畢業(yè)論文--基于晶閘管投切電容器(tsc)的無功補(bǔ)償研究

1、<p>　　基于晶閘管投切電容器（TSC）的無功補(bǔ)償研究</p><p><b>　　作    者：</b></p><p><b>　　專    業(yè)：</b></p><p><b>　　班    級(jí)：</

2、b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)老師：</b></p><p>　　2013年4月20日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 課題

3、討論</b></p><p><b>　　1.1 選題背景</b></p><p><b>　　1.2 研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　1.3 無功補(bǔ)償?shù)暮侠砼渲迷瓌t和目前無功補(bǔ)償?shù)牟蛔?lt;/p><p>　　1.3.1 無功補(bǔ)償?shù)暮侠砼渲迷瓌t</p><p>

4、;　　1.3.2 目前無功補(bǔ)償?shù)牟蛔?lt;/p><p>　　1.4 本文研究的主要內(nèi)容以及工作：</p><p><b>　　1.5 意義</b></p><p>　　第2章TSC型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器的原理</p><p>　　2.1 無功功率補(bǔ)償?shù)母攀?lt;/p><p>　　2.1.1 無功功率補(bǔ)償?shù)脑?/p>

5、理</p><p>　　2.1.2 低壓無功功率補(bǔ)償?shù)姆诸?lt;/p><p>　　2.2 TSC型無功補(bǔ)償器的原理</p><p>　　2.2.1 SVC的定義及分類</p><p>　　2.2.2 TSC（晶閘管投切電容器）的基本原理</p><p>　　2.2.3 投入時(shí)刻的選取</p><p&g

6、t;<b>　　第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 主電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 電容器的接線方式</p><p>　　3.3.2 電容器的分組方式</p><p>　　3.3.3 電容器投切單元</p><p><b>　　3.2 實(shí)現(xiàn)方案</b

7、></p><p><b>　　3.3 實(shí)驗(yàn)步驟</b></p><p><b>　　3.3.1 接線</b></p><p>　　3.3.2 調(diào)試步驟</p><p><b>　　3.4 波形圖</b></p><p><b>　　3.

8、5 數(shù)據(jù)記錄</b></p><p><b>　　3.6 結(jié)果分析</b></p><p>　　第4章 基于NISTLAB的控制器系統(tǒng)仿真</p><p><b>　　4.1仿真軟件介紹</b></p><p>　　4.2 仿真模型的建立</p><p>　　4.

9、3 仿真結(jié)果及其分析</p><p><b>　　4.4 本章小結(jié)</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　基于晶閘管投切電容器（TSC）的無功補(bǔ)償研究</p><p>　　電氣

10、工程及其自動(dòng)化(專升本)專業(yè)  </p><p>　　摘要：沖擊性負(fù)荷大量接入電網(wǎng)，引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變、三相供電不平衡以及電壓電流波形畸變等，造成電網(wǎng)電能質(zhì)量的嚴(yán)重惡化。針對(duì)電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償裝置發(fā)展的現(xiàn)狀，本文研究設(shè)計(jì)了一種基于晶閘管的ＴＳＣ型無功補(bǔ)償裝置控制器。該裝置以實(shí)時(shí)檢測(cè)為依據(jù)，以低壓網(wǎng)為最佳補(bǔ)償對(duì)象。</p><p>　　本文主要研究了無功補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)性能

11、的改善，無功補(bǔ)償控制器的控制算法，以及控制器的軟硬件設(shè)計(jì)。算法采用模糊控制，以電壓無功及瞬時(shí)的電容器狀態(tài)為輸入，通過模糊推理得到電容器的最佳投切量和延時(shí)時(shí)間?？刂破鞯暮诵男酒捎茫裕晒镜模裕停樱常玻埃疲玻福保?，它具有比其它單片機(jī)控制運(yùn)算速度高，實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。采用晶閘管與接觸器相結(jié)合控制投切電容器，實(shí)現(xiàn)了電容器快速、無弧、無振蕩。</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)該裝置具有的功能，本文在選擇了芯片的基礎(chǔ)上還設(shè)計(jì)了一

12、些外圍設(shè)備的硬件電路，它們包括采樣、計(jì)算、顯示、通訊電路等。還設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的控制程序，給出了控制軟件的結(jié)構(gòu)框圖。最后又對(duì)系統(tǒng)建模，并用ＭＡＴＬＡＢ對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，由補(bǔ)償前后的仿真波形圖證明了此控制器的有效性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：TSC 無功補(bǔ)償 </p><p><b>　　第1章 課題討論</b></p><p><b&g

13、t;　　1.1 選題背景</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,各種新型的自動(dòng)、快速無功補(bǔ)償裝置相繼出現(xiàn),晶閘管投切電容器(TSC)就是一種廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。</p><p>　　與機(jī)械投切電容器相比,晶閘管的開、關(guān)無觸點(diǎn),其操作壽命幾乎是無限的,而且晶閘管的投切時(shí)刻可以精確控制,可以快速無沖擊地將電容器接入電網(wǎng),大大減少了投切

14、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 0.01～0.02S。TSC 能快速跟蹤沖擊負(fù)荷的突變,隨時(shí)保持最佳饋電功率因數(shù),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償,減小電壓波動(dòng),提高電能質(zhì)量,節(jié)約電能。另外,TSC 雖然不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率,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)。若輸出無功功率需要連續(xù)調(diào)節(jié),或者要求能提供感性無功的情況下，TSC 常與 TCR 配合使用。隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)能源需求提出了越來越高的要求。同時(shí)，為適應(yīng)國家可持續(xù)發(fā)展的

15、戰(zhàn)略要求，提高能源利用率，降低生產(chǎn)成本受到企業(yè)的高度重視。電力是我國主要的二次能源。隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電力線路、電力變壓器以及用戶的用電設(shè)備，構(gòu)成了電力系統(tǒng)中先天性存在的大量的無功負(fù)荷。系統(tǒng)運(yùn)行中，大量的無功功率嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)，增大了線路的電壓損失和電能損耗，嚴(yán)重影響著能源、制造等相關(guān)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　無功功率對(duì)供電系統(tǒng)和負(fù)荷的運(yùn)行都是十分重要的。在電力系統(tǒng)中，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元

16、件和負(fù)載都要消耗無功功率。網(wǎng)絡(luò)元件和負(fù)載所需要的無功功率必須從網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)地方獲得。顯然，這些所需要的無功功率如果要由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過長(zhǎng)距離的輸送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應(yīng)是在需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功率，即對(duì)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。</p><p>　　在當(dāng)今的電力系統(tǒng)中，感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)和變壓器作為傳統(tǒng)的主要的負(fù)荷使電網(wǎng)產(chǎn)生感性無功電流；同時(shí)，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率變流、變頻等電力

17、電子裝置在電力系統(tǒng)中得以廣泛的應(yīng)用，這些裝置大多數(shù)功率因數(shù)很低，導(dǎo)致電網(wǎng)中出現(xiàn)大量的無功電流。無功電流產(chǎn)生無功功率，給電網(wǎng)帶來額外的負(fù)擔(dān)且影響供電質(zhì)量。因此，無功補(bǔ)償就成為保持電網(wǎng)質(zhì)量運(yùn)行的一種主要手段之一。</p><p>　　目前，世界各國都將無功補(bǔ)償作為電網(wǎng)規(guī)劃必不可少的一部分。然而，我國和世界上的發(fā)達(dá)國家（美國、日本）相比，無論從電網(wǎng)功率因數(shù)還是補(bǔ)償深度來看，都有較大的差距。目前，美國、日本等發(fā)達(dá)國家補(bǔ)償

