无功补偿器设计.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流无功补偿器设计.精品文档.第 I章 绪论 第 1章 绪 论 1.1课题背景 电力 是 我 国的主要二次能源，随着国民经济的发展，节电降耗、减少生产 成本是企业追逐的目标。在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例， 如异步电动机、变压器、异步电动机以及大多数家用电器等都是典型的阻感负 载。这些负荷的自然功率因数约为0.6-0.8，阻感性负载所消耗的无功功率在 电力系统所输送的电量中占有很大的比例。无功功率增加会导致电流的增大， 设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。同时使功率因数偏低、系统 电压下降.无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、 配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低 发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造 成大面积停电事故。 据报 道 ， 我国平均每年因为无功分量过大造成的线损高达15%左右，折算 成线损电量约为1200亿千瓦时。假设全国电力网负载总功率因数为0.85,采用 无功补偿装置将功率因数从0.85提高到0.95时，则每年可以降低线损约240亿千 瓦时。近年来，随着电网负荷的增加，对无功功率的要求也与日俱增。由于无 功功率同有功功率一样，是保证电能质量不可分割的一部分。所以在电力系统 中要保持无功功率就地平衡，就需要装设无功补偿设备，这对电力系统安全、 可靠运行有着很重要的意义251。 无功 补 偿 技术对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的潜力是十分必要 的。其主要作用包括提高负载和系统的功率因数、减少设备容量和功率损耗、 稳定电压、提高供电质量、提高系统输电稳定性和输电能力、平衡三相负载的 功率等。因此，无功功率补偿就成为保证电网高质量运行的重要手段之一，也 是电力系统研究领域的一个重大课题。我国与世界上的发达国家相比，在功率 因数和补偿深度方面还有较大差距，因此在配电网改造中推广无功补偿技术是 一个值得关注的实际课题。西北工业大学硕 1研究生学位论文 基于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设计 1.2无功补偿技术的发展现状 人们 认 识 到电力系统中无功功率给电力设备运行所带来的弊端，很早就对 各种补偿技术进行研究。伴随着电力设备的发展和各种新型控制方法的提出， 无功补偿装置经历了一个由无源到有源.由分级调节到平滑调节，由单纯补偿 无功到无功补偿和滤波相结合的发展道路，同时设备的体积和成本也不断降低。 早期 使 用 机械开关的补偿装置不仅动作速度慢、寿命短，而且在操作时会 引起严重的冲击电流和操作过电压，造成设备的毁坏;随着电力电子技术的发 展及其在电力系统中的应用，给无功补偿设备的发展带来新的突破口，把使用 可控硅技术的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台，并逐渐占据了无功补 偿的主导地位，可控型电力电子器件大量应用到电力系统无功补偿中。由于其 动作时间短且可快速跟踪电网变化，实现电网无功的动态调节，而且采用特定 的控制方法可以避免涌流和过电压，大大延长了设备的使用寿命;随着变流技 术和瞬时无功功率理论等新技术的发展，性能更加先进的无功发生器和有源滤 波器己成为研究的热点，。 1.2.1早期的无功补偿技术 (1)同步调相机 早期 无 功 补偿装置的代表是同步调相机。同步调相机相当于空载运行的同 步电动机。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率，提高系统电压:在 欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率，降低系统电压。同步调相机不仅 能补偿固定的无功功率，对变换的无功功率也能进行动态补偿，至今在无功补 偿领域中还在使用，但运行维护比较复杂，而且技术上己显得落后。随着控制 技术的进步，其控制性能还有所改善，但总体来说这种补偿方法己显得陈旧，。 (z)并联电容器 并联 电 容 器可以改善线路参数，减少线路感性无功功率。但它供给的无功 功率与节点电压的平方成正比，当节点电压下降时，其补偿能力反而降低，其 功率调节性能较差。与同步调相机相比，其费用节省很多，且维护方便，即可 集中补偿，也可分散装设，所以还是我国目前主要的无功补偿方式。其缺点是第 1章 绪论 电容器只能补偿固定的无功功率，且容易发生并联谐振而烧坏电容器【旧。 1.2.2静止无功补偿技术 20 世纪 70年代以来，出现了静止无功补偿(StaticV arC ompensator- S VC) 技术，所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具 有吸收或发出无功电流的能力，用于提高系统的功率因数、稳定系统电压、抑 制系统振荡等功能。 (1)饱和电抗器型无功补偿装W (SR) 饱和 电 抗 器 (SaturatedR eactor-SR)分为自饱和电抗器和可控饱和电抗 器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装 置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发 出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来 控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。 SR 型 静止 无功补偿装置属于第一代静止补偿器，它具有快速、可靠、过载 能力强、产生谐波小和一定的抑制三相不平衡的能力等优点 。但是由于这种装 置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4倍，并且电抗器的硅钢片长期 处于饱和状态，铁心损耗比并联电抗器大2-3倍，另外这种装置还有振动和噪 声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器 的静止无功补偿器目前应用的较少，一般只在高压输电线路才有使用141 (2)晶闸管控制电抗器 (TCR) 晶闸 管 控 制电抗器 (ThyristorC ontrolledR eactor- TCR)的基本结构就 是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，三相多采用三角形结构。这样的 电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路。由分析可知，晶闸管 的触发延迟角a的有效移相范围为90' -180'。电抗器的电流可以从额定值到0 连续变换，其基波电流都是无功电流。a =90'时，晶闸管完全导通，导通角为 180，与晶闸管串联的电抗器相当于直接接到电网上，这时其吸收的基波电流 和无功功率最大;当触发角在 901-180之间时，晶闸管部分区间导通，导通 角小于180'.增大触发延迟角的效果就是减小电流中的基波分量，相当于增大 补偿器的等效感抗，因此减小了其吸收的无功功率”。由于单独的TCR只能吸西北工业人学硕 上研究生学位论文 基于嵌入式操作系统的无功补偿控制A设汁 收感性无功功率，可以将固定的并联电容器 (Fixed Capacitor-FO 与TCR配 合使用，如图1. 1所示。并联上电容器后，使得总的无功功率为TCR与并联电 容器无功功率抵消后的净无功功率。并联电容器串联上小的调谐电抗器还可兼 作高次谐波滤波器，以吸收TCR产生的谐波。 固定 电容器可 兼作泣波器 图 1.1 与 F C配 合 使 用 的 TC R TCR 型 的 补偿器反应时间短，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用 广泛.但该补偿装置输出电流中含有较多的高次谐波，而且电抗器体积大，成 本也较高。 (3)晶闸管投切电容器川 (TSC) 晶h 管 投 切电容器 (ThyristorS witchedC apacitor- TSC)型补偿器由一 组并联的电容器组成，每一台电容器都与双向晶闸管串联，其主回路如图 1.2 所示。两个反并联的晶闸管只起开关的作用，将电容器并入电网或从电网中断 开，以替代常规投切装置使用的机械式开关。TSC用于三相电网中可以是三角形 连接也可以是星型连接。一般负荷对称网络采用星型连接，负荷不对称网络采 用三角形连接。无论星型还是三角形连接都采用电容器分组投切.