（电力电子与电力传动专业论文）基于模糊控制算法的高压无功补偿系统.pdf

a t h e s i sf o t - r e a c t i v “ s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f e s s o rt o n gy u p e n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 j - 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：圣l 移 签字e l 期：少9 7 、7 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后乏 半年口一年口一年半口 两长户 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名 签字日期 东北大学硕士 伊春市友 高压线路不得 供电系统带来了许多问题。由于无功功率在电网中长距离传输时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。使得选矿厂中大功率电机无法正常启动，选矿厂无法正常投产，造成了很 大的经济损失。本文根据存在的这一问题，经过分析提出在电网中的适当位置装设高压 无功补偿装置的可行性建议。 本文主要研究了无功补偿对电网性能的改善，无功补偿装置的控制方式及原理，和 控制器的软硬件设计。系统硬件上采用了市面上性价比最高5 1 系列单片机a t 8 9 s 5 2 进 行控制，具有控制运算速度高，实时性好的特点。在软件上，采用c 语言编程，遵循模 块化设计原则，提高了系统的通用性和维护的简易程度。在投切原则上，与常见的九区 图控制方案相比较，结合现场的实际情况，设计出了电压无功综合控制的模糊推理算法， 避免了轻载振荡，反复投切等难题。为了实现装置应具有的功能，本文设计并制作了较 为完整的控制电路及其外围设备的硬件电路。它们包括触发电路、数据采集电路、显示 电路、看门狗电路及键盘操作电路等。文中还设计编写了整个控制系统的控制程序，给 出了控制软件的结构框图。在本文的最后根据系统现场的运行情况，分析了补偿装置功 能的实现，提出了该动态无功补偿装置的不足之处和改进提高的方法。 关键词：高压无功补偿；模糊控制；5 1 单片机 东j v o l t a g eo nf u z z y c o n t r o la l g o r i t h m a bs t r a c t y o u h a oc o n c e n t r a t i n gm i l l i nf i c h u ni si o c a t e dn e a rf o r e s t e da r e a sml e s s e rk h i n g a n m o u n t a i n s ，5 5k md i s t a n tf r o mt h es u p p l ys t a t i o n ，w h i c hc a u s e st h a t10 k vh i s hv o l t a g el i n e c a n n o th e l pb u ta d o p tl o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o nb e y o n de c o n o m i cr a d i u so fio k vp o w e r s u p p l yl i n e t h e r e f o r em a n yi s s u e sa r eb r o u g h tt ot h ep o w e rs u p p l ys y s t e m a sar e s u l to f n e t w o r kl o s sa n dr e c e i v i n ge n dv o l t a g ed r o o pw h i c hh a p p e nd u r i n gt h el o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o nt h r o u g hp o w e rs y s t e mc a u s e db yr e a c t i v ep o w e r , p l e n t yo fr e a c t i v e p o w e rt r a n s m i t t i n gt h r o u g hp o w e rs y s t e mn e c e s s a r i l yg r e a t l yr e d u c et h ep u ea n ds e v e r e l y i n f l u e n c et h eq u a l i t yo fs u p p l y , w h i c hg e t st h el a r g e rp o w e rm o t o ro ft h em i l lu n a b l et os t a r t u p a n dp u ti n t oo p e r a t i o nn o r m a l l y , w h i c hb r i n g sa b o u tt r e m e n d o u se c o n o m i cl o s s o nt h eb a s i s o ft h ei s s u et h ea r t i c l ea n a l y z e sa n dp u t sf o r w a r df e a s i b i l i t yp r