n gp o w e rq u a l i t y ，r e d u c i n gt h ep o w e rl o s s e so f at r a n s m i s s i o nl i n e ，i n c r e a s i n gp o w e rf a c t o ra n de n s u r i n gt h es t a b l eo p e r a t i o no f p o w e rs y s t e m t h et h e s i ss t a r t sf o r mt h er e a l i s t i cs i g n i f i c a n c eo fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n , a n dt h e ni n t r o d u c e sp r e s e n ts i t u a t i o no fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ， c o m p a r e ss e v e r a ld i f f e r e n tw a y so fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，f o c u s e so np a r a l l e l c a p a c i t o rm o d eo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n , n e x tb a s e do nt h i s ，p u t sf o r w a r da g e n e r a ls c h e m eo ft h ek i n do fi n t e l l i g e n tr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e r ，a n d d e s c r i b e sd e t a i l e d n e s sh a r d w a r ea n ds o t t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o l l e r c o n t r o l l e ru s i n ge l e c t r i ce n e r g ym e t e r i n gc h i pa t t 7 0 2 2 ad e t e c t sp o w e rg a d o p e r a t i o np a r a m e t e r s ，g r e a t l yr e d u c i n gt h ec o m p u t a t i o no ft h ec p u ，i m p r o v i n gt h e s y s t e mt h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n , a n dc a ng r e a t l ys i m p l i f ys y s t e ms o f t w a r ed e s i g n t h es y s t e mc o n s i s t so fo n em a i n s t a t i o na n ds o m es u b s t a t i o n s ，m a i n s t a t i o nc o m p l e t e r e a d i n gp o w e ri n f o r m a t i o n ，p a r a m e t e rs e t t i n g ，s t o r a g e ，d i s p l a y ，c o m p u t i n g ，a n d i s s u i n gs w i t c h i n gc o m m a n d sa n do t h e rf u n c t i o n s ，i tc o n s i s t so fc p u ，m e m o r yc i r c u i t ， r e a l - t i m ec l o c kc i r c u i t ，k e y b o a r di n p u tc i r c u i t ，l c dc i r c u i t ，r s 一4 8 5c o m m u n i c a t i o n m o d u l ea n do t h e r , i n c l u d i n gc p uu s eh i g h - p e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rm c ua t 8 9 