【正文】 償裝置的電容器可以有多種階梯容量，如 :5kvar, 10kvar, 15kvar 等，大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（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。 智能型低壓無功補償裝置是一種安全、可靠、可控的低壓無功補償新設備。但不同的補償方式，在實際中的補償效果仍有所差異。一般的包含了一個電抗器用來對諧波進行濾波。 在電機 等感性負載旁和電容器直接并聯(lián)，與電機等同開，同停。特別是能夠有效抑制設備瞬間出現(xiàn)的電流波動沖擊電網(wǎng)。 分散無功補償方案常見有以下幾種方式 : 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各車間的配電母線上。 其缺點是需要人工頻繁投、切。缺點是不能減少電力用戶內(nèi)部各條配電線路的無功負荷和電能損耗。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、停過程中涌流較大，易造成設備損壞。電容器過補償容易抬高網(wǎng)絡電壓，增加有功損耗，降低功率因數(shù)。 (三 )不能提供動態(tài)無功補償?shù)娜嗑煽?制 無功補償裝置通常按三相平衡設計，但是電網(wǎng)中的許多沖擊負荷往往具有三相不平衡性質(zhì)，如冶金電弧爐、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。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(jié)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。 （六）抗干擾能力差，故障率高 因為控制器的工作環(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。電力系統(tǒng)向著高電壓、大電網(wǎng)、高參數(shù)大機組方向發(fā)展，經(jīng)濟效益顯著提高，電網(wǎng)建設和電力生產(chǎn)、技術(shù)裝備和管理都邁上了新臺階 。另外，我國城鄉(xiāng)居民生活水平和生活質(zhì)量的日益提高，各類照明燈具、視聽產(chǎn)品、洗衣機、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、消耗無功多的大宗家電逐漸進入了百姓家庭，導致居民用電迅速增長的同時，無功電量增長也大幅度上升。因此，為使電力生產(chǎn)更好滿足全社會需要，大力加強電網(wǎng)無功優(yōu)化補償?shù)难芯恳殉蔀楫攧罩?。區(qū)域性電網(wǎng)公司將在今年年底前正式成立。在新的形勢下，如何更好地經(jīng)營管理好電網(wǎng)，保證電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行，使電力體制改革得以順利實施，是電網(wǎng)公司目前面臨的一項緊迫任務。因為線路及一些電器設備如變壓器、電動機等需要建立磁場，電流滯后于電壓，因此系統(tǒng)中需要無功功率，也就需要無功電源供給。 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功功率； R, X —— 線路的電阻和電抗； U —— 節(jié)點電壓； 在電網(wǎng)中的某個點產(chǎn)生無功不足時，就會發(fā)生不足的無功功率在電網(wǎng)中流動。此時無功功率在系統(tǒng)中的流動方向?qū)l(fā)生改變，線路首末端的 U? 符號也將改變。線路有功損耗增加，將導致線損率指標上升，直接影響電網(wǎng)的經(jīng)濟運行和經(jīng)濟效益。要保證電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行，降低電網(wǎng)損耗，總是希望電網(wǎng)的無功最好不流動，即所謂的理想狀態(tài)，或者盡量少流動，特別要避免無功功率通過輸電線路遠距離流動，實現(xiàn)系統(tǒng)的無功平衡。 無功補償就是根據(jù)交流電路中，無功功率是由電壓和電流間的相位差異產(chǎn)生的這一特點，利用電容和電感相反的相位特性進行補償。當電容器接入電網(wǎng)時，流入電容器的電流 I。如果補償?shù)碾娙蓦娏鞯扔陔姼须娏鳎瑹o功功率因數(shù)將等于 1，這時無功功率可以全部由電容器供給，電網(wǎng)只輸送有功功率。但所有負荷全部就地補償無功功率使其功率因數(shù)都為 1，既沒有必要，也難以實現(xiàn)。所以，從經(jīng)濟角度看，每個負荷點均采用無功補償裝置是不合算的。國內(nèi)外對電網(wǎng)無功優(yōu)化均相當重視，做了大量工作是電網(wǎng)無功化理論和技術(shù)方法得到了很大的發(fā)展，建立了多種電網(wǎng)無功優(yōu)化理論和方法，其中主要優(yōu)化方法及其評價如下： (1)等網(wǎng)損微增率準則和最優(yōu)網(wǎng)損微增率 : 在有功電源的分布已經(jīng)確定，各負荷點無功補償裝置的 單價大致相同的條件下，研究滿足約束條件下的網(wǎng)絡有功損耗最小的無功最優(yōu)補償方案就是等網(wǎng)損微增率準則。