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基十t s c 的电胜尤功优化控制装置的研究与设计 摘要 电网电压无功控制问题是一个关系到系统电压稳定、保证电压质量、提高电 网运行经济性的重大课题，一直受到电力系统运行人员和研究人员的关注。对于 联系电网和用户的变电站来讲，通过合理调节变压器分接头和投切电容器组，在 很大程度上可以保证电压质量的合格及无功的就地平衡。变电站电压无功综合控 制既是变电站自动化系统必不可少的功能之一，也是区域网电压无功集中控制的 重要组成部分。随着近几年电网改造在全国范围的展开，大部分带有电容器和有 载调压变压器的变电站都装上独立的v q c 。虽然这些装置在改善电压质量和降低 网损等方面起到积极作用，但是在运行中也发现了一些不足和有待提高的地方。 针对上述存在的问题，迫切需要设计一种能够适应变电站自动化系统和电压 无功综合控制的需要，弥补当前控制装置存在的不足，利用模糊控制和计算机仿 真技术，研制性能更加完善，实用性更强的变电站电压无功控制装置。 通过分析目前变电站的电压无功控制情况，在满足“保证电压合格，无功基 本平衡，尽量减少调节次数”的变电站电压无功综合调节的基本原则要求前提下， 本文提出了基于t s c 的电网电压无功优化方案，设计了结合模糊控制和专家系统 这两种人工智能方法的控制器，既保留了模糊控制处理不确定性问题的能力，又 可以充分利用专家系统的综合决策能力。论文以变电站为例，具体论述了基于模 糊控制和专家系统的变电站电压无功控制系统的设计过程，并通过实例仿真对其 效果进行了验证。 根据电压无功控制装置的技术要求和控制功能，本文设计了一种采用工控机 硬件平台和基于p s d 芯片的单片机系统的新型半独立式v q c 控制装置，完成了 装置的硬件选型、调试和软件设计。样机的全面测试和试运行结果，表明该装置 调节和控制方法合理、准确、可靠，可有效解决以往变电站电压无功控制装置由 于控制策略和硬件的限制所产生的控制效果差、动作频繁、界面不友好等缺陷， 其性能指标完全满足变电站运行需要，达到实用化要求。 关键词：电压无功控制；模糊专家系统；t s c ；v q c a b s t r a c t ：砒a g ：a ：三二= z 焉= ：1 二：i ：= ? 篡t = ：s _ ：三 s t a m m y ：v 竺i = ：黑= = ：s = ：三三= ：= ：= ；：n t o 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e s s i v e l yf r e q u e n tr e g u l a t i n ga n du n f r i e n d l yi n t e r f a c et h a t r e s u l tf r o mt h el i m i t a t i o no fc o n t r o ls t r a t e g ya n dh a r d w a r ei nt h ep r e v i o u sv q c d e v i c e s t h ep e r f i o r m a n c eo ft h ed e v i c em e e t st h eo p e r a t i n gn e e do fs u b s t a t i o n sa n d h a sr e a c h e dt h er e q u e s to fp r a c t i c a lo p e r a t i o n k e y w o r d ：v o l t a g e ，r e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ；f u z z ye x p e r ts y s t e m ；t s c ；v q c i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：弓玎：识产日期：夕卯多年岁月二7 日 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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部 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 复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打 ”) 作者签名：彳玎；榈弘日期： 歹口矽矿年岁月27 日 别磴各冱以醐：洲肋阳 t 程硕i ：学位论文 1 1 课题的背景 第1 章绪论 电压是电能主要质量指标之一。