o p o s a lo fi n s t a l l i n gh i 曲v o l t a g e s v ca tt h ep r o p e rp o s i t i o no fp o w e rs y s t e m t h ea r t i c l em a i n l ys t u d i e st h ei m p r o v e m e n to fp o w e rs y s t e mc a p a b i l i t yb ys v c ，s v c c o n t r o lm o d ea n dt h e o r i e s h a r d w a r e & s o f t w a r ed e s i g no fc o n t r o l l e ct h es y s t e ma d o p t s a t 8 9 s 5 2 ，t h eh i g h e s tc o s tp e r f o r m a n c ei nt h em a r k e ta sh a r d w a r et oc o n t r o l ，w h i c hh a st h e c h a r a c t e r so fh i g hc o n t r o lo p e r a t i o ns p e e da n df i n er e a lt i m ea b i l i t y i ns o f t w a r ea d o p t i n gc p r o g r a m m i n ga n df o l l o w i n gb l o c k i n gd e s i g np r i n c i p l ei m p r o v es y s t e mp o p u l a r i t ya n d m a i n t e n a n c es i m p l i c i t y i ns w i t c h i n gp r i n c i p l e s ，c o m p a r e dt ot h ec o m m o nn i n e a r e am a p c o n t r o ls o l u t i o n ，c o m b i n i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h es c e n er e a s o n i n ga l g o r i t h mo fi n t e g r a t e d c o n t r o lf o rr e a c t i v ev o l t a g e i nf u s s yi sd e s i g n e da v o i d i n gl i g h tl o a do s c i l l a t i o n ，r e p e a t e d s w i t c h i n ge t c f o rt h es a k eo fa c h i e v i n gt h ef u n c t i o nt h a ts h o u l db eo w n e db yt h ee q u i p m e n t t h ep a p e rd e s i g n sa n dm a k e sr a t h e rc o m p l e t ec o n t r o lc i r c u i ta n dh a r d w a r ec i r c u i to fp e r i p h e r a l e q u i p m e n t t h e yi n c l u d et r i g g e rc i r c u i t ，d i s p l a yc i r c u i t ，w a t c h d o gt i m e r , k e y b o a r dc i r c u i te t c i nt h ep a p e r , t h ec o n t r o lp r o g r a mo ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi sa l s oc o m p i l e ds h o w i n gt h e s t r u c t u r e df l o w c h a r to ft h ec o n t r o ls o f t w a r e i nt h ee n d ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ea c h i e v e m e n to f t h es v cf u n c t i o na c c o r d i n gt ot h eo n - t h e - - s p o tr u n n i n gs i t u a t i o no ft h es y s t e ma n dp u t s f o r w a r dt h ed e f i c i e n c i e so ft h ed y n a m i cs v ca n di m p r o v i n gm e t h o d s 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 no f h i g hv o l t a g e ；f u z z yc o n t r o l ；51m c u i i i 东北大学硕士学位论文 声明 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 电力系统无功补偿的意义和作用1 1 2 1 无功补偿挖掘发供电设备潜力2 1 2 2 稳定末端电压、减少电压损耗2 1 2 3 减少线路损耗。