在运行时， 根据所需补偿容量的大小，决定投入电容的组数。由于电容是按组投切的，所 以会在电网中产生冲击电流。为了实现无功功率尽可能的平滑调节，可以增加 电容的组数，组数越多，级差就越小，但这也会增加运行成本。考虑到系统的 复杂性及经济性，一般用K个电容值为C的电容和K个电容值为C/2的电容组 成2K级的电容组数。第 I章 绪论 vi m w / 本- 土 土 土 毛 一一 耳 = 一 J 土 图 1.2 T SC 单 相 分组 投 切 简 图 TSC 的 关 键技术问题是投切电容时刻的选取。经过理论计算和实验研究表 明，其最佳投切时机是晶闸管两端的电压相等的时刻，即电容器两端电压等于 电源电压的时刻。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置为了 保证更好的投切电容器，必须对晶闸管触发电路进行很好的设计.TSC补偿器可 以很好的补偿系统所需的无功功率，如果分级分得足够细，基本上可以实现平 滑调节 。 1.2.3 基于电力电子逆变技术的无功补偿装置 静止 无 功 补偿器(SVC)虽然能对系统无功功率进行有效的补偿，但是由于换 流元件没有断流能力，使其容易对电网产生较多的谐波电流，而且对电网电压 波动的调节能力不够理想。随着大功率全控型晶闸管GTO及IGBT的出现，特别 是相控技术、脉宽调制技术(PWM)、四象限变流技术、瞬时无功功率理论等的提 出使得电力电子逆变技术得到快速发展，以此为基础的无功补偿技术也正成为 研究的热点川。 (1)静止无功发生器 (SVG) 静止 无 功 发生器 (StaticV arG enerator- SVG)也是一种电力电子装置， 其基本结构如图1.3所示，其最基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流器 直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网上来实现无功补偿的.目前使用 的主要是电压型。SVG正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压 转换成交流侧与电网同频率的输出电压，因此 SVG可以看作是幅值和相位均可 控制的一个与电网同频率的交流电压源。西:1r工业大学硕_tr研究生学位论文 基于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设计 图 1. 3 电 压型 SV G基 本 结 构 与 SVC 装 置相比，SVG装置不需要大容量的电容器等储能元件，只需要维持 直流侧电压的较小容量的电容器，大大减小了装置的体积和成本;而且调节速 度更快、运行范围宽;在采用桥式整流电路的多重化技术或PWM技术后，则可 以大大减少补偿电流中的谐波含量。所以SVG具有非常优越的性能，是目前无 功补偿装置的主要发展方向川。但该系统存在结构复杂，控制难度大，制造和 维护都不便，成本高等问题，不便在全国推广使用。 (2)有源电力滤波器(APF) 随着 上 世 纪80年代三相电路瞬时无功功率理论的提出，出现了一种用于动 态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置 有源电力滤波器(Active Power Filter-APF)。其主电路原理图如图1.4所示，实际上是采用了PWM技术的逆 变器，在其直流侧有一个维持直流电压的电容器，经过逆变器产生交流电与系 统相连，电容上的电压由逆变器从系统取得。APF可在消去谐波的同时补偿无功， 可实现实时无功补偿。图 1.4电压型 AFP原理图 其优点是对频率和大小都变化的谐波 以及变化的无功功率同时进行补偿， 对补偿对象的变化有极快的响应:可连续调节且响应迅速，无功补偿时不需储第 I章 绪论 能元件;即使补偿对象电流过大也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用:不 会发生谐振问题;能跟踪电网频率的变化:既可对一个谐波和无功源单独补偿， 也可对多个谐波和无功源集中补偿”。APF是20世纪80年代以来电力电子技 术应用于电力系统进行谐波抑制和无功补偿的一个研究热点，但目前仍存在如: 实现复杂、成本较高、单台补偿容量低、不易消除高次谐波、在实现上仍需LC 滤波器的辅助等问题。 1.3论文的研究内容 当前 ， 在 农网、城网改造建设中都需要无功补偿装置，无功补偿更广泛地 应用于工矿、医疗、科研、企业、油田、煤矿、港口、居民小区、公用设施等 需要低压无功快速补偿的电力用户。