低压无功补偿设计毕业论文

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1、 参考资料 低压无功补偿设计毕业论文低压无功补偿设计毕业论文 目录 摘 要 0 ABSTRACT 0 目录 0 第一章 绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 无功补偿装置的发展状况 2 1 3 本课题主要研究的容 4 第二章 无功补偿的原理 5 2 1 无功补偿的原理 6 2 2 低压电网中的几种无功补偿的方式 9 2 3 确定补偿容量的几种方法 10 2 3 1 从提高功率因数需要确定补偿容量 10 2 3 2 从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量 10 2 3 3 从提高运行电压需要来确定补偿容量 11 2 4 本章小结 12 第三章 硬件设计 12 3 1 无功补偿装置的技术要求 12

2、 3 1 1 补偿控制应符合技术条件 12 3 1 2 测量精度 12 3 1 3 控制器原理 13 3 2 硬件介绍 13 参考资料 3 2 1 CPU 14 3 2 2 A D 转换器选型 17 3 2 3 看门狗 18 3 2 4 LCD 显示 20 3 3 模拟信号调理电路 21 参考资料 3 3 1 互感器信号转换及电流 电压转换电路 21 3 3 2 电压 电流采样及信号处理电路 23 3 4 输出控制电路 23 3 5 本章小结 24 第四章 软件设计 25 4 1 投切原则 25 4 2 功率因数计算 26 4 3 本章小结 28 第五章 总结与展望 29 参考文献 30 致谢

3、 31 附录 1 硬件结构图 32 附录 2 软件程序 32 参考资料 第一章 绪论 1 1 研究背景 目前 我国的电网 特别是广大的低压电网 普遍存在功率因数较 低 电网线损较大的情况 导致此现象的主要原因是众多的感性负载用 电设备设计落后 功率因数较低 比如我国的电动机消耗的电能占全部 发电量的 70 而由于设计和使用等方面的原因我国电动机的功率因数往 往较低 一般约为70 0 cos 在这种情况下 采用无功补偿节能技术 对提高电能质量和挖掘电网潜 力是十分必要的 世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分 从我国电网功率因数和补偿深度来看 我国与世界发达国家有不小差距 因此大力推广无

4、功补偿技术是非常必要的 并且从以下数据 我们也能 看出发展无功补偿所能带来的巨大经济效益 2007 年 我国年总发电量 为 32559 亿千瓦时 统计线损率为 8 77 但是这个数字没有包含相当大 的 110 千伏 35 千伏 10 千伏的输电线损及 0 38 千伏的低压电网线损 据报道 估计实际的统计线损率约为 15 即 2007 年全国年线损量约为 4800 亿千瓦时 设全国的理论线损与统计线损相一致 其中可变线损约 占理论总线损的 80 则年可变线损电量约为 3900 亿千瓦时 设当前全 国电力网总负荷的当前功率因数85 0 cos 采用无功功率补偿后 把电 力网总负荷的功率因数提高到9

5、5 0 cos 则每年可以降低线损约为 390 亿千瓦时 按 0 5 元每千瓦时计 价值约为 185 亿元 设 2007 年全国电 网的最大负荷利用小时数为 5000 小时 则电网的最大负荷约为 2 亿千瓦 当用无功功率补偿法把功率因数85 0 cos 提高到95 0 cos 全国电网 需总补偿容量约为 0 58 亿千瓦 当前无功功率补偿装置设备主要为电力 参考资料 电容器 设无功补偿设备每千瓦的平均综合造价为 50 元 则全国无功补 偿装置的总投资约为 29 亿元 应当指出 节省 240 亿千瓦时约相当于一 座 400 万千瓦火电厂的年发电量 而建一座 400 万千瓦的火电厂需综合 费用约为

6、 300 亿元 同时每年需燃烧煤约为 1200 万吨 每年产生 2 CO 2 SO等有害物质约为 600 万吨 由此可见 产生相同的电力 无功补偿的 费用约为新建电厂费用 10 而且无功补偿设备的费用仅需两个月的无功 功率补偿的将损节电费用即可全部收回 综上所述 无功补偿不仅具有如上所述的节省投资 节省电力 节 省燃煤及污染等作用 同时还可以提高电力系统设备的供电能力 改善 电压质量 减少用户电费开支 延缓用户的增容改造等作用 1 2 无功补偿装置的发展状况 近 20 年来 世界各地 包括美国 法国 意大利 英国 俄罗斯 日本等国 发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了 各国的高

7、度重视 持续了短短 72 小时的 8 14 美加大停电给美国造成了 巨大的经济损失和社会影响 这次事故提醒人们 电网运行要有足够的 无功备用容量 无功不能靠远距离传输 在电力市场环境下 必须制定 统一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安全性的角度提 供充足的无功备用 在我国也曾多次发生电压崩溃事故 如 1993 年和 1996 年南方电网的几次事故 这些事故都促使人们采取各种措施以维持 电网稳定 早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器 多用在系统的高 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

