（控制理论与控制工程专业论文）配电网无功补偿系统的关键技术研究.pdf

中南大学硕上论文无功补偿中关键问题的研究 内容摘要 本论文针对当前低压无功补偿中遇到的一些问题，通过理论上的分析，结合 先进的软硬件技术，详细介绍了解决思路和系统关键技术的实现以及补偿方案的 选取。其中针对无触点开关投切电容遇到的电流冲击问题设计了专门的主电路和 触发电路，并结合通断率控制来消除冲击电流；对无功补偿中可能遇到的电流谐 振问题，通过理论计算选取了在主电路中串入电感的方法来避免电流谐振的产 生；对由投切电容可能引入的电压高次谐波，加入了电压滤波环节，减少对电网 的污染；在三相不平衡情况比较严重的情况下，根据功率平衡器的原理进行无功 补偿，把功率因数补偿到任意指定值的同时还将三相不对称负荷补偿成对于供电 系统来说是三相对称的，具体实现是用神经网络对补偿后电网的质量参数进行预 测，并结合遗传算法对补偿的电抗值进行全局寻优，实现对电网对称化控制，结 果表明这一智能化的控制系统的性能是令人满意的，证明了该算法的有效性；对 于单个的补偿装置，采用最优控制理论，使功率因数达到最优的控制效果；在进 行多点协同的无功补偿时，先根据线路的特点计算寻求线路中的最优补偿点，在 此基础上通过多个单机的协同控制，采用了动态规划方法，使线路的损耗达到最 小值。在此研究基础上，对后继研究提出了相应的看法。 中南大学硕士论文 无功补偿中关键问题的研究 a b s t r a c t b y 也e o r ya n 出血ga n du s l m ga d v 如c e dh a i d w a r ea 丑ds o r w a 工et e d h n 0 1 0 9 y ， t h i sp a p e rd e t a i l e d l yi n t r o d l l c e ss o l u t i 衄w a y s ，t h er e 删o no fs ) r s t e m sk e y t e c l l n o l o g ya d 山ev hc o m p c n s a 士i o ns c h e m e i o r d e rt os 0 1 v et 1 1 ep r o b l 啪o f v 打 c o m p e n s a t i o ni i ll o wv o l t a g e t bs o l v et b ec u “e n ti i l l p l l l s ep r o b l e mw h e nt 1 1 e n o n - c o m a c t o rs 硼t c ho no rc u to f r t h ec a p a c i t a i l c e ，w ep a n i c u l a r l yd e s i g nt 1 1 em a i n c i r c 血a n d 也et r i g g e rc i r c u i ta i l du s e血eo p e n o 行m 廿oc o n 订0 1w a y st 0e l i m i n a t c i m p u l s ec u r r e m i no r d e rt os h u n 也ec u r r e n tr e s o n a n c e ，w el l s es e r i e si n d u c t a r i c e i nm a i nc i r c l l i tt oa v o i d 恤eh a r m o i l i cc u r r e n tb yt h e o r yc o m p u t a t i o n w ea d d v o l t a g eh a n n o i l i cf i l t e rt or e d l l c et l l eh a 皿w h i c hv o l 诅g eh 釉o n i cd ot op o w e r s y s t e m i i lt h es e v e r ep o w e rs y s 细nl l i 】b a l a n c es i t i l a t i o n ，w e1 l s et b ep o w e rb a i a i l c e i i d p l e m e t 埘n c i p l et od ov 缸c o m p e n s a t i o n ，w ec a i l 呦k e 也ep o w e rf h c t o rr e a c h g i v e nv a i l l ea n dm a k e 也et l l l e ep h a s el o a db e c o m eb a l a n c ei n 也es a m e 畦m e u s i l l g n e u r 址n e m o r kt op r e d i c tp o w e rs y s t e m si m p o r t a n tp a r a m e t e r s 嘶1 1 i c h 谢1 1b e c o m p e n s a t c da n dc o m b i i l i n g 谢t hg c n c t i ca l g o i i t l l m ，w eg e tt h eo p t i m i z a t i o n c o