s 5 2 ； t h es u b s t a t i o nm a i n l yi sr e s p o n s i b l ef o rc o n t r o lc o m m a n do fe x e c u t i o n , a n db y m o n i t o r i n gt h ec a p a c i t o rc u r r e n tl o o pj u d e g e st h ec o n t r o lc o m m a n dw h e t e ri t i s e x e c u t e d ，i t sc p u u s e ds t c l 2 c 5 a 0 8 a ds c mw i t ht h ea dc o n v e r t e r ，m a i n s t a t i o n a n ds u b s t a t i o nt h r o u g hr s - 4 8 5b u sf o rd a t ae x c h a n g e i nh a r d w a r ed e s i g n ，i tf o c u so n t h em a l n s t a t i o na n ds u b s t a t i o nf u n c t i o n a l i t ya n dd e s i g ni d e a s ，a n dg i v e sp a r to ft h e c i r c u i ts c h e m a t i c i ns o f t w a r ed e s i g n ，i ti n t r o d u c e se m b e d d e dr e a l t i m em u l t i t a s k i n g o p e r a t i n gs y s t e mr t x 5 1t i n y ，t h r o u g hr t x 51t i n ys y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r m ， d i v i d e st h et a s ko fm a i n s t a t i o n ，a n dg i v e ss o m et a s kf l o wc h a r ta n ds o m ep a r tc o d e t h ei n t r o d u c t i o no fr t x 51 t i n ys y s t e m ，w h i c hg r e a t l yf a c i l i t a t e st h el a s e r st o n 武汉理工大学硕士学位论文 d e v e l o pa p p l i c a t i o n sa n di m p r o v e st h es y s t e mc o n c u r r e n c ya n dr e s p o n s et i m e i i lt h ec o n t r o ls t r a t e g y ，i ta d o p t sm i a n l yb yr e a c t i v ep o w e rs w i t c h e dc a p a c i t o r w h i l ep o w e rf a c t o ra ss u b s i d i a r y ，a n dt a k e st h ev o l t a g ea n dc u r r e n ta l st h ec o n s t r a i n t s i na d d i t i o n ，t h ec a p a c i t o ri sd i v i d e di n t op r e f e r r e dc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ra n db a s i c c o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r w h i c hr e a l i z et h eu n i t yb e t w e e nt h r e e p h a s ec o m p e n s a t i o n a n ds e p a r a t e dp h a s e c o m p e n s a t i o n t h ec o n t r o l l e rc o m p l e t e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n , j u d g i n gt h es i t u a t i o n f o r ms i m u l a t i o nt e s t i n