配電網無功補償系統(tǒng)的研究與應用

1、湖南大學碩士學位論文配電網無功補償系統(tǒng)的研究與應用姓名：黃志剛申請學位級別：碩士專業(yè)：電氣工程指導教師：羅安;胡昭發(fā)20070830摘要本論文介紹了無功補償?shù)脑砗湍康?，針對當配電網無功補償?shù)那闆r，給出了無功補償?shù)膬?yōu)化方法。在實時補償方面，針對不同的負荷狀況，從實時的角度研究電容器組的投切及控制算法。針對當前低壓無功補償中遇到的一些問題，通過理論上的分析，結合先進的軟硬件技術，詳細介紹了解決思路和系統(tǒng)關鍵技術的實現(xiàn)以及補償方案的選取。其中針對無觸點開關投切電容器時產生的電流沖擊問題設計了專門的主電路和觸發(fā)電路，并結合通斷率控制來消除沖擊電流；對無功補償中可能遇到的電流諧振問題，通過理論計算選取

2、了在主電路中串入電感的方法來避免電流諧振的產生；對由投切電容可能引入的電壓高次諧波，加入了電壓濾波環(huán)節(jié)，減少對電網的污染；在三相不平衡情況比較嚴重的情況下，根據(jù)功率平衡器的原理進行無功補償，把功率因數(shù)補償?shù)饺我庵付ㄖ档耐瑫r還將三相不對稱負荷補償成對于供電系統(tǒng)來說是三相對稱的；對于單個的補償裝置，采用最優(yōu)控制理論，使功率因數(shù)達到最優(yōu)的控制效果；在進行多點協(xié)同的無功補償時，先根據(jù)線路的特點計算尋求線路中的最優(yōu)補償點，在此基礎上通過多個單機的協(xié)同控制，采用了動態(tài)規(guī)劃方法，使線路的損耗達到最小值。該裝置目前在韶關冶煉廠已投入運行，運行結果表明，該裝置不僅響應速度快，數(shù)據(jù)傳輸可靠，控制精度高，而且操作簡

3、單，易維護，很好的滿足了控制要求。關鍵字：無功補償；無觸點開關；諧波；最優(yōu)補償點，：；湖南大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名：苕壓硎日期：姊每？其日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留弗向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權湖南大學可以將本

4、學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于、保密口，在年解密后適用本授權書。弋不保密團。（請在以上相應方框內打“、”）作者簽名：刪導師簽名：羅座日期：矽矽年紗月，日日期：固每船其日第一章緒論課題背景由于電網容量的增加，對電網無功要求也與日增加。在城農網改造過程中，對無功就地平衡提出了新的要求，本論文針對低壓配電網絡如可實現(xiàn)無功平衡，并實現(xiàn)自動補償功能進行分析。國內外研究現(xiàn)狀電力系統(tǒng)是一個典型的非線性大系統(tǒng)，隨著社會的進步，經濟的發(fā)展，社會對電力的需求不斷增加，使現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，系統(tǒng)日趨復雜。大機組、重負荷、超高壓

5、遠距離輸電，大型互聯(lián)網絡的發(fā)展，以及對電力系統(tǒng)安全性、經濟性及電能質量的高要求，使柔性輸電系統(tǒng)（）技術成為目前電力系統(tǒng)的一個重要的研究領域。傳統(tǒng)的無功補償設備可滿足一定范圍內的無功補償要求，但存在響應的速度慢，故障維護困難等缺點。靜止無功補償器（）近年來獲得了很大發(fā)展，已被廣泛用于輸電系統(tǒng)波阻抗補償及長距離輸電的分段補償，也大量用于負載無功補償。其典型代表是固定電容器晶閘管控制電抗器（）。晶閘管投切電容器也獲得了廣泛的應用。除了在控制器件方面的改進，隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，在控制方法上也有很大的進步。采用模糊神經網絡、自適應控制等智能型控制方法，研制能同時對電壓、無功功率、三相不平衡、諧波

6、等進行綜合調節(jié)和補償控制的裝置已經成為大家的共識。目靜，在城市配電網公用變壓器低壓側，由于用戶家用電器感性負載的不斷增加，使得其功率因數(shù)較低，導致公用變壓器低壓側線路損耗大，供電電壓指標不能滿足用戶要求。因此，在公用變壓器低壓側進行無功功率補償已成為目研究的另一個熱門。國外，城市、農村電網是否安裝戶外無功補償已成為衡量配電網性能的主要指標之一。在日本，配電網系統(tǒng)戶外補償電容器的自動投切率已達；在莢國，許多城市道路旁的電線桿上裝有并聯(lián)電容器組，并采用自動裝置控制”“”。國內，無功補償主要采用變電站集中補償和企業(yè)就地補償兩種形式。據(jù)統(tǒng)計，當前，國內典型城鄉(xiāng)配電網無功損耗情況如下：按電壓等級劃分，級

