1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 集中式无功功率补偿器的设计 -硬件电路设计 1 前言部分 （阐明课题的研究背景和意义） 我国互联电网已经进入了大电网、大机组时代，对电网质量和系统稳定的要求也日益提高，解决终端用户无功补偿设备综合控制的问题越显紧要 然而目前我国绝大部分终端用户采用传统的补偿装置，控制方式落后，无法实现远距离和总体控制的要求 提高补偿设备整体性 效率和灵活性，是工作重点 通过智能化电网建设，利用现代化通信技术，整合用户资源，实现终端的无功平衡，可有效地提高系统的功率因数，降低损耗，改善电网质量。 提高功率因数，合理地选择用电设备提高自然功率数外，广泛采用并联电容性负载的方法来补
2、偿无功功率。传统的方法是采用固定电容补偿方法，它仅使用于负载固定、无功功率相对稳定的静态用电装置；随着微机控制技术和半导体器件的发展，利用计算机对电网进行实时检测、控制，并根据无功功率的变化，自动切换补偿电容，可以准确、快速地实现动态无功补偿，达到降低消耗、改善供电质量之目的。 无功补偿技术的发展，他存在以下意义。 (1)补偿无功功率 ,可以增加电网中有功功率的比例常数 (2)减少发 ,供电设备的设计容量 ,减少投资 ,例如当功率因 数 cos=0.8 增加到 cos4=0.95时 ,装 1Kvar电容器可节省设备容量 0.52KW;反之 ,增加 0.52KW.对原有设备而言 ,相当于增大了发
3、 ,供电设备容量 .因此 ,对新建 ,改建工程 .应充分考虑无功补偿 ,便可以减少设计容量 ,从而减少投资 . (3)降低线损 ,由公式 P%=(1 -cos/cos)X100% 得出其中 cos 为补偿后的功率因数 ,cos 为补偿前的功率因数则 coscos, 所以提高功率因数后 ,线损率也下降了 .减少设计容量 ,减少投资 ,增加电网中有功功率的输送比例 ,以及降低线损都直接决定和影响着 供电企业的经济效益 .所以 ,功率因数是考核经济效益的重要指标 ,规划、实施无功补偿势在必行 . 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
4、功补偿等领域内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机。 2 主题部分 （阐明课题的国内外发展现状和发展方向，以 及对这些问题的评述） 1、 无功功率补偿技术的现状 目前，国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术。就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿 (如风机、水泵等 )，其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。下面是几种常用的补偿装置。 2.1 同
5、步调相机 早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机，多为高压侧集中补偿。同步调相机目前在现场仍有少量使用。 2.2 静止补偿装置 静止补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统 的节点电压。 静止补偿器由于其价格较低、维护简单、工作可靠，在国内仍是主流补偿装置。静止补偿器 (SVC)先后出现过不少类型，目前来看，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型和自饱和电抗器型 3种。上述第二种又可分为：固定连接电容器加可控硅控制的电抗器 (fixed capacitorthyristor controlled reacto
6、r， FC TCR)；可控硅开关操作的电容器加可控硅控 制 的 电 抗 器 (thyristor switched capacitor thyristor controlled reactor， TSC TCR)。实际上，由断路器 (电磁型交流接触器 )操作的电容器和电抗器在电网中正在大量使用，可以说这种补偿技术是静态的，因为它不能及时响应无功功率的波动。这种装置以电磁型交流接触器为投切开关，由于受电容器承受涌流能力、放电时间及电容器分级以及接触器操作频率、使用寿命等因素制约，因而无法避免以下不足： (1)补偿是有级的、定时的，因而补偿精度差，跟随性不强，不能适应负荷变化快的场合；受交流接触器
