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论文写作模式-低压动态无功补偿装置的设计

2021-06-25 14:26:27
作者:杭州千明

论文方式解析-低压动态无功补偿装置的设计

  现代中,存在许多负载如、调压机等,它们在做功时需要的无功,实现能量的,带动做功。这样,电源的并不完全给有功,还有一转换为无功,这无疑使电源的负担,降低了供电的效率,而且由于中无功的将增大网络,输电线的寿命,时更会供电质量。同时,由于经济的,人们的生活也逐步提高,大功率家用如、冰箱等量大大,这就使得低压的量也增加,对电能的提出了更高的。

  本文首先介绍了研究意义和国内外研究现状,然后对几种无功补偿装置进行了介绍,提出系统的硬件设计方案,本文设计一个适用于低压网的TSC动态无功补偿装置,以无功功率为主,电压为辅,并对硬件各部分进行详细分析与设计,最后对所做的设计进行总结。

  在中,随着生活水平的提高和大量电器如、机等的普及,以及小用户的增多,电网中无功的消耗日益、功率因数大都低。尤其是电力装置的应用广泛,而电力装置的功率很低,电网质量,也给带来额外并影响益。利用补偿技术正当前各国设计及人员的,补偿的投资已被电力的规划中,成为一个的环节。

  为了解决这一问题,目前最有效的就是增加中的无功,但是,如果不当,容易造成线路无功电流,导致输电线的寿命降低、电能的,还由于电流,运行时发热造成的。所以中的功率长距离是也不可能的。目前电网中功率、压降大的最的办法就是采用的功率装置,补偿的感性无功。一种能现有补偿的优点,且较低的功率装置,使其能实时供电系统的无功,对进行跟踪,是电网改造和中迫切需要的。本就是在此基础上的。

  1.2国内外研究现状

  目前,在,静态无功SVC占据了动态补偿的重要,是动态无功技术研究的方向。国际上几个大的公司如瑞士的威利公司、美国的通用公司及公司、日本的公司等均了不同的补偿技术。的SVC项目全被、西门子等公司。公司于上世纪开始SVC,并于在范围内第一次将应用于,应用于系统。目前,公司占据全球市场的,,设备,SVC。动态无功补偿,子于上世纪也开始了基于的补偿的研究,套SVC产品于被订购。

  此方面的研究晚,但发展很快,上世纪九十年代电力公司和研发出一种的SVG,其后应用到电厂,的自20世纪以来,我国对控制的投入了大量力量,已有了的技术基础,目前有变电站安装了,容量范围大约在之间,每套设备的大约在万美元(当时价)。而且我国已能配电网用的,价格一般约为,的一变化工程是第一套于输电的国产化产品,但高压大产品仍依靠。和装置作为一种比在动态补偿上更良好的补偿在一些地区和国家也了广泛的。在,FACTS技术也进入了一个新的。

  2相关理论概述

  2.1 TSC无功补偿的工作原理

  2.1.1无功补偿的基本概念

  (1因数。对电网中的电压和来说,其一定的,这值,即:

  (2.1)

  (2)功率,无功,功率。功率是指直接的。比如使灯、使电机、使电子工作等等。对于功率有:

  (2.2)

  现在很多设备是根据感应原理的,如场,周期和下半一个吸收,一个功率,只是在和中间变换,并没有的作为或者作用,即并没有掉。这样的功率就叫做无功功率。对于无功功率有:

  (2.3)

  对视在功率有:

  (2.4)

  所以有功、率三,

  图2.1功率三角形关系

  由三角形看出,在的有功下,用功率越小,则所需的功率Q越大,其功率S也越大。为了用户用电的,供电线路截面和变压器的也越大,因而将供电系统的投资。

  2.1.2 TSC的模型分析

  图2.2无功补偿的电力系统

  图2.3矢量图

  图2.2给出了有无功补偿的系统。图中,经,,。电容器C,抗为,C的,C的使,

  (2.5)

  的器C的所,流入电容器电流,,是,C,的正,所以器负载就只有,负载的因数为1,发电机、、线路就只有功电流、只负载的有功P,最大地降低了损耗。

  的,还。负载流过器和。图2.2中和两端的降为得。

  如果的电流是电流,如图2.4所示,则与同相,比小。如果的电流是电流,如图2.5所示,则与同相,比大。所以负载电流变压器和时会使端下降,而容性电流流过器和电抗时则会使电压。因此,图2.2所示的的另一个就是提升负载端,或者说是补偿负载所的端电压的。