7、損耗占，級占，以上占。在農村，長距離供電較為普遍，線路損耗較大；在城網中，配網損耗主要在側，因此，做好等級電壓以下的無功補償具有重要意義。近年來，由于計算機技術的發(fā)展，無功補償技術已得到很大的改進，無功補償裝置的發(fā)展已進入一個新的階段。然而，許多電網仍存在補償不足，調節(jié)手段落后，電壓偏低，損耗增大等問題。負荷無功補償主要有以下幾個問題：）無功補償容量不足。在供電方面，公用變壓器在全國大中小城市中大量存在，而且伴隨著一戶一表等城網改造的開展，還會大量增加。由于資金匱乏及重視程度不夠，公用變壓器區(qū)內無功補償容量嚴重不足，有功損耗大，公用變壓器的利用率不商。在用戶方面，由于公用變壓器區(qū)內低壓用戶很多

8、，供電企業(yè)管理不便，低壓用戶感性負荷很大。由于各用戶沒有統(tǒng)一的無功功率補償，造成補償不合理，效果不明顯。）無功補償裝置落后。在無功補償裝置上，大量的裝置采用采集任選一相的無功信號或一相電流另兩相電壓得出的無功信號并以此作為投切容量的依據(jù)，但這種方式只適用于以三相動力為主的配電區(qū)，它可能會對非采樣相造成過補或欠補。在投切容量的確定方面，往往功率因數(shù)為參考，電容器分組投切，當功率因數(shù)滯后時，則投入一組電容器；當有超前的無功分量時，則切除一組電容器；按步投切電容量，無功補償?shù)木炔桓?。這些裝置常因為電容器容量級差大而投切精度低或頻繁投切。）集中補償占大多數(shù)。集中補償只能減少裝設點以上線路和變壓器因輸

9、送無功功率所產生的損耗，而不能減少用戶內部通過配電線路向用電設備輸送無功功率所造成的有功損耗。由于用戶內部的無功損耗沒有減少，所以降損節(jié)電效果必然受到限制。負荷所需的無功功率，仍然需要通過線路供給，依然產生有功損耗。戶外型無功自動補償系統(tǒng)的研究正在起步，已有一些科研單位和公司推出了相應產品。早期生產的低壓網無功補償控制器多選用分立的電子元件；年代起發(fā)展為采用集成電路；近年來發(fā)展的新產品是以微處理器為核心的電腦型智能化產品，并根據(jù)用戶需要開發(fā)出了一批多功能的新產品，可以獲得優(yōu)良的調節(jié)性能和某些獨特的環(huán)節(jié)，使控制器更趨于完善?？刂破麟娐钒l(fā)計和生產過程的完善化，對電子元件的老化試驗和篩選，提高了控制

10、器整體的工作可靠性和使用壽命，產品質量的檔次得到提高。目前主要存在問題是控制規(guī)律簡單、抗干擾能力差，不能很好的解決無觸點開關投切電容的問題，在三相不平衡條件下不能有效的進行無功補償。同時由于戶外工作環(huán)境相對惡劣，裝置的可靠性和控制精度難以滿足現(xiàn)場運行的要求。此外還不具備通訊功能，不能實現(xiàn)全電網的無功優(yōu)化，不能對電能質量進行在線監(jiān)視以滿足現(xiàn)代化電力系統(tǒng)建設的需要。在公用變低壓側進行無功功率補償，現(xiàn)在對并聯(lián)電容器的分組方式得到了共識。過去生產按等容量分組的控制器，后生產按：或：不等容量分組的控制器，調控補償設備的容量分組分別為級和級。主要發(fā)展帶邏輯電路“先投先切，后投后切”的等容量分組方式的控制器

11、，以使各組并聯(lián)電容器投入運行的時間大致均等，并可減少增減補償容量過程中電容器的投切次數(shù)，但仍舊沒有解決無級投切的問題。隨著高電壓、大功率半導體器件的不斷更新和發(fā)展，功率變換控制技術的閂臻完善，極大地推動了電力電子技術在電力工業(yè)中的廣泛應用，對增強電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，提高輸電能力和用電效率，以及在節(jié)能和改善電能質量等各方面都起著越來越重要的作用。專家們認為在世紀，會有更多更新的高電壓大功率半導體器件和裝置投入電力工業(yè)的實際運行中，使目前基本不可控的系統(tǒng)變?yōu)殪`活可控（稱為柔性交流輸電系統(tǒng)）。目前國內主要補償方案的簡介及存在的問題國內無功補償主要采用變電站集中補償和企業(yè)就地補償兩種形式。從

12、補償方法上看，主要有固定、手動、自動三種“。固定補償方案固定補償主要綜合整個電網的各項年平均參數(shù)，根據(jù)無功的分布情況選取若干個補償點，每個點投入若干單位的電容量，使得全年節(jié)能效益與經濟投入之比達到最佳。這種方法的優(yōu)點是能綜合考慮整個電網的運行特點，既取得了最佳經濟效益又兼顧了全網無功潮流的平衡；缺點是補償容量不能跟隨電網的實時運行狀況，其最佳值是年平均意義上的，電壓波動問題依然存在，當電網負荷發(fā)生變化時，這種方法就無能為力了。手動補償方案手動補償通過若干電容器組的組合，達到改變補償容量的作用，適用于時間上呈一定規(guī)律變化的負荷，缺點是分組過于粗糙，設備體積龐大，需專人守護，并且只針對采樣點參數(shù)進