采用电力电容器进行无功补偿是节能降损、 改善电网电压质量最方便、最经济有效的方法之一，这种方法安装方便、建设 周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小。 随着电网自动化的发展，国家 电力公司要求推广无人值守的变电站，因此需要装设电压、无功补偿综合自动 调节的装置，真正实现变电站的自动化和无人值班。 本文 正 是 基于目前国内电力市场的需求现状，考虑到以上几种无功补偿方 式的实现条件和功能的优缺点，设计一种TSC型低压智能无功补偿控制器，该 控制器具有较高的经济适用性。 1.3.1论文的结构安排 本文 着 眼 于从工程实用的角度，由理论到实践，对无功补偿控制器的设计 和功能实现作详细的叙述，论文的主要结构如下: 第二 章 从 无功补偿控制的基本理论出发，对无功补偿中所遇到的最佳补偿 容量和控制策略问题进行了分析和探讨，讨论了无功补偿的几种基本方式，阐 述了TSC型无功补偿的控制方法。 第三 章 给 出了无功补偿控制器基于DSP的整体硬件设计方案，并根据设计 规范对控制器的各个外围模块所需实现的功能、硬件电路设计和通信方案作了 1羊细地叙述。西北工业大学硕士研究生学位论文 基于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设计 第 四章 叙 述了基于嵌入式实时操作系统的软件总体设计方案，介绍了实时 操作系统NC/OS-II的移植和各个软件模块的功能流程和具体实现，最后详细叙 述了任务单元的划分和调度。 第 五章 对 课题工作进行了总结，并对本文提出的无功补偿控制器设计方案 的改进提出作者的意见。 1.3.2关键技术 在本 文 提 出的无功补偿控制系统的设计过程中，主要需解决以下关键技术: 1.基于嵌入式操作系统的系统软件设计与实现 在控 制 系 统中嵌入实时多任务操作系统可以提高系统的效率，缩短开发周 期，方便程序的维护和升级。实时多任务操作系统提供的基于优先级的抢占式 任务调度方案，可满足无功补偿对实时性要求较高的特点。使用实时操作系统 必需仔细进行任务规划和调度，保证控制器能够长期运行而不出现资源死锁或 系统崩溃。 2.无线通信电路的设计 本系 统 采 用手持PDA和移动短消息配合的通信方式，其中手持PDA主要用 作在控制器现场对历史数据的采集;GSM (Global System for Mobile communication)短消息用于实时数据读取、动作执行、参数设置等其它数据量 较小的实时通信任务。如何解决无线通信中的数据可靠性以及如何保持发送和 接收的同步，是通信模块设计时需要解决的一个突出问题。 本课 题 在 TSC型无功补偿装置的基础上设计了一种新型的低压智能无功补 偿装置，系统使用集成度高的DSP作为主处理器，手动和自动投切相结合，采 用过零触发电路来投切电容器，具有故障报瞥和数据存储等功能。软件基于源 代码公开的嵌入式实时操作系统PC/OS-II来实现，通过移动GSM短消息实现数 据无线实时远传功能。第2章 无功补偿的旅本理论 第2章 无功补偿的基本理论 本章 主 要 介绍无功补偿的基本概念，讨论低压无功补偿容量和补偿方法， 分析本系统采用的无功补偿的控制策略，最后对晶闸管投切电容器的原理作了 简要的介绍。 2.1无功补偿的概念和意义 将电 容 器 与感性负荷并联是补偿无功功率的传统方法，电容器和电感并联 在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器释放能量，而电感放出能量时， 电容器却在吸收能量。能量就只在它们之间交换，即感性负荷 (电动机、变压 器等)所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。因此， 把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。 在实 际 电 力系统中，包括异步电动机在内的绝大部分电气设备的等效电路 可看作电阻R与电感L串联的电路，设 Cos4p飞; 扮而，式中XL一呱 (2一1) Cos q? 被定 义为电力网的功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率P占 线路视在功率S的百分数。在电力网运行中，我们希望的是功率因数越大越好， 如果能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，可以减 少无功功率的消耗 。 