（电气工程专业论文）配电网无功补偿系统的研究与应用.pdf

摘要 本论文介绍了无功补偿的原理和目的，针对当i i 配电网无功补偿的情况，给出了无 功补偿的优化方法。在实时补偿方面，针对不同的负荷状况，从实时的角度研究电容器 组的投切及控制算法。 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 点开关投切电容器时产生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；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。 该装置目前在韶关冶炼厂已投入运行，运行结果表明，该装置不仅响应速度快，数 据传输可靠，控制精度高，而且操作简单，易维护，很好的满足了控制要求。 关键字：无功补偿；无触点开关；谐波；最优补偿点 i l a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h ep r i n c i p l ea n dp u r p o s eo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na l ep r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts i t u 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 nf r o mt h ed i s t r i b u t i o n s y s t e m ，r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o nm e t h o di sg i v e n i nr e a l - t i m ec o m p e n s a t i o n , f o rd i f f e r e n t l o a dc o n d i t i o n s ，t h ec o n t r o lo fc a p a c i t o r s s w i t c h i n gi sr e s e a r c h e di nt h ev i e wo ft h e r e a l t i m e b yt h e o r ya n a l y z i n ga n du s i n ga d v a n c e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g y ，t h i sp a p e r d e t a i l e d l yi n t r o d u c e ss o l u t i o nw a y s ，t h er e a l i z a t i o no fs y s t e m sk e yt e c h n o l o g ya n dt h ev a t c o m p e n s a t i o ns c h e m ei no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo f v a rc o m p e n s a t i o ni nl o wv o l t a g e t o s o l v et h ec u r r e n t i m p u l s ep r o b l e mw h e nt h en o n c o n t a c t o rs w i t c ho no rc u to f ft h e c a p a c i t a n c e ，w ep a r t i c u l a r l yd e s i g nt h em a i nc i r c u i ta n dt h et r i g g e rc i r c u i ta n du s et h e o p e n - o f fr a t i oc o n t r o lw a y st oe l i m i n a t ei m p u l s ec u r r e n t i no r d e rt os h u nt h ec u r r e n t r e s o n a n c e ，w eu s es e r i e si n d u c t a n c e i nm a i nc i r c u i tt oa v o i dt h eh a r m o n i cc u r r e n tb yt h e o r y c o m p u t a t i o n w ea d dv o l t a g eh a r m o n i cf i l t e rt or e d u c et h eh a r mw h i c hv o l t a g eh a r m o n i cd o t op o w e rs y s t e m i nt h es e v e r ep o w e rs y s t e mu n b a l a n c es i t u a t i o n ，w eu s et h ep o w e rb a l a n c e i m p l e m e n tp r i n c i p l et od ov a rc o m p e n s a t i o n w ec a nm a k et h ep o w e rf a c t o rr e a c hg i v e n v a l u ea n dm a k et h et h r e ep h a s el o a db e c o m eb a l a n c ei nt h es a l n et i m e w em a k et h ep o w e r f a c t o rg e to p t i m u mc o n t r o le f f e c tb yu s i n go p t i m u mc o n t r o l t h e o r yt oas i n g l ec u n t r o | a p p l i a n c e t om u l t i a p p l i a n c e , f i r s tw eg e tt h em o s to p t i m u mv a rc o m p e n s a t i o nn o d e si n l i n e s ，t h ew eu s ed y n a m i cp r o g r a m m i n ga l g o r i t h mt ot h ec o n t r o lw a y so fl e a s te n e r g y c o n s u m eb yc o o p e r a t i n gt h ea p p l i a n c e n o w a d a y s ，t h es y s t e mh a sb e e na p p l i e di nt h ef a c t o r y t h er u n n i n gs t a t ei n d i c a t e st h a tt h e s y s t e mn o to n l yh a sh i g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，h i g hr e s p o n s es p e e da n dr e l i a b i l i t yi nd a t a t r a n s m i t t i n g , b u ta l s oi se a s yt oo p e r a t e ，e x t e n da n dm a i n t a i n t h es y s t e ms a t i s f i e sw i t ht h e r e q u i r e m e n g so f c o n t r 0 1 k e yw o r d ：v a tc o m p e n s a t i o n ；t h en o n _ c o n t r a c t o rs w i t c h ；h a r m o n i c ；t h em o s to p t i m u m v a rc o m p e n s a t i o n 1 1 1 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 他个人或集体已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：苕压硎 j 日期：姊每? 