【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 到補(bǔ) 償 [6]。因此 ， 把由電容器組成的裝置稱為無(wú)功補(bǔ)償裝置。此外 ， 調(diào)相機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)等也可以作為無(wú)功補(bǔ)償裝置。無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔煤驮硪妶D 。 設(shè)點(diǎn)感幸福和需要從電源吸收的無(wú)功功率為 Q， 裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置后 ， 補(bǔ)償無(wú)功功率為 Qc， 是電源輸出的無(wú)功功率減少為 Q1=c， 功率因數(shù)由 cosφ 提高到 cosφ’，視在功率 S 減少到了 S’。 視在功率的減少可相應(yīng)的減少供電線路的截面和變壓器的容量 ， 降低供電設(shè)備的投資。例如一臺(tái) 1000kv 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 千瓦的負(fù)荷 ， 是相當(dāng)可觀的。 2)2)(2)(( UQcQPjXRQjPS ?????????? （ 21） 可見 ， 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)的使電力網(wǎng)和變壓器中的功率損耗下降 ， 從而提高了供電效率。 由電壓損耗公式 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 8 頁(yè) UXPRU ])c([ ???? （ 22） 可知 ， 采用無(wú)功補(bǔ)償措施后 ， 因通過(guò)電力網(wǎng)的無(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 ， 也可以由圖 來(lái)解釋 圖 無(wú)功功率補(bǔ)償原理圖 圖中的用電負(fù)荷總電流 I 可以分解成為有功電流分量 I， 和無(wú)功電流分量凡 (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了。和 Iq 方向相反 ， 故可抵消一部分凡 ， 使電感性電流分量凡降低為形 =凡 I， 總電流 I 降為 I39。， 功率因數(shù)也由cosφ 提高到 cosφ’。這時(shí) ， 負(fù)荷所需的無(wú)功功率全部由補(bǔ)償電容供給 ， 電網(wǎng)只需供給有功功率根據(jù)有功電流 IR (t)與無(wú)功電流 IX (t)的定義 ， 還可以用圖 來(lái)解釋電力系統(tǒng)中的無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔煤驮怼? ?， ? ?S S’ Qc Q1 Q 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 9 頁(yè) 圖 并聯(lián)電容器的補(bǔ)償電流向量圖 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 I(t)， 為了使輸電線路上流過(guò)純有功電流 Ir(t)， 這里的Ic(t)就是 Ix(t)， 這就是電力系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊c(diǎn) ， 是完全補(bǔ)償。線路上的電流Ir(t)是為了產(chǎn)生負(fù)載實(shí)際功率（平均功率）而攜帶能量最小的電流 ， 因而在新路上 造成的損失是最小的。此時(shí) ， Ir(t)的波形和 U(t)相同 ， 即電壓和電流相位相同。 低壓無(wú)功功率補(bǔ)償分類 廣大市電低壓電網(wǎng)處于電網(wǎng)的最末端 ， 因此補(bǔ)償?shù)蛪簾o(wú)功負(fù)荷是電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。搞好低壓補(bǔ)償 ， 不但可以減輕上一級(jí)電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)膲毫?， 而且可以提高用戶配電變壓器的利用率 ， 改善用戶功率因數(shù)和電壓質(zhì)量 ， 并有效的降低電能損失。低壓補(bǔ)償對(duì)用戶以及供電部門都是有利的。 低壓無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡 ， 通常采用的方式由以下三種 ： 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第 10 頁(yè) 隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償。 隨機(jī)補(bǔ)償是指將低壓電容器組和 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?shù)膬?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)行時(shí) ， 補(bǔ)償裝置也退出 ， 不需要頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量。具有投資少 ， 配置靈活 ， 維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。為了防止電機(jī)退出時(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。 隨器補(bǔ)償就是將低壓電容器通過(guò)低壓保險(xiǎn)接在配電變壓器的二次側(cè) ， 以補(bǔ)償配電變壓器空載無(wú)功的補(bǔ)償方式。有很多的低壓配電網(wǎng)中的變壓器 ， 尤其是農(nóng)網(wǎng)配電變壓器 ， 普遍存在負(fù)荷輕的現(xiàn)象。在變壓器接近空載時(shí) ， 此時(shí)配電變壓器的空載無(wú)功是電網(wǎng)無(wú)功負(fù)荷的主要部分。