电压质量对电网稳定及电力设备安全运行、线路损 失、工农业安全生产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有直接影响。电压过高、 过低或偏离一定范围都会影响用电设备的寿命和效率，特别是电压崩溃，曾导致国内外 许多电力系统丢失负荷甚至大面积停电的事故，造成了巨大的经济损失。其根本原因在 于，电力系统无功补偿严重不足，对无功和电压问题没有给予充分的重视。这就要求在 电网规划和运行中必须重视无功电源配置和枢纽电压支撑，以防止电压的崩溃；另一方 面，无功功率在系统中流动，不仅要损耗有功功率，占用输电线路和设备的容量，而且 在线路上要产生电压降落影响电压质量和电力系统的稳定性。这就要求在电网规划和运 行中，必须控制无功功率，限制其在系统中的流动【l j 。目前我国地区电网的电压质量虽 得到较大改善但仍然不够理想，其原因可以从两种情况分析。一是农村电网存在无功补 偿的不足，无功功率不平衡，导致电压质量不理想；二是城市电网中虽装有无功补偿设 备，但由于配置位置和容量不尽合理，导致负荷高峰时欠补偿，电压偏低，低谷负荷时 过补偿，电压偏高，不满足逆调压的要求。随着网络供电量增加，网络损耗的问题日益 突出f 2 】。 所谓电力系统电压无功优化是指在保证满足运行约束的同时，用尽量少的无功投入 ( 或尽量少的无功补偿设备投资) 最大限度地改善电压质量、降低网损。电力系统电压 无功优化控制主要是通过调整发电机的端电压、变压器分接头位置，无功补偿设备等手 段来实现的。电力系统电压无功优化问题分成规划和运行优化与控制两类。规划问题计 算无功补偿设备的最优安装位置、类型和容量。以达到节省投资费用的目的。运行优化 与控制问题认为无功补偿设备的配置已定，需要根据实际负荷的变化，确定无功补偿设 备的投切方案和变压器分接头位置等，以达到在满足电压质量要求的情况下，网损最小， 或能耗最小，或运行费用最小的目的。 我国配电网无功电压无论在技术还是管理上都暴露出许多问题，这些问题不是存在 哪个局部地区，而是遍及全网。尤其在丰水大方式下，以湖北省配电网为例，负荷中心 二十多个2 2 0 k v 变电站运行电压都只有2 0 0 k v 左右，约占6 0 5 ，有的地区影响到负荷 正常用电；5 0 0 k v 向2 2 0 k v 层间输送无功很大，约6 0 万l 唧，说明2 2 0 l ( v 及以下网明 显缺容性无功。按导则低标准缺1 0 0 万l ( v a r ，高标准缺1 8 0 万l ( v a r ，其中2 2 0 k v 站 需增加无功补偿约5 0 万k v a r ，大量缺在1 1 0l 【v 以下网【引。 皋于t s c 的电压无功优化控制装置的研究o j 设计 随着地区电网的不断发展，电网结构日趋复杂，无功调节手段的数目日益增多，用 户对电能质量的要求也同益提高，这些因素导致地区电网电压无功优化控制问题的规模 越来越大，对其求解的要求也越来越高，传统的电压无功优化控制h 方法已不能满足电 力系统实际运行的需求。因此，寻求一种新的控制方法和控制手段来解决地区电网电压 无功优化控制问题具有重大的理论意义和工程意义。 1 2 国内外的电压无功优化控制研究状况 1 2 1 电压无功控制理论的研究 模型处理是优化计算的基础，从大体上讲，电压无功优化的数学模型分为线性化模 型和非线性化模型两种。在满足运行条件的约束下，根据优化的侧重点不同，优化的目 标函数也不尽相同，通常有以下几种目标函数【5 7 】：a 各节点电压幅值与各节点额定电 压之差的平方和最小b 系统网损最小c 无功补偿设备投资最小d 综合考虑b 和c ，使 综合效益最大e 分接头、电容器( 电抗器) 投切次数最少电压合格率最高。 另外，由于对电压无功优化模型的处理不同以及优化目标函数的选择不同，使用的 优化方法也有差异。传统的电压无功优化算法主要有：经典法、线性规划法、非线性规 划法、梯度法、牛顿类优化、内点法等，其缺点是：目标函数及约束条件有一定限制， 如连续、可微等，必要时需要做简化和近似处理；难以处理高维矩阵问题；很多情况下 会陷入局部极小，或接近最优解时难以收敛；对离散控制变量也无一理想处理办法。现 代优化算法都是以一定的直观基础而构造的算法，很好的克服上述缺点，为解决复杂问 题提供了新的思路和手段【8 1 3 】。专家系统、神经网络、遗传算法、模拟退火法、t a b u 搜 索法、模糊集理论等方法都被引入电力系统中来解决无功优化问题，弥补了传统数学算 法的不足。 