低壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1、第一章 緒論21.1課題研究的背景及意義21.2國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)31.2.1目前無功補(bǔ)償裝置的不足31.2.2無功補(bǔ)償裝置的現(xiàn)狀31.2.3動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)51.3無功補(bǔ)償裝置的選擇61.3.1控制投切裝置的選擇61.3.2控制方式的選擇61.4當(dāng)前無功補(bǔ)償裝置分類101.5本章小結(jié)12第二章 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)研究132.1無功補(bǔ)償原理132.2無功算法的選擇162.21公式法172.2.2移相法172.2.3積分法182.2.4基于fft的無功功率測量法182.3晶閘管的觸發(fā)原則192.4晶閘管投切電容器理論202.4.1晶閘管器件及其串聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用研究202.4.2晶閘管器串

2、并聯(lián)技術(shù)研究222.5本章小結(jié)24第三章 新型tsc系統(tǒng)的保護(hù)部分設(shè)計(jì)253.1電容器保護(hù)253.1.1過壓保護(hù)253.1.2缺相保護(hù)253.1.3欠壓保護(hù)253.1.4過流保護(hù)253.1.5諧波保護(hù)253.2晶閘管保護(hù)過壓過流保護(hù)263.3其他保護(hù)263.3.1控制器電源單元異常263.3.2冷卻系統(tǒng)保護(hù)263.3.3丟脈沖保護(hù)273.4本章小結(jié)27第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)284.1 dsp控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)284.1.1tms320f2812主要功能簡介284.2系統(tǒng)基本原理和硬件總框圖344.3系統(tǒng)功能模塊354.3.1信號(hào)變換及調(diào)理模塊354.3.2 ad采樣模塊364.3.3鎖相同步采樣電路3

3、74.3.4電源模塊384.3.5人機(jī)對(duì)話模塊394.3.6通訊模塊404.3.7其他輔助模塊414.3.8邏輯電平轉(zhuǎn)換模塊434.3.9可控硅驅(qū)動(dòng)模塊434.3.10補(bǔ)償電容器過載電流調(diào)理電路444.4系統(tǒng)抗干擾考慮454.4.1干擾源454.4.2抑制干擾源454.3本章小結(jié)46第五章 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)47第六章 總結(jié)48參考文獻(xiàn)49致 謝50第一章 緒論 1.1課題研究的背景及意義近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)gdp(國民生產(chǎn)總值)的不斷增長，我國的電力工業(yè)也有了長足的發(fā)展。同時(shí)電力網(wǎng)中的無功問題也已逐漸引起人們的廣泛關(guān)注，這是由于隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交

4、通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛。而大多數(shù)電力電子裝置的功率因數(shù)很低，它們所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所輸送的電量中占有很大的比例。無功功率增加會(huì)導(dǎo)致電流的增大，設(shè)備及線路的損耗增加，導(dǎo)致大量有功電能損耗。同時(shí)使功率因數(shù)偏低、系統(tǒng)電壓下降。無功功率如果不能就地補(bǔ)償，用戶負(fù)荷所需要的無功功率全靠發(fā)、配電設(shè)備長距離提供，就會(huì)使配電、輸電和發(fā)電設(shè)施不能充分發(fā)揮作用，降低發(fā)、輸電的能力，使電網(wǎng)的供電質(zhì)量惡化，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)使系統(tǒng)電壓崩潰，造成大面積停電事故。電網(wǎng)電壓質(zhì)量通常用穩(wěn)定性、對(duì)稱性及正弦性等指標(biāo)衡量，隨著現(xiàn)代電力電子設(shè)備力系統(tǒng)諧波源可以分為兩大類。等非線性負(fù)荷大量接入電網(wǎng)，使電網(wǎng)供電質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，其中

