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摘要 新型复合开关及动态无功补偿系统的研究 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。由于 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，因此大 量的无功功率在电网中传输必然使电能利用率大大降低且严重影响 供电质量。在电网中的适当位置装设无功补偿装置成为满足电网无功 需求的必要手段。 本文针对电磁开关和电力电子开关投切电容器的无功补偿装置 应用中存在的问题，开发、研制了一种基于复合开关投切电容器的无 功补偿装置。本装置采用过零投切的复合开关模块投切电容器，其内 部集成的单片机、过零检测及触发电路能根据需要确保晶闸管在电压 过零时导通，稍后继电器短接；外部控制信号消失后，继电器断开， 稍后晶闸管关断，避免了投切时产生的大冲击电流，从而在硬件电路 上实现电容器组的无过渡过程的快速投切，且硬件设计简单可靠。 另外，本文详细分析了补偿装置及复合开关控制器的软硬件结 构。控制系统采用性价比高的a t m e g a 8 单片机作为主控制系统主体。 试验和现场运行情况表明：该装置能够实现无功功率的快速、准确补 偿且成本较低，在低压网中具有较好的实用价值及广阔的应用前景。 关键词：无功补偿复合开关单片机 a b s t r a c t s t u d i e so nt h en e wc o m p l e xs w i t c h a n dd y n a m l cr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t l o ns y s t e m a b s t r a c t d u et oi n c r e a s i n gl o a d so fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，d e m a n do nr e a c t i v ep o w e r w a sa l s oi n c r e a s i n g b e c a u s et r a n s m i s s i o no fr e a c t i v ep o w e ri ne l e c t r i cn e t w o r kc a i l l e a dt on e t w o r kl o s sa n ds t e p - d o w nv o l t a g e ，t r a n s m i s s i o no fag r e a td e a lo f r e a c t i v ep o w e rn e c e s s a r i l yr e s u l t e di nr e d u c t i o no f u s i n ge f f i c i e n c yo f p o w e re n e r g y a n ds e v e r e l ye f f e c t e dv o l t a g eq u a l i t y i tb e c a m en e c e s s a r ym e a n st h a tr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e sw e r ei n s t a l l e di np r o p e rp o s i t i o no fe l e c t r i cn e t w o r k a i m i n ga tt h ed i s a d v a n t a g e si nt h ea p p l i c 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 d e v i c ew i t l le l e c t r o m a g n e t i co rp o w e re l e c t r o n i cs w i t c h e sf o rp u l l i n gi no ro u tt h e c a p a c i t o r ，ar e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c eb a s e do nt h ec o m p l e xs w i t c h ，w h i c h c a nr e a l i z eg r a d i n ga n df a s tc o m p e n s a t i o nf o re a c hp h a s eu s i n gb o t hc o l l e c t i v e c o m p e n s a t i o na