m p e n s a t i o nr e a c t a i l c ev a l u ea n dr e a l i z em ec o n 们lo fb a i a n c ec 伽1 p e n s a t i o nf o r p o w e rs y s t e m 1 1 1 er e s u l t ss h o w t 1 1 ee 旋c to ft h i si n t e l l i g e mc o n 订o ls y s t e mi s9 0 0 d w em a k et h ep o w e rf 如t o rg e to p t i m 啪c o n t r o le 任色c tb yu s i n g0 p t i n l 岫c o n 打o l t h e o r yt oas i l l 百ec o n t r 0 1a p p l i a n c e t bm u l t i - 印p l i a n c e ，f i r s tw eg e tt l l em o s t q 时m 啪v 缸c o m 渺a 6 0 nn o d e s 试b n e s ，t h ew e1 】s ed y n 卸d cp r o 铲舡n i n i n g a l g o 血h mt ot h ec o n 扛o lw a y so f l e a s te n 吣yc o n s u m eb yc o 叩啪血gt h e 印p l i 越c e b a s e do ns u c h 曲l d y ，w eg i v es o m e 西v e ss o m es u g g e s t sf o rt h e 如t u r cd e 、r e l o p m e n t i i 中南大学硕士论文配电同无功补偿系统的关键技术研究 1 1 课题来源 第一章课题来源和无功补偿的意义 “配电网智能型无功自动补偿、电能质量与负荷监视一体化系统”为国家8 6 3 高技术目 标产品资助项目：8 6 3 5 1 l 一8 2 0 _ 0 0 7 ，于一九九九年三月由国家科委立题，由中南大学研制 开发。 1 2 无功补偿的原理 在电力系统中，由于电感、电容元件的存在，不仅系统中存在着有功功率，而且存在无 功功率。虽然无功功率本身不消耗能量，它的能量只是在电源及负载间进行传输交换，但是 在这种能量交换的过程会引起电能的损耗，并使电网的视在功率增大，这将对系统产生以下 一系列负面影响： ( 1 ) 电网总电流增加，从而会使电力系统中的元件，如变压器、电器设各、导线等容 量增大，使用户内部的起动控制设备、量测仪表等规格、尺寸增大因而使初投资费用增大。 在传送同样的用功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增加，使线路及变压器 的电压损失增大。 ( 2 ) 电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，影响正常生产和生活用电； 反之，无功容量过剩，会造成电网的运行电压过高，电压波动率过大。 ( 3 ) 电网的功率因数低会造成大量电能损耗，当功率因数由0 8 下降到o 6 时，电能 损耗将近提高了一倍。 ( 4 ) 对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加， 电压降低，如过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升。为了保证转子绕组正常工作， 发电机就不允许达到预定的出力。此外，原动机的效率是按照有功功率衡量的，当发电机发 出的视在功率一定时，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。 目前，随着电力电子技术的迅速发展，工厂大量使用大功率开关器件组成的设备对大型、 冲击型负载供电，这使电能质量问题目益严重。如果，不进行无功补偿，在正常运行时，会 反复地使负载的无功功率在很大的范围内波动，这不仅使电气设备得不到充分的利用，网络 传输能力下降，损耗增加，甚至还会导致设备损坏、系统瘫痪。 1 2 1 电力网的功率因数 电力网除了要负担用电负荷的有功功率p 无功功率q 和视在功率5 之间存在下述关系： s = p 2 + q 2 而 詈 还要负担负荷的无功功率9 。有功功率，、 ( 1 2 ) 中南大学硕士论文配电网无功补偿系统的关键技术研究 被定义为电力网的功率因数，其物理意义是线路的视在功率s 供给有功功率的消耗所占百分 数。在电力网的运行中，我们所希望的是功率因数越大越好，如能做到这一点，则电路中的 视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。 1 2 2 补偿无功功率的电路和向量图” a ) 电路 b ) 向量图( 欠补偿) c ) 向量图( 过补偿) 图卜l 补偿无功功率的电路和向量图 卜 在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例：异步电动机、变压器、萤光灯等 都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率 中占有很高的比重。