【正文】 電流型橋式電路，直流側(cè)采用電感作為儲(chǔ)能元件，交流側(cè)并聯(lián)上電容器后接入電網(wǎng)。 與 SVC相比， SVG 具有以下 5個(gè)優(yōu)點(diǎn) : ①調(diào)節(jié)速度快。 ②運(yùn)行范圍寬。而 SVC系統(tǒng)，由于所能提供的最大電流受其并聯(lián)電抗器的阻抗特性限制，因而隨著電壓的降低而減小 。 ④ SVG 不需大容量的電容、電感等儲(chǔ)能元件，其直流側(cè)所使用的電抗器和電容元件的容量遠(yuǎn)比 SVC中使用的小，可大大縮小裝置的體積和成本 。 SVG 在采取多重化技術(shù)、多電平技術(shù)或 PWM 技術(shù)等措施 后，可大大減少補(bǔ)償電流中的諧波含量 。另一方面電壓等級(jí)越高的變電站其輻射范圍也越大 , 故障的波及面也大 , 因此系統(tǒng)對(duì)它的控制能力、通信能力要求也更高。 文 主要研究?jī)?nèi)容 該設(shè)計(jì) 整個(gè) 系統(tǒng)利用 PLC技術(shù)、 IGBT技術(shù)、鏈?zhǔn)侥孀兤骷夹g(shù)等來(lái)完成。在 10KV 系統(tǒng)應(yīng)用時(shí) , 每相連接多個(gè)兩電平逆變器模塊。 SVG 首先通過(guò)充電電阻對(duì)直流側(cè)電容充電至預(yù)定值 , 之后充電接觸器閉合以短接充電電阻 , 充電過(guò)程結(jié)束 , 補(bǔ)償裝置并入電網(wǎng)開(kāi)始工作；并網(wǎng)一段時(shí)后 , 將固定電容器投入 , 主控制器根據(jù)母線側(cè)電壓、電流信號(hào)計(jì)算得出需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流 , 并生成逆變器所需的 IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào) , 控制逆變器產(chǎn)生與無(wú)功電流幅值相等、相位相反的補(bǔ)償電流 , 從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償無(wú)功的目的。當(dāng)檢測(cè)電路或模擬單元出現(xiàn)故障時(shí)，可以按實(shí)時(shí)時(shí)間自動(dòng)投切。同時(shí)可以通過(guò)檢測(cè)各接觸器的狀態(tài)作出相應(yīng)的保護(hù)和報(bào)警輸出。本章在簡(jiǎn)要介紹分析各類電網(wǎng)參數(shù)測(cè)量方法后，采用技 術(shù)比較成熟的傅立葉變換來(lái)計(jì)算各電網(wǎng)參數(shù)，在準(zhǔn)確測(cè)量電網(wǎng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì) 無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑砑胺椒ㄟM(jìn)行了簡(jiǎn)述。根據(jù)被采集信號(hào)的不同，數(shù)據(jù)采集可分為直流采樣和交流采樣兩大類。交流采 樣是把交流電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為士 5V(或 05V)的交流電壓進(jìn)行采集，主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，相位失真小，投資少、便于維護(hù)，其缺點(diǎn)是算法復(fù)雜，精度難以提高，對(duì) A/D轉(zhuǎn)換速度要求較高。交流采樣的應(yīng)用范圍非常廣泛，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，其算法也有很多種，按照其模型函數(shù)的不同，大致可分為正弦模 型算法、非正弦模型算法。其中，最大值算法測(cè)量電壓、電流的有效值誤差大小與 AD的位數(shù)和采樣周期有關(guān)， AD的位數(shù)越高、采樣周期越小，則誤差越小，測(cè)量精度越高 。半周期積分算法的數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度雖然要半個(gè)周期，但它的運(yùn)算量非常小，只涉及加減運(yùn)算，可以用非常簡(jiǎn)單的硬件實(shí)現(xiàn)。但是該算法不能抑制支流分量。 非正弦模型算法主要有 :有效值算法、均方根算法、傅立葉及改進(jìn)的傅立葉算法、最小二乘算法、卡爾曼濾波算法、小波變換算法等。