3 1 2 4 电力系统的电压控制3 1 3 无功补偿装置的发展现状4 1 3 1 国内外无功补偿装置的研究发展概况4 1 3 2 当前无功补偿装置的分类7 1 4 本文主要内容9 第2 章无功补偿基本理论及可行性分析1 1 2 1 无功补偿的基本理论1 1 2 1 1 有功功率、无功功率、功率因数的概念1 1 2 1 2 影响功率因数的主要因素1 2 2 1 3 最佳功率因数的确定1 3 2 1 4 无功补偿的基本方法1 4 2 2 高压无功补偿系统的可行性分析1 5 第3 章无功补偿模糊控制器的设计1 9 3 1 模糊数学基础1 9 3 2 无功补偿模糊控制器的结构组成一2 l 3 2 1 模糊控制器的结构2 2 3 2 2 控制目标2 3 3 3 高压无功补偿模糊控制器的实现2 3 一i v 东北大学硕士学位论文目 录 3 3 1 本课题模糊控制器的结构2 3 3 3 2 模糊控制器的设计过程2 5 3 3 3 投切控制阀值的确定3 1 第4 章无功补偿控制系统硬件设计方案3 3 4 1 基本功能要求3 3 4 1 1 输入模拟量3 3 4 1 2 测量及显示精度3 3 4 1 3 控制要求3 3 4 1 4 功能要求3 3 4 2 无功补偿系统主接线设计3 4 4 2 1 功率装置的选择3 5 4 2 2 无功补偿系统应用方式分析3 6 4 3 无功补偿控制器硬件电路设计3 7 4 3 1 主电路设计3 7 4 3 2 主控制芯片的选型与时钟电路3 8 4 3 3 电源模块设计3 9 4 3 4 电压电流采样模块4 0 4 3 5a d 转换模块4 1 4 3 6 看门狗模块4 3 4 3 7 输出模块4 5 4 3 8 手动自动反馈模块4 6 4 3 9l e d 显示模块4 6 4 3 1 0 键盘模块设计4 8 4 4 硬件抗干扰设计4 9 4 4 1 接地抗干扰措施4 9 4 4 2 隔离抗干扰措施5 0 4 4 3 滤波抗干扰措施5 0 4 4 4 看门狗复位电路5 0 4 4 5 印刷电路板的抗干扰措施5 0 v 5 2 2 键盘操作模块5 3 5 2 3 控制算法模块5 4 5 2 4 存储器模块设计5 6 5 2 4 1x 5 0 4 5 存储器相关资料5 6 5 2 4 2 单片机对x 5 0 4 5 的编程步骤5 7 5 3 软件抗干扰设计5 8 5 3 1 指令冗余技术5 8 5 3 2 数字滤波5 9 5 3 3 按键去抖5 9 5 3 4 软件陷阱技术5 9 第6 章总结与展望6 1 6 1 工作总结一6 1 6 2 展望与不足6 1 参考文献6 3 附录1 部分模块程序6 7 附录2 基于模糊控制算法的高压无功补偿控制器原理图7 5 附录3 基于模糊控制算法的高压无功补偿控制器p c b 板图7 7 附录4 高压无功补偿系统实物图7 9 致谢8 5 v i 东北大 1 1 伊春市友好选矿厂位于小兴安岭之中，据伊春市5 5 公里。现有1 0 k v 输电线路为 架空线路。导线为7 0 r a m 2 铝绞线，全长在5 5 公里左右。选矿厂现有两台大功率球磨机， 一台型号为j r 1 5 8 8 ，功率3 8 0 k w ，供电电压为1 0 k v ，额定电流为2 4 5 a 。另一台型 号为j r l 3 8 8 ，额定功率为2 4 5 k w ，供电电压为3 8 0 v ，供电电流为4 6 4 a 。目前存在的 问题，两台球磨机分别空载试车都无法起动。由于球磨机是选矿厂的主要生产设备，球 磨机无法工作，就导致选矿厂无法正常生产，造成了巨大的经济损失。 造成这一问题的原因是： ( 1 ) 供电线路过长，线路阻抗过大。现有的供电线路远远超出了1 0 k v 输电线路的 经济供电距离。导致线路末端压降很大，一般生活用电还可以，对于选矿厂这种工业用 电大户无法提供有效的使用电压。经过计算可知，现有的线路每相电阻约为2 6 4 q ，每 相电感约为2 0 9 q ，末端短路电流约17 1 a 。若末端负荷按1 2 0 0 k w ，感性，功率因数按 0 8 考虑，则末端电压仅为4 3 7 0 v 左右。 ( 2 ) 带载球磨机是大惯性负荷，需要较大的起动转矩，起动电流较大。即使将起动 电流限制在3 4 倍额定电流，对于选矿厂来说，即使是只有单台球磨机起动，末端电压 也将由无载时的1 0 k v 降低到6 k v 左右。电机的起动转矩与电机端电压的平方成正比， 所以此时的电机起动转矩仅为额定电压时的3 6 左右，不能满足起动需要。 为了解决输送电线路压降问题，可以采取变压器式电压补偿稳压方式或高压电容补 偿方式。前者成本较高且将来供电问题改善后，实际使用意思不大。因此本课题使用高 压电容补偿方式来解决输电线路的压降问题。增加高压电容无功补偿量的作用，用来抵 消线路中电感性无功压降耗损。当补偿量足够大的时候，末端电压即可提高到可以满足 负载正常工作的需要。由于电机在起动和运行过程中参数不断变化，所以高压电容补偿 量亦能跟随电机的运行状况随时变化，综合考虑后，设置六组电容投切。 1 2 电力系统无功补偿的意义和作用 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有电 感性和电容性【1 1 。为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有相位差，这在相 当宽的范围内可以实现。而为输送无功功率，则要求两端电压有幅值差，这只能在很窄 的范围内实现。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【2 j 。 