【正文】 償裝置的電容器可以有多種階梯容量，如 :5kvar, 10kvar, 15kvar 等，大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 這樣在總?cè)萘肯嗤那闆r下，可以獲得較多的容量組合。 智能型低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置是一種安全、可靠、可控的低壓無(wú)功補(bǔ)償新設(shè)備。但不同的補(bǔ)償方式，在實(shí)際中的補(bǔ)償效果仍有所差異。一般的包含了一個(gè)電抗器用來(lái)對(duì)諧波進(jìn)行濾波。 在電機(jī) 等感性負(fù)載旁和電容器直接并聯(lián)，與電機(jī)等同開(kāi)，同停。特別是能夠有效抑制設(shè)備瞬間出現(xiàn)的電流波動(dòng)沖擊電網(wǎng)。 分散無(wú)功補(bǔ)償方案常見(jiàn)有以下幾種方式 : ①高壓電容器分組安裝于城鄉(xiāng)電網(wǎng) 10kv， 6kv 配電線路的桿架上； ②低壓電容器安裝于公用配電變壓器的低壓側(cè)； ③低壓電容器安裝于電力用戶(hù)各車(chē)間的配電母線上。 其缺點(diǎn)是需要人工頻繁投、切。缺點(diǎn)是不能減少電力用戶(hù)內(nèi)部各條配電線路的無(wú)功負(fù)荷和電能損耗。電容器的充、放電功能，可以有效的穩(wěn)定電壓，提高供電質(zhì)量。在開(kāi)、停過(guò)程中涌流較大，易造成設(shè)備損壞。電容器過(guò)補(bǔ)償容易抬高網(wǎng)絡(luò)電壓，增加有功損耗，降低功率因數(shù)。 (三 )不能提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜嗑煽?制 無(wú)功補(bǔ)償裝置通常按三相平衡設(shè)計(jì)，但是電網(wǎng)中的許多沖擊負(fù)荷往往具有三相不平衡性質(zhì)，如冶金電弧爐、大型熔焊機(jī)、電氣化鐵路的電力機(jī)車(chē)等均為具有隨機(jī)特征的三相不平衡負(fù)荷。當(dāng)配電系統(tǒng)非線性用電負(fù)荷比重較大時(shí)，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(guò)負(fù)荷，嚴(yán)重影響其使用壽命； 另一方面，當(dāng)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(shí)，引起電容器諧波電流嚴(yán)重放大，其結(jié)果是電容器因過(guò)熱而損壞，系統(tǒng)電壓嚴(yán)重畸變，影響其他用電設(shè)備的安全運(yùn)行。 （六）抗干擾能力差，故障率高 因?yàn)榭刂破鞯墓ぷ鳝h(huán)境存在大電流、較強(qiáng)磁場(chǎng)等，對(duì)弱電設(shè)計(jì)部分的抗干擾能力要求很高。電力系統(tǒng)向著高電壓、大電網(wǎng)、高參數(shù)大機(jī)組方向發(fā)展，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高，電網(wǎng)建設(shè)和電力生產(chǎn)、技術(shù)裝備和管理都邁上了新臺(tái)階 。另外，我國(guó)城鄉(xiāng)居民生活水平和生活質(zhì)量的日益提高，各類(lèi)照明燈具、視聽(tīng)產(chǎn)品、洗衣機(jī)、電炊具己基本普及，電冰箱、空調(diào)、電暖氣、電熱水器等用電功率大、消耗無(wú)功多的大宗家電逐漸進(jìn)入了百姓家庭，導(dǎo)致居民用電迅速增長(zhǎng)的同時(shí)，無(wú)功電量增長(zhǎng)也大幅度上升。因此，為使電力生產(chǎn)更好滿(mǎn)足全社會(huì)需要，大力加強(qiáng)電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償?shù)难芯恳殉蔀楫?dāng)務(wù)之急。區(qū)域性電網(wǎng)公司將在今年年底前正式成立。在新的形勢(shì)下，如何更好地經(jīng)營(yíng)管理好電網(wǎng)，保證電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，使電力體制改革得以順利實(shí)施，是電網(wǎng)公司目前面臨的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。因?yàn)榫€路及一些電器設(shè)備如變壓器、電動(dòng)機(jī)等需要建立磁場(chǎng)，電流滯后于電壓，因此系統(tǒng)中需要無(wú)功功率，也就需要無(wú)功電源供給。 