电力系统的电抗器和架空线等也要消耗一些无功功率；同时，各种谐波 源也要消耗一定的无功功率。阻感负载可看作电阻r 与电感l 串联的电路，其功率因数为 c o 呻2 志、n1 - ( 1 3 ) 2 中南大学硕上论文配电网无功补偿系统的关键技术研究 式中x ，= 础 给r 、l 电路并联接入c 之后，电路如图1 1 a 所示。该电路的电流方程为 ，= ，一+ ，。， ( 1 4 ) 由图1 1 b 的相量图可知，并联电容后电压u 与j 的相位变小了，即供电回路的功率因 数提高了。此时供电电流j 的相位滞后于电压u ，这种情况称为欠补偿。 若电容c 的容量过大，使供电电流，的相位超前于电压u ，这种情况称为过补偿，其相 量图如图1 1 c 所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这会引起变压器二次电压的升高， 而且容性无功功率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，影响电容器的寿命。 1 3 提高功率因数的意义 1 3 1 提高功率因数可以减少电压损失 电力网的电压损失可以表示为 u ：丝堡 u 可看出，影响u 的因数四个：线路的有功功率p 、 果采用容抗为的电容来补偿。则电压损失为： u ：! 墨望! 兰二兰! ! u ( 1 _ 6 ) 无功功率q 、电阻r 和电抗z 。如 故采用补偿电容提高功率因数后，电压损失u 减小，改善了电压质量。 1 3 2 减少线路损失 ( 1 7 ) 当线路通过电流时，其有功损耗为： p = 3 ，2 r 1 0 。( 胁) ( 1 8 ) 或 批，孟戋枷_ 3 ( m ” 可见，线路有功损耗尸与c o s 2 引或反比，c o s 西越高，p 越小。对全网线路有功损耗的 降低值，应按线路节点间电阻以及所通过的无功负荷分段求出，再将各段的值相加。 1 3 3 提高电力网的传输能力 视在功率与有功功率成下述关系 中南大学硕士论文配电网无功补偿系统的关键技术研究 p = s c o s 西( 1 1 0 ) 可见，在传送一定有功功率p 的条件下，c o s 垂越高，所需视在功率越小。 1 3 4降低变压器的损耗 投入电容补偿后流过变压器绕组中的电流减少 变压器减少的有功功率为： 蝇：q 三掌心1 0 一， u 见：补偿电容量； q ： 变压器无功负荷； ：变压器等效电阻。 铜损减少的有功功率为： 屿叱( 一器) 2 卢：变压器的负载率： c o s 咖、c o s 咖z ：补偿前、后的功率因数 p r ：变压器的额定铜损。 1 3 5 增加变压器的输出功率 故绕组的有功损耗也相应减少。单台 ( 1 1 2 ) 由于补偿后无功负荷的减少，负载降低，相应地增加了变压器的富裕容量，提高了输出 能力。 设补偿后的功率因数为c o s 凼，补偿后新增负荷的功率因数为c o s 驴o ，则有四种情况： 1 当c o s 庐n c o s 庐2 时 s = s ；c o s 2 ( 如一九) + s ? 一s ；一s ：c o s ( 欢一九) 4 当c o s 庐庐l 时，令式( 卜1 3 ) 中曲f 0 ，得 s = s ；c o s 2 欢+ s ? 一岛一s 2c o s 办 s ，、岛：补偿前、后的视在功率； s ：补偿后增加的视在功率。 ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 1 一1 6 ) 4 中南人学硕士论文配电网无功补偿系统的关键技术研究 第二章我国电网无功的现状和国内外研究现状 电力系统是一个典型的非线性大系统，随着社会的进步，经济的发展，社会对电力的需 求不断增加，使现代电力系统发展迅速，系统日趋复杂。大机组、重负荷、超高压远距离输 电，大型互联网络的发展，以及对电力系统安全性、经济性及电能质量的高要求，使柔性输 电系统( f a c t s ) 技术成为目前电力系统的一个重要的研究领域。 传统的无功补偿设备可满足一定范围内的无功补偿要求，但存在响应的速度慢，故障维 护困难等缺点。静止无功补偿器( s v c ) 近年来获得了很大发展，已被广泛用于输电系统波 阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。其典型代表是固定电容器+ 晶闸管控制电抗器( t c r ) 。晶闸管投切电容器也获得了广泛的应用”1 。 除了在控制器件方面的改进，随着人工智能技术的不断发展，在控制方法上也有很大的 进步。采用模糊神经网络、自适应控制等智能型控制方法，研制能同时对电压、无功功率、 三相不平衡、谐波等进行综合调节和补偿控制的装置已经成为大家的共识。 目前，在城市配电网公用变压器低压侧，由于用户家用电器感性负载的不断增加，使得 其功率因数较低，导致公用变压器低压侧线路损耗大，供电电压指标不能满足用户要求。因 此，在公用变压器低压侧进行无功功率补偿己成为目前研究的另一个热门。 国外，城市、农村电网是否安装户外无功补偿己成为衡量配电网性能的主要指标之一。 在日本，配电网系统户外补偿电容器的自动投切率己达8 6 4 ；在美国，许多城市道路旁的 电线杆上装有并联电容器组，并采用自动装置控制”“”1 。 国内，无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式。