【導(dǎo)讀】通過(guò)對(duì)目前電力系統(tǒng)中無(wú)功功率不足，電網(wǎng)功率因數(shù)低，負(fù)荷的三相不平衡，等問(wèn)題的詳細(xì)分析，提出并設(shè)計(jì)了具體的解決方案。針對(duì)傳統(tǒng)的有觸點(diǎn)和無(wú)觸點(diǎn)。MOC3061控制雙向晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)電容器無(wú)級(jí)投切的新型無(wú)功補(bǔ)償方法。來(lái)防止諧波放大的設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)闡述了采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)補(bǔ)償后的電網(wǎng)參數(shù)。同時(shí)針對(duì)目前大多數(shù)無(wú)功補(bǔ)償裝置都是單點(diǎn)無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)，在電力系。尋優(yōu)后，從最后節(jié)點(diǎn)開(kāi)始向前傳遞尋優(yōu)的優(yōu)化控制策略。Keywords：electric；reactive；lower；pensation;harmonicrestrained. 間進(jìn)行傳輸交換，但是在這種能量交換的過(guò)程中會(huì)引起電能的損耗。備、導(dǎo)線(xiàn)等容量增大，使用戶(hù)內(nèi)部的起動(dòng)控制設(shè)備、量測(cè)儀表等規(guī)格、尺寸增大，的去磁效應(yīng)增加，電壓降低，如過(guò)度增加勵(lì)磁電流，則使轉(zhuǎn)子繞組超過(guò)允許溫升。效率是按照有功功率衡量的，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的視在功率一定時(shí)，無(wú)功功率的增加，會(huì)導(dǎo)致原動(dòng)機(jī)效率的相對(duì)降低。設(shè)備對(duì)大型、沖擊型負(fù)載供電，這使電能質(zhì)量問(wèn)題日益嚴(yán)重。備損壞、系統(tǒng)癱瘓。

　　

【正文】 束的混合非線(xiàn)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。從目前廣泛應(yīng)用的電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化方法看，各種優(yōu)化方法均有各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在著一定的不足之處。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。線(xiàn)性規(guī)劃法雖然運(yùn)算速度快、收斂性好、算法穩(wěn)定，但在處理無(wú)功優(yōu)化規(guī)劃時(shí)需要將目標(biāo)函數(shù)和約柬函數(shù)線(xiàn)性化，容易陷入局部最優(yōu)的 泥潭而提早收斂，若迭代步長(zhǎng)選取不合適，還可能會(huì)引發(fā)振蕩飛線(xiàn)性規(guī)劃法能直接處理非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題但目前仍沒(méi)有一個(gè)成熟的算法，存在著計(jì)算量大收斂性差、穩(wěn)定性不好等問(wèn)題，也容易陷入局部最優(yōu)。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。 Tabu 搜索法盡管在搜索逼近最優(yōu)解時(shí)允許解出現(xiàn)退化現(xiàn)象，有一利于尋找全局最優(yōu)解，但采用單點(diǎn)搜索，因此收斂違度、解的質(zhì)量與初始點(diǎn)有很大關(guān)系。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。遺傳算法做為一種新興的優(yōu)化算法，在解決優(yōu)化方法的局限性方面有了一定的改善，但由于沒(méi)有很好地解決適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)計(jì)，初始群體、控制參數(shù)的設(shè)定和遺傳操作設(shè)計(jì)，使遺傳算法的優(yōu)點(diǎn)有效地利用等難點(diǎn)問(wèn)題，要達(dá)到全局最優(yōu)，還需做進(jìn)一步的工作。 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]。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 第 4 章 配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)臒o(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn) (一 )基本原理 TSC(晶閘管投切電容器 )的基本原理如圖 所示。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)。因此，當(dāng)電容器投入時(shí)， TSC 的電壓 — 電流特性就是該電容的伏安特性，即如圖 （ c）中 OA 所示。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。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— 電流特性按照電容器組數(shù)的不同可以是圖中 OA, OB 或 OC。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。每一項(xiàng)都設(shè)計(jì)成如圖 所示的那樣分組投切。 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)。 過(guò)去的無(wú)功補(bǔ)償裝置，多采用單片機(jī)控制，通過(guò)機(jī)械斷路器來(lái)實(shí)現(xiàn)電容器的分組投切。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?，F(xiàn)在的無(wú)功補(bǔ)償裝置主回路采用晶閘管來(lái)控制，與機(jī)械斷路器相比，晶閘管的操作壽命幾乎是無(wú)限的，而且晶閘管的投切時(shí)刻可以精確控制，以減少投切的沖擊電流和操作困難。 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。這樣做會(huì)造成較大的沖擊電流和引入高次諧波，使晶閘管的壽命變短，因而無(wú)觸點(diǎn)控制的優(yōu)勢(shì)無(wú)法充分的體現(xiàn)出來(lái)。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。同 時(shí)，采用通斷率控制來(lái)控制電容器的投切，這樣既達(dá)到了無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的目的又減少了諧波對(duì)電網(wǎng)的污染。 (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。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)。因?yàn)楦鶕?jù)電容器的特性方程 c? =cdtdc （ 41） 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 is 即為零，隨后電源電壓即電容電壓 )的變化率才會(huì)按照正弦規(guī)律上升，電流 is 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)有階躍變化。這就是所謂的理想投入時(shí)刻。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。 