1 2 2 电压无功控制方法的研究 在地区性电网中，对电压和无功的自动控制目前的控制方式【m ”】主要有以下三种： 集中优化控制 这种方式是根据全网的状态进行优化计算，进而得出全网的电压无功的最优解，通 过调度中心进行安全性分析并按最优解实施电压无功集中优化控制。较常用的算法有线 性规划、遗传算法、人工神经网络等。线性规划的特点是速度快，但不容易收敛。遗传 算法的收敛性非常好，但速度慢，目前无法用于实时优化计算。人工神经网络目前仍处 于探索阶段。从理论上讲，通过电网调度中心实施整个系统的电压无功集中优化控制是 最合理的方法。 2 工程硕士学位论文 就地分散控制 这种方式基本以变电站为单位实施本地分散控制，调节电压和无功功率就地平衡。 这种方式的优点是原理简单、实现可靠。避免了无功功率经长途输送流经各级输变电设 备所造成的功率损耗和电压降落。由于仅能得到本站的数据，所以其缺点是仅能实现局 部最优，无法实现全局最优。 关联分散控制 关联分散控制方式即以变电站为中心，根据上级调度事先规定的母线电压允许数值 和该变电站与系统交换无功功率的允许范围，由安装于该站的电压无功综合控制装置根 据该站的实时运行情况，对有载调压变压器的分接头位置和并联电容器组进行优化自动 调节，需要时也可由调度直接下达命令进行调节。正常运行情况下，安装在各厂( 站) 的关联分散控制装置根据事先设计好的控制规律进行调控，调控范围和定值是从整个系 统的安全性、稳定性和经济性出发由电压无功优化程序事先计算好的；在紧急情况下或 系统运行方式发生大的变动时，可由调度中心直接控制或由调度中心修改下属变电站的 母线电压和无功功率定值，以满足系统安全、稳定、经济运行的要求。 在上述三种控制方式中，从理论上来说，集中控制方式是维持系统电压正常、实现 无功优化、提高系统运行可靠性和经济性的最佳方案。在一些经济发达国家，电网自动 化水平较高，集中控制实现起来较容易，因此大多采取集中控制。例如在法国，其电力 网实现了无功功率及电压的区域性集中控制，共分为三个控制层( 一次、二次及三次) 。 一次控制，对快速无规则的电压变化主要由电力系统机组的“一次作用”进行补偿，其 次靠4 0 0 2 2 5 k v 变压器的自动调压分接头；二次电压控制主要通过自动控制该区被选 为“控制机组的部分机组( 包括部分大电容高压电容器组) 所发出或吸收的无功功率， 以控制某一“控制区 内的电压；三次控制为手动，由中心调度所与地区调度所间作电 压水平和无功潮流的优化协调，从而取得全系统各节点电压的全面协调。到1 9 8 6 年， 几乎全法国系统都实现了二次控制，相应设有2 7 个控制区。 在国内，由于目前各变电站的基础自动化水平参差不一，实现全系统的集中优化控 制有较大难度。虽然一些地区调度中心自称对电压和无功可以实行集中控制，但实际上 由于配电网中部分区域的不可观性，很难实现真正意义上的最优控制。事实上，多数操 作只是由操作员进行远方手动操作，增加了调度员的负担，这是集中控制普遍存在的问 题。采用分散关联控制同样要求较高的自动化水平，而目前对配电网优化运行的研究大 多是建立在系统完全可观、完全可控的基础上的，受系统自动化程度的限制，所提的控 制策略无法实现。在今后相当长一段时间内，分散控制仍将是我国配电网电压无功控制 的主要控制形式。 我国由于配电网网架结构相对薄弱，人们希望通过电压和无功功率的联合控制来实 现配网运行优化。因此，从七十年代开始，陆续有一些单位对变电站电压无功自动调节 装置进行了研究和试验，积累了一些经验。早期的自动调节装置在运行过程中存在频繁 桀于t s c 的i 乜胜无功优化控制装置的研究j 设计 调节现象，供电部门担心有载分接开关和并联补偿电容器的频繁调节会引起变压器和开 关设备故障率增加，尤其是有载开关的频繁调节容易引起变压器故障，所以变电站电压 无功综合控制( v q c ) 装置一直未能在电力系统中推广。 近年来，随着技术进步，运行管理水平大幅提高，微机应用技术迅速发展，无人 值班变电站正在成为一种趋势。作为变电站综合自动化的重要组成部分，v q c 装置的 研究和应用也得到了重视和发展。它一般以微机为中心，具有较强的分析判断能力，智 能化程度高，灵活可靠它能根据采集到的变电站内部的信息，分析判断该站当前的运行 状态，并依据制定的控制策略自动调节变电站内部的有载调压变压器分接头和无功补偿 设备，以控制变电站的母线电压和无功功率在规定的范围内。按照其实现方式，v q c 装置可分为以下三种类型： 自带i o 系统的独立v q c v q c 装置集i o 系统与分析判断功能于一体，其测量由本身自带i o 单元采集，有 关闭锁信号由相应装置的硬接点接入。优点是调节速度快、可靠性高。缺点是铺设电缆 多、安装调试麻烦、变电站运行方式改变时不易扩充。