【文章內(nèi)容簡介】 緒論 8 該控制器能夠根據(jù)測量的電網(wǎng)參數(shù)在低壓側自動調節(jié)供給電網(wǎng)無功功率的大??；測量的參數(shù)范圍廣，包括：電壓、電流、功率因數(shù)、有功及無功功率等；具有功能強大的人機界面，選用的點陣液晶顯示器可以顯示當前電網(wǎng)的各種參數(shù)，按鍵可以設置控制器運行需要的各種參數(shù)，包括：電壓報警上極限 /上限、電壓報警下極限 /下限、所用電容器的額定容量 /額定電壓、電容器共補和分補分配情況、投切電容器的時間間隔等參數(shù)；還具有數(shù)據(jù)存儲等功能。該控制器應用靈活方便，適合安裝于 多種無功補償場所，并且補償速度快，效果好，成本低，便于推廣利用。 本文的主要工作 本文主要從系統(tǒng)設計、控制器的軟硬件設計和控制策略等幾個方面討論了基于 CS5464 芯片的無功補償控制器設計方案，并對系統(tǒng)設計中的幾個關鍵性問題進行了詳細的論述，本文完成的主要工作有： (1) 介紹了無功補償?shù)膰鴥?nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢，分析了各種類型的無功補償裝置的特點；詳細介紹了無功補償?shù)母拍罴霸恚约氨疚乃捎玫?TSC 型無功補償?shù)脑砑胺诸?，然后介紹了 TSC 型無功補償裝置的主電路設計以及并聯(lián)電容器投切開關類型及特點。 (2) 對晶閘管的串聯(lián)特性進行研究，分析了晶閘管靜態(tài)特性、動態(tài)特性和應用中的相關特性對器件串聯(lián)使用的影響。根據(jù)理論公式及經(jīng)驗值設計器件串聯(lián)使用的均壓電路。通過 Pspice 軟件仿真，修改器件模型中的關鍵參數(shù)，模擬實際應用中器件特性的分散性，通過大量的仿真分析比較，驗證了均壓電路的作用。 (3) 電容器無涌流投入是 TSC 關鍵技術之一，本文通過理論及 Matlab建模仿真分析各種情況下電容器投入的浪涌電流，確定了在晶閘管兩端電壓過零時刻投切電容器，簡化了 電路設計，可以達到很好的效果。為此選山 x 科技大學學士學位論文 緒論 9 用了專門的具有過零檢測電路的晶閘管，確保投入時刻的準確。 針對目前無功補償控制器多采用單片機作為主處理器，測量精度、控制精度和控制策略有限制，本控制器采用 CIRRUS LOGIC 公司的電能測量芯片 CS5464 測量電力系統(tǒng)參數(shù)，新華龍公司單片機 C8051F022 為主控制CPU，圍繞它們設計無功補償控制器，包括系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計的智能型無功補償控制器。 (4) 針對以往的無功補償控制器僅以電力網(wǎng)中功率因數(shù)為投切電容器判據(jù)的問題，介紹了目前應用較多的幾種控制策略以及它們的 實現(xiàn)方法和特點，并詳細介紹了本控制器所采用的復合控制策略以及具體的軟件實現(xiàn)。 (5) 本裝置 設計了友好的人機界面，只需按鍵稍許的設置，該控制器就可以方便的在多種 無功補償場合 使用，應用靈活方便，并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲等功能。山 x 科技大學學士學位論文 無功補償?shù)南嚓P理論 10 2 無功補償?shù)南嚓P理論 無功補償?shù)囊话愀拍? 無功補償?shù)脑矸治? 提高系統(tǒng)功率因數(shù)的途徑一般有：提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)；安裝無功補償裝置。無功補償?shù)脑砗唵蝸碚f，就是提供負載所需要的無功功率，將電容器和電感并聯(lián)在同一電路中，電感吸收能量時，電容器釋放能量，而電感放出能量時，電容器在吸收能量，能量就在它們之間交換，即阻感性負載需要的無功功率可由電容器提供，反之，阻容性負載需要的無功功率可由電抗器提供，因此，按照負載的性質安裝不同的設備可以提供負載所需要的無功功率而不再需要從電源獲得，減輕了電力系統(tǒng)的壓力，補償原理如圖 所示。 CPSS???? 圖 無功補償原理示意圖 負載需要的無功功率 Q，裝設無功補償裝置后，補償?shù)臒o功為 QC，這樣電源輸出的無功減少了 QC，功率因數(shù)由原來的 cos? 