13、行計算，不能達到最佳補償效果。自動補償方案自動補償是微電子技術在電力系統(tǒng)的應用?？刂破鞲鶕?jù)傳感器的數(shù)據(jù)，計算出當前電網所需的無功補償量并控制電容器組的投切，達到實時補償?shù)哪康?。進幾年，由于電腦技術的應用，功率因數(shù)自動補償系統(tǒng)的發(fā)展進入了一個新階段。雖然各種微電腦功率因數(shù)自動控制器硬件、軟件設計不同，但其原理基本如圖卜所示：囝徽電腦功率因數(shù)自動控制器方榧圖檢測單元通過電壓、電流互感器采得電壓和電流信號，并利用運放電路、門電路得到反映相位差的方波信號，傳給控制單元。微處理器接收到檢測信號，經過邏輯運算得到實時毋，分別送到顯示和比較單元。在比較單元中與設定值進行比較，確定是否發(fā)出投切命令。同時控制單

14、元還具有過壓、過流、欠補及振蕩報警和保護功能。執(zhí)行單元接到命令后，通過投切裝置完成電容器組的投切。微計算機技術的應用進一步加強了控制單元的功能，集成化程度大大提高了，自診能力、擴充能力都得到了加強?，F(xiàn)有無功自動補償器存在的問題從外部特性和各項指標及用戶反映的情況來看，現(xiàn)有無功自動補償器主要存在以下問題：沒有解決無觸點安全投切電容和無級調節(jié)投入電容容量的問題舊現(xiàn)有的采用無觸點控制的無功補償裝置在電容的無級投切這一點上做的不很理想，大多采用控制觸發(fā)角來控制投切電容量的多少。這樣做會造成較大的沖擊電流和引入高次諧波，使晶閘管的壽命變短，因而無觸點控制的優(yōu)勢無法充分的體現(xiàn)出來。不能提供動態(tài)無功補償?shù)娜?/p>

15、相均荷控制無功補償裝置通常按三相平衡設計，但是電網中的許多沖擊負荷往往具有三相不平衡性質，如冶會電弧爐、大型熔焊機、電氣化鐵路的電力機車等均為具有隨機特征的三相不平衡負荷，民用照明負荷也肓顯著的不平衡特征。顯然，不論是瞬問的電壓閃變還是持續(xù)的中點電位偏移，都不僅會干擾相關系統(tǒng)的證常工作而且可能危及人身與設備安全，這就要求帽應的動態(tài)無功補償裝置在快速補償無功的同時，還具有均荷能力，可以實時地將三相不平衡負荷自動均衡為三相平衡負荷。易導致諧波放大“在低壓配電系統(tǒng)中，采用微機控制品閘管投切電容器組，實現(xiàn)基波無功的分相，分級和跟蹤補償。當配電系統(tǒng)非線性用電負荷比重較大時，并聯(lián)電容器組的投入，一方面由于

16、電容器組的諧波阻抗小，注入電容器組的諧波電流大，使電容器過負荷，嚴重影響其使用壽命：另一方面，當電容器組的諧波容抗與系統(tǒng)等效諧波感抗相等而發(fā)生諧振時，引起電容器諧波電流嚴重放大，其結果是電容器因過熱而損壞，系統(tǒng)電壓嚴重畸變，影響其他用電設備的安全運行?，F(xiàn)有的裝置容易產生高次的諧波嘲傳統(tǒng)上曾以交流接觸器作為電力電容器投切控制執(zhí)行元件，現(xiàn)已被晶閘管所取代，通過對晶閘管觸發(fā)控制角的控制，可以實現(xiàn)對補償電容投切容量的動態(tài)連續(xù)調整，這就是所謂的靜止無功功率補償裝置（）。（固定電容器晶閘管控制電抗器）和（晶閘管開關電容器）是的兩種典型結構。但是用觸發(fā)控制角的控制容易產生高次諧波?？垢蓴_能力差，故障率高因為

17、控制器的工作環(huán)境存在大電流、較強磁場等，對弱電設計部分的抗干擾能力要求很高。戶外工作的環(huán)境更加惡劣，因此目前大多數(shù)控制器均只能在戶內工作，并且故障率高，大大限制了補償器的使用范圍咖。不能達到全局最優(yōu)目前的自動補償方式均針對采樣點數(shù)據(jù)進行計算，因為控制器之問缺乏信息交流，采用的算法落后，控制器不能綜合全網運行情況使無功潮流的分布趨于最合理，經濟效益達到最佳，同時也不能實現(xiàn)對電網的遙測，不適于現(xiàn)代化電網的發(fā)展趨勢。第二章無功補償?shù)脑砑耙饬x無功補償?shù)脑碓陔娏ο到y(tǒng)中，由于電感、電容元件的存在，不僅系統(tǒng)中存在著有功功率，而且存在無功功率。雖然無功功率本身不消耗能量，它的能量只是在電源及負載問進行傳輸