这种专用独立式v q c 成套装置 在电力系统中应用最为广泛，主要适用于非自动化的变电站。国内目前这种装置型号较 多，如浙江丽水瑞泰电气d w z k 、无锡电力电容器公司d w k 3 1 1 0 、南瑞科技v q c - 2 、 杭州佳和v q c 2 0 0 0 等。 变电站后台监控计算机软件v q c v q c 软件是后台监控系统的一个子模块，没有专用的i o 单元，借助于变电站自动 化系统进行数据采集与控制。优点在于参数设置简单，人机界面友好，调试方便，省去 了专用的硬件设备，降低了成本。缺点是由于数据采集与控制经过了多个环节，v q c 的可靠性取决于网络通信、单元和后台监控计算机的运行状况，因此对后台监控计算机 的可靠性要求特别高。它同样也要求提供专用的滑档闭锁通道。目前，南瑞中德公司的 l s a 6 7 8 及n s c 2 0 0 0 系统采用的是这种后台监控计算机软件v q c 的方式。 变电站自动化系统网络v q c v q c 装置本身不带输入输出系统，利用变电站自动化系统的网络与i o 单元实现数 据的采集与控制。优点在于参数设置简单，人机界面友好，无需单独铺设电缆，调试方 便，调节与闭锁速度快。缺点是v q c 的可靠性取决于网络通信、i o 单元和独立工控 机v q c 装置的运行情况，并且它还要求提供专用的滑档闭锁通道。目前，四方公司的 c s c 2 0 0 0 系统和许继电气c b z 8 0 0 0 系统等采用的是这种网络v q c 装置。 这些电压无功综合控制装置按其控制策略，大致可分为以下几种【l 刨： 1 ) 单一功能的控制策略 按功率因数大小控制； 按母线电压曲线控制； 按无功功率变化控制； 4 工程硕一i ：学位论文 按昼夜时间段控制； 按负载电流大小控制： 按电压电流相位差控制等。 2 ) 综合控制功能的控制策略 按电压、功率因数复合控制； 按电压、时间复合控制等。 3 ) 按电压无功综合控制的控制策略 这类控制方法也就是通常所说的“九域图 法。即以主变低压侧电压为主要控制目 标，以无功功率( 或功率因数) 为参考条件，通过界定电压和无功功率( 或功率因数) 的上下限，将平面分为九个区，通过对不同的区域内控制方式的不同规定，实现对电容 器组和主变有载分接开关的联合控制，国内目前在线运行的电压无功综合控制装置大多 基于此法。 由于目前在许多变电站中基本上均有自动化设备而无v q c 装置，若采用成套的独 立装置增加v q c 功能时，要进行大量的电缆和回路改造：若采用在自动化系统上增加 v q c 功能软件，则需要对系统软件进行大量变动，何况目前许多r 1 u 只有“二遥 功 能，使得信息采集不完善，无法保证v q c 软件的可靠性。因此本文采用种介于v q c 专用成套独立装置和基于变电站自动化系统的v q c 之间的控制装置一即所谓“半独立 式v q c 装置 ，即i p c v q c 系统【1 7 】。本系统将所需的开关量和电信号通过交流智能 变送器采集运算处理后，输入工业控制计算机( i p c ) ，具体控制策略由i p c 中的v q c 功 能软件实现。执行结构为分散的t s c 单片机从控制器，接收i p c 发送的投切命令，根 据当前t s c 状态，进行投切。这种装置只需接入少量的电缆和改动较少的回路便能安 全、有效、方便的投入变电站自动化系统中，运行稳定，有很高的使用价值。 开 已建系统 新建的v q c 设备 开关控制 分接头控制 图1 1 半独立式v q c 控制方式框架示意图 基十t s c 的i 乜爪无功优化控制装置的研究0 设计 1 2 3 电压无功控制手段的研究 随着电网结构的日益复杂，电压等级的不断提高，各种用电设备接入电网消耗了大 量的无功功率，无功功率不足和电压波动大的问题日益突出，这时仅仅依靠发电机的自 动电压无功调节器进行无功补偿已远远不够，从而出现了各种无功补偿方案。不仅在控 制方法上，同时在实现电压无功优化控制方法的硬件装置方面，国内外经过专家、学者 的努力，呈现了多样化的发展趋势。 同步调相机 调相机确切的说是一种不带机械负载的可以过励磁( 经常的运行状态) 或欠励磁( 较 少的运行状态) 运行的同步电动机。调相机同并联电容器一样装设在枢纽变电站，但与 并联电容器相比，它的优点是：可双向连续调节；能独立的用调节励磁的方法调节无功 功率；具有较大的过负荷能力。缺点是：设备投资高，起动、运行、维修复杂；动态调 节效应慢；不适应太大或太小的补偿；只能用于三相平衡的补偿；增加系统短路容量等。 目前我国电力系统的一些枢纽变电站虽都装有调相机，但可以预测其与静止补偿器控制 系统相比，它的应用前景低于后者。 