【正文】 超前 U1 時(shí)， Q 端輸出高電平，反之輸出低電平，極性判別的原理圖如 33所示 。 相位判別檢測(cè)電路： 相位差就是電壓超前或滯后電流的差值， 在本設(shè)計(jì)中我們不但要測(cè)量出相位差的大小還要判斷出電壓超前還是滯后了，首先對(duì)相位差進(jìn)行測(cè)量 。 圖 31 電子式無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制原理圖 檢測(cè)功率因素值的檢測(cè)單元 主要由相位檢測(cè)電路和電流檢測(cè)電路組成。 圖 26 無(wú)功功率補(bǔ)償示意圖 .U 0 1i p1i 2i p2i qi 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 12 第 三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 電子式無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器 電子式無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器原理圖如圖 31所示。因此該系統(tǒng)中增加一參數(shù) :目標(biāo)功率因數(shù)，將目標(biāo)無(wú)功功率與實(shí)際無(wú)功功率之差作為無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂屏縼?lái)進(jìn)行投切。因此，不會(huì)出現(xiàn)功率因數(shù)控制方式所出現(xiàn)的重載時(shí)功率因數(shù)滿足要求，但無(wú)功 電流很大，而輕載時(shí)又容易產(chǎn)生投切振蕩的問(wèn)題。圖 26所示是無(wú)功功率控制的補(bǔ)償效果示意圖。若當(dāng)前值超前，則切除一個(gè)電容器組。 控制器對(duì)電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行采樣檢測(cè)，計(jì)算出當(dāng)前的無(wú)功功率 (無(wú)功電流 )值。 圖 25 功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)妮p載振蕩 .U 1i 2i ci 0 p1i p2i q1i q2i .U 1i 2i 0 p1i p2i q2i q1i ? 第二章 電網(wǎng)參數(shù)測(cè)量算法與無(wú)功補(bǔ)償研究 11 針對(duì)功率因數(shù)控制的問(wèn)題，出現(xiàn)了以系統(tǒng)中的無(wú)功功率為被控制對(duì)象，即將無(wú)功功率作為無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂屏俊０凑昭a(bǔ)償原理應(yīng)投入一個(gè)電容器組，用該組電容器的超前電流 ci 去進(jìn)行補(bǔ)，補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果是得到了超前的功率因數(shù)。圖 p1i 是輕載時(shí)的有功電流， q1i 是與之對(duì)應(yīng)的無(wú)功電流，并且 q1i 較小，要小于一個(gè)電容器組的補(bǔ)償量。 圖 24 相同功率因數(shù)下無(wú)功電流與負(fù)載的關(guān)系 功率因數(shù)控制的另一個(gè)問(wèn)題是輕載下的投切振蕩。圖 24中，負(fù)載 p1i 大于負(fù)載 p2i ，無(wú)功 q1i 也大于 q2i ，.U 1i 2i ci 0 p1i p2i q2i q1i 2? 1? 第二章 電網(wǎng)參數(shù)測(cè)量算法與無(wú)功補(bǔ)償研究 10 而這時(shí)的功率因數(shù)卻是相同的。功率因數(shù)值是一個(gè)比例值，所以在重負(fù)荷時(shí)，雖然功率因數(shù)滿足了要求，但電網(wǎng)中的無(wú)功功率仍很 大。用當(dāng)前的功率因數(shù)值與設(shè)定的投切門限值進(jìn)行比較，以確定是投入、切除、還是保持不變。當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前的功率因數(shù)值介于 ，則保持不變。又將切除門限設(shè)為 0iq2? 。將 cos? =，當(dāng)控制器檢測(cè)到當(dāng)前的功率因數(shù)值小于 ，發(fā)出指令，投入一電容器組進(jìn)行補(bǔ)償。用無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償，使供電電網(wǎng)的功率因數(shù)滿足要求。下面介紹無(wú)功補(bǔ)償由 功率因數(shù)控制和無(wú)功功率 (無(wú)功電流 )控 制兩種控制方式的特點(diǎn)。 由上述可知，無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康木褪翘岣唠娋W(wǎng)的功率因數(shù)，即提高有用功在電網(wǎng)發(fā)出功率中的比例。 