該算法實(shí)時(shí)性好、簡(jiǎn)單，能夠計(jì)及信號(hào)中的高次諧波的影響，在不需要測(cè)量基波和各次諧波參數(shù)的情況下，可以選用此方法 。傅立葉及改進(jìn)的傅立葉算法是目前應(yīng)用最多的算法，可以一次算出信號(hào)中所用諧波，應(yīng)用方便，己經(jīng)在電力系統(tǒng)測(cè)量中得到了長(zhǎng)久的應(yīng)用 。 電力網(wǎng)中的 電動(dòng)機(jī)和 變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的。電動(dòng)機(jī)和變壓器在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中建立交變磁場(chǎng)，在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率稱為感性無(wú)功功率。所以無(wú)功功率被使用于 建立磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)，它存儲(chǔ)于電感和電容中，通過(guò)電力網(wǎng)往返于電源和電感、電容之間。將電容器和電感并聯(lián)在同一電路中，電感吸收能量時(shí)，電容器釋放能量 。因此能量就只在它們之間交換，即感性負(fù)荷 。因此把由電容器組成的裝置稱為無(wú)功補(bǔ)償裝置。 圖 21 無(wú)功功率補(bǔ)償示意圖 S S’ ? ’ ?’ Q P Q ’ CQ 第二章 電網(wǎng)參數(shù)測(cè)量算法與無(wú)功補(bǔ)償研究 7 設(shè)電感性負(fù)荷需要從電源吸取的無(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，使電源輸出的無(wú)功功率減少為 Q’ =Q一 Qc，功率因數(shù)由 cos? 提高到 cos? ’ 材，視在功率 S減少到 S’，如圖 。例如一臺(tái) 1000千伏安的變壓器，當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)為 ，可供 700千瓦的有功負(fù)荷 。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 200千瓦負(fù)荷，是相當(dāng)可觀的。 由電壓損耗計(jì)算公式 U XPRU C）（??? 可知，采用無(wú)功補(bǔ)償措施后，因電力網(wǎng)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。在電力網(wǎng)運(yùn)行中，期望功率因數(shù)越大越好，如果能做 到這一點(diǎn)，則電路中的視在功率將大部分用來(lái)供給有功功率，可以減少無(wú)功功率 的消耗。由圖 22(b)的相量圖可知，并聯(lián)電容器后電壓 U和電流 I的 相位差 變小了，即供電回路的功率因數(shù)提高了，此時(shí)供電電流 I的相位滯后于電壓 U， 這種情況稱為欠補(bǔ)償。通常不希望出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r，因?yàn)檫@樣 會(huì)引起變壓器二次電壓的升高，而且容性無(wú)功功率在電力線路上傳輸同樣會(huì)增加 電能損耗，如果供電線路電壓因此而升高，還會(huì)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。有 功功率 P與無(wú)功功率 Q還有視在功率 S之間存在下述關(guān)系，即 22 QPS ?? ?cosSP? 因此，功率因數(shù)還可以表示成下列形式 UI3PSPcos ??? 式中： U———— 線電壓（ KV）； I———— 線電流（ A）。因此，改善功率因數(shù)是充分發(fā)揮設(shè)備潛力，提高設(shè)備利用率的有效方法。 S R C L .U .I RL.? (b)向量圖 (欠補(bǔ)償 ) (a)電路 .U RL.? .I RL.? 第二章 電網(wǎng)參數(shù)測(cè)量算法與無(wú)功補(bǔ)償研究 9 在控制器的控制規(guī)律上又可以分為功率因數(shù)控制和無(wú)功功率 (無(wú)功電流 )控制。 以 功率因數(shù)作為投切判據(jù)是電網(wǎng)無(wú)功控制的傳統(tǒng)方法之一，它以電網(wǎng)中 電壓與電流相位差 形成 的功率因數(shù)作為控制量來(lái)控制補(bǔ)償電容器的投切狀態(tài) 。