gt h r o u g ht h ep c ，i tb a s i c a l l ym e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ， a n dw o r k sr e l i a b l ea n ds t a b l e k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，p o w e rf a c t o r , a t t 7 0 2 2 a ，p a r a l l e l c a p a c i t o r s ，r t x 5 1t i n y i i i 弋 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景和研究意义1 1 1 1 课题的研究背景1 1 1 2 课题的研究意义。2 1 2 国内外无功补偿技术的研究现状与进展4 1 2 1 同步调相机4 1 2 2 并联电容器5 1 2 3 静止无功补偿器5 1 2 4 静止无功发生器7 1 3 并联电容器无功补偿研究7 1 3 1 电容器补偿方式7 1 3 2 补偿容量计算8 1 3 3 自动投切控制方式1 0 1 3 4 电容器投切振荡问题1 1 1 4 本论文的主要研究工作1 2 第2 章智能无功补偿控制器方案的设计1 4 2 1 无功补偿控制器的原理1 4 2 1 1 无功补偿原理1 4 2 1 2 控制策略一15 2 1 3 控制器的功能1 6 2 2 总体方案设计l8 2 3 方案论证18 2 4 本章小结2 1 第3 章智能无功补偿控制器的硬件设计2 2 3 1 电源部分2 2 3 1 1 直流12 v 电压输出电路2 2 i v 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 1 直流5 v 电压输出电路2 3 3 2 电量检测单元2 3 3 2 1 电量转换模块。2 4 3 2 2 电能计量模块一2 5 3 3 控制器主站3 2 3 3 1 单片机部分3 2 3 3 2 实时时钟电路3 3 3 3 3 人机对话模块3 4 3 3 4 数据存储模块3 7 3 3 5 通讯模块3 8 3 4 控制器子站4 l 3 5 本章小结4 3 第4 章智能无功补偿控制器的软件设计4 4 4 1 主站的软件的设计4 4 4 1 1 嵌入式实时多任务操作系统。4 4 4 1 2r t x 51t i n y 开发平台4 5 4 1 3r t x 5 1t i n y 编程原则5 l 4 1 4 控制器主站软件功能模块设计5 1 4 2 控制器子站的软件设计6 4 4 3 上位机的软件设计6 5 4 4 本章小结6 8 第5 章智能无功补偿控制器的调试6 9 5 1 硬件调试6 9 5 1 1 电源模块调试6 9 5 1 2 单片机部分调试6 9 5 1 3 液晶显示模块的调试6 9 5 1 4 实时时钟电路的调试6 9 5 1 5 存储器模块的调试7 0 5 1 6r s 4 8 5 通信模块的调试7 0 5 2 软件调试7 0 5 2 1 液晶显示子程序的调试。7 0 5 2 2 键盘输入子程序的调试7 1 v 武汉理工大学硕士学位论文 5 2 3 芯片a t 2 4 c 0 1 子程序的调试7 1 5 2 4 芯片d s l 2 8 8 7 子程序的调试7 3 5 3 整机模拟调试7 3 5 3 1 影响无功补偿的因素7 5 5 3 2 三相严重不平衡的无功补偿7 8 5 4 本章小结7 9 第6 章总结与展望 6 1 总结8 0 6 2 展望8 0 致谢 参考文献 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文。 v i 8 2 8 6 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和研究意义 1 1 1 课题的研究背景 无功功率是指为建立交变磁场和感应磁通所必需的电功率，它主要用于电 路内部电场与磁场之间的交换，起到建立、维护以及稳定磁场的作用，并完成 电场与磁场之间的能量交换；但它并不对外做功，仅仅为系统提供电压支撑， 即在电源和负荷之间提供电压降落所需要的势能【l 】。无功功率与有功功率不同， 不直接作为实际所消耗的功率，但大量的无功功率在电网中的流动和交换会对 电力系统产生巨大的影响。 随着我国经济的高速发展，各种产业欣欣向荣，对电的需求越来越大，电 力系统的规模也逐渐扩大，电力系统的网络元件和用户负荷也越来越复杂和多 样。现在许多的电力系统的网络元件需要消耗大量的无功功率，如变压器；同 时许多用户负荷也需要消耗一定的无功功率，例如感应式电动机、电冰箱、电 风扇、空调等，这些感性设备都需要电力系统提供足够的无功功率，用来产生 维持它们正常工作所必需的交变磁场。