可見(jiàn)在電壓、電流一定的情況下，提高 cos? 可增大輸出的有功功率。 電力網(wǎng)除了要負(fù)擔(dān)用電負(fù)荷的有功功率 P，還要承擔(dān)負(fù)荷的無(wú)功功率 Q。 第二章 電網(wǎng)參數(shù)測(cè)量算法與無(wú)功補(bǔ)償研究 8 圖 22 并聯(lián)電容器補(bǔ)償無(wú)功功率的電路和向量圖 若電容 C的容量過(guò)大，使得供電電流 I的相位超前于電壓 U，這種情況稱為 過(guò)補(bǔ)償，其相量圖如圖 22(c)所示。 將 R、 L電路并聯(lián)電容 C后，電路如圖 22(a)所示，該電路電流方程為 了 .. ????? 。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，包括異步電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的絕大部分電氣設(shè)備的等效電路可看做電阻 R與電感 L串聯(lián)的電路，設(shè) L22 XRRc os ??? 式中 0L LX ?? cos? 必被定義為電力網(wǎng)的功率因數(shù)，其物理意義是供給線路的有功功率 P占 線路視在功率 S的百分?jǐn)?shù)。 由電力網(wǎng)功率損耗的計(jì)算公式 ）（）（ jXRU PQjPS 2 2C2 ???????? 可見(jiàn)，因采用無(wú)功補(bǔ)償措施后，電源輸送的無(wú)功功率減少，將使電力網(wǎng)和變壓器中的功率損耗下降，從而提高了供電效率。當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)提高到 ，可供 900千瓦的有功功 率。視在功率的減少可相應(yīng)減少供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設(shè)備的投資。無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔煤驮砣鐖D 21所示。 (電動(dòng)機(jī)、變壓器等 )所吸收的無(wú)功功率，可從 電容器所輸出的無(wú)功功率中得到補(bǔ)償。而電感放出能量時(shí)，電容器吸收能量。無(wú)功功率在電力網(wǎng)元件中流動(dòng)，將會(huì)在電力網(wǎng)元件中引起電壓損耗和功率損耗，降低電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，增加電網(wǎng)的線損率。接在交流電網(wǎng)中的電容器，在一個(gè)周期內(nèi)上半周的充電功率與下半周的 放電功率相等，這種充電功率叫做容性無(wú)功功率。磁場(chǎng)所具有的磁場(chǎng)能 量是由電源提 給的。小波變換算法因其在時(shí)頻域都具有較好的分辨 率，在電力系統(tǒng)測(cè)量中有很好的研究?jī)r(jià)值。均方根算法能計(jì)及高次諧波的影響，并且隨著每周采樣點(diǎn)的增多，可以提高采集精度，但采樣點(diǎn)太多必然降低采集速度，增加了運(yùn)算量，因而需要在精度和速度之間作出適當(dāng)?shù)倪x擇 。其中，有效值算法的計(jì)算精度與采樣點(diǎn)數(shù) N和采樣的同步度有關(guān)，在系統(tǒng)允許的前提下，可以增加采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)提高運(yùn)算精第二章 電網(wǎng)參數(shù)測(cè)量算法與無(wú)功補(bǔ)償研究 6 度。因此對(duì)于要求不高的電壓電流保護(hù)功能可以采用此類算法。另外它有一定的濾除高頻分量的能力，因?yàn)榀B加在基波成分上的幅度不大的高頻分量在半周期積分中其對(duì)稱的正負(fù)半周期相互抵消，剩余未被抵消的部分所占的比重就減少了。如果采集三相對(duì)稱正弦信號(hào)，單點(diǎn)算法不失為理想算法，對(duì)采樣時(shí)刻沒(méi)有要求，既準(zhǔn)確又快捷，并且可以同時(shí)測(cè)量得到電壓、電流、有功功率和無(wú)功功率，但這種算法對(duì)采樣信號(hào) 要求較高，硬件較為復(fù)雜 。 正弦模型算法主要有 :最大值算法、單點(diǎn)算法、半周期積分算法、兩點(diǎn)算法、導(dǎo)數(shù)算法和快速三點(diǎn)算法。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流采樣以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，有逐步取代直流采樣的趨 勢(shì)。直流采樣是把交流電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為 05V的直流電壓，這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，便于濾波，但投資較大，維護(hù)復(fù)雜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)采集，因而在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。 