參照?qǐng)D 23，假設(shè)補(bǔ)償前的參數(shù)是有功電流 p1i ，無(wú)功電流 q1i ，總電流 1i ，功率因數(shù) cos1? 。補(bǔ)償后的參數(shù)為 圖 23 無(wú)功功率補(bǔ)償原理 有功電流 p1p2p2 iii ?， ，無(wú)功電流流 cq1q2 iii ? ，功率因數(shù) cos2?。 當(dāng)控制器 檢測(cè)到當(dāng)前的無(wú)功電流小于零時(shí)，即得到超前的功率因數(shù)時(shí)，發(fā)出指令，切除一電容器組。以功率因數(shù)作為控制量的控制器通過(guò)對(duì)電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行采樣檢測(cè)，分析計(jì)算出當(dāng)前的功率因數(shù)值。當(dāng)控制器檢測(cè)到當(dāng)前的功率因數(shù)值介于 ，則不論實(shí)際的無(wú)功功率值是多少，都保持當(dāng)前的補(bǔ)償狀態(tài)不變。用圖 可以很清楚地說(shuō)明重載時(shí)的情況。雖然 q1i 與 q2i 的差值大于一個(gè)或幾個(gè)電容器組的補(bǔ)償量，但卻由于此時(shí)的功率因數(shù)滿足要求而不會(huì)去投入。圖 25說(shuō)明了輕載時(shí)發(fā)生投切振蕩的情況。由于負(fù)載很輕，這時(shí)的功率因數(shù)較小。一旦功率因數(shù)超前，就要立即切除一電容器組，而切除一組功率因數(shù)又不夠，因此形成投切振蕩。以無(wú)功功率作為投切判據(jù)，由于檢測(cè)量與控制目標(biāo)一致，能夠真正實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率缺多少補(bǔ)多少，超多少切多 少的目的，既可避免投切振蕩，又可實(shí)現(xiàn)電容器組的一次投切到位，避免了反復(fù)試投切對(duì)電網(wǎng)和電容器的影響。若當(dāng)前值大于一個(gè)電容器組的補(bǔ)償值，則投入一個(gè)電容器組。 本方法補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果是使電網(wǎng)中的無(wú)功功率始終保持在一個(gè)較低的水平上。由于本方法的控制對(duì)象是無(wú)功功率，而無(wú)功功率又始終保持在一個(gè)較低的水平上。 以無(wú)功功率為控制量的無(wú)功補(bǔ)償是建立在目標(biāo)功率因數(shù)為 ，如果控制器的運(yùn)行環(huán)境對(duì)功率因數(shù)的要求并不高的話，就需要重新設(shè)置投入門限與切除門限，將其設(shè)定為較大的值，這樣不僅重新設(shè)定比較麻煩，而且將投入 /切除門限增大后，投切精度與靈敏度就會(huì)降低。這樣在不同的應(yīng)用環(huán)境下，就只需要改變目標(biāo)功率因數(shù)即可，在必要的 情況下需要重新設(shè)置投入門限與切除門限。主要具有以下方面的功能和問(wèn)題。用于檢測(cè)電網(wǎng)中所減少的無(wú)功損耗，從而使系統(tǒng)決定無(wú)功補(bǔ)償量的大小。 輸入兩路同頻率的正弦波信號(hào)，當(dāng)兩路信號(hào)的頻率相同時(shí)，相角差 θ=φ1 — φ2 是一個(gè)與時(shí)間無(wú)關(guān)的常數(shù) ,將此兩路正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形成兩路占空比為 50%的正方波信號(hào) f f2，經(jīng)過(guò)異或門輸出一個(gè)脈沖序列 A，與晶振產(chǎn)生的基準(zhǔn)脈沖波 B 進(jìn)行與操作得到調(diào)制后的波形 C，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì) B、 C中脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行 ,計(jì)數(shù)得 Nc、 Nb，則其相位差計(jì)算公式為 θ=180176。Nc/Nb ，采用多個(gè)周期計(jì)數(shù)取平均值的方式以提高測(cè)相精度。 相位檢測(cè)和判別的接線圖如圖 34 所示： 圖 34 相位檢測(cè)和判別的接線圖 D Q CP OUT S “1” U0 U1 圖 33 相位判別電路 1 amp。 1 amp。 