UQXUPRU ??? (31) 式中 ： U? —— 線路上的電壓降； P —— 線路中傳輸有功功率； Q —— 線路中傳輸?shù)臒o(wú)功功率； R, X —— 線路的電阻和電抗； U —— 節(jié)點(diǎn)電壓； 在電網(wǎng)中的某個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生無(wú)功不足時(shí)，就會(huì)發(fā)生不足的無(wú)功功率在電網(wǎng)中流動(dòng)。此時(shí)無(wú)功功率在系統(tǒng)中的流動(dòng)方向?qū)l(fā)生改變，線路首末端的 U? 符號(hào)也將改變。線路有功損耗增加，將導(dǎo)致線損率指標(biāo)上升，直接影響電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。要保證電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，降低電網(wǎng)損耗，總是希望電網(wǎng)的無(wú)功最好不流動(dòng)，即所謂的理想狀態(tài)，或者盡量少流動(dòng)，特別要避免無(wú)功功率通過(guò)輸電線路遠(yuǎn)距離流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)功平衡。 無(wú)功補(bǔ)償就是根據(jù)交流電路中，無(wú)功功率是由電壓和電流間的相位差異產(chǎn)生的這一特點(diǎn)，利用電容和電感相反的相位特性進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)電容器接入電網(wǎng)時(shí)，流入電容器的電流 I。如果補(bǔ)償?shù)碾娙蓦娏鞯扔陔姼须娏?，無(wú)功功率因數(shù)將等于 1，這時(shí)無(wú)功功率可以全部由電容器供給，電網(wǎng)只輸送有功功率。但所有負(fù)荷全部就地補(bǔ)償無(wú)功功率使其功率因數(shù)都為 1，既沒(méi)有必要，也難以實(shí)現(xiàn)。所以，從經(jīng)濟(jì)角度看，每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)均采用無(wú)功補(bǔ)償裝置是不合算的。國(guó)內(nèi)外對(duì)電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化均相當(dāng)重視，做了大量工作是電網(wǎng)無(wú)功化理論和技術(shù)方法得到了很大的發(fā)展，建立了多種電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化理論和方法，其中主要優(yōu)化方法及其評(píng)價(jià)如下： (1)等網(wǎng)損微增率準(zhǔn)則和最優(yōu)網(wǎng)損微增率 : 在有功電源的分布已經(jīng)確定，各負(fù)荷點(diǎn)無(wú)功補(bǔ)償裝置的 單價(jià)大致相同的條件下，研究滿(mǎn)足約束條件下的網(wǎng)絡(luò)有功損耗最小的無(wú)功最優(yōu)補(bǔ)償方案就是等網(wǎng)損微增率準(zhǔn)則。由目標(biāo)函數(shù)和等式約束條件可以構(gòu)成拉格朗日函數(shù)，按照拉格朗日乘子法求取滿(mǎn)足約束條件的、目標(biāo)函數(shù)最小的無(wú)功功率最優(yōu)補(bǔ)償條件為 : ???????? ???Qci? ?? ? ? 1/1 ??? Q ciQ ??? =? j=(1,2,3…..,m) (34) 式中： ?P? —— 網(wǎng)絡(luò)總的有功損耗 ?Q? —— 網(wǎng)絡(luò)總的無(wú)功損耗 Qci —— j號(hào)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功補(bǔ)償容量 ? —— 拉格朗日乘子 忽略無(wú)功網(wǎng)損不會(huì)引起太大誤差，則無(wú)功最優(yōu)補(bǔ)償條件 簡(jiǎn)化為各節(jié)點(diǎn)有功損耗微增率相等的等微增率準(zhǔn)則。 QciP ??? /? =? op j=(1,2,3…..,m) (36) 等網(wǎng)損微增率和最優(yōu)網(wǎng)損微增率，雖然可以在一定程度上解決電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償無(wú)功負(fù)荷功率的相互關(guān)系，因此優(yōu)化的結(jié)果有些可能不符合實(shí)際。 