陳志華畢業(yè)論文低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究

1、蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究摘 要隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷的增加，對(duì)無(wú)功功率的需求也日益增加。無(wú)功功率在電網(wǎng)中傳輸會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)損耗以及受電端電壓下降，使電能利用率大大降低且嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。因此，在電網(wǎng)中的適當(dāng)位置裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置是滿(mǎn)足電網(wǎng)無(wú)功需求的必要手段。本文介紹了無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康暮鸵饬x，闡述了國(guó)內(nèi)外無(wú)功補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)低壓電網(wǎng)，本文分析了無(wú)功補(bǔ)償原理及補(bǔ)償接線(xiàn)方式，討論了幾種不同負(fù)荷情況下電網(wǎng)最佳補(bǔ)償點(diǎn)的位置及容量配置的問(wèn)題。同時(shí)，在分析各種無(wú)功補(bǔ)償控制策略的基礎(chǔ)上，將模糊控制理論引入電容器的投切控制，兼顧了提高功率因數(shù)與改善電壓質(zhì)量，并且避免了無(wú)功補(bǔ)償裝

2、置往復(fù)投切問(wèn)題。 本文設(shè)計(jì)了一種適用于低壓電網(wǎng)進(jìn)行集中無(wú)功補(bǔ)償?shù)木чl管投切電容器裝置。在裝置設(shè)計(jì)中采用電壓無(wú)功復(fù)合投切判據(jù)，以無(wú)功功率作為主判據(jù)、電壓作為輔助判據(jù)，有效地克服了以功率因數(shù)作為投切判據(jù)的控制方式中的輕載時(shí)容易產(chǎn)生投切振蕩而重載時(shí)容易出現(xiàn)補(bǔ)償不充分的缺點(diǎn)，同時(shí)兼顧了降低功率損耗與改善電壓質(zhì)量；投切復(fù)合開(kāi)關(guān)采用單獨(dú)的脈沖觸發(fā)裝置觸發(fā)，保證了晶閘管在兩端電壓過(guò)零時(shí)觸發(fā)，從而在硬件電路上實(shí)現(xiàn)電容器組的無(wú)過(guò)渡過(guò)程投切，且簡(jiǎn)單可靠；控制系統(tǒng)采用價(jià)格比較便宜的at89c51 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)主體。裝置能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功功率的快速、準(zhǔn)確補(bǔ)償且成本較低，具有較好的實(shí)用性以及廣闊的應(yīng)用前景。論文闡述了該

3、控制系統(tǒng)的原理及軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程。最后，本文通過(guò)軟件matlab/simulink 對(duì)裝置進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明該裝置可以有效的對(duì)系統(tǒng)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。關(guān)鍵字：無(wú)功補(bǔ)償，模糊控制，單片機(jī)studies on the low-voltage dynamicreactive power compensation deviceabstractdue to increasing loads of electric power system, demand on reactive power was also increasing. because transmission of reactive po

4、wer in electric network can lead to network loss and step-down voltage, resulted in reduction of using efficiency of power energy and severely effected voltage quality. it became necessary means that reac-tive power compensation devices were installed in proper position of electric network.this pape

5、r introduced the principle and objective of var compensation, and presented thedevelopmental actuality and trend of reactive power compensation system. based on compensation principle and connection way, this paper studied switches of capacitors and themodel of reactive power optimization planning a

6、bout low voltage system. based on analysis of other criterion methods, the paper introduced fuzzy control into var compe-nsation. this new method can manage the relationship between voltage quality and power factor properly and eliminate the repeatedly switching problem.a tsc reactive power compensa

7、tion device which was fit for low-voltage distributionnet work was introduced in this paper. the compound criterion whose main criterion is reactive power and whose assistant criterion is voltage was applied in the device, which effectively overcame the defects of the power factor criterion in which

8、 switching oscillation was often resulted in under light load and compensation was insufficient under heavy load, and the compound criterion gave attention to decreasing power loss and improving voltage quality. the system adopted thyristor as switch that connect capacitors to main circuit, and the

9、thyristor was triggered by a special device in the zero-voltage condition and thus greatly reduced surge current. this sort of switch circuit achieved switching of capacitors without transition course and was simple and reliable. the device took the at89c51 which is a sort of cheap single chip micro

10、-controller as main control chip. this device could fleetly and truly compensate reactive power and was low-cost. it processed preferably practicability and wide application foreground in low voltage network.at last, the device was simulated through software matlab/simulink, and simulation and exper

11、iment show that the basic principle and method was totally feasible and effectual.key words: reactive power compensation, fuzzy control，single chip microcomputer目錄摘 要1abstract2目錄4第一章 緒論61.1無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x61.2 無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)臍v史與現(xiàn)狀7第二章 無(wú)功功率補(bǔ)償有關(guān)理論的研究132.1交流電路的無(wú)功功率132.2并聯(lián)電容器組補(bǔ)償無(wú)功功率的原理.142.3永磁真空同步開(kāi)關(guān)投切電容器組低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置152.4無(wú)功

12、補(bǔ)償容量的確定162.5無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益分析17第三章 無(wú)功補(bǔ)償裝置硬件設(shè)計(jì)193.1主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)193.2無(wú)功補(bǔ)償控制器硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)213.2.1信號(hào)采集通道及轉(zhuǎn)換電路213.2.2功率因數(shù)測(cè)量電路223.2.3晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路243.2.4顯示電路253.2.5鍵盤(pán)電路263.2.6電源電路273.2.7復(fù)位電路273.2.8通信接口部分293.2.9開(kāi)關(guān)量輸入、輸出模塊部分293.3 硬件設(shè)計(jì)中的抗干擾設(shè)計(jì)30第四章 無(wú)功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)324.1主程序結(jié)構(gòu)324.2功率因數(shù)采樣及數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)334.3模糊控制算法程序模塊設(shè)計(jì)354.3.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)354

13、.3.2無(wú)功補(bǔ)償模糊控制器的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)374.4 投切控制程序模塊設(shè)計(jì)374.5軟件設(shè)計(jì)中的抗干擾措施39第五章 無(wú)功補(bǔ)償裝置的matlab 仿真425.1仿真軟件簡(jiǎn)介425.2無(wú)功補(bǔ)償裝置的仿真實(shí)現(xiàn)42第六章 結(jié)論45致 謝46參考文獻(xiàn)47附錄48第一章 緒論1.1無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)改革的不斷深入，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度越來(lái)越快，工業(yè)企業(yè)數(shù)量發(fā)展迅速，人民生活水平不斷提高，這導(dǎo)致電力負(fù)荷的增長(zhǎng)速度迅猛，相比較而言，發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量和輸配電能力顯得不足，致使全國(guó)的多數(shù)省份出現(xiàn)供電緊張的“電荒”情況，尤其是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和一些用電負(fù)荷較大的大中型城市。更有甚著出現(xiàn)了部分省、市的用電高峰期采取拉閘限電