18、交換，但是在這種能量交換的過程會引起電能的損耗，并使電網的視在功率增大，這將對系統(tǒng)產生以下一系列負面影響：（）電網總電流增加，從而會使電力系統(tǒng)中的元件，如變壓器、電器設備、導線等容量增大，使用戶內部的起動控制設備、量測儀表等規(guī)格、尺寸增大，因而使初投資費用增大。在傳送同樣的用功功率情況下，總電流的增大，使設備及線路的損耗增加，使線路及變壓器的電壓損失增大。（）電網的無功容量不足，會造成負荷端的供電電壓低，影響正常生產和生活用電；反之，無功容量過剩，會造成電網的運行電壓過高，電壓波動率過大。（）電網的功率因數(shù)低會造成大量電能損耗，當功率因數(shù)由下降到時，電能損耗將近提高了一倍。（）對電力系統(tǒng)的發(fā)電

19、設備柬說，無功電流的增大，對發(fā)電機轉子的去磁效應增加，電壓降低，如過度增加勵磁電流，則使轉子繞組超過允許溫升。為了保證轉子繞組幣常工作，發(fā)電機就不允許達到預定的出力。此外，原動機的效率是按照有功功率衡量的，當發(fā)電機發(fā)出的視在功率一定時，無功功率的增加，會導致原動機效率的相對降低“。目前，隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，工廠大量使用大功率丌關器件組成的設備對大型、沖擊型負載供電，這使電能質量問題益嚴重。如果，不進行無功補償，在正常運行時，會反復地使負載的無功功率在很大的范圍內波動，這不僅使電氣設備得不到充分的利用，網絡傳輸能力下降，損耗增加，甚至還會導致設備損壞、系統(tǒng)癱瘓。電力網的功率因數(shù)電力網除了

20、要負擔用電負荷的有功功率，還要負擔負荷的無功功率。有功功率、無功功率和視在功率之間存在下述關系：（）而專（）被定義為電力網的功率因數(shù)，其物理意義是線路的視在功率供給有功功率的消耗所占百分數(shù)。在電力網的運行中，我們所希望的是功率因數(shù)越大越好，如能做到這一點，則電路中的視在功率將大部分用束供給有功功率，以減少無功功率的消耗。補償無功功率的電路和向量圖電路）向量圖（欠補償）向量圖（過補償）國補償無功功率的電路和向量圖在工業(yè)和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例：異步電動機、變壓器、螢光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比重。電力系統(tǒng)的電

21、抗器和架空線等也要消耗一些無功功率；同時，各種諧波源也要消耗一定的無功功率。阻感負載可看作電阻與電感串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為。：?。海ǎ┦街杏^給、電路并聯(lián)接入之后，電路如圖所示。該電路的電流方程為（）由圖的相量圖可知，并聯(lián)電容后電壓與的相位變，即供電回路的功率因數(shù)提高了。此時供電電流的相位滯后于電壓，這種情況稱為欠補償“。若電容的容量過大，使供電電流，的相位超前于電壓口這種情況稱為過補償，其相量圖如圖所示。通常不希望出現(xiàn)過補償?shù)那闆r，因為這會引起變壓器二次電壓的升高，而且容性無功功率同樣會增加電能損耗。如果供電線路電壓因此而升高，還會增大電容器本身的功率損耗，使溫升增大，影響電容器的壽命。提高

22、功率因數(shù)的意義）提高功率因數(shù)可以減少電壓損失電力網的電壓損失可以表示為：（）可看出，影響【，的因數(shù)四個：線路的有功功率、無功功率、電阻和電抗。如果采用容抗為的電容來補償，則電壓損失為：（）（）故采用補償電容提高功率因數(shù)后，電壓損失減小，改善了電壓質量。）減少線路損失當線路通過電流，時，其有功損耗為：×（枷（）或麥枷弋”可見，線路有功損耗與妒成反比，礦越商，越小。對全網線路有功損耗的降低值，應按線路節(jié)點問電阻以及所通過的無功負荷分段求出，再將各段的值相加。）提高電力網的傳輸能力視在功率與有功功率成下述關系（）可見，在傳送一定有功功率的條件下，廬越高，所需視在功率越小。）降低變壓器的損耗

23、投入電容補償后，流過變壓器繞組中的電流減少，單臺變壓器減少的有功功率為：叱：三簪×一，。：補償電容量：變壓器無功負荷；如：變壓器等效電阻。故繞組的有功損耗也相應減少。（）銅損減少的有功功率為：、婢峨【粵（）吼鼻：變壓器的負載率；妒、：補償、后的功率因數(shù)；尸：變壓器的額定銅損。）增加變壓器的輸出功率由于補償后無功負荷的減少，負載降低，相應地增加了變壓器的富裕容量，提高了輸出能力。設補償后的功率因數(shù)為痧。，補償后新增負荷的功率因數(shù)為矽。，則有四種情況：當驢。毋。時，可增加的視在功率為：；（九一）研一；一（一妒）（）當驢時當妒毋時；（歡一九）？一；一（一丸）當。時，令式（）中妒。，得。簽咖