由目標函數(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足約束條件的、目標函數(shù)最小的無功功率最優(yōu)補償條件為 : ???????? ???Qci? ?? ? ? 1/1 ??? Q ciQ ??? =? j=(1,2,3…..,m) (34) 式中： ?P? —— 網(wǎng)絡總的有功損耗 ?Q? —— 網(wǎng)絡總的無功損耗 Qci —— j號節(jié)點的無功補償容量 ? —— 拉格朗日乘子 忽略無功網(wǎng)損不會引起太大誤差，則無功最優(yōu)補償條件 簡化為各節(jié)點有功損耗微增率相等的等微增率準則。 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)的無功優(yōu)化補償無功負荷功率的相互關(guān)系，因此優(yōu)化的結(jié)果有些可能不符合實際。 線性規(guī)劃法是求解大規(guī)模問題較常用的方法，在求解電力系統(tǒng)優(yōu)化問題中也得到較廣泛的應用，如水庫優(yōu)化調(diào)度、經(jīng)濟調(diào)度、安全控制、狀態(tài)估計、靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析、實時電價計算、無功優(yōu)化和最優(yōu)潮流等。而且，從它的結(jié)果中，無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)點的電壓。 非線性規(guī)劃法的優(yōu)點是迭代可以不從初始潮流開始，但現(xiàn)有簡單算法大多收斂性較差，特別是對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程，這個過程需要一定的時間。采用一組“移動”操作從駕前解的鄰域 N (X)中隨機產(chǎn)生一系列試驗解X1 ,X2，?， XK 選擇其中最好的解 X*作為當前解，即令 X=X*,重復迭代。另外，為了盡可能的不錯過產(chǎn)生最優(yōu)解的“移動”， Tabu 搜索還采用了“釋放準則”策略， 駕一個“移動”滿足“釋放準則”即使它處于 Tabu 表中，這個“移動” 也可以被實現(xiàn)。 Tabu 搜索法是最近引入求解電網(wǎng)無功優(yōu)化補償問題的折方法，在“移動”步長、 Tabs 表、不同循環(huán)起始點等方面還們有待于進一步的研究 （ 6）神經(jīng)網(wǎng)絡法 人工神經(jīng)網(wǎng)絡法是根據(jù)大量的歷史數(shù)據(jù)進行訓練，建模的過 程就是學習的過程，許多應用中的具體問題仍需理論上的證明和實踐經(jīng)驗的積累，人工神經(jīng)網(wǎng)絡法還處于探討和研究階段。電網(wǎng)無功優(yōu)化補償是一個多變量、多約束的混合非線性大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（論文） 19 規(guī)劃問題，其操作變量既 有連續(xù)變量 (如節(jié)點電壓 )，又有離散變量 (如有載調(diào)壓分接頭檔位、補償電容器的投切組數(shù) ) 使得優(yōu)化過程十分復雜。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，而人為設計的退火方案怎樣才算最優(yōu)，始終是一個難以解決的問題。 如何結(jié)合中低壓配電網(wǎng)和高壓配電網(wǎng)的特點，發(fā)展電網(wǎng)無功優(yōu)化的技術(shù)方法，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)學科研究的重要課題 [7] [8]。在工程實際中，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)生的電容值級數(shù)越多越好，但是綜合考慮到系統(tǒng)復雜性以及經(jīng)濟性問題，可以采用二進制的方案，即采用 k1 個電容值均為 C 的電容，和一個電容值為 C/2 的電容，這樣的分組法可使組合成的電容值有 2k 級。 大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（論文） 21 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。 (二 )投入時刻的選取 選取投入時刻總的原則是， TSC 投入電容的時刻，也就是晶閘管開通的時刻，必須是電源電壓與電容器預先充電電壓相等的時刻。這樣，整個投入過程不但不會產(chǎn)生沖擊電流，而 且電流也沒有階躍變化。本次導通開 始時刻取 se 為和 CU 相等的時刻 1t ，給 2V 以觸發(fā)脈沖而使之開通，電容電流 CI 開始流通。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?？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(wǎng)的最高電壓變化而變化，減少晶閘管導通電容投入時所產(chǎn)生的沖擊電流。