【正文】 的無(wú)功在網(wǎng)間傳送，造成了巨大的網(wǎng)絡(luò)損耗。故此大量的無(wú)功不適應(yīng)于遠(yuǎn)距離的傳輸，無(wú)功功率一般采取分層分區(qū)平衡、就近補(bǔ)償?shù)脑瓌t。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的沖擊性質(zhì)的負(fù)荷如電弧爐、軋機(jī)、電氣化鐵路等接入電網(wǎng)，由于其呈現(xiàn)的沖進(jìn)性無(wú)功特性核非線(xiàn)性負(fù)荷特性，對(duì)電能質(zhì)量造成了巨大的污染。主要體現(xiàn)在諧波嚴(yán)重超標(biāo)，造成變壓器、電機(jī)、電容器組和線(xiàn)路的損耗加劇，甚至危及設(shè)備安全；產(chǎn)生的負(fù)序電流對(duì)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，降低工作效率，增加能耗；由于沖擊無(wú)功的作用，對(duì)電壓造成嚴(yán)重的波動(dòng)和閃變，降低生產(chǎn)效率，單位能耗增加，同時(shí)造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。對(duì)這些大沖擊非線(xiàn)性負(fù)荷或不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷應(yīng)進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償和用電污染治理，即對(duì)該類(lèi)污染從源頭進(jìn)行治理，以達(dá)到電能質(zhì)量治理、節(jié)能降耗、增加產(chǎn)量和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。近 20 年來(lái)，世界各地（包括美國(guó)、法國(guó)、意大利、英國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)）發(fā)生的由電壓穩(wěn)定和電壓崩潰引發(fā)的大面積停電事故引起了各國(guó)的高度重視。持續(xù)了短短 72 小時(shí)的 美加大停電給美國(guó)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，這次事故提醒人們，電網(wǎng)運(yùn)行要有足夠的無(wú)功備用容量，無(wú)功不能靠遠(yuǎn)距離傳輸，在電力市場(chǎng)環(huán)境下，必須制定統(tǒng)一的法規(guī)以激勵(lì)獨(dú)立發(fā)電商和運(yùn)營(yíng)商從維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)安全性的角度提供充足的無(wú)功備用。在我國(guó)也曾多次發(fā)生電壓崩潰事故，如 1993 年和 1996 年南方電網(wǎng)的幾次事故，這些事故都促使人們采取各種措施以維持電網(wǎng)穩(wěn)定。無(wú)功功率對(duì)供電系統(tǒng)和負(fù)荷的運(yùn)行都是十分重要的 [2]。輸電線(xiàn)路中無(wú)功功率的存在，不僅占用輸電線(xiàn)路和設(shè)備容量，并且系統(tǒng)中流動(dòng)的無(wú)功功率會(huì)導(dǎo)致電壓降落，影響電壓質(zhì)量和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生影響。因此，在電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行中，必須控制無(wú)功功率，限制其在系統(tǒng)中的流動(dòng)。據(jù)了解，我國(guó)每年的電力缺口在 15%左右，同時(shí)，每年有 20%以上的電力在輸送過(guò)程白損耗。無(wú)功補(bǔ)償可以提高功率因數(shù)，是一項(xiàng)投資少，收效快的降損節(jié)能措施。由于具備改善電能質(zhì)量、降低電能損耗、挖掘發(fā)供電設(shè)備潛力、減少用戶(hù)電費(fèi)支出等諸多優(yōu)勢(shì)，無(wú)功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用開(kāi)始越來(lái)越為區(qū)域配網(wǎng)所采納，而電力電容器市場(chǎng)也由此開(kāi)辟了更為廣泛的發(fā)展空間。1．2 無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展史早期的無(wú)功補(bǔ)償裝置為并聯(lián)電容器和同步補(bǔ)償器 [3]，多用在系統(tǒng)的高壓側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償。至今并聯(lián)電容器仍是一種主要補(bǔ)償方式，應(yīng)用范圍廣泛，只是控制器在不斷的更新發(fā)展。