14、以保證電網(wǎng)正常運(yùn)行的措施，嚴(yán)重制約了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也給人民群眾的日常生活帶來(lái)極大不便。在各種不同的工礦企業(yè)以及人民日常生活的用電中，都不同程度的存在著功率因數(shù)偏低的現(xiàn)象。如工礦企業(yè)建設(shè)時(shí)供電容量都較大，如果企業(yè)沒(méi)有滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行就會(huì)出現(xiàn)功率因數(shù)偏低的現(xiàn)象。電力系統(tǒng)的用電負(fù)荷主要分為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、變壓器、感應(yīng)電爐與電弧爐、電焊機(jī)和電焊變壓器、整流設(shè)備等，這些用電設(shè)備在消耗有功功率的同時(shí)都會(huì)消耗大量的無(wú)功功率，造成電網(wǎng)功率因數(shù)偏低。就我國(guó)來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)所耗的電能占整個(gè)工業(yè)用電的6070。根據(jù)上海市的統(tǒng)計(jì)資料，僅風(fēng)機(jī)、水泵兩項(xiàng)就占工業(yè)用電的40左右，加之其他種類(lèi)的電動(dòng)機(jī)負(fù)載，整個(gè)電動(dòng)機(jī)的耗電量超過(guò)全部工業(yè)

15、用電的60以上。大量的感性負(fù)載的使用使得電網(wǎng)必須提供足夠的無(wú)功容量來(lái)滿(mǎn)足負(fù)載要求，否則會(huì)造成電網(wǎng)電壓降低，電網(wǎng)供電質(zhì)量下降的不良后果。感性負(fù)荷分布的不規(guī)律性也要求電網(wǎng)根據(jù)負(fù)荷情況合理分配無(wú)功，否則容易形成大量無(wú)功功率在電網(wǎng)的流動(dòng)，降低電網(wǎng)容量，使得電網(wǎng)線(xiàn)路損耗增加，同時(shí)也增加了供電成本，影響電力系統(tǒng)供電的經(jīng)濟(jì)性，尤其是在我國(guó)的農(nóng)網(wǎng)供電區(qū)域內(nèi)，變電站數(shù)量少，供電線(xiàn)路覆蓋面積大，長(zhǎng)距離供電成為一種普遍的現(xiàn)象，過(guò)低的功率因數(shù)使得線(xiàn)路損耗增大，供電網(wǎng)末端電壓下降較大，這也間接的提高了供電成本。解決上述問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單而行之有效的辦法就是對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。電力系統(tǒng)無(wú)功功率主要來(lái)源就是采用各種無(wú)功補(bǔ)償

16、設(shè)備本著盡可能就地補(bǔ)償?shù)脑瓌t在各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備越來(lái)越智能化，帶有微處理器控制器的智能無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本課題就是在這種背景下提出來(lái)的。試圖就高性能、多功能的智能低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行有益的探討。1.2 無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)臍v史與現(xiàn)狀1.2.1無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)姆诸?lèi) 無(wú)功補(bǔ)償可以分為串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償。串聯(lián)補(bǔ)償?shù)哪康脑谟诳刂凭€(xiàn)路的阻抗參數(shù)，歐美一些國(guó)家普遍采用串聯(lián)補(bǔ)償來(lái)提高輸電線(xiàn)的傳輸能力。而我國(guó)大多采取并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功，并聯(lián)補(bǔ)償?shù)哪康脑谟诳刂凭€(xiàn)路的電壓參數(shù)。并聯(lián)補(bǔ)償按補(bǔ)償對(duì)象不同可分為系統(tǒng)補(bǔ)償和負(fù)荷補(bǔ)償兩大類(lèi)。 系統(tǒng)

17、補(bǔ)償通常指對(duì)交流輸配電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，目的是維持電網(wǎng)樞紐點(diǎn)處的電壓穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大線(xiàn)路的輸送能力以及優(yōu)化無(wú)功潮流、降低線(xiàn)損等。負(fù)荷補(bǔ)償通常是指在靠近負(fù)荷處對(duì)單個(gè)或一組負(fù)荷的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，目的是提高負(fù)荷的功率因數(shù)，改善電壓質(zhì)量，減少或消除由沖擊性負(fù)荷、不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷、非線(xiàn)性負(fù)荷等引起的電壓波動(dòng)、電壓閃變、三相電壓不平衡及電壓和電流波形畸變等危害。負(fù)荷補(bǔ)償可分為靜態(tài)補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償6。靜態(tài)補(bǔ)償是根據(jù)三相負(fù)荷的平衡化原理，通過(guò)在負(fù)荷點(diǎn)串、并入無(wú)功導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)，把三相不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷補(bǔ)償成對(duì)供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是三相對(duì)稱(chēng)的。該方法優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單、造價(jià)低，缺點(diǎn)是對(duì)工業(yè)電弧爐、電焊機(jī)等動(dòng)態(tài)負(fù)荷難以達(dá)到理想的補(bǔ)

18、償效果。真正意義上的不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是從1977 年grandpierre提出分相控制的靜止無(wú)功補(bǔ)償器(static var compensatory,svc)的方法后開(kāi)始的。分相控制的svc能根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，通過(guò)調(diào)整可控硅觸發(fā)角來(lái)改變svc的各相補(bǔ)償度，從而達(dá)到補(bǔ)償負(fù)荷負(fù)序分量和調(diào)整負(fù)荷功率因數(shù)的目的。因此，該方法一提出就受到了普遍關(guān)注913。1.2 .2無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的發(fā)展概況早期的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置主要為同步調(diào)相機(jī)(synchronous condenser,sc)和并聯(lián)電容器。同步調(diào)相機(jī)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)產(chǎn)生無(wú)功功率的同步電機(jī)，在過(guò)勵(lì)磁或欠勵(lì)磁的不同情況下，可以分別發(fā)出不同大小的容性或感