电力系统中的网络元件和负荷所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这 些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。 东北大学硕士学位论文第1 章 绪论 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，也即无功补偿。 1 2 1 无功补偿挖掘发供电设备潜力 在设备容量不变的条件下，由于提高了功率因数可以少送无功功率，因此可以多送 有功功率。可多送的有功功率a p 计算如下： 舻= 日- 尸= s ( c o s 识。m s , o ) ( 1 1 ) 如需要的有功不变，则由于需要的无功减少，因此所需要的配变电设备容量也相应 地减少a s 计算为： 丛= s 。墨= 尸( 1 c o s q ，一1 c o s f 0 1 ) ( 1 2 ) 可以减少的供电设备容量占原容量的百分比为a s s 计算如下： s s ；( c o s 仍c o s r , o ) c o s f o l = ( 1 一c o s 缈c o s f o , ) 系统采取无功补偿后，使无功负荷降低，发电机就可少发无功，多发有功，充分达 到铭牌出力【3 1 。 1 2 2 稳定末端电压、减少电压损耗 由局部电力网的等值电路图2 1 可知，电力网中由于无功负荷而带来的电压损耗u 的计算公式为： a u ：豇( r c o s 呼o + x s i n f o ) 1 0 一：p r f + q x 1 0 3 ( k y ) ( 1 3 ) u 2 式中： 以一元件的末端电压； 够一电网中电压和电流的相位角。 尺，x 一电力网中元件的等效电阻和等效电抗； p ，q 一元件木端的有功负荷和无功负荷。 节点i 图1 1 局部电力网的等效电路图 f i g 1 1l o c a lp o w e rg r i de q u i v a l e n tc i r c u i t 当线路加装补偿电容后，其电压损耗减少值为： a c t = a u l a u 2 = c 半一半m 旷 - 2 p + j o 东北 口= a u ! 一a u 2 ：垒娶 l o u t ：丝 4 3 l x = - - - - - - = = ：= - - - - - 一 1 0 4 3 u d , 玑 ：q c u x l o s 。 = 辔0 0 0 ( 1 5 ) 1 、 可见，当增加补偿容量时，电压耗损口和电压耗损率a a 与补偿容量q c 成正比。 1 2 3 减少线路损耗 当线路流过电流i 时，线路的有功耗损 a p = 3 1 r x l 0 3 ( k w ) 或= 3 ( 赤) 2 r x-3apr 1 0 = 等舣1 0 (16u c o su ) 或= 3 ( = 二) = 二半尺( 1 ) ，缈 _ 3 等( 赤) 1 0 - 3 ( x r r ) 其中无功功率在电网中流动而引起的有功线损a p q 的计算公式为： 屹等r ( 1 7 ) 同理，要降低a p ，在电力线路末端集中负荷p 一定时，只有降低q 。在电力网中， 一般用户设备q = q l 一致，通过补偿装置，调整q 或a c 达到减小q 的目的。由( 1 6 ) 式可知，线路的有功损失舻与c o s 2 够成反比，c o s ( p 越高a t 越4 d 4 j 。 由上述分析可见，要减少电力网中的电压损耗和电网的线损耗，提高用户端的电压 质量的重要措施之一就是减少电力网原件中的无功传输，可以从提高负荷的自然功率因 数和进行无功补偿两方面来解决这个问题【5 1 。 1 2 4 电力系统的电压控制 ( 1 ) 改变发电机的机端电压。应用发电机调压是不需要另外增加投资的调压手段。 发电机端电压由励磁调节控制，改变调节器的电压整定值即可改变端电压。发电机的电 压与发电机的无功功率输出密切相关，当增加发电机的端电压时，同时也增加了发电机 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的无功功率输出，反之，降低发电机的端电压，也就减少发电机的无功功率输出。因此， 发电机端电压的调节受发电机无功功率极限的限制，当发电机输出的无功功率达到其上 限或下限时，发电机就不能继续进行调压。发电机的无功输出极限与发电机的有功出力 有关，有功出力较小时，无功功率调节的范围会更大些，调压的能力会更强些。多台机 组同时进相运行还会影响系统的稳定性，必须做大量稳定计算确保系统安全稳定条件下 安排机组进相运行。 ( 2 ) 改变变压器变比调压。通过切换变压器的分接头来改变变比，可以调节变压器 低压侧或高压侧的电压，只有当系统无功功率电源容量充足时，用改变变压器变比调压 才能奏效，否则，不但被调节点的电压改变不大，而且还会引起其上一级电压的进一步 下降，这将会导致整个系统的电压崩溃。所以，当系统无功功率不足时，首先应装设无 功功率补偿设备，使系统无功功率容量有一定的裕度【2 8 1 。 ( 3 ) 应用无功补偿装置调节电压。在电力网适当的地点接入并联无功功率补偿装置， 能够减小线路和变压器输送的无功功率，因而可减小线路和变压器的电压耗损和提高电 力网的电压水平，同时还能减小电力网的功率耗损，提高经济效益。当系统负荷变化时， 通过调节无功功率补偿装置输出的无功功率，就能控制电力网的电压。常用的无功功率 补偿设备是并联电容器和并联电抗器，在高峰负荷时投入并联电容器能提高全网的电压 水平，在负荷较低时可以切除部分电容器，甚至全部切除而投入并联电抗器，防止电压 水平过高【6 j 。 ( 4 ) 目前有些系统还配置了二次调压系统处理电压问题。