  图2.4感性电流矢量图

  图2.5容性电流矢量图

  2.2无功功率补偿方式及容量确定

  合理补偿方式的应该遵循以下几个:①无功的流动,实行补偿的;②补偿原则,装设与分散相,以补偿为主的规划;③防止在情况下过,即向电网无功功率。

  无功补偿最好的方式是哪里需要无功就在哪里补偿,整个系统将没有无功电流的流动。在实际当中这是不可能的,因为无论是、输电线路还是各种,都需要。所以在实际低压中就补偿电容器的位置不同,补偿的方式可以分为:集中补偿、补偿和单机。低压无功的三种如图2.6所示:

  图2.6低压无功补偿装设方式

  如图2.6中所示,补偿是将装设在用户变电所或的低压上。分组方式是将组按低压的负荷分设在的母线上,或者与低压相,低压内部的多组补偿。就地方式是指将组装设在设备。补偿和补偿一般按功率的确定补偿。方法是:先各用户所有设备出总平均及补偿前功率因数,确定的功率因数,则补偿可由下述公式:

  (2.6)

  其中,为补偿的功率(kvar),β为月率,为的月最大计算(kW),为前的因数角(可取最大时的值),为后的功率角。

  也可经验法来补偿,即

  (2.7)

  其中,为容量,为系数。

  器不同,所需不同。设电网线额定U,当电为连接时:;当电为形时:。

  设计时,若采用公式(2.6),一般都将取为70~80%,若采用(2.7),通常值取为器容量的左右。本课题中补偿装置就是集中补偿设计的,设计中了公式(2.6)来补偿容量。

  单台电动机补偿容量按下式计算:

  (2.8)

  其中,为电容器(kvar),U为额定(kV),为电动机(A)。

  从节电来看,就地方式是的,对于长大用电更为适宜。由于末端功率的提高,可使其的配变电、线路等的减少。这种的缺陷是、率低。同时,由于在生产,运行较差,极为。而分散这种方式的是对于分散的,有利于无功分区,了无功“”的,可增加的承载。补偿的是提高配电器的,且设备的高;减少、变压器和电线路上的和无功;可以电压质量;便于,维护操作。缺点是只对以上的系统进行,在高压侧,的一次性较大。综上所述,这三种偿方式各有,若能将这方式统筹、合理,可以取得的技术。

  2.3无功补偿控制方式的研究

  2.3.1功率因数控制方式

  功率控制是将因数作为变量,是一种的控制之一。它检测装置负荷的功率或者功率,然后对数据进行,再通过发出控制信号,来补偿电容的投切,使得因数一直维持在范围。当功率超过某值的时,即,器组从中切除;当因数低于某值的时,即,器组投入,且当不允许值时,便运行在。如图2.7所示,按因数控制方式电容器组,其区于原O。当逐渐时,存在区域,投入一组,便从区S1点到区S2点,此时是过了,因此,立刻切除基本电容器,又了S1点,这样就在投切中。

  图2.7功率因数控制方式示意图

  但由于该控制方式采样简单,控制也极易实现,同时对元器件的性能要求较低,所以它较早的被采用。

  2.3.2无功电流控制方式

  无功控制是以无功作为目标的,它是利用和件电路、分离、并电网中的电流,无功电流的投入电容,使电容器的电流电网中的无功。这是较的一种方案,其优点是,但无功电流的、快速检测有的难度。实现如下:

  假设无功缺额为,电压为U,为其额定值,无功分量为,那么

  (3.9)

  若令运行电压与额定电压之比,则

  器组为Y接线时,运行可补偿的功率为:

  (3.10)

  那么,为无功电流而应的电容器组容量为

  (3.11)

  电容为△接线时,运行可补偿的无功为:

  (3.12)

  那么,应投入的电容器组容量为:

  (3.13)

  2.3.3综合型控制方式

  由上面的分析,我们可以,各种控制方式都有一定的优缺点,所以,为了满足的需要,做到无误的控制,可以性能较好的控制方式,即以无功为主要、为辅助的无功复合方式,利用功率校正投切、以电压的值作为投切的约束,从而电容的综合,在电压在的内无功,既了网络,又到了电压。