7、操作频率及寿命的限制，静态补偿装置一般均设有投切延时功能，其延时时间一般为 30s。对一般 稳定负荷，即负荷变化周期大于 30s的负荷，这类补偿装置是有效的，但对一些变化较快的负荷，如电梯、起重、电焊等，这类补偿装置就无法进行跟踪补偿。 (2)不能做到无涌流投入电容器，对于接触器加电抗器方案，增加损耗较大，对于容性接触器方案，事故率较大，对金属化电容器的使用寿命影响很大；目前，低压电力电容器以金属化自愈式电容器为主，这种电容器的引线喷金属端面对涌流承受能力有限，因此，涌流的大小及次数是影响电容器使用寿命的主要因素。 (3)运行噪声较大。 (4)由于控制部分的负载是接触器的线圈，在投切过程中，造
8、成火花 干扰，影响补偿装置的可靠性和使用寿命。 针对上述问题，基于智能控制策略的TSC补偿装置正在引起关注。 TSC的基本结构如图 1所示。事实上，如果能够进行动态无功功率补偿则能够克服以上不足。 将微处理器用于 TSC，可以完成复杂的检测和控制任务，从而使动态补偿无功功率成为可能。基于智能控制策略的 TSC 补偿装置的核心部件是控制器，由它完成无功功率 (功率因数 )的测量及分析，进而控制无触点开关的投切，同时还可完成过压、欠压、功率因数等参数的存贮和显示。因此，与断路器操作的电容器装置相比，尽管单台无触点开关的造价 比交流接触器高，但该装置仍然有以下几个特点： 无涌流，允许频繁操作； 跟踪
9、响应时间快，动态跟踪时间 0.02 2s(可调 )； 采用编码循环式投切电容器，可均匀使用电容器，从而延长整个装置的使用寿命； 具有各种保护功能，如过压保护、缺相保护及谐波分量超限保护等。 2.3 静止无功发生器 静止无功发生器 (static var generator， SVG)又称静止同步补偿器(STATCOM)，是采用 GTO 构成的自换相变流器，通过电压电源逆变技术提供超前和滞后的无功，进行无功补偿。与 SVC相比，其 调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小，同容量占地面积小，在系统欠压条件下无功调节能力强。 SVG 的等效电路如图 2 所示。其中，变压器与补偿
10、器可看作逆变器电路。从电力系统一侧来观察，我们可以把逆变器电路看成是一个产生基波和谐波电压的交流电压源，控制补偿器基波电压大小与相位来改变基波无功电流的大小与相位。当逆变器基波电压比交流电源电压高时，逆变器就会产生一个超前 (容性 )无功电流。反之，当逆变器基波电压比交流电源电压低时，则会产生一个滞后 (感性 )无功电流，因此能与系统进行有功、无功之间的 交换。若控制方法得当， SVG在补偿无功功率的同时还可以对谐波电流进行补偿。在稳态情况下， SVG的直流侧和交流侧之间没有有功功率交换，无功功率在三相之间流动，因此直流只需要较小容量的电容即可。此外， SVG装置用铜和铁较少，且有优良的补偿特
11、性，因此是新一代无功补偿装置的代表，有很大的发展前途。 2、无功补偿的原理 电网输出的功率包括两部分 ;一是有功功率 ;二是无功功率 .直接消耗电能 ,把电能转变为机械能 ,热能 ,化学能或声能 ,利用这些能作功 ,这部分功率称为有功功率 ;不消耗电能 ;只是把电能转换为另一种形式的能 ,这种能 作为电气设备能够作功的必备条件 ,并且 ,这种能是在电网中与电能进行周期性转换 ,这部分功率称为无功功率 ,如电磁元件建立磁场占用的电能 ,电容器建立电场所占的电能 .电流在电感元件中作功时 ,电流超前于电压 90 .而电流在电容元件中作功时 ,电流滞后电压 90 .在同一电路中 ,电感电流与电容电流
12、方向相反 ,互差 180 .如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件 ,使两者的电流相互抵消 ,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小 ,从而提高电能作功的能力 ,这就是无功补偿的道理 . 3 无功功率补偿技术的发展趋势 3.1 电力有源滤波器 电 力 有 源 滤 波 器 (active power filter， APF)的基本原理如图 3所示。 电力有源滤波器的交流电路分为电压型和电流型。目前实用的装置 90以上为电压型。从与补偿对象的连接方式来看，电力有源滤波器可分为并联型和串联型。并联型中有单独使用、 LC 滤波器混合使用及注入电路方式，目前并联型占实用装置的大多数。 目前电力有源滤波器