一般地说，电压的快速无 规则变化均又系统电厂机组的“一次作用”进行补偿。这种一次作用要求快速( 反应时 间数秒) ，因而必须自动。主要由机组的励磁调节实现，其次靠超高压变压器的自动调 压分接头。为了处理电压的慢变化，由“二次”与“三次”控制作用建立系统的新状态， 二次控制所管理的是在一地区内可资利用的动态无功功率，其反应时间为3 5 m i n ；目 前三次控制为手动。从而取得全系统各节点电压的全面平衡。二次电压控制主要通过自 动控制该区被选为“控制机组”的部分机组所吸收或发出的无功功率，以控制某一“控 制区”内的电压。为此，按区内在电气上接近其它各节点而具有代表性的所谓“主导节 点”上所测得的电压变化，修正“控制机组”电压调节器的整定值，以控制机组的运行 状态。 1 3 无功补偿装置的发展现状 1 3 1 国内外无功补偿装置的研究发展概况 动态无功补偿是相对于传统无功补偿一并联固定容量的电容器、调相机和同步发电 机等而言的。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 4 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 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( 3 3 j 。图1 2 中，m 代表需要滞后无功功率的用电设备，k 2 和c 适用于向 m 提供无功的无功补偿装置。当k 1 闭合使m 运行时，m 从电网吸取有功功率和无功 功率。为减少电网中的无功水平，我们将k 2 闭合，用c 中的超前电流补偿m 中的滞后 电流，完成无功补偿任务。由于c 的补偿容量是固定的，它不能随着实际无功的变化而 变化。因此，它适用于无功变化不大的场合。 k 2 c k 1 图1 2 简单的无功补偿 f i g 1 2s i m p l er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n 虽然并联固定容量的电容器或电抗器简单经济，灵活简便，但其阻抗是固定的，不 能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。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j 不 适应各类非线性负载的快速变化。而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备， 其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。而随着电力系统的发展， 对无功功率进行快速、动态补偿的需求越来越大。 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19 6 7 年在英国开始问 世以后，受到世界各国的广泛重视【7 9 1 。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。后来出现了采用白换相变流电路的静止无功补偿装置，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 - 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) ，组成自换相变流器，辅之以小容量储能元件所 构成的瞬时无功功率补偿。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。 如图1 3 所示是适应经常变动负载的无功补偿装置的原理图。图1 3 所示电路中， 5 东北大学硕士学位论文第1 章 绪论 当无功变化时，控制器检测到该变化，并根据该变化控制补偿电容器组的投切，达到按 实际需求的无功量进行补偿的目的。 图1 3 实用的无功补偿设备 f i g 1 3p r a g m a t i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t 无论是图1 2 电路还是图1 3 电路，电容器组的投切都是靠开关k i ( i = l ，2 ，3 ， n ) 来完成的，目前这种静止开关主要分为两种，即接触器和电力电子开关。接触器开 关由于受器件固有特性的限制，在控制器检测到无功的变化需要投入或切除补偿电容器 组时，开关速度较慢，约为1 0 3 0 m s ，不能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电 容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样在需要频繁投切时，不但易造 成接触点烧焊，而且使补偿电容内部击穿，所受应力大，维修量大。因此，采用断路器 作为开关的静止无功补偿装置也只适合于负荷变化不大，即相对稳定的情况。 图1 4 动态无功补偿原理 f i g 1 4d y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt h e o r y 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1 0 , 1 1 1 的概念在美国诈式提出，随着电网发展的需求，出现了以晶闸管为基础 6 东北大学硕士学位论文第1 章 绪论 的无功补偿器，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【1 2 1 。图1 4 便是动态无功补偿装置原理。 