其| s 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 校保留弗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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 弋不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：删 导师签名：l 罗座 日期：矽矽年纱月，日 日期：固每| 船其l s 日 i 第一章绪论 1 1 课题背景 由于电网容量的增加，对电网无功要求也与日增加。在城农网改造过程中，对无功 就地平衡提出了新的要求，本论文针对低压配电网络如 可实现无功平衡，并实现自动补 偿功能进行分析。 1 2 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。 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。 目静，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已成为目l i 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已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已达8 6 4 ；在荚国，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。据统计，当前， 国内典型城乡配电网无功损耗情况如下：按电压等级划分，0 4 k 级损耗占5 0 ，l o k v 级占3 0 ，3 5 k f 以上占2 0 。在农村，长距离供电较为普遍，l o k v 线路损耗较大；在城 网中，配网损耗主要在0 4 k v 侧，因此，做好l o k v 等级电压以下的无功补偿具有重要 意义。 近年来，由于计算机技术的发展，无功补偿技术已得到很大的改进，无功补偿装置 的发展已进入一个新的阶段。然而，许多电网仍存在补偿不足，调节手段落后，电压偏 低，损耗增大等问题。 负荷无功补偿主要有以下几个问题： 1 ) 无功补偿容量不足。在供电方面，公用变压器在全国大中小城市中大量存在，而 且伴随着一户一表等城网改造的开展，还会大量增加。由于资金匮乏及重视程度不够， 公用变压器区内无功补偿容量严重不足，有功损耗大，公用变压器的利用率不商。在用 户方面，由于公用变压器区内低压用户很多，供电企业管理不便，低压用户感性负荷很 大。由于各用户没有统一的无功功率补偿，造成补偿不合理，效果不明显。 2 ) 无功补偿装置落后。在无功补偿装置上，大量的装置采用采集任选一相的无 功信号或一相电流另两相电压得出的无功信号并以此作为投切容量的依据，但这种方式 只适用于以三相动力为主的配电区，它可能会对非采样相造成过补或欠补。在投切容量 的确定方面，往往功率因数为参考，电容器分组投切，当功率因数滞后时，则投入一组 电容器；当有超前的无功分量时，则切除一组电容器；按步投切电容量，无功补偿的精 度不高。这些装置常因为电容器容量级差大而投切精度低或频繁投切。 3 ) 集中补偿占大多数。集中补偿只能减少装设点以上线路和变压器因输送无功功率 所产生的损耗，而不能减少用户内部通过配电线路向用电设备输送无功功率所造成的有 功损耗。由于用户内部的无功损耗没有减少，所以降损节电效果必然受到限制。负荷所 需的无功功率，仍然需要通过线路供给，依然产生有功损耗。 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 o 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一批多功能的新产品，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。控制器电路发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， 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l ：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，功率变换控制技术的闩臻完善， 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 ) 。 1 3 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“3 。 2 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。 1 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。 1 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，但其原理基本如图卜1 所示： 囝l - i 徽电脑功率因数自动控制器方榧图 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 毋，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。 执行单元接到命令后，通过投切装置完成电容器组的投切。 3 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。 1 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： 1 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旧 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，如冶会电弧炉、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，民用照明负荷也肓显著的不平衡特征。显然，不论是瞬问的电压闪变还 是持续的中点电位偏移，都不仅会干扰相关系统的证常工作而且可能危及人身与设备安 全，这就要求帽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“1 在低压配电系统中，采用微机控制品闸管投切电容器组，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 响其他用电设备的安全运行。 