户外型无功自动补 偿系统的研究正在起步，已有一些科研单位和公司推出了相应产品。 早期生产的低压网无功补偿控制器多选用分立的电子元件：8 0 年代起发展为采用c m 0 s 集成电路；近年来发展的新产品是以微处理器为核心的电脑型智能化产品，并根据用户需要 开发出了批多功能的新产品，可以获得优良的调节性能和某些独特的环节，使控制器更趋 于完善。控制器电路设计和生产过程的完善化，对电子元件的老化试验和筛选，提高了控制 器整体的工作可靠性和使用寿命，产品质量的档次得到提高。 目前主要存在问题是控制规律简单、抗干扰能力差，不能很好的解决无触点开关投切电 容的问题，在三相不平衡条件下不能有效的进行无功补偿。同时由于户外工作环境相对恶劣， 装置的可靠性和控制精度难以满足现场运行的要求。此外还不具备通讯功能j 不能实现全电 网的无功优化，不能对电能质量进行在线监视以满足现代化电力系统建设的需要。 在公用变低压侧进行无功功率补偿，现在对并联电容器的分组方式得到了共识。过去生 产按等容量分组的控制器，后生产按1 ；2 ：4 或1 ：2 ：4 ：8 不等容量分组的控制器，调控 补偿设备的容量分组分别为7 级和1 5 级。主要发展带逻辑电路“先投先切，后投后切”的 等容量分组方式的控制器，以使各组并联电容器投入运行的时间大致均等，并可减少增减补 偿容量过程中电容器的投切次数，但仍旧没有解决无级投切的问题。 随着高电压、大功率半导体器件的不断更新和发展，功率交换控制技术的日臻完善，极 大地推动了电力电子技术在电力工业中的广泛应用，对增强电力系统运行的稳定性和安全 5 中南大学硕_ 上论文 配电网无功补偿系统的关键技术研究 性，提高输电能力和用电效率，以及在节能和改善电能质量等各方面都起着越来越重要的作 用。专家们认为在2 1 世纪，会有更多更新的高电压大功率半导体器件和装置投入电力工业 的实际运行中，使目前基本不可控的系统变为灵活可控( 称为柔性交流输电系统 f a c t s ) 。 6 中南大学硕士论文配电网无功补偿系统的关键技术研究 第三章目前国内主要补偿方案的简介及存在的问题 国内无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式。从补偿方法上看，主 要有固定、手动、自动三种。1 。 3 1固定补偿方案 固定补偿主要综合整个电网的各项年平均参数，根据无功的分布情况选取若干个补偿 点，每个点投入若干单位的电容量，使得全年节能效益与经济投入之比达到最佳。这种方法 的优点是能综合考虑整个电网的运行特点，既取得了最佳经济效益又兼顾了全网无功潮流的 平衡；缺点是补偿容量不能跟随电网的实时运行状况，其最佳值是年平均意义上的，电压波 动问题依然存在，当电网负荷发生变化时，这种方法就无能为力了。 3 2手动补偿方案 手动补偿通过若干电容器组的组合，达到改变补偿容量的作用，适用于时间上呈一定规 律变化的负荷，缺点是分组过于粗糙，设备体积庞大，需专人守护，并且只针对采样点参数 进行计算，不能达到最佳补偿效果。 3 3自动补偿方案 自动补偿是微电子技术在电力系统的应用。控制器根据传感器的数据，计算出当前电网 所需的无功补偿量并控制电容器组的投切，达到实时补偿的目的”1 。 进几年，由于电脑技术的应用，功率因数自动补偿系统的发展进入了一个新阶段。 虽然各种微电脑功率因数自动控制器硬件、软件设计不同，但其原理基本如图2 一l 所示： 图2 1 微电脑功率因数自动控制器方框图 检测单元通过电压、电流互感器采得电压和电流信号，并利用运放电路、门电路得到反 映相位差的方波信号，传给控制单元。 微处理器接收到检测信号，经过逻辑运算得到实时c o s 咖，分别送到显示和比较单元。在 比较单元中与设定值进行比较，确定是否发出投切命令。同时控制单元还具有过压、过流、 欠补及振荡报警和保护功能。 7 中南大学硕t 论文配屯网无功补偿系统的关键技术研究 执行单元接到命令后，通过投切装置完成电容器组的投切。 微计算机技术的应用进一步加强了控制单元的功能，集成化程度大大提高了，自诊能力、 扩充能力都得到了加强。 3 4现有无功自动补偿器存在的问题 从外部特性和各项指标及用户反映的情况来看，现有无功自动补偿器主要存在以下问题： i 没有解决无触点安全投切电容和无级调节投入电容容量的问题“。 现有的采用无触点控制的无功补偿装置在电容的无级投切这一点上做的不很理想，大多 采用控制触发角来控制投切电容量的多少。这样做会造成较大的冲击电流和引入高次谐波， 使晶闸管的寿命变短，因而无触点控制的优势无法充分的体现出来。 2 不能提供动态无功补偿的三相均荷控制 无功补偿装置通常按三相平衡设计，但是电网中的许多冲击负荷往往具有三相不平衡性 质，如冶金电弧炉、大型熔焊机、电气化铁路的电力机车等均为具有随机特征的三相不平衡 负荷，民用照明负荷也有显著的不平衡特征。显然，不论是瞬间的电压闪变还是持续的中点 电位偏移，都不仅会干扰相关系统的正常工作而且可能危及人身与设备安全，这就要求相应 的动态无功补偿装置在快速补偿无功的同时，还具有均荷能力，可以实时地将三相不平衡负 荷自动均衡为三相平衡负荷。 3 易导致谐波放大”。 在低压配电系统中，采用微机控制晶闸管投切电容器组，实现基波无功的分相、分级和 跟踪补偿。