隨 器補(bǔ)償由于補(bǔ)償在低壓側(cè) ， 可有效的補(bǔ)償配變空載無(wú)功 ，且連線簡(jiǎn)單 ， 做到無(wú)功就地補(bǔ)償。 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 vk 母線上的補(bǔ)償方式。補(bǔ)償電容器組的固定連接組可起到相當(dāng)于隨其補(bǔ)償?shù)淖饔?， 補(bǔ)償用戶的得固定無(wú)功負(fù)荷；可投切電容器組用于補(bǔ)償無(wú)功峰荷部分。由于用戶負(fù)荷有一定的波動(dòng)性 ， 故推薦選用自動(dòng)投切方式。此法對(duì)電容器的保護(hù)比前兩種更可靠。 以上三種補(bǔ)償方式都可以對(duì)特定種類的無(wú)功 負(fù)荷實(shí)現(xiàn) “就地平衡 ”的無(wú)功補(bǔ)償 ， 降損節(jié)能效果更好。 晶閘管投切電容器（ TSC） 基本原理 TSC Thyristor Switched Capacitor)又稱晶閘管投切電容器 ， 是一個(gè)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)南鄬?duì)獨(dú)立系統(tǒng) ， 廣泛應(yīng)用十配電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償。與機(jī)械投切電容器相比 ， 晶閘管的開、關(guān)無(wú)觸點(diǎn) ， 其操作壽命幾乎是無(wú)限的晶閘管的投切時(shí)刻可以精確控制 ， 可以快速無(wú)沖擊地將電容器接入電網(wǎng) ， 大大減少了投切時(shí)的沖擊電流和操作困難 ， 其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為 。 TSC 的基本原理如圖 所示。圖 是其單相電路圖 ， 其中的兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管只是將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用 ， 而串聯(lián)的小電感只是用來(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)電感往往不畫出來(lái)。當(dāng)電容器投入時(shí) ， TSC 的電壓 — 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 11 頁(yè) 電流特性就是該電容的伏安特性 ， 即如圖 中 0A 所示。在工程實(shí)際中 ， 一般將電容器分成幾組（見圖 ） ， 每組都可由晶閘管投切。這樣 ， 可根據(jù)電網(wǎng)的無(wú)功需求投切這些電容器 ， TSC 實(shí)際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器 ，其電壓 —電流特性按照投入電 容器組數(shù)的不同可以是圖 中的 0A、 0B 或 0C。當(dāng)TSC 用于三相電路時(shí) ， 可以是 △ 聯(lián)接 ， 也可以是 Y 聯(lián)接 ， 每一項(xiàng)都設(shè)計(jì)成如圖 a)單相結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 b)分組投切的 TSC 單相簡(jiǎn)圖 c）電壓 —電流特性 圖 TSC 的基本原理 晶閘管閥通常有 2 種接線方式 ： 2 個(gè)晶閘管反并聯(lián)和 1 個(gè)晶閘管與 1 個(gè)二極管反并聯(lián)。兩者都是投切電容器的開關(guān) ， 所 不同的是 ， 前者晶閘管閥承受最大反向電壓低 ， 為電源電壓峰值 ， 但投資較大 ， 控制較復(fù)雜 。后者投資小 ， 控制簡(jiǎn)單 ， 但晶閘管閥承受最大反向電壓高 ， 為電源電壓峰值的 2 倍 ， 所以在選擇使用哪種連接方式時(shí) ， 應(yīng)根據(jù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較來(lái)確定。電容器的投切是根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷變化情況來(lái)決定的 ， 當(dāng)電網(wǎng)無(wú)功功率增加 ， 電壓下降時(shí) ， 投入電容器 ， 反之 ， 切除電容器。電容器分組有等容分組和不等容分組 2 種。前者易十實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 ， 但補(bǔ)償級(jí)差大 ， 后者利用較少的分組就可獲得較小的補(bǔ)償級(jí)差。 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U I 抑制沖擊電流的小電感 a b c A B C Ic u I 0 IL 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第 12 頁(yè) 是綜合考慮到系統(tǒng)復(fù)雜性以及經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題 ， 可以采用所謂二進(jìn)制的方案 ， 即采用 k1 個(gè)電容值均為 C/2 的電容 ， 這樣的分組法可使組合成的電容值有 2k 級(jí)。 電容器的分組投切在較早的時(shí)候大都是用機(jī)械斷路器來(lái)實(shí)現(xiàn)的 ， 這就是機(jī)械投切電容器。和機(jī)械斷路器相比 ， 晶閘管的操作壽命幾乎是無(wú)限的而且晶閘管的偷竊時(shí)刻可以精確控制 ， 以減少投切的沖擊電流和操作困難。另外 ， 與 TCR 相比 TSC 雖然不能連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率 ， 但具有運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生諧波而且損耗較小的優(yōu)點(diǎn)。