提高到補償后的cos?? ，視在功率由原來的 S減少到 S? ，但有功功率并沒有變化。視在功率的減少可相應的減少供電線路的截面和變壓器的容量，降低供電設備的投山 x 科技大學學士學位論文 無功補償?shù)南嚓P理論 11 資。由功率損耗公式（ ）和電壓損耗公式（ ）可見電源輸送的無功功率的減小，使電力網(wǎng)和變壓器的功率損耗下降，提高了供電效率，并且降低了電力網(wǎng)中的電壓損耗，提高了供電質量 [14][15]。 S P j Q? ?? ? ? （ ） PR QXU U??? （ ） 如前所述，工農(nóng)業(yè)及家用等用電設備大部分是阻感負載，可看作電阻 R與電感 L串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為 22c os ()RRL?? ??? ? （ ） CRLui 圖 并聯(lián)電容器無功補償電路圖 將 R 、 L串聯(lián)電路并聯(lián)接入電容 C 后，電路如圖 所示。該電路的電流方程為 C RLI I I?? （ ） 由補償相量示意圖 可知，并聯(lián)電容后電壓 U 與 I 的相位變小了，即供電回路功率因數(shù)提高了，根據(jù)補償后的電流與電壓的相位關系，分為電流滯后電壓的欠補償和電流超前電壓的過補償，過補償?shù)那闆r，會引起變壓器二次電壓的升高，而且阻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。 山 x 科技大學學士學位論文 無功補償?shù)南嚓P理論 12 φUI??cI RLI 圖 并聯(lián)電容補償相量示意圖 無功補償?shù)姆绞? 無功補償可以改善電壓質量，提高功率因數(shù)，是電網(wǎng)采用的節(jié)能措施之一。配電網(wǎng)中常用的無功補償方式為：在系統(tǒng)的部分變、配電所中，在各個用戶中安裝無功補償裝置；在高低壓配電線路中分散安裝并聯(lián)電容機組；在配電變壓器低壓側和車間配電屏間安裝并聯(lián)電容器以及在單臺電動機附近安裝并聯(lián)電容器，進行集中或分散的就地補償。 1． 就地補償 對于大型電機或者大功率用電設備宜裝設就地補償裝置 [14]。就地補償是最經(jīng)濟、最簡單以及最見效的補償方式。在就地補償方式中，把電容器直接接在用電設備上，中間只加串 聯(lián) 熔斷器保護，用電設備投入時電容器跟 著一起投入，切除時一塊切除，實現(xiàn)了最方便的無功自動補償，切除時用電設備的線圈就是電容器的放電線圈。 2． 分散補償 當各用戶終端距主變較遠時，宜在供電末端裝設分散補償裝置，結合用戶端的低壓補償，可以使線損大大降低，同時可以兼顧提升末端電壓的作用。 山 x 科技大學學士學位論文 無功補償?shù)南嚓P理論 13 3． 集中補償 變電站內(nèi)的無功補償，主要是補償主變對無功容量的需求，結合考慮供電壓區(qū)內(nèi)的無功潮流及配電線路和用戶的無功補償水平來確定無功補償容量 [15]。 35KV 變電站一般按主變?nèi)萘康?10%15%來確定； 110KV 變電站可按 15%20%來確定。 4． 調容方式的選擇 (1)長期變動的負荷 對于建站初期負荷較小，以后負荷逐漸增大的情況，組裝設無載可調容電容器組。戶外安裝時可選用可調容集合式電容器；戶內(nèi)安裝時可選用可調容柜式電容器裝置。其基本原理為將電容器按二進制方式分成二組，通過分接開關或隔離開關選擇投切組合，可以實現(xiàn)三檔容量可調。隨著負荷的改變，可以人工斷電后改變投切組合滿足某一時間段的無功平衡。這種場合可以裝設無功自動調容裝置，該裝置可以滿足無人值守綜合自動化的要求。 （ 2）短時段內(nèi)負荷頻繁變化的場合 該場合宜裝可快速跟蹤的瞬態(tài)無功補償裝置。由于電容器 每次投切前必須保證電容器沒有殘存的電荷，而電容器放電即使通過放電線圈亦需要數(shù)秒的時間，所以高壓瞬態(tài)無功補償裝置（也稱 SVC）一般都是固定補償最大容量的電容器，同時并聯(lián)一組容量可調的電抗器，通過快速調整電抗器的輸出無功，從而達到無功瞬態(tài)平衡的目的。電抗器的調整技術主要有可控硅控制空心并聯(lián)電抗器 [16]及直流偏磁調感兩種方式，其中以前者較優(yōu)，但價格較高。 這些補償方式在電力無功補償系統(tǒng)中各有利弊，如果能將這些無功補償方式統(tǒng)籌考慮，合理設計布局，將可以取得更好的經(jīng)濟效益。 