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1、第一章 绪论1.1 选题的背景与意义近年来，世界各国由于电压崩溃引起的大面积停电故障引起了各地的强烈反响1。8.14的美加大停电持续了长达72小时，给美国造成了十分重大的经济损失与社会反响，这次事故人们深深意识到电网运行要有足够的无功容量，对于无功容量来讲，无法以远距离传输为依托。就当前电力市场的情况来看，建立统一的规范制度是十分必要的，借助于统一的规定，对发电商和运营商形成激励机制，使其能够以保障系统稳定、安全运行进行考虑，对整个系统输送足够的无功备用。在90年代，由于我国在此方面的技术相对较为落后，出现了多次电压事故。在每次事故中，都导致我国经济严重损失，同时还对正常生产活动、民众生活等造
2、成不同程度的影响。由此可见，电网安全与民生、社会和谐发展密切相关，因此，保障电网安全运行对于维护社会和谐、保障经济稳定具有重要作用。在早期，为解决无功问题，采取的方法主要是为电网装配。应用最为广泛的装置有两种，一是，二是。通常情况下，是将装置装配于电网系统的高压一端，由此对问题进行解决。因为并联电容器的使用极为普遍，因此，至今其依然是较为常用的补偿手段。而对于同步补偿器来讲，其核心部位为同步电机，在正常工作过程中，励磁电流出现变化，电机输出的电流随之改变，以此保障系统的安全运行。但是同步补偿器成本较高，安装复杂，维护困难，使其在推广和使用环节中受到制约。 随着我国经济的迅猛发展，民众生活质量的
3、提高，用电量大幅增长，由此给电力负荷带来了新的要求。面对新的形式，电网必须进行升级和优化，而在升级的过程中，又必须重视各方面的因素，避免电力事故的出现。基于多次电压崩溃事故给人们带来的警示作用，当前，无功问题是学术界的重点研究课题，同时也是社会各界共同关注的问题。随着社会的不断发展，电能设备的增多，诸多电力电子设备在电力系统、家用电器以及交通领域中得到了广泛应用，然而，需要注意的是，对于众多电子设备来讲，其自身的功率因数较低，但是在整个系统输出的总电量中，此部分设备消耗的功率占比较大，同时当无功功率增加，电流将会增大，在此情况下，当设备损耗增加，电能损耗率提高，最终导致功率因数和系统电压降低。
4、低压动态无功补偿装置设计涵盖多个方面的内容，包括控制信号采样、软件设计等。在本次研究中，以深入剖析系统为切入点，对无功检测的内容和原理进行深入探究，并根据控制方法，制定控制方案，并以此为基础，对整体电路进行具体设计，最终完成对整个硬件系统的设计。1.2 低压无功补偿装置的发展状况为提高系统的稳定性和安全性，解决无功功率有害性问题，人们开发了多种无功补偿技术，以此实现对电力系统的优化。最常见的方式是利用同步发电机、并联电容等实现对无功功率的控制。由于它们在技术上及经济上的优点，这些装置在我国及其他发展中国家仍然被广泛的使用2。最初时，为解决无功功率补偿问题，大多采用无源形式。对于此种方法来讲，主
5、要是将具备一定容量的电容器以串联或并联的方式装配到系统的母线中。同步补偿器是一种并联补偿设备的同步机。而对于同步调相机来讲，其优点在于当系统电压出现降低的情况，可通过改变的方式实现电网电压的稳定运行。从功能层面来看，同步调相机主要是将转速得到某个程度，并与系统同步运行，以此实现功能的正常发挥。当电机同步运行后，结合实际情况的需要，调正电机的磁场，使其输出或者系统无功功率。除此功能之外，其还拥有调相的功能，然而，其弊端也尤为明显，即响应速度慢，功率损耗大，维护工作困难，且难以满足非线性负载变化的要求。静止无功补偿器可视为一个具备调节功能的并联电纳。SVC最主要的功能是能够保障端电压安全稳定的运行
6、，因此对于SVC来讲，需要根据系统变换功率不断的对自身进行调节，另外，该补偿器还可快速做出响应。传统SVC对调节系统形态和优化暂态性能发挥了积极的作用，加上该技术的日益成熟，因此，在电力系统中得到了广泛的使用。然而，由于是借助于可控硅晶闸管实现换相控制活动的正常进行，一旦出现变动，极有可能出现逆变情况，而且需要以大电感为依托，由此才能产生感性和容性无功。根据现有情况来看，不管何种补偿方式都有难以克服的弊端，因此，人们亟待新的补偿方式出现。1.2.1国外情况相对于调相机来讲，SVC是借助于电容器和电抗器实现无功补偿的设备。1967年，全球首批SVC于英国生产完成，在试用成功后，得到全球范围内的关
7、注，随后，苏联、瑞士、西德等也开始对此类设备进行研制，并在全国范围内推广使用。与调相机相比，SVC的性能更为强大。同时，SVC还能应用于多个领域，比如：铁道、冶金等，当前，SVC已经成为调整电压、限制过电压、优化系统运行条件的重要装置。依据无功的属性和补偿方式，装置可分为六种：固定容性、固定感性、可变容性、可变感性、固定容性+可变感性、可变容性+可变感性。就可变感性而言，可划分为直流励磁饱和、自饱和以及相控阀调节三种电抗器。自从高压可控被发明之后，有触点开关逐步被淘汰，为达到感性或容性无功持续可控调节奠定了技术支撑。当前，国际方面主流的形式为FC+TCR，在上世纪80年初期，TSC+TCR技术
