（电力系统及其自动化专业论文）多功能低压无功补偿装置的研究与实现.pdf

华北电力人学硕 二 学位论文 本文分析了低压无功补偿的意义及目前无功补偿装置的发展现状，比较 了 三种低压无功补偿的投切执行机构 ( 晶闸管、接触器和复合开关 )的特点及其 适用范围。以mo t o r o l a d s p 5 6 f 8 0 7为核心开发了无功补偿控制器，此装置兼白 配电监控仪作用，不仅可以就地补偿配网无功，检测配网电量信息，还可以通 过西门子公司推出的手机短信模块 t c 3 5以手机短信形式发送本地信息，远程 控制补偿 电容器，配置参数。具有灵活可靠、方便实用等特点。 木文详细分析了控制器的软硬件结构，阐述了该控制器的硬件原理及电路图 和软件框图控制器采用综合控制方式，最大限度地利用补偿设备提高电网的电 能质量 。 关键词:无功补偿，配电监控，控制器，d s p abs tract t h e me a n i n g o f l o w - v o l t a g e r e a c t i v e p o w e r c o mp e n s a t i o n r e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n d e v i c e o f t h r e e - s wi t c h e d e x e c u t i o n o r g a n a r e d i s c u s s e d i n t h i s t h e s i s . a n d t h e a c t u a l i t y o f th e c h a r a c t e r i s t i c s ofv ar c o mp e n s a t i o n ( t h y r i s t o r , a n d c o n t a c t ds p5 6 fs 0 7 i mp l e m e n t ) a n d i t s a p p l i c a t i o n a r e a c t i v e - p o w e r c o mp e n s a t i o n f i e l d a r e c o nt r ol l e r c o m p a r e d - i s d e s i g n e d . c o m p l e x s w i t c h w i t h mo t o r o l a i t a l s o h a s t h e f u n c t i o n o f d i s t r i b u t i o n p o w e r m o n i t o r . i t c a n c o m p e n s a t e r e a c t i v e p o w e r l o c a l l y , me a s u r e i n f o r m a t i o n o f e l e c t r i c p o w e r , b u t a l s o c a n s e n d i n f o r m a t i o n , c o n t r o l c o m p e n s a t i o n c a p a c i t o r t e l e c o n t r o l l y a n d c o n f i g u r e p a r a me t e r b y t c 3 5 t h a t i s a mo b i l e s ms ( s h o r t me s s a g e s ) m o d u l e t c 3 5 o f s i e m e n s c o . i t i s c h a r a c t e r i a z e d b y s i m p l e c o n s t r u c t i o n , r e l i a b i l i t y s e r v i c e . t h e t h e s i s a n a l y z e d t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e o f c o n t r o l l e r i n d e t a i l . t h e h a r d w a r e p r i n c i p a l , c i r c u i t d i a g r a m a n d s o f t w a r e f r a m e d r a w i n g o f c o n t r o l l e r w e r e e x p o u n d e d . t h e i n t e g r a t e d c o n t r o l m o d e i s a d o p t e d , t h a t c a n i m p r o v e p o w e r q u a l i t y f u r t h e s t - wu d i ( p o w e r s y s t e m a n d a u t o m a t i z a t i o n ) s u p e r v i s e d b y p r o f . z h a n g y i g o n g k e ywo r d s : r e a c t i v e p o w e r c o mp e n s a t i o n , d i s t r i b u t i o n mo n i t o r , c o n t r o l l e r , dsp 华北电力大学硕斗学位论义 、 7 1 3 0 6 4 二 t 二0口 尸n 月 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是木人在导师指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。 