18、度達(dá)0.5以上，電網(wǎng)功率因數(shù)接近1.0，而我國補(bǔ)償度僅為0.45。我國的電網(wǎng)，特別是廣大農(nóng)村電網(wǎng)，普遍存在功率因數(shù)低，電網(wǎng)損耗較大的情況。導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因就是眾多的感性負(fù)載用電設(shè)備設(shè)計(jì)落后，導(dǎo)致功率因數(shù)低，電壓低。</p><p>　　目前，全國范圍內(nèi)的配電網(wǎng)改造正在全面展開，解決目前電網(wǎng)尤其是低壓城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)有功功率損耗大、壓降大的最切實(shí)可行的辦法就是采用高性能的無功功率補(bǔ)償裝置，就地補(bǔ)償負(fù)載的感性無功功率，

19、減少無功功率在線路上的傳輸，降低配電設(shè)備上的有功功率損耗和電壓降落，提高輸配電能力。</p><p><b>　　1.2 研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　由于晶閘管投切電容器具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償性能,近年來該技術(shù)在低壓配電網(wǎng)中得到了迅速的推廣應(yīng)用。該技術(shù)在以下幾個(gè)方面的發(fā)展動(dòng)向值得注意:</p><p>　　(1)提高 TSC 產(chǎn)品

20、可靠性,降低其成本產(chǎn)品的可靠性是其賴以生存和發(fā)展的首要條件。TSC產(chǎn)品集強(qiáng)電(晶閘管、電容器等)與弱電(微處理器、存儲(chǔ)器等)于一體,它們之間的電磁干擾非常嚴(yán)重。合理選擇電子器件及設(shè)計(jì)控制器電路,合理選擇檢測(cè)物理量和控制算法,進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性和抗干擾能力,減小投切的振蕩,降低產(chǎn)品成本,提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力是今后的一個(gè)研究方向。主電路中采用晶閘管閥,過零檢測(cè)電路采用光耦,存在邏輯觸發(fā)電路比較復(fù)雜、可靠性低的問題。筆者用過零固態(tài)繼電器作為

21、TSC 裝置的開關(guān)元件來解決這一問題,得了滿意的效果。</p><p>　　(2)無功參量的快速檢測(cè)及控制新方法快速準(zhǔn)確地檢測(cè)系統(tǒng)的無功參數(shù),是 TSC 進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)那疤釛l件。雖然目前提出了一些檢測(cè)方法,但對(duì)于三相不平衡系統(tǒng)、存在諧波的系統(tǒng)的無功功率的定義及無功參數(shù)的測(cè)量還值得研究。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)和智能.控制理論的發(fā)展,一些先進(jìn)的控制方法引入 TSC 控制,提高其智能控制水平也是一項(xiàng)非常有意義的工作

22、。</p><p>　　(3)研制兼具補(bǔ)償無功和抑制諧波的多功能產(chǎn)品隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的推廣應(yīng)用,供電系統(tǒng)或負(fù)荷中含有大量諧波。研制開發(fā)兼有 TSC 與電力濾波器雙重優(yōu)點(diǎn)的晶閘管開關(guān)濾波器,將成為改善系統(tǒng)功率因數(shù)、抑制諧波、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、改善電能質(zhì)量的有效手段。</p><p>　　(4)高壓系統(tǒng)中的 TSC 技術(shù)由于受到晶閘管耐壓水平的限制,目前用于高壓系統(tǒng)的 TSC

23、是通過變壓器降壓接入的,如用于電氣化鐵道牽引變電所中的 TSC。研制直接接入高壓電網(wǎng)(如10kV)進(jìn)行高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置具有重要意義。該方式的關(guān)鍵問題是要解決補(bǔ)償裝置晶閘管和二極管的耐壓,即多個(gè)晶閘管元件串聯(lián)及均壓、觸發(fā)控制的同步性等。</p><p>　　隨著電力系統(tǒng)中非線性用電設(shè)備，尤其是電力電子裝置日益廣泛的應(yīng)用，電力系統(tǒng)中的諧波污染問題也越來越嚴(yán)重，而大多數(shù)電力電子裝置功率因數(shù)較低，也給電網(wǎng)帶來額外的

24、負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重的影響供電質(zhì)量。因此諧波問題和無功功率問題對(duì)電力系統(tǒng)和電力用戶都是十分重要的問題，諧波抑制和無功功率補(bǔ)償已經(jīng)成為電力電子技術(shù)和電力系統(tǒng)等領(lǐng)域所面臨的一個(gè)重大的課題，引起越來越多人的關(guān)注，成為近年來各方面關(guān)注的熱點(diǎn)之一。</p><p>　　解決電力電子裝置產(chǎn)生的諧波污染和低功率因數(shù)問題不外乎兩個(gè)途徑：一種是裝設(shè)補(bǔ)償裝置，如有源濾波器、無功功率補(bǔ)償器等，設(shè)法對(duì)諧波進(jìn)行抑制和對(duì)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償；另一種是對(duì)電

25、力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波同時(shí)也不消耗無功功率，或根據(jù)需要對(duì)其無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中后一種措施需要對(duì)現(xiàn)有的電力電子設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模的改造和更新，其代價(jià)巨大，并且只適用于作為主要的諧波源的電力電子裝置，因此，有一定的局限性。相比較而言，前一種措施則適合用于各種諧波源和所有低功率因數(shù)的設(shè)備，實(shí)施起來方法簡(jiǎn)單，已經(jīng)得到應(yīng)用，并且應(yīng)用前景十分廣闊。</p><p>　　傳統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償裝置主要為同步調(diào)相機(jī)和并

26、聯(lián)電容器。同步調(diào)相機(jī)是早期無功補(bǔ)償裝置的典型代表。同步調(diào)相機(jī)不僅能補(bǔ)償固定的無功功率，對(duì)變化的無功功率也能進(jìn)行動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。至今在無功補(bǔ)償領(lǐng)域中這種裝置還在使用，而且隨著控制技術(shù)的進(jìn)步，其控制性能還有所改善。但是它屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運(yùn)行中的損耗和噪聲都比較大，目前仍有使用，但在技術(shù)上已顯落后。由于實(shí)際中遇到的大多數(shù)的是感性負(fù)載，所以后來多采用低成本的電容器進(jìn)行并聯(lián)作為無功補(bǔ)償裝置。電容補(bǔ)償可以根據(jù)系統(tǒng)所需無功的多少，由控制系統(tǒng)自動(dòng)的投切補(bǔ)償電

27、容，因此是一種性能較為優(yōu)越的無功補(bǔ)償方法。然而，由于容量的恒定，系統(tǒng)無功變化時(shí)，電容器的投切只能是有級(jí)的，難免出現(xiàn)過欠補(bǔ)償，不能動(dòng)態(tài)的跟蹤系統(tǒng)所需無功功率的變化。同時(shí)一般需要串聯(lián)電抗器，為限制裝置投入時(shí)的涌流，抑制高次諧波的影響。但是因?yàn)橄到y(tǒng)中有諧波，有可能發(fā)生并聯(lián)諧振，使諧波放大。</p><p>　　但是這兩種補(bǔ)償裝置目前在我國仍是主要的補(bǔ)償方式。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，相控技術(shù)、脈寬調(diào)