同步補(bǔ)償器的實(shí)質(zhì)是同步電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電流發(fā)生改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)可隨之平滑的改變輸出無(wú)功電流的大小和方向，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有好處。但同步補(bǔ)償器成本高，安裝復(fù)雜，維護(hù)困難，使其推廣使用受到限制。隨著近代電力電子技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展 [3]，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也隨之發(fā)展。在第一個(gè)工業(yè)用晶閘管出現(xiàn)之前，電子半導(dǎo)體由于功率過(guò)小，在直流傳動(dòng)，交流傳動(dòng)，電磁合閘，交流不間斷電源和無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域內(nèi)一直沒(méi)有得到應(yīng)有的推廣使用。晶閘管的出現(xiàn)標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生，并以此為起點(diǎn)，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，新型的電力電子器件不斷問(wèn)世，由此引發(fā)了眾多行業(yè)的變革，如交流變頻調(diào)速技術(shù)的蓬勃發(fā)展。同樣電力電子技術(shù)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)和電力電子技術(shù)的結(jié)合主要有以下三方面 [3]：(1) 是作為投切電容器的開(kāi)關(guān)。因?yàn)殡娏Π雽?dǎo)體開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間短(PS 級(jí))，所以能夠選擇電容的投切角度，實(shí)現(xiàn)零電壓投切，避免了涌流的產(chǎn)生，提高了電容器使用的可靠性和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。現(xiàn)代并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置中的輸出回路就引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)。(2) 是作為無(wú)功輸出的調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)。由于電力電子器件的高開(kāi)關(guān)頻率，使其能夠方便地控制電容器電流的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功的連續(xù)調(diào)節(jié)，快速跟蹤負(fù)載無(wú)功的變化。靜止型無(wú)功補(bǔ)償器是其中的代表。(3) 是引入電力電子變流技術(shù)，將變流器作為無(wú)功電源來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功的輸入和輸出，起到補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功的作用。經(jīng)常用的是靜止調(diào)相機(jī)和有源濾波器。由無(wú)功補(bǔ)償源在主電路回路中連接方式的不同，無(wú)功補(bǔ)償器可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)。依據(jù)電力電子技術(shù)在無(wú)功補(bǔ)償中應(yīng)用的方式不同，現(xiàn)代無(wú)功補(bǔ)償裝置 [4]大致可分為以下幾種類(lèi)型：(1) TSC (Thyristor Switched Capacitor)型無(wú)功補(bǔ)償裝置，它屬于并聯(lián)型無(wú)功補(bǔ)償裝置。主回路如圖 11 所示，是由多臺(tái)電力電容器并聯(lián)以及由可控硅構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。裝置根據(jù)無(wú)功電流的大小來(lái)決定投入電容組數(shù)。由此可見(jiàn)TSC 的無(wú)功調(diào)節(jié)是有級(jí)的，它無(wú)法連續(xù)的輸出無(wú)功，這使其在使用中存在合理選擇電容，適當(dāng)分級(jí)的問(wèn)題。但它的優(yōu)點(diǎn)也明顯，即結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，電容器利用率高，使用中不存在諧波污染等。 U1C23C1cI2cI3cI圖 11 TSC 型無(wú)功補(bǔ)償裝置主回路(2) FC TCR( Fixed capacitorThyristor Controlled Reactor)型無(wú)功補(bǔ)償裝置，它屬于并聯(lián)型無(wú)功補(bǔ)償裝置。其主回路如圖 12 所示。