24、：一；一爭研、補償前、后的視在功率；：補償后增加的視在功率。（）（）（）第三章無功補償系統(tǒng)的設計要求、關鍵技術的解決思路設計要求針對目配電網無功補償系統(tǒng)所存在的缺點，同時為配合全國電網改造，適應現(xiàn)代化電力系統(tǒng)的發(fā)展需要，系統(tǒng)要求達到：高智能化，采用無觸點開關，能動態(tài)跟蹤無功負荷的變化無級投切電容；能防止電流諧波的放大并有相應的抑制措施能消除裝置本身造成的電壓諧波對電網的污染能實現(xiàn)單節(jié)點的最優(yōu)無功補償在電網三相不平衡時，能對三相負荷進行均何控制能實現(xiàn)采樣點就地補償和控制器聯(lián)網補償，即位于不同采樣點的控制器之間通過數(shù)據(jù)交換，能綜合全電網的運行情況判斷最佳投切電容量。實現(xiàn)電容器組循環(huán)投切，使電容器、

25、電力電子電路使用概率相等，延長使用壽命；自動判別并消除振蕩投切現(xiàn)象；具有過壓、過流、過熱、缺相等保護功能；高可靠性，滿足戶外惡劣環(huán)境的工作需要；關鍵技術的解決思路現(xiàn)有的裝置存在的問題是沒有很好解決無觸點丌關投切電容和在三相不平衡情況下如何進行無功補償?shù)膯栴}。在實際中，以往的控制策略沒有考慮掛網運行時對電網造成的其他影響，尤其是造成某些諧波的放大以及加劇電網不平衡度的問題。諧波污染是可能導致系統(tǒng)故障的關鍵問題，這些問題也應該加以解決。無觸點投切電容和無級調節(jié)投入容量的實現(xiàn)現(xiàn)有的采用無觸點控制的無功補償裝置在電容的無級投切這一點大多采用控制觸發(fā)角來控制投切電容量的多少。這樣做會造成較大的沖擊電流和

26、引入高次諧波，同時使晶閘管的壽命變短，因而無觸點開關控制的優(yōu)勢無法充分的體現(xiàn)出來。針對以上問題，采用品閘管和二極管反并聯(lián)的形式，結合在電流過零時投切電容的方法，減少了沖擊電流；運用通斷率控制，可無級調節(jié)投入電網的電容容量，避免產生因采用觸發(fā)角控制產生的電壓高次諧波。電流諧波放大的原因及其抑制措施采用微機控制晶閘管投切電抗，實現(xiàn)基波無功的分相和跟蹤補償。當配電系統(tǒng)非線性用電負荷比重較大時，容性電抗組的投入，一方面由于容性電抗的諧波阻抗小，注入容性電抗組的諧波電流大，使容性電抗過負荷，嚴重影響其使用壽命；另一方面，當電抗組的諧波容抗與系統(tǒng)等效諧波感抗相等而發(fā)生諧振時，引起容性電抗組中諧波電流嚴重放

27、大，其結果是電容器因過熱而損壞，系統(tǒng)電壓嚴重畸變，影響其他用電設備的安全運行。因此，在非線性低壓用電負荷比重較大的配電系統(tǒng)中，應采取抗電流諧波措施，以確保并補電容器組的安全運行。解決方法是在并聯(lián)的容性電抗組串入感性電抗，抑制電流諧波的產生。電壓諧波產生的原因和解決思路采用電力電子器件對電抗進行投切，一般采用觸發(fā)角控制，使完整的正弦波形被斬斷，電壓波形發(fā)生了畸變，產生了高次諧波。軟件上可采用通斷率進行控制，保持完整的波形，減少電壓波形的畸變，同時應該加入無源濾波環(huán)節(jié)，將有害的高次諧波濾除，減少對電網的污染。單機智能算法的實現(xiàn)及單節(jié)點最優(yōu)補償?shù)膶崿F(xiàn)現(xiàn)有的無功補償補償裝置，多是微處理器根據(jù)接收到檢測

28、信號，經過邏輯運算得到實時巾，分別送到顯示和比較單元。在比較單元中與設定值進行比較，確定是否發(fā)出投切命令?？刂剖侄魏团袆e依據(jù)比較單一，不能根據(jù)現(xiàn)場的實時情況有效的達到過壓、過流、欠補及振蕩報警和保護功能，更不能做到單節(jié)點的動態(tài)最優(yōu)無功補償。針對現(xiàn)場負荷較小，變化規(guī)則，三相平衡比較好的節(jié)點，采用單片機為核心的控制器，運用線形規(guī)劃的最優(yōu)控制算法控制投切電容器的容量；對負荷大，變化劇烈，三相不平衡度大的節(jié)點，采用工控機作為控制器，運用神經網絡和遺傳算法等智能算法，確定投切電容器的容量，達到理想的效果。三相不平衡現(xiàn)象產生的原因和解決思路三相供電系統(tǒng)要求所接入的負荷應三相對稱。但在一些供電線路中負荷具有

