（电力系统及其自动化专业论文）多功能无功补偿控制系统研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a bs t r a c t t h ee q u i p m e n tb a s e do nf i x e dc a p a c i t ya n ds u b d i v i d e dc a p a c i t o rw h i c ha r e u s e df o rr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，b e c a u s eo fi t sl o wp r i c e ，h a sb e e n p r i m a r yu s e df o rr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n df i l t e r i n go u th a r m o n i c ，t h e i n s t a l l e dc a p a c i t yw o u l dg r o wb i g g e ra n db i g g e r h o w e v e r , t h ed e v i c eu s e di n t h ep r o je c t ，u s u a l l yc o m p o s e do ft h ec o n t r o l l e ra n dr e l a yp r o t e c t i o n ，t h e ya r et w o s e t s o f i n d e p e n d e n te q u i p m e n t s ， a n do f t e n p r o d u c e db y d i f f e r e n t m a n u f a c t u r e r s w em u s td os e c o n d a r yd e v e l o p m e n tw h e nu s et h e m i nr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cf i l t e r i n g ，w en e e dt o d os o m ea n a l y s i so f p o w e rq u a l i t y i no r d e rt ow a t c ht h ee f f e c to ft h ec o m p e n s a t i o n m a n y m a n u f a c t u r e r sd e v e l o p e ds p e c i a l i z e dp o w e rq u a l i t ya n a l y z e r sw h i c hc o s tt o o m u c h t h i sp a p e rs t u d i e so nt h ed e v e l o p m e n to ft h em u l t i f u n c t i o nr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n c o n t r o l s y s t e m ，t h et a r g e t i st o c o l l i g a t ev a rc o m p e n s a t i o n c o n t r o l l e r , t h ep o w e rq u a l i t ya n a l y s i sa n dr e l a yp r o t e c t i o nt o g e t h e r , g r e a t l y r e d u c e dt h ec o s t s ，e n h a n c e dt h ef u n c t i o no ft h es y s t e ma n ds h o r t e nt h e d e v e l o p m e n tc y c l e f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e si n s t a n t a n e o u sr e a c t i v et h e o r y , t h et h e o r yo ft h e r e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o n ，t h et s ct h e o r y ，t h ec a l c u l a t i o no ft h ep o w e r p a r a m e t e r sa n dt h ed e s i g nt h e o r yo fr e l a yp r o t e c t i o n s e c o n d l y ，b a s e do nt h e s e t h e o r i e s ，t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi sd e s i g n e dw h i c hu s e dt h et m s 3 2 0 f 2 8 12 d s p a n de p1c 6 q 2 4 0 c 8f