4 现有的装置容易产生高次的谐波嘲 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 4 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咖。 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，因为控制器之问缺乏信息交流， 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网的遥测，不适于现代化电网的发展趋势。 5 第二章无功补偿的原理及意义 2 1 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问进行传输交 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、电器设备、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0 6 时，电 能损耗将近提高了一倍。 ( 4 ) 对电力系统的发电设备柬说，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。为了保证转子绕组币常 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丌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f 1 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。 2 1 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 ，还要负担负荷的无功功率q 。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 + 9 2 ( 2 - 1 ) 而 专=cos(2-2) 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束供给有功功率，以减少无功功率的消耗。 6 2 1 2 补偿无功功率的电路和向量图 a 1 电路 b ) 向量图( 欠补偿) c 1 向量图( 过补偿) 国2 1 补偿无功功率的电路和向量图 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 0 。d ：! ! r 2 + x ： ( 2 1 ) 式中x = 观 给r 、l 电路并联接入c 之后，电路如图2 1 a 所示。该电路的电流方程为 i=ic+iu(2-4) 由图2 1 b 的相量图可知，并联电容后电压d 与j 的相位变4 , t ，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d ，这种情况称为欠补偿“。 7 k _it 若电容c 的容量过大，使供电电流，的相位超前于电压口这种情况称为过补偿， 其相量图如图2 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。 2 3 提高功率因数的意义 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： a u ：p r + q x( 2 6 ) u 可看出，影响【，的因数四个：线路的有功功率p 、无功功率q 、电阻r 和电抗x 。 如果采用容抗为的电容来补偿，则电压损失为： a u ：p r + q ( x - x c )( 2 7 ) u 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。 2 ) 减少线路损失 当线路通过电流，时，其有功损耗为： a p = 3 1 2 r 1 0 3 ( 枷1 ( 2 - 8 ) 或 a p = 3 麦枷弋m ” 可见，线路有功损耗p 与c o s 2 妒成反比，c o s 矿越商，a p 越小。对全网线路有功损 耗的降低值，应按线路节点问电阻以及所通过的无功负荷分段求出，再将各段的值相加。 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 p = s c o s ( 2 - 1 0 ) 可见，在传送一定有功功率p 的条件下，c o s 庐越高，所需视在功率越小。 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， 单台变压器减少的有功功率为： 叱：q 三簪1 0 一， l ，。 g ：补偿电容量： q ： 变压器无功负荷； 如：变压器等效电阻。 故绕组的有功损耗也相应减少。 ( 2 1 1 ) 铜损减少的有功功率为： -、2 婢= 2 峨【1 _ 粤i ( 2 1 2 ) kc o s 吼 鼻：变压器的负载率； c o s 妒t 、c o s 2 ：补偿i j f 、后的功率因数； 尸k ：变压器的额定铜损。 5 ) 增加变压器的输出功率 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 痧。，补偿后新增负荷的功率因数为c o s 矽。，则有四种情 况： 1 当c o s 驴。 c o s 毋2 时 s = 4 s ；c o s 2 ( 欢一九) + s ? 一s ；一s 2c o s ( # 2 一丸) 4 当c o s 。= l 时，令式( 1 - 1 3 ) 中妒。= 0 ，得。 签= 4 s ic o s z 咖2 + s ：一s ；一s 1 c o s 争2 研、s v 补偿前、后的视在功率； s ：补偿后增加的视在功率。 9 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 第三章无功补偿系统的设计要求、关键技术的解决思路 3 1 设计要求 针对目i i 配电网无功补偿系统所存在的缺点，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 能防止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； l o 高可靠性，满足户外恶劣环境的工作需要； 3 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丌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。 3 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， 采用品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。 3 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， 0 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。 3 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。 3 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 巾，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，采用工控机作为控制器，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。 