5、各種電力電子開關(guān)器件的大量應(yīng)用和負(fù)載的頻繁波動(dòng)是最主要的干擾源，導(dǎo)致了一系列不良影響。 在當(dāng)今的電力系統(tǒng)中，感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)和變壓器作為傳統(tǒng)的主要的負(fù)荷使電網(wǎng)產(chǎn)生感性無功電流。同時(shí)，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率變流、變頻等電力電子裝置在電力系統(tǒng)中得以廣泛的應(yīng)用，這些裝置大多數(shù)功率因數(shù)很低，導(dǎo)致電網(wǎng)中出現(xiàn)大量的無功電流。無功電流產(chǎn)生無功功率，給電網(wǎng)帶來額外的負(fù)擔(dān)且影響供電質(zhì)量。因此，無功補(bǔ)償就成為保證電網(wǎng)高質(zhì)量運(yùn)行的一種主要手段之一。無功補(bǔ)償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c(diǎn)(王兆安等，2002 )(1)提高供用電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗;(2)穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)

6、量.在長距離輸電線中的合適地點(diǎn)設(shè)置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力;(3)在電氣化鐵道等三相負(fù)載不對(duì)稱的場合，通過適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償可以平衡三相負(fù)載。 因此研究無功功率補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有很重要的意義:a.解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)中與無功功率相關(guān)的一系列新的技術(shù)問題。b.促進(jìn)節(jié)能。無功功率在電網(wǎng)中不斷循環(huán)，造成很大的浪費(fèi)。如果無功功率問題處理得好，不僅節(jié)約電能，還可以減少系統(tǒng)變壓器和輸變電設(shè)備容量。c.通過研究無功功率測量，掌握無功功率的經(jīng)濟(jì)規(guī)律。通過統(tǒng)計(jì)、理論分析和各項(xiàng)技術(shù)措施來達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。d.保證電能質(zhì)量，促使電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。1.2國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)1.2.

7、1目前無功補(bǔ)償裝置的不足目前，系統(tǒng)無功補(bǔ)償主要存在以下的問題: （1）無功補(bǔ)償容量的不足。在供電方面，公用變壓器在全國大中小城市中大量存在，而且伴隨著一戶一表等城網(wǎng)改造的開展，還會(huì)大量增加。由于資金匾乏及重視程度不夠，公用變壓器區(qū)內(nèi)無功補(bǔ)償容量嚴(yán)重的不足，有功損耗大，公用變壓器的利用率不高。 在用戶方面，由于公用變壓器區(qū)內(nèi)低壓用戶很多，供電企業(yè)管理不便，低壓用戶感性負(fù)荷很大。由于各用戶沒有統(tǒng)一的無功功率補(bǔ)償，造成補(bǔ)償不合理，效果不明顯;而且，在高峰時(shí)，從電網(wǎng)接收無功過多，低谷時(shí)，往往向系統(tǒng)送無功。（2）無功補(bǔ)償裝置落后。在無功補(bǔ)償裝置上，大量的裝置采用采集任選一相的無功信號(hào)或是一相電流另兩相電

8、壓得出的無功信號(hào)并以此作為投切容量的依據(jù)，但這種方式只適用于以三相電為主的配電區(qū)，它可能會(huì)對(duì)非采樣相造成過補(bǔ)或是欠補(bǔ)。在投切容量的確定方面，往往以功率因數(shù)為參考，電容器分組投切，當(dāng)功率因數(shù)滯后時(shí)，則投入一組電容器。這些裝置常因?yàn)殡娙萜魅萘考?jí)差大而投切精度低或是頻繁投切。（3）集中補(bǔ)償占大多數(shù)。集中補(bǔ)償只能減少裝設(shè)點(diǎn)以上線路和變壓器因輸送無功功率所產(chǎn)生的損耗，而不能減少用戶內(nèi)部通過配電線路向用電設(shè)備輸送無功功率所造成的有功損耗。由于用戶內(nèi)部的有功損耗沒有減少，所以降損節(jié)電效果必然受到限制。負(fù)荷所需的無功功率，仍然需要通過線路供給，依然產(chǎn)生有功損耗。1.2.2無功補(bǔ)償裝置的現(xiàn)狀傳統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償裝