p g aa st h ec o r e ，a n ds a m p l i n gc i r c u i t ，s i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i t ，p h a s el o c k e dl o o pa n do t h e rp e r i p h e r a lc i r c u i t a n dt h e nd e s i g n st h e s y s t e ms o f t w a r e ：t h er e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o n ，t h es a m p l i n go ft h ev o l t a g ea n d c u r r e n ts i g n a ls ，f f ta n a l y s i s ，t h ep u ti n t oa n dc u to ft h et h y r i s t o r , a n dr e l a y p r o t e c t i o n i no r d e rt od ot h ep o w e rq u a l i t ya n a l y s i sa n d ，w ea l s od e s i g n st h e h u m a n m a c h i n ein t e f f a c ew i t hv c + + 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 ；r e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i n g ； t s c ；i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ；d s p 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校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。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：缎 指导老师 日期：矽g 反夕 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 该系统在无功补偿的同时，同时完成了电能质量分析和继电保护，将无 功补偿控制器、继电保护和电能质量分析集成一体，提高了系统的综合性， 降低了系统成本。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 近年来，电力电子变换技术将电能变换为更经济、适用的电能，因此得 到了广泛的应用。但是电力电子器件是非线性器件，在应用中会产生谐波电 流和无功功率，引起电网污染。电网谐波和无功治理对减小电网的损耗、提 高电网的质量，有十分重要的意义。以固定电容或电容分组( 串有电抗器) 的无源无功补偿因其低廉的价格一直是补偿电网无功、滤除电网谐波的主要 手段，装机容量将越来越大。无功补偿装置控制有：无功检测、投切控制和 保护三大部分。中高压无功补偿工程中要求要配专门的继电保护装置，通常 控制器和继电保护是两家不同的生产厂家，这样要实现接口要二次开发，增 加成本；继电保护要选电力系统专有的线路保护器，价格昂贵。针对电容补 偿和谐波滤波，开发出综合性的控制系统可以节约控制成本同时提高控制器 的功能。 在无功补偿和谐波滤波时，要检测电网的无功电流，采集成电网的电压 和电流信号。在很多就用场合，为实现电网电能质量分析和管理，要配有专 门的电能质量分析仪。目前很多厂商均开发出专门的电能质量分析仪，价格 也较高。本课题研究有电网质量的分析，无功补偿控制和和继电保护于一体 的综合控制器，将大大减少系统综合成本，增强了系统的功能。 1 2 课题国内外研究现状 1 传统无功补偿方式 长期以来，传统的功率补偿装置缺乏自动调控手段，反应速度慢，调控 不灵敏。在运行中常出现过电压、过电流和执行器件触点易烧损等弊端，不 适合于频繁调节和投切，导致无功补偿不合理，无功反送，造成过补偿，使 三相电量极不平衡，造成电网电压波动闪变、超限和过高现象。由于存在可 靠性低、电容使用寿命短和功率因数低的问题，达不到高效节电节能的目的。 传统的无功调节设备有并联电容器和调相机。并联电容器是电网中用的 最多的一种专用的无功功率补偿设备。它的特点是价格便宜，易于安装维护， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 主要用于控制负荷功率因数之用，也可用作无功功率。它的缺点是当电压降 低时，特别是由于故障而电压降低时，系统需要电压支持，而并联电容器输 出无功功率却急剧下降，不能满足系统需要。调相机实质上是一种不带机械 负载的同步电动机，调节其励磁，即可以发出无功功率，又可以吸收无功功 率，是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容器得到大量采用后，它退 到次要地位。调相机的优点是：在系统发生故障引起电压降低时，同步调相 机可提供电压支持，还可以在短时间进行强行励磁，对提高电力系统的稳定 性有很大好处。它的主要缺点是投资大，运行维护复杂，机械损耗大，噪音 大。 