（机械设计及理论专业论文）电容补偿柜在谐波状况下优化运行若干问题的探讨.pdf

福建农林大学硕士学位论文 摘要 在高低配电电网中并联电容器进行功率因数补偿，保证在输送一定有功功率的状 况下线损最小，提高电网的功率因数，是节约电能的有效措施之一。近年来在无功功 率补偿过程中，偶有发生电容补偿柜元器件损坏的现象。由于电容补偿柜运行的特殊 性，因此了解电容补偿柜的运行，分析其故障发生的原因，进一步地完善设计是很有 意义的。通过检测分析，损坏原因基本是电网电压高次谐波分量过大引起。针对这种 情况，提出采用可编程控制器( p l c ) 和无触点功率模块实现电容无触点投切的优化 运行方法。采用这种方法，可确保电容柜在电网出现高次谐波时能够安全可靠的进行 最佳的补偿，并且在投切时不产生电弧。 本文主要介绍了谐波的分析和实现电容补偿柜优化运行的电容支路恒电流运行 单元、电网电压高次谐波超标检测单元、功率因数中角检测单元以及p l c 控制及其软 件编程单元。采用以上设计进行电容器投切试验结果表明，该设计具有一定的理论意 义和使用价值。而增加这些设计对于电容柜的生产成本增幅不大，性价比高，值得推 广使用。 关键词：无功功率补偿功率因数巾角高次谐波p i d 可编程控制器 塑建垒苎盔堂堡主堂堡堡苎 一 o nt h eo p t i m i z i n gr u n n i n go fc a p a c i t a n c ec o m p e n s a t i o nc a s ei nt h es t a t eo f h a r m o n i cw a v e a b s t r a c t l no r d e rt og u a r a n t e et h em in l m u ml i n el o s su n d e rt h ec o n d i t i o n so fa c t i v ep o w e ra n dt o i n c r e a s et h ep o w e rf a c t o ro fe l e c t r i cn e t ，p a r a l l e l l yc o n n e c t i n gt h ec a p a c i t a n c e st oc o m p e n s a t e t h ep o w e rf a c t o ri nt h eh i g h l o wd i s t r i b u t i o no fp o w e rg r i d si so n eo ft h ee f f e c t i v ew a y st o c o n s e w ee l e c t r i ce n e r g y d u r i n gt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni nr e c e n ty e a r s 。s o m e t i m e s t h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n l so fc a p a c i t a n c ec o m p e n s a t i o nc a s ea r ed a m a g e d d u et ot h e p a r t i c u l a d t yo ft h eo p e r a t i o no fc a p a c i t a n c ec o m p e n s a t i o nc a s e ，i ti sn e c e s s a r yt ou n d e r s t a n d t h eo p e r a t i o no fc a p a c i t a n c ec o m p e n s a t i o nc a s e ，p r o p e r l ya n a l y z et h ec a u s eo fd a m a g e ， e l i m i n a t et h eh i d d e nd a n g e ra n di m p r o v et h ed e s i g n b a s e do nt h ed e t e c t i n ga n a l y s i s ，t h e f u n d a m e n t a lr e a s o no fd a m a g ei sc a u s e db yh i g h e rc o m p o n e n t so fh i g h - o r d e rh a r m o n i cw a v e o fp o w e rg r i dv o l t a g e t os o l v et h i sp r o b l e m ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e ra n dn o n c o n t a c t p o w e rm o d u l ea r ea d o p t e dt oc a r r yo u tt h eo p t i m i z i n gr u no fn o - t o u c hc a p a c i t a n c ec