電力系統(tǒng)基本電網(wǎng)參數(shù)的測(cè)量主要包括 :電流有效值、電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功 率、功率因數(shù)、頻率。 負(fù)載AD C 模塊PW M產(chǎn)生器仿真接口PLC S 7 200PC 機(jī)J A TG控制電源V15?V5??電壓電流檢測(cè)電路se功率單元圖 11 PLC實(shí)現(xiàn)的投切電路原理圖 第二章 電網(wǎng)參數(shù)測(cè)量算法與無(wú)功補(bǔ)償研究 5 第 二 章 電網(wǎng)參數(shù)測(cè)量算法與無(wú)功補(bǔ)償研究 電網(wǎng)參數(shù)的測(cè)量是 無(wú)功補(bǔ)償 設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，準(zhǔn)確、快速測(cè)量是高壓 無(wú)功補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、保證電網(wǎng)安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn) 行具有十分重要的意義。 如果用戶每天的工作大體一致，那么實(shí)測(cè)作出功率因數(shù)曲線后，可以不用模擬單元，只用圖中虛線內(nèi)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切。 第一章 緒論 4 用 PLC實(shí)現(xiàn)的投切電路結(jié)構(gòu)及原理 用 PLC實(shí)現(xiàn)的投切電路結(jié)構(gòu)原理如圖 1所示，利用這樣的線路結(jié)構(gòu)，無(wú)功補(bǔ)償補(bǔ)償裝置變得條理清晰，易于理解，并且在原自動(dòng)投切、手動(dòng)投切的基礎(chǔ)上，利用 PLC 中 CPU內(nèi)部的日歷時(shí)鐘可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)投切控制。 SVG由連接電抗器、逆變 器組成 , 每相電路通過(guò) IGBT 變流模塊級(jí)聯(lián) , 經(jīng)過(guò)連接電抗器直接接入 10KV 電網(wǎng)。功率單元采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu) , 多個(gè)兩電平 H 橋電路串聯(lián)起來(lái) , 以達(dá)到電壓疊加的目的。本設(shè)計(jì)裝置采用可編程邏輯控制器 (PLC)進(jìn)行控制及監(jiān)測(cè)。 以單片機(jī)為主控單元的電壓無(wú)功 控制系統(tǒng)得到很大發(fā)展 , 但單片機(jī)抗干擾能力較差 , 在中、高壓無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域的可靠性不易保證。 ⑤諧波含量小。 ③可以在從感性到容性的整個(gè)范圍中進(jìn)行連續(xù)的無(wú)功調(diào)節(jié) 。在欠壓條件下， SVG可通過(guò)調(diào)節(jié)其 變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位，使其所能提供的最大無(wú)功電流維持不變，僅受其電力半導(dǎo)體器件的電流量限制。 SVC 內(nèi)部的電力電子開關(guān)元件多為晶閘管，晶閘管導(dǎo)通期間處于失控狀態(tài)，使 SVC 每步補(bǔ)償時(shí)間間隔至少約為工頻的半個(gè)周期，而 SVG 采用 GTO 作為開關(guān)元件， GTO 可在 時(shí)間左右關(guān)斷，因而其補(bǔ)償速度更快 。迄今投入實(shí)用的 SVG大都采用電壓型橋式電路，因此 SVG 往往專指采用自換相的電壓型橋式電路作為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置。 電壓型橋式電路，其直流側(cè)采用電容作為儲(chǔ)能元件，交流側(cè)通過(guò)串聯(lián)電 抗器并入電網(wǎng) 。 靜止無(wú)功發(fā)生器 (SVG) 靜止無(wú)功發(fā)生器 (SVG)也稱為靜止調(diào)相機(jī) (Static Condenser 一 STATCON)，靜止同步補(bǔ)償器 (Static Synchronous Compensator 一 STATCOM)、新型靜止無(wú)功發(fā)生器第一章 緒論 3 (Advanced Static Var Generator 一 ASVG)。 SVC 是利用晶閘管作為固態(tài)開關(guān)來(lái)控制接入系統(tǒng)的電抗器和電容器的容量，從而改變輸電系統(tǒng)的導(dǎo)納。由于使用晶閘管的 SVC 具有優(yōu)良的性能，所以十多年來(lái)占據(jù)了靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的主導(dǎo)地位 。 