1 3 2 当前无功补偿装置的分类 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关s c r ，g t r ， g t o 等的出现，将其作为投切开关速度可以提高5 0 0 倍( 约为i o p s ) ，对任何系统参数， 无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节【7 】。现今所指的无功补偿装 置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型：一类是具有饱和电抗器 的无功补偿装置( s r ：s a t u r a t e dr e a c t o r ) ；第二类是晶闸管控制电抗器( t c r ：t h y r i s t o r c o n t r o lr e a c t o r ) ；第三类是晶闸管投切电容器( t s c ：t h y r i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r ) ，后两类 装置统称为s v c ( s t o i cv a tc o m p e n s a t o r ) 【l 引。 以下对此三类无功补偿技术逐一介绍。 ( 1 ) 具有饱和电抗器的无功补偿装置( s r ) 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分 为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压， 它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小【1 4 】。可控饱和电抗器通过改变 控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制 无功电流的大小【1 5 】。这类装置组成的无功补偿装置属于第一批补偿器。早在1 9 6 7 年， 这种装置就在英国制成，后来美国通用电气公司( g e ) 也制成了这样的无功补偿装置【i6 。 但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4 倍，并且电抗器的硅钢 片长期处于饱和状态，铁心耗损大，比并联电抗器大2 3 倍，另外这种装置有震动和噪 声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所以饱和电抗器的无功补 偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。 ( 2 ) 晶闸管控制的电抗器 两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图如图1 5 所示。其三相多 接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的 有效移相范围为9 0 0 , d 8 0 0 。当触发角a = 9 0 0 时，吸收的无功电流最大。根据触发角与补 偿器等效导纳之间的关系式： b = b 呦。( 万一s i n g ) j r 季口b 。= 1 x 兄 可知，增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分 量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器i 吸收的无功分量，达到调整无功功率 的效果【1 7 】。 在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用可控硅控 制电抗变压器，这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。电抗变压器 7 东北大学硕士学位论文第1 章 绪论 的一次绕组直接与高压线路连接，二次绕组经过较小的电抗器与可控硅阀连接。如果在 电抗变压器的第三绕组选择适当的装置回路，例如加装滤波器，可以进一步降低无功补 偿产生的谐波。瑞士勃朗鲍威利公司已经制造出此种补偿器用于高电压输电系统的无功 补偿【1 8 】。 图1 5s c r 补偿原理 f i g 1 5b a s i cp r i n c i p l eo fs c r 由于单独的t c r 只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可 以将并联电容器与t c r 配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可 分为t c r 与固定电容器配合使用的静止无功补偿器( t c r + f c ) 和t c r 与断路器投切 电容器配合使用的静止无功补偿器( t c r + m s c ) 。这种具有t c r 型的补偿器反应速度 快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛【1 9 】。由于固定电容器的 t c i h f c 型补偿装置在补偿范围从感性范围延伸到容性范围是要求电抗器的容量大于 电容器的容量，另外当补偿器工作在吸收较小的无功电流时，其电抗器和电容器都已吸 收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。t s c + m s c 型补偿器通过采用分组投切电容 器，在某种程度上克服了这种缺点【2 0 1 。 ( 3 ) 晶闸管投切电容器( t s c ) 为了解决电容器组频繁投切的问题，t s c 装置应运而生。t s c 的基本原理如图1 6 所示【i 引。