o n n e c t i o n b yt h i sw a y , o p t i m u mc o m p e n s a t i o no fc a p a c i t a n c ec a s ec a nb ee n s u r e dw h e nh i g h - o r d e r h a r m o n i cw a v ei nt h ep o w e rg d do c c u r , a n de l e c t r i ca r ci sa l s op r e v e n t e dd u r i n gc a p a c i t a n c e s w i t c h i n g i nt h i sp a p e r , w em a i n l yi n t r o d u c e st h eh a r m o n i cw a v ea n a l y s i s ，t h eo p e r a t i o n a lu n i to f c o n s t a n te l e c t r i cc u r r e n tb r a n c hf o rt h e p u r p o s eo fo p t i m i z i n gr u n n i n go fc a p a c i t a n c e c o m p e n s a t i o nc a s e ，d e t e c t i n gu n i to fe x c e s s i v eh i g h o r d e rh a r m o n i cw a v ei nt h ep o w e rg i r d v o l t a g e ，d e t e c d n gu n i to fa n g l eo fp o w e rf a c t o ra n dp r o g r a m m i n gm o d u l e t h et e s t o f c a p a c i t a n c es w i t c h i n gi n d i c a t e st h a tt h ea b o v e m e n t i o n e dd e s i g nh a sa ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a i s i g n i f i c a n c ea n du s e f u lv a l u e t h e s ed e s i g n sm e a n sn o tt om u c hf o rt h ec o s tp r o d u c t i o no f c a p a c i t a n c ec a s e ，s ot h eh i g hr a t i o no fp e r f o r m a n c et op r i c em a k et h e mw o r t ht ob e p o p u l a r i z e d 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 ，a n g l eo fp o w e rf a c t o r ，p i d h i g h 。o r d e rh a r m o n i cw a v e ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r i 】 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完成的 研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作了答谢的 地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本研究做出贡献 的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯他人知识产权的行 为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 缮磋 曰期：d ( 2 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学校有 权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在 年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 指导教师亲笔签名： 蘸送 日期：d fg 。2 日期：口f 2 礴撕 福建农林大学硕士学位论文 1 引言 随着科学技术和国民经济的高速发展，尤其是钢铁、水泥、电解铝等几大高耗能 行业对电能的需求量日益增加，电力供需矛盾越来越紧张。同时对电能质量的要求也 越来越高，如何缓和供需矛盾，更有效地利用现有的电力，开展节能工作，在当前具 有十分重要的意义。 在电网运行过程中，除了要消耗有功功率外，因用户用电设备具有大量非线性负 载，还要消耗一定的无功功率。大量无功电流的产生使得线路压降增大，负载电压降 低，有可能使负载工作不正常。无功功率大，功率因数低，使得电能得不到充分利用。 