、 41 图2. 1并联电容器补偿无功功率的电路和相量图 (a)电路 (h)相量图 (欠补偿) (c)相最图 (过补偿)西北工业人学硕_日Of究生学位论文 链于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设计 将 R. L 电路并联电容 C后，电路如图 2.1 (a)所示，该电路电流方程为 l=!,+瓜。由图2.1( b)的相量图可知，并联电容器后电压fl和电流I的相位 差变小了，即供电回路的功率因数提高了，此时供电电流1的相位滞后于电压 U，这种情况称为欠补偿。 若电 容 C 的容量过大，使得供电电流j的相位超前于电压II，这种情况称 为过补偿，其相量图如图2. 1(c)所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这 样会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会 增加电能损耗，如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损 耗，使温升增大，影响电容器的寿命。 电力网除了要负担用电负荷的有功功率P，还要承担负荷的无功功率Q。有 功功率P与无功功率Q还有视在功率5之间存在下述关系，即 S二廿尸z十Qz (2一2) P二 S cos中 (2一3) 功率因数还可以表示成下述形式 Cos甲.P S 尸 ,而 (2一4) 其 中 U为 线电压，单位KV;I 为线电流，单位A。可见在一定的电压和电流 下，提高COST，其输出的有功功率增大。因此，改善功率因数是充汾发挥设备 潜力，提高设备利用率的有效方法。 由上 述 可 知，无功补偿的目的就是提高电网的功率因数，即提高有用功在 电网发出的功率中的比例。 l.减少线路损耗 当线 路流过电流l时，线路的有功损耗 OP二31 Rx10-'(KW)第 2童 无功补偿的基本理论 _， 尸 、，_ ar.s(- )一代x 1u- U, co sT _P2+Q 二R二10一 UQ - 尸 'R . 1 、_，-一 一J- tes，尸es)x1U一吸KW) Ue co s“ (p (2一5) 其中无功功率在电网中流动而引起的有功线损OPQ的计算公式为: _ QZ_ 么 .分兮二式 U, (2一6) 由(2-6)式可知，线路的有功损失OP与cost29 成反比，cos(D 越高OP越小。 .提高电力网的传输能力 视在功率与有功功率存在下述关系: 户1。1 P· S co sry ( 2一 7 ) 如图 2. 2所示，当供电设备的视在功率S一定 时，如果功率因数cosq> 提高，即功率因数角由图 中921变为972，则设备可以提供的有功功率也随之 增大到p+p p，可见，设备的有功出力提高了。 Q2 图2.2功率变化 图 .降低电压损耗 线 路的电压损耗计算公式为 。一而(Rco s，十Xsin 9p) x1。 一 ，一塑舟望x1。一，卿)(2一8) U, 当线路加装补偿电容后，其电压损耗减少值为 Da二U,一U 一，PR +QX U PR+(Q一Q,)X U, 卜10-' (2一9) x10 -;(K V) 电压损耗率的减小值为西北工业大学硕 卜研究生学位论文 爷于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设计 a%二矶%一U,%= Q。 10,3U.I_而 x _ Ue (2一 10) 。夕三竺Y% los e 二夕竺Y% 1000 可见，当增加补偿容量时，电压损耗。和电压损耗率。%与补常容量忿 成正比。 由上 述 分 析可见，要减少电力网中的电压损耗和电网的线损率，提高用户 端的电压质量的重要措施之一就是减少电力网元件中的无功传输，可以从提高 负荷的自然功率因数和进行无功补偿两方面来解决这个问题。 2.2无功补偿容量确定的方法 2.2.1从提高功率因数需要确定补偿容量171 如果电力网最大负荷平均有功功率为凡，补偿前的功率因数为CosTI ，补 偿后的功率因数为COST2，则补偿容量可用下述公式计算 Qc二PP(t9 、一tgT2)一Ql;(1一 婴) (2一11) rg 码 或写成 Q。一Pp, COs'码一1一 COs'T 2 (2一12) 有时需要将COST提高到大于COST2，小于COST3 ，则补偿容量应满足不等 COs'妈一1一 Cos'叭一11、sPR1,I z 一1一、I1 - 11 1 LrC o s g , y Co s 9 (2-13) Q。 