尽我所知， 除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含 任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均己 在文中以明确方式标明。 特此申明。 v期: 2 0 0 5 年 1 月 1 7日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力人学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保管、并向有关 部门送交学位论文的原件与复印件;学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制井保存学位 论文; 学校可允许学位论文被杏阅或借阅; 学校可以学术交流为目 的，复制赠送和交换学位 论文;同意学校可以用不同方式在不同媒体 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作 。 名 执 送鳖 牙 迹、 师 签 名 : a - 日期:2 0 0 5 年 1 月1 7日日期: zv 公犷 、2. 之 zp ， wt， /(夕 华北电力大3硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 研究背景 电网的无功状况是衡量电网运行水平的重要指标之一。随着经济的发展，电网 无功分布的不均匀性和时变性更加明显， 而人们对控制电网无功状况的要求越来越 。酉 己 电网处于电网的最末端，用户多为低压用户，大多数民用电器功率因数比较 ，且不带补偿装置，这将给电网带来很大功率负担和额外线损。补偿低压无功负 ，不但可以减轻_ l 一级电网补偿的压力，而且可以提高配电变压器的利用率，改 高低荷 善用户功率因数和电压质量，并有效降低线损，对用户和供电部门均有益。在低压 配电系统中， 采用并联电容器装置对无功功率进行集中补偿或者分散就地补偿是降 低线损、提高电网供电质量、节约电能的有效途径。 根据资料统计，输电线路、高压配电网、低压用户的三个部分的线损中，低压 用户线损最大，因此，降损节能应主要围绕低压 3 8 0 v用户进行。长期以来，我国 低压配网网架薄弱、线径小、设施老化，负荷电流大，自然功率因数低，而且结构 复杂，电压质量不易控制，无功功率靠上级电网远距离输送，不能及时了解无功潮 流变化，不能就地补偿无功功率，降低了电网的经济效益。随着我国国民经济的发 展，大量的非线性和冲击性负载接入电网，在运行时产生谐波、电压波动和闪变， 造成电网电压波形畸变，三相负荷不平衡，供电质量下降，影响电网及用户设备安 全和经济运行。因此，准确测量无功、谐波等系统参量，并合理补偿和治理就显得 尤为重要。电力部门大力推广无功就地补偿装置，其重要性是十分明显的。 为了保证电网的安全运行和了解电网运行的状况，需要对电网的各种运行参数 进行实时监测， 并能根据需要及时地将各种测量参数送往调度监控中心， 所以在目 前低压配电网中，配电监测仪得到了广泛的应用。 无功补偿器和配电监测仪两套装 置在低压配电网中并列运行，无论是在成本上还是在管理上都是问题。所以本课题 要研制一种将二者合二为一的设计方法， 使得装置在投入成本上大大降低，在管理 上更加灵活方便。 采用以d s p ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ) 为核心构成的控制检测装 置，既可实现配电监测仪的功能，又可实现无功补偿控制器的功能，很好地解决了 以上问题。 随着电力系统的发展，尤其是数字电力系统概念的提出，对调度管理决策的科 学性和电能质量提出了更高要求。最优调度、指令效果反馈等问题的解决都必然要 求对末端的电能质量和负荷情况进行监视。由于电力系统自身结构和电气特性的原 因，利用中、低压电网电力线进行载波通信十分困难，而中、低压电网分布极为广 阔，结构复杂，普遍建立光纤网或微波网在经济上又是不可行的。在这种情况下， 华北电力大3硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 研究背景 电网的无功状况是衡量电网运行水平的重要指标之一。随着经济的发展，电网 无功分布的不均匀性和时变性更加明显， 而人们对控制电网无功状况的要求越来越 。酉 己 电网处于电网的最末端，用户多为低压用户，大多数民用电器功率因数比较 ，且不带补偿装置，这将给电网带来很大功率负担和额外线损。补偿低压无功负 ，不但可以减轻_ l 一级电网补偿的压力，而且可以提高配电变压器的利用率，改 高低荷 善用户功率因数和电压质量，并有效降低线损，对用户和供电部门均有益。