U I 觸發(fā)器 信 號(hào) 電壓超前時(shí) 相 位 差 電流超前時(shí) 相 位 差 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 14 無(wú)功功率單元與電平比較單元 將檢測(cè)到的無(wú)功功率量的大小轉(zhuǎn)換為電壓值或電流值，該值與設(shè)定的參考值比較發(fā)出投入或切除電容器的控制信號(hào)。 過(guò)壓保護(hù)部分 當(dāng)電網(wǎng)某相電壓、欠壓 、欠流及諧波超限或電壓不平穩(wěn)超限時(shí)，快速切除補(bǔ)償電容器、以免設(shè)備損壞。 PLC選型 及模擬量擴(kuò)展模塊的選擇設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì) 選用 西門子 s7200CPU226 作為控制主機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)和性能如下所示 : 表 31 西門子 s7200CPU226技術(shù)參數(shù) 描述 CPU 226 DC/DC/DC CPU 226 AC/DC/繼電器 物理特性 尺寸 (W X H X D) 重量 功耗 196 x 80 x 62 mm 550 g 11 W 196 x 80 x 62 mm 660 g 17 W 存儲(chǔ)器特性 程序存儲(chǔ)器 在線程序編輯時(shí) 非在線程序編輯時(shí) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 裝備 (超級(jí)電容 ) (可選電池 ) 16384 bytes 24576 bytes 10240 bytes 100 小時(shí) /典型值 (40176。C 時(shí)最少 70小時(shí) ) 200天 /典型值 I/O特性 本機(jī)數(shù)字量輸入 本機(jī)數(shù)字量輸出 本機(jī)模擬量輸入 24 輸入 16 輸出 無(wú) 24 輸入 16 輸出 無(wú) 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 15 本機(jī)模擬量輸出 數(shù)字 I/O映象區(qū) 模擬 I/O映象區(qū) 允許最大的擴(kuò)展 I/O模塊 允許最大的智能模塊 脈沖捕捉輸入 高速計(jì)數(shù)器 總數(shù) 單相計(jì)數(shù)器 兩相計(jì)數(shù)器 脈沖輸出 無(wú) 256 (128 輸入 /128 輸出 ) 64(32輸入 /32輸出 ) 7個(gè)模塊 7個(gè)模塊 24 6個(gè) 6，每個(gè) 30KHz 4，每個(gè) 20KHz 2個(gè) 20KHz(僅限于 DC輸出 ) 無(wú) 256 (128輸入 /128輸出 ) 64(32輸入 /32輸出 ) 7個(gè)模塊 7個(gè)模塊 24 6個(gè) 6，每個(gè) 30KHz 4，每個(gè) 20KHz 2個(gè) 20KHz(僅限于 DC輸出 ) 常規(guī)特性 定時(shí)器總數(shù) 1ms 10ms 100ms 計(jì)數(shù)器總數(shù) 內(nèi)部存儲(chǔ)器位掉電保持 時(shí)間中斷 邊沿中斷 模擬電位器 布爾量運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間 時(shí)鐘 卡件選項(xiàng) 256個(gè) 4個(gè) 16個(gè) 236個(gè) 256(由超級(jí)電容或電池備份 ) 256(由超級(jí)電容或電池備份 ) 112(存儲(chǔ)在 EEPROM) 2個(gè) 1ms分辨率 4 個(gè)上升沿和 /或 4 個(gè)下降沿 2個(gè) 8位分辨率 s 內(nèi)置 存儲(chǔ)卡和電池卡 256個(gè) 4個(gè) 16個(gè) 236個(gè) 256(由超級(jí)電容或電池備份 ) 256(由超級(jí)電容或電池備份 ) 112(存儲(chǔ)在 EEPROM) 2個(gè) 1ms分辨率 4個(gè)上升沿和 /或 4個(gè)下降沿 2個(gè) 8位分辨率 s 內(nèi)置 存儲(chǔ)卡和電池卡 集成的通信功能 圖 35 S7200CPU226 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 16 圖 36 CPU226 CN DC/DC/DC 端子連線圖 用 s7200CPU226PLC實(shí)現(xiàn)的投切電路結(jié)構(gòu)原理如圖 37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。 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