山 x 科技大學學士學位論文 無功補償?shù)南嚓P理論 14 無功補償容量的確定 確定補償容量的方法是多種多樣的，但其目的都是要提高配電網(wǎng)的某種運行指標。我們來介紹幾種確定補償容量的方法 [17]。 (1) 從提高功率因數(shù)需要確定補償容量 如果電力網(wǎng)最大負荷月的平均有功功率為 avP ， 補償前的功率因數(shù)為1cos? ，補償后的功率因數(shù)為 2cos? ，則補償容量可用式（ ）計算 22121111c os c osC avQP ????? ? ? ????? （ ） 若需要將功率因數(shù)1cos?提高到大于 2cos? ，小于 3cos? ，則補償容量可用式（ ）確定。 2 2 2 21 2 1 31 1 1 11 1 1 1c os c os c os c osav C avP Q P? ? ? ?????? ? ? ? ? ? ? ??????? ?? （ ） (2) 從降低線損需要來確定補償容量 線損是電力網(wǎng)經(jīng)濟運行的一項重要指標，在網(wǎng)絡參數(shù)一定的條件下，線損與通過導線的電流的平方成正比。經(jīng)過推算，此種情況下補償容量 CQ 是與第一種情況下是一樣的。 (3) 從提高運行電壓需要來確定補償容量 在配電線路的末端，特別是重負荷、細導線的線路。運行電壓較低，加裝補償電容以后，可以提高運行電壓，這就可能在補償電容過大時產(chǎn)生過電壓，所以要考慮選擇多大的補償電容是合理的。在此種情況下有 2 2 2()C U U UQ x???? （ ） 其中， 2U? ——投入電容母線電壓值； x ——阻抗容性分量； 山 x 科技大學學士學位論文 無功補償?shù)南嚓P理論 15 2U——變電所母線電壓。 (4) 用補償當量確定補償容量 當采用補償當量確定補償容量時，可將線路分成 n段，算出每段的有功損耗值 iP? ，即 32( 2 ) 1 0ri i ri ii NQ Q Q RP U????? （ ） 其中， iQ——第 i 段線路的補償容量 riQ——第 i 段線路的無功功率 iR——第 i 段線路的電阻。 則 n段線路有功損耗的減少的總值為 321 ( 2 ) 1 0n ri i ri ii i NQ Q Q RP U???????? （ ） 可得，補償容量 iCbPQ C??? （ ） 其中， bC ——無功經(jīng)濟當量，即線路投入單位補償量時有功損耗的減少量。 此外，還有按運行費最小、年支出費用最小確定補償容量以及考慮負荷分布時的補償容量等等補償容量的確定方法，根據(jù)實現(xiàn)的目標不同選擇不同的確定補償容量的方法，然后應用到無功補償器的控制策略中，才能設計出更加合理的無功補償控制器。 TSC 型無功補償 TSC 型無功補償?shù)幕纠碚? 山 x 科技大學學士學位論文 無功補償?shù)南嚓P理論 16 一個基本的 TSC（晶閘管投切電容器）是由一對反向并聯(lián)的晶閘管與一個電容器和一個小電感組成，反向并聯(lián)的晶閘管的作用就如同一個雙向開關，如圖 所示。兩個反并聯(lián)晶閘管將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中切除，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。因此，當電容器投入時， TSC 的電壓 —電流特性主要是電容器的伏安特性。在工程實際應用中，一般將電容器分成幾組，每組由晶閘管投切，這樣通過檢測電網(wǎng)的無功需求投切這些電容器， TSC 實際上是斷續(xù)可調的吸收容性無 功功率的動態(tài)無功補償器，它有兩個工作狀態(tài)，即 “投入 ”和 “斷開 ”狀態(tài)。 “投入 ”狀態(tài)下，雙向晶閘管之一導通，電容器起作用， TSC 發(fā)出容性無功功率； “斷開 ”狀態(tài)下，雙向晶閘管均阻斷， TSC 支路不起作用，不輸出無功功 率 [15]。 圖 TSC 的結構原理圖 并聯(lián)電容器投切時刻的選取 假設母線電壓是標準的正弦信號 ( ) sin ( )smu t U t????，投入時電容上的殘壓為 0CU ，認為晶閘管是一個理想的開關，則 TSC 支路電壓方程用拉氏變換表示為 01( ) ( ) CUU s L s I sCs s??? ? ?