19、性無(wú)功功率。自二三十年代以來(lái)的幾十年中，同步調(diào)相機(jī)在電力系統(tǒng)無(wú)功功率控制中一度發(fā)揮著主要作用，但它屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運(yùn)行過(guò)程中的損耗和噪聲都比較大，維護(hù)復(fù)雜，且響應(yīng)速度慢，在很多情況下已無(wú)法適應(yīng)快速無(wú)功功率控制的要求，目前在現(xiàn)場(chǎng)僅有少量使用。并聯(lián)電容器補(bǔ)償無(wú)功功率具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)，按電容器安裝的位置不同，通常有三種補(bǔ)償方式：集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償、就地補(bǔ)償。一，集中補(bǔ)償是電容器組集中裝設(shè)在企業(yè)或地方總降壓變電所的610kv 母線(xiàn)上，用來(lái)提高整個(gè)變電所的功率因數(shù)，保障供電范圍內(nèi)無(wú)功功率基本平衡，可減少高壓線(xiàn)路的無(wú)功損耗，而且能夠提高供電電壓質(zhì)量。二，分組補(bǔ)償是將電容器組分別裝設(shè)在功率因數(shù)較低

20、的車(chē)間或終端配電所高壓或低壓母線(xiàn)上，這種方式具有與集中補(bǔ)償相同的優(yōu)點(diǎn)，僅補(bǔ)償容量和范圍相對(duì)小些，但補(bǔ)償效果比較明顯，采用比較普遍。三，就地補(bǔ)償是將電容器或電容器組裝設(shè)在異步電動(dòng)機(jī)或電感用電設(shè)備附近，就地進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，這種補(bǔ)償方式既能提高用電設(shè)備供電回路的功率因數(shù)，又能改善用電設(shè)備的電壓質(zhì)量，對(duì)中、小型設(shè)備十分適用。若能將這三種補(bǔ)償方式統(tǒng)籌考慮、合理布局，一定可以取得很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。并聯(lián)電容器的缺點(diǎn)是只能補(bǔ)償固定無(wú)功，且還可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，但是由于并聯(lián)電容器在其它方面的優(yōu)勢(shì)所致，到目前為止在我國(guó)仍是主要的無(wú)功補(bǔ)償方式?，F(xiàn)今所指的無(wú)功補(bǔ)償裝置一般專(zhuān)指使用晶閘管的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備

21、，主要有以下三大類(lèi)型5,7：一類(lèi)是具有飽和電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置(saturated reactor,sr)；第二類(lèi)是晶閘管控制電抗器(thyristor control reactor,tcr)；第三類(lèi)是晶閘管投切電容器(thyristor switch capacitor,tsc)。下面依次介紹此三類(lèi)無(wú)功補(bǔ)償裝置的情況：(1) 具有飽和電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置(saturated reactor,sr)這種裝置是最早的一種靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，早在1967 年，這種裝置就在英國(guó)制成。飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置是依靠電

22、抗器自身固有的能力來(lái)穩(wěn)定電壓，它利用鐵心的飽和特性來(lái)控制發(fā)出或吸收無(wú)功功率的大小。可控飽和電抗器通過(guò)改變控制繞組中的工作電流來(lái)控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進(jìn)一步控制無(wú)功電流的大小。但是這種裝置中選用的飽和電抗器造價(jià)高，約為一般電抗器的4倍，且電抗器的硅鋼片長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，鐵心損耗大，比并聯(lián)電抗器大23 倍，另外這種裝置有振動(dòng)和噪聲，調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償速度慢，由于具有這些缺點(diǎn)，目前應(yīng)用的比較少，一般只在超高壓輸電線(xiàn)路才有使用。(2)晶閘管控制電抗器(thyristor control reactor,tcr)這種裝置是利用晶閘管的相位控制來(lái)調(diào)整電抗器的電流，從而達(dá)到調(diào)整無(wú)功功

23、率的目的。其單相原理圖如圖1.1 所示。其三相多接成三角形，這樣的電路并入到電網(wǎng)中相當(dāng)于交流調(diào)壓器電路接電感性負(fù)載，此電路的有效移相范圍為9001800。當(dāng)觸發(fā)角 = 900時(shí)，晶閘管全導(dǎo)通，導(dǎo)通角 = 1800，此時(shí)電抗器吸收的無(wú)功電流最大。根據(jù)觸發(fā)角與補(bǔ)償器等效導(dǎo)納之間的關(guān)系式： （） 可知，增大觸發(fā)角即可增大補(bǔ)償器的等效導(dǎo)納，這樣就會(huì)減小補(bǔ)償電流中的基波分量，所以通過(guò)調(diào)整觸發(fā)角的大小就可以改變補(bǔ)償器所吸收的無(wú)功分量，達(dá)到調(diào)整無(wú)功功率的效果。 tcr 型動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式具有以下優(yōu)點(diǎn)： 從0到最大功率連續(xù)可調(diào)；可以根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷情況分相調(diào)節(jié)；電路簡(jiǎn)單，便于操作維護(hù)。不可避免的也具有一些缺點(diǎn)：在運(yùn)行

24、中會(huì)產(chǎn)生諧波；占地面積大；電容、電抗器和晶閘管容量都是按系統(tǒng)最大沖擊無(wú)功功率來(lái)配備，設(shè)備投資大；從實(shí)際情況看，跟蹤補(bǔ)償裝置大部分時(shí)間處于零或低無(wú)功功率補(bǔ)償狀態(tài)，最大功率運(yùn)行能耗大。單獨(dú)的tcr 只能吸收無(wú)功功率，不能發(fā)出無(wú)功功率，為了解決此問(wèn)題，通常將并聯(lián)電容器與tcr配合使用構(gòu)成無(wú)功補(bǔ)償器。根據(jù)投切電容器元件的不同，又可分為tcr 與固定電容器配合使用的靜止無(wú)功補(bǔ)償器(tcr+fc)和tcr 與斷路器投切電容器配合使用的靜止無(wú)功補(bǔ)償器(tcr+msc)。這種具有tcr 型的補(bǔ)償器反應(yīng)速度快、靈活性大，目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。（3)晶閘管投切電容器(thyristor swit

25、ch capacitor,tsc)這種裝置是將并聯(lián)補(bǔ)償電容器分成若干組，根據(jù)負(fù)荷無(wú)功的變化情況對(duì)補(bǔ)償電容器進(jìn)行分組投切，達(dá)到調(diào)整無(wú)功補(bǔ)償量的目的，其單相原理如圖1.2 所示。tsc 的單相電路還有一個(gè)二極管與一個(gè)晶閘管反并聯(lián)后與一個(gè)電容器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)方式。tsc 用于三相電網(wǎng)中可以是三角形連接，也可以是星形連接。一般對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)采用星形連接，負(fù)荷不對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)采用三角形連接。在工程實(shí)際中，不論是星形還是三角形連接，一般將電容器分成幾組，每組都可由晶閘管投切。這樣，可根據(jù)電網(wǎng)的無(wú)功需求投切這些電容器。晶閘管投切電容器裝置特別適合于沖擊性負(fù)荷及經(jīng)常波動(dòng)性超負(fù)荷的場(chǎng)所。現(xiàn)在普遍把這種可以快速補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功功率的