并联电容器 另一种早期的应用比较广泛的无功补偿装置是并联电容器，其成本较低，但是它只 能补偿固定的无功功率，在系统中有谐波时，还有可能发生并联谐振，使谐波放大电容 器因此被烧毁的事故也时有发生。 并联电容器补偿无功功率的方式按其安装的位置不同，通常有三种：1 ) 变电站集中 装设电容器组；2 ) 低压负荷的就地补偿；3 ) 用户集中装设低压电容器组，用户的低压母 线上装设能自动投切的并联电容器成套补偿装置。 并联电容器传统的控制方法是用机械开关投切电容，所以它不能快速跟踪负荷无功 需求的变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。 静止无功补偿器( s v c ) 静止无功补偿器( s v c ) 可以平滑调节，响应速度快，是一种比较理想的无功电源。 t s c 型s v c 根据系统负荷的无功功率和电网电压控制晶闸管投切电容器，可作为连续 可调节的无功电源，是传统采用开关或接触器投切电容器组的理想替代产品，克服了过 去传统设备不可控、可靠性低、开断设备易损坏和维护烦琐等缺点。其主要作用是进行 动态无功功率自动补偿，改善功率因数，抑制电压波动及电压闪变，降低网损，提高电 压合格率及电压稳定性，改善电能质量。 目前国内冶炼企业应用较多的是进口t c r ( 晶闸管相控电抗器) + f c ( 滤波电容器组) 型的s v c ，t c r 可以进行连续无功功率的控制，三相平衡能力和改善闪变能力更好， 有限制过电压的能力。但是，其本身将产生较大谐波，必须额外加大滤波电容器和电感 器的容量定额，使得装置的体积和占地面积大为增加，并且无功调节容量越大，谐波问 6 t 程硕十学位论文 题就越是突出：由于主电路和控制电路复杂，整个装置的故障率增加，可靠性因之下降， 投资也大大增加；由于采用电抗器，又应用在不稳定的电压环境下，运行时产生极大噪 声，给周围工作环境造成很大影响。 世界上已投运的输电用s v c 大约1 5 0 套，我国运行于5 0 0k v 输电系统有5 台，均 为进口设备，国内工业应用的t c r 装置大约有2 0 套，其中一小半为国产设备，低压3 8 0 v 供电系统有各类t s c 型国产无功补偿设备在运行，但至今仍没有一套国产的s v c 在我 国的输变电系统运行【1 8 】因此在功率因数一贯较低、负荷波动不是特别快的无功补偿场 合，t s c 有着更高的应用价值，并且同样能收到很好的补偿效果【1 9 】。 静止无功发生器( s v g ) 近十几年来，采用可关断晶闸管( g t o ) 或绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 等电力电子器件， 以及脉宽调制( p w m ) 技术等构成静止无功发生器( s v g ) 成为电力系统的研究热点，它可 对负荷波动作实时补偿。侧重于滤波的有源电力滤波器( a p f ) ，可设计得更为小巧经济。 由于a p f 不需要采用大容量的无源储能元件，这使得a p f 比同容量的s v c 做得尺寸小。 但可关断电力电子器件单个容量较小、耐压耐流水平低，特别是价格较高，在同样的高 压大容量场合就需要更多的元件串并联，并且均压均流技术要求较高，因此对它在这种 场合的应用造成困难。并且控制器要求硬件电路运行速度快、可靠性高，要求算法合理， 能正确检测出要补偿的电量，设计正确的补偿策略，否则将得不到正确的补偿效果甚至 使工况恶化。如果采用t s c 和无源滤波器并联方式，或多组t s c 串联滤波电抗器方式， 同样能受到较好的效果。但需要仔细设计，在严格防止补偿电容器放大谐波甚至造成严 重的谐波谐振的基础上，滤除负荷原有产生的谐波，使其送到系统的谐波量达到最小。 利用变流器进行无功补偿的理论早在2 0 世纪7 0 年代就已由美国学者l g ”g y i 提 出到目前为止，国内外对s v g 的基本原理【2 0 】、控制策略口1 1 、主回路结构口2 1 和不对称 控制【2 3 j 等做了很多的研究，但还有很多理论和实际运用的问题尚待解决。因此本文基于 t s c 的电压无功优化装置具有广阔的应用前景合实用价值。 1 2 4 基于t s c 的电压无功控制装置的研究 从6 0 年代开始，我国已有许多电力科技工作者从事低压配电网无功补偿这一课题 的研究，并设计了早期的无功补偿控制器。自8 0 年代中期以来，颁布实施按功率因数 调整电费的政策后，我国电力用户在3 8 0v 配电室广泛采用了以交流接触器投切电容器 的成套装置( 即m s c ) 。