29、明顯的不對稱性。負荷的三相不對稱將使供電系統(tǒng)中出現(xiàn)對交流電動機的運行十分不利的負序分量，它增大了交流電動機的功率損耗并加劇了其運行時的振動和噪音?？梢愿鶕?jù)功率平衡器的原理進行無功補償，把功率因數(shù)補償?shù)饺我庵付ㄖ档耐瑫r還將三相不對稱負荷補償成對于供電系統(tǒng)來說是三相對稱的。實現(xiàn)全局最優(yōu)的解決思路全局最優(yōu)要求每個控制器都充分了解整個電網實時運行的信息，即每個控制器不是孤立的，而能進行信息交流。實際中，在電網每一處節(jié)點都設置自動補償控制器是不現(xiàn)實的，在經濟上也是不可行的。因此需要進行以下三個方面的研究：采用非線性規(guī)劃方法，選出經濟上和補償效果上均達到最優(yōu)的若干個控制節(jié)點，這些節(jié)點的信息應能充分反映電網

30、的運行情況；尋求最優(yōu)算法，使得當控制器工作在就地補償方式時能達到補償點局部最優(yōu)，工作在聯(lián)網方式時，補償效果能達到全局最優(yōu)?？紤]到實時性，算法必須簡單，聯(lián)網方式下還必須獨立、一致，計算量不隨節(jié)點的數(shù)量增加而有明顯變化：采用無線通訊方式進行數(shù)據(jù)傳輸。高精度和高可靠性的保障從硬件、軟件兩方面著手。在底層系統(tǒng)硬件的設計上，以工業(yè)級位微處理器為核心，利用計算機輔助技術對硬件電路進行進一步的優(yōu)化；考慮到元件的老化和“溫漂”等問題，系統(tǒng)盡量不使用放大器等對環(huán)境變化敏感的元器件。在軟件設計上，提出了交流電流過零投切電容器的控制算法、非線性校下算法、電容器循環(huán)投切控制算法、無功補償最優(yōu)控制算法等，以提高系統(tǒng)的控

31、制精度和可靠性。為確保在強干擾條件和惡劣環(huán)境下能長期穩(wěn)定工作，所有調試參數(shù)和設定值均由軟件設定，同時，軟件應充分考慮元件參數(shù)的漂移問題。采用雙“看門狗”結構，確保不死機。上位機采用可靠性性高，運行速度快的工控機，穩(wěn)定性好的作為操作系統(tǒng)，對多個下位機進行有效的協(xié)調。第四章無功補償關鍵技術及系統(tǒng)的實現(xiàn)、總體方案設計無觸點投切電容時間的選取和無級調節(jié)投入電容容量的實現(xiàn)概述過去的無功補償裝置，多采用單片機控制，通過機械斷路器來實現(xiàn)電容器的分組投切。缺點是機械觸點的使用壽命有限，易損壞，而且電容的投切級數(shù)是有限的。現(xiàn)在的無功補償裝最主回路采用晶閘管來控制，與機械斷路器相比，晶閘管的操作壽命幾乎是無限的，

32、而且晶閘管的投切時刻可以精確控制，以減少投切的沖擊電流和操作困難。但現(xiàn)有的采用無觸點控制的無功補償裝置在電容的無級投切這一點上做的不很理想，大多采用控制觸發(fā)角來控制投切電容量的多少。這樣做會造成較大的沖擊電流和引入高次諧波，使晶閘管的壽命變短，因而無觸點控制的優(yōu)勢無法充分的體現(xiàn)出來。為克服上述弱點，專門設計了主回路，并采用專用的過零觸發(fā)芯片設計了對應的觸發(fā)回路，消除了無觸點開關投切電容時產生的沖擊電流。同時，受電阻爐溫度控制系統(tǒng)的啟發(fā)，采用通斷率控制來控制電容器的投切，這樣既達到了無級調節(jié)的目的又減少了諧波對電網的污染?；驹恚ňчl管投切電容器）的基本原理如圖所示。兩個反并聯(lián)晶閘管只是起將電

33、容器并入電網或從電網斷開的作用，而串聯(lián)的小電感只是用來抑制電容器投入電網時可能造成的沖擊電流的，在很多情況下，這個電感往往不畫出來。因此，當電容器投入時，的電壓電流特性就是該電容的伏安特性，即如圖中所示?？筛鶕?jù)電網的無功需求投切這些電容器，實際上就是斷續(xù)可調的吸收容性無功功率的動態(tài)無功補償器，其電壓電流特性按照電容器組數(shù)的不同可以是圖中、或。當用于三相電路時，可以是聯(lián)結，也可以是連接“。）單相結構圖。）電壓一電流特性，圖的基奉原理投入時刻的選取選取投入時刻總的原則是，擐入電容的時刻，也就是晶閘管開通的時刻，必須廣。千一一，：是電源電壓與電容器預先充電電壓相等的時刻。因為根據(jù)電容器的特性，當加在

34、電容上的電壓有階躍變化時（若電容器投入的時刻電源電壓與電容器充電電壓不相等就會發(fā)生這樣的情況），將產生一沖擊電流，很可能破壞晶閘管或給電源帶來高頻振蕩等不利影響。墜！么二圖理想投切時刻臆理說明圈一般來講，希望電容器預先充電電壓為電源電壓的峰值，而且將晶閘管的觸發(fā)相位也固定在電源電壓的峰值點。因為根據(jù)電容器的特性方程。：（）如果在導通前電容器充電電壓也等于電源電壓峰值，則在電源峰值點投入電容時，由于在這一點電源電壓的變化率（時日導數(shù)）為零，因此，電流即為零，隨后電源電壓（也即電容電壓）的變化率會按照正弦規(guī)律上升，電流即按詎弦規(guī)律上升。這樣，整個投入過程不但不會產生沖擊電流，而且電流也沒有階躍變化