在配電網(wǎng)無功優(yōu)化補償裝置中運用光控電壓過零 觸發(fā)技術(shù)，以電壓過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)動環(huán)節(jié)，簡化了觸發(fā)控制電路的結(jié)構(gòu)，降低了成本的同時，由于無需考慮與系統(tǒng)電壓的同步問題且控制電路與主電路實現(xiàn)了光電隔離，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。該系列器件的特點是大大加強了靜態(tài) dv/dt 能力，保證了電感負載穩(wěn)定的開關(guān)性能。 1, 2 腳為輸入端摘入級是一個砷化稼紅外發(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。具體實現(xiàn)原理圖如圖 所示。在實際實驗中效果良好。 （一）諧波電流的放大 為了補償負載的無功 功率，提高功率因數(shù)，常在負載除裝有并聯(lián)電容器。但對諧波頻率而言，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 說明。實際上，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。設諧波源 n 次諧波電流為 In ，進入主系統(tǒng)的電流為 Isn ，進入電容器的電流為： I ,如圖 所使得等效電路圖在滿足： nXs = nXc (42) 時會發(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，當外阻抗發(fā)生變化時其電流基本不變。此外，為了消除諧波，也會裝設由電容器和電抗器組成的濾波器。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(jié)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。 大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（論文） 24 圖 采用通斷率控制來實現(xiàn)無級補償，即改變固定周期內(nèi)可控硅交流開關(guān)的通斷時間比例，調(diào)節(jié)輸出到電網(wǎng)的無功電功率。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。由于內(nèi)部的采用了過零檢測電路，因而可以很方便的利用其這個觸發(fā)導通的特性來判斷 TCR 電路中的電容 C 是否已經(jīng)被充滿到 Es，以保證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(wǎng)的最高電壓變化而變化，減少晶閘管導通電容投入時所產(chǎn)生的沖擊電流。主要性能大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（論文） 23 參數(shù) : 可靠觸發(fā)電流 515mA；超阻斷電壓 600V；重復沖擊電流峰值 1A；關(guān)斷狀態(tài)額定電壓上升率 dv/dt 為 100V/μ s。這類裝置通常要求對系統(tǒng)電壓進行同步跟蹤，以便在特定的時刻由控制器準確的發(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)而不導通，電容器電壓保持為 2V 導通結(jié)束時的電源電壓負峰值，為下次投入電容器了準備。圖 以簡單的電路原理圖和投切時的波形對此作了說明。 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。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(guān)投切電容時產(chǎn)生的沖擊電流。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。當 TSC 用于三相電路時，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)斷開的作用，而串聯(lián)的小電感只是用來抑制電容器投入電網(wǎng)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。如果循環(huán)起始點等問題處理不好，算法陷入局部最優(yōu)的 機會也會增多。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)絡總注入無功功率，最優(yōu)網(wǎng)損微增率雖然考慮了投資問題，但沒有在同一目標函數(shù)上構(gòu)成合理的算法來確定其補償容量。一方面，電網(wǎng)無功優(yōu)化補償要考慮具體電網(wǎng)的狀況，而實際的電網(wǎng)往往比較復雜，另外，還要考慮無功優(yōu)化補償?shù)募夹g(shù)、經(jīng)濟因素，這也為全面、客觀、有效地進行電網(wǎng)無功優(yōu)化補償帶