目前国内生产并联电容器成套装置的厂家己达数百家，生产 量大的主产品为天津电气传动研究所设计的p g j 系列和西安电力电容器研究所设计的 t b b 0 4 、t b b l 0 系列等，均为机械投切电容器产品【2 引。 随着电力电子技术的发展，8 0 年代后期出现了以微处理器为核心的智能化产品， t s c 无功补偿装置在国内陆续出现，主要生产厂家有北京三义电力电子公司、北京威斯 7 基十t s c 的i 乜胝无功优化控制装置的铆f 究j 设计 康电气有限公司、河南新乡科华电气有限责任公司、中国电力科学研究院等。 世界各国的低压无功补偿装置多种多样，中国台湾、英国、美国在8 0 年代就使用 了t s c 动态无功补偿装置。目前，n o k i a n 公司研制的具有谐波滤波功能的低压晶闸 管投切电容器组( t s c ) 作为无功补偿装置，在世界各国得到了广泛应用。 近年来，低压动态无功补偿技术在配电系统中逐渐普及，并取得了丰富的运行经验。 但是，仍存在着许多不足之处【2 5 1 ： 目前很多部门无功补偿的出发点还放在补偿用户的功率因数，而不是立足于降低电 网的损耗。如果要实现有效地降损，就必须通过计算无功潮流，确定各点的最优补偿容 量和补偿方式，从整个电力系统的角度考虑问题，使有限的资源发挥最大的效益。 保证无功补偿装置安全运行的关键是电容器无冲击地投入电网。但是，还有相当一 部分t s c 装置，因晶闸管触发脉冲控制不当( 如脉冲变压器易损坏) ，在运行过程中 频繁出现故障，导致电容器组投入瞬间冲击电流过大，损坏晶闸管和电容器。有时，在 投入过程中，甚至由于冲击致使开关装置在保护的作用下跳闸，造成多处变电站现有的 该类装置形同虚设。因此，严格保证晶闸管开关无冲击地操作，提高触发电路的可靠性， 还有待于进一步探讨。 电容器具备一定的抗谐波能力，但是谐波含量过大时，就会对电容器的寿命产生影 响，甚至造成电容器的过早损坏；由于投入电容器对谐波可能有放大作用，谐波干扰会 更严重。另外，t s c 控制器容易受谐波干扰影响，造成控制失误。因而在有较大谐波干 扰而又需补偿的地点，应考虑避免谐波放大或添加滤波装置。这一问题普遍被忽视，造 成了一些补偿设备莫名其妙地损坏。在设计无功补偿装置时，必须要有谐波抑制方面的 考虑。 1 3 本文的主要工作 本文围绕基于t s c 的电压无功优化分散控制装置展开了一系列研究，深入研究无功 电压优化分散控制策略，提出了基于模糊专家系统的控制策略，在此基础上研制了t s c 与v q c 协调控制的电压无功优化分散控制装置。论文分为6 章，具体安排如下： 第1 章首先介绍了电压无功控制的课题背景和研究现状，然后重点介绍了基于t s c 的v q c 装置的研究进展情况，指出当前此种类型v q c 装置的不足之处。 第2 章介绍了t s c 的基本原理和分类，然后对t s c 的系统控制方法进行讨论，分 别比较了几种控制方法的优缺点，从而引出了本文所采用的控制方法： 第3 章结合专家系统和模糊控制理论提出了基于模糊专家系统的控制策略，将专 家系统和模糊控制系统的结合起来，扬长避短，针对基于t s c 的电压无功控制特点进 行优化设计，并通过仿真和实验结果验证了该方法的有效性。 8 丁程硕十学位论文 第4 章介绍了v q c 装置的软硬件设计方案，完成装置的总体设计。装置采用工控 机i p c 一6 1 0 为主控制器，以基于p s d 芯片的单片机系统为从控制器构成装置的硬件体 系。 第5 章总结对全文工作做了总结，指出了研究的不足，对进一步研究做了展望。 9 皋于t s c 的i 乜肤无功优化控制装置的研究与设计 第2 章基于t s c 电压无功优化分散控制原理 2 1 基于t s c 电压无功优化控制的原理 随着电力系统运行工况和负载的变化，变电站的电压也经常发生变化。为了给用户 提供合格的电能，必须进行调压。作为变电站调压的主要手段，目前普遍采用有载调压 变压器和补偿电容器，通过调节变压器的分接头和投切电容器组来达到调整电压和降低 损耗的目的。这两种措施虽然都有调整电压的作用，但两者的原理、作用及其效果是不 同的。下面将详细阐述这两种措施的调压原理和效果。 某变电站的一次接线如图2 1 所示，图中的畋、玩、玩、矽，为系统中各点相电 压，丘为负荷相电流，k 为变压器变比，q 为补偿电容器发出的无功，最+ 骁为负载 所消耗的功率。 图2 1 某变电站的一次接线 在补偿电容器未投入之前，由t 所引起的供电电压变化d 与供电电压吹及玩存 在以下关系： 。 = 一z l 厶 ( 2 1 ) 其中，五= r + ，：避。 l ( 2 2 ) 故。 