当配电系统非线性用电负荷比重较大时，并联电容器组的投入，一方面由于电容 器组的谐波阻抗小，注入电容器组的谐波电流大，使电容器过负荷，严重影响其使用寿命； 另一方面，当电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感抗相等而发生谐振时，引起电容器谐波 电流严重放大，其结果是电容器因过热而损坏，系统电压严重畸变，影响其他用电设各的安 全运行。 4 现有的装置容易产生高次的谐波“ 传统上曾以交流接触器作为电力电容器投切控制执行元件，现已被晶闸管所取代通过对 晶闸管触发控制角的控制，可以实现对补偿电容投切容量的动态连续调整，这就是所谓的静止 无功功率补偿装置( s v c ) 。f c + t c r ( 固定电容器+ 晶闸管控制电抗器) 和t s c ( 晶闸管开关电容 器) 是s v c 的两种典型结构。但是用触发控制角的控制容易产生高次谐波。 5 抗干扰能力差，故障率高 因为控制器的工作环境存在大电流、较强磁场等，对弱电设计部分的抗干扰能力要求很 高。户外工作的环境更加恶劣，因此目前大多数控制器均只能在户内工作，并且故障率高， 大大限制了补偿器的使用范围l 。 6 不能达到全局最优 目前的自动补偿方式均针对采样点数据进行计算，因为控制器之间缺乏信息交流，采用 的算法落后，控制器不能综合全网运行情况使无功潮流的分布趋于最合理，经济效益达到最 佳，同时也不能实现对电阿的遥测，不适于现代化电网的发展趋势。 8 中南大学硕上论文配电网无功补偿系统的关键技术研究 第四章本项目的设计要求、关键技术的解决思路、 总体方案和研究内容 4 1 设计要求 针对目前自动补偿装置所存在的缺点，同时为配合全国电网改造，适应现代化电力系统 的发展需要，系统要求达到： 1 高智能化，采用无触点开关，能动态跟踪无功负荷的变化无级投切电容； 2 能防j 卜电流谐波的放大并有相应的抑制措施 3 能消除装置本身造成的电压谐波对电网的污染 4 能实现单节点的最优无功补偿 5 在电网三相不平衡时，能对三相负荷进行均何控制 6 能实现采样点就地补偿和控制器联网补偿，即位于不同采样点的控制器之间通过数 据交换，能综合全电网的运行情况判断最佳投切电容量。 7 实现电容器组循环投切，使电容器、电力电子电路使用概率相等，延长使用寿命： 8 自动判别并消除振荡投切现象； 9 具有过压、过流、过热、缺相等保护功能； 1 0 高可靠性，满足户外恶劣环境的_ l 二作需要： 4 2 关键技术的解决思路 现有的装置存在的问题是没有很好解决无触点开关投切电容和在三相不平衡情况下如 何进行无功补偿的问题。在实际中，以往的控制策略没有考虑s v c 挂网运行时对电网造成 的其他影响，尤其是造成某些谐波的放大以及加剧电网不平衡度的问题。谐波污染是可能导 致系统故障的关键问题，这些问题也应该加以解决。 4 2 1 无触点投切电容和无级调节投入容量的实现 现有的采用无触点控制的无功补偿装置在电容的无级投切这一点大多采用控制触发角 来控制投切电容量的多少。这样做会造成较大的冲击电流和引入高次谐波。同时使晶闸管的 寿命变短，因而无触点开关控制的优势无法充分的体现出来。针对以上问题，采用晶闸管和 二极管反并联的形式，结合在电流过零时投切电容的方法，减少了冲击电流；运用通断率控 制，可无级调节投入电网的电容容量，避免产生因采用触发角控制产生的电压高次谐波。 4 2 2 电流谐波放大的原因及其抑制措施 采用微机控制晶闸管投切电抗，实现基波无功的分相和跟踪补偿。当配电系统非线性用 9 中南丈学碗i 论文配电网无功补偿系统的关键技术研究 电负荷比重较大时，容性电抗组的投入，一方面由于容性电抗的谐波阻抗小，注入容性电抗 组的谐波电流大，使容性电抗过负荷，严重影响其使用寿命：另一方面，当电抗组的谐波容 抗与系统等效谐波感抗相等而发生谐振时，引起容性电抗组中谐波电流严重放大，其结果是 电容器因过热而损坏，系统电压严重畸变，影响其他用电设备的安全运行。因此，在非线性 低压用电负荷比重较大的配电系统中，应采取抗电流谐波措施，以确保并补电容器组的安全 运行。解决方法是在并联的容性电抗组串入感性电抗，抑制电流谐波的产生。 4 2 3 电压谐波产生的原因和解决思路 采用电力电子器件对电抗进行投切，一般采用触发角控制，使完整的正弦波形被斩断， 电压波形发生了畸变，产生了高次谐波。软件上可采用通断率进行控制，保持完整的波形， 减少电压波形的畸变，同时应该加入无源滤波环节，将有害的高次谐波滤除，减少对电网的 污染。 4 2 4 单机智能算法的实现及单节点最优补偿的实现 现有的无功补偿补偿装置，多是微处理器根据接收到检测信号，经过逻辑运算得到实时 c o s 垂，分别送到显示和比较单元。在比较单元中与设定值进行比较，确定是否发出投切命 令。控制手段和判别依据比较单一，不能根据现场的实时情况有效的达到过压、过流、欠补 及振荡报警和保护功能，更不能做到单节点的动态最优无功补偿。针对现场负荷较小，变化 规则，三相平衡比较好的节点，采用单片机为核心的控制器，运用线形规划的最优控制算法 控制投切电容器的容量；对负荷大，变化剧烈，三相不平衡度大的节点，采用公控机作为控 制器，运用神经网络和遗传算法等智能算法，确定投切电容器的容量，达到理想的效果。 4 2 5 三相不平衡现象产生的原因和解决思路 三相供电系统要求所接入的负荷应三相对称。