所需补偿容量WA); 耳 中 式 式 一一最大负荷平均无功功率 (kVA); 一一最大负荷平均有功功率 (kW). 鸟 几第2章 无功补偿的基本理论 cos97, 应采用最大负荷日平均功率因数。通常，将功率因数从0.9提高到1 所需的补偿容量与将功率因数从0.72 提高到0.9所需的补偿容量相当。 在高功率因数下进行补偿其效益将显著下降。这是因为在高功率因数下，因此 ， cos切 曲线的上升率变小，因此，提高功率因数所需的补偿容量将要相应的增加。 2.2.2从降低线损需要确定补偿容量1A 线损是电力网经济运行一项重要指标，在网络参数一定的条件下， 过导线的电流平方成正比。设补偿前流经电力网的电流为I，其有功、 其与通 无功分 量为I，和IQ，如图2.3所示·则I一1，一ill e 若补偿后，流经网络的电流为I'，其有功、无 功分量为I，和IQ 则I'·I，一11Q· 但是，加装电容后，将不会改变补偿前的有功分 量，故有 Ip -Ipn :一ftpi 图 2，3 向量图 补偿前的线路损耗为:AP二31'R一3(竺匕)2R (2一14) cos rp 补偿后的线路损耗为:N''一31'ZR一 3(卫乞;)'R (2一15) cos华 补偿后线损降低的百分值为: OP,%一 AP-A P :二100%一fl一(cos".)Zix100% (2- I6) OP 'c o s厂 - 而补偿容量为: Q一f3UDIQ- V3ij(Isin ;一I'singp)一 ,A3Ulp(tg，一t8q)-P(tgry-t%T) (2一17) 因此，该补偿容量公式与提高功率因数确定补偿容量的公式相同。西北工业大学硕 卜研究生学位论文 基于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设计 2.2.3从提高运行电压需要确定补偿容量 在配 电 线 路的末端，运行电压较低，特别在重负载、细导线的线路。加装 补偿电容后，可以提高运行电压，这就产生了按提高电压的要求，选择多大的 补偿电容才合理的问题。此外，在网络电压正常的线路中，装设补偿电容时， 网络电压的压升不能越限，为了满足这一约束条件，也必须求出补偿容量Q。和 网络电压增量之间的关系。 装设 补 偿 电容以前，网络电压可用下述表达式计算 U,·U,十PR十口X U, (2一18) 装设补偿电容后，电源电压U，不变，变电所母线电压U,升到U盛，且 u，-U二+PQ +(Q一Q,)X U, AU - U二一UZ-Q,X UZ Qc U二 AU . (2一 19) U, 投入电容后母线电压值 (kV); 以 中 所 式 AU 投 入 电容后母线电压的增量 (kV)。 三相所需总电容 SQ。一3Q。一3华x、-AU L x、 -1二 AU LXU u ( 2一20) ,13 J3 式 式 此时 的 电 压和电压的增量是针对线电压而言，而单相补偿容量的表达式是 针对相电压而言的。 2.2.4并联电容器参数的选择 并联电容器是装置中投资最大的主设备，它的基本参数为额定电压U", 额定容量Q,.额定电压是电容的重要参数，设计中正确选择十分重要。为使第2奄 无功补偿的基本理论 电容器的额定电压选择合理，达到安全、经济的目的，在选择时应注意:(1)装 置接入电网后引起的电网电压升高;(2)谐波电压引起的电网电压升高;(3)装 设串联电抗器引起的电容器端电压升高。无功补偿滤波装置接入电网后引起的 母线电压升高值Us可按下式计算: AU , =U l.XQCN/Sd (kV ) ( 2一 2 1) 式中:Uso 装置接入前的母线电压 QCN 母线上投入的电容器容量 kV; kVA; Sa 电容器安装处的母线短路容堡，kVA. 电容器额定电压U。可先由以下的公式求出计算值: U。一1.05xU,(13-xS x(1一K) (kV) (2 一22) 式中:US, 电容器接入点电网标称电压，kV; s 电容器组每相的串联段数; K 串联电抗器电抗率。 具体 工 程 中将K值和s值代入上式后，求出电容器的额定电压计算值，再从 电容器额定电压标准系列中选取靠近计算值的额定电压。电容器组额定容量的 选择，首先应考虑它是一个无功补偿装置，其作用主要是提高功率因数，所需 补偿容量可按下式选择: Q， 一P S x (t g0,一tgo,) (kVA) (2 -2 3) 式中:PS 主变电源侧平均有功负荷，kW; 480 1" t 9 "2 补偿前、后主变电源侧功率因数角的正切值。 