在低压 配电系统中， 采用并联电容器装置对无功功率进行集中补偿或者分散就地补偿是降 低线损、提高电网供电质量、节约电能的有效途径。 根据资料统计，输电线路、高压配电网、低压用户的三个部分的线损中，低压 用户线损最大，因此，降损节能应主要围绕低压 3 8 0 v用户进行。长期以来，我国 低压配网网架薄弱、线径小、设施老化，负荷电流大，自然功率因数低，而且结构 复杂，电压质量不易控制，无功功率靠上级电网远距离输送，不能及时了解无功潮 流变化，不能就地补偿无功功率，降低了电网的经济效益。随着我国国民经济的发 展，大量的非线性和冲击性负载接入电网，在运行时产生谐波、电压波动和闪变， 造成电网电压波形畸变，三相负荷不平衡，供电质量下降，影响电网及用户设备安 全和经济运行。因此，准确测量无功、谐波等系统参量，并合理补偿和治理就显得 尤为重要。电力部门大力推广无功就地补偿装置，其重要性是十分明显的。 为了保证电网的安全运行和了解电网运行的状况，需要对电网的各种运行参数 进行实时监测， 并能根据需要及时地将各种测量参数送往调度监控中心， 所以在目 前低压配电网中，配电监测仪得到了广泛的应用。 无功补偿器和配电监测仪两套装 置在低压配电网中并列运行，无论是在成本上还是在管理上都是问题。所以本课题 要研制一种将二者合二为一的设计方法， 使得装置在投入成本上大大降低，在管理 上更加灵活方便。 采用以d s p ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ) 为核心构成的控制检测装 置，既可实现配电监测仪的功能，又可实现无功补偿控制器的功能，很好地解决了 以上问题。 随着电力系统的发展，尤其是数字电力系统概念的提出，对调度管理决策的科 学性和电能质量提出了更高要求。最优调度、指令效果反馈等问题的解决都必然要 求对末端的电能质量和负荷情况进行监视。由于电力系统自身结构和电气特性的原 因，利用中、低压电网电力线进行载波通信十分困难，而中、低压电网分布极为广 阔，结构复杂，普遍建立光纤网或微波网在经济上又是不可行的。在这种情况下， 华北电力大学硕士学位论义 利用无线通信技术传递电网信息是一种符合实际和有效的解决办法。在 g s m 移动 通信系统的各项业务中，短消息业务无需建立连接，服务费用低，因此本无功补偿 装置使用基于 g s m 模块的短消息业务作为通信手段。 1 . 2 国内外无功补偿研究发展概况 早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器， 多在系统的高压侧进行集中 补偿。至今并联电容器仍是一种主要补偿方式，应用范围广泛，只是控制器在不断 的更新发展。同步补偿器的实质是同步电机，当励磁电流发生改变时，电机可随之 平滑的改变输出无功电流的大小和方向，对电力系统的稳定运行有好处。但同步补 偿器成本高，安装复杂，维护困难，使其推广使用受到限制。 晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生， 随着半导体制造技术和变流技术的 发展，新型的电力电子器件不断问世，电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的 发展契机。 无功补偿技术和电力电子技术的结合主要有以下三方面: 一是作为投切电容器 的开关。因为电力半导体开关的响应时间短 ( 微秒级) ，而且能够精确选择电容器 的投切角度，实现零电压投切，避免了涌流的产生，提高了电容器使用的可靠性和 电力系统的稳定性。并联电容器补偿装置中的输出回路就采用了该项技术。二是作 为无功功率输出的调节开关。由于电力电于器件的高开关频率，使其能够方便地控 制晶闸管等电力电子器件的导通角，从而实现无功的连续调节，快速跟踪负载无功 的变化。 t c r型无功补偿装置是其中的代表。 三是引入电力电子变流技术， 将变流 器作为无功电源来调节无功的输入和输出， 起到补偿负载无功的作用。经常用的是 静止调相机和有源滤波器。 随着电力电子技术及计算机控制技术的发展，各种新型的自动、快速无功补偿 装置相继出现，晶闸管投切电容器 ( t s c )就是一种广泛应用于配电系统的动态无 功补偿装置。与机械投切电容器相比，晶闸管的开、关无触点，其操作寿命几乎是 无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将电容器接入电 网，大大减少了投切时的冲击电流和操作困难，其动态响应时间约为0 .0 1 - - 0 . 0 2 s t s c能快速跟踪冲击负荷的突变， 随时保持最佳馈电功率因数， 实现动态无功补偿， 减小电压波动，提高电能质量，节约电能。另外， t s c虽然不能连续调节无功功 率， 但具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点。 若输出无功功率需要连续调节， 或者要求能提供感性无功的情况下， t s c常与t c r配合使用。由于晶闸管投切电 容器具有优良的动态无功功率补偿性能，近年来得到了较大的发展。 近年来，基于公共网络的通讯手段在工业远程监控中得到初步的应用。这些远 程通讯手段包括公用电话网，i n t e r n e t网络等。这些远程通讯方法具有投资少，免 华北电力大学硕士学位论义 利用无线通信技术传递电网信息是一种符合实际和有效的解决办法。