因此 ， TSC 已在電力系統(tǒng) 獲得了較廣泛的應(yīng)用 ， 而且有許多是與 TCR 配合使用構(gòu)成 TCR+TSC 混合型補(bǔ)償器。 投入時(shí)刻的選取 TSC 的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是投切電容器時(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。因?yàn)楦鶕?jù)電容器的特性 ， 當(dāng)加在電容上的電壓有階躍變化時(shí)（若電容器投入的時(shí)刻電源電壓與電容器充電電壓不相等就會(huì)發(fā)生這樣的情況） ， 將產(chǎn)生以沖擊電流 ， 很可能破壞晶閘管或給電源帶來(lái)高頻振蕩等不利影響。 一般來(lái)講 ， 希望電容器預(yù)先充電電壓為電 源電壓峰值 ， 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)。因?yàn)楦鶕?jù)電容器的特性方程 ic=CdUc/dt。如果在導(dǎo)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(diǎn)投入電容時(shí) ， 由于在這一點(diǎn)電源電壓的變化率 (時(shí)間導(dǎo)數(shù) )為零 ， 因此 ， 電流 ic 即為零 ， 隨后電源電壓（也即電容電壓）的變化率才按正弦規(guī)律上升 ， 電流 ic 即按正弦規(guī)律上升。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)有階段變化。這就是所謂的理想投入時(shí)刻。 設(shè)電源電壓為 Es， 在本次導(dǎo)通開始之前 ， 電容器的端電壓 Uc 已通過(guò)上次導(dǎo)通時(shí)段最后導(dǎo)通的晶閘管 V1 充電至電源電壓 Es 的峰值 ， 且極性為正。本次導(dǎo)通開始時(shí)刻取為Es 和 Uc 相等的時(shí)刻 t1， 給 V2 以觸發(fā)脈沖而使之開通 ， 電容電流 ic 開始流通。以后每半個(gè)周波發(fā)出觸發(fā)脈沖輪流給 V1 和 V2。直到需要切除這條電容支路時(shí) ， 如在 t2時(shí)刻 ， 停止發(fā)脈沖 ， ic 為零 ， 則 V2 關(guān)斷 ， V1 因未獲觸發(fā)而不導(dǎo)通 ， 電容器電壓保持為 V2 導(dǎo)通結(jié)束時(shí)的電源電壓負(fù)峰值 ， 為下次投入電容器做了準(zhǔn)備。實(shí)際上 ， 再投入電網(wǎng)之前 ， 電容電壓有時(shí)不能被充電到電源電壓峰值。這就需要找出在電容充電電壓為各種情況的最佳投入時(shí)刻刻。 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第 13 頁(yè) 采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式代替 兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管 ， 可以使導(dǎo)通前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 ， 因此會(huì)發(fā)生量晶閘管反并聯(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(dāng)要切除此電容支路時(shí) ， 最大的時(shí)間滯后為一個(gè)周波 ， 因此其響應(yīng)速度比兩晶閘管反并聯(lián)的方式稍慢 ， 但成本卻要低一些。 應(yīng)該注意的是 ， 在以上討論的最佳投入時(shí)刻中 ， 兩個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖的順序不能搞反了 ， 或者說(shuō)應(yīng)避免觸發(fā)脈沖相位錯(cuò)開 180 度 ， 否則將產(chǎn)生很大的沖擊電流和過(guò)電壓。 TSC 投入的暫態(tài)過(guò)程分析 設(shè)母線電壓是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào) us(t)=Um sin(wt+a)， 投入時(shí)電容上的殘壓為 Uco，忽略晶閘管的導(dǎo)通壓降和損耗 ， 認(rèn)為是一個(gè)理想開關(guān) ， 則用拉氏變換表示的 TSC 支路電壓方程為 U(s)=[LS+1/Cs]I(s)+Uco/s 式中 U(s)、 I(s)分別為端電壓和支路電流的拉氏變換 ， 以晶閘管首次被觸發(fā)的時(shí)刻作為計(jì)算時(shí)間的瞬時(shí)電流為 i(t)=I1mcos(wt+a)kBc[Ucok2 /( k21) Umsina]sinwn tI1Mcosacoswny ic uc C V VDD Es 圖 晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的 TSC 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 第 14 頁(yè) 式中 wn=1/ LC =kw， 是電路的自然頻率； Bc=Wc 是電容器的基波電納；I1m=UmBc k2 /( k21)， 是電流基波分量的幅值。 上式右側(cè)的后兩項(xiàng)代表預(yù)期的電流震蕩分量 ， 其頻率為自然頻率 ， 實(shí)際上會(huì)由于該支路電阻的影響而逐漸衰減為零。從中可以看到 ， 如果希望投 入 TSC 支路時(shí)完全沒(méi)有過(guò)渡過(guò)程 ， 即后邊兩相震蕩分量為零 ， 必須同時(shí)滿足一下兩個(gè)條件 ： （ 1）自然換相條件： cosa=0(即 sina=177。1) （ 2） 零電壓切換條件： Uco= k2 /( k21) Umsina=177。k2 /( k21) Um 實(shí)際上 ， 條件（ 1）（即在系統(tǒng)電壓最大值時(shí)出發(fā)晶閘管）是自然換相條件；因?yàn)榱鬟^(guò)電容的電流超前其兩端電壓（即