图l 表示功率因数的提高与无功功率和视在功率变化的关系。无功功率定义 为：q = u i s i n 中。有功功率p ，无功功率q 和视在功率s 之间存在下述关系：s = p 2 + q 2 。 n ：r - ：c o s d p 被定义为电力网的功率因数。假设功率因数由c o s 中提高到c o s 中，这时 5 在负荷需要的有功功率p 不变的条件下，无功功率将由q 减d , 至u q ，视在功率将由s 减小到s ，相应地负载电流也得以减小，这将使系统的电能损耗和电压损耗相应降 低，提高电网的传输能力，既节约了电能，又提高了电压质量“2 。“。 q p 图1 功率因数的提高与无功功率、有功功率的变化 在电网中并联电容器，对电路进行无功补偿，可以提高电网的功率因数，是节能 的有效措施。电力系统的发展和技术的进步，无论是供电部门还是用户，对无功补偿 措施越来越关注。无功补偿技术可以为电力系统和用电企业带来良好的经济效益和社 会效益。全国供用电规则规定“1 ， 用户在当地供电局规定的电网高峰负荷时的 塑壅查签查堂堡主堂壁堡墨一 功率因数应达到下列数值： ( 1 ) 高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电 压装置的电力用户，功率因数为o 9 p 以i - ； ( 2 ) 其它1 0 0k w 及以上电力用户和大中 型电力排灌站，功率因数为0 9 以上； ( 3 ) 趸售用户和农业用电，功率因数为o 8 以上。凡是功率因数不能达到上述规定的用户，必须及时调整、改善。改善功率因数 的主要途径是减少供用电设备所需消耗及传输的无功功率，其方法是用户应在提高用 电自然功率因数的基础上，设计和装置人工无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变 动及时投入或切除，防止无功电力倒送，就地平衡无功电力。1 。 1 1 本课题的研究现状 无功补偿不仅要求有足够的无功补偿容量，而且要求补偿装置具有灵活性和较高 的自动化水平，以达到优化补偿的目的。 ( 1 ) 无功补偿装置： 无功补偿装置有静态和动态两种。静态无功补偿它的补偿是相对稳定的，它对无 功功率的补偿量是固定的。由于静态无功补偿是延时投切式，这也就决定了它在无功 变化很快且很大的情况下，满足不了实际要求。动态补偿能快速跟踪补偿电网中的无 功变化，在现代电力电子器件和数字控制技术的支持下，具有快速的投切能力”1 。 ( 2 ) 补偿装置控制方式； 无论是静态无功补偿，还是动态无功补偿，都需要一个控制器来完成电网参数的 测量计算，控制电容器组的投切。以接触器作开关元件的静态无功补偿装置，控制 器发出的是接点信号，控制接触器的吸合或断开。以晶闸管作开关元件的动态无功补 偿装置，控制器发出的是晶闸管的触发信号。无功补偿有功率因数控制、无功功率( 无 功电流) 和多参量综合控制3 种方式。功率因数控制就是以功率因数满足要求为控制 目标。用无功补偿装置进行补偿，使供电电网的功率因数满足要求。功率因数式控制 器通过对电网的电压、电流进行采样检测，分析计算出当前的功率因数值。用当前的 功率因数值与设定的投切门限值进行比较，以确定是投入、切除、还是保持不变。功 率因数式控制器当检测到当前的功率因数值介于c o s r a i n 和c o s q b m a x 之间时，则不论 实际的无功功率值是多少，都保持当前的补偿状态不变。功率因数值是一个比例值， 所以在重负载时，虽然功率因数满足了要求，但电网中的无功功率仍很大。针对功率 因数控制的问题，出现了以系统中的无功功率( 无功电流) 为被控制对象，即无功功 率( 无功电流) 控制方式。控制器对电网的电压、电流进行采样检测，计算出当前的 塑堡垄整查堂堡主堂堡垒兰一 无功功率( 无功电流) 值。若当前值大于一组电容器组的补偿值，则投入一个电容器 组。若当前值超前，则切除一个电容器组。补偿的结果是使电网中的无功功率( 无功 电流) 始终保持在一个较低的水平上。由于该方法的控制对象是无功功率( 无功电 流) ，而无功功率( 无功电流) 又始终保持在一个较低的水平上，因此，不会出现功率 因数控制方式所出现的重载时功率因数满足要求，但无功电流很大；而轻载时又容易 产生投切振荡的问题。现阶段出现采用多参量综合控制，即以功率因数控制为基础， 以无功功率控制避免投切振荡，电网电压上限值和负载电流下限值作为控制电容器组 投切的约束条件，实现电容器组的智能综合控制“”。 ( 3 ) 电容器投切方式： 无功补偿大多以机械式断路器或接触器作为电力电容器的投切执行元件，这就是 机械投切电容器装置。当使用断路器或接触器将电容器突然投入电网时，会产生很大 的冲击电流，而将电容器从电网中切除时，则有可能产生拉弧等现象。由于机械触头 动作速度的影响，使得机械投切电容器装置在运行中难以实现同步投切，不可避免地 产生过渡时间，不能实时跟踪系统无功的变化，从而不能实现快速动态无功补偿a 此 外常会出现接触器触头烧焊现象，使接触器断不开，影响正常的工作。与机械投切电 容器相比，大功率晶闸管的开、关是无触点的，其使用寿命长，而且晶闸管的投切动 态响应时间短，能够快速无冲击地将电容器接入电网，大大减小了投切时的冲击电流 ( 4 ) 谐波状况： 谐波存在于电力系统已经有很多年了，由于近年来电力系统为改善功率因数而大 量使用电容器；工业界为提高系统的可靠性和效率而广泛使用电力电子变流器使得谐 波问题更加严重，电能的质量问题倍受关注。