在 g s m 移动 通信系统的各项业务中，短消息业务无需建立连接，服务费用低，因此本无功补偿 装置使用基于 g s m 模块的短消息业务作为通信手段。 1 . 2 国内外无功补偿研究发展概况 早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器， 多在系统的高压侧进行集中 补偿。至今并联电容器仍是一种主要补偿方式，应用范围广泛，只是控制器在不断 的更新发展。同步补偿器的实质是同步电机，当励磁电流发生改变时，电机可随之 平滑的改变输出无功电流的大小和方向，对电力系统的稳定运行有好处。但同步补 偿器成本高，安装复杂，维护困难，使其推广使用受到限制。 晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生， 随着半导体制造技术和变流技术的 发展，新型的电力电子器件不断问世，电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的 发展契机。 无功补偿技术和电力电子技术的结合主要有以下三方面: 一是作为投切电容器 的开关。因为电力半导体开关的响应时间短 ( 微秒级) ，而且能够精确选择电容器 的投切角度，实现零电压投切，避免了涌流的产生，提高了电容器使用的可靠性和 电力系统的稳定性。并联电容器补偿装置中的输出回路就采用了该项技术。二是作 为无功功率输出的调节开关。由于电力电于器件的高开关频率，使其能够方便地控 制晶闸管等电力电子器件的导通角，从而实现无功的连续调节，快速跟踪负载无功 的变化。 t c r型无功补偿装置是其中的代表。 三是引入电力电子变流技术， 将变流 器作为无功电源来调节无功的输入和输出， 起到补偿负载无功的作用。经常用的是 静止调相机和有源滤波器。 随着电力电子技术及计算机控制技术的发展，各种新型的自动、快速无功补偿 装置相继出现，晶闸管投切电容器 ( t s c )就是一种广泛应用于配电系统的动态无 功补偿装置。与机械投切电容器相比，晶闸管的开、关无触点，其操作寿命几乎是 无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将电容器接入电 网，大大减少了投切时的冲击电流和操作困难，其动态响应时间约为0 .0 1 - - 0 . 0 2 s t s c能快速跟踪冲击负荷的突变， 随时保持最佳馈电功率因数， 实现动态无功补偿， 减小电压波动，提高电能质量，节约电能。另外， t s c虽然不能连续调节无功功 率， 但具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点。 若输出无功功率需要连续调节， 或者要求能提供感性无功的情况下， t s c常与t c r配合使用。由于晶闸管投切电 容器具有优良的动态无功功率补偿性能，近年来得到了较大的发展。 近年来，基于公共网络的通讯手段在工业远程监控中得到初步的应用。这些远 程通讯手段包括公用电话网，i n t e r n e t网络等。这些远程通讯方法具有投资少，免 华北电力人学硕 七 学位论文 维护，成本低，可靠性高等特点，在 一 些对操作和监控的实时性要求不高的情况下 具有很高的性价比。但在一些场合下，如无人值守变电站，热电厂的小区热表，农 网中的一些远动开关等，应用 匕 述的有线通讯方式是很不经济的。随着手机应用资 费的不断下调及其通讯网络的不断完善，应用手机短消息 c s ms )来进行远程监控 具有很广阔的应用前景。短消息是利用 g s m 网络的控制信道而不是语音信道进行 数据的传递，用户 ( 配电监测仪)发出的短消息首先被发送到短消息中心的服务器 中，然后短信中心的服务器对所收到的短消息进行排队处理，按顺序再发送给相应 的接收用户终端 ( 短信控制机) 。短消息中心服务器为每一个用户开设一个缓冲区， 可存储 1 5 -2 5 条短消息。另外，短消息可在短消息中心服务器中保留一定的期限 短消息模块所接收的短消息被保存在s i m卡中， 普通s i m卡一般能存储2 5 条短消 息。 为了保证电压监测仪与中心管理机的数据交换， 一定要使接收机 ( 短信控制机) 可靠地与网络处于通信状态，而且在使用过程当中应及时删除已处理过的短消息， 以免由于存储区满造成短消息的丢失。在该系统中采用多点轮询的通讯方式，即管 理中心按配电监测仪地址呼叫，配电监测仪接收后， 将所需采集的数据送至中心管 理机。 1 . 3 无功补偿装置分类及其控制器存在的问题 无功补偿源在主电路回路中一般采用并联型结构， 依据电力电子技术在无功补 偿中应用的方式不同，现代无功补偿装置大致可分为以下几种类型: 一t s c c t h y r i s t o r s w i t c h e d c a p a c i t o r )型无功补偿装置。主回路如图 1 -1 所示，是由多台电力电容器并联以及由可控硅构成的执行机构组成。装置根据无功 电流的大小来决定投入电容组数。 由此可见t s c的无功调节是分级的， 它无法连续 的输出无功，这使其在使用中存在合理选择电容，给电容器适当分级的问题。但它 的优点也明显，即结构简单，控制方便，电容器利用率高，使用中不存在谐波污染 等。 a c 系统 图 1 一1 t s c简化原理图 华北电力人学硕 七 学位论文 维护，成本低，可靠性高等特点，在 一 些对操作和监控的实时性要求不高的情况下 具有很高的性价比。