n ds e p a r a t ec o m p e n s a t i o n ，i sd e v e l o p e d t os w i t c hc a p a c i t o r i n t e r i o r s i n g l e c h i pa n dz e r o - c r o s sd e t e c t i o n & t r i g g e r i n gc i r c u i to fi ti n s u r et h a tt h y r i s t o ri s t r i g g e r e di nt h ez e r o - v o l t a g ec o n d f f i o n ，t h e nr e l a yi ss h o r t e d ，r e l a yi ss w i t c h e do f f w h e no u t e rc o n t r o ls i g n a li sd i s a p p e a r e d ，a n da f t e raw h i l es od o e st t i y r i s t o ri nt h e z e r o - c u r r e n t ，t h u sg r e a t l yr e d u c e ds u r g ec u r r e n t t h i ss o r to fs w i t c hc i r c u i ta c h i e v e d s w i t c h i n go f c a p a c i t o r sw i t h o u tt r a n s i t i o nc o u r s ea n dw a ss i m p l ea n d r e l i a b l e t h et h e s i sa l s oa n a l y z e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc o n t r o l l e ra b o u tc o m p l e x s w i t c ha n dc o m p e n s a t i o nd e v i c ei nd e t a i l a t m e g a 8w a sas o r to fc h e a ps i n g l ec h i p c o m p u t e ra n dw a sa p p l i e dt oc o n t r o ls y s t e m t h et e s ts h o w st h a tt h i s d e v i c ec a n f l e e t l ya n dt r u l yc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e ra n db eu s e di nl o wn e t w o r k i j a b s t r a c t k e y w 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 ；c o m p l e xs w i t c h ；s i n g l e c h i pc o m p u t e r ； i i i 主要符号对照表 主要符号对照表 无功功率 电路电压 电路电流 感抗 感性无功功率 容性无功功率 容抗 变配电所供电的月最大有功功率 月平均负载率 补偿前功率因数角 补偿后希望达到的功率因数角 三角形接法的补偿容量 星形接法的补偿容量 系统额定电压 电动机额定空载电流 电动机额定电流 电动机未经补偿时的功率因数角 电动机最大转矩倍数 论域u 上所定义的模糊集 论域q 上所定义的模糊集 电容器的投切状态模糊集 输入模糊集与控制库中第i 条控制规则的匹配程度 电压对模糊集u 的隶属度 电流对模糊集q 的隶属度 限流电阻 萌晚 h d 矜 q u，也q绞如足凡；|；瓯厶丸仉u g k肌彪墨 主要符号对照表 可变电阻 相位差补偿电容 电压互感器原边电流 电压互感器副边电流 电网周期 电流滞后或超前电压的时间 电流滞后或超前电压的角度 电路瞬时电压 电路瞬时电流 采样周期内第k 个电压采样值 采样周期内第k 个电流采样值 有功功率 视在功率 一个周期采样点数 任意两相相电压值 任意两相相电流值 两次采样差值的可能最大变化范围 电压的截断误差 电压幅值 电容器额定容量 电容器实际输出容量 投入电容的初相角 电容器上初始电压 系统等效电抗 电路振荡频率 电路的自然角频率 相位差补偿电容 电路断开瞬间的电源电压 晶闸管导通电流 v i i i 耳g厶r缸庐州p sk艏酬如妇口三噱g帅l 主要符号对照表 吸收电路电流 晶闸管关断时电路中电流 反向恢复电流突然消失时，电路中产生的反向过电压 晶闸管在关断时其内部剩余载流子 