26、晶閘管投切電容器的無(wú)功補(bǔ)償裝置叫做動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器。tsc 型動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式具有以下特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)緊湊，可設(shè)計(jì)成柜體形式，占地面積??；設(shè)備投資小，大約比tcr 降低25%； 運(yùn)行能耗小；電容器是無(wú)過(guò)渡過(guò)程投切，本身不產(chǎn)生諧波，合理的參數(shù)還可吸收諧波；接入系統(tǒng)靈活，可設(shè)計(jì)成高壓型。缺點(diǎn)是不能連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率。tsc 補(bǔ)償器如果級(jí)數(shù)分得足夠細(xì)化，基本上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。tsc 對(duì)三相不平衡負(fù)荷可以分相補(bǔ)償，但對(duì)抑制沖擊負(fù)荷引起的電壓閃變，單靠電容器投入電網(wǎng)的電容量的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)是不夠的，所以tsc 裝置一般與電感相并聯(lián)，其典型設(shè)備是tsc+tcr 補(bǔ)償裝置。這種補(bǔ)償器均采用三角形連接，以電容器作為分級(jí)粗

27、調(diào)，以電感作相控細(xì)調(diào)，三次諧波不會(huì)流入電網(wǎng)，大大減小了諧波。以上所舉的裝置合起來(lái)統(tǒng)稱(chēng)為svc(static var compensatory)。這些靜止補(bǔ)償器對(duì)電力系統(tǒng)狀況的調(diào)整和暫態(tài)性能的改善起到了重要的作用，且其控制技術(shù)也比較成熟，在實(shí)際電力系統(tǒng)中也得到了不少有效應(yīng)用12。但是它們都是利用晶閘管進(jìn)行換相控制，在無(wú)功變動(dòng)時(shí)容易發(fā)生逆變現(xiàn)象，并且都需要大電感或大電容來(lái)產(chǎn)生感性和容性無(wú)功，因而人們期待有新的補(bǔ)償方式改善上述缺陷。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，一種更先進(jìn)的靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置出現(xiàn)了，即采用自換相變流電路的靜止無(wú)功發(fā)生器(static var generator,svg)，也稱(chēng)之為高級(jí)

28、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(advanced static var compensator,asvc)。靜止無(wú)功發(fā)生器的基本原理是將自換相橋式電路通過(guò)電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿(mǎn)足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。與傳統(tǒng)的以tcr為代表的svc裝置相比，svg的調(diào)節(jié)速度更快，運(yùn)行范圍寬，而且在采取多重化、多電平或pwm技術(shù)等措施后可大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量。更重要的是，svg使用的電抗器和電容元件遠(yuǎn)比svc中使用的電抗器和電容元件要小，這將大大縮小裝置的體積和成本。svg具有如此優(yōu)越的性能，顯示了

29、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。但是，svg的控制方法和控制系統(tǒng)比svc要復(fù)雜的多。另外，svg要使用數(shù)量較多的較大容量全控型器件，其價(jià)格目前仍比svc使用的普通晶閘管高得多。因此，svg由于用小的儲(chǔ)能元件而具有的總體成本的潛在優(yōu)勢(shì)，還有待于器件水平的提高和成本的降低來(lái)得以發(fā)揮。在svg的基礎(chǔ)上，靜止同步補(bǔ)償器 (static synchronous compensatory,statcom)，也稱(chēng)為新型靜止無(wú)功發(fā)生器(advanced static var generator,asvg)產(chǎn)生了。這種無(wú)功功率調(diào)節(jié)裝置可以從感性到容性平滑地調(diào)節(jié)無(wú)功功率，相當(dāng)于一個(gè)電壓大小可以控制的電壓源，其工作原理

30、是：當(dāng)裝置產(chǎn)生的電壓小于系統(tǒng)電壓時(shí)，吸收感性無(wú)功功率，此時(shí)相當(dāng)于電感；當(dāng)裝置產(chǎn)生的電壓大于系統(tǒng)電壓時(shí)，輸出容性無(wú)功功率，此時(shí)相當(dāng)于電容。由以上概述可知，補(bǔ)償無(wú)功功率的方法先后采用了同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(svc、svg、statcom)等。1.2.3無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)在，在世界范圍內(nèi)，以tcr和tsc為代表的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置svc已經(jīng)占據(jù)了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾匚?，是?dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，svg在一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)也開(kāi)始研究。截止到2000 年，全世界已有超過(guò)400 套、總?cè)萘考s為60gvar的svc在輸配電系統(tǒng)中運(yùn)行；全世界已有超過(guò)600 套、總

31、容量約為40gvar的svc在工業(yè)部門(mén)使用。我國(guó)的輸電系統(tǒng)中有6 套容量為105170mvar的svc安裝在5個(gè)500kv變電站，均為進(jìn)口；工業(yè)用戶(hù)安裝了100 多套svc，約有1/5 是進(jìn)口的。從2001年起中國(guó)電力科學(xué)研究院已為工業(yè)用戶(hù)提供了26 套1035kv tcr型svc新平臺(tái)，l0kv tsc型svc裝置于2001 年、2003 年在變電站分別投入運(yùn)行，填補(bǔ)了svc國(guó)內(nèi)工程化應(yīng)用的空白。而statcom裝置是基于變流器的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，其技術(shù)是所有基于變流器的facts裝置的基礎(chǔ)，已經(jīng)獲得了廣泛的重視2125。世界上各大著名的電氣設(shè)備制造商(如西門(mén)子公司、abb公司、阿爾斯通公司

32、、ge公司、三菱公司等)都開(kāi)發(fā)了statcom工業(yè)裝置產(chǎn)品。1999 年我國(guó)清華大學(xué)也開(kāi)發(fā)了士20mvar statcom裝置，且在河南電網(wǎng)成功投入運(yùn)行。statcom裝置在國(guó)際上已有幾十套示范工程投入使用，單套容量已達(dá)到200mvar，該技術(shù)正在逐漸成熟.從無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的應(yīng)用來(lái)看，svc裝置控制簡(jiǎn)單、價(jià)格低、能滿(mǎn)足大多數(shù)用戶(hù)對(duì)于無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)男枰?，?yīng)用最為普遍，在電力系統(tǒng)和工礦企業(yè)用戶(hù)中擁有廣大市場(chǎng)，是并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕b置。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)svc的研究多集中在對(duì)其應(yīng)用于輸電補(bǔ)償?shù)母鞣N場(chǎng)合時(shí)控制策略和方法的進(jìn)一步探討上，隨著模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家系統(tǒng)等智能控制手段相繼被引入svc控