随着柔性交流输电( f a c t s ) 概念的提出，特别是电力电子技术得到长 足发展以后，静止无功补偿装置( s v c ) 有了很好的发展。在工业界，静止 无功补偿装置通常是转指使用晶闸管的静止无功补偿装置，它包括晶闸管投 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 ) 和晶闸管控制电抗器( 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 ) 以及两者的混合装置( t s c + t c r ) 等装置。 2 晶闸管投切电容器( t s c ) 图1 - 1t s c 结构图 单相t s c 通常由两个反并联的晶闸管与电容 器串联组成，如左图1 1 所示，两个反并联的晶闸 管起到将电容接入电网或从电网中断开的作用，而 串联的小电感用于抑制电容器投入电网时可能产生 的冲击电流。t s c 的关键技术是投切电容器时刻的 选取。经过多年的分析与实验研究，其最佳投切时间 是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电 压等于电源电压的时刻，此时投切电容器，电路的冲 击电流为零。这种补偿装置为了保证更好的投切电 容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电 容器。t s c 的优点在于它能对三相不平衡负载进行分 相补偿，操作中不产生有害过电压，但是它对于由于负载的突变引起的电压 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，因此t s c 装 置一般与电感相并联，采用t c r 与t s c 配合使用构成混合型补偿器，这种 补偿器以电容器作分级粗调，以电感作相控细调。但是，s v c 装置在动态 调节无功功率时不可避免的会产生大量谐波，需要将固定电容器和电感串联 构成谐波滤波器来滤除谐波。而且s v c 运行时电容和电感的一部分容量相 互抵消造成不经济，且电容分组不连续投切会影响调节质量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容在于开发出集电网质量分析、无功补偿控制器和继 电保护于一体的无功补偿综合控制装置，研究内容有如下几个方面： 1 、分析综合控制系统的理论基础，包括t s c 无功补偿原理、瞬时无功 功率理论以及无功电流检测等理论；电能质量分析时所涉及到电能参数的计 算理论；继电保护的原理及基本结构等。 2 、根据理论分析，本文设计了以f p g a 和d s p 为核心的控制系统硬件 开发平台，包括外围信号处理模块、核心控制模块以及人机接口模块。 3 、在硬件平台上安成了系统的软件开发，在f p g a 中主要完成无功电 流检测的设计；在d s p 中完成电能质量分析、晶闸管的投切控制以及继电 保护等设计；并在上位机完成人机界面的设计。 4 、对部分软件进行编程和验证：在d s p 的编程环境c c s 中验证了f f t 谐波分析程序的正确性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章无功补偿控制系统理论分析 本章将对无功补偿的相关理论进行阐述，多功能无功补偿综合控制系统 的设计是在本章的理论基础上进行的。理论分析包括无功功率理论、无功功 率动态补偿原理、电能质量分析、继电保护等内容。 2 1 无功功率理论 首先介绍下无功功率理论，在多功能无功补偿综合系统中，无功电流和 功率的检测和计算是以瞬时无功功率理论为基础，系统在平台f p g a 上实现 了i p i q 无功电流检测方法，因而，在此有必要对瞬时无功理论以及无功电流 检测的知识进行介绍。 2 。1 1瞬时无功功率理论 三相电路瞬时无功功率理论自8 0 年代提出以来，在许多方面得到了成 功应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬 时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量【1 】【2 】。以该理论为基础，可以得出 用于多功能无功补偿综合系统的无功电流实时检测方法。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为e b 、巳和乇、乇、f c 。 分别经a 一变换，可得到口、两相瞬时电压屯、毒疗和两相瞬时电流 k 、砀： 黔：目 m ：豳 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 式中 r 1 c 3 2 - - 历k l 一1 2 1 2 l 压2 一历2i ( 2 3 ) 在图2 1 所示的a 一平面上，矢量屯、如和之、易分别可以合成( 旋转) 电压矢量毒和电流矢量； 毒= 吒+ ：e 么纯 ( 2 4 ) ；= 乞+ = f 么仍 ( 2 5 ) 8 、i 为矢量垂、珀勺模：织、仍分别为矢量吾、；的幅角。 图2 一l a - f l 坐标系中的电压、电流矢量 瞬时电流定义：三相电路瞬时有功电流i p 为：= i c o s 妒，三相电路瞬 时无功电流为：= i s i n6 p ，其中，缈= 纯一仍。 