由于 电 容 器的实际输出容量 Q与其运行电压 U相对值的平方成正比，即 Q=(26 x(U/Ucx)2。因此当电容器运行电压低于其额定电压时，则达不到额定输 出，所以装置的额定容量QC.v应为: Q。 一 Q. -(UC,/U) ( kV A) (2 - 24 ) 西北工业大学硕 七研究生学位论文 基于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设汁 式中:Ucv 电容器额定电压，kV; U 电 容 器 运行电压，kV 2.3低压无功补偿的基本方式 一般 市 电 低压电网处于电网的最末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿 的关键。作好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高 用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低电能损 失，低压补偿对用户及供电部门都有利。低压无功补偿的目标是实现无功的就 地平衡，通常采用的方式有三种:随机补偿、随器补偿、跟踪补偿川。 2.3.1随机补偿 随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护装置与电机 共 同投切 止运行时 随机补偿的优点是:用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停 补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量。具有投资少，配置灵 活，维修简单等优点。 为防止电动机退出运行时产生自激过电压，补偿容量一般应大于电动机的 空载无功负荷，通常推荐 Qc一(0.95一0.98),13U,1. 式中 U, 额定电压; (2一25) la 电 动 机 空载 电 流; Q 补 偿 电 容 器 容量。 对于 排 灌 电动机等所带机械负荷轴惯性大的电动机，补偿容量可适当增大， 可大于电动机空载无功负荷，但要小于额定无功负荷。一般的，电动机的年运 行小时数大于1000h，选用随机补偿比其他方式更经济。用户的补偿投资可在1-y 2年内全部收回，补偿电动机无功负荷效果更佳。第2章 无功补偿的幕本理论 2.3.2随器补偿 农网 配 电 变压器，尤其是综合用户配电变压器，普遍存在负荷轻和 “大马 拉小车”现象，在负荷低时接近空载。配电变压器的空载无功是电网无功负荷 的主要部分。对于轻负载配电变压器而言，这部分损耗占供电量的比例较大， 导致电费单价增高。随器补偿是将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二 次侧，来补偿配电变压器空载无功。随器补偿由于补在低压侧，可有效地补偿 配变空载无功，且连线简单，做到无功的就地补偿。 随器补偿只能补偿配电变压器的空载无功功率Qo，如果补偿容量QQ o 则在配电变压器接近空载时造成过补偿，因此推荐选用众=(0.95-0.98)岛。 2.3.3跟踪补偿 跟踪 补 偿 是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补 偿在大用户0.4k V母线上的补偿方式。补偿电容器组的固定连接组可起到跟随 器补偿的作用，补偿用户自身的无功基荷;可投切电容器组用于补偿无功峰荷 部分。由于用户负荷有一定的波动性，故推荐选用自动投切方式。此种装置可 较好地跟踪无功负荷变化，运行方式灵活，维护工作量小，而且该方法对电容 器的保护比前两种更可靠。 上述 三 种 补偿方式均可对特定种类无功负荷实现“就地平衡”的无功补偿， 降损节能效果好。 2.4无功补偿的控制策略 为了 实 现 配电网的安全优化运行，全国各地变电站安装了大量无功补偿装 置，但这些无功补偿设备很多并未能发挥应有的作用。一些控制原理按简单的 功率因数作为投切电容器的判断依据，不能满足实际运行需要。如负荷在低谷 时，有功功率和无功功率都较小，功率因数也很低，常有投切振荡现象发生， 影响设备的安全使用寿命。据统计，在电网负荷高峰期.近60%的电容器组未西北T业大学硕 卜研究生学位论文 基于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设汁 能投入运行，而在低谷负荷时却有近30%的电容器未能退出运行。这与电容器 组所采用的开关设备水平有关，主要原因是还未安装电压无功的自动调节装置 或是控制策略的设计不尽合理，在实际运行中未能充分发挥作用。 