33、制系統(tǒng)，使svc系統(tǒng)的性能更加提高，但還有很多理論和實(shí)際運(yùn)用的問(wèn)題尚待解決2125。而對(duì)svg的研究除了控制方法以外，還呈現(xiàn)出與有源電力濾波器相結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)，但svg控制復(fù)雜，所用全控器件價(jià)格昂貴，目前還沒(méi)有普及。尤其在我國(guó)，大功率電力電子器件基本依賴(lài)進(jìn)口，成本太高，此類(lèi)裝置的實(shí)用化尚需相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。而采用可關(guān)斷器件的statcom裝置，由于歷史和價(jià)格的原因，目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的實(shí)例并不多。然而statcom是性能最優(yōu)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，是facts的核心，值得加強(qiáng)研究和推廣使用17,29,25。1.3本文的主要內(nèi)容第一章中，首先介紹了無(wú)功補(bǔ)償研究的目的和意義，接著闡述了無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)臍v史、現(xiàn)

34、狀及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)各種不同類(lèi)型的無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了比較。第二章中，詳細(xì)闡述了無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)挠嘘P(guān)理論，針對(duì)低壓電網(wǎng)，重點(diǎn)分析了tsc 型無(wú)功補(bǔ)償原理、補(bǔ)償容量和補(bǔ)償位置的優(yōu)化方法及其無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)投切控制方式。第三、四章中，根據(jù)要求設(shè)計(jì)了用于低壓電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，介紹了裝置的主電路原理及其主要元件的選取方法，完成了無(wú)功功率補(bǔ)償控制器的有關(guān)硬件設(shè)計(jì)，編寫(xiě)了控制器軟件，并對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)中采用的抗干擾措施進(jìn)行了總結(jié)。第五章中，利用matlab/simulink 軟件中的仿真功能對(duì)設(shè)計(jì)的無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的該裝置可以對(duì)系統(tǒng)無(wú)功實(shí)時(shí)補(bǔ)償。第六章中，對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。第二章 無(wú)功功率補(bǔ)償

35、有關(guān)理論的研究無(wú)功功率的概念是與交流電和非純阻性負(fù)載聯(lián)系在一起的。在直流系統(tǒng)或者純阻性負(fù)載的系統(tǒng)中不存在無(wú)功功率的概念，也就不存在無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題。2.1交流電路的無(wú)功功率 在正弦交流電路中，如果負(fù)載是線(xiàn)性的，電路中的電壓和電流都是正弦波。圖21無(wú)源一端口網(wǎng)絡(luò)對(duì)于如圖21所示的內(nèi)部不含有獨(dú)立電源，僅含電阻、電感和電容等無(wú)源元件的端口，設(shè)電路中正弦交流電壓為 （2.1）端口等效負(fù)載為z，則流過(guò)負(fù)載電路中的電流為 （2.2） 當(dāng)負(fù)載z不是純阻性時(shí)，流過(guò)負(fù)載的電流就會(huì)和電壓有一個(gè)相角差值9，即，此時(shí)電流表示為 （2.3）此時(shí)電路的有功功率p就是其平均功率，即： （2.4） 則 （2.5）可以看出，有功功

36、率p不再是電壓u和電流川g有效值乘積，還要乘以二者夾角的余弦值。電路的無(wú)功功率定義為： （2.6）無(wú)功電流分量的產(chǎn)生是由于系統(tǒng)中含有電感性或電容性的負(fù)載而產(chǎn)生的，該電流用于建立磁場(chǎng)或靜電場(chǎng)，存儲(chǔ)于電感或電容中，并往返于電源與電感或電容之間，并不會(huì)像有功功率那樣被消耗掉。電路中將電壓u和電流i的有效值乘積定義為視在功率，即： （2.7）視在功率只是電壓有效值和電流有效值的乘積，它并不能準(zhǔn)確反映能量交換和消耗的強(qiáng)度，并且在一般電路中，視在功率并不遵守能量守恒定律。從上式（2.5）（2.6），（2.7）可以看出，無(wú)功功率，有功功率，視在功率在數(shù)值時(shí)上滿(mǎn)足如下關(guān)系：在正弦波網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，線(xiàn)路

37、電壓相位會(huì)超前線(xiàn)路的電流相位，即此時(shí)>0。無(wú)功功率q>0，我們說(shuō)網(wǎng)絡(luò)“吸收”感性無(wú)功功率，也可以說(shuō)是“發(fā)出”容性無(wú)功功率；當(dāng)負(fù)載為容性時(shí)，線(xiàn)路電壓相位會(huì)滯后線(xiàn)路的電流相位，即此時(shí)<0，無(wú)功功率q<0，我們說(shuō)網(wǎng)絡(luò)“吸收”容性無(wú)功功率，也可以說(shuō)是“發(fā)出”感性無(wú)功功率。無(wú)功功率的“發(fā)出”和“吸收”不同于有功功率的發(fā)出和吸收，這只是一種習(xí)慣說(shuō)法而已。2.2并聯(lián)電容器組補(bǔ)償無(wú)功功率的原理.在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，大部分負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)。包括異步電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的絕大部分電氣設(shè)備的等效電路可看作是電阻r和電感l(wèi)串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為： （2.8）式中 給r,l電路并聯(lián)接入電容器c之后，電路

38、如圖22所示。圖2-2并聯(lián)電容補(bǔ)償無(wú)功功率的電路和相量圖a)電路b)相量圖(欠補(bǔ)償) c)相量圖(過(guò)補(bǔ)償)該電路的電流方程為： （2.9）由圖22b的相量圖可知，并聯(lián)電容器后電壓u與電流i的相位差變小了，即供電回路的功率因數(shù)提高了。此時(shí)供電電流i的相位滯后于電壓u，這種情況稱(chēng)為欠補(bǔ)償。若電容器c的容量過(guò)大，使得供電電流i的相位超前于電壓u，這種情況稱(chēng)為過(guò)補(bǔ)償，其相量圖如圖22c所示。通常我們并不希望出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r，因?yàn)檫@會(huì)引起變壓器二次側(cè)電壓的升高，而且容性無(wú)功功率在電力線(xiàn)路上傳輸同樣會(huì)增加電能損耗。如果供電線(xiàn)路電壓因此而升高，還會(huì)增大電容器本身的功率損耗，使溫升增大，影響電容器的使用壽命。