但在一些场合下，如无人值守变电站，热电厂的小区热表，农 网中的一些远动开关等，应用 匕 述的有线通讯方式是很不经济的。随着手机应用资 费的不断下调及其通讯网络的不断完善，应用手机短消息 c s ms )来进行远程监控 具有很广阔的应用前景。短消息是利用 g s m 网络的控制信道而不是语音信道进行 数据的传递，用户 ( 配电监测仪)发出的短消息首先被发送到短消息中心的服务器 中，然后短信中心的服务器对所收到的短消息进行排队处理，按顺序再发送给相应 的接收用户终端 ( 短信控制机) 。短消息中心服务器为每一个用户开设一个缓冲区， 可存储 1 5 -2 5 条短消息。另外，短消息可在短消息中心服务器中保留一定的期限 短消息模块所接收的短消息被保存在s i m卡中， 普通s i m卡一般能存储2 5 条短消 息。 为了保证电压监测仪与中心管理机的数据交换， 一定要使接收机 ( 短信控制机) 可靠地与网络处于通信状态，而且在使用过程当中应及时删除已处理过的短消息， 以免由于存储区满造成短消息的丢失。在该系统中采用多点轮询的通讯方式，即管 理中心按配电监测仪地址呼叫，配电监测仪接收后， 将所需采集的数据送至中心管 理机。 1 . 3 无功补偿装置分类及其控制器存在的问题 无功补偿源在主电路回路中一般采用并联型结构， 依据电力电子技术在无功补 偿中应用的方式不同，现代无功补偿装置大致可分为以下几种类型: 一t s c c t h y r i s t o r s w i t c h e d c a p a c i t o r )型无功补偿装置。主回路如图 1 -1 所示，是由多台电力电容器并联以及由可控硅构成的执行机构组成。装置根据无功 电流的大小来决定投入电容组数。 由此可见t s c的无功调节是分级的， 它无法连续 的输出无功，这使其在使用中存在合理选择电容，给电容器适当分级的问题。但它 的优点也明显，即结构简单，控制方便，电容器利用率高，使用中不存在谐波污染 等。 a c 系统 图 1 一1 t s c简化原理图 华北电力人学硕 _ 学位论交 二、f c -t c r ( f i x e d c a p a c i t o r - t h y r i s t o r c o n t r o l l e d r e a c t o r )型无功补偿装置。 其主回路如图 1 -2 所示。f c -t c r方式是用双向可控硅的相位控制，调整电抗器 的电流，从而调整无功功率的方式。当以电压零相位为基准时，调节 t c r中的可 控硅的导通角a , a 可以从 9 0 0 到 1 8 0 。 范围内变化。 补偿器的电流 1 = i c + i l ， 此电流 可随a 角的变化而变化为感性或容性， 这样就改变了f c -t c r的无功功率， 并可连 续均匀的调节。由于 t c r中除可控硅全导通或关断之外其电流都是非正弦的，所 以它是一个电流谐波源， 对电网有一定的危害。 该装置在电容和电感之间形成无功 损耗，电容利用率低并且电抗器体积较大，成本高。 图 1 一2 f c -t c r 简化原理图 三、静止调相机a s v g ( a d v a n c e d s t a t i c v a r g e n e r a t o r ) 。它由于输出电压可超 前或滞后系统电压，因此可以和系统进行有功、无功之间的交换。它可以连续调节 无功，并且能够抑制谐波，补偿特性较好。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，不便在低压电网推广使用。 目前国内外低压配电网主要使用t s c型无功补偿装置，然而它在实际应用中， 存在着以下诸多问题:( 1 )电容器的分组、接线形式和控制方式相互结合起来，形 成了诸多的补偿方案，而很多控制器不能同时适用于多种补偿方案。( 2 )由于采取 的补偿目标算法不合理， 补偿装置普遍存在投切振荡问题。如以功率因数为补偿目 标就会产生投切振荡现象。( 3 )采样方式不当，会造成无功倒送。有的控制器为了 降低成本和提高运算速度，只采样单相电压电流信号，使得当三相负载不平衡时， 很难准确测量无功功率，造成有的相过补，有的相欠补。( 4 )没有考虑到谐波对电 容器的影响，使得电容器寿命大大缩短，甚至经常被烧毁。( 5 )补偿速度慢，补偿 精度差。在采样三相电压、三相电流信号，进行f f t变换，计算出高次谐波电压、 谐波电流的情况下，单片机一般难以实现无功功率的实时检测和动态补偿，或者补 偿精度比较差。 1 . 4 本课题所做的主要工作 木文研究对象为 t s c型无功补偿装置和传统机械开关投切的低压无功补偿装 华北电力人学硕 _ 学位论交 二、f c -t c r ( f i x e d c a p a c i t o r - t h y r i s t o r c o n t r o l l e d r e a c t o r )型无功补偿装置。 其主回路如图 1 -2 所示。f c -t c r方式是用双向可控硅的相位控制，调整电抗器 的电流，从而调整无功功率的方式。当以电压零相位为基准时，调节 t c r中的可 控硅的导通角a , a 可以从 9 0 0 到 1 8 0 。 范围内变化。 补偿器的电流 1 = i c + i l ， 此电流 可随a 角的变化而变化为感性或容性， 这样就改变了f c -t c r的无功功率， 并可连 续均匀的调节。