三相电路瞬时无功功率g 和瞬时有功功率p 为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 孑 = e = 口z ：； = e z ：嚣二署； 一c o n $ 纯0 e s i nt p , 一s i nr p 仍； j = 巴地 仁6 ， = 嘲 2 1 2无功电流的检测 本节在瞬时无功功率理论的基础上对无功电流检测的方法进行了分析， 并在系统平台上的f p g a 中实现了i p - i a 法，并验证了该方法的优越性【6 】【7 1 。 无功电流实时检测在系统中占很重要的地位，要对电网侧已产生的谐波 和无功功率进行无功补偿，首先就要准确的检测出需要补偿的谐波和无功功 率的大小，如果检测结果不准确，则直接影响到这个系统的补偿效果。另外 通过无功检测系统对电网进行电能质量分析可以为系统工作性能的评价提 供有力的依据。因此无功检测系统在整个谐波滤波和无功补偿装置中占很重 要的地位。 常用的电流检测方法可分为时域和频域两大类。频域检测方法中最早的 谐波电流检测方法是采用模拟滤波器实现，即采用陷波器将基波电流滤除， 得到谐波分量。或利用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到 谐波分量。但其缺点十分明显，如设计困难、误差大、对电网频率波动和电 路元件参数敏感等，不实用。 随着现代计算机和微电子技术的发展，人们开始基于传统的傅立叶分析 ( f o u r i e r ) 幂1 快速傅立叶分析( f f t ) 算法根据一个周期的采样值对电压电流进 行频域分解，来检测谐波和无功电流。它同时有适用单相和三相系统的优点， 但算法复杂，需要进行两次变换，计算量大，需要较多的时间，因此导致较 长时间的延迟，实时性较差，无法满足许多场合的实际要求。但基于频域检 测方法对于负载稳定情况下的检测具有一定优势，并且该技术可以对指定次 数的谐波进行提取，灵活性较大。 正因为上述原因，目前应用和研究较多的是时域检测方法。传统的以平 均值为基础的功率理论概念清楚，并已得到广泛应用。但当电压电流含有谐 波，或三相电路不对称时，传统功率理论已无法对其进行有效阐述。为了建 立能包含畸变和不平衡现象的完善的功率理论，对谐波和无功功率进行有效 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的补偿并为其提供理论指导，各国学者对此展开广泛的研究，新的理论和定 义不断推出。特别是8 0 年代以来，日本学者赤木泰文( a k a g i ) 等人提出的瞬 时无功功率理论，解决了谐波和无功功率的实时检测和不用储能元件实现补 偿的问题，并将有源滤波器从实验室推到了工业应用中。 在时域检测方法中，应用最广泛的是基于瞬时无功功率理论的p q 检测 法，基于同步坐标变换的i p - i 。电流检测法等。这些方法在三相电压对称及无 畸变的情况下均能准确地检测出谐波和无功电流，但在三相电压不对称或含 有畸变时，p q 法的检测结果会有较大的误差；i p - i a 电流检测方法由于只 取s i nc o t 、一c o s ( o r 参与运算，畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，因 而检测结果不受电压波形畸变的影响，检测结果是准确的【引。 ( 1 ) p - q 法 p q 检测法采集三相电压和电流信号，根据定义算出p 和q ，经低通滤 波器得到p 和q 的直流分量。如果要计算谐波电流，则对计算出的p 和q 直流分量进行反变换得出检测电流的基波分量i a f 、i b f 、i c f 。将i a f 、i b f 、i c f 和i a 、i b 、i c 相减，即可得出i a 、i b 、i c 的谐波分量i a h 、i b h 、i c h 。p q 检 测法的原理图如图2 2 所示：其中c 3 2 和c 是矩阵， ( 2 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 孑 = c k g ： 差 = 乏三乏 c j ： 茎 c 2 8 ， 0 锄 t 嘻 咆c - 朋阡知圈 p 9 ， ( 2 ) i p i q 法 i p i q 检测法的原理图如图2 3 所示，该法需要用到与a 相电网电压e a 同相位的正弦信号s i nc o t 和对应的余弦信号一c o s c o t ，他们由一个锁相环p l l 和一个正、余弦信号发生电路得到。根据定义可以计算出i p 和i q ，经低通 一 滤波器得出i p 和i q 的直流分量j 口和t q ，即可计算出电流的基波分量，进而计 算出谐波分量。 该方法由于只取s i n c o t 、一c o s c o t 参与运算，畸变电压的谐波成分在运算 过程中不出现，因而检测结果不受电压波形畸变的影响。 图2 - 3 i p i q 运算方式的原理图 其中c 3 2 和c 是矩阵，c 2 3 是c 3 2 的转置。 r l 1 - 1 2- 1 2 l c 3 2 _ 2 乃io 历2 一插2l ( 2 - 1 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 则： 小q 豳 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 图2 3 中p l l 是锁相环，s i n 一c o s 为正余弦产生电路，l p f 是低通滤波器。 