線性規(guī)劃法是求解大規(guī)模問(wèn)題較常用的方法，在求解電力系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題中也得到較廣泛的應(yīng)用，如水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、安全控制、狀態(tài)估計(jì)、靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析、實(shí)時(shí)電價(jià)計(jì)算、無(wú)功優(yōu)化和最優(yōu)潮流等。而且，從它的結(jié)果中，無(wú)法判定其收斂于局部最大值還是收斂于全局意義最大值。狀態(tài)變量為節(jié)點(diǎn)的電壓。 非線性規(guī)劃法的優(yōu)點(diǎn)是迭代可以不從初始潮流開(kāi)始，但現(xiàn)有簡(jiǎn)單算法大多收斂性較差，特別是對(duì)依從變量的違限處理顯得力不從心。因惡化解中可能包含有導(dǎo)致優(yōu)化解的基因片，使算法可能從局部最優(yōu)解中跳出，同時(shí)接受惡化解的概率慢慢變小，保證了算法的收斂性。另外由于模擬金屬升溫和降溫過(guò)程，這個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間。采用一組“移動(dòng)”操作從駕前解的鄰域 N (X)中隨機(jī)產(chǎn)生一系列試驗(yàn)解X1 ,X2，?， XK 選擇其中最好的解 X*作為當(dāng)前解，即令 X=X*,重復(fù)迭代。另外，為了盡可能的不錯(cuò)過(guò)產(chǎn)生最優(yōu)解的“移動(dòng)”， Tabu 搜索還采用了“釋放準(zhǔn)則”策略， 駕一個(gè)“移動(dòng)”滿(mǎn)足“釋放準(zhǔn)則”即使它處于 Tabu 表中，這個(gè)“移動(dòng)” 也可以被實(shí)現(xiàn)。 Tabu 搜索法是最近引入求解電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償問(wèn)題的折方法，在“移動(dòng)”步長(zhǎng)、 Tabs 表、不同循環(huán)起始點(diǎn)等方面還們有待于進(jìn)一步的研究 （ 6）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是根據(jù)大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，建模的過(guò) 程就是學(xué)習(xí)的過(guò)程，許多應(yīng)用中的具體問(wèn)題仍需理論上的證明和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法還處于探討和研究階段。電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償是一個(gè)多變量、多約束的混合非線性大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 規(guī)劃問(wèn)題，其操作變量既 有連續(xù)變量 (如節(jié)點(diǎn)電壓 )，又有離散變量 (如有載調(diào)壓分接頭檔位、補(bǔ)償電容器的投切組數(shù) ) 使得優(yōu)化過(guò)程十分復(fù)雜。然模擬退火法在理論上能以較大的概率獲得全局最優(yōu)，但這是以理想的退火力一案為前提條件的，而人為設(shè)計(jì)的退火方案怎樣才算最優(yōu)，始終是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。 如何結(jié)合中低壓配電網(wǎng)和高壓配電網(wǎng)的特點(diǎn)，發(fā)展電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化的技術(shù)方法，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)學(xué)科研究的重要課題 [7] [8]。在工程實(shí)際中，一般將電容器分成幾組，每組都可由晶閘管投切。 圖 TSC 基本框圖 電容器分組的具體方法比較靈活，一般希望能組合產(chǎn)生的電容值級(jí)數(shù)越多越好，但是綜合考慮到系統(tǒng)復(fù)雜性以及經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，可以采用二進(jìn)制的方案，即采用 k1 個(gè)電容值均為 C 的電容，和一個(gè)電容值為 C/2 的電容，這樣的分組法可使組合成的電容值有 2k 級(jí)。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 但現(xiàn)有的采用無(wú)觸點(diǎn)控制的無(wú)功補(bǔ)償裝置在電容的無(wú)級(jí)投切這一點(diǎn)上做的不很理想，大多采用控制觸發(fā)角來(lái)控制投切電容量的多少。 (二 )投入時(shí)刻的選取 選取投入時(shí)刻總的原則是， TSC 投入電容的時(shí)刻，也就是晶閘管開(kāi)通的時(shí)刻，必須是電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時(shí)刻。這樣，整個(gè)投入過(guò)程不但不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，而 且電流也沒(méi)有階躍變化。本次導(dǎo)通開(kāi) 始時(shí)刻取 se 為和 CU 相等的時(shí)刻 1t ，給 2V 以觸發(fā)脈沖而使之開(kāi)通，電容電流 CI 開(kāi)始流通。如圖 所示，一旦電容電壓比電源電壓峰值有所降低，二極管都會(huì)將其充電至峰值電壓，因此不會(huì)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。可以保證當(dāng) 晶閘管沒(méi)有工作時(shí)，電容兩端的電壓能動(dòng)態(tài)的跟隨電網(wǎng)的最高電壓變化而變化，減少晶閘管導(dǎo)通電容投入時(shí)所產(chǎn)生的沖擊電流。在配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償裝置中運(yùn)用光控電壓過(guò)零 觸發(fā)技術(shù)，以電壓過(guò)零型光藕雙向晶閘管取代由分立元件組成的攻防電路及脈沖變壓器等驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了觸發(fā)控制電路的結(jié)構(gòu)，降低了成本的同時(shí)，由于無(wú)需考慮與系統(tǒng)電壓的同步問(wèn)題且控制電路與主電路實(shí)現(xiàn)了光電隔離，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。該系列器件的特點(diǎn)是大大加強(qiáng)了靜態(tài) dv/dt 能力，保證了電感負(fù)載穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)性能。 1, 2 腳為輸入端摘入級(jí)是一個(gè)砷化稼紅外發(fā)光二極管 （ LED） ，該二極管在 515mA 正向電流作用下，發(fā)出足夠的紅外光觸發(fā)輸出部分。具體實(shí)現(xiàn)原理圖如圖 所示。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中效果良好。 （一）諧波電流的放大 為了補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功 功率，提高功率因數(shù)，常在負(fù)載除裝有并聯(lián)電容器。但對(duì)諧波頻率而言，系統(tǒng)干抗大大增加而容抗大大減小，就可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。并聯(lián)諧振的配電網(wǎng)簡(jiǎn)化電路圖如圖 所示，電容器引起的諧波電流放大的等效原理圖如圖 說(shuō)明。實(shí)際上，考慮到 系統(tǒng)諧波電阻Rsn及電容支路等效電阻的存在， Isn 和 I 都只可能是有限值，但都可以比諧波源n 次諧波電源 in 大很多倍。設(shè)諧波源 n 次諧波電流為 In ，進(jìn)入主系統(tǒng)的電流為 Isn ，進(jìn)入電容器的電流為： I ,如圖 所使得等效電路圖在滿(mǎn)足： nXs = nXc (42) 時(shí)會(huì)發(fā)生并聯(lián) v 振。 （ 1）并聯(lián)諧振 由于電力系統(tǒng)中的諧波源主要是電流源，電流源的內(nèi)阻抗很大，當(dāng)外阻抗發(fā)生變化時(shí)其電流基本不變。此外，為了消除諧波，也會(huì)裝設(shè)由電容器和電抗器組成的濾波器。當(dāng)配電系統(tǒng)非線性用電負(fù)荷比重較大時(shí)，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(guò)負(fù)荷，嚴(yán)重影響其使用壽命；另一方面，當(dāng)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(shí)，引起電容器諧波電流嚴(yán)重放大，其結(jié)果是電容器因過(guò)熱而損壞，系統(tǒng)電壓嚴(yán)重畸變，影響其他用電設(shè)備的安全運(yùn)行。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 采用通斷率控制來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)補(bǔ)償，即改變固定周期內(nèi)可控硅交流開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間比例，調(diào)節(jié)輸出到電網(wǎng)的無(wú)功電功率。