1 。在无功补偿过程中偶有发生电容柜在 运行中出现熔断器熔断，接触器触点熔化烧毁等故障，通过检测分析，基本是电网高 次谐波分量较大引起的。电网中的谐波问题日益严重，在电网中并联电容器对电路进 行无功补偿，当电网中出现谐波时，虽然谐波的电压分量不是很大，但是如果谐波次 数高，电容支路的容抗减小很多，造成谐波电流分量很大，会使电容补偿柜元 川v l 器件加速老化，电容补偿柜的器件损耗系数增加，降低电容补偿柜的使用寿命，容易 发生故障。此外，使用机械式断路器或接触器作为电力电容器的投切执行元件，在投 切时如果存在谐波，其本身的冲击电流加上谐波影响使得电容回路上产生的大电流现 塑壁垒签查堂堡主堂垡堕苎 一 象更加严重。据专家统计，由于谐波而损坏的电气设备中，电容器约占4 0 。 1 2 无功补偿的发展趋势 作为较早出现的静态电容补偿柜因其控制简单，功耗低，运行维护方便，技术成 熟，投资省而广泛应用于供配电系统补偿无功功率。日前我国广泛使用的还是静态补 偿器，实际上国内外对静态补偿器的研究仍在继续，对静态电容补偿的研究主要集中 在控制策略上，模糊控制、人工神经网络和专家系统等智能控制手段被引入静态电容 补偿控制系统，使静态电容补偿系统的性能进一步提高侧。而一些高端产品目前价格 昂贵，如静止无功发生器( s v g ) 、统一浪潮控制器( u p f c ) 及可转换静止补偿器( c s c ) 应用仅局限于个别工程，尚无法大规模应用，使得该类无功补偿装置的技术还不完善， 还有许多技术问题尚待解决。但是电力电子器件技术本身发展迅速。此类无功补偿装 置的造价会逐步降低，在不远的将来s v g 、u p f c 及c s c 将成为无功补偿技术的发 展方向。1 。此外发展由单一的无功功率补偿装置到一些具有特殊功能的补偿装置是将 来的发展新趋势。例如针对电网中随机出现的谐波，研制开发具有滤波或抑制谐波功 能的无功补偿装置。 1 3 本课题的研究意义 随着社会和科技的发展，为了满足人们物质生活和精神生活的需要，用电负荷日 趋复杂化和多样化，一些具有非线性，谐波丰富，冲击性和不平衡特征的负荷会影响 到供电电网，给保证电能质量提出了新的问题。由于电容补偿柜运行的特殊性，造成 电容柜损坏的现象又时有发生，因此了解电容器的运行，正确地分析损坏原因、消除 隐患、改进设计是很有必要的“。 1 4 本课题的研究内容 本研究作了如下几个方面的工作： ( 1 ) 分析在高低配电电网中并联电容器进行功率因数补偿时电容器损坏的原因。 ( 2 ) 当无谐波或谐波分量较小的状况下，通过p i d 调节器作用控制无触点功率模 块开关的导通角，改变电容回路电流。以此实现电容柜的恒电流运行。 ( 3 ) 电容回路使用恒电流运行方式，虽然可避免电容回路元件损坏但若出现电 网电压高次谐波过大情况时，无触点可控模块导通角过小，电容补偿的效果已 经微乎其微，设计电网电压高次谐波超标检测装置，当出现电网电压高次谐波 过大隋况时，及时切除电容，防止在电网上产生新的电压谐波干扰源。 4 福建农林火学硕士学位论文 _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ 一 ( 4 ) 在三相电网的功率因数测量中，通过采样三相中一相的电流以及另外两相的 线电压之间的相位差，通过p l c 高速计数1 3 来检测中角，实现三相系统功率因 数的检测方法。 ( 5 ) 提供负载电流检测，其闭锁功能主要为克服当负载电流较小时第一个电容补 偿回路投入后，马上使负载总电流超前，防止产生第一个电容回路投切振荡而 设。 ( 6 ) 采用三菱p l c 作为控制器实现。角检测、各个电容回路的循环投切以及实现 电容柜优化运行的控制。 1 5 本课题的研究目标及特点 提出电容补偿柜在电网出现谐波时，能够不损坏元器件，并且可以有效的进行 无功补偿。在供电网络随机出现高次谐波达到某一定值时，能够及时切除电容回路的 廉价的设计方案。保证电容器投切时无电弧，提高电容补偿柜的使用寿命，实现电容 补偿柜的优化运行。 福建农林大学硕士学位论文 2 谐波分析 2 1 谐波的产生 电气负载有线性和非线性之分。线性负载不会产生谐波。谐波负载电流可以认 为是由所有的非线性负载所产生的，在供电系统中谐波的出现已有多年，其发生主要 是由两大因素造成的”“： ( 1 ) 近年来，随着电力电子技术的发展和应用，工业和公用电阿中使用了大量的 非线性负载和设备，包括传统非线性设备如变压器，旋转电机以及电弧炉等；现代电 力电子非线性设备如荧光灯、电子控制装置和开关、电源、晶闸管等控制设备等，各 种非线性负载的增加导致波形畸变，而产生各次的高次谐波。 ( 2 ) 设备设计思想的改变。过去倾向于采用在额定情况以_ f 工作或裕量较大的设 计。现在为了竞争，对电工设备倾向于采用在临界情况下的设计，例如有些设计为了 节省材料使磁性材料工作在磁化曲线的深饱和区段，而在这些区段内运行会导致励磁 材料波形严重畸变。 