元件恢复阻断电感所感应出的过电压与电源电压之和 回路电流 晶闸管反向恢复电流峰值， 反向恢复电压 为最大值的时刻 电阻瓜上的能耗 i x b 鳞k o o 晶 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 您亟导师签名：遮这 日期： 口c 占多p 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无功补偿的意义与方法 1 1 1 无功功率的产生与定义 具有电感或电容的交流电路中，电感的磁场或电容的电场在个周期的一 部分时间内从电源吸收能量，另一部分时间内将能量返回电源，在整个周期内 平均功率为零，也就是没有能量消耗。但能量是在电源和电感或电容之间来回 交换的，无功功率的大小表示了电源和负载电感或电容之间交换能量的幅度。 在工业和生活用电负荷中，阻感性负荷占有很大的比例。感应电动机、变 压器、电弧炉、日光灯等都是典型的阻感性负荷。感应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例。电力系统中的电 抗器和架空线等也消耗一些无功功率。电感性负荷必须吸收无功功率才能正常 工作，这是由其本身的性质所决定的。 电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如 相控整流器、相控交流功率调整器和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电 网电压，要消耗大量的无功功率。 在正弦电路中，电路的无功功率定义为1 1 】： q = u is i n 妒 门一1 ) 式中，【，、，分别为电路中的电压和电流，为电流滞后电压的相角。 对于单个感抗为x ，的纯电感元件来说( 相当于庐= 7 r 2 ) ，有 q = u s i n # = 1 2 x l 0 ( 1 - - 2 ) 即感性负荷吸收无功功率，亦可称为无功负荷。 对于单个容抗为墨的纯电容元件来说( 相当于妒= 一刀2 ) ，有 绕= u s i n # = 一1 2 x c o ( 1 - - 3 ) 即容性负荷供给无功功率，亦可称为无功电源。 在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的；而在含有谐波时，至今尚无获 得公认的无功功率定义。但对无功功率这一概念的重要性，认识却是一致的。 第一章绪论 1 1 2 无功补偿的作用 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的 阻抗主要是感性的。因此，粗略地说，为了输送有功功率，就要求送电端和受 电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功率， 则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现f 2 j 。不仅大多数网络元 件消耗无功功率，大多数负荷也需要消耗无功功率。网络元件和负荷所需要的 无功功率必需从网络中某个地方获得。显然，这些所需的无功功率如果都要由 发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应 是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即无功补偿。 无功补偿的作用主要有以下几点： ( 1 ) 提高供用电系统及负荷的功率因数，降低设备容量，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 ) 在电气化铁道等三相负荷不对称的场合，通过适当的无功补偿可以平 衡三相的有功及无功负荷。 1 2 国内外无功补偿研究发展概况 在电力系统中，传统的控制无功功率的方法包括采用同步发电机、同步电动 机、同步调相机、并联电容器和静止无功补偿装置等。考虑到无功功率是由于 系统中各种电容和电感所产生，人们使用了无源形式的补偿方法，该方法是将一 定容量的电容器或电抗器以，并联或串联连接的方式安装在系统的母线中，至今 并联电容器仍是一种主要补偿方式，应用范围广泛，只是控制器在不断的更新 发展。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电机，它属 于有源补偿器。同步调相具有调相的优点，但动态响应速度慢，发出单位无功功 率的有功损耗大，运行维护复杂，不适应各类非线性负载的快速变化【i “。 静止无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，简称为s v c ) 于1 9 6 7 年在英国 开始问世以后，受到世界各国的广泛重视。