根据上面的分析，我们在进行无功电流检测和计算采用了i p i q 方式，此 种方法减少了采集电网电压的硬件资源，在电压相位检测准确的前提下就可 以较准确地检测出系统的无功电流，并且该方式受电网电压畸变的影响相对 较少。 2 2 无功功率动态补偿原理 首先介绍下无功功率理论，在多功能无功补偿综合系统中，我们是采用 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 ) 的方式进行无功功率 补偿的，所以这里有必要描述一下无功功率的补偿原理以及t s c 无功补偿 的原理。本系统在设计t s c 投入时刻和晶闸管投切原则以本节为理论基础， 采用无功功率控制投切的原则。 2 2 1无功补偿原理与分类 对无功功率进行快速的动态补偿，可以实现以下功能： ( 1 ) 对动态无功负荷的功率因数校正； ( 2 ) 改善电压调整； ( 3 ) 提高电力系统的静态和动态稳定性； ( 4 ) 降低过电压； ( 5 ) 减少电压和电流的不平衡。 这些功能有些是属于对负载的补偿( 称为：负载补偿) ；有的则是以整 个电力网络性能的改善和输电能力的提高为目标( 称为：输电补偿) 。而改 善电压调整，提高电压的稳定度，则是他们共同的目标。 下面以改善电压调整的基本功能为例，简述动态无功补偿的原理。 图2 4 所示为系统、负载和补偿器的单相等效电路图。其中，u 为系统 线电压，r 和x 分别为系统电阻和电抗。设负载变化很小，故有u x 时，反映系统电压与无功功率关系的特性曲线如图2 - 4 b 中实 线所示，由于系统电压变化不大，其横坐标也可换为无功电流。可以看出， 该特性曲线是向下倾斜的，即：随着系统供给的无功功率q 的增加，供电电 压下降。 补 广一一一一 i 。- - k r k a 吒 i i i i i q。lg 。： l 1 0 a ) 单相电路b ) 动态补偿原理 图2 4 无功功率动态补偿的原理 实际上，由电力系统中的分析可知，系统的特性曲线可近似表示为： u ：( 1 一导) ( 2 1 3 ) d s c 或 a u ：一a q ( 2 1 4 ) 一= 一一 厶l t ， u a s s c 式中， 砜一一无功功率为零时的系统电压； s 旷一一系统短路容量。 可见，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。 投入补偿器之后，系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即： q = q + q r ( 2 1 5 ) 因此，当负载无功功率皱变化时，如果补偿器的无功功率q 总能够弥 补q 的变化，从而使q 维持不变。即a q = 0 ，则u 也将为0 ，供电电压保 持恒定。这就是对无功功率进行动态补偿的原理。图2 - 4 b 示出了进行动态 的无功补偿，并使系统工作点保持在q - - q = 常数。 当使系统工作点保持在q = 0 处，即图中的c 点时，就实现了功率因数 的完全补偿。可见补偿功率因数的功能可以看作是改善电压调整的功能的特 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 例。 2 2 2主电路 1 电容器接线方式 电容器接线方式的不同，决定了补偿方式的不同。目前电容器的接线方 式有三角形接线法、星行接线法、三角形和星形相结合3 种接法。本论文采 用三角形接方式，如图2 5 所示。 三角形接法的优点是投资少，控制方便，对三次谐波有抑制作用，缺点 是补偿精度差，在三相负载不平衡时，容易出现有的相过补或者有的相补偿 不充分，所以三角形接法主要用于三相对称性负荷。 a b c c 3 图2 - 5t s c 主要接线图( 三角形接线法) 2 电容器的分组方式 电容器的分组方式有等容分组方式和不等容分组方式。等容分组方式是 指各组电容器的容量相等，优点是易于实现自动控制，缺点是补偿级差大， 要想获得较小的补偿级差，必须增加分组组数，相应的控制设备及所占空间 也需要增加。不等容分组方式是指各分组电容器的容量不相等，其优点是利 用较少的分组就可以获得较小的级差，缺点是控制比较复杂。 在本系统中，电容器采用等容分组方式，便于实现系统的控制。 2 2 3 t s c 无功补偿原理 静止无功补偿器( s v c ) 具有吸收感性无功或称补偿容性无功功率的能 力，可抑制系统电压波动及闪变、限制过电压、提高功率因数和系统静稳定 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 及增大线路传输能力。晶闸管开关电容型无功补偿装置( t s c ) 用串并联的晶 闸管组投切高压电容器组以对系统补偿无功。晶闸管开关响应时间短，能够 准确地选择电容器投切角度，实现零电流导通，避免投切时过流过压产生， 实现电容器的无过渡过程投切。它还可频繁投切，有效地跟踪、补偿快速变 化的负载，抑制电压的闪变影响，提高电力系统的稳定性。 1 基本原理 t s c 的基本原理如图2 - 6 所示，其中图a ) 是其单相路图，其中的两个 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，一般还要串联 串联的电感l 与电容器c 组成无功补偿器件，又起滤除特定次谐波的作用， 同时也可以用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。