圖 TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明圖 如圖 所示，設(shè)電源電壓為 se ，在本次導(dǎo)通開(kāi)始之前，電容器的端電壓 CU 已大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 通過(guò)上次導(dǎo)通時(shí)段最后導(dǎo)通的晶閘管 V ；充電至電源電壓 se 的峰值，且極性為正。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。以后每半個(gè)周波發(fā)出脈沖輪流給 1V 和 2V 。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。 (三 )改進(jìn)方案 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。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，但成本上要低，而且考慮到實(shí)際需要，此種方式足以滿(mǎn)足補(bǔ)償?shù)目焖傩缘囊?。主電路如下圖 所示。 圖 v 為晶閘管， DV 為反并聯(lián)的二極管， C 為補(bǔ)償電容， R 為與 C 并聯(lián)的大阻值的瀉荷電阻。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。 以晶閘管為執(zhí)行元件的低壓電容無(wú)功補(bǔ)償裝置能快速跟蹤沖擊性負(fù)荷的動(dòng)態(tài)行為，具有無(wú)合閘浪涌和過(guò)渡過(guò)程、無(wú)操作過(guò)電壓等顯著優(yōu)點(diǎn)。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。這使得它在電路設(shè)計(jì)上必須解決好觸發(fā)電路的功放驅(qū)動(dòng)、電氣隔離、與主電路的同步等問(wèn)題，因而常使控制電路過(guò)于復(fù)雜，或是易受電源畸變和電網(wǎng)波動(dòng)的影響。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。MOC3061 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳排列見(jiàn)圖 ，它采用雙列直插 6 腳封裝。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。 選用 MOC3061 光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器，它是美國(guó)摩托羅拉公司最近推出的光電新器件 。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。由于輸入與輸出采用光電隔離，絕緣電壓可達(dá) 7500V。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。 圖 MOC3061內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 該器件 MOC3061 由輸入、輸出兩部分組成。 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。 3, 5 腳為空腳， 4， 6腳為輸出端，輸出級(jí)為具有過(guò)零檢測(cè)的光控雙向可控硅。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。在本項(xiàng)目中的電網(wǎng)側(cè)，我們采用了以 MOC3061 控制雙向晶閘管和二極管反并聯(lián)所組成的 TSC 電容器投切方式。具體實(shí)現(xiàn)原理圖如圖 所示。在 MOC3061 未導(dǎo)通時(shí)，雙向晶閘管處于未觸發(fā)導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)電容電壓比電網(wǎng)側(cè)電壓低時(shí)，二極管會(huì)正向?qū)?，?dāng)二極管正向?qū)〞r(shí)，電容將充電并將電容電壓維持在電源電壓的峰值，當(dāng) MOC3061 前向觸發(fā)端有觸發(fā)脈沖時(shí)， MOC3061 內(nèi)部采用的過(guò)零檢測(cè)電路將檢測(cè)到此時(shí)的電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓也已上升到了峰值電壓時(shí)將觸發(fā)導(dǎo)通雙向晶閘管，此時(shí)將電容器投入，用以補(bǔ)償電網(wǎng)中的無(wú)功功率。 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。在實(shí)際中，通斷周期設(shè)為 秒，因?yàn)橐粋€(gè)工頻周期為 20ms，故最小的調(diào)節(jié)容量為最小電容器的 1/30，基本可以看作是無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中效果良好。 無(wú)功補(bǔ)償裝置電流 諧波放大及其抑制措施 在低壓配電系統(tǒng)中，采用微機(jī)控制晶閘管投切電容器組，實(shí)現(xiàn)基波無(wú)功的跟蹤補(bǔ)償。當(dāng)配電系統(tǒng)非線(xiàn)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。因此，應(yīng)采取抗諧波措施，以確保并補(bǔ)電容器組的安全運(yùn)行。 （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。為了提高系統(tǒng)的電壓水平，常在變壓所安裝并聯(lián)電容器。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。在工頻頻率下，這些電容器的容抗比系統(tǒng)的干抗大的多，不會(huì)產(chǎn)生諧振。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。這種諧振會(huì)使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，會(huì)對(duì)系統(tǒng)，特別對(duì)電容器和與值串連的電抗器形成很大的威脅。 （ 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。諧波電流源 的負(fù)荷是整個(gè)供電系統(tǒng)，它包括主系統(tǒng)和大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 所有用戶(hù)的電力設(shè)備。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。 圖 圖 圖 中諧波源 In 為衡流源，系統(tǒng)基波阻抗為： x? =Rs +j Xs ， n 次諧波阻抗為： Zsn = Rsn +jnXs ，通常 Rsn ＜ nXs ，為簡(jiǎn)化分析，可忽略 Rsn ，補(bǔ)償電容器的基波為： Xc ， n 次諧波阻抗為 Xc /n。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。設(shè)基波頻率為 f，則諧振頻率 fp 為 : fp =f XsXc/ (43) 在圖 中諧波源 n 次諧波電流為 In，進(jìn)入主系統(tǒng)的電流為 Isn 和進(jìn)入電容器的電流為 I 分別為： nXX s nXcsn //??? n? （ 44） nnXX s nX s ???? / （ 45） 設(shè) np 為 fp 對(duì)應(yīng)的諧波次數(shù)，則當(dāng) n =np 時(shí)，按上式計(jì)算得到的進(jìn)入主系統(tǒng)的電源為 Isn 和進(jìn)入電容器的電流為 I 均為無(wú)窮大。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。在 Isn ＞ in 時(shí)，稱(chēng)作系統(tǒng)諧波電流放大；在 I ＞ in 時(shí)，稱(chēng)作電容器諧波電流放大；在 Isn