它是相对于调相机而言的一种利用 电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿( 可提供可变动的容性或感性无功) 的 装置，简称静止补偿器。s v c 成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系 统过电压，改善运行条件经济而有效的设备。后来出现了采用自换相变流电路的 第一章绪论 静止无功补偿装置，通常称为静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r 。一s v g ) ，它 是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理，采用全控型开关器件( 如g t o 晶闸管) ， 组成自换相交流器，辅之以小容量储能元件所构成的瞬时无功功率补偿【l5 1 。我国 仅由清华大学和河南省电力工业局合作研制了2 0 m v a r 的s v g 为近年来进入商 品化市场的开始。在国外，系统的无功补偿主要用静止补偿器和电容器，并积累 了广泛的运行经验，取得了良好的效果。 随着电力电子技术的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代中期，一种叫做柔性( 灵活) 交流输电技术( 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 ) 【1 6 】的概念在美国正式 提出，随着电网发展的需求，出现了以晶闸管为基础的f a c t s 补偿器，它是用于 改造交流传输技术的新型快速控制设备的集合，可以对电网进行无功补偿。它以 p e 变换器为技术基础，主要成员有：静止同步补偿器( s t a t c o m ) 【1 7 , 1 8 晶闸管 可控串联电容补偿器( s s s c ) 及同一潮流控制器( u p f c ) 等。f a c t s 无功补偿技 术因为能提高线路输送能力，快速调节系统无功功率，而有着广阔的应用前景， 但系统存在控制难度大、制造和维护都不便、成本高等问题，不便在全国推广 使用。 1 3 本课题所作的主要工作 本文研究对象为采用复合开关投切的无功补偿装置。主要应用于广西工厂 企业等要求无功补偿的用电大户，动态补偿容量相对较小。其特点主要有：1 ) 要求电容投切时保证电网供电质量，不会引起电网电压波动，所以必须提高系 统工作的可靠性和延长使用寿命2 ) 负荷变动比较大，对无功补偿要求比较高； 3 ) 对成本比较敏感，要求无功补偿装置性能价格比越高越好。 为了解决上述问题，本文所作的主要工作有以下三个方面：一是无功补偿 控制器的研究，准确补偿系统无功，保证电能质量。对控制器的硬件电路设计 和软件实现和电容器投切控制策略进行了较为详细的分析与研究。二是电容器 投切功率元件的研究，电容器投切功率元件的任务是尽量减少电容器投切涌流， 把电容器投入或者切除系统，主要有晶闸管、接触器和复合开关几种不同形式。 比较几种不同投切机构的特点，根据负荷实际需要，选择不同的投切机构。三 是在分析现有的各种无功补偿技术特点的基础上，对本文所述复合开关在实验 室进行模拟实验和调试，并且在工况恶劣的现场检验装置的可靠性和性能。 第二章无功补偿方式及容量确定 第二章无功补偿方式及容量确定 2 1 低压配电网的无功补偿方式 ， 电容器的补偿容量与采用的补偿方式、未补偿时的负载情况、电容器接法 有关。补偿方式不同，补偿容量的计算公式也不相同。 按电容器安装的位置不同，低压电网利用并联电容器进行无功补偿的方式 有三种：低压集中补偿方式、分散补偿方式和用户终端就地补偿方式。 图2 - 1 低压无功补偿装设方式 f i g 2 1t h em s t a l l m e mw a yo fl o w v o l t a g er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r 2 1 1 低压集中补偿方式 目前国内较普遍采用的一种无功补偿方式是在用户专用变压器的低压母线 上3 8 0 v 侧进行集中补偿( 如图2 一i 的方式1 ) ，通常采用微机控制的低压并联 电容器柜，容量在几十至几百千乏不等，根据用户负荷水平的波动投入相应数 量的电容器进行跟踪补偿。主要目的是提高专用变压器用户的功率因数，实现 无功的就地平衡，对配电网和配电变压器的降损有一定的作用，也有助于保证 该用户的电压水平。这种补偿方式的投资及维护均由专用变压器用户承担。目 前国内各厂家生产的自动补偿装置有根据功率因数来进行电容器的自动投切 的，也有为保证用户电压水平而以电压为判据进行控制的口羽，但都属于单一判 据，容易造成投切振荡。 为了实现电压控制，通常无功补偿装置般是使用并联电容器组来进行补 第二章无功补偿方式及容量确定 偿。电压无功控制在国内已经积累了丰富的经验，九区刚”l 便是一种电压无 功控制的有效方法。