2 2 谐波的危害 由谐波造成的问题有以下几方面“： 一( 1 ) 电压畸变： ( 2 ) 过零点上的噪声： ( 3 ) 中性线过负荷； ( 4 ) 变压器和感应电动机的过热； ( 5 ) 断路器的噪扰跳闸： ( 6 ) 校正功率因数电容器的过载； ( 7 ) 集肤效应。 电容功率补偿装置在工作过程中，对工频信号起正常的补偿作用，但当频率较高 的高次谐波存在时，其谐波容抗随着频率的升高而减小，导致流经电容器的电流七升 而发热；高次谐波在系统感抗和容抗之间引起并联谐振，由于谐振而使大电流通过电 容器造成严重的过负荷而将其烧坏。在电力系统中使用电容器时必须要考虑系统可能 会产生谐振，系统谐振将导致谐波电压和电流明显升高，造成的危害较大m 。 a n s i f l e e e 标准1 8 并联电力电容器指出，如满足如下条件，在谐波环境下电容 器应能连续运行= “： 望堡查楚查兰堡主堂垡笙塞 一 ( 1 ) 无功功率不超过额定值的1 3 5 ； ( 2 ) 电流峰值不超过额定峰值电流的1 8 0 ( 已被1 3 0 所取代) ； ( 3 ) 峰值电压不超过额定值的1 2 0 ； ( 4 ) 电压有效值不超过额定值的1 1 0 。 2 3 谐波分析的基本原理 2 3 1 谐波分析法 平衡电力系统中的线性网络对不同谐波的响应是相互独立的，这个特性使得我们 可以将各次谐波分别进行处理。应用数学中的傅立叶级数展开方法，将电压、电流等 信号分解为一系列不同频率的正弦量之和，再根据线性电路的迭加原理，分别计算在 各个正弦量单独作用下在电路中产生的同频正弦电流分量和电压分量；最后，把所得 的分量按时域形式迭加，就可以得到电路在非正弦周期激励下的稳态电流和电压。这 种方法称为谐波分析法。它实际上是把非正弦周期电路的计算化为一系列的正弦电流 电路的计算o 3 1 。 2 3 2 信号的傅立叶级数表示 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与 电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为 谐波。谐波频率与基波频率的比值( n = f n f 1 ) 称为谐波次数，谐波电流或电压的频率 是基波频率的整数倍。线性负载上加正弦波电压时不会产生畸变电流，即不会产生谐 波。谐波负荷电流是由所有的非线性负载所产生。电流、电压等周期信号可以用一个 周期函数表示， f ( t ) = f ( t + k t ) 式中t 为周期函数f ( t ) 的周期，k = 0 ，1 ，2 ，3 ，4 n 。将它展开成一个收敛 的傅立叶级数，即，( f ) = 彳。+ 芝爿nc o s ( n w l t + e p 。) 傅立叶级数是一个无穷三角级数，式中a d 称为周期函数f ( t ) 的恒定分量( 或直 流分量) ；第2 项a ，c o s ( w ，t + a 9 ；) 成为1 次谐波( 或基波分量) ，其幅值为a 。频率为 w ；，相位为中，其它各项统称为高次谐波，即2 次，3 次，4 次谐波。如3 次谐波 幅值为a ，频率为3 w ，相位为中。”。 福建农林大学硕士学位论文 _一一 2 3 3 三相电路的谐波分析 ( 1 ) 对称三相电路 _ - - f l 发电机产生的电压波形或多或少与正弦波形有些差别，变压器的励磁电流是 非正弦周期，含有一定的高次谐波分量“1 。所以，一般在对称三相电路中，电压、电 流都可能含有高次谐波分量。半波对称的特点是f ( t + t 2 ) = f ( t - t 2 ) = 一f ( t ) ， 没有直流分量而且偶次谐波( 2 ，4 ，6 ) 被抵消。这个特点使我们可以忽略电力系 统中的偶次谐波，因为电力系统是由双向对称的元件组成的，这些元件产生的电压和 电流具有半波对称性。1 。对于三相对称系统中，3 个对称的非正弦周期相电压相位差 1 2 0 。，但其变化规律则相似；a 相电压表示为u a = u ( t ) ；则b 相和c 相电压可表示为 u 。= u ( t t 3 ) ：u o = u ( t - 2 t 3 ) 。如果把a 相电压u 。展开成傅立叶级数，则有： u 。= u l c o s ( w l t + 0 1 ) + i l c o s ( 3 w l t + 中3 ) + u 5 c o s ( 5 w 】t + o5 ) + u 7 c o s ( 7 w l t + 中7 ) 而u 。，u 。为： u b = u i c o s ( w 。t + oi 一2 3 ) + u a c o s ( 3 w l t + 0 ：，)+ u 5 c o s ( 5 w l t 十中5 4 3 ) + u 7 c o s ( 7 w l t 十中7 2 3 ) u 。= u l c o s ( w l t + 中】一4 豇3 ) + u 3 c o s ( 3 w l t + 中3 ) 十u 5 c o s ( 5 w i t + 中5 2 玎3 ) + u 7 c o s ( 7 w l t + 中7 - - 4 3 ) 由上式可知，基波，7 次谐波( 1 3 ，1 9 次等) 分别都是正序的对称的三相电压， 所以构成正序对称组，a 、b 、c 三相相量以相同角频率逆时针方向同步旋转，a 相先 达最大值、b 相与c 相依次达最大值；5 次( 1 1 次，1 7 次等) 谐波构成负序对称组， a 相先达最大值，c 相与b 相依次达量大值；而3 次( 9 次，1 5 次等) 谐波却彼此同 相，构成所谓零序对称组( 三个相量，其有效值相等，且初相也相同，就构成零序对 称组) 。