28、制等技術(shù)被引入到電力系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)控制技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)一柔性交流輸電系統(tǒng)，其本質(zhì)就是將高壓大功率的電力電子技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，以增強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)的控制能力，提高原有電力系統(tǒng)的輸電能力。其多個(gè)類型都具有諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)哪芰?。靜止無功補(bǔ)償器是它的一個(gè)類型，靜止無功補(bǔ)償技術(shù)是20世紀(jì)70年代以后發(fā)展起來的，是指用不同的靜止開關(guān)投切電容器或是電抗器，使其具有發(fā)出和吸收無功電流的能力，用于提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和穩(wěn)定系統(tǒng)

29、電壓等。</p><p>　　目前這種開關(guān)主要是交流接觸器和電力電子開關(guān)。但是用接觸器來投切會(huì)出現(xiàn)巨</p><p>　　大的沖擊涌流，而且閉合時(shí)觸頭顫動(dòng)導(dǎo)致電弧燒損嚴(yán)重，現(xiàn)在靜止無功補(bǔ)償器一般專指使用晶閘管的無功補(bǔ)償設(shè)備。品閘管投切電容器(TSC)和晶閘管控制電抗器（TCR）是其典型代表。</p><p>　　TSC補(bǔ)償器可以很好的補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功功率，如果級(jí)數(shù)

30、分的夠細(xì)，基本上可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)，TCR是用來吸收系統(tǒng)的無功功率的。瑞士勃朗?鮑威利公司已造出此種補(bǔ)償器用于高壓輸電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償。此外，SVC還包括TSC+TCR混合型補(bǔ)償器，我國平頂山至武漢鳳凰山500KV變電站引用進(jìn)口的無功補(bǔ)償設(shè)備就是TSC+TCR型。目前國內(nèi)外對(duì)SVC的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家系統(tǒng)等智能控制手段也被引入SVC控制系統(tǒng)，使SVC系統(tǒng)的性能更加提高。</p><p&

31、gt;　　世界上已投入運(yùn)行的輸電用SVC系統(tǒng)大約150套，我國運(yùn)行于500KV輸電系統(tǒng)的也有5臺(tái)，型式為TSC+TCR或是TCR_MSC，均為進(jìn)口設(shè)備，國內(nèi)工業(yè)應(yīng)用的TCR裝置大約有20套，其中一小半為國產(chǎn)設(shè)備，低壓380KV供電系統(tǒng)有各類TSC型國產(chǎn)無功補(bǔ)償設(shè)備在運(yùn)行，但至今仍沒有一套國產(chǎn)的SVC在我國的輸變電系統(tǒng)運(yùn)行。</p><p>　　目前國內(nèi)外對(duì)TSC的建模、控制模式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和不對(duì)稱控制等做了很多的研

32、究，但是目前還有很多的理論和實(shí)際運(yùn)用的問題尚待解決。而且其控制復(fù)雜，所用的全控器件價(jià)格昂貴，所以目前還沒有普及，尤其在我國，大功率電力電子器件目前基本依賴進(jìn)口，成本太高，根據(jù)我國國情，此類裝置的實(shí)用需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。而在低壓無功補(bǔ)償中要求裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于安裝和維護(hù)，因此，TSC和TCR裝置適合于無功就地補(bǔ)償?shù)膹V泛應(yīng)用。但SVG具有調(diào)節(jié)速度更快且不需要大容量的電容、電感等儲(chǔ)能元件，諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)越性必將使其成為未來

33、的無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向。美國電力研究院還提出統(tǒng)一潮流控制器，集并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、移相等多種功能于一身，造價(jià)非常高，控制復(fù)雜，目前僅美國lnez變電站安裝了這一裝置.</p><p>　　1.3 無功補(bǔ)償?shù)暮侠砼渲迷瓌t和目前無功補(bǔ)償?shù)牟蛔?lt;/p><p>　　1.3.1 無功補(bǔ)償?shù)暮侠砼渲迷瓌t</p><p>　　在目前國內(nèi)電力系統(tǒng)中，各級(jí)網(wǎng)絡(luò)和輸配電設(shè)備都要消耗

34、一定的無功功率．尤其以配電網(wǎng)所占的比例最大．為了使電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及用戶的正常用電，首先要減少線路中大量無功功率的流動(dòng)，也就是使用戶的無功負(fù)荷和電網(wǎng)無功損失就地供應(yīng)。有些發(fā)達(dá)國家要求做到配電線路基本不送無功負(fù)荷，cosφ達(dá)到0.95-0.99，在低谷時(shí)cosφ達(dá)到1，就地解決用戶和配電變壓器以及線路上消耗的無功功率。為了最大限度的減少無功功率的傳輸損耗，提高設(shè)備效率，對(duì)配電網(wǎng)無功補(bǔ)償應(yīng)按照就地平衡的原則進(jìn)行。</p>&l

35、t;p>　　首先，總體平衡和局部平衡相結(jié)合。如果無功補(bǔ)償不合理，造成局部地區(qū)的無功電力不能就地平衡，可能會(huì)使一些線路的無功電力偏多，電壓偏高，過剩的無功電力要向外輸出；還可能會(huì)使一些線路的無功不足，電壓下降，必然要向系統(tǒng)索取無功電力。這些情況都會(huì)造成不同分區(qū)之間的無功功率的長(zhǎng)途輸送，造成電網(wǎng)的功率損耗和電能損耗的增加。因此，在補(bǔ)償過程中，在總體平衡的基礎(chǔ)上，研究局部的補(bǔ)償方案，才能達(dá)到較好的效果。</p><p

36、>　　其次，電力部門補(bǔ)償和用戶補(bǔ)償相結(jié)合。在城鄉(xiāng)電網(wǎng)中，用戶消耗的無功功率約占50%；在工業(yè)電網(wǎng)中，用戶消耗的無功功率約占60%；其余的無功功率消耗在電網(wǎng)中。因此，為了減少無功功率在電網(wǎng)中的傳輸，要盡可能實(shí)現(xiàn)無功就地補(bǔ)償，就地平衡無功，必須由電力部門與用戶共同進(jìn)行補(bǔ)償。忽略任何一方的作用，都會(huì)使電網(wǎng)無功電力平衡失調(diào)。</p><p>　　第三，采取分散補(bǔ)償與集中補(bǔ)償相結(jié)合，以分散為主的原則。變電站的集中補(bǔ)償

37、，主要是補(bǔ)償主變壓器本身的無功損耗以及減少變電站以上線路傳輸?shù)臒o功功率，從而降低供電線路的無功損耗，而不能降低配電網(wǎng)絡(luò)的無功損耗。用戶所需要的無功功率仍需要通過配電線路向負(fù)荷輸送，為了有效的降低損耗，必須進(jìn)行分散補(bǔ)償。由于配電網(wǎng)的線損耗占總損耗的70%左右，因而應(yīng)該以分散補(bǔ)償為主。</p><p>　　第四，降損與調(diào)壓相結(jié)合。以降損為主。利用晶閘管控制并聯(lián)電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償，其主要目的是為了達(dá)到無功功率的就地平

38、衡，減少網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗，降低線損。同時(shí)，也可以對(duì)電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。</p><p>　　1.3.2 目前無功補(bǔ)償?shù)牟蛔?lt;/p><p>　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前，國內(nèi)典型的城鄉(xiāng)配電網(wǎng)無功損耗情況如下所示；按電壓等級(jí)分，0.4KV級(jí)損耗占50%，10KV級(jí)損耗占20%，35KV以上損耗占30%。在農(nóng)村，長(zhǎng)距離供電較為普遍，10KV線路損耗較大；在城網(wǎng)中，配網(wǎng)的損耗主要在0.4KV側(cè)。因此，做好1