35、。這就是所謂的理想投入時刻。圖以簡單的電路原理圖和投切時的波形對此作了說明。如圖所示，設電源電壓為島，在本次導通開始之前，電容器的端電壓已通過上次導通時段最后導通的晶閘管充電至電源電壓的峰值，且極性為正。本次導通開始時刻取為和相等的時刻，給以觸發(fā)脈沖而使之丌通，電容電流開始流通。以后每半個周波發(fā)出脈沖輪流給，和。直到需要切除這條電容支路，如在時刻，停止發(fā)脈沖，為零，則關斷，。因未獲觸發(fā)而不導通，電容器電壓保持為導通結束時的電源電壓負峰值，為下次投入電容器做了準備”“。方案的改進采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式代替兩個反并聯(lián)的晶閘管，可以使導通電容充電電壓維持在電源電壓的峰值。如圖所示，一旦電容電

36、壓比電源電壓峰值有所降低，二極管都會將其充電至峰值電壓，因此不會發(fā)生兩晶閘管反并聯(lián)的方式中電容器充電電壓下降的現(xiàn)象。但是，由于二極管是不可控的，當要切除此電容支路時，最大的時間滯后為一個周波，因此其響應速度比兩晶閘管反并聯(lián)的方式稍慢，但成本上要低，而且考慮到實際需要，此種方式足以滿足補償?shù)目焖傩缘囊?。主電路如下圖所示：圖品甲管和二極管反并聯(lián)方式土電路圖為晶閘管，為反并聯(lián)的二極管，為補償電容，為與并聯(lián)的大阻值的瀉荷電阻?？梢员ＷC當晶閘管沒有工作時，電容兩端的電壓能動態(tài)的跟隨電網的最高電壓變化而變化，減少晶閘管導通電容投入時所產生的沖擊電流。入廠一一一叭、廠卜一”入、，圖晶閘管和二極管反并聯(lián)方式

37、波形圈配嘲無功補償系統(tǒng)的研究膨用圖禾是晶閘管導通前后電源電壓、電容兩端電壓、晶閘管兩端電壓和電路電流的波形圖。（到為導通時間段）觸發(fā)電路選用光電雙向可控硅驅動器，它是美國摩托羅拉公司最近推出的光電新器件。該系列器件的特點是大大加強了靜態(tài)能力。保證了電感負載穩(wěn)定的開關性能。由于輸入與輸出采用光電隔離，絕緣電壓可達。由于采用了光電隔離，并且能用電平驅動，它很容易與微處理器接口，進行各種自動控制設備的實時控制。采用雙列直插引腳封裝形式如圖所示“”。正壤負臻幽小惑圖器件由輸入、輸出兩部分組成。、腳為輸入端，輸入級是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管（），該二極管在正向電流作用下，發(fā)出足夠的紅外光觸發(fā)輸出部分。、

38、腳為空腳，、腳為輸出端，輸出級為具有過零檢測的光控雙向可控硅。當紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光時，光控雙向可控硅觸發(fā)導通。一般采用腳接相線，腳接零線的方式，這樣可以保證電壓過零時發(fā)出觸發(fā)脈沖。在實際應用中，采用圖接法：。¨）一廠一幽觸發(fā)路圖圖是相電壓和的腳和四腳之間的電壓以及觸發(fā)脈沖波形圖（到為導通時間段）：八八、一。一門門八卜一翻觸發(fā)波形圈由圖?？芍?，由根據(jù)電壓的過零點來投切電容，此時電源電壓為峰值，電容的電壓與電源電壓的差值為零，而且此時電路中的電流為零，故晶閘管導通電容投入時所產生的沖擊電流很小。采用通斷率控制實現(xiàn)無功無級補償借鑒大功率電弧爐溫度控制系統(tǒng)的經驗，采用通斷率控制來實現(xiàn)無

39、級補償，即改變固定周期內可控硅交流開關的通斷時捌比例，調節(jié)輸出到電網的無功電功率。在實際中，通斷周期設為秒，因為一個工頻周期為，故最小的調節(jié)容量為最小電容器的，基本可以看作是無級調節(jié)。在實際實驗中效果良好。無功補償裝置電流諧波放大及其抑制措施概述在低壓配電系統(tǒng)中，采用微機控制晶閘管投切電容器組，實現(xiàn)基波無功的跟蹤補償。當配電系統(tǒng)非線性用屯負荷比重較大時，并聯(lián)電容器組的投入，一方面由于電容器組的諧波阻抗小，注入電容器組的諧波電流大，使電容器過負荷，嚴重影響其使用壽命：另一方面，當電容器組的諧波容抗與系統(tǒng)等效諧波感抗相等而發(fā)生諧振時，引起電容器諧波電流嚴重放大，其結果是電容器因過熱而損壞，系統(tǒng)電壓