但在一些供电线路中负荷具有明显的不对 称性。负荷的三相不对称将使供电系统中出现对交流电动机的运行十分不利的负序分量，它 增大了交流电动机的功率损耗并加剧了其运行时的振动和噪音。可以根据功率平衡器的原理 进行无功补偿，把功率因数补偿到任意指定值的同时还将三相不对称负荷补偿成对于供电系 统来说是三相对称的。 4 2 6 实现全局最优的解决思路 一 全局最优要求每个控制器都充分了解整个电网实时运行的信息，即每个控制器不是孤立 的，而能进行信息交流。实际中，在电网每处节点都设置自动补偿控制器是不现实的，在 经济上也是不可行的。因此需要进行以下三个方面的研究： 1 采用非线性规划方法，选出经济上和补偿效果上均达到最优的若干个控制节点，这些 节点的信息应能充分反映电网的运行情况； 2 寻求最优算法，使得当控制器工作在就地补偿方式时能达到补偿点局部最优，工作在 联网方式时，补偿效果能达到全局最优。考虑到实时性，算法必须简单，联网方式下还必须 独立、一致，计算量不随节点的数量增加而有明显变化： 1 0 中南大学顿士论文 配电阿无功补偿系统的关键技术研究 3 采用无线通讯方式进行数据传输。 4 2 7 高精度和高可靠性的保障 从便件、软件两方面着手。在底层系统硬件的设计上，以工业级1 6 位微处理器为核心， 利用计算机辅助技术对硬件电路进行进一步的优化；考虑到元件的老化和“温漂”等问题， 系统尽量不使用放大器等对环境变化敏感的元器件。在软件设计上，提出了交流电流过零投 切电容器的控制算法、非线性校正算法、电容器循环投切控制算法、无功补偿最优控制算法 等，以提高系统的控制精度和可靠性。为确保在强干扰条件和恶劣环境下能长期稳定工作， 所有调试参数和设定值均由软件设定，同时，软件应充分考虑元件参数的漂移问题。采用双 “看门狗”结构，确保不死机。上位机采用可靠性性高，运行速度快的工控机，稳定性好的 w i n d o w sn t 作为操作系统，对多个下位机进行有效的协调。 4 3 研究内容和总体方案设计 根据课题要求，主要进行了以f5 个方面的研究工作。 4 3 1 对无功自动补偿现状的调查和现场实测 首先，对湖南省电网的功率因数情况进行了全面的调查，并在长沙地区随机抽样了2 0 台城市配电网公用变压器进行电流、电压、负荷和功率因数跟踪实测，分析相关数据。同时， 大量检索相关图书资料，了解国内外对户外无功补偿装置的研究动态及各种背景资料，找出 不足所在，获取了详细的第一手数据及资料。 4 3 2 设计总体方案 根据调查情况，针对现在各种无功自动补偿装置的不足，采用两级控制：上位机采用工 控机，能根据下位机送来的信息对多个单机系统进行协同工作，使系统在经济上和补偿效果 上均达到最优。在单机的设计上，功能主要强调能对电抗补偿量进行无级调节，对三相负荷 进行均何控制，能有效的抑制电压和电流谐波的产生：性能上强调高可靠性的工业级智能微 机控制系统的研究。在硬件和软件设计上，强调系统的可靠性、抗干扰能力及检测和控制精 度。单机系统的模块结构如图4 1 所示。 中南丈学硕士论文 配电网无功补偿系统的关键技术研究 数据处理模块以丁业级1 6 位微处理器为核心。检测模块、数据处理模块和输出模块的 所有芯片、变送器和元器件都焊接在一块电路板上，有效地保证了系统的整体可靠性。利用 电路c a d 技术对整个硬件电路设计进行局部优化和整体优化，使电路布局和走线达到最理 想效果：为防止高频干扰，确保数据传输的可靠性，通讯模块单独屏蔽，作为独立件通过数 据接口接插使用。在软件设计上，提出数字整定电位器新方法，不但简化系统硬件，而且参 数整定直观，调试方便；采用三段补偿法对变送器的非线性进行软件补偿，提高了测量精度。 执行机构使用补偿电容器专用高频固态开关。 两级控制系统示意图如图4 2 所示，单机通过通讯接口将所在的电网的信息传送到上位 机中，由上位机对信息进行综合分析后对各个单机系统进行协调处理，使整个系统达至4 最优 的控制效果。 图4 2 多机协同控制原理图 4 3 3 无功自动补偿系统f 位机控制器的研制 研制了采用1 6 位工业级微处理器8 0 c 1 9 6 k c 为核心的单机智能控制器。其主要功能包括： 1 采用通断率控制的方式达到无级调节投切电抗的效果； 2 能根据电网三相不平衡的情况对三相负荷进行均荷控制； 3 在主电路中加入了电压谐波的滤除环节和电流谐波的抑制环节，减少对电网的污染和 提高系统本身的稳定性； 1 2 中南大学硕 论文酉己电网无功补偿系统的关键技术研究 4 内部设置补偿电抗安全工作区自动检测功能。当工作在非安全区时，自动切除电抗： 进入安全区时，装置恢复投切功能，确保电抗的安全运行： 5 低负荷闭锁电抗投入功能； 6 电抗组采用循环工作方式投入和切除，以保持电抗相同的平均使用率和延长寿命； 7 各种定值( c o s 庐、电压限值、投切时间等) 数字化整定，操作方便，绝无漂移： 8 数字显示线电压、线电流、相电压、相电流、功率因数、有功功率、无功功率、电容 器投切状态、电网频率以及工作温度等； 9 控制器具有手动、自动调节功能。手动调节切换到自动调节、自动调节切换到手动调 节都具有无扰动自动跟踪功能； 1 0 控制器自检和双“w a t c h i n gd 0 9 ”设计，确保控制器不死机，可靠性极高： 1 1 ，设置环境温度检测装置，当温度达到保护动作值时，微机控制切除所有电抗。