39、0KV等級(jí)電壓以下的無功補(bǔ)償具有重要意義。</p><p>　　近年來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無功補(bǔ)償已經(jīng)取得了很大的成就，無功補(bǔ)償裝置已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)新的階段。然而，許多電網(wǎng)仍存在補(bǔ)償不足，調(diào)節(jié)手段落后，電壓偏低，損耗增大等問題。</p><p>　　負(fù)荷無功補(bǔ)償主要有以下的問題：</p><p>　　(1)無功補(bǔ)償容量的不足。在供電方面，公用變壓器在全國大中小城

40、市中大量存在，而且伴隨著一戶一表等城網(wǎng)改造的開展，還會(huì)大量增加。由于資金匱乏及重視程度不夠，公用變壓器區(qū)內(nèi)無功補(bǔ)償容量嚴(yán)重的不足，有功損耗大，功用變壓器的利用率不高。在用戶方面，由于公用變壓器區(qū)內(nèi)低壓用戶很多，供電企業(yè)管理不便，低壓用戶感性負(fù)荷很大。由于各用戶沒有統(tǒng)一的無功功率補(bǔ)償，造成補(bǔ)償不合理，效果不明顯；而且，在高峰時(shí)，從電網(wǎng)接收無功過多，低谷時(shí)，往往向系統(tǒng)倒送無功。</p><p>　　(2)無功補(bǔ)償裝置

41、落后。在無功補(bǔ)償裝置上，大量的裝置采用采集任選一相的無功信號(hào)或是一相電流另兩相電壓得出的無功信號(hào)并以此作為投切容量的依據(jù)，但這種方式只適用于以三相動(dòng)力為主的配電區(qū)，它可能會(huì)對(duì)非采樣相造成過補(bǔ)或是欠補(bǔ)。在投切容量的確定方面，往往以功率因數(shù)為參考，電容器分組投切，當(dāng)功率因數(shù)滯后時(shí)，則投入一組電容器；當(dāng)功率因數(shù)過高或超前時(shí)，則切除一組電容器；按步投切電容器，無功補(bǔ)償?shù)木炔桓?。這些裝置常因?yàn)殡娙萜魅萘考?jí)差大而投切精度低或是頻繁投切。</

42、p><p>　　(3)集中補(bǔ)償占大多數(shù)。集中補(bǔ)償只能減少裝設(shè)點(diǎn)以上線路和變壓器因輸送無功功率所產(chǎn)生的損耗，而不能減少用戶內(nèi)部通過配電線路向用電設(shè)備輸送無功功率所造成的有功損耗。由于用戶內(nèi)部的無功損耗沒有減少，所以降損節(jié)電效果必然受到限制。負(fù)荷所需的無功功率，仍然需要通過線路供給，依然產(chǎn)生有功損耗。</p><p>　　1.4 本文研究的主要內(nèi)容以及工作：</p><p>

43、;<b>　　本文作了如下工作：</b></p><p>　　1．分析了無功補(bǔ)償裝置的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，無功補(bǔ)償裝置的合理配置，還分析了目前無功補(bǔ)償?shù)牟蛔恪?lt;/p><p>　　2．首先介紹了無功補(bǔ)償?shù)母拍睿缓蠼榻B了本論文研究的TSC型無功補(bǔ)償?shù)脑硪约胺诸?。最后介紹了TSC型補(bǔ)償裝置的主電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　3．用控制器的核心，增加

44、一些外圍電路，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試和編程的特點(diǎn)。最后建立系統(tǒng)的建模，運(yùn)用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果說明此控制器設(shè)計(jì)的有效性.</p><p><b>　　1.5 意義</b></p><p>　　晶閘管投切電容器裝置具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償性能,特別適合于沖擊性負(fù)荷及經(jīng)常波動(dòng)性負(fù)荷的場(chǎng)所,對(duì)提高配電系統(tǒng)的功率因數(shù),穩(wěn)定系統(tǒng)電壓,降低能耗,具有重要的作用。隨著

45、電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是電力電子器件價(jià)格的下降,晶閘管投切電容器技術(shù)更值是進(jìn)一步深入研究和大力推廣應(yīng)用。</p><p>　　第2章 TSC型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器的原理</p><p>　　2.1 無功功率補(bǔ)償?shù)母攀?lt;/p><p>　　2.1.1 無功功率補(bǔ)償?shù)脑?lt;/p><p>　　電力網(wǎng)中的變壓器和電動(dòng)機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理做成的。磁場(chǎng)

46、所具有的磁場(chǎng)能是由電源提供的。電動(dòng)機(jī)和變壓器在能量轉(zhuǎn)化過程中建立交變磁場(chǎng)，在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率就稱為感性無功功率。接在交流電網(wǎng)中的電容器，在一個(gè)周期內(nèi)上半周期的充電功率和下半周期的放電功率相等，這種充電功率稱為容性無功功率。所以無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，通過電力網(wǎng)往返于電源和電感、電容之間。無功功率在電力網(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，降低電壓質(zhì)量，增加電

47、網(wǎng)的線損耗。因此要對(duì)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。</p><p>　　將電容器和電感并聯(lián)在同一電路中，電感吸收能量時(shí)，正好電容器釋放能量，而電感放出能量時(shí)，電容器卻在吸收能量。能量就在它們之間交換，即感性負(fù)荷（電動(dòng)機(jī)、變壓器等）所吸收的無功功率，可由電容器所輸出的無功功率中得到補(bǔ)償。因此，把由電容器組成的裝置稱為無功補(bǔ)償裝置。此外，調(diào)相機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)等也可以作為無功補(bǔ)償裝置。</p><p>　　無

48、功補(bǔ)償?shù)淖饔煤驮砜捎上聢D2.1來解釋：</p><p>　　設(shè)電感性負(fù)荷需要從電源吸收的無功功率為Q，裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置后，補(bǔ)償無功功率為Q，使電源輸出的無功功率減少為Ql＝Q-Qc，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)1000千伏安的變壓器，當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)為0.7時(shí)，可供700千瓦的有功負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷的功

49、率因數(shù)提高到0.9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。</p><p>　　可見，因采用無功補(bǔ)償措施后，電源輸送的無功功率減少了，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。</p><p>　　由電壓損耗公式（2-1）</p><p>　　可知，采用無功補(bǔ)償措施后，因通過電力網(wǎng)

50、的無功功率的減少，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。</p><p>　　并聯(lián)電容器的無功補(bǔ)償作用和原理，也可以由圖2.2來解釋</p><p>　　圖中的用電負(fù)荷總電流，可以分解成為有功電流分量和無功電流分量（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Ic和Iq方向相反，故可抵消一部分Iq，使電感性電流分量Iq降低為Iq’＝Iq-Ic，總電流I降為I’，功率

51、因數(shù)也由cosφ提高到cosφ’。這時(shí)，負(fù)荷所需的無功功率全部由補(bǔ)償電容供給，電網(wǎng)只需供給有功功率。</p><p>　　根據(jù)有功電流Ir（t）與無功電流以Tx（t）的定義，還可以用圖2.3來解釋電力系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償?shù)淖饔煤驮怼?lt;/p><p>　　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純有功電流Ir（t），則</p><p>　　需要在負(fù)荷端接入一

52、個(gè)無功補(bǔ)償器，補(bǔ)償提供的電流為Ｕ(ｔ），則</p><p>　　這里的Ic（t）就是無功電流Ix（t），這就是電力系統(tǒng)中進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)囊c(diǎn)。這是完全的補(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</p><p>　　能量最小的電流，因而在線路上造成的損失是最小的。此時(shí)Ir（t）的波形和Ｕ（ｔ）</p><p>　　相同，即電壓和電流相位相同。