如果电力系统中没有无功功率，所有那 些需要交变磁场才能运行的电气设备都无法工作【2 j ：如果电力系统中无功功率不 足，将会导致电力系统的电压下降，功率因数减小，电能质量变坏，许多电气设 备容量得不到发挥，严重时会造成电压崩溃，电力系统解裂，引起大面积停电 事故【3 1 。 可见，无功功率并非是无用的功率，它是保证电力系统正常运行的重要因 素之一，它的存在为能量的转换、输送以及交换提供了必要条件。如何使电力 系统拥有充足的无功功率是十分重要的。如果电力系统中的无功功率完全由发 电站来提供，则可能会造成输电线路有功损耗加大、电压损耗也加大、电能质 量变坏、设备容量得不到充分发挥，不仅对发电、供电、配电三方都会产生不 良的影响，而且实现起来难度较大【4 l 。对电力系统进行就地无功补偿，是保证电 力系统无功功率供给充足、减少无功功率在电力系统中流动的最有效途径。因 此，对电力系统中无功补偿的研究有着非常重要的意义，无功补偿已经逐渐成 武汉理工大学硕士学位论文 为当今电力系统研究领域所面临的一个非常重大课题，正在受到人们越来越多 的关注。 1 1 2 课题的研究意义 无功功率是影响电力系统正常运行的一个重要因素。在电力系统中，对电 网中的无功功率实行合理而有效的补偿，有着非常重要的现实意义，具体表现 在以下几个方面： ( 1 ) 有利于提高功率因数，节省企业的用电开支费用。 一般情况下，有功功率p 、无功功率q 和视在功率s z 者有着如下的关系： s = 尸2 + q 2 ( 1 一1 ) 其中功率因数允与有功功率p 、视在功率s 之间的关系如下： 旯：c o s ：! ( 1 - 2 一)l = = 一 lj 1 q 当对电网进行无功功率的补偿后，电网所需要提供的无功功率q 减少，在保 持电网的视在功率不变的情况下，有公式卜l 可知，电网所提供的有功功率p 将 会增加，有公式1 - 2 可知，在视在功率不变的情况下，有功功率增加，功率因数 允则也会相应的提高。 提高功率因数与提高企业的经济效益是紧密相连的，因为为了鼓励企业合 理高效的利用有限的电能，我国电价制度规定，企业的功率因数必须达到的规 定的数值，如果没有达到，则在征收电费时需要多交，如果高于规定值，则在 征收电费时可以酌情减免。可见，提高功率因数对企业来说有着重要的经济意 义。 ( 2 ) 有利于挖掘设备潜力，降低成本。 对于电网中原有的供配电设备而言，在有功功率相同的情况下，提高功 率因数，将使负荷的电流减少，进而会增加电网中供配电设备的功率储备，从 而满足负荷增长的需求：如果原有网络已趋于过载，提高功率因数，将会使输 送的无功电流减少，进而使系统回到正常的状态下运行，从而使原有设备的潜 力得到了很好的发挥；对目前正处于设计阶段的新建项目而言，降低了设备容 量，减少了投资花费。在一定条件下，提高功率因数可以使所选变压器容量降 低，假设一变压器容量为s ，如果功率因数由c o s t p l 提高到c o s e p 2 时，那么可以 2 武汉理工大学硕士学位论文 挖掘出的设备容量为： 驴s ( 罴一 m 3 ， l c o s 缈2 可以增加的设备有功出力为： p d = sx ( c o s a p 2 - c o s q ，1 ) ( 1 - 4 ) 所以进行无功补偿不但可使设备的潜力得到晟大的发挥，而且还可降低初次投 资的费用1 5 1 。 ( 3 ) 有利于提高电力系统的输电能力，降低有功损耗。 ； i ：q 2 i j 图1 1 功率因数变化图 在电力系统的视在功率s 保持不变的情况下，进行无功补偿，则电力系统所 需提供的无功功率q 将会减少，由图1 一l 可知，无功功率q 减小，功率因数角变小， 即由图中的纯变为妒：，因此功率因数c o s 缈提高，由于视在功率保持不变，有公 式1 - 2 可知，有功功率将会增大，增大到p + 彳尸，可见整个电力系统的有功功率提 高了，从而增强了电力系统的输电能力【6 1 。 输电线路中电流i 是由有功分量昂和无功分量，d 组成，假设输电线路的电阻 为r ，则线路上有功功率损耗为： z i p = 1 2 r = ( ，当洫= 弋p 2 + r q 2r = 菩尺+ 孑q 2 尺 ( 1 - 5 ) 其中姿尺是由于无功功率而引起的有功功率损耗，因此，电力系统中的无功功 u 率q 减少，则其有功损耗也相应降低川。 ( 4 ) 有利于降低电压损耗，改善电能质量。 假设输配电线路的额定电压为u ，电阻为r ，电抗为噩，输送的视在功率为 武汉理工大学硕士学位论文 s = 尸q ，那么电压损耗为： a u ：= p r + q x u ( 1 - 6 ) 进行无功补偿后，假设补偿容量为q c ，电网中的无功功率减少，变为 q p c ，则无功补偿后电路的电压损耗为： 厶u = p r + ( q 广- q c ) x ( 1 7 ) 比较公式卜4 和卜5 可知，a u a u 。