  3无功补偿装置硬件设计

  本课题的是基于控制的投切电容器无功补偿,其控制器采用为核心器,采用了集中方式,在变压器母线上,对变压器所带的区域进行,电压复合来电容的,投切选用与使用的开关。

  3.1主电路设计

  图3.1 TSC系统工作流程图

  本系统的设计是基于、简单、的原理,各个的选型都是满足系统的最佳性能来选择,其电路接线图如图3-2,主要元件及选型介绍:

  (1)电压、检测单元:该主要从电网中电压、电流等信号并进行整合调理,使其转换成控制器可以接收与处理的信号。

  (2):控制器主要进行数据的分析与,再根据结果得出相应的,再由控制器发出信号控制电路驱动开关进行动作。

  (3)驱动装置:脉冲装置是复合的控制电路,主要接收器的执行来驱动复合执行投切。

  (4):避雷器起过保护作用,保护因电容器或者故障时升高对补偿的损坏。一般选取额定电压为额定电压的。

  (5):起过电流作用,当中短路等故,到过大,,避免过对造成的损害,熔丝的一般选择为电流的倍,熔断取1.75In。

  (6):作为电容器过保护,使其免受过负载危害。

  (7)复合:用于执行器组动作。

  (8):电抗器用来电容器造成的对装置的,也可用来电容器中的分量。

  (9):电容器采用接法,每组的都不同,通过不同的来调节电路中的功率。

  (10)放点(H1-H12):作为组的放电电阻,同时电容器的情况。

  由3.2图可以看出:电网中电源首先接、电流检测,该单元从电检测电压、等信号送入器内,控制对检测数据计算,得出补偿的无功,然后判定需要投入或电容器,再将命令发送给驱动装置;驱动装置控制后复合来投切器,从而补偿。与电器以及器F等起保护的。

  图3.2控制器原理接线图

  3.2无功补偿装置硬件总体设计

  无功装置控制系统的原理结构如图3.3所示,主要包括模块,电压、检测调理模块,驱动电路模块,开关模块以及、存储模块组成。下面对该硬件电路的几个主要做一个的介绍。

  图3.3装置控制结构框图

  3.2.1信号采集通道及调整电路

  本设计中我们采用电压互感器来检测电网的电压,它的原理和变压器类似,如图3.4(a)所示,在其初级接待测电压,则线圈上所的电压。电压使用方便,成本,不需要单独,且本身具有作用,缺点是能力较差。

  图3.4互感器原理图

  由于本的信号调理只能处理信号,所以我们用电流传感器来电网中的信号,如图3.4(b)所示,本的信号调理模块主要以下:采集的、信号,并实现的放大、以及化,将到的信号成无、、稳定,的量,并成可以接收的信号,再输入到的模数转换进行处理,为计算机能与识别的量。电路如图3.5所示,该调理由运算放大器、滤波和三部分,将信号进行,再通过器高次,最后一个桥式整流将整流成半波再到的转换。

  图3.5电压、电流信号采集调理电路

  3.2.2电压过零检测电路设计

  为了保证装置安全稳定的,在电容器网络时要电源电压过零,所以,我们设计了过零检测。如图3.6所示,信号经过放大器后连接一个单向电路将交流信号为单向半波,如果电压不为零,二极管就会,耦合三极管接收,输出端就会一个+12V的信号,这样就给开关提供了触发同步。

  图3.6电压过零检测电路

  3.2.3电源电路

  直流是电子设备中能量的部分,是缺少的单元。本采用了由经变压、、滤波、而形成的电源。早期的电源其稳压是由独立组成,所用件多,占大,接线多。成稳压器件问世后,大大了电源的设计。目前的有三端式、三端式和式。本装置的稳压通常的整流、电容、三端输出的稳压和进行,所有的稳压均装有片。为电源的相互,模拟和数字电路进行供电,因此电路输出的稳压和一路的电源。的电路如图3.7所示。