13、仍存在一些问题，如电流中有高次谐波，单台容量低，成本较高等。随着电力半导体器件向大容量、高频化方向发展，这类既能补偿谐波又能补偿无功的装置必然有很好的发展前景。 3.2 综合潮流控制器 综合潮流控制器 (unified power flow controller， UPFC)将一个由晶闸管换流器产生的交流电压串入并叠加在输电线相电压上，使其幅值和相角皆可连续变化，从而实现线路有功和无功功率的准确调节，并可提高输送能力以及阻尼系统振荡。美国西屋电气公司研制出一种简化的 UPFC称为串联潮流控制器 (serial power flow controller， SPFC)，其基本结构和 SVG类似，
14、区别是其输出变压器串联接入输电线。 SPFC 造价明显低于 UPFC，功能可与之相比且优于 SVG。 中国电力科学研究院、东南大学、清华大学等单位也进行了理论研究和仿真实验，研究结果表明： UPFC 具有良好的效果和功能。 3 总结部分 （将全文主题进行扼要总结，提出自己的见解并对进一步的发展方向做出预测） 基于电路损耗对能源利用率的严重影响，无功功率补偿器的存在显得不可缺少。选择合理的无功补偿点以及补偿容量的确定能够有效地维持系统的电压水平 提高系统的电压稳定性，避免大量无功远距离传输，从而降低有功网损，减少发电费用。对电力用户来说，提高功率因数减少无功电能消耗对节能降耗具有十分重要的意义，
15、可获得较大的综合经济 效益。而且由于中国配电网长期以来无功缺乏造成的网损相当大，无功功率补偿是降损措施中投资少、回报高的方案。 由于性价比较高，目前我国广泛使用的还是静止补偿器 (SVC)。其中，能够进行无功功率动态补偿的基于智能控制策略的 TSC仍然需要大力推广。实际上，国内外对SVC的研究仍在继续，研究的重点集中在控制策略上，试图借助于人工智能提高SVC的性能。随着大功率电力电子器件技术的高速发展，未来的功率器件容量将逐步提高，应用有源滤波器进行谐波抑制，以及应用柔性交流输电系统技术进行无功功率补偿，必将成为今后电力自动化系统的发 展方向。 4 参考文献 1 李东 . 浅谈低压无功补偿装置
16、在配电网中的应用 , 2010/17 . 2 陈号林 . 无功功率补偿技 术的应用 . 2010/04 3 钱建平 . 功率因数与无功补偿 . 低压电器 . 1995 4 邱关源 1 电路 M 1 北京 : 人民教育出版社 , 1982 5山东省科学技术协会主编 1 家用电器的原理与维修 M 1 北京 : 中国青年出版社 , 1991 6华中工学院电工基础教研室编 1 电路实验指导书 M 1 北京 :高等教育出版社 , 1983 7王兆安 1 谐波抑制和无功功率补偿 M 1 北京 : 机械工业出版社 , 1998 8张友德 1 单片微型机原理、应用与实验 M 1 上海 : 复旦大 学出版社 ,
17、 19921218 234 9 白振书 无功功率补偿技术特性的应用 2010/07 10 柳宏伟 无功补偿技术 在电气自动化中的应用 2010/24 11Miu, K.N., and Chiang, H.D.: Capacitor placement replacement and control in large-scale distribution systems by a GA-based two stage algorithms , IEEE Trans., 1997, PWRS-12, (3), pp. 1160 1166 12 Berizzi, A., and Bovo, C.: The use of genetic algorithms for the localization and sizing of passive filters . Proc. 9th Int. Conf. Harmonics and Quality of Power,2000, Vol. 1, pp. 19 25 13黄宇淇，孙卓，姜新建，等 .FBD 法及复合控制在有源滤波器中的应用 J.电力系统自动化， 2006， 30（ 7）： 65-68. 14孙卓 .电气化铁路新型电能质量调节器的研究 D.北京：清华大 学， 2004. 15 李晓峰 就地无功补偿的综合效益分析 2010/07