总之，_ - - f l 对称非正弦周期量可分解为三类对称组，即正序，负序和零序组。 正序分量、负序分量三相对称，相量和为零。至于零序分量，三相的每相零序分量初 相相同，有效值相等，所以零序分量三相的相量和不等于零，是每相零序分量的3 倍。一般情况的三组对称分量见图2 。 塑蕉查签奎堂塑主堂焦丝苎 c a b b a 、 c + a _ b _ c 图2 正序。负序和零序分量 ( 2 ) 不对称三相电路 三相系统的三相之间存在着相互影响，它们实际上是一个整体。在对称运行时， 由于各相的运行参量( 电压、电流) 大小相等，相位固定，所以只需计算一相的情况， 即可用单相系统来表征三相系统。在三相系统运行中也会遇到不对称现象，即外施电 压的不对称或负荷不对称所产生的不对称现象。在三相系统不对称的情况下，计算和 分析方面均出现问题。对称分量法就是把三相不对称电压或电流分解为正序，负序和 零序三个对称系统，这三个对称系统称为不对称系统的对称分量”。 a = 巍+ 丑+ 丑 b = 反+ 童+ 盘= 也+ d 2 4 + 吐 c = c 0 + q + 丘= 幺+ 吐+ 口2 丑 l ，雪，0 为三相不对称相量； 其中：盘= 反= c o = 三( + 雪+ e ) j + = 喜( - + 口雪+ 口2 e )反= 日2 4 ( i = n 4 j 五= 喜( i + 口2 雪+ 口e )应= 吐丘= 口2 z ) a ，反，c 0 为零序，+ ，鱼，e 为正序，五，盘，c - 为负序，注意频率与a b ，c 一 致，且只有一种频率。 在对称三相电路中，我们主要针对三相对称非正弦周期量( 多频率) ：而对称分 量法主要针对三相不对称正弦量( 单频率) 。对于三相不对称非正弦周期量时，应先 求出某频率下三相不对称正弦量( 各相傅立叶级数展开) ，再在各个频率参数下，用 对称分量法求解三相不对称单频率的数值，最后再将各个频率下电参数数值汇总计算 ( 傅立叶级数有效值计算) 。 福建农林大学硕士学位论文 2 4 电力谐波的抑制措施 电网中的谐波导致电网电压正弦波形畸变，引起电网的电能质量下降。为了限制 系统的谐波污染，保障电网的电能质量和安全运行，对于现有供电网络或待建电网中 的电力污染情况，要进行仔细分析。为了把谐波对电力系统的干扰( 污染) 限制在系 统可以接受的范围内，我国和国际上分别颁布了“电力系统谐波管理暂行规定”和 i e c 标准，明确了各种谐波源产生谐波的极限值。为减少供电系统的谐波问题，一般 从管理上和技术措施上采取以下措施“： ( 1 ) 从管理上严格贯彻执行有关电力谐波的国家标准，加强谐波管理：我国于 1 9 9 8 年1 2 月1 4 日发布了国家标准g b l 7 6 2 5 1 低压电气及电子设备发出的谐波电流 限值( 设备每相输入电流1 6 a ) ，只有经过试验证实，符合该标准限值要求的用电设 备才+ 允许接入到配电系统中。这样就可以对低压电气及电子产品注入供电系统的总体 谐波电流水平加以限制“。 ( 2 ) 从技术措施上 通常解决的方法有两个：第一个是局部重组电网结构，分离或隔离产生电力污染 的设备；第二个是使用电源净化滤波设备进行治理，通常电压谐波是由电流谐波产生 的，有效的抑制电流谐波就会使电压畸变控制在要求的范围“”。 目前我国功率补偿针对谐波抑制主要有以下几种方式“”： 串联电抗器：当系统中存在谐波时，功率因数补偿电容器与电网的电感存在 并联谐振，将谐波电流放大，使系统电压电流畸变更加严重。为此，可使用调谐电抗 器组；在每段功率因数补偿电容器组串联调谐电抗器，形成串联谐振回路，串联谐振 频率低于系统最低的谐波频率，在谐波频率下出现电感性，与电网不会形成并联谐振 回路。调谐电抗电容器组能滤除谐波电流1 0 一3 0 ，剩余谐波将注入上级电网。 有源滤波补偿：有源谐波滤波器是并联在电网上，其是一个电流源，经过适 当正确的实际控制，产生与非线性负载产生的谐波电流大小相等，方向相反的电流， 当有源滤波器与产生谐波电流的非线性负载并联时，有源滤波器产生的电流与非线性 负载产生的谐波电流进行几乎完全的补偿。缺点是成本高。 无源滤波补偿：实际中运用最多的技术。无源滤波补偿是由电容器，串联电 抗器所组成，无源谐波滤波器中电容容量是根据基波频率对系统所需补偿的无功功率 而设计。电抗器的电感值的选择是根据在某次谐波频率时，能与电容器产生串联谐振 塑堡壅签查堂堡主堂堡鲨塞 回路，使谐波滤波器在该次谐波频率形成非常低的阻抗，使大部分该次谐波电流流入 谐波滤波器。即为基波频率进行无功功率补偿，为谐波提供并联低阻通路，起到滤波 作用。一般谐波滤波器包含5 ，7 ，1 1 次谐振回路，n l - 滤 8 0 9 卜啕0 的谐波。缺点在 于其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定，只能消除特定的几次谐波，而对其 它次谐波会产生放大作用，在特定情况下可能与系统发生谐振。 增加整流设备的相数：整流装置是供电系统的主要谐波源之一。