当温 度低丁二保护动作值时，电抗再投入运行，以延长和保护电抗的使用寿命； 1 2 能识别并自动转换取样电流极性，使安装、调试方便； 1 3 控制器采用晟优控制算法，单机投入和切除电抗能随负载变化达到最佳的控制效果。 1 4 设置有数据通信接口，采用即插即用的方式，可方便地满足不同通信方式的要求， 为电力系统调度提供有效的数据； 4 3 4 无功自动补偿系统上位机控制器的研制 上位机采用p 6 0 0 的工控机，操作系统选用w i n d o w s n t ，在此平台上用d e l p h i 60 开发 了控制系统协同工作的软件。( 加入一些功能) 能综合全网运行情况，采用动态规划方法， 使无功潮流分布最为合理，电能质量和经济效益达到最佳。 4 3 5 数据通讯模块的研制 数据通讯模块是专门针对数字信号通讯而设计的独立模块。适应多种通讯协议。为确保 数据的安全可靠，采用无线通讯专用大规模集成芯片组为核心，具有工作稳定、抗干扰能力 强、无温漂等特点，同时解决了大功率发射管散热问题、屏蔽技术和波形整型技术，使其适 合于户外长期工作，并运用了多种抗干扰和纠错的软、硬件技术，能方便地与各种c p u 直 接接口。 4 3 6 实验室调试 装置研制成功后，进行了实验室性能仿真调试，主要包括功能测试、精度测试、通讯测 试等。此外，还模拟现场运行环境进行了可靠性实验，包括抗干扰实验、高温实验和低温实 验等。测试结果表明，系统各项性能均优于国家专业标准g b 厂r 1 5 5 7 6 _ 1 9 9 5 规定，达到了现 场运行要求。既使在高温、低温、干扰等恶劣环境中，工作状况依然正常，电容器投切动作 可靠，检测精度可达1 级，数据传输稳定可靠，能有效抵抗现场各种干扰。 中南大学硕士论义配电网无功补偿系统的关键技术研究 第五章无功补偿关键技术及其系统的实现 5 1 无触点投切电容时问的选取和无级调节投入电容容量的实现 5 。1 1 概述 过去的无功补偿装置，多采用单片机控制，通过机械断路器来实现电容器的分组投切。 缺点是机械触点的使用寿命有限，易损坏，而且电容的投切级数是有限的。现在的无功补偿 装置主回路采用晶闸管来控制，与机械断路器相比，晶闸管的操作寿命几乎是无限的，而且 晶闸管的投切时刻可以精确控制，以减少投切的冲击电流和操作困难。 但现有的采用无触点控制的无功补偿装置在电容的无级投切这一点上做的不很理想，大 多采用控制触发角来控制投切电容量的多少。这样做会造成较大的冲击电流和引入高次谐 波，使晶闸管的寿命变短，因而无触点控制的优势无法充分的体现出来。 为克服上述弱点，专门设计了主回路，并采用专用的过零触发芯片设计了对应的触发回 路，消除了无触点开关投切电容时产生的冲击电流。同时，受电阻炉温度控制系统的启发， 采用通断率控制来控制电容器的投切，这样既达到了无级调节的目的又减少了谐波对电网的 污染。 5 1 2 基本原理“2 3 、“4 1 t s c ( 晶闸管投切电容器) 的基本原理如图5 1 a 所示。两个反并联晶闸管只是起将电容器 并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的 冲击电流的，在很多情况下，这个电感往往不画出来。因此，当电容器投入时，t s c 的电压 电流特性就是该电容的伏安特性，即如图中o a 所示。，可根据电网的无功需求投切这 些电容器，t s c 实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器，其电压电 流特性按照电容器组数的不同可以是图中0 a 、0 b 或0 c 。当t s c 用于三相电路时，可以是 联结，也可以是y 连接。 u 。j a 1 单相结构图 ab c 。 。u n 图5 一lt s c 的基本原理 5 1 3 投入时刻的选取 选取投入时刻总的原则是，t s c 投入电容的时刻，也就是晶闸管开通的时刻，必须是电 源电压与电容器预先充电电压相等的时刻。因为根据电容器的特性，当加在电容上的电压有 1 4 中南大学硕士论文 配电网无功补偿系统的关键技术研究 阶跃变化时( 若电容器投入的时刻电源电压与电容器充电电压不相等就会发生这样的情况) 将产生一冲击电流，很可能破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利影响。 u v 斗 n ， 、门 vvvvvvv 。 l l c vvv e 一 。八卜。 ”入 、 vv v 2 “b 图5 2t s c 理想投切时刻原理说明图 一般来讲，希望电容器预先充电电压为电源电压的峰值，而且将晶闸管的触发相位也固 定在电源电压的峰值点。因为根据电容器的特性方程。 f ：c 堕 。 廊 ( 5 1 ) 如果在导通前电容器充电电压也等于电源电压峰值，则在电源峰值点投入电容时，由于 在这一点电源电压的变化率( 时间导数) 为零，因此，电流i c 即为零，随后电源电压( 也 即电容电压) 的变化率才会按照正弦规律上升，电流i c 即按正弦规律上升。这样，整个投 入过程不但不会产生冲击电流，而且电流也没有阶跃变化。这就是所谓的理想投入时刻。图 5 2 以简单的电路原理图和投切时的波形对此作了说明。 