8、开始兴起，并被作为一种新的补偿方式应用于电力系统中。在西方技术发达国家中，无功补偿主要是采用静止补偿设备和电容器两种方式，历经多年的研究和发展，国外在此方面的研究已经较为成熟，并取得了较好的效果。1.2.2国内情况1972年，武汉钢铁公司从国外引进补偿装置的相关器件，自此，拉开了国内对无功补偿研究的帷幕。就现有情况来看，国内在此方面应用最多的方式为并联电容器。在电网中，配备多个，以此实现对电压的有效调节，满足相应要求。由于多次电压崩溃事故的产生，给国内经济造成了严重损失，因此，无功补偿日益受到国内科研界的重视和关注。自70年代以来，随着国内对此方面研究深度的不断的增加，进而产生了静止无功补偿技
9、术。历经20多年的发展，该技术得到了不断优化和改进，目前已经基本成熟。从本质上来讲，该技术就是利用不同的静止开关对电容器执行投切操作，使电容器能够吸收或者向外输送无功电流，以此平衡系统功率因数、保持系统平稳、维护系统电压安全运行等。当前，此种静止开关分为两类，一是断路器，二是电力电子开关。当将断路器作为接触器时，开关时间大约为1030秒，速度相对较慢，难以满足对负载无功功率变化进行跟踪的要求，并且在执行投切电容器操作时，容易产生巨大的冲击涌流和操作过电压，由此不仅会致使接触点松动，并且还可能出现电容器内部被击穿的情况，增加维修成本和维修量。随着社会的发展，科技的进步，国内在电力方面的技术也日益
10、成熟，国内建设的电力系统的更加完善，进而又利用交流无触点开关SCR、GTO等作为开关，开关时间大幅降低，基本在一个周期内即可实现对各项参数的无功补偿，并且还支持单相调节功能。1.3 本课题研究的主要内容本文研究关于设计一种基于DSP做为主控制器的TCR型低压无功补偿装置。如表1.1所示，与其他装置相比，TSR的优势在于快速响应、分相调节、具备平衡功能功能等，并且其灵活性强、占空间小、噪声小，与SVG相比，该装置的操控更为便捷，而且成本低廉。表1.1 各种无功功率补偿装置的性能对比Table 1.1 Performance comparison of various reactive power
11、 compensation devicesTSCTCR型SVCMCR型SVCSVG吸收无功分级连续连续连续响应时间20ms20ms100ms10ms运行范围容性感性到容性感性到容性感性到容性谐波不产生谐波，受谐波影响大产生谐波，受系统谐波影响大产生大量谐波，受系统谐波影响大抑制谐波产生，受系统谐波影响小受系统阻影响大大大大损耗小大较大小分相调节能力有限可以不可以可以噪声较小小较小小体积大大较大小3第2章 TSC无功补偿的基本原理2.1 无功补偿的基本原理功率因数：电网负载电压与电流的相位存在差异，相位差的余弦值即为功率因数。功率因数和有功与视在功率比值相等，公式为： P/S=cos (2.1)
12、在正常工作过程中，功率因数越大，则表明损耗率越低，经济性更强。而要想增大因数，则需要提高功率的转化率，减少有功功率的损耗。有功功率：负载直接消耗的功率。计算公式为： P=UIcos (2.2)磁场能量是由电网供给，在此部分电器运行周期中，上半周期对功率执行吸收操作，下半周期则将功率输送出去，功率并未化为热量或者以机械能等形式从系统中发散出去，其一直以功率的形式在系统中来回转化，简单来讲，能量一直都在电网中存在，并未被消耗。根据无功功率的性质划分，可分为感性和容性两种类别。其中，前者代表电压超前电流，相位角差值为正。后者则代表电压滞后电流，为负。二者在同一端口时，彼此之间可抵消。出现此种情况的原
13、因主要是由于目前电网中负载基本都是感性，两种不同性质的无功功率彼此之间相会进行抵消，因此，仅从表面来看，感性如同电网中产生的，容性如同装置自身产生的。无功功率有： Q=UIsin (2.3)视在功率有： S=UI (2.4)有功、无功以及视在三种功率之间满足关系，因此，被称为，如图所示：图2.1 功率三角形的关系Fig.2.1 Relation of power triangle根据上图可以看出：当有功功率的数值固定不变时，角的数值越大，则功率因数cos越小。因此，当无功功率Q的数值较大时，相应的，视在功率S也就变大。2.2 低压电网无功补偿的方式在设计装置时，需要考虑多个层面的因素。就电容器
14、补偿量来讲，该因素不但和补偿前的负载状况、接线方法等存在联系，并且和使用的补偿方式也存在一定关联。依据补偿设备的安装位置，可分为三个类型：个别补偿、集中补偿以及分组补偿。三种补偿方式如图2.2所示： TM C1 C2 C3图2.2 低压无功补偿方式Fig.2.2 Low voltage reactive power compensation2.2.1个别补偿个别补偿：依据某个用电装置对无功功率的用电需求量，把低压电容器组以分散的形式和装置的供电回路进行并联，一般情况下，电容器和用电装置共同开关，如图2.2中C1所示。当电动机执行投入或者退出操作时，电容器的所有操作也将同步进行，在此情况下，电机的损耗功率可以立即被补偿，由此可有效减少电线路对外发送的功率，损耗降低效果显著。个别补偿优点：当异步电动机长时间工作时，采用此种补偿方式可大幅降低损耗，节省电能3。缺点；对于部分工作时间短、利用率低的装置，补偿电容器利用率相对较低，加上是采用逐台补偿的形式，会导致容量增大，最终达到装置投入过大。2.2.2集中补偿集