39、2.3永磁真空同步開(kāi)關(guān)投切電容器組低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置本文闡述的低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置采用并聯(lián)電容器組的方法，容量配置靈活，電容器的投切采用永磁真空同步開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電容器組的投入過(guò)程無(wú)涌流。系統(tǒng)的原理如圖2-3所示。系統(tǒng)中三相電容器組共接有三組，圖中只畫(huà)出其中一組?？刂破鳈z測(cè)電網(wǎng)的三相電壓和三相電流數(shù)據(jù)，對(duì)只要求三相共補(bǔ)的情況下，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，控制器對(duì)電網(wǎng)電流數(shù)據(jù)的獲得也可以只采集一相電流的數(shù)據(jù)，其他兩相電流認(rèn)為與所采集相的電流相同?？刂破鞲鶕?jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀況和設(shè)定要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、處理和邏輯判斷，在需要的情況下通過(guò)繼電器輸出控制信號(hào)km1-km6，進(jìn)而控制圖中的km1、km2包括圖中未畫(huà)出的km3、km4

40、、km5、km6等永磁真空同步開(kāi)關(guān)，控制電容器組的投入和切除，完成對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行的合理的無(wú)功容量的補(bǔ)償。 圖2-3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖永磁真空同步開(kāi)關(guān)是真空開(kāi)關(guān)技術(shù)、永磁操作機(jī)構(gòu)技術(shù)和微電子技術(shù)三者組合的產(chǎn)物，將同步開(kāi)關(guān)的概念應(yīng)用到低壓無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域，具有選相合閘功能和高可靠、免維護(hù)、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。能夠精確地在任意設(shè)定的相位角接通電路，如在投入電容時(shí)，在主回路交流電壓過(guò)零的瞬間接通電路，從而消除了合閘涌流，大幅度提高了電容的壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而對(duì)于感性負(fù)載，則正好相反。在電壓最大值的瞬間接通電路，以消除過(guò)渡過(guò)程。采用永磁操作機(jī)構(gòu)，在分閘或合閘狀態(tài)時(shí)開(kāi)關(guān)的線(xiàn)圈無(wú)需保持電流，即開(kāi)關(guān)僅在合閘或分閘操作時(shí)線(xiàn)圈通以一

41、個(gè)忙沖的小電流即可徹底解決線(xiàn)圈的過(guò)熱問(wèn)題。2.4無(wú)功補(bǔ)償容量的確定無(wú)功補(bǔ)償裝置的用途就是為電網(wǎng)補(bǔ)償無(wú)功功率，但是對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償容量不是隨意的，需要根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行情況來(lái)確定，因此確定無(wú)功補(bǔ)償容量成為必不可少的步驟。確定無(wú)功補(bǔ)償容量最直接的方法就是從提高功率因數(shù)的需要來(lái)確定補(bǔ)償容量。如果補(bǔ)償線(xiàn)路有功功率為p1，補(bǔ)償前的功率因數(shù)為cos1，補(bǔ)償后的功率因數(shù)為cos2，則補(bǔ)償容量可以用下述公式計(jì)算： （2.10）上式中表示線(xiàn)路中需要的補(bǔ)償容量。對(duì)于補(bǔ)償后的功率因數(shù)cos2的設(shè)定要適當(dāng)，通常設(shè)為0.91.0之間的某個(gè)合適的值，該值不宣設(shè)的過(guò)高。例如對(duì)于一個(gè)有功功率為100kw功率因數(shù)為075的待補(bǔ)償線(xiàn)

42、路，如果將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.9，按照式210計(jì)算所得的補(bǔ)償容量為398kvar，如果將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.0，計(jì)算所得的補(bǔ)償容量則為882lkvar，可以看出，在超過(guò)0.9的高功率因數(shù)下進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償其效益將顯著下降。所以可能的情況下可以將補(bǔ)償后功率因數(shù)適當(dāng)設(shè)置的低些。對(duì)于并聯(lián)電容器組補(bǔ)償方式來(lái)說(shuō)，電力電容器組額定容量與其接線(xiàn)方式有關(guān)。對(duì)于三相電路，電容器容量為： （2.11）上式中 表示電容器容量 kvar f表示交流電網(wǎng)頻率，f=50hz u表示相電壓 kv c為單相電容器電容值 f對(duì)于三相三角形接線(xiàn)的系統(tǒng)，線(xiàn)電壓等于相電壓，而對(duì)于三相星形接線(xiàn)的系統(tǒng)，線(xiàn)電壓等于相電壓的倍，對(duì)于同樣的電容器組三

43、角形接線(xiàn)的無(wú)功出力是星形接線(xiàn)的3倍，這也是將并聯(lián)電容器組以三角形連接并聯(lián)于電網(wǎng)的原因。2.5無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益分析無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在減少無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，提高電力系統(tǒng)有功輸送容量和供電能力，降低輸電線(xiàn)路因輸送無(wú)功功率造成的輸送線(xiàn)路損耗，節(jié)省投資，在有限的輸電網(wǎng)絡(luò)中最大可能地為用戶(hù)輸送更多地有功電能等幾個(gè)方面。根據(jù)有功功率的計(jì)算公式2.5有： （2.12） 由公式2.12可知負(fù)載電流i，與線(xiàn)路功率因數(shù)cos成反比，如果線(xiàn)路輸送的有功功率一定，那么功率因數(shù)提高則可使線(xiàn)路中的電流降低，根據(jù)線(xiàn)路損耗的計(jì)算公式ps=且可知，線(xiàn)損下降。安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的最主要的目的就是為了提高線(xiàn)路的功率因

44、數(shù)，從而降低線(xiàn)路損耗。以廣東省中山供電局李銓怡的文章“低壓無(wú)功補(bǔ)償?shù)木C合經(jīng)濟(jì)效益”中所寫(xiě)數(shù)據(jù)為例，按中山供電局電網(wǎng)的供電量，根據(jù)有代表性的五個(gè)1lokv變電站無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓?jié)能計(jì)算，在l0kv系統(tǒng)裝設(shè)10000kvar集中補(bǔ)償，可在llokv網(wǎng)絡(luò)中獲得年節(jié)電60萬(wàn)kwh電之利。如果在380v低壓系統(tǒng)中裝設(shè)同樣多的無(wú)功補(bǔ)償，則在110kv及以下電網(wǎng)中，年節(jié)電量達(dá)80萬(wàn)kw·h。這就等于給地方系統(tǒng)節(jié)省80萬(wàn)元電力建設(shè)資金。也就是說(shuō)，每降損1kwh，可節(jié)省電力建設(shè)費(fèi)1元。而給新用戶(hù)輸送的80萬(wàn)kwh年電量，不需增加運(yùn)行費(fèi),可以看出，其經(jīng)濟(jì)效益明顯。第三章 無(wú)功補(bǔ)償裝置硬件設(shè)計(jì)本課題設(shè)計(jì)的為晶閘