由于 t c r中除可控硅全导通或关断之外其电流都是非正弦的，所 以它是一个电流谐波源， 对电网有一定的危害。 该装置在电容和电感之间形成无功 损耗，电容利用率低并且电抗器体积较大，成本高。 图 1 一2 f c -t c r 简化原理图 三、静止调相机a s v g ( a d v a n c e d s t a t i c v a r g e n e r a t o r ) 。它由于输出电压可超 前或滞后系统电压，因此可以和系统进行有功、无功之间的交换。它可以连续调节 无功，并且能够抑制谐波，补偿特性较好。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，不便在低压电网推广使用。 目前国内外低压配电网主要使用t s c型无功补偿装置，然而它在实际应用中， 存在着以下诸多问题:( 1 )电容器的分组、接线形式和控制方式相互结合起来，形 成了诸多的补偿方案，而很多控制器不能同时适用于多种补偿方案。( 2 )由于采取 的补偿目标算法不合理， 补偿装置普遍存在投切振荡问题。如以功率因数为补偿目 标就会产生投切振荡现象。( 3 )采样方式不当，会造成无功倒送。有的控制器为了 降低成本和提高运算速度，只采样单相电压电流信号，使得当三相负载不平衡时， 很难准确测量无功功率，造成有的相过补，有的相欠补。( 4 )没有考虑到谐波对电 容器的影响，使得电容器寿命大大缩短，甚至经常被烧毁。( 5 )补偿速度慢，补偿 精度差。在采样三相电压、三相电流信号，进行f f t变换，计算出高次谐波电压、 谐波电流的情况下，单片机一般难以实现无功功率的实时检测和动态补偿，或者补 偿精度比较差。 1 . 4 本课题所做的主要工作 木文研究对象为 t s c型无功补偿装置和传统机械开关投切的低压无功补偿装 华北电力大学硕士学位论文 置。主要应用于浙江省农网系统，补偿容量相对较小。其特点主要有:d 村镇l : 农业发达，负荷性质多样，不同性质的负荷对无功补偿的要求不尽相同;2 )负荷 变动比较大，对无功补偿要求比较高;3 )农网地域广阔，了解和控制现场的无功 补偿和配电信息比较困难;4 )对成本比较敏感，要求无功补偿装置性能价格比越 高越好。 为了解决上述问题，本文所作的主要工作有以下三个方面: 一 是电容器投切执 行机构的研究，电容器投切执行机构的任务是尽量减少电容器投切涌流，把电容器 投入或者切除系统，主要有晶闸管、接触器和复合开关几种不同形式。比较几种不 同投切机构的特点，根据负荷实际需要，选择不同的投切机构。二是无功补偿控制 器的研究，准确补偿系统无功，保证电能质量。对控制器的硬件电路设计和软件底 层驱动和电容器投切控制策略进行了比较详细的分析与研究。三是通讯机构的研 究，主要利用 g s m 手机短信模块 t c 3 5 进行短信控制与通讯，对硬件、a t通讯指 令和软件处理进行了比较详细的分析与研究。 华北电力大学硕 1 : 学位论文 第二章 电容器投切执行机构的研究 并联电容器无功补偿装置的投切电容机构主要包括晶闸管、 接触器和复合开关 等几种，电容器接线形式主要包括星形和三角形，与电容器的位置配合可以形成多 种接线方式，构成三相共补，分相补偿和三相共补与分相补偿结合的补偿方式。 2 . 1无功补偿装置的系统结构 本文所设计的低压无功补偿装置系统结构如图2 -1 所示， 图中代号名称如表2 一1 所示。 负载 浅nb厂七 控制器 驱动t 1 - t 1 2 t i1 3 2ti o i i t 1 1 1 i t 1 2 一丁 图2 -1低压无功补偿装置系统结构图 本装置配合 3 0 至 3 1 5 k v a的变压器使用，补偿容量按变压器的 根据变压器容量大小对补偿箱元件型号作相应改动，适用于农网小 4 0 %左右计算 容量集 中补偿 ， 箱体做接地处理。其电容器全部采用三角形接线，装置可以在0至 1 2 0 k v a r分级补 偿系统的无功缺额。装置的控制面板上设置 “ 手动/ 自动切换”功能键，可以手动 华北电力大学硕 1 : 学位论文 第二章 电容器投切执行机构的研究 并联电容器无功补偿装置的投切电容机构主要包括晶闸管、 接触器和复合开关 等几种，电容器接线形式主要包括星形和三角形，与电容器的位置配合可以形成多 种接线方式，构成三相共补，分相补偿和三相共补与分相补偿结合的补偿方式。 2 . 1无功补偿装置的系统结构 本文所设计的低压无功补偿装置系统结构如图2 -1 所示， 图中代号名称如表2 一1 所示。 负载 浅nb厂七 控制器 驱动t 1 - t 1 2 t i1 3 2ti o i i t 1 1 1 i t 1 2 一丁 图2 -1低压无功补偿装置系统结构图 本装置配合 3 0 至 3 1 5 k v a的变压器使用，补偿容量按变压器的 根据变压器容量大小对补偿箱元件型号作相应改动，适用于农网小 4 0 %左右计算 容量集 中补偿 ， 箱体做接地处理。其电容器全部采用三角形接线，装置可以在0至 1 2 0 k v a r分级补 偿系统的无功缺额。装置的控制面板上设置 “ 手动/ 自动切换”功能键，可以手动 华北电力大学硕 二 学位论文 投切 电容器进行试验和强制投切电容器;指示灯进行运行、保护动作、告警状态、 功率因数超前滞后和投切状态显示;液晶显示器显示电压，电流、无功功率、功率 因数等运行参数;配合键盘可以进行参数设置。投切装置可以选用晶闸管和二极管 反并联的晶闸管模块、过零固态继电器 ( s s r ) .