缺点是判据中电压和无功( 功率因数) 的边界是固定且无 关的。在电力系统中，电压和无功的调节是相互影响的。按其固定规则的控制 不一定能适应系统变化的要求。因为由于限值需要随不同运行方式进行相应的 调整；在某些区域上会产生振荡现象。现行九区图的调节效果也不是数学上证 明的最好效果，因此九区图的应用还有待进一步改善。 文献【2 2 0 3 】利用模糊数学的概念建立了数学模型，得出了模糊边界的无功调节 判据，它的特点是将九区图中固定的无功上下限边界改变成受电压影响的模糊 边界，其边界的斜率可根据具体的投切边界条件进行调整。所设计的新型的电 压无功微机综合控制装置，可在最大限度上保证电压合格和无功最佳补偿效果。 2 1 2 分散补偿方式 将电容器组按需求的无功容量，分别装设在相应的母线上，或者直接与低 压干线相连，形成内部的分散补偿方式，如图2 一l 中的方式2 。由于电容器分 散在各用户旁，可以就近补偿主要用电设备的无功功率。由于这部分无功功率 不再通过线路向上传送，从而使用户上的变压器和配电线路的无功功率损耗相 应地减少，当变压器下用户较多，用户配电线路分路多而且距离较远时，补偿 效益最高【2 5 1 。 2 1 3 用户终端就地补偿方式 就地补偿将电容器装设在异步电动机或电感性用电设备附近，就地进行无 功补偿，也称为单独补偿或个别补偿方式，如图2 一l 中的方式3 。这种方式既 可提高为用电设备供电回路的功率因数，又能改善用电设备得电压质量，对中、 小型设备十分适用。近年来，随着我国逐步具备生产低压自愈式并联电容器的 能力，且型号规格日渐齐全，为就地补偿方式的推广创造了有利条件。 但这种补偿方式也有缺点。因为这种补偿电容器组的容量只能按电动机的 空载电流选择( 避免在电动机退出时因电容器放电而产生自激磁和过电压) ，因 而在电动机带负荷运行时长期处于欠补偿状态，仍需由电源端向受电端输送无 功功率，配电网的无功损耗仍然存在。 综合以上三种无功补偿方式，这三种补偿方式各有利弊，若将三种补偿方 第二章无功补偿方式及容量确定 式统筹考虑、合理布局，将可以取得很好的技术经济效益。 2 2 并联电容器无功补偿容量的计算 电容器的补偿量与采用的补偿方式，味补偿时的负载情况、电容器接法等 有关。 2 2 1 集中补偿和分散补偿电容器容量计算 采用集中补偿方式和分散补偿方式时，总的补偿容量由下式决定： 蜴= 凡只( 伽a n 咖眦( j 南。一括。j c z 。) 式中：q 为所需补偿容量( k v a r ) ；只为由变配电所供电的月最大有功功 率计算负载( k w ) ；芦i 为月平均负载率，一般可取0 7 o 8 ；c o s d t 为补偿前功 率因数角，可取最大负载时的值；c o s 庐2 为补偿后希望达到的功率因数角，参照 电力部门的要求确定，一般可取0 9 o 9 5 。 电容器接法不同时，电容器补偿能力也是不一样的。 电容器组为三角型联接时，每相电容承受线电压，所以有： 如= u 2 如= o z , u 2 1 0 4 k v a r ( 2 2 ) 式中：u 为装设地点电网线电压( k v ) ；e 为每相电容器组的电容量( z f ) ； 电容器为星型联接时，每相电容承受的是相电压，所以有： 翰= 蚂( u 压) 2 = 蚂u 2 3 = 绕。 ( 2 3 ) 以上两式表明，具有相同电容量的三个单相电容器组，采用三角形接法时 的补偿容量是用星形接法的三倍。 2 2 2 就地补偿电容器容量计算 单台异步电动机装有就地补偿电容器时，若电动机突然与电源断开，电容 器将对电动机放电而产生自励磁现象。如果补偿电容器容量过大，可能因电动 机惯性转动而产生过电压，导致电动机损坏。为防止这种情况发生，不宜使电 容器容量过大，应以电容器在此时的放电电流不大于电动机空载电流，n 为限： 线= 压厶x l o 一3 ( 2 4 ) 式中：u 。为电系统额定电压( v ) ；l o 为电动机额定空载电流( 一) 。 第二章无功补偿方式及容量确定 若电动机空载电流厶在产品样本中不能查到，本论文采用下式估算： 厶= 2 n o m ( 1 - - e o s 九) ( 2 5 ) 厶吨。( s i i l 九一警 e ， 式中：如。为电动机额定电流( 爿) ；九为电动机未经补偿时的功率因数角： 竹，为电动机最大转矩倍数，一般取1 8 2 2 。 2 3 补偿电容器组的接线方式 本低压动态无功补偿装置的主电路是指电容器组及其附件构成的与电网直 接相连接的部分电路。三相电容的接线方式有两种形式：y 接线和接线，其中 】，接法又包括中性点接地和中性点不接地两种接线方法。电容器为y 接线时，电 路相对简单，复合开关和每相电容器串联接入电网，组成无功补偿的主电路。 电容器为接线时，只适用于三相共补电路，如果三相负荷不平衡、三相功率因 数角和电流差异较大，主电路就只能采用】，接法，以满足分相补偿的要求。