眈= 吹一( 置+ ) 丘= 吹一( + 必) ( 2 3 ) 上式中电压降的垂直分量巩和水平分量分别为： 1 0 工程硕上学位论文 = 华 ( 2 4 ) u r ：型出 虬 ( 2 5 ) 由此可见，随着负荷邑的变化，由变电站到用户的线路上电压损耗也随之改 变( 实际上还应考虑变压器和一次侧高压线路所产生的压降) 。为了维护用户电压不 变，必须调节q ，这有以下两种方法： 吐 图2 2 电压向量图 ( 1 ) 调节变压器变比k 因为= 等，所以当负荷增大，增大时，应该降低k 以提高q ；反之若负荷 减轻，吹降低时，则应提高k 以降低u 。这可通过调节变压器分接头来达到。 ( 2 ) 改变补偿电容器发出的无功功率鲛 采用与上述同样的分析方法，u 。与u 有以下关系： 以：玑一墨! 生垒! 鱼! 墨立型 。 u 2 ( 2 6 ) 若投入的电容量为绞，则 以：玑一墨! 垦堡2 ! 鱼= 垒基圣生堕 。 u 2 ( 2 7 ) 这表明增大q 可以使线路( 包括变压器) 压降虮降低，同样可以提高u ：。投入绞以 后的网损为 峨= 掣c 咫喇+ 掣 可见网损随( q q c ) 2 而变，在输送功率一定的情况下，( q 2 一q ) 减小， 从以上分析可以得出以下结论： ( 2 8 ) 网损越小。 利用有载调压变压器分接头进行调压，可以改变网络中的无功潮流发布，减少网损 和电压损耗，提高电压质量。但由于调压措施本身不产生无功功率，因此整个系统无功 不足的情况下不可能用这种方法来提高全系统的电压水平。 一般而言，当系统无功供给不足或过剩时，应通过投切电容器组来改变无功分布调 压，使无功达到平衡及功率因数接近l ，减小网损和电压损耗酬。由于补偿装置本身可 荣十t s c 的i u 胰无功优化控制裟置的研究j 设计 以产生无功功率，因此这种方法既弥补系统无功的不足，又可以改变网络中的无功分配。 并联电容器补偿无功功率，若实际运行电压与电容器额定电压不一致则电容器的实 际补偿容量为 r r 珐= ( 享 ) 2 q k ( 2 9 ) u 们 式中，【，旷电容器的额定电压f v ) ； q ( ? 电容器的额定补偿容量( k ； 电容器的实际工作电压( v ) 。 并联电容器的容量是按正常供电情况设计的，为了留有发展余地，还应有适当裕量。 这样，当变电所处于低谷负荷时，电容器补偿容量势必过大，出现过补偿的情况，母线 电压升高，由式( 2 9 ) 知，电容器的补偿容量与实际供电电压成正比，电压升高会使补 偿容量进一步扩大，反过来又会使电压再升高电压升高会导致变压器、电动机、电容器 等设备损耗增大，影响使用寿命。若变电所处于高峰负荷，电压水平低于额定供电电压， 则电容器提供的补偿容量下降，并使电压进一步下降，严重时会导致局部电压崩溃。为 此，集中补偿和分组补偿方式中，电容器一般分为几组使用，根据运行情况的需要自动 投切，适时地调节无功补偿容量。 电容器的分组投切在较早的时候大都是用机械断路器或接触器来实现的，这就是机 械投切电容器( m s c ) 装置。一般来说，当使用机械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、重燃 等现象。这是由于机械触头动作速度与工频电压和电流的变化速度不匹配，最快的机械 触头动作时间( o 0 5 秒左右) 大约是工频周期的2 5 倍左右，加上机械触头动作时间的 分散性，使得m s c 在运行中不可避免地产生过渡过程，不能实时地跟踪系统无功的变 化，从而不能实现动态无功补偿。 晶闸管投切电容器( t s c ) 是利用电力电子开关来投切电容器的。与机械投切电容器 相比，晶闸管的开、关是无触点的，其操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投入时刻 可以精确控制，可以快速无冲击地将电容器接入电网，大大减少了投切时的冲击电流和 操作困难，其动态响应时间约为0 0 1 0 0 2 秒。同时，由于晶闸管是在电流过零时自动 关断的，这就避免了拉弧现象。t s c 能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最佳馈电功 率因数，实现动态无功补偿，减小电压波动，提高电能质量，节约电能。 t s c 的基本原理如图2 3 所示。其中，图2 3m ) 是其单相电路图，其中的两个反并 联晶闸管只是起将电容器接入电网或从电网断开的作用，而串联的电感主要用来抑制电 容器投入电网时可能造成的浪涌电流，同时使讲魂保持在晶闸管可以承受的范围之内， 适当设计还可抑制高次谐波。因此，当电容器投入时，t s c 的电压一电流特性就是该电 容的伏安特性，即如图2 3 ( c ) 中o a 所示。在工程实际中一般将电容器分成几组，每组 1 2 t 程硕_ ：学位论文 都可由晶闸管投切。