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1、天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书第一章 绪论21.1课题研究的背景及意义21.2国内外研究动态和趋势31.2.1目前无功补偿装置的不足31.2.2无功补偿装置的现状31.2.3动态无功补偿的发展趋势51.3无功补偿装置的选择61.3.1控制投切装置的选择61.3.2控制方式的选择61.4当前无功补偿装置分类101.5本章小结12第二章 动态无功补偿关键技术研究132.1无功补偿原理132.2无功算法的选择162.21公式法172.2.2移相法172.2.3积分法182.2.4基于FFT的无功功率测量法182.3晶闸管的触发原则192.4晶闸管投切电容器理论202.4.1晶闸
2、管器件及其串联技术的应用研究202.4.2晶闸管器串并联技术研究222.5本章小结24第三章 新型TSC系统的保护部分设计253.1电容器保护253.1.1过压保护253.1.2缺相保护253.1.3欠压保护253.1.4过流保护253.1.5谐波保护253.2晶闸管保护过压过流保护263.3其他保护263.3.1控制器电源单元异常263.3.2冷却系统保护263.3.3丢脉冲保护273.4本章小结27第四章 系统硬件设计284.1 DSP控制系统实现284.1.1TMS320F2812主要功能简介284.2系统基本原理和硬件总框图344.3系统功能模块354.3.1信号变换及调理模块354.
3、3.2 AD采样模块364.3.3锁相同步采样电路374.3.4电源模块384.3.5人机对话模块394.3.6通讯模块404.3.7其他辅助模块414.3.8逻辑电平转换模块434.3.9可控硅驱动模块434.3.10补偿电容器过载电流调理电路444.4系统抗干扰考虑454.4.1干扰源454.4.2抑制干扰源454.3本章小结46第五章 软件设计与实现47第六章 总结48参考文献49致 谢50第一章 绪论 1.1课题研究的背景及意义近年来，随着我国国民经济GDP(国民生产总值)的不断增长，我国的电力工业也有了长足的发展。同时电力网中的无功问题也已逐渐引起人们的广泛关注，这是由于随着电力电子
4、技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛。而大多数电力电子装置的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。同时使功率因数偏低、系统电压下降。无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。电网电压质量通常用稳定性、对称性及正弦性等指标衡量，随着现代电力电子设备力系统谐波源可以分为两大类。等非线
5、性负荷大量接入电网，使电网供电质量受到严重影响，其中各种电力电子开关器件的大量应用和负载的频繁波动是最主要的干扰源，导致了一系列不良影响。 在当今的电力系统中，感应式异步电动机和变压器作为传统的主要的负荷使电网产生感性无功电流。同时，随着现代电力电子技术的发展，大功率变流、变频等电力电子装置在电力系统中得以广泛的应用，这些装置大多数功率因数很低，导致电网中出现大量的无功电流。无功电流产生无功功率，给电网带来额外的负担且影响供电质量。因此，无功补偿就成为保证电网高质量运行的一种主要手段之一。无功补偿的作用主要有以下几点(王兆安等，2002 )(1)提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减
6、少功率损耗;(2)稳定受电端及电网的电压，提高供电质量.在长距离输电线中的合适地点设置动态无功补偿装置，还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力;(3)在电气化铁道等三相负载不对称的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相负载。 因此研究无功功率补偿对电网的安全经济运行有很重要的意义:a.解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列新的技术问题。b.促进节能。无功功率在电网中不断循环，造成很大的浪费。如果无功功率问题处理得好，不仅节约电能，还可以减少系统变压器和输变电设备容量。c.通过研究无功功率测量，掌握无功功率的经济规律。通过统计、理论分析和各项技术措施来达到经济运行的目的。d.保证电能质量，促使
7、电力系统安全运行。1.2国内外研究动态和趋势1.2.1目前无功补偿装置的不足目前，系统无功补偿主要存在以下的问题: （1）无功补偿容量的不足。在供电方面，公用变压器在全国大中小城市中大量存在，而且伴随着一户一表等城网改造的开展，还会大量增加。由于资金匾乏及重视程度不够，公用变压器区内无功补偿容量严重的不足，有功损耗大，公用变压器的利用率不高。 在用户方面，由于公用变压器区内低压用户很多，供电企业管理不便，低压用户感性负荷很大。由于各用户没有统一的无功功率补偿，造成补偿不合理，效果不明显;而且，在高峰时，从电网接收无功过多，低谷时，往往向系统送无功。（2）无功补偿装置落后。在无功补偿装置上，大量
8、的装置采用采集任选一相的无功信号或是一相电流另两相电压得出的无功信号并以此作为投切容量的依据，但这种方式只适用于以三相电为主的配电区，它可能会对非采样相造成过补或是欠补。在投切容量的确定方面，往往以功率因数为参考，电容器分组投切，当功率因数滞后时，则投入一组电容器。这些装置常因为电容器容量级差大而投切精度低或是频繁投切。（3）集中补偿占大多数。集中补偿只能减少装设点以上线路和变压器因输送无功功率所产生的损耗，而不能减少用户内部通过配电线路向用电设备输送无功功率所造成的有功损耗。由于用户内部的有功损耗没有减少，所以降损节电效果必然受到限制。负荷所需的无功功率，仍然需要通过线路供给，依然产生有功损