45、管投切電容器(tsc)型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，采用集中補(bǔ)償方式，裝配在配電變壓器低壓側(cè)母線(xiàn)上，對(duì)配電變壓器所帶整個(gè)區(qū)域負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償。本章主要介紹裝置的主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和無(wú)功補(bǔ)償控制器的部分硬件電路設(shè)計(jì)及其采取的抗干擾措施。3.1主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本課題設(shè)計(jì)的無(wú)功補(bǔ)償裝置主體結(jié)構(gòu)由柜體、控制器、空氣開(kāi)關(guān)、避雷器、三相電容器、熔斷器、可控開(kāi)關(guān)、觸發(fā)板和串聯(lián)電抗器等部分組成，主電路接線(xiàn)示意圖如圖3.1 所示：如圖3.1 所示，為無(wú)功補(bǔ)償裝置主電路接線(xiàn)圖。由圖可以看出：電網(wǎng)中a、b、c 三相電源線(xiàn)經(jīng)空氣開(kāi)關(guān)進(jìn)入無(wú)功補(bǔ)償裝置的柜體內(nèi)，再經(jīng)熔斷器與復(fù)合開(kāi)關(guān)模塊連接，電容器經(jīng)復(fù)合開(kāi)關(guān)模塊與熔斷器和空氣開(kāi)關(guān)連接，避雷器

46、經(jīng)空氣開(kāi)關(guān)與三相電源線(xiàn)相連后接地。工作過(guò)程為：將從線(xiàn)路采集電壓、電流等采樣信號(hào)送入控制器內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，計(jì)算線(xiàn)路所缺的無(wú)功功率，控制器再根據(jù)此無(wú)功功率，按照預(yù)先設(shè)定的控制策略，來(lái)判定是否需要投入或切除電容器。控制器通過(guò)晶閘管與二極管反并聯(lián)組成的復(fù)合開(kāi)關(guān)模塊來(lái)控制投切電容器主要元件功能及其選擇原則介紹如下：(1)柜體：即無(wú)功補(bǔ)償柜的箱體，頂部有防塵蓋，在防塵蓋和箱體之間留有一定的空隙，同時(shí)在底部和側(cè)面都有空氣流通孔，以保證充分散熱。(2)控制器：控制器具有無(wú)功投切判斷、電量參數(shù)計(jì)算等功能，通過(guò)控制二極管和晶閘管反并聯(lián)組成的復(fù)合開(kāi)關(guān)進(jìn)行補(bǔ)償電容器的投切。 (3)空氣開(kāi)關(guān)：空氣開(kāi)關(guān)是整個(gè)無(wú)功補(bǔ)償

47、裝置的總開(kāi)關(guān)，它控制著整個(gè)無(wú)功補(bǔ)償柜的電源及過(guò)流保護(hù)?？諝忾_(kāi)關(guān)又稱(chēng)空氣斷路器，其選取根據(jù)裝置中電容器容量的大小不同和通過(guò)的電流不同來(lái)選取，主要用來(lái)分配電能和保護(hù)線(xiàn)路及電源設(shè)備的過(guò)載、欠電壓和短路。(4)避雷器：避雷器起保護(hù)作用，防止裝置因雷擊過(guò)電壓而受到損壞。避雷器的選取應(yīng)以保證電力系統(tǒng)安全的前提下選擇。一般情況選取避雷器額定電壓為系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓的1.21.3 倍。(5)電容器：電容器采用0.4kv 三相自愈式并聯(lián)電容器，采用三相角形接法、三相共補(bǔ)的補(bǔ)償方式實(shí)施動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率。(6)熔斷器：熔斷器起保護(hù)作用，防止補(bǔ)償裝置由于過(guò)電流的原因而損壞。熔斷器的選取要和空氣斷路器配合，一般其跌落電流

48、選為通過(guò)電流的兩倍。 (7)可控開(kāi)關(guān)：可控開(kāi)關(guān)采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的組合形式，通過(guò)二極管的反向自然關(guān)斷和可控硅的可控關(guān)斷來(lái)控制電容器組的投切。復(fù)合開(kāi)關(guān)模塊主要控制a、c 兩相，對(duì)于三相電路而言，若a、c 兩相斷開(kāi)，則b 相即使連接，三相并聯(lián)電容器也不能投入，因此此接法具有更大的經(jīng)濟(jì)效益?？刂芶、c 兩相電容器投切的每相可控開(kāi)關(guān)由一只二極管和一只晶閘管反并聯(lián)組成。另外，每只二極管和晶閘管上均有rc 阻容吸收回路，用于吸收浪涌電壓和抑制過(guò)電壓。當(dāng)主回路施加正向電壓于晶閘管兩端，且控制極上得到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，晶閘管導(dǎo)通，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)合上，電容器投入運(yùn)行，當(dāng)加反向電壓時(shí)，晶閘管反向截止，而二極管導(dǎo)通，電

49、容器殘壓沿回路快速放電。 (8)觸發(fā)板：觸發(fā)板是晶閘管的控制驅(qū)動(dòng)電路，它將來(lái)自控制器的投切信號(hào)轉(zhuǎn)化為高頻脈沖信號(hào)，控制可控硅復(fù)合開(kāi)關(guān)的通斷。(9)串聯(lián)電抗器：串聯(lián)電抗器抑制電容器的投切涌流，保護(hù)電容器的正常運(yùn)行。3.2無(wú)功補(bǔ)償控制器硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于控制系統(tǒng)以無(wú)功功率作為主要的檢測(cè)及控制目標(biāo)，而無(wú)功功率的計(jì)算公式如下： （3.1）其中，q為無(wú)功功率，i為電網(wǎng)線(xiàn)電壓， u1為負(fù)載相電流， 為功率因數(shù)角。據(jù)此，本文在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了電壓、電流信號(hào)采集電路及功率因數(shù)測(cè)量電路，無(wú)功功率可以由所測(cè)得的電壓值、電流值以及功率因數(shù)值根據(jù)公式(3.1)計(jì)算得到。同時(shí)系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了四位數(shù)碼管的顯示電路以顯示電壓

50、值、電流值以及功率因數(shù)值。由于系統(tǒng)只設(shè)置了四個(gè)數(shù)碼管，因此鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)是用于切換顯示內(nèi)容。控制系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算得到的無(wú)功缺額控制相應(yīng)電容器組的投切，投切指令由單片機(jī)的i/o口輸出到脈沖觸發(fā)裝置控制晶閘管投切開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān)斷。3.2.1信號(hào)采集通道及轉(zhuǎn)換電路數(shù)字控制器采集的電流和電壓信號(hào)來(lái)自于無(wú)功調(diào)節(jié)器的互感器，目前的工藝做到互感器初級(jí)和次級(jí)的電流或電壓信號(hào)的相位差很小，一般相位誤差只有正負(fù)幾分到幾十分(取決于互感器的精度等級(jí))，完全能夠滿(mǎn)足無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰Ｒ虼?，采集電流和電壓信?hào)時(shí)可以不需要額外的校正或補(bǔ)償電路。無(wú)功補(bǔ)償裝置所需測(cè)量的電網(wǎng)電壓和各支路電流通過(guò)兩級(jí)互感器耦合提供給控制器。第二級(jí)互感