FCTCR 方式是用雙相可控硅的相位控制，調(diào)整電抗器的電流，從而調(diào)整無(wú)功功率的方式。當(dāng)以電壓零相位為基準(zhǔn)時(shí)，調(diào)節(jié) TCR 中的可控硅的引燃角 。 可以從 到 范圍內(nèi)變??90?18化。補(bǔ)償器的電流 ，此電流可隨 角的變化而變化為感性或容性，這LCii??樣就改變了 FCTCR 的無(wú)功功率，并可連續(xù)均勻的調(diào)節(jié)。由于 TCR 中除可控硅全導(dǎo)通或關(guān)斷之外器電流都是非正弦的，所以它是一個(gè)電流諧波源，對(duì)電網(wǎng)有一定的危害。該裝置在電容和電感之間形成無(wú)功損耗，電容利用率低并且電抗器體積較大，成本高。 cIU圖 12 FCTCR 型無(wú)功補(bǔ)償器的主回路(3) 靜止調(diào)相機(jī) ASVC (Advantage Static Var Compensator),屬于串聯(lián)型補(bǔ)償器。它由于輸出電壓可超前或滯后系統(tǒng)電壓，因此可以和系統(tǒng)進(jìn)行有功、無(wú)功之間的交換。它可以連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功，并且能夠抑制諧波，補(bǔ)償特性較好。但該cIILI系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，制造和維護(hù)都不便，成本高等問(wèn)題，不便在全國(guó)推廣使用。1．3 設(shè)計(jì)提要該課題的研究主要有兩方面內(nèi)容：第一是無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹砗驮陔娋W(wǎng)中最佳無(wú)功補(bǔ)償方式的討論。首先是對(duì)無(wú)功補(bǔ)償中普遍存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，其次是分析對(duì)無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算方案。第二是在傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上，對(duì)其控制器和動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而開(kāi)發(fā)出一種智能化的無(wú)功補(bǔ)償器。文中針對(duì)這種補(bǔ)償器的控制器的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)作了較詳盡的分析。本文的章節(jié)安排：(1) 第 1 章緒論部分對(duì)該課題的研究背景和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展歷史進(jìn)行概述，并提出本文的主要研究?jī)?nèi)容和各章的內(nèi)容安排。(2) 第 2 章無(wú)功補(bǔ)償理論分析部分主要是對(duì)無(wú)功補(bǔ)償理論中的基本理論進(jìn)行分析，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償帶來(lái)的降損節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益等問(wèn)題展開(kāi)探討。(3) 第 3 章控制器的硬件電路部分對(duì)此無(wú)功補(bǔ)償控制器的硬件電路進(jìn)行系統(tǒng)的解析、設(shè)計(jì)。(4) 第 4 章控制器的軟件設(shè)計(jì)對(duì)控制器的幾個(gè)主要功能模塊進(jìn)行分析，并畫(huà)出程序流程圖。 (5) 第 5 章 結(jié)論與展望第 2 章 無(wú)功補(bǔ)償?shù)睦碚摲治鲭娏W(wǎng)中的變壓器和電動(dòng)機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工做的。磁場(chǎng)所具有的磁場(chǎng)能是由電源供給的。電動(dòng)機(jī)和變壓器在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中建立交變磁場(chǎng)，在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率稱(chēng)為感性無(wú)功功率。接在交流電網(wǎng)中的電容器，在一個(gè)周期內(nèi)上半周的充電功率與下半周的放電功率相等，這種充電功率叫做容性無(wú)功功率。所以無(wú)功功率被使用于建立磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)，它存儲(chǔ)于電感和電容中，通過(guò)電力網(wǎng)往返于電源和電感、電容之間。無(wú)功功率在電力網(wǎng)元件中流動(dòng)，將會(huì)在電力網(wǎng)元件中引起電壓損耗和功率損耗，降低電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，增加電網(wǎng)的線(xiàn)損率。 