电气工程及其自动化专业论文

电气工程及其自动化专业论文内容摘要：

绪论 8 该控制器能够根据测量的电网参数在低压侧自动调节供给电网无功功率的大小；测量的参数范围广，包括：电压、电流、功率因数、有功及无功功率等；具有功能强大的人机界面，选用的点阵液晶显示器可以显示当前电网的各种参数，按键可以设置控制器运行需要的各种参数，包括：电压报警上极限 /上限、电压报警下极限 /下限、所用电容器的额定容量 /额定电压、电容器共补和分补分配情况、投切电容器的时间间隔等参数；还具有数据存储等功能。 该控制器应用灵活方便，适合安装于 多种无功补偿场所，并且补偿速度快，效果好，成本低，便于推广利用。 本文的主要工作 本文主要从系统设计、控制器的软硬件设计和控制策略等几个方面讨论了基于 CS5464 芯片的无功补偿控制器设计方案，并对系统设计中的几个关键性问题进行了详细的论述，本文完成的主要工作有： (1) 介绍了无功补偿的国内外发展的现状及趋势，分析了各种类型的无功补偿装置的特点；详细介绍了无功补偿的概念及原理，以及本文所采用的 TSC 型无功补偿的原理及分类，然后介绍了 TSC 型无功补偿装置的主电路设计以及并联电容器投切开关类型及特点。 (2) 对晶闸管的串联特性进行研究，分析了晶闸管静态特性、动态特性和应用中的相关特性对器件串联使用的影响。 根据理论公式及经验值设计器件串联使用的均压电路。 通过 Pspice 软件仿真，修改器件模型中的关键参数，模拟实际应用中器件特性的分散性，通过大量的仿真分析比较，验证了均压电路的作用。 (3) 电容器无涌流投入是 TSC 关键技术之一，本文通过理论及 Matlab建模仿真分析各种情况下电容器投入的浪涌电流，确定了在晶闸管两端电压过零时刻投切电容器，简化了 电路设计，可以达到很好的效果。 为此选山 x 科技大学学士学位论文 绪论 9 用了专门的具有过零检测电路的晶闸管，确保投入时刻的准确。 针对目前无功补偿控制器多采用单片机作为主处理器，测量精度、控制精度和控制策略有限制，本控制器采用 CIRRUS LOGIC 公司的电能测量芯片 CS5464 测量电力系统参数，新华龙公司单片机 C8051F022 为主控制CPU，围绕它们设计无功补偿控制器，包括系统的硬件设计和软件设计的智能型无功补偿控制器。 (4) 针对以往的无功补偿控制器仅以电力网中功率因数为投切电容器判据的问题，介绍了目前应用较多的几种控制策略以及它们的 实现方法和特点，并详细介绍了本控制器所采用的复合控制策略以及具体的软件实现。 (5) 本装置 设计了友好的人机界面，只需按键稍许的设置，该控制器就可以方便的在多种 无功补偿场合 使用，应用灵活方便，并实现了数据存储等功能。 山 x 科技大学学士学位论文 无功补偿的相关理论 10 2 无功补偿的相关理论 无功补偿的一般概念 无功补偿的原理分析 提高系统功率因数的途径一般有：提高系统自然功率因数；安装无功补偿装置。 无功补偿的原理简单来说，就是提供负载所需要的无功功率，将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，电容器释放能量，而电感放出能量时，电容器在吸收能量，能量就在它们之间交换，即阻感性负载需要的无功功率可由电容器提供，反之，阻容性负载需要的无功功率可由电抗器提供，因此，按照负载的性质安装不同的设备可以提供负载所需要的无功功率而不再需要从电源获得，减轻了电力系统的压力，补偿原理如图 所示。 CPSS 图 无功补偿原理示意图 负载需要的无功功率 Q，装设无功补偿装置后，补偿的无功为 QC，这样电源输出的无功减少了 QC，功率因数由原来的 cos 提高到补偿后的cos ，视在功率由原来的 S减少到 S ，但有功功率并没有变化。 