53、</p><p>　　2.1.2 低壓無功功率補(bǔ)償?shù)姆诸?lt;/p><p>　　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?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。</p><p>　　低壓無功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是實(shí)現(xiàn)

54、無功的就地平衡，通常采用的方式由以下三種：</p><p>　　隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償。</p><p>　　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)生自激過電壓，補(bǔ)償容量一般不大于電機(jī)

55、的空載無功。</p><p>　　隨器補(bǔ)償就是將低壓電容器通過低壓保險(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功是電網(wǎng)無功負(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)償配變空載無功，且連線簡(jiǎn)單，做到無功就地補(bǔ)償。</p><p>　　跟蹤補(bǔ)償是指以

56、無功補(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０．４ＫＶ母線上的補(bǔ)償方式。補(bǔ)償電容器組的固定連接組可起至Ⅱ相當(dāng)于隨器補(bǔ)償?shù)淖饔茫a(bǔ)償用戶的固定無功基荷；可投切電容器組用于補(bǔ)償無功峰荷部分。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。</p><p>　　以上三種補(bǔ)償方式都可以對(duì)特定種類的無功負(fù)荷實(shí)現(xiàn)“就地平衡”的無功補(bǔ)償，降損節(jié)能效果更好。</p>

57、;<p>　　2.2 TSC型無功補(bǔ)償器的原理</p><p>　　2.2.1 SVC的定義及分類</p><p>　　SVC專指使用晶閘管的靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，包括晶閘管相控電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC），以及這兩者的混合裝置（TCR+TSC），或者TCR與固定電容器或機(jī)械投切電容混合使用的裝置。</p><p>　　下圖2.4所示

58、SVC的不同配置類型，其中晶閘管控制變壓器是TCR裝置的一種變型。</p><p>　　表2.1列出了各種靜止無功補(bǔ)償裝置的簡(jiǎn)要對(duì)比。通過比較我們可以看出反映時(shí)間短（5ms～10ms），運(yùn)行可靠，分相調(diào)節(jié)，能平衡有功和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，而且TSC還有很大的靈活性，占地面積相對(duì)小，產(chǎn)生的高次諧波和噪聲較小。相對(duì)于無功發(fā)生器SVG來說控制簡(jiǎn)單、開發(fā)時(shí)間短、成本低。TSC型SVC可以有效治理閃變，減小諧波電流，更具實(shí)用

59、價(jià)值。</p><p>　　2.2.2 TSC（晶閘管投切電容器）的基本原理</p><p>　　TSC（晶閘管投切電容器）的基本原理如圖2.5所示。其中2.5a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)斷開的作用，而并聯(lián)的小電感只是用來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。因此，當(dāng)電容器投入時(shí)，TSC的電壓一電流特性就是該電

60、容的伏安特性，即如圖2.5c中所示。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)的吸收容性無功功率的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器。當(dāng)TSC用于三相電路時(shí)，可以是Δ連接，也可以是Y連接。每一相都可以設(shè)計(jì)成如圖2.5b所示的那樣分組投切。</p><p>　　電容器分組的具體方法比較的靈活，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

61、以及經(jīng)濟(jì)性問題，可以采用二進(jìn)制的方案，即采用k-1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)。</p><p>　　2.2.3 投入時(shí)刻的選取</p><p>　　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，</p><p>　　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

62、，當(dāng)加在電容上的電壓階躍變化時(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)生一沖擊電流，很可能損壞晶閘管或給電源帶來高頻振蕩等不利影響。</p><p>　　一般來講，希望電容器預(yù)充電電壓為電源電壓的峰值，而且將晶閘管的觸發(fā)</p><p>　　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:</p><p><b>

63、;　　ic=C</b></p><p>　　得出如果在導(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）的變化率才會(huì)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)投入過程不但不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，而且電流也沒有階躍變化。這就是所謂的理想投入時(shí)刻。圖2.6以簡(jiǎn)單的電路原理圖和投切時(shí)的波形對(duì)

64、此作了說明。</p><p><b>　　第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 主電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.1 電容器的接線方式</p><p>　　電容器接線方式的不同，決定了補(bǔ)償方式的不同。目前電容器組的接線方式有3種，分別是三角形接法（Δ接法）、星形接法（Y接法）、三角形和星形相結(jié)合接

65、法（Δ-Y接法）。</p><p>　　(1)三角形接線還可以根據(jù)控制開關(guān)的不同分為圖3.1所示的四種。其中(a)圖中無觸點(diǎn)投切開關(guān)是由兩只反并聯(lián)的晶閘管組成的。當(dāng)晶閘管為正向電壓時(shí)，且門極上有觸發(fā)信號(hào)，晶閘管導(dǎo)通，電容器投入；去掉觸發(fā)脈沖信號(hào)后，電流過零時(shí)，晶閘管截止，電容器切除。當(dāng)晶閘管重投時(shí)，需要考慮電容器的殘壓，當(dāng)系統(tǒng)電壓和電容器殘壓相等時(shí)（允許有一個(gè)小范圍的差值），就是晶閘管的投入觸發(fā)點(diǎn)。否則，由于系統(tǒng)

66、電壓和電容器殘壓的差值太大，觸發(fā)晶閘管時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，會(huì)直接損壞晶閘管。為了確定觸發(fā)合適時(shí)刻，需要預(yù)先測(cè)量電容器的電壓，但是這通常很難做到。因此，我們可以選擇脈沖序列作為晶閘管的觸發(fā)信號(hào)。還可以每次觸發(fā)晶閘管時(shí)，選擇其承受反壓的時(shí)刻作為觸發(fā)脈沖序列的開始，這樣當(dāng)晶閘管由反向轉(zhuǎn)為正向偏置時(shí)就自動(dòng)進(jìn)入平穩(wěn)導(dǎo)通的狀態(tài)，這樣也解決了電容器殘壓測(cè)量的問題。</p><p>　　(b)方案省去了一相晶閘管。為了提高

67、運(yùn)行的可靠性，防止電容器和晶閘管損壞，晶閘管投入時(shí)必須經(jīng)過過零檢測(cè)，也就是只有晶閘管兩端的電壓接近零時(shí)才允許晶閘管被觸發(fā)。當(dāng)晶閘管的電壓過大時(shí)，晶閘管的觸發(fā)信號(hào)就會(huì)被閉鎖。(c)方案與(a)方案不同的就是，(a)方案是三角形內(nèi)控接線，而(c)方案屬于三角形外控接線方式。</p><p><b>　　圖3.1</b></p><p>　?。?）上圖（d）-(f)屬于星型

68、接線方式。采用圖（d）接線方案，晶閘管電壓定額可以降低，但是電流定額增大了。電容器電壓降低會(huì)提高其單位價(jià)格，同時(shí)投切時(shí)會(huì)產(chǎn)生短時(shí)不平衡中線電流。圖(e)采用無中線星行連接方式，電容器組可以隨便的選擇。但是由于沒有中線電位固定作用，晶閘管承受的最大電壓和圖(a)相同，但是相同容量條件下，流經(jīng)晶閘管的電流卻比圖(a)大。圖(f)是省去了一相晶閘管的星行連接圖。這種接法電容器殘余電壓不固定，晶閘管承受的電壓和圖(a)相同。三相電容器可以任意選

69、取，但是需要零電壓觸發(fā)電路。星形接線不會(huì)造成無功過補(bǔ)，但是裝置造價(jià)要比三角形接線高的多，控制也相當(dāng)復(fù)雜。適用于各相負(fù)荷相差較大，其功率因數(shù)值也有較大差別的場(chǎng)合。</p><p>　　(3)三角形和星行相結(jié)合接線方案如圖3.2所示。這種接線方式的補(bǔ)償裝置。運(yùn)行靈活，成套價(jià)格也低于單一的Y接線方案，但是要高于△接線方案。</p><p><b>　　圖3.2</b><