当电容器投入 时，t s c 的电压一电流特性就近似为该电容器的伏安特性( 因为各次谐波电 流在电感上产生的电压降与电容相比很小) 即如图2 - 6 c 所示。在工程 u 1 0弋w a ) 单相结构简图 c8 a 。 l l b ) 分组投切的t s c 单相简图c ) 电压一电流特性 。图2 - 6t s c 的基本原理 实际中，一般将电容器分成几组( 见图2 6 b ) ，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，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，其电压一电流特性按照投入电容器组数的不 同可以是图2 6 c 中的o a 、o b 、o c 。当t s c 用于三相电路时，可以是联结， 也可以是y 联结。 电容器分组的具体方法比较灵活，一般希望能够组合产生的电容值级数 越多越好，但是要综合考虑到系统复杂性以及经济性问题。 2 投入时刻的选取及实现方法 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 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。一般来讲，希望电容器预 先充电电压为电源电压峰值，而且将晶闸管的触发相位也固定在电源电压的 f r ：c d v c 峰值点。由电容器的特性方程。比，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 变化率为零，因此电流为零，随后电源电压的变化率才按正弦规律上升，电 流即按正弦规律上升。这样，整个投入过程就不会产生冲击电流，也没有阶 跃变化，这就是理想的投入时刻。 l 1 仆 一c 号 ， 一 i 卜 r 7 1 c i j 图2 7t s c 投切等效电路图 无涌流投切必须同时满足： f c o s 口：0 即：s i n 口：+ 1 t 致。：一( i ：( q ：一z ) ) s i n 口( 2 - 1 6 ) 即必须满足：1 ) 晶闸管在电源电压的峰值触发；2 ) 电容器预先充电到 q 2 ( c o n 2 一c 0 0 2 ) 所。但前者易行后者难。控制策略应使晶闸管触发时将振荡 的过渡过程限制在可接受的限度之内。 由于鸭 吼，则： i ( t ) = l c o s c o o t + 叻一厶c o s a c o 础o , , t + c o n c ( + s i n a ) s i n c o j ( 2 - 1 7 ) 可见，晶闸管重新触发不至引起大涌流的时刻是：u c 。= - u 小s i n a 的瞬 间。也就是说：应该在电网电压与电容器上残留电压极性相反且大小相等的 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 时刻投入电容器组。 实际应用中，如果直接检测电网电压和电容器残留电压，再进行比较， 从而在u ，。= 一u ，s i n a 这个投入( 触发) 时刻投入电容器，这样的方法是很 难实现的。从图2 7 电路图中可知： 坼= u 一 ( 2 - 18 ) 可见，在u 。= 一u 。s i n a 时刻，恰好有坼= 0 ，也就是晶闸管的过零时 刻。从而可以得到检测触发时刻的方法：通过检测晶闸管端电压坼，转换 为触发电平信号，作为触发请求信号送入d s p 处理。 3 投切控制原则 t s c 投切控制方式主要有功率因数控制和无功功率( 无功电流) 控制两 种方式。 ( 1 ) 功率因数控制 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0 9 和1 o 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，所以在重负荷时，虽然功率因数满足了要求， 但电网中的无功功率仍很大。功率因数控制的另一个问题是轻载下的投切振 荡。 ( 2 ) 无功功率( 无功电流) 控制 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，计算出当前的无功功率( 无 功电流) 值。若当前值大于1 个电容器组的补偿值，则投入l 电容器组。若 当前值超前，则切除1 电容器组。由于本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。 可见，两种投切控制方式都各有利弊，要确定合适的控制方式，则必须 根据负载特点来进行选择。多数情况下，选择无功功率控制方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 3电能质量分析 在进行无功功率检测的同时，进行电能质量分析。本系统要分析的参数 主要有电压、电流的有效值、频率、有功功率、无功功率、功率因数、以及 关于谐波方面的各种参数。本章节将对各种参数的概念和计算方法加以讨 论，本系统是以本节为理论基础在系统平台上的d s p 中进行电能质量分析。 2 3 1 电网频率 目前，国内外频率测量的方法很多，但主要可以分为两类：硬件测量和 软件测量。 