40、嚴重畸變，影響其他用電設備的安全運行。因此，應采取抗諧波措施，以確保并補電容器組的安全運行。諧波電流的放大，電容器和主系統(tǒng)的諧波電流，由于電力系統(tǒng)中的諧波源主要是電流源，電流源的內阻抗很大，當外阻抗發(fā)生變化時其電流基本不變。諧波電流源的負荷是整個供電系統(tǒng)，它包括主系統(tǒng)和所有用戶的電力設備。電容器引起的諧波電流放大的基本原理可用圖和乒說明。設諧波源次諧波電流為。，進入主系統(tǒng)的電流為，進入電容器的電流為。在。時，稱作系統(tǒng)諧波電流放大；在。時，稱作電容器諧波電流放大；在。和。同時發(fā)生時，稱為諧波電流嚴重放大。最；÷二幽潴波流放人系統(tǒng)接線璺，如，量南；厶（、鄉(xiāng)”啦圖諧波電流放人等斂路圖設電容

41、器、電抗器和主系統(tǒng)的基波電抗分別為，。、。和，再設，。和分別是以。為基值的系統(tǒng)電抗率和電抗器電抗率。電容器和主系統(tǒng)的諧波電流為：面仁面赫，端弘七一訪。矗面了而瓦萬（）互毒刊諧波電流放大倍數(shù)曲線電容器組的額定電壓。與母線額定電壓。的關系為：吣裁弘急母線的短路容量為；嵋電容器輸出的實際無功功率為：反蔬（）（）（）電容器組的諧波電流放大倍數(shù)。和系統(tǒng)諧波電流放大倍數(shù)。為兩者并聯(lián)時的諧波電流。和。分別與諧波源電流。（所有諧波電流源的等效電流值）之比，即：諧波放大倍數(shù)由式（）和式（）求得，并用比值表示為：口“口鼎（。）礬西兩巧石巧萬魚七一）（一）（；）晟一）（）式中：魚：墨七：南）（斟（一廠（）（）（）（

42、一）（）圖，為對于注入、次諧波，和時的電流放大倍數(shù)的數(shù)值仿真曲線。令。一或。一一，即令式（）或式（一）中的分母為零，有：（糾¨）。得出產生并聯(lián)諧振的。為：配電州無功補償系統(tǒng)的研究心用阻一湍堇許波電流放人曲線，（）圖諧波電流放大曲線，產生并聯(lián)諧振的值見表。表產生并聯(lián)諧振的值（。最。一，從圖，和表可以看出，并聯(lián)電容器組未串聯(lián)電抗器（電抗率：）時，、次諧波均有可能發(fā)生并聯(lián)諧振，相應得諧波電流趨向于無窮大。實際上，由于存在電阻，諧波電流均為一很大的有限值，諧波電流在系統(tǒng)感抗和電容器組問形成諧波環(huán)流。當并聯(lián)電容器串聯(lián)電抗率為的電抗器時，對次諧波有可能發(fā)生并聯(lián)諧振。由于回路存在電阻，該次諧波電流

43、為一很大的有限值，而對于、次諧波，“和。均小于，即電容器支路對、次諧波均無放大作用。當并聯(lián)電容器串聯(lián)電抗率為的電抗器時，對、次諧波電流均無放大作用，一和均小于，而且不存在高次諧波的并聯(lián)諧振點。諧波電流的抑制并聯(lián)電容器組串聯(lián)電抗器是抑制諧波電流放大的有效措施，其參數(shù)應根據(jù)實際存在諧波進行選擇。并聯(lián)電容器之所以能夠引起諧波放大，是因為電容器回路在諧波頻率范圍內呈現(xiàn)出容性，若在電容器回路中串接電抗器，通過選擇電抗值使電容器回路在最低次諧波頻率下呈現(xiàn)出感性。就可消除諧波放大。為此，串聯(lián)電抗器的電抗值應滿足下式：小。（）即。矗：，考慮到電抗器和電容器的制造誤差，通常取。：（）：抽。目前，國內并聯(lián)電容器配

44、置的電抗器的電抗率主要有以下種類型；小于、和。配置小于電抗率的電抗器的主要目的是限制電容器的合閘涌流；當采用基波感抗為容抗的或的串聯(lián)電抗器時，可抑制次以上的諧波電流；當采用基波感抗為容抗的的串聯(lián)電抗器時，可抑制次以上的諧波電流。實驗結果及分析實驗電路如圖所示，電容器為自愈式低壓并圖實驗電路圖聯(lián)電容器。（，。），電源電壓為，頻率為當電容器支路分別串聯(lián)電抗率為，的電抗器時，用數(shù)字示波器對電源電壓和電容器支路電流的波形進行雙蹤觀測。同時，將電源電壓和電容器支路電流經變送器變換為有效值為的交流信號后，用計算機進行同步采樣。電源電壓和電容器支路穩(wěn)態(tài)電流波形見圖（）、（），電源電壓和電容器支路的電流主要諧波（相對值）和總諧波畸變率見表和表。笙實驗路型（）抗牢時的乜源壓和容立路乜流的波形（）電抗率時的電源電壓和電容支路電流的波形圖一電源電艇和電容支路電流的波形表電網電壓主要諧波電壓值（相對值