复合开关和接触器，适合不同的负 荷特点，都可以满足国家标准。 表2 -1 低压无功补偿装置元件明细表 代号原件名称 代号原件名称 q a 空气开关 c电容器 f u熔断器 p t电压互感器 ct电流互感器 t投切机构 主电路上电后，满足无功补偿条件，控制器向投切装置的发出投入控制信号， 投切装置导通，将电容器接入电网。当满足切除电容器条件，发切除信号，投切装 置将电容器从电网上切除 流互感器检测到的电压、 。电容器组的投切控制信号由控制器根据电压互感器、电 电流信号经处理、 计算、 逻辑判断后发出 位数字信号处理器 ( d s p ) mo t o r o l a d s p 5 6 f 8 0 7 为核心的控制器， 电保护电路、键盘接u电路、l c d显示电路、程序及数据存储器、 。装置采用以 1 6 硬件_上要包括掉 看门狗电路、开 关量输入输出电路等。山于 5 6 f 8 0 7本身集成了a / d转换器，包括两个 8 通道的模 拟多路转换开关、采样保持电路及 1 2 位的模数转换 a / d ，故不需要外加采样电路 ( 见 3 . 2 节 ) 。 2 . 2 执行机构主电路的接线形式分析 t s c型低压无功补偿装置的主电路是指电容器组和晶闸管 ( 或其它形式的开关 电路)开关及其附件构成的与电网直接相连接的部分电路。三相电容的接线方式无 非两种形式:y接线和接线。电容器为y接线时，电路相对简单，晶闸管升关和 ja y 相电容器串联接入电网，组成无功补偿的主电路。电容器为接线时，晶闸管开 关可以为内控制和外控制两种方式。接法只适用于三相共补电路，如果三相 负荷不平衡、三相的功率因数角和电流差异较大，t s c主电路就只能采用y接法， 以满足分相补偿的要求。但是，t s c采用接线方式，也有一定的优势:第一，可 以降低晶闸管阀的电流容量;第二，电容器电压能够保证，没有中性点引起的电压 漂移; 第三， 避免中 线电 流。 如果采用y 接法， 那么晶闸 管阀中电 流为接 法的-1 3 倍，而且在投切过程中可能有较大的中线电流，将产生较大的电压漂移，影响投入 时的准确角度，可能会产生投切冲击电流。 t s c常见的主接线方式有以下几种 以晶闸管反并联方式的晶hl管阀为例) : ( 1 )三相控制的接线方式 ( 图 2 - 2 a ) 。晶闸管阀为晶闸管反并联接线方式。 华北电力大学硕 二 学位论文 投切 电容器进行试验和强制投切电容器;指示灯进行运行、保护动作、告警状态、 功率因数超前滞后和投切状态显示;液晶显示器显示电压，电流、无功功率、功率 因数等运行参数;配合键盘可以进行参数设置。投切装置可以选用晶闸管和二极管 反并联的晶闸管模块、过零固态继电器 ( s s r ) .复合开关和接触器，适合不同的负 荷特点，都可以满足国家标准。 表2 -1 低压无功补偿装置元件明细表 代号原件名称 代号原件名称 q a 空气开关 c电容器 f u熔断器 p t电压互感器 ct电流互感器 t投切机构 主电路上电后，满足无功补偿条件，控制器向投切装置的发出投入控制信号， 投切装置导通，将电容器接入电网。当满足切除电容器条件，发切除信号，投切装 置将电容器从电网上切除 流互感器检测到的电压、 。电容器组的投切控制信号由控制器根据电压互感器、电 电流信号经处理、 计算、 逻辑判断后发出 位数字信号处理器 ( d s p ) mo t o r o l a d s p 5 6 f 8 0 7 为核心的控制器， 电保护电路、键盘接u电路、l c d显示电路、程序及数据存储器、 。装置采用以 1 6 硬件_上要包括掉 看门狗电路、开 关量输入输出电路等。山于 5 6 f 8 0 7本身集成了a / d转换器，包括两个 8 通道的模 拟多路转换开关、采样保持电路及 1 2 位的模数转换 a / d ，故不需要外加采样电路 ( 见 3 . 2 节 ) 。 2 . 2 执行机构主电路的接线形式分析 t s c型低压无功补偿装置的主电路是指电容器组和晶闸管 ( 或其它形式的开关 电路)开关及其附件构成的与电网直接相连接的部分电路。三相电容的接线方式无 非两种形式:y接线和接线。电容器为y接线时，电路相对简单，晶闸管升关和 ja y 相电容器串联接入电网，组成无功补偿的主电路。电容器为接线时，晶闸管开 关可以为内控制和外控制两种方式。接法只适用于三相共补电路，如果三相 负荷不平衡、三相的功率因数角和电流差异较大，t s c主电路就只能采用y接法， 以满足分相补偿的要求。但是，t s c采用接线方式，也有一定的优势:第一，可 以降低晶闸管阀的电流容量;第二，电容器电压能够保证，没有中性点引起的电压 漂移; 第三， 避免中 线电 流。 如果采用y 接法， 那么晶闸 管阀中电 流为接 法的-1 3 倍，而且在投切过程中可能有较大的中线电流，将产生较大的电压漂移，影响投入 时的准确角度，可能会产生投切冲击电流。 t s c常见的主接线方式有以下几种 以晶闸管反并联方式的晶hl管阀为例) : ( 1 )三相控制的接线方式 ( 图 2 - 2 a ) 。晶闸管阀为晶闸管反并联接线方式。 华北电力大学硕 1 学位论义 在晶闸管重投时，需要考虑电容器的残压，系统电压和电容器残压相等的时刻 ( 允 许有 一 个小范围差值) ，就是晶闸管阀投入的触发点。否则，由于电容器两端电压 不能突变，系统电压和电容器残压的差值较大时触发晶闸管会产生很大的冲击电 流，这一冲击会直接损坏晶闸管。 