，即进行无功补偿后，线路中电压损失 减小了，因此在受电端的电压就稳定了，从而改善了电能质量【引。 1 2 国内外无功补偿技术的研究现状与进展 上世纪七十年代，人们就开始了研究无功补偿技术，经过多年的努力，无 功补偿技术得到很大的发展，无功补偿装置先后经历了同步调相机、并联电容 器、静止无功补偿器以及静止无功发生器等几个阶段。下面分别加以介绍。 1 2 1 同步调相机 同步调相机s c ( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ) 又被称为同步补偿器，是早期无功补 偿装置中的典型代表。同步调相机s c 实质上是一种特制的同步电机，其轴上不 带任何机械负载，是一种专门用于无功补偿的装置。在过励磁的条件下运行时， 它可以向系统提供感性的无功功率，相当于无功电源，对外输出无功功率；当 在欠励磁的条件下运行时，它可以吸收系统的感性无功功率，相当于无功负荷， 消耗无功功率。同步调相机s c 最大的优点在于可以实现无功功率的无级调节， 但是因为它是一种旋转机械，需要消耗大量的有功功率，并且响应速度缓慢， 其结构复杂，运行和维护都十分不便。随着一些新型、经济、智能的无功补偿 控制器的出现，近年来，同步调相机s c 已逐渐退出了现代电力系统的运行；通 常只有在需要很大容量的无功补偿设备的情况下，才会装设这种同步调相机。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 并联电容器 并联电容器利用电容的电流超前其电压9 0 度的特点，可以使其容性电流与 一部分相位滞后电压9 0 度的感性电流相互抵消，从而实现了对感性负载进行无 功功率的补偿，达到无功功率就地平衡的目的。 用并联电容器进行补偿时，通常采用集中补偿、分组补偿、就地补偿三种 方式，来实现无功功率的就地平衡。集中补偿是将并联电容器直接安装在企业 或者变电站的6 - 1 0 k v 母线上，用来提高整个电网的功率因数；分组补偿是针对 每个负荷中心而进行的小范围的局部补偿，即将电容器安装在终端变电站附近， 用来提高用电部门内部的供电能力；就地补偿是将电容器安组装在感性负载附 近，既提高了输电线路的功率因数，又改善了用电设备的电压质量。 用并联电容器进行无功补偿时，它所提供的无功功率与节点电压的平方是 成正比的，当节点电压下降，它所提供的无功功率将会减少，因此具有较差的无 功调节性能；同时这种补偿装置只能提供固定的无功功率，可能会出现过补或 欠补，电容器动作频繁，影响使用寿命。此外，如果系统中有谐波，可能会发 生并联谐振，并使谐波进一步放大，损坏电容器。但是，由于这种补偿装置结 构比较简单，维护方便，运行经济，可以根据需要装设并联电容器的容量，使 用灵活多变，可以集中使用，也可分散装设，所以它目前仍被广泛使用。 1 2 3 静止无功补偿器 静止无功补偿器s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 是相对于同步调相机s c 而言的 一种基于柔性交流输电系统f a c t s ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s ) 技术的无 功功率补偿装置【9 】，它能够提供可以变动的无功功率，既可以提供容性无功功 率，也可提供感性无功功率；同时它还可以根据需要随时、快速的调整无功功 率，从而使系统电压水平保持稳定，功率因数得以提高，并能有效抑制因冲击 性负荷而引起的电压波动、闪变以及高次谐波等；同时，它还可以根据各相的 无功功率进行快速的补偿，实现对三相不平衡的无功补偿u 叫。 静止无功补偿器s v c 主要利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电容 器或者电抗器的容量，使其具有发出或吸收无功功率的能力。根据结构原理的 不同，静止无功补偿器s v c 主要如下三种结构：自饱和电抗器s r ( s e l f - s a t u r a t e d r e a c t o r ) 型、晶闸管控制电抗器t c r ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 型以及晶闸管投 切电容器t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) 型，下面具体加以介绍【l l 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】【1 5 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) s r 型静止无功补偿器 饱和电抗器一般可分为可控饱和电抗器和自饱和电抗器两种，与之相对应 的无功补偿装置也可分为两种。