R圖 2. 1 由局部電力網(wǎng)的等效電路圖由局部電力網(wǎng)的等效電路圖 2．1 可知，電力網(wǎng)中由于無(wú)功負(fù)荷而帶來(lái)的電壓損耗 的計(jì)算公式為：U? CUXQRPRXIRI 22221 sincos ???????? 式中： ——電網(wǎng)的額定電壓C ——元件的末端電壓2 ——電網(wǎng)中的電壓和電流的差角? R —電網(wǎng)中元件的等效電阻和電抗X 2P—元件末端的有功負(fù)載和無(wú)功負(fù)載由式 可知由負(fù)荷的無(wú)功功率 在元件引起的損耗 的計(jì)算公式為：2QXU?CXU??而由負(fù)荷的有功功率 在元件中引起的電壓損耗的計(jì)算公式為：2P1I 2S2ISX1 2U（）（）CRUP2???？梢?jiàn)的元件電阻小于電抗的電網(wǎng)中，無(wú)功引起的電壓損耗占主要部分。電網(wǎng)中的線(xiàn)損公式如下： )()(3221 jXRQpjXRISC??????式中： 11jQPS??， 22jP其中有功線(xiàn)損 的計(jì)算公式為：，RUQC221?????這其中由于無(wú)功功率在電網(wǎng)中流動(dòng)而引起的有功線(xiàn)損 的計(jì)算公式為：QP?PCQ2?由上述分析可見(jiàn)，要減少電力網(wǎng)中的電壓損耗和電網(wǎng)的線(xiàn)損率，提高用戶(hù)端的電壓質(zhì)量的重要措施之一，是減少電力網(wǎng)元件中的無(wú)功傳輸，可以從提高負(fù)荷的自然功率因數(shù)和進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償兩方面來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。2．1 無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑頍o(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹硎牵喊丫哂腥菪怨β守?fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接同一電路，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換。這樣，感性負(fù)荷所需要的無(wú)功功率可由容性負(fù)荷輸出的無(wú)功功率補(bǔ)償。無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔煤驮砜捎蓤D 2．2 來(lái)解釋?zhuān)篜?39。 Qc39。S39。圖 無(wú)功補(bǔ)償原理設(shè)電感性負(fù)荷需要從電源吸取的無(wú)功功率為 ，裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置后，補(bǔ)償無(wú)Q（）（）（）（）功功率為 ，使電源輸出的無(wú)功功率減少為 ，功率因數(shù)由 提高cQcQ??39。 ?cos到 ，視在功率 減少到 。39。os?S39。 )()(2jXRUPQjC????視在功率的減少可相應(yīng)減少供電線(xiàn)路的截面和變壓器的容量，降低供用電設(shè)備的投資。例如一臺(tái) 1000 千伏安的變壓器，當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)為 時(shí)，可供700 千瓦的有功負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)提高到 時(shí)，可供 900 千瓦的有功功率。同一臺(tái)變壓器，因?yàn)樨?fù)荷的功率因數(shù)的提高而可多供 200 千瓦負(fù)荷，是相當(dāng)可觀的?？梢?jiàn)，因采用無(wú)功補(bǔ)償措施后，電源輸送的無(wú)功功率減少了，相應(yīng)的也使電網(wǎng)和變壓器中的功率損耗的下降，從而提高了供電效率。由電壓損耗計(jì)算公式 UXQPRC)(????可知，采用無(wú)功補(bǔ)償措施后，因通過(guò)電力網(wǎng)無(wú)功功率的減少，降低了電力網(wǎng)中的電壓損耗，提高了用戶(hù)處的電壓質(zhì)量。并聯(lián)電容器的無(wú)功補(bǔ)償作用和原理，也可以用圖 加以說(shuō)明。圖 并聯(lián)電容器的補(bǔ)償電流向量圖圖中的用電負(fù)荷總電流 可以分解為有功電流分量 ，和無(wú)功電流分量 I PIQI(電感性的) 。當(dāng)并聯(lián)電容器投入運(yùn)行時(shí)，流入電容器的容性電流 與 方向相CI反，故可抵消一部分 使電感性電流分量 降低為 ，總電流由QIQIQI??39。（）（）降為 ，功率因數(shù)也由 提高到 。這時(shí)，負(fù)荷所需的無(wú)功功率全部由I39。 ?cos39。cs補(bǔ)償電容供給，電網(wǎng)只需供給有功功率。根據(jù)第一章的有功電流 與無(wú)功電流 的定義，還可以用圖 理解)(tIR)(tIX電力系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔门c原理。 )(tU)(tIr )(tI)(tIc圖 電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償原理圖設(shè)負(fù)荷實(shí)際吸收的電流為 ，為了使輸電線(xiàn)路上流過(guò)純有功電流 ，)(tI )(tIr則需要在負(fù)荷端接入一個(gè)無(wú)功補(bǔ)償器，補(bǔ)償器提供的電流為 ，則)(tIc)()(tItIcr??這里的 就是無(wú)功電流 ，這就是電力系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊c(diǎn)。)(tIcX這是完全的補(bǔ)償，線(xiàn)路上的電流 是為產(chǎn)生負(fù)載實(shí)際功率(平均功率)而攜帶tIr能量最小的電流，因而在線(xiàn)路上造成的損失是最小的。此時(shí)， 的波形和)(tIr相同，即電壓和電流的相位相同。)(tU2．2 低壓電網(wǎng)中的幾種無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞教岣吖β室驍?shù)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是減少用電設(shè)備的無(wú)功功率需要量。因此，影響功率因數(shù)的主要因素有三種，一是異步電動(dòng)機(jī)和電力變壓器是耗用無(wú)功功率的主要設(shè)備；二是供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成很大的影響；三是電網(wǎng)頻率的波動(dòng)也會(huì)對(duì)異步電機(jī)和變壓器的磁化無(wú)功功率造成一定的影響。針對(duì)影響功率因數(shù)的一些主要因素，要尋求一些行之有效的、能夠使低壓電網(wǎng)功率因數(shù)提高的一些實(shí)用方法，使低壓電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功的就地平衡，達(dá)到降損節(jié)能的效果。常采用地方式有三種： 隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償 [1]。(1) 隨機(jī)補(bǔ)償，是指將低壓電容器組與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)，通過(guò)控制、保護(hù)裝置與電機(jī)共同投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的無(wú)功消耗，以補(bǔ)償勵(lì)磁為主，此種方式可較好的限制用電單位的無(wú)功負(fù)荷。隨機(jī)補(bǔ)償?shù)貎?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償投入；用電設(shè)備停止運(yùn)補(bǔ)償()裝置也退出，不需要頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量。更具有投資少、占位小、配置靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單方便、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。為防止電機(jī)推出時(shí)產(chǎn)生自激過(guò)電壓，補(bǔ)償容量一般不大于電機(jī)的空載無(wú)功。(2) 隨器補(bǔ)償，是指將低壓電容器通過(guò)低壓保險(xiǎn)接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無(wú)功的補(bǔ)償方式。配變?cè)谳p載或空載時(shí)的無(wú)功負(fù)荷主要是變壓器的空載勵(lì)磁無(wú)功，配變空載無(wú)功是用電單位無(wú)功負(fù)荷的主要部分，對(duì)于輕負(fù)載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導(dǎo)致電費(fèi)單價(jià)的增加，從而導(dǎo)致電費(fèi)單價(jià)的增加。隨器補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：接線(xiàn)簡(jiǎn)單、維護(hù)管理方便、能有效地補(bǔ)償配變空載無(wú)功，限制農(nóng)網(wǎng)無(wú)功基荷，是該部分的無(wú)功就地平衡，從而提高配電變壓器利用率，降低無(wú)功網(wǎng)損，提高用戶(hù)的功率因數(shù)，改善用戶(hù)的電壓質(zhì)量，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前無(wú)功補(bǔ)償最有效的方法之一。(3) 跟蹤補(bǔ)償，是指以無(wú)功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在大用戶(hù) 母線(xiàn)上的補(bǔ)償方式，