增大串联电抗器可以降低冲击电流， 或者选择大的晶闸管， 但都需要增加投资， 因此应该在控制上设法解决问题。为了确定触发的合适时刻，需要预先测量电容器 的残压，这通常不太容易做到。为解决这一问题，可选择脉冲序列作为晶闸管的触 发信 号。无论电容器残压多高，它总是小于等于电源电压幅值的。在一个周期中， 晶闸管总有处于零压或反压的时刻。每次触发晶闸管时，选择其承受反压的时刻作 为触发脉冲序列的开始， 这样当晶闸管由反向转为正向偏置时就自动进入平稳导通 状态，也就解决了电容残压测量的问题。 采用二极管与晶闸管反并联方式的晶闸管阀， 特点是每次切除电容器时，电容 电压总是保持电源电压幅值。这样，晶闸管投入时，只要脉冲序列从系统电压峰值 开始触发就可以保证平稳过渡。其缺点是第一次送电时仍会发生电流冲击。为了解 决这个问题，主回路中可设置预充电回路，给电容器预充电保持电源电压幅值。 ( 2 ) 采用两个品闸管阀实现对一组接线电容器的投切 ( 图 2 - 2 b ) 。为了提高 运行的可靠性，防止电容器和晶闸管阀损伤，晶闸管投入时有过零检测，即只有当 晶闸管两端的电压接近零时才允许该晶闸管被触发。当晶闸管两端的电压过大时， 该晶闸管的触发信号被闭锁。在晶闸管阀端电压过零点附近触发晶闸管，电流有一 个暂态过渡过程。如果电源的等值电抗和串联电抗等参数配合较为合理，则这个暂 态过程的持续时间不 长、幅值也不大，并且很快过渡到稳定状态。值得注意的是， 晶h l 管阀切除后补偿电容上的残压超过了线电压峰值 ( 可达线电压峰值的 1 .3 6 6 倍) ，这不仅对并联补偿电容器的耐压提出了更高的要求，而且对晶闸管的耐压也 提出了更高的要求。 ( 3 )采用 y n 接线方式 ( 图 2 - 2 c ) 。这种接线，晶闸管电压定额可以降低，但 电流定额增大。电容器电压降低会提高其单位价格，同时投入时会产生短时不平衡 中线电流。 ( 4 ) 采用y接线方式 ( 图2 - 2 d ) 。 这种无中性线的接法，电容器组可以选择任 何一种三相电容器。但是，由于没有中性线的电位固定作用，晶闸管承受最大电压 和图2 - 2 a 相同， 并且在相同 容量条 件下， 流过晶闸 管的电 流是图2 - 2 a 的石倍。 ( 5 ) y接线， 但没有b相晶闸管阀， 只控制a . c两相的接线方式( 图2 - 2 c ) . 由于电容器残余电压的不确定性， 与图2 - 2 d 一样， 晶闸管承受的最大电压和图 2 - 2 a 相同。这种方式可采用最普通的三相电容器组，又可少用晶闸管，但需要零电压触 发电路。 另外，由于三相电容器的封装问题， 一般不推荐三角接线方式 ( 即图 2 - 2 a 和图 华北电力大学硕十学位论文 2 - 2 b ) ，否则，需要采用单相电容器或定制三相电容器，这样就增加了电容器接线 复杂程度和造价。但是，若在低压系统 ( 4 0 0 v)中采用 y 型接线，由于电容器电 介质的强度未充分利用，低于4 0 0 v的电容器造价相当高，经济上是很不合算的。 因此，对于低压配 电网，一般采用图 2 - 2 f 所示的接线。 ( . ) b ) ( c ) ( d ) _ _ _ 匕 _ _ _ ! ( . ) f ) 图2 - 2 t s c常见的主接线方式 ( 以晶闸管反井联方式的晶闸管阀为例) 图2 - 2 f 所示为外控制接线方式 ( 晶闸管阀在电容器外) ，它与内控制接 线相比，晶闸管阀的耐压有所降低，但是电容器的耐压将升高。 本装置主电路采用的是外三相控制的接线方式口 华北电力人学硕士学位论文 2 . 3不同电容器投切执行机构的比较 电容器投切的执行机构的任务是尽量减少电容器投切涌流， 把电容器投入或者 切除，主要有晶闸管、接触器和复合开关几种不同形式， 卜 面分别说明其特点。 2 . 3 . 1 电容器投切专用接触器 这里的接触器指电容器投切专用接触器，一 般接触器适用于交流 5 0 h z ,额定 电压 3 8 0 v 、投切电容量为 7 5 k v a r 以下的无功功率补偿装置中，用来接通和分断电 容器所在电路。通过采取特殊的措施，能明显有效地抑制电容器合闸时出现涌流。 电容器投切时引起的涌流过大问题是长期困惑无功补偿行业的一大难题。 一些老产 品可能存在使用过程寿命短、质量低劣、时常烧坏接触器严重殃及配电设备、而酿 成重大的经济损失的问题。 新型产品一般能解够决老产品质量问题， 其性能特点为: a 、采用特殊设计的涌流衰减阻尼电阻，使接触器具有极好的涌流衰减和抑止 特性。 b ,辅助触点超前闭合并在主触点闭合后马上断开，减小冲击电流，使得接触 器 可 靠性提高。 c 、 平滑投切提高了无功补偿设备中各种元件的 ( 如电力电容器) 的使用寿命。 d 、高达2 5 万次的触点使用寿命。 e 、可承受由去谐电路引起的电压提升，在进行谐波抑制而加装去谐电抗器时 无需更换接触器。 f 、标准化设计，外型紧凑、体积小，导轨安装。 西门子公司的 b 4 4 0 6 6 -s 2 4 1 0 -j 2 3 0型接触器技术数据:额定绝缘电压:6 9 0 ( v ) ，容许操作频率:1 2 0( 次/ 小时) ，触点寿命:0 . 2 5( 百万次) ，线圈电压范围: 0 . 8 -5 -1 . 1 u n ( u n =2 3 0 v ) , 1 0 - 2 0 k v a r 电容器最大电流1 0 -