具有s r 型的静止无功补偿器主要是依靠其电抗 器自身的固有能力来维持电压稳定，利用其铁心的饱和特性来控制吸收和发出 的无功功率的大小；而可控饱和电抗器主要通过改变绕组中的工作电流的大小 来控制铁心的饱和度，从而实现改变工作绕组的感抗，进而改变无功电流的大 小。s r 型静止无功补偿器是早期静止无功补偿器的代表，其饱和电抗器的造价 比较高，长期工作在饱和状态铁心损耗大，并且有振动和噪声，调整时间较长， 动态补偿速度缓慢，这些缺点使得s r 型静止无功补偿器应用很难被推广。 ( 2 ) t c r 型静止无功补偿器 t c r 型静止无功补偿器是由相控电抗器与两个反并联的晶闸管串联而成，其 工作原理相对简单，增大晶闸管的移相触发脉冲的触发角，可以减d x t c r 型静止 无功补偿器的等效电纳，这样就会减少无功补偿电流的基波分量，从而可以减 少t c r 型静止无功补偿器吸收的无功功率。因此，可以通过改变晶闸管触发角的 大小来改变t c r 型无功补偿器吸收无功功率的多少，达到实现调整无功功率的目 的。 t c r 的作用就像一个可变的电感，它只能改变吸收无功功率的多少，却不能 发出无功功率，为了解决这一问题，一般将t c r 与并联电容器结合起来使用，根 据并联电容器的种类的不同，可以将其分为两类，一类是t c r + f c 型静止无功补 偿器，它是将t c r 与固定电容器( f i x e dc a p a c i t a n c e ，f c ) 结合使用的无功补偿装 置；另一类是t c r + m s c 型静止无功补偿器，它是将t c r 与机械投切电容器 f m a c h i n es e v e rc a p a c i t a n c e ，m s c ) 结合使用的无功补偿装置。这种t c r 与并联电 容器组合使用的静止无功补偿器具有反应速度快、灵活性大的特点，目前被广 泛应用在输电系统和工业企业中。 ( 3 ) t s c 型静止无功补偿器 与t c r 型静止无功补偿器不同，t s c 型静止无功补偿器是由电容器和两个反 并联的晶闸管串联组成的，这两个反并联的晶闸管起到开关的作用，使电容器 能很快的接入电网，也能使之很快从电网中断开。t s c 型静止无功补偿器运行时， 根据其需要补偿的无功电流的大小来决定投入电容器的组数。这种按组投切电 容器的方式的最大的问题在于可能会产生冲击电流，对电网造成一定的危害。 为了解决这一弊端关键在于恰当的选取投切电容器时刻。多年的试验研究表明， t s c 型静止无功补偿器最佳投切电容器的时间是在晶闸管两端电压为零时，即电 6 武汉理工大学硕士学位论文 容器两端电压与电源电压相等时，这时投切电容器，产生的冲击电流基本为零。 t s c 型静止无功补偿器可以实现无功功率的按需补偿，如果电容器组数足够 的多，级数分得足够小，基本上可以做到无功电流的无级调节；虽然它在使用时 不会产生有害的过电压、过电流，而且造成的损耗也比较小，但是不能很好的 抑制因冲击负荷引起的电压闪变。为了解决这一问题，通常将t s c 型静止无功补 偿器并联一个电感，最具典型是t s c + t c r 型静止无功补偿器。这种组合型的静止 无功补偿器都采用角形连接，其中容性器件用来进行分级粗调的，感性器件用来 实现相控细调的，该组合不仅能滤除三次谐波，同时对5 次谐波也有很好的滤波 效果，大大消除了电网中谐波含量。但是，它在运行时，容性器件和感性器件会 相互抵消一部分容量，很不经济。 1 2 4 静止无功发生器 静止无功发生器s v g ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 又被称为高级静止无功补偿器 a s v c ( a d v a n c e ds t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) ，或者静止同步补偿器s a t a c o m ( s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) 。它是依据l g y u g y i 提出的利用变流器进行无功补偿 的思想，运用变流技术，实现动态无功补偿的静止无功补偿器。它的基本原理 是将全控型开关器件( 女i g t o 晶闸管、i g b t 等) 组成的自换相桥式电路直接或者 通过电抗器间接并入电网中，然后通过改变桥式电路交流侧输出电压的幅值、 相位或者改变交流侧的电流的幅值、相位，实现桥式电路吸收或者发出满足系 统所需的无功功率，从而实现无功功率动态补偿的目的【1 6 1 1 】【1 8 】【1 9 】f 2 0 1 1 2 1 1 。 静止无功发生器s v g 采用了多重化、多电平以及p w m 技术进行处理，可以 消除低次谐波、抑制高次谐波，有效的减少电网中谐波的含量；由于它不需要 储能元件来与系统进行无功交换，因此它采用具有体积小、成本低的直流电容 来维持电源电压的稳定，缩小了补偿装置的体积和成本。