如图5 - 2 所示，设电源电压为e ；，在本次导通开始之前，电容器的端电压u c 已通过上 次导通时段最后导通的晶闸管v 】充电至电源电压e s 的峰值，且极性为正。本次导通开始时 刻取e s 为和u c 相等的时刻t l 给v 2 以触发脉冲而使之开通，电容电流j c 开始流通。以后 每半个周波发出脉冲轮流给v 1 和v 2 。直到需要切除这条电容支路，如在t 2 时刻，停止发脉 中南夫学硕士论文 配电刚无功补偿系统的关键技术研究 冲，i c 为零，则v 2 关断，v 1 冈未获触发而不导通，电容器电压保持为v 2 导通结束时的电源 电压负峰值，为下次投入电容器做了准备。 5 1 4 方案的改进 采用晶闸管和二极管反并联的方式代替两个反并联的晶闸管，可以使导通前电容充电电 压维持在电源电压的峰值。如图所示，旦电容电压比电源电压峰值有所降低，二极管都会 将其充电至峰值电压，因此不会发生两晶闸管反并联的方式中电容器充电电压下降的现象。 但是，由于二极管是不可控的，当要切除此电容支路时，最大的时间滞后为一个周波，因此 其响应速度比两晶闸管反并联的方式稍慢，但成本上要低，而且考虑到实际需要，此种方式 足以满足补偿的快速性的要求。 主电路如下图5 3 所示： u v 斗 图5 3 主电路 v 为晶闸管，v d 为反并联的二极管，c 为补偿电容，r 为与c 并联的大阻值的泻荷电 阻。可以保证当晶闸管没有工作时，电容两端的电压能动态的跟随电网的最高电压变化而变 化，减少晶闸管导通电容投入时所产生的冲击电流。 e s 、八 v 一 u c vvv t 一 u v 厂卜一 v d 入厂、 v t 2功 图5 4波形圈 1 6 中南大学颀士论文 配电网无功补偿系统的关键技术研究 图5 _ 4 是晶闸管导通前后电源电压、电容两端电压、晶闸管两端电压和电路电流的波形 图。( t ，到t 4 为导通时间段) 5 1 5 触发电路 选用m o c 3 0 6 1 光电双向可控硅驱动器，它是美国摩托罗拉公司最近推出的光电新器件。 该系列器件的特点是大大加强了静态d v d t 能力，保证了电感负载稳定的开关性能。由于输入 与输出采用光电隔离，绝缘电压可达7 5 0 0 v 。 由于采用了光电隔离，并且能用t t l 电平驱动，它很容易与微处理器接口，进行各种自 动控制设备的实时控制。 m o c 3 0 6 1 采用双列直插6 引脚封装形式，如图5 5 所示“。 莲援 负覆 图5 5m o c 3 0 6 l 示意图 器件由输入、输出两部分组成。l 、2 脚为输入端，输入级是一个砷化镓红外发光二极管 ( l e d ) ，该二极管在5 1 5 m a 正向电流作用下，发出足够的红外光触发输出部分。3 、5 脚 为空脚，4 、6 脚为输出端，输出级为具有过零检测的光控双向可控硅。当红外发光二极管 发射红外光时，光控双向可控硅触发导通。一般采用6 脚接相线，4 脚接零线的方式，这样 可以保证电压过零时发出触发脉冲。 在实际应用中，采用图5 6 接法： 1 1 蜢o c 如6 l 4 c = = j c 口n h d l r l 一“ _ l 】l _ 7 i t ju 图5 6 触发电路图 图5 7 是相电压v a 和m o c 3 0 6 l 的6 脚和四脚之间的电压u v 以及触发脉冲v f 波形图 ( l 到t 4 为导通时间段) ： 1 7 中南大学硕论文 配电嘲无功补偿系统的关键技术研究 v 入、门 vvvvvv v 。一 “i 八门入卜一 一 t v f 11 t 图5 7 触发波形图 由图5 7 可知，由m o c 3 0 6 1 根据电压u v 的过零点来投切电容，此时电源电压为峰值， 电容的电压与电源电压的差值为零，而且此时电路中的电流为零，故晶闸管导通电容投入时 所产生舸冲击电流很小。 5 1 6 采用通断率控制实现无功无级补偿 借鉴大功率电弧炉温度控制系统的经验，采用通断率控制来实现无级补偿，即改变固定 周期内可控硅交流开关的通断时间比例，调节输出到电网的无功电功率。在实际中，通断周 期设为o 6 秒，因为一个】二频周期为2 0 m s ，故最小的调节容量为最小电容器的1 3 0 ，基本 可以看作是无级调节。在实际实验中效果良好。 5 2 无功补偿装置电流谐波放大及其抑制措施 5 2 1 概述 在低压配电系统中，采用微机控制晶闸管投切电容器组，实现基波无功的跟踪补偿。当 配电系统非线性用电负荷比重较大时，并联电容器组的投入，一方面由于电容器组的谐波阻 抗小，注入电容器组的谐波电流大，使电容器过负荷，严重影响其使用寿命：另一方面，当 电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感抗相等而发生谐振时，引起电容器谐波电流严重放 大，其结果是电容器因过热而损坏，系统电压严重畸变，影响其他用电设备的安全运行。因 此，应采取抗谐波措施，以确保并补电容器组的安全运行。 5 2 2 谐波电流的放大 5 2 2 1 电容器和主系统的谐波电流“ 由于电力系统中的谐波源主要是电流源，电流源的内阻抗很大，当外阻抗发生变化时其 电流基本不变。谐波电流源的负荷是整个供电系统，它包括主系统和所有用户的电力设备。 电容器引起的谐波电流放大的基本原理可用图5 8 和5 田说明。 1 8 中南大学硕士论文 配电网无功补偿系统的关键技术研究 设谐波源h 次谐波电流为， ，进入主系统的电流为k ，进入电容器的