当t s c 用于三相电路时，可以是联结，也可以是y 联结，每一 相都设计成如图2 3 ( b ) 所示的那样分组投切。这样，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提供容性无功功率的动态无功补偿器。t s c 虽然不能连 续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点。若输出无功功率需要 连续调节，或者要求能提供感性无功的情况下，t s c 常与t c r 配合使用。 t s c 系统是一个对供电网络波动无功进行动态补偿的相对独立系统，其应用形式有 很大的灵活性，可按电压等级划分和按应用范围划分【2 6 1 ： 按电压等级划分 低压补偿方式：该补偿方式适用于1 k v 及其以下电压的补偿。该方式下，晶闸管阀 使用一级即可满足耐压要求，t s c 可直接接入低压系统进行补偿。 么 j l u i o l l l a ) 单相结构简图b ) 分组投切的的t s c 单相简图 c ) 电压一电流特性 图2 3t s c 的基本原理 高压补偿方式：即补偿系统直接接入电网进行高压补偿。该方式关键问题要解决补 偿装置晶闸管阀的耐压，即多个晶闸管的串联均压及晶闸管触发控制的同步性。高压补 偿方式中，t s c 主电路接线有直接补偿、降压补偿和调压补偿三种方式。直接补偿是将 补偿电容器通过晶闸管直接接在高压电网上，晶闸管阀作为电容器的投切开关。降压补 偿是将高压经降压变压器降到低压3 8 0 v 后再用晶闸管来投切补偿电容器。调压补偿方 式是将高压经晶闸管开关、调压装置接补偿电容器，通过改变补偿电容器的端电压来改 变补偿容量。 与直接补偿相比，在相同的补偿容量下，由于降压补偿电容器的电容量大，电容器 体积大，造价高，而且相应电流大，导线截面积大，晶闸管的电流大，电容器柜和相应 的散热装置等占地面积大，造价也高，同时还需要相应的降压变压器。 按应用范围划分 负荷补偿方式：该方式是直接对某一负荷进行针对性补偿。可以对电网中频繁启 动的运转负荷进行动态补偿，消除对电网的无功冲击。 集中补偿方式：该方式是对电网供电采取系统补偿的方法来解决整个电网的各种无 功功率的波动问题，这种补偿方式一般为高压补偿方式。 桀于t s c 的i u 胜无功优化控制装置的f i j f 究与设计 2 2t s c 控制方式 根据所选择的控制物理量的不同，t s c 所采取的自动控制方法也是多种多样。我国 电力行业标准中，也按控制物理量把低压无功补偿控制器分为四类：无功功率、无功电 流、功率因数、复合型( 按两个及以上物理量组合) 。根据某一物理量进行控制，均有 其不足之处。例如，单独按功率因数补偿，在负载电流较小时，常会发生投切振荡。采 用微处理器作为控制元件，为实现多变量控制提供了可能性。比较合理的补偿应该做到 以下几点：最大限度地利用补偿设备提高电网的功率因数；不发生过补偿；无投切振荡； 无冲击投切；反应灵敏、迅速。下面首先对常见的投切控制方式进行分析。 2 2 1 时间控制方式 时间控制法，也就是利用时钟按昼夜时间划分对电容器进行投切控制，它是最常用 的控制方式之一。它是以时间作为控制信号，根据系统中用电设备全天2 4 小时所需无 功功率的变化，绘制出全天无功负荷的变化曲线，按照这条曲线，利用时间继电器进行 控制，按时投入或切除一定容量的补偿电容器。譬如大部分负荷在上午8 点开始运行， 下午5 点停运，这期间负荷几乎不变，电容器就可以整定在上午8 点投入运行，而下 午5 点退出运行。这种方式具有简单适用的特点，但只适合于稳定负荷，且变化规律一 定，功率因数变化不大的场合。在星期六、星期日或节假日。某些线路上的负荷有一定 的减少，如果仍以正常的时间设定投入电容器将引起过电压。因此，该控制方式下的时 间继电器应配有装置来取消原整定的按负荷变化进行的开合动作。 2 2 2 电流控制方式 在功率因数基本保持一定的地方( 如负荷都是同型式电动机) ，尽管负荷有大小变 化( 开动台数有变化) ，但负荷的无功功率基本上可以认为和负荷电流成正比。假设负 荷的无功功率为q ，电网线电压为u ，三相负荷线电流为，功率因数为c o s 伊，则 q = ；折圻一c o s 2 伊 ( 2 1 0 ) 若负荷电压和功率因数基本不变时，令 七：痂扛丽万 ( 2 1 1 ) 则 q = 盯( 2 1 2 ) 那么，就可以利用电流继电器，通过检测负荷电流而对电容器组进行控制。这种控 制方式比较简单，但负荷功率因数并不能满足一定不变的条件，故应用较少。 1 4 工程硕上学位论文 2 2 3 无功电流控制方式 用负何尢功电流作为控制焚量，是考虑剑