但是， 采用接线方式，也有一定的优势：第一，可以降低复合开关的电流容量；第二， 电容器电压能够保证，没有中性点引起的电压漂移：第三，避免中线电流。 在低压电网中，常见的主接线方式有以下三种( 以复合开关为例) ： 1 、三相控制的接线方式( 图2 2 ) 。这种方式在复合开关进行投电容时， 需要考虑电容器的残压，系统电压和电容器残压相等的时刻，就是晶闸管投入 的触发点。否则，由于电容器两端电压不能突变，系统电压和电容器残压的差 值较大时触发晶闸管会产生很大的冲击电流，这一冲击会直接损坏晶闸管。 c 图2 - 2 并联电容器组的接法 7 飘了 醚 卅二 、t八j一一一彗 瓯 小c 一 甚 第二章无功补偿方式及容量确定 f i g 2 - 2t h e c o n n e c t i o no f p a r a l l e lc o n n e c t i o nc a p a c i t o r s 2 、三相控制的k 接线方式( 图2 3 ) 。这种接线，晶闸管电压定额可以降 低，但电流定额增大。电容器电压降低会提高其单位价格，同时投入时会产生 短时不平衡中线电流。 图2 - 3 并联电容器组的接法 f i g 2 - 3t h e c o n n e c t i o no f p a r a l l e lc o n n e c t i o nc a p a c i t o r s 3 、三相控制的王，接线方式( 图2 - - 4 ) 。这种无中性线的接法，电容器组可 以选择任何一种三相电容器。采用此种接法时，每相承受的是相电压，所以具 有相同电容量的三个单相电容器组，补偿容量是采用接法的三分之一。 图2 - 4 并联电容器组的y 接法 f i g 2 2t h eyc o n n e c t i o no f p a r a l l e lc o n n e c t i o nc a p a c i t o r s 2 4 不同电容器投切功率元件的比较 电容器投切功率元件的任务是在投切电容的过程中尽量减少电容器投切涌 流，目前主要采用机械开关、晶闸管和复合开关等几种不同形式，下面分别说 明其特点。 h 抖， 陋 一 aj兰；学器j+： 醚 一 文j 玎 艋工学弱兰 ；趴j x 一 幼h 芒 第二章无功补偿方式及容量确定 2 4 1 机械开关 常规的机械开关一般采用真空断路器或真空接触器，这在国内的一些大型 无功补偿装置和国外的一些主要的托卡马克装置中得到广泛的应用，它具有成 本相对低，导通电阻小的优点，但存在以下的缺点： 1 、分断电容回路易重燃，引起过电压，此外开关操作时，可能出现触点的 弹跳，这也会产生过电压： 2 、合闸时产生很大的涌流； 3 、分闸时产生电弧，影响开关寿命： 4 、开关动作的时延较大。 可见，机械开关的投切操作频率过高，对补偿电容器及开关本身都有很大 的危害，故这类开关不适合用于对变化快速的无功进行补偿的装置中。 2 4 2 晶闸管 为了适于频繁操作，出现了晶闸管开关，这种开关在低压系统中应用广泛， 它具有操作无电弧、寿命长、动作迅速等优点，但考虑到晶闸管截止时，电容 器上可能有残压，这类开关中晶闸管应能耐受峰峰电压。为了使这种开关能用 在高压场合，一种方法是采用多个晶闸管串联，这需要配套完善的动、静态均 压措施，同时一般设计时还给了3 4 倍的裕量，并留有一定数量的备用。因此 晶闸管开关的成本高，并且可靠性较差。但在低压系统中，晶闸管控制电容器 投入或者切除存在以下问题：晶闸管发热量大，存在散热问题，散热片体积大， 不适合柜式集成装置：需要选择高耐压产品，成本相对过高。 2 4 3 复合开关 复合开关是将常规的继电器与晶闸管有机结合，充分利用各自的优点，例 如继电器导通电阻小，晶闸管开关可以实现软开通和软关断，导通比较迅速， 相位可控等，提高开关整体性能，并节约投资。目前，国外直流复合开关已有 应用。这里提出了一种低压交流复合开关，它具有合闸涌流小，不易发生重燃、 可以频繁投切的特点，同时这种开关与全晶闸管开关相比，投资大大减少。 复合开关的特点： l 、准确地控制三相合闸时刻，抑制合闸涌流，保护了开关及电容器： 2 、继电器在低电压条件下合闸，有利于延长其寿命； 9 第二章无功补偿方式及容量确定 3 、继电器分断时，其电流向晶闸管侧换流，大大减小了燃弧时间，延长了 继电器的寿命； 4 、开关动作时间短。 从以上特点可以看出，复合开关更适宜频繁操作，投切电容过程无涌流冲 击，无操作过电压，无电弧重燃，整机使用寿命长，维修量少，无功补偿动态 响应快，可频繁投切，可分相补偿，具有自动运行功能( 停电退出，送电后自 动恢复) ，运行中无压降，耗能少，不产生谐波。既有可控硅开关过零投切的优 点，又有继电器功耗小的优点。 2 4 4 根据实际需要选择不同的投切元件 根据不同负荷类型要求，选择不同的执行机构。晶闸管适合要求响应速度 要求不是很高且非长期频繁使用无功补偿的场合；继电器适合不要求快速响应， 对限制涌流要求不高，对成本较敏感的无功补偿场合；复合开关适合快速响应， 限制涌流，适当节约成本的无功补偿的场合。