當(dāng)紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光時(shí)，光控雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。由于內(nèi)部的采用了過(guò)零檢測(cè)電路，因而可以很方便的利用其這個(gè)觸發(fā)導(dǎo)通的特性來(lái)判斷 TCR 電路中的電容 C 是否已經(jīng)被充滿(mǎn)到 Es，以保證當(dāng)晶閘管沒(méi)有工作時(shí)，電容兩端的電壓能動(dòng)態(tài)的跟隨電網(wǎng)的最高電壓變化而變化，減少晶閘管導(dǎo)通電容投入時(shí)所產(chǎn)生的沖擊電流。主要性能大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 參數(shù) : 可靠觸發(fā)電流 515mA；超阻斷電壓 600V；重復(fù)沖擊電流峰值 1A；關(guān)斷狀態(tài)額定電壓上升率 dv/dt 為 100V/μ s。這類(lèi)裝置通常要求對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行同步跟蹤，以便在特定的時(shí)刻由控制器準(zhǔn)確的發(fā)出晶閘管的觸發(fā)脈沖。主電路如下圖 所示。直到需要切除這條電容支路，如在 2t 時(shí)刻，停止發(fā)脈沖， CI 為零，則 2V 關(guān)斷， 1V 因未獲觸發(fā)而不導(dǎo)通，電容器電壓保持為 2V 導(dǎo)通結(jié)束時(shí)的電源電壓負(fù)峰值，為下次投入電容器了準(zhǔn)備。圖 以簡(jiǎn)單的電路原理圖和投切時(shí)的波形對(duì)此作了說(shuō)明。 一般來(lái)講，希望電容器預(yù)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(diǎn)。為克服上述弱點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了主回路，并采用專(zhuān)用的過(guò)零觸發(fā)芯片設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的觸發(fā)回路，消除了無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)投切電容時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流。缺點(diǎn)是機(jī)械觸點(diǎn)的使用壽命有限，易損壞，而且電容的投切級(jí) 數(shù)是有限的。當(dāng) TSC 用于三相電路時(shí)，可以是△聯(lián)結(jié)，也可以是 Y 連接。其中圖 （ a）是其單相電路圖，其中兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管只是起將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開(kāi)的作用，而串聯(lián)的小電感只是用來(lái)抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能造成的沖擊電流的，在很多情況下，這個(gè)電感往往不畫(huà)出來(lái)。如果循環(huán)起始點(diǎn)等問(wèn)題處理不好，算法陷入局部最優(yōu)的 機(jī)會(huì)也會(huì)增多。例如，等網(wǎng)損微增率和最優(yōu)網(wǎng)損微增率，就有著很大的局限性，等網(wǎng)損微增率需要人為給定最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)總注入無(wú)功功率，最優(yōu)網(wǎng)損微增率雖然考慮了投資問(wèn)題，但沒(méi)有在同一目標(biāo)函數(shù)上構(gòu)成合理的算法來(lái)確定其補(bǔ)償容量。一方面，電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償要考慮具體電網(wǎng)的狀況，而實(shí)際的電網(wǎng)往往比較復(fù)雜，另外，還要考慮無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)、經(jīng)濟(jì)因素，這也為全面、客觀、有效地進(jìn)行電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償帶