此外，当系统电压很 低时，它仍能输出额定的无功电流。正是由于上述优点，静止无功发生器s v g 将 会成为今后无功补偿技术发展的趋势，并最终得到广泛的应用。 1 3 并联电容器无功补偿研究 1 3 1 电容器补偿方式 根据并联电容器的接线方式不同，可将其分为：三相共补、分相补偿、混 7 武汉理工大学硕士学位论文 合补偿三种补偿方式【2 2 】【2 3 1 1 2 4 1 。 三相共补方式是对三相中的某一相进行取样，然后对其进行计算分析，当 判断该相需要投入电容器组时，通常是将三个相同容量的电容器组以角形接法 直接并入电网。换言之，它认为三相负载是对称的，因而当一相需要并入电容 器时其它两相也就跟着并入相同容量的电容器，从而达到改善电网的功率因数 的目的。这种补偿方式用于三相负荷对称的供配电系统中补偿效果极佳，但是 如果电网的三相负荷不平衡，这种仅仅针对某一相所作的无功补偿，对该相来 说是合理的，但对另外两相而言可能出现欠补偿或者过补偿。因此，对于三相 负荷不平衡的供配电系统而言，补偿效果不佳，不易采取这种补偿方式。 分相补偿方式是对三相的每一相都进行取样，然后根据三相的需要分别投 入或切除不同容量的电容器组，电容器组以星型接法并入电网。这种补偿方式 对于每相分别采取控制，各相的控制是相互独立、互不影响的，因此在控制策 略上要优于三相共补方式。但是对于三相负载基本平衡的情况，这种补偿方式 并不优于三相共补方式，相反而言，这种补偿方式会出现补偿过程缓慢，同时 需要许多电容器组，不经济。 混合补偿方式是将三相共补和分相补偿结合起来，三相共补部分的电容器 采用角形接法，分相补偿部分的电容器采用星形接法，这种补偿方式运行方式 相对灵活，既能适用于三相负载基本平衡的供配电系统，也能适合三相负载不 平衡的供配电系统。有鉴于此，本文在进行设计时，采用三相共补和分相补偿 相结合的补偿方式，使控制器能应用于不同的场合，增强其适应性。 1 3 2 补偿容量计算 1 3 2 1 从提高功率因数角度计算补偿容量 假设电网中最大负荷的平均有功功率为p ，没有进行无功补偿时电网的功率 因数为c o s 叼o l ，进行无功补偿后期望电网的功率因数为c o s q 0 2 ，那么补偿容量q c 的计算公式如下： 或者 ( q c = 尸i f 8 ( 1 8 ) 武汉理工大学硕士学位论文 i 。 皱= 尸f f 、i ：尸r jl ) l ( 1 9 ) 1 所以 皱= p ( t a n 自o l t a n 9 0 2 ) ( 1 - 1 0 ) 其中c o s c p l 应选用最大负荷时的平均功率因数，c o s 9 0 2 的值也必须合理恰当。嗍 1 3 2 2 从提高运行电压的角度计算补偿容量 在供配电线路的终端，特别是在大功率负载、细导线的线路中，运行电压 偏低，安装无功补偿装置后，可以使得运行电压有所提高，这就产生了根据运 行电压的增量，确定补偿容量的问题。 在没有补偿前，电源电压可以表示为： u 1 ：，+ p r + q x ( 1 - 11)uu 1 1 2 2 + 补偿之后，电源电压保持不变的，负荷母线电压增加为u ：，则有： u 。= u ：+ 竺丝u 业 2 ( 2 ) 公式1 1 2 减公式1 11 ，则有： 厶u = u z u z = 百q c x ( 1 - 1 3 ) 经过简单变形后，则有： 敛= _ u z r a u ( 1 1 4 ) 式中：u ：补偿后母线的电压( k v ) ； a u 补偿后母线的电压的增量( k v ) ； q c 补偿的电容器容量( k v a r ) ； 9 武汉理工大学硕士学位论文 三相需要补偿的总容量为： 绞= 3 绞= 3 等妻= 华 m v jv j 公式1 1 4 是针对相电压及其增量的无功补偿容量的计算，而公式1 1 5 中电压 和电压的增量指的是三相的线电压及其增量。 1 3 2 3 从电容器接线方式上计算补偿容量 如果电容器的接线方式不同，则每相补偿的容量也不同。假设电网的额定 电压为【，当电容器角形连接时： c ：旦( 1 - 1 6 ) 巴2 茹 当电容器星形连接时： c ，：堡( 1 - 1 7 ) c o u 。 1 3 3 自动投切控制方式 无功补偿装置根据其选择控制的物理量不同，其所采取的自动投切控制方 式也多种多样。我国电力行业标准中，按控制物理量的不同，把无功补偿装置 的控制策略分为以下几类：功率因数、无功功率、电压、无功电流、时间和综 合型【2 6 l 。 ( 1 ) 功率因数控制方式：功率因数作为控制变量，是小型无功补偿装置普 遍采用的控制方式。设定电容器动作时功率因数的上、下限值，如果功率因数 低于下限值，则需要投入电容器；相反，如果功率因数超过上限值，则需要切 除电