其中，图1 6 a 是其单相电路图，两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网 或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电 流，使d i d t 保持在晶闸管可以接受的程度之内，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1 6 b 中o a 所 示【2 1 , 2 2 j 。在工程实际中一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。现在普遍把这 种可以快速补偿电网无功功率的晶闸管投切电容器的无功补偿装置叫作动态无功补偿 器【2 3 1 。t s c 用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用 星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。不论是星形还是三角形连接都采用电容器 分组投切。电容器分组的具体方法等容式和等比式，等容式分组的特点是控制简单，但 补偿容量级差大，若想增加级差就得增加电容器组数。等比式较等容式具有可以用很少 8 一 东北大学硕士学位论文第1 章 绪论 的电容器组组合成很多的投切等级的优点。 t s c 的关键技术问题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【2 4 1 。 l c j u l ( a ) 单相结构简图 ( b ) 电压一电流特性 图1 6 t s c 的基本原理 f i g 1 6b a s i c a lp r i n c i p l eo f t s c t s c 补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得足够细化，基本上 可以实现无极调节。运行实践证明此装置具有较快的反应速度( 约为5 1 0 m s ) ，体积小， 重量轻，对三相不平衡负荷可以分相补偿，操作过程不产生有害的过电压，过电流，但 t s c 对于抑制冲击负荷引起的电压闪变，单靠电容器投入电网的电容量的变化进行调节 是不够的，所以t s c 装置一般与电感相并联，其典型设备是t s c + t c r 补偿装置。这种 补偿器均采用三角形连接，以电容器作为分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不能 流入电网，大大减小了谐波。 1 4 本文主要内容 本文主要针对伊春市友好选矿厂供电线路过长，线路阻抗过大。现有的供电线路远 远超出了1 0 k v 输电线路的经济供电半径。造成该厂的两台大功率球磨机试车无法起动 这个问题。从无功补偿的基本原理出发，提出采用并联高压电容补偿的方式来解决输电 线路的压降问题。增加高压电容无功补偿量的作用，用来抵消线路中电感性无功压降耗 损。当补偿量足够大的时候，末端电压即可提高到可以满足负载正常工作的需要。从而 设计出无功补偿自动投切控制器，该控制器以电网电压、无功功率作为电容投切的主要 判断依据，通过对现场的实际情况的分析，设计了一种以电压、无功为控制量的模糊控 制算法，通过现场更改电压、无功的比例系数以及投切电容的阀值，达到满足现场需求 的目的。控制器以a t 8 9 s 5 2 为核心控制芯片，完成主要的控制动作。并完成系统的软、 硬件的设计。最后完成现场的调试工作。本文各章节介绍如下： 9 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 第一章主要介绍无功补偿的意义，电网中的无功功率对电压的影响，以及无功功率 在线路上引起的线路耗损。接着介绍国内外对无功补偿研究和使用情况的概述，以及对 大部分无功补偿装置的介绍。最后简单介绍本课题所设计的无功补偿控制系统的现场情 况分析。 第二章主要说明无功补偿的基本理论，介绍功率因数的意义，以及影响功率因数的 主要因素。然后介绍无功补偿的一般方法，应用形式分析以及主电路的接线方式分析。 第三章首先介绍模糊数学理论，针对本课题的实际情况，进行了控制系统控制变量 的比较与选则，采用以无功功率和电压为综合控制变量。提出基于模糊控制理论的高压 无功补偿智能控制系统设计。 第四章主要介绍本课题所设计的主线路形式，控制器硬件部分的主电路，以及控制 各部分电路功能模块的分析。 第五章介绍本文软件方面各部分模块的设计，给出主程序以及部分程序模块的流 程，以及整个系统的运行方式分析和在软件方面抗干扰的措施。 1 0 东北 2 1 无功补偿的基本理论 要进行无功功率补偿技术的研究，首先要了解无功功率理论。人们对有功功率的理 解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举的。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，对无功补偿重要性的认识，却是一致的【2 5 】。无功补偿应包含对基波无 功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿，后者实际上就是谐波补偿。但一般如果没有特 别说明，所指的无功补偿都是专指对基波无功功率的补偿。 2 1 1 有功功率、无功功率、功率因数的概念 在交流电力网中，一般情况下认为电路中的电压和电流都是正弦波【3 8 】。在正弦电路 中，负荷是线性的。设电压和电流分别表示为： 矽：西s i n c o t i - 厄is i n ( c o t 一、 ：丑s i nc o tc o