70、;/p><p>　　由以上分析可以看到，三角形和星行相結(jié)合的接線方式雖然不會(huì)造成無功過補(bǔ)，但是這兩種控制復(fù)雜而且電容器的造價(jià)也比較的高。星行接線控制也比較復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)也比較的高，而三角形接線方式簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)便宜，考慮本設(shè)計(jì)是應(yīng)用于低壓系統(tǒng)，因此我們選用外控三角形接線方式。</p><p>　　3.1.2 電容器的分組方式</p><p>　　電容器的分組方式有等容分

71、組方式和不等容分組方式。等容分組方式是指各組電容器的容量相等，優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，缺點(diǎn)是補(bǔ)償級(jí)差大，要想獲得較小的補(bǔ)償級(jí)差，必須增加分組組數(shù)，相應(yīng)的控制設(shè)備及所占空間也需要增加。不等容分組方式是指各分組電容器的容量不相等，其優(yōu)點(diǎn)是利用較少的分組就可以獲得較小的級(jí)差，缺點(diǎn)是控制比較復(fù)雜。</p><p>　　當(dāng)采用晶閘管控制電容器補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，由于輸出不能連續(xù)調(diào)節(jié)，電容器分組補(bǔ)償對(duì)補(bǔ)償效果有明顯的影響。為了使電容

72、器的壽命更長(zhǎng)，就要減少電容器的投切次數(shù)。既要使設(shè)備達(dá)到較高的補(bǔ)償精度，又要避免過補(bǔ)償，所以我們應(yīng)該選用不等容分組的方式。共補(bǔ)部分容量可按１：２：４比例配置，如有三組電容器，就可以組合成七級(jí)容量的電容值進(jìn)行投切；分補(bǔ)容量可按系統(tǒng)的實(shí)際需求配置，作為共補(bǔ)部分的補(bǔ)充和微調(diào)。</p><p>　　3.1.3 電容器投切單元</p><p>　　電容器的接線方式及其投切開關(guān)的不同組成了不同的主電路結(jié)

73、構(gòu)。早期使用交流接觸器投切開關(guān)，它的缺點(diǎn)是開關(guān)工作頻率低，不可能快速跟蹤無功負(fù)荷的變化，常常造成過補(bǔ)或是欠補(bǔ)：接觸器三觸頭只能一起進(jìn)行通斷控制，不能分別選擇各相的投切角，因此每次投切電容器組時(shí)都會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊電流，對(duì)電網(wǎng)造成干擾，而且容易燒損接觸器觸頭，縮短電容器的使用壽命。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，晶閘管已經(jīng)大量的代替了接觸開關(guān)。但是單獨(dú)的使用晶閘管作為電容器的投切裝置，雖然解決了電容器投切過程中的涌流、過電壓、分段電弧等問題，但其自

74、身也存在著明顯的不足，如散熱體積大、冷卻風(fēng)扇易損壞、需外加溫控開關(guān)和觸發(fā)電路等輔助器件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。</p><p>　　因此本文采用接觸器和晶閘管相結(jié)合來控制電容器的投切問題。既充分利用了晶閘管的電壓過零投入、電流過零切除、開關(guān)無觸點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)也充分利用了接觸器觸點(diǎn)的導(dǎo)通功耗低、導(dǎo)通容量大、工作安全等特點(diǎn)。接線圖如下圖3.3所示</p><p><b>　　圖3.3</b&g

75、t;</p><p>　　當(dāng)投入電容器階段時(shí)。首先使晶閘管電子開關(guān)在電壓過零時(shí)刻導(dǎo)通，將電容器穩(wěn)定可靠的接入電網(wǎng)，維持導(dǎo)通狀態(tài)，接著使交流接觸器導(dǎo)通，使其處于同晶閘管并聯(lián)工作狀態(tài)，當(dāng)電路已經(jīng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，將晶閘管退出工作，交流接觸器就會(huì)獨(dú)立承擔(dān)電容器與電網(wǎng)的連通作用了。當(dāng)切除電容器時(shí)，首先是使晶閘管電子開關(guān)導(dǎo)通，使其處于與交流接觸器并聯(lián)工作狀態(tài)，然后使交流接觸器先斷開退出工作狀態(tài)，在短時(shí)間內(nèi)，品閘管獨(dú)立承擔(dān)

76、電容器與電網(wǎng)的連接，最后切除晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，使晶閘管在電流過零時(shí)自然關(guān)斷。</p><p>　　由下圖3.4的交流接觸器和晶閘管聯(lián)合控制開關(guān)投切瞬間電流波形可以看出：無論補(bǔ)償電容器時(shí)接入電網(wǎng)還是從電網(wǎng)中切除，晶閘管一直在承受電流的沖擊，瞬態(tài)過程結(jié)束后，交流接觸器才投入工作。所以，接觸器的主觸點(diǎn)上基本不會(huì)產(chǎn)生電弧，從而延長(zhǎng)了接觸器的使用壽命，同時(shí)也消除了電路的電弧干擾，使整個(gè)系統(tǒng)更加安全可靠的運(yùn)行。</p&

77、gt;<p><b>　　圖3.4</b></p><p>　　考慮控制調(diào)節(jié)的目標(biāo)是：電壓在合格的范圍內(nèi)，無功基本保持平衡，盡量減少調(diào)節(jié)的次數(shù)。選電壓和無功的偏差作為模糊控制器的輸入，即選擇一階控制模型。</p><p><b>　　3.2 實(shí)現(xiàn)方案</b></p><p>　　單相 TSC 的基本結(jié)構(gòu)如圖

78、3.5 所示，它由電容器 C、雙向?qū)ňчl管(或反并聯(lián)晶閘管)SW和阻抗值很小的限流電抗器 L 組成。限流電抗器的主要作用是限制晶閘管閥由于誤操作引起的浪涌電流。</p><p>　　TSC 只有兩個(gè)工作狀態(tài)，即投入和切除狀態(tài)。投入狀態(tài)下，雙向晶閘管(或反并聯(lián)晶閘管)導(dǎo)通，電容器并入線路中，TSC 向系統(tǒng)發(fā)出容性無功功率；切除狀態(tài)下，雙向晶閘管(或反并聯(lián)晶閘管)阻斷，TSC 支路不起作用，不輸出無功功率。<

79、/p><p>　　圖 3.5 單相 TSC 的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　TSC 投入的暫態(tài)過程分析:</p><p>　　TSC 的投入時(shí)機(jī)是 TSC 控制中最重要的問題之一，目標(biāo)是使晶閘管導(dǎo)通瞬間不至于引起過大的沖擊電流損壞電容，并獲得良好的過渡過程動(dòng)態(tài)，增快 TSC 的相應(yīng)速度。</p><p>　　假設(shè)母線電壓是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，即&l

80、t;/p><p>　　Us (t)=Um sin(ωt +φ)</p><p>　　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 TSC 支路的電流為：</p><p>　　i (t)=cos(ωt +φ) X c</p><p>　　式中，K==ωn/ω， LC 電路自然頻率與工頻之比；為</p><p>　　X