视在功率的减少可相应的减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供电设备的投山 x 科技大学学士学位论文 无功补偿的相关理论 11 资。 由功率损耗公式（ ）和电压损耗公式（ ）可见电源输送的无功功率的减小，使电力网和变压器的功率损耗下降，提高了供电效率，并且降低了电力网中的电压损耗，提高了供电质量 [14][15]。 S P j Q    （ ） PR QXU U （ ） 如前所述，工农业及家用等用电设备大部分是阻感负载，可看作电阻 R与电感 L串联的电路，其功率因数为 22c os ()RRL   （ ） CRLui 图 并联电容器无功补偿电路图 将 R 、 L串联电路并联接入电容 C 后，电路如图 所示。 该电路的电流方程为 C RLI I I （ ） 由补偿相量示意图 可知，并联电容后电压 U 与 I 的相位变小了，即供电回路功率因数提高了，根据补偿后的电流与电压的相位关系，分为电流滞后电压的欠补偿和电流超前电压的过补偿，过补偿的情况，会引起变压器二次电压的升高，而且阻容性无功功率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。 山 x 科技大学学士学位论文 无功补偿的相关理论 12 φUIcI RLI 图 并联电容补偿相量示意图 无功补偿的方式 无功补偿可以改善电压质量，提高功率因数，是电网采用的节能措施之一。 配电网中常用的无功补偿方式为：在系统的部分变、配电所中，在各个用户中安装无功补偿装置；在高低压配电线路中分散安装并联电容机组；在配电变压器低压侧和车间配电屏间安装并联电容器以及在单台电动机附近安装并联电容器，进行集中或分散的就地补偿。 1． 就地补偿 对于大型电机或者大功率用电设备宜装设就地补偿装置 [14]。 就地补偿是最经济、最简单以及最见效的补偿方式。 在就地补偿方式中，把电容器直接接在用电设备上，中间只加串 联 熔断器保护，用电设备投入时电容器跟 着一起投入，切除时一块切除，实现了最方便的无功自动补偿，切除时用电设备的线圈就是电容器的放电线圈。 2． 分散补偿 当各用户终端距主变较远时，宜在供电末端装设分散补偿装置，结合用户端的低压补偿，可以使线损大大降低，同时可以兼顾提升末端电压的作用。 山 x 科技大学学士学位论文 无功补偿的相关理论 13 3． 集中补偿 变电站内的无功补偿，主要是补偿主变对无功容量的需求，结合考虑供电压区内的无功潮流及配电线路和用户的无功补偿水平来确定无功补偿容量 [15]。 35KV 变电站一般按主变容量的 10%15%来确定； 110KV 变电站可按 15%20%来确定。 4． 调容方式的选择 (1)长期变动的负荷 对于建站初期负荷较小，以后负荷逐渐增大的情况，组装设无载可调容电容器组。 户外安装时可选用可调容集合式电容器；户内安装时可选用可调容柜式电容器装置。 其基本原理为将电容器按二进制方式分成二组，通过分接开关或隔离开关选择投切组合，可以实现三档容量可调。 随着负荷的改变，可以人工断电后改变投切组合满足某一时间段的无功平衡。 这种场合可以装设无功自动调容装置，该装置可以满足无人值守综合自动化的要求。 （ 2）短时段内负荷频繁变化的场合 该场合宜装可快速跟踪的瞬态无功补偿装置。 由于电容器 每次投切前必须保证电容器没有残存的电荷，而电容器放电即使通过放电线圈亦需要数秒的时间，所以高压瞬态无功补偿装置（也称 SVC）一般都是固定补偿最大容量的电容器，同时并联一组容量可调的电抗器，通过快速调整电抗器的输出无功，从而达到无功瞬态平衡的目的。 电抗器的调整技术主要有可控硅控制空心并联电抗器 [16]及直流偏磁调感两种方式，其中以前者较优，但价格较高。 这些补偿方式在电力无功补偿系统中各有利弊，如果能将这些无功补偿方式统筹考虑，合理设计布局，将可以取得更好的经济效益。 