理论分析表 明，整流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为p k 1 和p k ( p 为整流 相数或脉动数，k 为正整数) 。当脉动数由p = 6 增加到p = 1 2 时，可以有效的消除幅值 较大的低频项，( 其特征谐波次数分别为1 2 k + _ 1 和1 2 k ) ，从而大大的降低了谐波电 流的有效值。 安装各种突波吸收保护装置，如避雷器等。 目前，无源滤波补偿是实际应用最多，效果较好，价格较低的解决方案，它包括 三种基本形式：串联滤波，并联滤波，低通滤波( 串并混合) 。其中串联滤波主要适 用于三次谐波的治理；低通滤波主要使用于高次谐波的治理；并联滤波是一种综合装 置，它可滤除多次谐波，同时提供系统的无功功率，是应用最广泛的电源净化滤波装 置。 2 5 高次谐波污染情况下，电容柜运行状况分析计算 ， 静止式电容柜因控制简单，功耗低，运行维护方便，投资省而广泛应用于供电 系统补偿无功功率。但是近年来偶有发生电容柜在运行中出现熔断器熔断，接触器触 点熔化、烧毁等故障，通过分析，基本是电网高次谐波分量较大引起的“”。例如：福 州变压器厂向山东青岛港1 7 # 变电所提供7 # 箱式变电容柜，在现场检测低压侧母线电 压曾出现2 3 次谐波，畸变率为4 4 ( 基波线电压为4 0 0 v ，电容柜每回路补偿量 1 4 k v a r ，且为联结) 。以此参数可计算谐波电流数值，步骤如下： c ；：望；! 兰! ! 垡；9 3 。f u 2 3 3 1 4 4 0 0 2 3 3 1 4 2 3 次谐波电压有效值：4 0 0 v 4 4 = 1 7 5 v 2 3 次谐波相电流为： ，脚t 而1 7 孓6 ：1 7 6 x h x 2 3 5 0 9 3 1 。一= 1 1 8 3 爿 福建农林大学硕士学位论文 2 3 次谐波线电流为：，。= 3 l 。z2 0 4 9 a 基波线电黼。= 志= 器= 2 0 2 1 a 4 0 04 34 0 0 “ 3 忽略其它谐波，则线电流有效值为：i = ，：3 + e 。= 2 0 4 9 2 + 2 0 2 1 2 = 2 8 7 8 a 约为 基波额定线电流的1 4 2 倍，虽然谐波电压分量不大，但谐波次数高，电容支路容抗 减小很多，造成谐波电流分量较大，必然引发电容支路元器件因过流损坏。 出现2 3 次谐波，畸变率为4 4 时，电压畸变图如图3 所示，电流畸变图如图4 所示。 f - 尹咚q “4 v 图中k ( x ) 为畸变电压曲线、f ( x ) 为基波电压曲线 图3 电压畸变图 圈中c ( x ) 为畸变电流曲线、b ( x ) 为基波电流曲线，虚线为畸变电流的包络 图4 电流畸变图 塑堡查签查堂堡主堂堕丝茎 3 硬件设计 3 1 基本框图及工作原理 电网 电压、 电流 采样 信号 电容回路 电流采样 信号 负载电流检测单元 功率因数中角检测单元 电网电压高次谐波超标检测单元 电容支路恒电流运行单元 p l c 可编程 控制器 电容回路 各个电容回路 的无触点功率 模块 图5 耍件构成框幽 硬件主要由电容支路恒电流运行单元、电网电压高次谐波超标检测单元、功率因 数中角检测单元、负载电流检测单元组成。基本工作原理由图5 说明：自动运行时系 统由功率因数中角检测单元通过对电网电压、电流信号进行采样，检测功率因数中角 提供给p l c ，由p l c 进行各个电容回路的循环投切判断；当无谐波或谐波分量未超标 时由电容支路恒电流运行单元通过对电容回路电流进行采样决定各个电容回路的无 触点功率模块的导通角，手动运行时电容回路要么导通角全开放运行，要么关闭即切 除；电网电压高次谐波超标检测单元以及负载电流检测单元提供谐波超标闭锁信号和 负载电流闭锁信号给p l c 。在自动投切电容器前增加这两个信号保证系统的安全运 行。 3 2 无触点可控模块实现电容支路恒电流运行 电网产生谐波的原因是复杂的，而且又是随机出现的。它除了跟负载性质有重要 关联外，还跟电力系统主接线方式，主变压器的结构，各种负荷的分布，投、切组合 方式有关。特别是由于电力系统谐振引起的高次谐波( 例如2 3 次谐波) ，往往谐波电 压值不大，一般电工仪表检测不出，但是在电容上产生谐波电流又很大，所以往往电 塑壅窒签查堂堡主堂堡笙苎一一一 容柜元器件经常损坏还查不出原因。因此，寻找电容柜在有谐波的情况下，能不损坏 元器件，且实行最有效无功补偿是很有意义的。 3 2 1 无触点可控模块实现电容支路恒电流运行 图6 电容同路恒电流运行原理框图 图6 为电容回路恒电流运行原理框图，给定值为电容回路在正常情况下的额定 值，其值为i f q 。3 u 、。，其中q 。为三相电容补偿的无功容量，u ，。为线路基波额定电 压。取某电容回路a 相电流通过3 0 a 1 5 i i l a 的穿心式电流互感器和整流滤波电路输出 对应的电压值与转化为电压值的给定电流值进行比较。在无谐波状况下，无触点开关 导通角全开放运行，使电容回路电流小于或等于给定的电流值运行。当有谐波状况下， 电容回路谐波电流增大，通过p i d 调节器作用减少无触点开关的导通角，使电容回路 的全电流等于电流的给定值，电容器又能补偿，又不会损坏电容回路的元件。电容柜 有多个同容量的电容回路时，由于其对称性，只要设一个测量回路和一个调节器，将 其输出点连接至各个电容回路各自的无触点功率模块，即可实现整个电容柜恒电流运 行方式“。