81、C =1/ (ωC ) X L =ωL。</p><p>　　設(shè)投入是電容上的殘壓為Uc0 ，則用拉什變換表示的 TSC 支路電壓方程為</p><p>　　U ( s) =[ Ls +1/Cs ]I(s)+Uc0/S?</p><p>　　其中 U (s) 和 I (s) 分別為端電壓和支路電流的拉什變換。以晶閘管首次觸發(fā)(即投入 TSC)的時(shí)刻作為計(jì)算時(shí)間的起點(diǎn)

82、，對(duì)應(yīng)的電壓波形中的角度是φ?。經(jīng)過簡(jiǎn)單的變化處理及逆變換后可以得到電容器上的瞬時(shí)電流為 i(t )=I1m cos(ωt +φ) -kBC [U C 0 - U m sin φ]sinωnt -I1m cosωnt 式中，ωn ==kω，是電路的自然頻率； BC =ωC ，是電容器的基波電納；I1m=UmBc ,是電流基波分量的幅值。</p><

83、;p>　　TSC 的過零投切:</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)中的 TSC 支路用反并聯(lián)晶閘管 BTA10 做為單相 TSC 的投切開關(guān)。控制反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使得 TSC 工作在投入或切除的狀態(tài)。</p><p>　　TSC 的過零投切是以晶閘管兩端電壓為零(系統(tǒng)電壓和電容器兩端電壓相等)作為投入的時(shí)機(jī)，即首次投入時(shí)，滿足Uc0 =Umsinφ，從而電容器上的瞬時(shí)電流可以表示為

84、：</p><p>　　i(t )=I1m cos(ωt +φ)+I1m sinφsinωnt-I1m cosφcosωnt</p><p>　　這種方法中，TSC 的晶閘管一旦導(dǎo)通就將始終滿足零電壓切換條件，可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行重復(fù)投切。其硬件原理圖如下：</p><p><b>　　3.3 實(shí)驗(yàn)步驟</b></p><p&

85、gt;<b>　　3.3.1 接線</b></p><p>　　圖 3.6 單相 TSC 無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)線路圖</p><p>　　本實(shí)驗(yàn) TSC 中的交流電容按 1：2：4 設(shè)置，分別為 5μF，10μF，20μF。實(shí)驗(yàn)中，可采用DSP 自動(dòng)控制和手動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)三組 TSC 的分組投切。</p><p>　　3.3.2 調(diào)試步驟</p&g

86、t;<p>　　圖3.7 單相 TSC 無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)</p><p>　　首先將 TSC 投切方式選擇為手動(dòng)，并將該方式下所有投切開關(guān)均置于斷開狀態(tài)下。轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載電感 Lf 的調(diào)節(jié)旋鈕，改變電感的感性無功，同時(shí)在上位機(jī)上觀察線路電壓電流及功率因數(shù)的變化趨勢(shì)并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表 3.1 中。</p><p>　　保持負(fù)載電阻 R 并入線路，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕將負(fù)載電感的感性無功分別置于

87、不同的功率因數(shù)情況下，手動(dòng)選擇投切的 TSC 組數(shù)，使得在沒有過補(bǔ)的情況下線路的功率因數(shù)最佳，并記錄下各個(gè)階段的線路電壓電流及功率因數(shù)并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別記錄于表 3.2、表 3.3、表3.4 中。</p><p>　　依舊保持負(fù)載電阻 R 并入線路，將 TSC 投切方式置為自動(dòng)，同時(shí)將調(diào)節(jié)旋鈕固定在某一點(diǎn)處(最大、最小處除外)，記下此時(shí)自動(dòng)投入的 TSC 組數(shù)；負(fù)載掛件上保持旋鈕位置不變，將投切方式換為手動(dòng)，依舊手

88、動(dòng)投入與自動(dòng)方式下相同的組數(shù)，觀察并記錄各數(shù)據(jù)；手動(dòng)增加或減少一組 TSC 的投入，觀察各參數(shù)的變化并記錄數(shù)據(jù)，觀察是否有過補(bǔ)現(xiàn)象出現(xiàn)，比較自動(dòng)控制下的投切組數(shù)是否為最佳組數(shù)；再調(diào)節(jié)旋鈕的位置(最大、最小出除外)，重復(fù)上述步驟并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表 3.5 中。</p><p><b>　　3.4 波形圖</b></p><p><b>　　對(duì)應(yīng)于表 3.1&

89、lt;/b></p><p><b>　　對(duì)應(yīng)于表 3.2 </b></p><p><b>　　對(duì)應(yīng)于表 3.3</b></p><p><b>　　投入一組電容</b></p><p><b>　　對(duì)應(yīng)于表 3.4</b></p>

90、<p><b>　　投入一組電容</b></p><p><b>　　3.5 數(shù)據(jù)記錄</b></p><p><b>　　表3.1：</b></p><p><b>　　表3.2</b></p><p><b>　　表3.3</

91、b></p><p><b>　　表3.4</b></p><p><b>　　表3.5</b></p><p><b>　　3.6 結(jié)果分析</b></p><p>　　投入的三組電容器的值分別為5uf，10uf，20uf，在投入電容器之前負(fù)載的功率因數(shù)分別為λ=0.3

92、，λ=0.4，λ=0.5均為感性負(fù)載。</p><p>　　以下是功率因數(shù)的分析圖表：</p><p>　　由上圖可以看出，在投入第一組電容后，功率因數(shù)不但沒有上升，還下降了；投入第二組電容后除了λ =0.3外也普遍下降；而投入第三組電容后，功率因數(shù)都上升了。</p><p>　　以下是有功功率的分析圖表</p><p>　　由上圖可以看出，

93、有功功率類似于功率因數(shù)，投入第一組電容后，下降；投入第二組電容后除了除了λ =0.3外也普遍下降；投入第三組電容后，上升了。</p><p>　　以下是無功功率的分析圖表</p><p>　　由上圖可以看出，無功功率變化不大，普遍上升，投入第一組電容后，除了λ =0.3其余都上升；投入第二組電容后普遍上升；投入第三組電容后，也都上升了。</p><p>　　綜合以上

94、的全部數(shù)據(jù)，可以得出一些結(jié)論：</p><p>　?。?）根據(jù)電流電壓的波形比較圖可以看出，在沒有投入電容器的時(shí)候，電路呈現(xiàn)感性負(fù)載，</p><p>　　則電壓超前電流，增加時(shí)超前越來越多，則感性越來越強(qiáng)。</p><p>　?。?）投入電容器時(shí)，也從電流電壓的波形比較圖可以看出，投入電容器會(huì)使電壓超前電流的幅度變小，則容性補(bǔ)償了感性的負(fù)載，最終使功率因數(shù)上升。&

95、lt;/p><p>　　第4章 基于NIATLAB的控制器系統(tǒng)仿真</p><p>　　仿真現(xiàn)在已經(jīng)成為了科研中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過仿真可以初步的驗(yàn)證思路的正確性，還可以研究各種的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。本章就是利用ＭＡＴＬＡＢ對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真。</p><p>　　4.1 仿真軟件介紹</p><p>　　MATLAB語言具有強(qiáng)大的

96、矩陣分析和運(yùn)算功能?？梢暬抡婀δ躍IMULINK是MATLAB五大通用功能之一，它是基于MATLAB語言環(huán)境下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的一個(gè)集成環(huán)境，具有模塊化、可重載、圖形化編程、可視化及可封裝等的特點(diǎn)，可大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。SIMULINK提供了豐富的模型庫供系統(tǒng)仿真使用，SIMULINK仿真工具箱還包括了專門用于電力電子、電力系統(tǒng)學(xué)科進(jìn)行仿真的電氣系統(tǒng)模塊庫。</p><p>　　電氣系統(tǒng)模塊庫