因此本文选用了复合开关作为电 容器的投切开关。 第三章主控制系统的硬件设计和软件实现 第三章主控制系统的硬件设计和软件实现 3 1 模糊控制在电压无功综合控制中的应用 3 1 1 模糊控制器的设计 设置并联电容器是传统的无功补偿方式之一，在电力系统得到了广泛的应 用。它具有结构简单、补偿效果明显、造价低廉等优点，在今后相当一段时间 内仍然是一种重要的无功电源【2 ”。本文将主要分析并联电容器的控制方法。 目前，并联电容器的控制方式主要分为集中控制和就地控制。对于就地控 制方式，传统的“九区图”有其一定的弊病，这种方法为了保证电压质量，常 常允许出现一定的过补偿和欠补偿。在某些系统工况下，这种投切方式可能在 实际控制中会使电容器组频繁投切，影响电容器开关和补偿电容器的使用寿命 【2 8 1 。为此人们做了大量的研究工作1 2 9 , 3 0 , 3 1 】。目前主要的方法有：( 1 ) 在控制算法 中加入禁止回退的控制措施，即并联电容器下一次的输出状态不能是上一次动 作前的状态。这样虽然可以避免投切振荡现象，但在系统工况出现逆转的时候， 有可能出现拒投的现象。( 2 ) 采用神经网络对系统的负荷建模，通过多个控制量 决定最后控制器的输出。这种控制方法虽然能够综合考虑到电网中的各个参数， 但由于计算量大，存在着离线时间过长，实时性不强的问题，目前应用并不广 泛。 为此，可将模糊控制理论用于无功补偿电容器的控制中，将电压值、无功 功率变化量作为控制量进行模糊化处理，分别求相应的隶属度，按照最大隶属 原则确定是否投切。这就为控制过程中出现的拒投和振荡现象提供了一种有效 的解决办法。 在电压无功综合补偿装置中，有电压和无功两个输入量，输出为电容器组 的投或者切的命令。所以该模糊控制器可以设计成双输入，单输出的控制器。 控制器框图如图3 一l 所示。 第三章主控制系统的硬件设计和软件实现 图3 1 模糊控制器结构框图 f i g 3 - 1t h es t r u c t u r eo ff u z z yc o n t r o l l e r 3 1 2 模糊控制器的设计步骤 ( 一) 输入变量的模糊化 在控制系统中，电压u 、无功功率9 都是确切的数字，而不是模糊集。首 先必须把u 、q 转化为模糊集，然后才能输入给模糊推理机进行处理。用三表 示电容器的投切状态，作为模糊控制的输出变量。三的取值为0 、1 、一1 这3 种，分别表示不投、投一组和切一组电容。在论域u 上定义模糊集：u 0 m 低，常， 高；同样在论域q 上定义模糊集：q 欠补，q 正常，q 过补。考虑到编程计算的难 易和动态补偿的实时性，本文采用的是升梯形和降梯形以及梯形隶属度函数。 电压和无功功率的隶属度函数分别为图3 2 和图3 3 所示。 0 9 u0 9 5 ul0 5 u1 1 u 图3 - 2 电压隶属函数 f i g 3 2t h em e m b e r s h i pf u n c t i o no f v o l t a g e - 12 qos q 0 8 q 12 口 图3 - 3 无功功率隶属函数 f i g 3 3t h em e m b e r s h i pf u n c t i o no f r e a c t i v ep o w e r ( 二) 模糊控制规则的确定 第三章主控制系统的硬件设计和软件实现 模糊运算器的任务就是根据模糊控制规则，对模糊控制变量进行判断和推 理，得到相应的输出模糊子集。采用两输入单输出模糊控制器，其模糊控制规 则是由运行经验总结得到的一条条规则，具体如表l 所示。控制器的输出是应 投切的电容器组数，为了使控制器的输出更加平稳以及减小对电网的冲击，采 用逐级投切的方法，即每次只投入一组或者切除一组电容器。 表3 - 1 模糊控制规则 t a b l e3 - 1f u z z yc o n t r o lr u l e 控制规则 电压u 无功功率q 投切组数上 1低q 欠补1 2低q 欠朴l 3低q 欠补o 4常q 欠补l 5 u 正常 q 欠扑o 6 u z 常 q 文孙一1 7高q 欠补o 8高q 欠补一1 9高q 欠补一1 根据表1 所示的控制规则编写相应的模糊条件语句，从而实现模糊控制策 略。即： i f u = a n d q = q ，) t h e nl = 厶 其中u 对应取值为u c a 低，【，正常，【，偏高；踢对应的取值为缴补，q 正常，q 过补； 厶对应取值为0 、1 、一1 。 ( 三) 输出信息的模糊判决 当本模糊控制器的输入分别为u 、q 时，经单值模糊集模糊化后得到单点 模糊集u 、q ，它们与第i 条控制规则的匹配度口。为： 必= m i n , u ( u ) ，l ( q ) ( 3 1 ) 跟据输入量u 、q 用加权平均法求出输出为： 1 3 第三章主控制系统的硬件设计和软件实现 一酗厶(3-2)l= 2 一 一般情况下三是- - + 数，再对它进行取整运算后即可作为电容器投切的判 据。