1977年美國(guó) GE公司首次在實(shí)際電力系統(tǒng)中運(yùn)行了使用晶閘管的靜補(bǔ)裝置， 1978 年美國(guó)西屋公司制造的使用晶閘管的靜補(bǔ)裝置投入實(shí)際運(yùn)行。 靜止無(wú)功補(bǔ)償器 (SVC) 早期的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置是飽和電抗器 (Saturated ReacotorSC)型 ， 1967 年英國(guó)GEC 公司制成了全世界上第一批飽和電抗器型 SVC。 SVG 是無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾l(fā)展方向 , 從本質(zhì)上講 , SVG 可以等效為大小可以連續(xù)調(diào)節(jié)的電容或電抗器 , 是當(dāng)前技術(shù)條件下最為理想的無(wú)功補(bǔ)償形式。 目前 , 性能可靠、應(yīng)用較廣泛的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)主要有靜止無(wú)功補(bǔ)償器 (SVC)、靜止無(wú)功發(fā)生器 (SVG) 等。 常用補(bǔ)償?shù)姆椒?:一種是集中補(bǔ)償 (補(bǔ)償電容集中安裝于變電所或配電室 , 便于集中管理 )； 一種是集中與分散補(bǔ)償相結(jié)合補(bǔ)償電容一部分安裝于變電所；另一部分安裝于感性負(fù)載較大的部門或車間，這種是設(shè)備補(bǔ)償。 無(wú)功補(bǔ)償可以 減少電力損 耗 ，一般工廠動(dòng)力配線依據(jù)不同的線路及負(fù)載情況，其電第一章 緒論 2 力損耗約 2%3%左右，使用電容提高功率因數(shù)后，總電流降低，可降低供電端與用電端的電力損失 ； 改善供電品質(zhì)， 無(wú)功補(bǔ)償可以 提高功率 因數(shù)，減少負(fù)載總電流及電壓降。在長(zhǎng)距離輸電 網(wǎng) 中合適的地點(diǎn) 就地安裝動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置 能夠 改善輸電 網(wǎng)絡(luò) 的穩(wěn)定性，提高輸電能力。 無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c(diǎn) : (1)提高供用電 設(shè)備 及 負(fù)載的功率因數(shù)， 減少 設(shè)備容量， 降低 功率損耗。顯然，這些無(wú)功功率如果都要由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。而為了輸送無(wú)功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這 就不容易實(shí)現(xiàn)了 。所以在電力系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)功功率 補(bǔ)償 必不可少 ，這對(duì)電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行有著很重要的意義。近年來(lái)，隨著電網(wǎng)負(fù)荷的增加，對(duì)無(wú)功功率的要求也 愈來(lái)愈嚴(yán)格 。 據(jù)報(bào)道，我國(guó)平均每年因?yàn)闊o(wú)功分量過(guò)大造成的線損高達(dá) 15%左右，折算成線損電量約為 1200 億千瓦時(shí)。同時(shí)使 電網(wǎng) 功率因數(shù) 降 低、系統(tǒng)電壓下降。而大多數(shù)電力電子 設(shè)備 的功率因數(shù)很低，它們所消耗的無(wú)功功率在電力系統(tǒng)所輸送的電量中占有很大的比例。 When a grid, will be fixed capacitors investment, according to the main controller busbar voltage, current signal to the pensation calculated. Key words： reactive pensation； PLC； SVG； capacitance 目 錄 第 一 章 緒論 ............................................................ 1 課題研究的背景 ................................................... 1 無(wú)功補(bǔ)償研究及發(fā)展趨勢(shì) ........................................... 1 本文主要研究?jī)?nèi)容 ................................................. 3 用 PLC 實(shí)現(xiàn)的投切電路結(jié)構(gòu)及原理 ................................... 4 第 二 章 電網(wǎng)參數(shù)測(cè)量算法與無(wú)功補(bǔ)償研究