3 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。 3 2 6 实现全局最优的解决思路 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，在电网每一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： 3 采用无线通讯方式进行数据传输。 3 2 7 高精度和高可靠性的保障 从硬件、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j 下算法、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。 第四章无功补偿关键技术及系统的实现、总体方案设计 4 1 无触点投切电容时间的选取和无级调节投入电容容量的实现 4 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 无功补偿装最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。 4 1 2 基本原理 t s c ( 晶闸管投切电容器) 的基本原理如图4 - 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o c 。当t s c 用于三相电路时，可以是联结，也可以是y 连接“。 ab c u a ) 单相结构图 。 b ) 电压一0 电流特性 l ， 图4 11 s c 的基奉原理 i l 4 1 3 投入时刻的选取 选取投入时刻总的原则是，t s c 擐入电容的时刻，也就是晶闸管开通的时刻，必须 1苯； l广。l千一 f， 一 *fjiijif，4： 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。 u v 坠! l 么二 hq 图4 - 2t s c 理想投切时刻臆理说明圈 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。 i c ：c d u c ( 4 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( 时日j 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4 会按照正弦规律上升，电流i c 即按讵弦规律上升。 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4 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4 - 2 所示，设电源电压为岛，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 l 充电至电源电压c s 的峰值，且极性为正。本次导 4 通开始时刻取e s 为和u c 相等的时刻t i ，给v 2 以触发脉冲而使之丌通，电容电流i c 开 始流通。以后每半个周波发出脉冲轮流给v ，和v 2 。直到需要切除这条电容支路，如在 t 2 时刻，停止发脉冲，i c 为零，则v 2 关断，v 。因未获触发而不导通，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”“1 。 4 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i j 电容充 电电压维持在电源电压的峰值。如图4 - 3 所示，一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4 3 所示： u v 图4 1 品甲j 管和二极管反并联方式土电路图 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。 c s 入厂 一 vvvvv一 u c vvv t 一 叭、厂卜一 ”入、 vvv v t i t ，h t 1 图4 - - 4 晶闸管和二极管反并联方式波形圈 配b 嘲无功补偿系统的研究0 膨用 图禾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 l 到t 4 为导通时间段) 4 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4 - 5 所示“”。 正壤 负臻 幽4 59 0 c 3 0 6 1 小惑图 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4 _ 6 接法： 0 c 3 0 6 l 4 。l c = = ) j c o n t r o l f 一 - l jl 厂 t 一 幽4 - 6 触发l b 路图 图4 7 是相电压v a 和m o c 3 0 6 1 的6 脚和四脚之间的电压u v 以及触发脉冲v f 波 形图( t l 到t 4 为导通时间段) ： 1 6 v 八八、 一 vvvvvv 。一 门门八卜一 l v f t 翻4 - 7 触发波形圈 由图牛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 容投入时所产生的冲击电流很小。 4 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捌比例，调节输出到电网的无功电功率。在实际中， 通断周期设为0 6 秒，因为一个工频周期为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。 4 2 无功补偿装置电流谐波放大及其抑制措施 4 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屯负荷比重较大时，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。 4 2 2 谐波电流的放大 4 ，2 2 ，1 电容器和主系统的谐波电流n 7 ， 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4 - 8 和乒9 说明。 设谐波源h 次谐波电流为j 。，进入主系统的电流为l ，进入电容器的电流为l 。 在l j 。时，称作系统谐波电流放大；在l j 。时，称作电容器谐波电流放大；在 l j 。和l j 。同时发生时，称为谐波电流严重放大。 k 最 x c _ l ；c k h t h x l 二 幽4 - 8 潴波i u 流放人系统接线| 璺i ，如 ，量 f 南i ；h x sj 6 厶( 、乡jb ”i rj 啦 图4 - 9 谐波电流放人等敛i u 路图 设电容器、电抗器和主系统的基波电抗分别为，x 。、x 。和xs ，再设s = xs xc ， k = x 。x 。s 和k 分别是以x 。为基值的系统电抗率和电抗器电抗率。电容器和主系 统的谐波电流为： i c h 面仁面赫l z ， j s h 2 d 端弘 gz 七一1 访。矗 面了而i 瓦万 ( 4 3 ) 互毒 + 刊 4 2 2 2 谐波电流放大倍数曲线 电容器组的额定电压u 。与母线额定电压u 。的关系为： 吣裁弘急 母线的短路容量为； s k = 嵋x s 电容器输出的实际无功功率为： 反= 蔬 ( 4 - 4 ) ( 4 5