三的最后取值为0 、1 、一1 。 3 1 _ 3 复合开关无功补偿装置模糊控制器的实现 模糊控制器的实现方法目前主要有三种，即查表法、硬件专用模糊控制器 和软件模糊推理，其主要区别在于模糊推理的实现方法不同。 查表法适用于输入、输出论域为离散有限论域的情况。它采用离线设计的 方法，即根据各种可能的输入，经模糊推理和决策计算出相应的控制决策值， 这样就可以得到一个输入论域到输出论域的对应表，即查询表( l o o k u pt a b l e ) 。 模糊控制器在线运行时，进行查表就可以了。查表法结构简单，实施方便，资 源开销少，在线运行速度快，早期的模糊控制器多采用这一方法实现。但是， 查表法精度不高，改变控制规则和隶属函数曲线形状较为困难。在要求不太高 的场合下，可以采用该方法。 采用模糊芯片可以构成硬件模糊控制器，它推理速度快，控制精度高，处 理速度至少比软件提高一个数量级。限制硬件模糊控制器应用普及推广的主要 因素是价格问题，因为目前模糊芯片的价格还是比较昂贵的。 软件模糊推理法指用软件实现输入模糊化、模糊推理算法以及输出解模糊 等模糊控制的主要过程，尤其是模糊推理过程。它不同于查表法，可以把模糊 推理过程离线完成，而是在线运行时每一个采样周期都要进行模糊推理。由于 采用软件实现模糊推理，因此这一方法灵活性高、适应性强、应用范围广，它 不仅可用于输入输出论域为离散有限论域的情形，还可以用于连续无限论域的 情形，并且比查表法有更高的精度。这种方法的不足之处是，存入的模糊推理 关系矩阵r 要占用大量内存，而且进行大量模糊集合的交、并以及合成运算， 对计算机的运算速度要求比较高。 3 2 无功补偿装置的结构和主电路设计 3 2 1 控制器硬件框图及其实现功能 第三章主控制系统的硬件设计和软件实现 无功补偿装置控制系统的硬件结构框图如图3 4 所示。 妻曩嚣卜 a d 转换 i 喜羹鼗卜 单片机 控制系统 功率因数角 测量电路 图3 4 无功补偿装置控制系统硬件结构框图 f i g 3 4t h ep r i n c i p l ef r a m eo f r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e ( 一)本低压动态无功补偿装置的控制特点： 1 、控制方式：可控硅与继电器联合控制，即在投切时采用可控硅，正常运 行时采用继电器的方式。 2 、工作方式：动态跟踪、逻辑判断、自动及时补偿容量。 3 、控制物理量：以功率因数和电网电压综合控制电容器的投切。 4 、补偿方式：采用三相共补或分相补偿及共、分补结合型。 5 、采用双循环投切技术，其中一组是大电容，另一组是小电容，原则是先 上者先下，后上者后下；先投切小电容，后投切大电容，可以降低系统风险。 6 、采用反时限动作原则：即功率因数离稳定区越远、则动作时间越快、反 之越慢，能保证系统动作快速、精度高而不容易振荡。 7 、当电压处于2 3 5 v 0 ，以 0 ，d 2 导通，d l 截止，由“虚短”的知识可知 第三章主控制系统的硬件设计和软件实现 u j oo u 0 。 f 一1 i 即：u o 。= 一2 u , 当 0 ，d 1 导通，d 2 截止，r ，中电流为零 u 0 1 = 0 对运放以，由“虚短”和“虚短”的知识，可得： 旦二盟：旦+ 垃 r月r 即：u o = 一( u + t ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 综合以上各式，可以得到： 以u l 。0 强搿笨0 掌旧u i ( s 删 以砜，= 一( + ) = 一qj ”“ 可以看到经过精密整流电路后，经过调整的交流电压、电流变成a d 转换 可以接受的单向脉动电，且幅值为正。图3 - - 7 为全波精密整流后的输出波形。 3 2 4 采样保持电路 采样保持电路是数据采集系统的重要部件，对数据采集系统的精度起决定 性的作用。采样保持电路作为a d 转换的前级，主要完成信息隔离缓冲作用， 如果要对变化速度快的模拟信号进行a d 转换，转换精度要求比较高，这时为 了防止a d 转换过程中信号发生变化，就必须用采样保持电路。虽然在a v r 单 片机的模数转换器中有自带的采样保持电路，但是难以在同一时间内同时进行 多路信号的采样保持。在本测量系统中除了需要采集单相电压、电流，还需要 采集三相的电流、电压等电网参数，为此在这里选用了多路开关和采样保持器 集成芯片l f 3 9 8 配合工作：利用多路开关将各路模拟信号轮流与a d 转换器接 通，使一个a d 转换器能完成多个模拟信号的转换，节省硬件开销；使用采样 保持器l f 3 9 8 将同一时刻的电压、电流值锁定，再分时输入a d 进行转换。图3 8 为采样保持系统