51、器電路如圖3.3 所示，這些信號(hào)可以直接利用模擬器件來(lái)進(jìn)行處理。圖3.3 互感器模擬量采集電路以及a/d轉(zhuǎn)換電路如圖3.4 所示。交流電壓量、電流量分別經(jīng)電壓互感器、電流互感器變換成適用于微機(jī)處理的弱信號(hào)后，再經(jīng)整流濾波電路把交流量變換為直流量以便進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，a/d轉(zhuǎn)換電路再把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入cpu。本系統(tǒng)中的a/d轉(zhuǎn)換器采用tlc2543 芯片，它是ti公司生產(chǎn)的12 位開(kāi)關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有三個(gè)控制輸入端：片選端(cs )、串行數(shù)據(jù)輸入端(data input) 以及輸入/輸出時(shí)鐘端(i/o clock)，其簡(jiǎn)單的3 線(xiàn)spi串行接口可以非常容易地與微處理器進(jìn)行通信，

52、11 路輸入通道可采集11 路模擬信號(hào)，是12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的低成本方案。圖3.4 模擬量采集電路圖3.2.2功率因數(shù)測(cè)量電路由于電力系統(tǒng)中三相負(fù)載的不平衡，為了能真實(shí)反映三相功率因數(shù)值，故從一相取相電流信號(hào)，從另外兩相取線(xiàn)電壓信號(hào)。相電流和線(xiàn)電壓之間的夾角(為線(xiàn)電壓滯后相電流的角度)隨功率因數(shù)角的變化而變化，二者之間有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，本文采用通過(guò)采樣三相中任意一相的電流以及另外兩相的線(xiàn)電壓之間的相位差的方法設(shè)計(jì)了三相系統(tǒng)的功率因數(shù)采樣檢測(cè)電路。圖3.5 功率因數(shù)測(cè)量電路功率因數(shù)的測(cè)量電路如圖3.5 所示。電路的輸入是a、c 相之間的線(xiàn)電壓以及b 相電流，輸出是包含功率因數(shù)信息的方波信號(hào)。

53、工作過(guò)程為：由電壓互感器取得的線(xiàn)電壓信號(hào)輸入到比較器lm339 的同相輸入端，由電流互感器取得的相電流信號(hào)首先轉(zhuǎn)化成電壓，然后輸入到lm339 的另一個(gè)同相輸入端，再分別轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的方波信號(hào)和。由于比較器接成零比較器而且是同相輸入，因此方波信號(hào)和的上升沿均決定于輸入信號(hào)由負(fù)變正這一過(guò)零時(shí)刻。兩個(gè)方波信號(hào)和經(jīng)異或門(mén)后得到一新的方波信號(hào)，將方波信號(hào)送入到單片機(jī)的外中斷int0 引腳，把單片機(jī)的外中斷int0和定時(shí)器t0 聯(lián)合使用，就可以檢測(cè)出經(jīng)異或門(mén)之后的方波信號(hào)的脈沖寬度, 該方波信號(hào)的脈沖寬度 隨功率因數(shù)角 的變化而變化，二者之間有著對(duì)應(yīng)關(guān)系。相電流線(xiàn)電壓的相位差 和功率因數(shù)角可通過(guò)下式計(jì)算：

54、 （3.2）式中為由正變負(fù)時(shí)，t0 停止計(jì)數(shù)，得到與時(shí)間差成正比的計(jì)數(shù)值，從而得到電網(wǎng)的功率因數(shù)cos 。采用multisim 軟件對(duì)上述設(shè)計(jì)的電路圖3.5 進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3.6所示圖3.6仿真結(jié)果從實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果來(lái)看，該方法設(shè)計(jì)的電路可以有效的檢測(cè)電網(wǎng)的功率因數(shù)。采用該方法設(shè)計(jì)的功率因數(shù)檢測(cè)電路硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性較好，無(wú)需中性點(diǎn)，可以方便的進(jìn)行安裝調(diào)試。3.2.3晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路控制器是無(wú)功補(bǔ)償裝置的核心處理單元，但控制器將采樣信號(hào)換算后，發(fā)出相應(yīng)的投切控制信號(hào)時(shí)，必須有高頻觸發(fā)脈沖去觸發(fā)晶閘管。如何選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通以對(duì)電容器進(jìn)行無(wú)沖擊投切動(dòng)作，是tsc 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。總

55、的原則是電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時(shí)刻，而通常的做法都不可避免地有各種缺點(diǎn)，因此本文采用設(shè)計(jì)獨(dú)立的tsc 脈沖觸發(fā)裝置，利用uln2003an(其輸出達(dá)到500ma)來(lái)驅(qū)動(dòng)脈沖觸發(fā)裝置工作，從而控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷，即電容器的投入與切除。本文設(shè)計(jì)的脈沖觸發(fā)裝置基本原理圖如圖3.7所示。由于電容器上的電壓是一直變化的，所以晶閘管上的電壓是一個(gè)不能根據(jù)電源電壓計(jì)算出來(lái)的一個(gè)動(dòng)態(tài)值，必須在投切的時(shí)候?qū)чl管兩端的電壓進(jìn)行實(shí)測(cè)。因此本文采用了380v/24v 同步變壓器對(duì)晶閘管復(fù)合開(kāi)關(guān)的電壓采集信號(hào)進(jìn)行降壓處理，得到的三相同步電壓，再經(jīng)過(guò)濾波電路(主要濾去高次諧波) 后作為脈沖觸發(fā)板的同步電壓輸入信號(hào)。如圖3.7所示，無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)脈沖觸發(fā)裝置的電路可以人為的分成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)邏輯處理電路和隔離放大驅(qū)動(dòng)電路三個(gè)部分。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分的主要由二極管回路和光電耦合三極管組成，輸入是對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行采樣處理的三相交流電(幅值約為24v)，輸出為通過(guò)光電耦合三極管轉(zhuǎn)換后的三個(gè)數(shù)字邏輯電平。單片機(jī)控制系統(tǒng)將模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分輸出的邏輯電平進(jìn)行邏輯判斷處理，輸出兩路對(duì)晶閘管的投切控制信