( 其连接与否是由p l c 与手动按钮控制，具体控制在试验论证的电气接线 部分中介绍) 福建农林大学硕士学位论文 3 2 2p i d 控制原理及设计 ( 1 ) p i d 控制的原理 p i d ( p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld e r i v a t i v e 、控制是自动控制系统控制中应用最为广泛的 一种控制。按偏差的比例、积分、微分控制，简称为p i d 控制。它以其结构简单、稳 定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控制对象或系统 的结构和参数不能通过有效的测量手段来获得精确的参数时，控制理论的其它技术难 以采用，这时使用p i d 控制技术最为方便“”1 。 图7 模拟p i d 控制系统示意圈 模拟p l o 控制系统如图7 所示。p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 构成控制偏差e ( t ) = r ( t ) 一c ( t ) ，将偏差的比例，积分，微 分的线性组合，构成控制量，对被控对象进行控制。其控制规律为 喇= k p e ( 小瓤砸) 出+ 乙警】 式中k p _ 比例系数；t ，积分时间；t d _ 微分时间。 实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活地采用不同的控 制组合。 塑堡查莶查堂堡主兰堡堡苎 ( 2 ) p i d 控制器的设计 图8p i d 控制器 根据系统的要求设计位置式的p i d 控制器，如图8 ，比例控制能迅速反应误差， 从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引 起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积 累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误 差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使 系统出现振荡。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加 快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。应用p i d 控制必 须适当地调整比例放大系数k 。积分时间t 】和微分时间t d ，使整个控制系统得到良 好的性能”。 本系统参数整定时，采用理论计算整定法结合工程整定方法，预先计算出比例、 积分、微分各个控制器的粗略取值，取r 。= i o o k ，r 3 5 = 2 0 k ，c 1 8 = 4 7 u f , r 。= 2 0 k ，r 4 s = i o o k ， c 1 9 = 4 7 u f 。“o ) = 瓤) “0 6 g q ) m + 0 4 7 宅笋】，在试验时调节各个控制器中的变 阻器进行调整使其达到设计的要求。 设取a 相电流通过电流互感器和整流滤波电路输出对应的电压值为u l ，将给定 电流值转化为电压值u 2 ，通过差分放大电路u 8 d 得到e ( t ) = u 2 一u 1 ，当e ( t ) 0 ，说明实际电容回路电流过小，通过p i d 调节器作用加大 无触点开关的导通角，增大电容回路电流。以此实现电容柜的恒电流运行。 3 2 3 无触点功率模块 输入 1 k c o n 2 v c o n 3g 舯 4g n d 5 p o w e r 图9 三相集成移相调控晶闸管交流模块 图9 中移相控制器由同步、整形、计数器、a d 、振荡器、脉冲分配器以及驱动 等电路组成，它有5 根引出脚：l 脚内设1 0 5 v 5 m a 稳压电源，为电位器手动调节方 式提供直流电压：2 脚为控制引脚，用来输入0 - 1 0 v 的控制信号，输入阻抗1 mq ， 控制电压越大，导通角越大；3 、4 脚为系统接地点；5 脚为控制系统1 2 v 电源的正极， 其工作电流在0 8 a 左右。功率模块接线图1 0 和交流模块输出特性曲线图1 l 如下： e c o n 口，一 v c o n 口一 g 肋a g n do p 0 霄e r 。一 1 2 v e c o na v c o n k g n do - - - g n do p o w e r “一 图1 0 测试功率模块接线与安装接线 1 2 v 塑垄坐整奎堂堡圭堂垡丝塞 一 v c o i l v o 输出交流线电压v i n 输入交流线电压v c o n 控制信号电压 图1 1 交流模块输出特性曲线 自动运行时由p l c 控制，v c o n 接p i i ) 输出信号由p i d 输出信号控制导通角，实 现电容柜恒电流运行，接地时切除电容回路；或手动控制时输入l o v 电压则投入电容 回路，切除电容回路时则将v c o n 接地，使其输出与输入的比为0 ，即输出为0 。接线 图如图1 2 。 3 3 高次谐波检测 。黑蹴鐾习。尸呻 s w