1 硬件测频法 测周期法：计数分频方法的硬件上要有两个计数定时器来实现，输入 模拟信号通过一个比较器就可以整成方波信号，用一个计数器来计数方波的 周期，然后根据这个计数器计数的值，来计算采样的频率，修改定时器的定 时值来产生采样脉冲以保证采样的同步。 2 软件测频法 软件测频法主要是同过交流采样值的分析和计算，再采用一定的算法来 求得。最常用的方法便是通过信号波形过零点的时间宽度来计算频率。 f f t 方法：该方法具有不受谐波分量影响的特性，但对截断信号的周期 延拓可能会引入频谱的扩散效应，不过可以通过提高a d c 采样速率和修正 测量结果的方法来获得较高的精度。 本系统采用第一种方法，利用两个计数器定时器来实现，先将模拟信 号通过比较器的过零比较整成方波信号，并利用d s p 中的外部中断来启动 计数器，并在下一个外部中断关闭计数器，然后根据这个计数器的值来计算 采样的频率。 2 3 2电网电压和电流 在非正弦波情况下，电流，电压包含各次谐波，产生畸变时，相电压有 效值计算公式为： u = ( 2 1 9 ) 将连续时间信号u ( t ) 离散化，在每个周期内采样n 点，可得有效值离散 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 计算公式： u = 同理，可得电流有效值公式： i = ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) n 为每周期采样点数，乙，u 。为一周波内第m 次的采样值。 本系统中，对三相电压信号和三相电流信号进行采样，并按照式( 2 - 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 计算其有效值，每周期的采样点数n 为1 2 8 。 2 3 3 功率和功率因数 无功功率和功率因数分为正弦电路和非正弦电路两种定义，在本系统中 我们按照正弦电路的无功功率和功率因数的定义，将电流分解成有功电流分 量和无功电流分量，先通过f p g a 来检测出无功电流分量和有功电流分量的 大小，再求得无功功率、有功功率以及功率因数。 1 正弦电路无功功率和功率因数 在正弦电路中，负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。设电 压和电流可分别表示为： “：而s i n c o t i = x 2 i s i n ( c o t 一妒) = 届c o s 妒s i n 研一西s i n 缈c o s 础 ( 2 2 2 ) 2 + 式中一电流滞后电压的相角，i | 口= x - 2 i c o s a p s i n c o t ，i g = - , f 2 i s i n o c o s c o t 。 电流i 别分解为和电压同相位的分量，和比电压滞后9 0 的分量i g 。电 路的有功功率p 就是其平均功率，即： 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 p = 去r 丌“耐( 烈) = 去n + “) d ( 刎) = 去f ”( 明c o s t p - u c o s6 p c o s 2 c o t ) d ( 叫) + 去r ”( 一u s i n 6 p s i n 2 耐) d ( 倒) = u c o s ( p ( 2 2 3 ) 电路的无功功率定义为： p = u s i n 妒 ( 2 2 4 ) 工程上，把电压电流有效值的乘积作为电气设备功率设计极限值，也就 是电气设备最大可利用容量，称为视在功率： s = u ( 2 2 5 ) 可知， s 2 = p 2 + d 2 ( 2 2 6 ) 有功功率和视在功率的比值为功率因数入： 旯= 二_( 2 2 7 ) 5 2 非正弦电路无功功率和功率因数 在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数的定义和 正弦电路相同。我们可以对其进行非正弦周期函数经傅立叶分解，有功功率 p 为 f = 去r ”u i d ( c o t ) = 喜玑l c o s ( 2 2 8 ) 视在功率s 为： s = = ( 2 2 9 ) 其中，玑、厶为第n 次谐波电压、电流有效值，纯为第n 次谐波电压 与电流相角差，( n = 1 、2 、3 、) 。 含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况非常复杂，至今没有被广泛 接受的科学而权威性的定义。可以定义无功功率： q ：两 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 这里，无功功率q 只是反映了能量的流动和交换，并不反映能量在负 载中的消耗。在这一点上，它和正弦电路中无功功率最基本的物理意义是完 全一致的。因此这一定义被广泛接受。但是，这一定义对无功功率的描述是 很粗糙的。它没有区别基波电压电流之间产生的无功功率、同频率谐波电压 电流产生的无功功率，以及不同频率谐波电压和电流之间产生的无功功率。 也就是说，这一定义，对于谐波源和无功功率的辨识，对于理解谐波和无功 功率的流动，都缺乏明确的指导意义。 可这样定义无功功率： g = 乩ls i n o ( 2 - 3 1 ) 这里q f 是由同频率电压电流正弦波分量之间产生的。q f 已没有度量电 源和负载之间能量交换幅度的物理意义了。 2 3 4 三相不平衡度 三相不平衡度指的是三相电压的负序电压的有效值和正序电压有效值 的百分比。