2.4.1基本控制策略 随着 计 算 机测控技术的迅速发展，无人值守变电站成为变电站综合自动化 的重要组成部分，电压一无功综合控制装置的研究和应用也得到了重视和发展， 先后提出了多种无功补偿的控制策略。无功补偿的控制策略大致可分为以下几 种:、单一功能的控制策略 这类 控 制 器包括:按功率因数大小控制;按母线电压曲线控制:按无功功 率变化控制:按昼夜时间段控制;按负载电流大小控制;按电压电流相位差控 制等。 二、综合控制功能的控制策略 这类控制器包括:按电压、功率因数综合控制;按电压、时间综合控制;按 电压、无功功率综合控制. 功率 因 数 控制是指根据预先设定的整定功率因数，由检测到的电网实际功 率 因 数 控 制 所 需 的 补 偿 电 容 容 量 ，电 容 器 组 投 入 后 ， 只 有 当 cos嘶。< coso < cos"-，且电压不超过允许值时，才能运行于稳定区。无功功 率控制是指根据测得的电压、电流和功率因数等参数，计算出应该投入的电容 容量，然后在电容组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式，电 容器投切一次到位。如果计算值小于最小一组电容器的容量(下限值)，则应保 持补偿状态不变。只有当所需容量大于或等于下限值时，才执行相应的投切。 从控制策略来看，采用功率因数控制直接明了，但轻载时容易产生投切震荡， 重载时又不易达到充分补偿:而采用无功功率控制，由于检测量和控制目标都 是同一物理量，技术上合理，但检测难度稍大w第2章 尤功补偿的基本理论 2.4.2改进的九域图法川 仅根 据 某 一物理量进行控制都有其不足，现阶段广泛采用多参量综合控制， 即以无功功率控制为基础，以无功功率控制避免投切振荡，电网电压上限值和 负载电流下限值作为控制电容器组投切的约束条件，实现电容器组的智能综合 控制。高效率微处理芯片的使用为实现多变量综合控制提供了可能性。比较合 理的补偿应做到最大限度地利用补偿设备提高电网的功率因数、不发生过补偿、 无投切振荡和无冲击投切。 通常 采 用 的控制方法也称为“九域图法护，即以控制器接入侧电压为主要控 制目标，以无功功率(或功率因数)为参考条件，通过界定电压和无功功率 (功 率因数)的上下限，将平面分为九个区，通过对不同的区域内控制方式的不同 规定，实现对电容器组和主变分接开关的联合控制.目前在线运行的电压无功 综合控制装置大多基于此法。 VT W Q上限 Q下限 图 2. 4投 切 区 间 图 该方 法 以 电压、无功功率两个物理量作为主要判据。根据预置的电压上、下 限值和无功上、下限值可得到如图2.4所示的投切区间图。其中2b, 4b为防止 投切振荡区，其宽度由投切一组电容器负荷侧相电压的变化量来决定。当实测无 功功率、电压处于控制区间的某一区域时，可以实施不同的控制策略，在保证不 出现过补、欠补、过压、欠压的情况下，可以一次投切多组电容器。各区间动作 情祝如下:西北工业大学硕 七研究生学位 论文 恭于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设计 I区 : 欠 压区，强投电容，使电压升高到合格区; 2a 区 : 无功欠补偿，需投入电容器; 2b 区 :防 止投入电容器后振荡，不动作或投入小容量分补电容器; 3区 : 电 压越上限，切除电容器; 4a 区 : 无功过补偿，切除电容器; 4b 区 :防 止切除电容器后振荡，不动作或切除小容量分补电容器; 5区 : 电 网无功功率、电压合格，不动作。 其次 ， 把 电压和电流的畸变度作为投切的另一判据，由于谐波对用电设备会 造成很大的损坏，如果设备本身没有防谐和抗谐波干扰的能力，可能造成已安 装无功自动补偿控制器的用户不能正常进行电容器投切，严重时甚至发生设备 损坏。因此在投切前还应检测电压和电流的谐波是否超过额定限制，如果超过 则闭锁系统，这样就可以避免谐波对电容器设备的危害川。 2.5无功补偿中谐波的危害与抑制 由于 逐 步 开发与推广电力电子技术的应用，电力电子装置作为一个谐波源 带来的公害问题已引起高度重视。目前使用较多的电力电子装置从电网输入的 电流或由逆变器输出的电压都不是纯正弦波，它们均不同程度地向所连接的电 网输送谐波电流。谐波电流与对应频率的电网阻抗产生的谐波电压降，造成电 网电压波形畸变。 对于 补 偿 用电力电容器而言，高次谐波电流在通过电容器回路时，有可能 引起串联谐振或并联谐振现象，引起过热损坏、振动、闪络等事故;对于空气 开关等