9、耗。1.2.2无功补偿装置的现状传统的无功功率补偿装置主要是同步调相机和并联电容器。同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态的补偿。至今在无功补偿领域中这种装置还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。但是它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，技术上己显落后。由于实际中遇到的大多数的是感性负载，所以后来多采用低成本的电容器并联作为无功补偿装置。电容补偿可以根据系统所需无功的多少，由控制系统自动地投切补偿电容，因此是一种性价比较高的无功补偿方法。目前在电力系统多采用开关投切电容器或接触器投切电容器。开关投切的电容
10、器的补偿措施的缺点是不能细调且响应慢，投切过程中会产生涌流和过电压问题。另外，接触器投切电容器较开关投切方式的响应时间短些，该种功补偿设备曾一度占领配电(1 OkV和380均市场，特别是低压配电网。但是由于它投切的随意性，并未解决投切中的暂态过程过电压造成的接触器触头燃弧烧毁，寿命极短问题。同时，接触器式补偿设备的响应时间也较大，在某些快速变化负荷的场合，可能反调，达不到动态补偿的目的。因此，广义上而言，接触器式的动态无功补偿设备并未超脱开关投切的范畴。20世纪70年代以来，同步调相机(SC Synchronous Condenser)开始逐渐被基于半控型器件晶闸管(SCR)的静止型无功补偿装
11、置(SVC)所取代。虽然在FACTS概念形成以前SVC就己存在，但由于SVC采用的阀元件也是电力电子器件，因此也把SVC归于FACTS控制器。 早期的SVC静止无功补偿装置是饱和电抗器(SR Saturated Reactor)型的，1967年英国GEC公司制成了世界上第一批该型无功补偿装置。SR比之SC具有静止、响应速度快等优点;但其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声还是很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据SVC的主流。电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将晶闸管的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台。1977年美国GE公司首次在实际
12、电力系统中运行了使用基于晶闸管的SVC; 1978年，在美国电力研究院支持下，美国西屋公司(Westinghouse Electric Corp)制造的使用基于晶闸管的SVC投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。由于使用基于晶闸管的SVC具有优良胜能，所以十多年来占据了SVC的主导地位。因此，SVC一般专指使用基于晶闸管的静止无功补偿装置。SVC是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输电系统的导纳。按控制对象和控制方式不同，可分为晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)以及两者的混合装置(TCR+TSC)，或者TCR与
13、固定电容器(FC)配合使用的静补装置(TCR+FC)等。表1.1列出了各种无功补偿装置各种性能的简要对比。通过比较我们可以看出TSC具有反映时间短，运行可靠，分相调节，能平衡有功和适用范围广等优点，而且TSC还有很大的灵活性，占地面积相对小，产生的高次谐波和噪声较小，相对于无功发生器SVG来说有控制简单、开发时间短、成本低的优势。表1.1各种无功功率动态补偿装置各种性能的简要对比Table 1.1 variety of dynamic reactive power compensation device brief comparison of various performance显示对应的拉
14、丁字符的拼音字典1.2.3动态无功补偿的发展趋势传统的无功功率补偿装置主要为同步调相机和并联电容器。同步调相机虽然能进行动态补偿，但它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，目前在现场仍有使用，但在技术上已显落后。并联电容器补偿简单经济，灵活方便，有取代同步调相机的趋势，但只能补偿固定无功，还可能与系统发生并联谐振，导致谐波放大。目前在我国仍是主要的无功补偿方式。 随着现代电力电子技术在电气传动领域的广泛应用，相控技术、脉宽调制等技术被引入到电力系统，与传统电力系统控制技术相结合，产生了近几年出现的新技术柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission System FAC
15、TS) (N G. Hingorani; 1988郑健超，1999)，其本质就是将高压大功率的电力电子技术应用于电力系统中，以增强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输电能力。FACTS的多个类型都具有谐波抑制和无功补偿能力(A.R. Messina et al, 2004 ).静止无功补偿器(Static Var Compensator-SVC)是它的一个类型，静止无功补偿技术是20世纪70年代以后发展起来的，是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有发出和吸收无功电流的能力，用于提高系统的功率因数和稳定系统电压等。目前这种开关主要是交流接触器和电力电子开关。但用接触器来投切会出现巨大的冲击涌流，而且闭合时触头颤动导致电弧烧损严重，现在静止无功补偿器一般专指使用晶闸管的无功补偿设备。晶闸管投切电容器(Thyristor Swith Capacitor-TSC)和晶闸管控制电抗器( Thyristor Control Reactor-TCR)是其典型代表。TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得够细，基本上可以实现无级调节，瑞典某钢厂的两台100t电弧炉安装6