97、由以下七個(gè)子模塊庫組成：(1)電源模塊：包括直流電源模塊、交流電源模塊、交流電流源、可控電壓源和可控電流源。(2)基本元件模塊庫：包括串聯(lián)RCL負(fù)載、串聯(lián)RCL支路、并聯(lián)RCL負(fù)載、基線性變壓器、飽和變壓器、互感、斷路器、單相ｎ型集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等。(3)電力電子模塊庫：包括二極管、晶閘管、GTO、MOSFET和理想開關(guān)等。為滿足不同仿真要求并提高仿真速度還有晶閘管簡(jiǎn)化模型。(4)電機(jī)模塊庫：包括激磁裝置、水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)器、

98、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)化模型和永磁同步電動(dòng)機(jī)等。(5)連接模塊庫：包括地和中性點(diǎn)等。(6)測(cè)量模塊庫：包括電流測(cè)量和電壓濺量模塊庫。(7)附加電氣系統(tǒng)模塊庫，包括均方根測(cè)量、有功和無功功率測(cè)量、傅立葉分析、可編程定時(shí)器、同步脈沖發(fā)生器及其三相庫等。另外用戶也可根據(jù)自己的需要開發(fā)所需要的模型，并通過封裝建立通用的模型，擴(kuò)充現(xiàn)有的模型庫</p><p>　　4.2 仿真模型的建立</p><

99、p>　　如下圖4.1所示系統(tǒng)的仿真模塊包括電源、負(fù)荷、測(cè)量模塊、計(jì)算模塊、模糊控制器模塊、觸發(fā)模塊、補(bǔ)償器模塊。工作原理是首先是計(jì)算模塊通過采集電源側(cè)的電壓和電流計(jì)算出電壓、電流有效值以及有功功率和無功功率，然后在通過模糊控制器計(jì)算出應(yīng)該投入的無功量輸出投切電容器的觸發(fā)脈沖，最后就是投切電容器。觸發(fā)模塊是來觸發(fā)ＴＳＣ支路上的晶閘管的。測(cè)量模塊是用來測(cè)量電源三相電流、電壓及其序分量、電源提供的無功功率參數(shù)等的。</p>

100、<p><b>　　圖4.1</b></p><p>　　模糊控制模塊是控制器中的重要部分，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖５．２所示，它的功能是由計(jì)算得到電壓、無功量和瞬時(shí)電容器的狀態(tài)為輸入，通過模糊控制得到投切量及電容器的延時(shí)時(shí)間。</p><p><b>　　圖4.2</b></p><p>　　TCS中的仿真模型是

101、由電力電子模塊庫中的晶閘管和電氣系統(tǒng)基本模塊庫中的電容元件組成的。晶閘管的參數(shù)可以根據(jù)自己的需要而設(shè)定。</p><p>　　4.3 仿真結(jié)果及其分析</p><p>　　我們采用380V三相正弦交流電壓源，負(fù)荷采用三角形連接，補(bǔ)償電容器也選用三角形連接。以下分別對(duì)三相對(duì)稱與不對(duì)稱及其負(fù)載突變這三種情況進(jìn)行了的仿真。</p><p>　?。?）三相對(duì)稱時(shí)的仿真波形&

102、lt;/p><p>　　圖4.3所示為三相對(duì)稱時(shí)的波形圖，以其中任意相為例，可以看出負(fù)載電流中含有大量的諧波和無功分量。補(bǔ)償后的電網(wǎng)電壓和電流相位相同，只有當(dāng)負(fù)載電流突變時(shí)，電網(wǎng)電流才會(huì)出現(xiàn)峰值。</p><p><b>　　圖4.3</b></p><p>　?。?）三相不對(duì)稱時(shí)的仿真波形</p><p>　　圖4.4所示

103、為三相不對(duì)稱時(shí)的仿真圖，三相電流不對(duì)稱時(shí)含有正序電流、負(fù)序電流和零序電流，補(bǔ)償以后三相電流對(duì)稱，幅值也相等。</p><p><b>　　圖4.4</b></p><p>　?。?）三相對(duì)稱時(shí)，負(fù)載突然變化時(shí)仿真波形</p><p>　　圖4.5所示是當(dāng)負(fù)載突然發(fā)生變換時(shí)的仿真波形圖，以任意相為例，可以看出當(dāng)負(fù)載發(fā)生變換時(shí)，負(fù)載電流就會(huì)突然變大

104、。</p><p><b>　　圖4.5</b></p><p><b>　　4.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模，并用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，通過對(duì)三相對(duì)稱、三相不對(duì)稱以及負(fù)載突變這三種情況的仿真，得出補(bǔ)償前后電網(wǎng)電流變化的仿真波形圖，證明了本文設(shè)計(jì)的控制器的有效性。</p>

105、;<p><b>　　第5章 心得體會(huì)</b></p><p>　　總算做完了畢業(yè)設(shè)計(jì)，在沒有做畢業(yè)設(shè)計(jì)以前覺得畢業(yè)設(shè)計(jì)挺簡(jiǎn)單，，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)很難。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來知識(shí)還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)

106、，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。注重理論與實(shí)踐的相結(jié)合。本次課程設(shè)計(jì)，在原來實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)了電力電子技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用，通過對(duì)各功能模塊進(jìn)行詳細(xì)了解，并進(jìn)行充分的測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)了 TSC 在無功補(bǔ)償中的實(shí)現(xiàn)，功能雖然比較完善，但仍有可以改進(jìn)的地方，這要在以后的學(xué)習(xí)中，進(jìn)一步的補(bǔ)充。</p><p>　　通過這次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)我學(xué)養(yǎng)成了

107、多思考、多發(fā)問、多查資料的好習(xí)慣，并加深了對(duì)各種電子器件的了解，提高動(dòng)了動(dòng)手能力、調(diào)試程序的能力、解決問題的能力，增強(qiáng)了自學(xué)能力及對(duì)知識(shí)的融會(huì)貫通能力。通過與老師、同學(xué)的討論，通過網(wǎng)上查找資料，更加深刻的理解了晶閘管、系列芯片和各種電子器件功能的應(yīng)用，更進(jìn)一步的熟悉了有關(guān)內(nèi)容。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 李兵;基于MSP

108、430F449的磁閥式可控電抗器的控制研究[D];山東大學(xué);2005年 [2] 田新強(qiáng);基于DSP控制的磁閥式可控電抗器研究[D];湖南大學(xué);2007年</p><p>　　[3] 王成進(jìn);基于430單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償終端研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2006年</p><p>　　[4] 劉星;磁閥式可控電抗器在無功補(bǔ)償中的應(yīng)用研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2009年

109、</p><p>　　[5] 胡鵬;低壓無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D];武漢理工大學(xué);2008年</p><p>　　[6] 李紅衛(wèi);配電網(wǎng)無功補(bǔ)償技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D];中南大學(xué);2004年</p><p>　　[7] 何一浩;新型TSC動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的研究[D];清華大學(xué);2005年</p><p>　　[8] 劉海濤;磁閥式可控電

110、抗器在無功補(bǔ)償中的應(yīng)用[D];山東大學(xué);2007年</p><p>　　[9] 宋朋;基于磁閥式可控電抗器無功補(bǔ)償?shù)难芯縖D];山東大學(xué);2010年</p><p>　　[10] 漆銘鈞;供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償最優(yōu)技術(shù)與應(yīng)用[D];中南大學(xué);2002年</p><p>　　[11] 谷永剛;肖國春;裴云慶;王兆安;;晶閘管投切電容器(TSC)技術(shù)的進(jìn)展[A];第11屆全國