  图3.7电源电路

  3.3硬件设计中的抗干扰措施

  在设计过程中,要考虑到以后的,通常应做最坏,而且本用到了这种高频,其频率与工频信号的是很显的,根据以往设计经验,结合本控制硬件的特点,主要了以下的抗干扰措施:(1)使用:在采样系统中,加入电路对信号进行,防止信号干扰造成“”。(2)在设计时,在每个主要的电源和地之间加上去耦,减少电源系数。(3)设置看门狗来进行硬件。(4)在设计时,合理布线,尤其是和接地的设计。本系统采用了信号与数字分别布线的,即输入信号处理与控制部分分为两个板,中间通过一点,以减小模拟与数字信号的。(5)PCB板加装外壳,屏蔽外界干扰和本身电磁的向外传播。

  4无功补偿装置软件设计

  4.1主程序设计

  本文系统结构采用化设计,各模块由相应的子来完成,使系统结构清晰,便于和修改。流程图4.1所示。软件主要下列模块:(1)化:包括的、接口的、各计时器、的初等。(2)数据和量化:主要对电压、模拟的和,并对的进行和。(3)控制量计算:是模块对到的、信号的控制进行,转换为的目标。(4)计算:根据好的量的值,在保证在正常内的下,出需要的无功,再投切发出的控制来投切的。(5)电容器控制:由器发出控制,该经后触发复合来完成对器组的。(6)存储:数据、中间或者历史。(7)模块:实现控制器与外部的通讯。

  图4.1主程序流程图

  4.2投切控制程序设计

  电容器控制模块是整个软件设计的部分,包括控制和电容器控制两个子程序。控制算法的主要是根据前一过程的结果,利用、电压复合,选择合理的组合进行操作。在这一模块中设置了电压门限,分别是上、下限和电压上、下,流程图如图4.2所示。

  图4.2控制算法流程图

  电容器组投切流程图如图4.3所示,该设置了一级门限,为无功上、,程序设计主要无功补偿,先准确系统无功,然后根据缺的大小进行器的最优,从而调节值,以达到配置。

  图4.3器组投切流程图

  4.3中断子程序设计

  中断子主要是用于采集中断,由于本采用瞬时功率理论,所以只要采集电流和A相即可,但在设计中采集了电压主要是为了电压判据。其中断:

  图4.4中断子程序流程图

  4.4软件设计中的抗干扰措施

  在系统中,除了抗干扰技术,抗干扰措施也可少。本设计采取两种。(1)数字。对计算机系统中的干扰,可以用滤波的方法加以或滤除。滤波是用实现的,不需硬件,故性高,且抗匹配问题。的软件设计中,对因数的就采用了冲干扰的去平均滤波法。该是先去掉数据中的值和最小值,然后计算数据的算术值,这种方法适合于干扰比较严重的,在这种场合若一般的法,则干扰将会“”到结果中去,故值法不易消除由于干扰而引起的。(2)“看门狗”。内部有专门的“”电路来预防出现故障。“看门狗”上是一个专门的计数器,在启动时也会启动,它将会对的机器周期进行。通常设定一个最大值,当计数器最大值时,就要对该计数器,清除计数,进行下一次的,如果计数器达到没有进行复位,说明出现,此时发出指令,自动使复位,运行。一般电路用来MCU内部运行,在程序或死锁情况下,可以复位

  5无功补偿装置的MATLAB仿真

  某一电网无功的情况,中的补偿装置集中补偿,在出线侧,整个的无功。经,该地区无功约为,冲击性缺额约为,且较大,造成的冲击。采用投入无功电容器组的补偿为了投切器件的,选用补偿,分别为:、20kvar、,分为四种状态(、75kvar),采用开环和过零触发,在满足投切时,确保在电网(20ms)电压值的时刻,向可发出,并在时可控硅,器组投入,了器组无涌流、无过,而且从考虑已达效果。结合建立的图如图5.1所示。电容器为,其中和的两组用于系统的无功,和的两组用于对冲击性变化进行。

  图5.1补偿装置的的仿真图

  无功装置的仿真结果如图5.2所示:

  (a)

  (b)

  图5.2无功装置仿真结果

  由图5.2可以看出后功率因数结果,在0.05s补偿装置系统后,进入正常状态,随系统缺额的变化,适时或切除电容补偿系统缺额,使功率能够维持在水平,较小波动内,最低值为,可达0.95以上,效果明显。