山 x 科技大学学士学位论文 无功补偿的相关理论 14 无功补偿容量的确定 确定补偿容量的方法是多种多样的，但其目的都是要提高配电网的某种运行指标。 我们来介绍几种确定补偿容量的方法 [17]。 (1) 从提高功率因数需要确定补偿容量 如果电力网最大负荷月的平均有功功率为 avP ， 补偿前的功率因数为1cos ，补偿后的功率因数为 2cos ，则补偿容量可用式（ ）计算 22121111c os c osC avQP     （ ） 若需要将功率因数1cos提高到大于 2cos ，小于 3cos ，则补偿容量可用式（ ）确定。 2 2 2 21 2 1 31 1 1 11 1 1 1c os c os c os c osav C avP Q P            （ ） (2) 从降低线损需要来确定补偿容量 线损是电力网经济运行的一项重要指标，在网络参数一定的条件下，线损与通过导线的电流的平方成正比。 经过推算，此种情况下补偿容量 CQ 是与第一种情况下是一样的。 (3) 从提高运行电压需要来确定补偿容量 在配电线路的末端，特别是重负荷、细导线的线路。 运行电压较低，加装补偿电容以后，可以提高运行电压，这就可能在补偿电容过大时产生过电压，所以要考虑选择多大的补偿电容是合理的。 在此种情况下有 2 2 2()C U U UQ x （ ） 其中， 2U ——投入电容母线电压值； x ——阻抗容性分量； 山 x 科技大学学士学位论文 无功补偿的相关理论 15 2U——变电所母线电压。 (4) 用补偿当量确定补偿容量 当采用补偿当量确定补偿容量时，可将线路分成 n段，算出每段的有功损耗值 iP ，即 32( 2 ) 1 0ri i ri ii NQ Q Q RP U （ ） 其中， iQ——第 i 段线路的补偿容量 riQ——第 i 段线路的无功功率 iR——第 i 段线路的电阻。 则 n段线路有功损耗的减少的总值为 321 ( 2 ) 1 0n ri i ri ii i NQ Q Q RP U （ ） 可得，补偿容量 iCbPQ C （ ） 其中， bC ——无功经济当量，即线路投入单位补偿量时有功损耗的减少量。 此外，还有按运行费最小、年支出费用最小确定补偿容量以及考虑负荷分布时的补偿容量等等补偿容量的确定方法，根据实现的目标不同选择不同的确定补偿容量的方法，然后应用到无功补偿器的控制策略中，才能设计出更加合理的无功补偿控制器。 TSC 型无功补偿 TSC 型无功补偿的基本理论 山 x 科技大学学士学位论文 无功补偿的相关理论 16 一个基本的 TSC（晶闸管投切电容器）是由一对反向并联的晶闸管与一个电容器和一个小电感组成，反向并联的晶闸管的作用就如同一个双向开关，如图 所示。 两个反并联晶闸管将电容器并入电网或从电网中切除，串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。 因此，当电容器投入时， TSC 的电压 —电流特性主要是电容器的伏安特性。 在工程实际应用中，一般将电容器分成几组，每组由晶闸管投切，这样通过检测电网的无功需求投切这些电容器， TSC 实际上是断续可调的吸收容性无 功功率的动态无功补偿器，它有两个工作状态，即 “投入 ”和 “断开 ”状态。 “投入 ”状态下，双向晶闸管之一导通，电容器起作用， TSC 发出容性无功功率； “断开 ”状态下，双向晶闸管均阻断， TSC 支路不起作用，不输出无功功 率 [15]。 图 TSC 的结构原理图 并联电容器投切时刻的选取 假设母线电压是标准的正弦信号 ( ) sin ( )smu t U t，投入时电容上的残压为 0CU ，认为晶闸管是一个理想的开关，则 TSC 支路电压方程用拉氏变换表示为 01( ) ( ) CUU s L s I sCs s  。