8、磁电流发生改变时 电动机可随之平滑的改变输出无功电流的大小和 参考资料 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 随着近代电力电子技术的出现和发展 无功补偿技术也随之发展 在第一个工业用晶闸管出现之前 电子半导体由于功率过小 在直流传 动 交流传动 电磁合闸 交流不间断电源和无功补偿等领域一直没有 得到应有的推广使用 晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生 并以 此为起点 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 由此引发了众多行业的变革 如交流变频调速技术的蓬勃 发展 同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展锲

9、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 1 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 PS 级 所以能够选择电容的投切角度 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 现代并联电 容器补偿装置中的输出回路就引进了该项技术 2 是作为无功输出的调节开关 由于电力电子器件的高开关频率 使其能够方便地控制电容器电流的导通角 从而实现无功的连续调节 快速跟踪负载无功的变化 静止型无功补偿器是其中的代表 3 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 由无

10、功补偿源在主电路回路中连接方式的不同 无功补偿器可分为 并联型和串联型两种结构 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 1 TSC Thyristor Switched Cpacitor 型无功补偿装置 它属于 并联型无功补偿装置 主回路如图 1 1 所示 是由多台电力电容器并联 参考资料 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 TSC 的无功调节是有级的 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 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

11、污染等 Ic U Ic1Ic2Ic3 C1 C2 C3 图 1 1 TSC 型无功补偿装置主回路 2 FC TCR Fixed capacitor Thyristor Controlled Reactor 型 无功补偿装置 它属于并联型无功补偿装置 其主回路如图 1 2 所示 FC TCR 方式是用双相可控硅的相位控制 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 TCR 中的可控硅的引 燃角 可以从 0 90到 0 180围变化 补偿器的电流 LC iii 此电流可随 角的变化而变化为感性或容性 这样就改变了 FC TCR 的无功功率 并 可连续均匀的调节 由于

12、TCR 中除可控硅全导通或关断之外器电流都是 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 参考资料 L U Ic I IL 图 1 2 FC TCR 型无功补偿器的主回路 3 静止调相机ASVC Advantage Static Var Compensator 属于串 联型补偿器 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 不便在全国推广使用 1 3 本

13、课题主要研究的容 本文研究的主要有两方面 一是无功补偿的基本理论和电网中最佳 补偿方式的探讨 首先是对无功补偿中一般问题进行分析 其次是对无 功补偿计算方案的分析 二是在传统的无功补偿装置的基础上 对其控 制器和动作执行机构进行改进 从而开发出一种智能无功补偿器 文中 对这种补偿器的控制器的硬件设计和软件设计作了较详尽的分析 参考资料 第二章 无功补偿的原理 电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工做的 磁场所具有 的磁场能是由电源供给的 电动机和变压器在能量转换过程中建立交变 磁场 在一个周期吸收的功率和释放的功率相等 这种功率称为感性无 功功率 接在交流电网中的电容器 在一个周期上半周

14、的充电功率与下 半周的放电功率相等 这种充电功率叫做容性无功功率 所以无功功率 被使用于建立磁场和静电场 它存储于电感和电容中 通过电力网往返 于电源和电感 电容之间 无功功率在电力网元件中流动 将会在电力 网元件中引起电压损耗和功率损耗 降低电网的电压质量 增加电网的 线损率 I1 S1 R X I2 S2 U2U1 图 2 1 由局部电力网的等值电路图 由局部电力网的等效电路图2 1可知 电力网中由于无功负荷而带来 的电 压损耗U 的计算公式为 参考资料 C U XQRP U XQRP XIRIUUU 22 2 22 2221 sincos 式中 C U 电网的额定电压 2 U 元件的末端

15、电压 电网中的电压和电流的差角 R X 电网中元件的等效电阻和电抗 2 P 2 Q 元件末端的有功负载和无功负载 由上式可知由负荷的无功功率 2 Q在元件引起的损耗 X U 的计算公式为 C X U XQ U 2 而由负荷的有功功率 2 P在元件中引起的电压损耗的计算公式为 C R U RP U 2 可见的元件电阻小于电抗的电网中 无功引起的电压损耗占 主要部分 电网中的线损公式如下 3 2 2 2 2 22 21 jXR U Qp jXRISSS C 式中 jQPS 11 222 jQPS 其中有功线损P 的计算公式为 2 2 2 2 2 21 C U QP PPP R 这其中由于无功功率在

16、电网中流动而引起的有功线损 Q P 的计算公式为 R U Q P C Q 2 2 2 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 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 参考资料 2 1 无功补偿的原理 将电容器和电感并连在同一电路中 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 此外 同步电动机等也可以作为无功补偿装置 无功补偿的作用和原理可由图2 2来解释 设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q 装设无功补偿装置 后 补偿无功功率为 C Q 使电源输出的无功功率减少为 C QQQ 功率 因数由 cos提高到 cos 视在功率S减少到 S 图2 2 无功补偿补偿原理示意图 视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量 降低 供用电设备的投资 例如一台1000千伏安的变压器 当负荷的功率因