当三相电压发生畸变时，在三相四线制，电网中除含有谐波分量 外，还含有正序分量、负序分量和零序分量。三相三线制中只含有正序分量 和负序分量。 e ：兰 ( 2 3 2 ) “2 u 和u ，分别为负序电压和正序电压的有效值。在三相四线制中，可以求 得： 去=妄小一1+鱼磅小j1+扣虿1u 22 p 3 3 ， 1“。 、 、2 2 “ 、7 壶=去小一1+鱼j，2去小l+鱼ju u 22 u2 2 法u 弘3 4 ， 2a 、 6 、 c 、7 其中u a ，u b ，u 。为三相基波电压。 在本系统中，先计算出三相基波电压，再计算出三相不平衡度。 2 3 5 电压波动和闪变 1 电压波动 ( 1 ) 电压波动的定义 电压波动为电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象，其变 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 化周期大于工频周期，也就是说在5 0 h z 的基波电压上叠加有一些列的调幅 波。电压波动与闪变主要是由用电设备具有冲击负荷或波动负荷、系统发生 短路故障、系统设备的投切等原因产生的。 l u ( t ) = 么 1 + m ic o s ( f f 乏t + 仍) 】c o s ( c o o t + ) ( 2 3 5 ) i ：1 式( 2 3 5 ) 中a 电网电压的幅值；所，调幅波i 的幅度；q 一调幅波i 的 角频率；c o o 电网基波电压的角频率：仍调幅波i 的初相角；基波电压 的初相角；i 调幅波的序号。 电压波动是指电压有效值发生变化，其变化的频率范围经研究仅考虑从 0 0 1 h z 至3 0 h z 之间，当电压有效值变化速度与额定电压相比时，其变化率 不低于每秒0 2 时，定义电压调幅波中，相邻两个极值电压有效值之差为 电压波动值v ，用供电电压额定值的百分数来表示： v =x 二匕也1 0 0 u n ( 2 3 6 ) 式( 2 3 6 ) d ? ，。和；。是调幅波中相邻的最大和最小两个极值电压有 效值，u 。，是供电线路的额定电压。若其变化频率低于每秒o 2 时，则定义 实际电压值与系统额定电压值之差为电压偏差，这时不属于电压波动的范 围。 ( 2 ) 电压波动的测量【2 0 】 要测量波动于闪变，首先的任务就是要准确地提取出m ，c o s ( q f + 仍) 。 i = 1 由于相对于a 来说，是比较小的，而且q 与比较靠近，因此，要直接 用选频的方法来提取是困难得，一般可以采用信号平方法、包络检波法、以 及均方值法。在这里我们主要介绍本文所采用的信号平方法。 在信号平方法中，可假定电压波形中仅含有单一的调制频率q ，如式所 示： “( f ) = a ( 1 + m c o s f ) t ) c o s c o o t ( 2 3 7 ) 式( 2 3 7 ) 0 7 ，m 是电压波动幅度，q 是电压波动的角频率，是电网电 压的角频率。把式( 2 3 7 ) 平方可得到： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 以归等c + 譬，+ 等c 。s 2 h 竿c 。s 2 h 华c 。s 2 c + f 2 ，r + 华c o s 2 ( c o o - f 2 ”华c o s ( 2 c o o + q ”华c o s ( 2 c o o - f 2 弘( 2 - 3 8 ) + ，剃2c o sq f + m z a , c o s2 f 2 t 4 式( 2 3 8 ) 所示的乘法器输出中，都是有限范围中的余弦项和直流项，有 用的仅是m a 2c o s f 2 t 项，因此，对其他各项都可用滤波器加以滤去，以取得 所需的电压波动信号。 电压波动常会引起很多设备的故障。根据g b l 2 3 2 6 9 0 电压波动和闪 变的规定，公共供电点的电压波动允许值为1 0 k v 以下，电压波动允许值 为2 5 ，3 5 k v - 1 1 0 k v 电压波动允许值为2 ，2 2 0 k v 及以上电压波动允许 值为1 6 。 2 闪变 ( 1 ) 闪变的概念 闪变是由于电网电压的波动所引起的灯光闪烁对人眼视觉产生刺激的 响应。闪变不仅和电压波动的大小有关，而且还和波动的频率、人的视觉等 因素有关。 ( 2 ) 闪变的测量 要获得闪变值，就必须在取得电压波动信号m c o s o t 的基础上，根据人 眼视觉度曲线进行相应的处理。目前主要有这些方法：模拟式加权滤波器法、 数字式加权滤波器法以及频谱分析法。本文将采用频谱分析法来测量闪变。 频谱分析法是在对信号进行a d 采样后，按大致为0 1 h z 的频率间隔进 行f f t 分析，可以获得0 1h z 至3 0 h z 之间各个频率谱线的幅值，然后，再 按视觉感度曲线上对应得各个频率分量上的视感度系数进行等效折算，从而 得到所需的闪变值。 2 3 6谐波分析 在本系统中，我们采用f f t 进行谐波分析，并将计算出三相电压和三 相电流1 3 2 次的谐波分量以及各自的谐波总畸变率t h d ，因此，有必要介 绍一下和谐波相关的一些基本概念，以及f f t 分析的一些相关知识。 1 谐波 在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦 西南交通大