9、置主要是同步調(diào)相機(jī)和并聯(lián)電容器。同步調(diào)相機(jī)是早期無功補(bǔ)償裝置的典型代表。同步調(diào)相機(jī)不僅能補(bǔ)償固定的無功功率，對(duì)變化的無功功率也能進(jìn)行動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。至今在無功補(bǔ)償領(lǐng)域中這種裝置還在使用，而且隨著控制技術(shù)的進(jìn)步，其控制性能還有所改善。但是它屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運(yùn)行中的損耗和噪聲都比較大，技術(shù)上己顯落后。由于實(shí)際中遇到的大多數(shù)的是感性負(fù)載，所以后來多采用低成本的電容器并聯(lián)作為無功補(bǔ)償裝置。電容補(bǔ)償可以根據(jù)系統(tǒng)所需無功的多少，由控制系統(tǒng)自動(dòng)地投切補(bǔ)償電容，因此是一種性價(jià)比較高的無功補(bǔ)償方法。目前在電力系統(tǒng)多采用開關(guān)投切電容器或接觸器投切電容器。開關(guān)投切的電容器的補(bǔ)償措施的缺點(diǎn)是不能細(xì)調(diào)且響應(yīng)慢，投切過程中會(huì)產(chǎn)

10、生涌流和過電壓問題。另外，接觸器投切電容器較開關(guān)投切方式的響應(yīng)時(shí)間短些，該種功補(bǔ)償設(shè)備曾一度占領(lǐng)配電(1 okv和380均市場，特別是低壓配電網(wǎng)。但是由于它投切的隨意性，并未解決投切中的暫態(tài)過程過電壓造成的接觸器觸頭燃弧燒毀，壽命極短問題。同時(shí)，接觸器式補(bǔ)償設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間也較大，在某些快速變化負(fù)荷的場合，可能反調(diào)，達(dá)不到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｒ虼?，廣義上而言，接觸器式的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備并未超脫開關(guān)投切的范疇。20世紀(jì)70年代以來，同步調(diào)相機(jī)(sc synchronous condenser)開始逐漸被基于半控型器件晶閘管(scr)的靜止型無功補(bǔ)償裝置(svc)所取代。雖然在facts概念形成以前sv

11、c就己存在，但由于svc采用的閥元件也是電力電子器件，因此也把svc歸于facts控制器。 早期的svc靜止無功補(bǔ)償裝置是飽和電抗器(sr saturated reactor)型的，1967年英國gec公司制成了世界上第一批該型無功補(bǔ)償裝置。sr比之sc具有靜止、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn);但其鐵芯需磁化到飽和狀態(tài)，因而損耗和噪聲還是很大，而且存在非線性電路的一些特殊問題，又不能分相調(diào)節(jié)以補(bǔ)償負(fù)荷的不平衡，所以未能占據(jù)svc的主流。電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，將晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置推上了無功補(bǔ)償?shù)奈枧_(tái)。1977年美國ge公司首次在實(shí)際電力系統(tǒng)中運(yùn)行了使用基于晶閘管的svc; 1978年

12、，在美國電力研究院支持下，美國西屋公司(westinghouse electric corp)制造的使用基于晶閘管的svc投入實(shí)際運(yùn)行。隨后，世界各大電氣公司都競相推出了各具特點(diǎn)的系列產(chǎn)品。由于使用基于晶閘管的svc具有優(yōu)良勝能，所以十多年來占據(jù)了svc的主導(dǎo)地位。因此，svc一般專指使用基于晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置。svc是利用晶閘管作為固態(tài)開關(guān)來控制接入系統(tǒng)的電抗器和電容器的容量，從而改變輸電系統(tǒng)的導(dǎo)納。按控制對(duì)象和控制方式不同，可分為晶閘管控制電抗器(tcr)、晶閘管投切電容器(tsc)以及兩者的混合裝置(tcr+tsc)，或者tcr與固定電容器(fc)配合使用的靜補(bǔ)裝置(tcr+fc)

13、等。表1.1列出了各種無功補(bǔ)償裝置各種性能的簡要對(duì)比。通過比較我們可以看出tsc具有反映時(shí)間短，運(yùn)行可靠，分相調(diào)節(jié)，能平衡有功和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，而且tsc還有很大的靈活性，占地面積相對(duì)小，產(chǎn)生的高次諧波和噪聲較小，相對(duì)于無功發(fā)生器svg來說有控制簡單、開發(fā)時(shí)間短、成本低的優(yōu)勢(shì)。表1.1各種無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置各種性能的簡要對(duì)比table 1.1 variety of dynamic reactive power compensation device brief comparison of various performance字典1.2.3動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)傳統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償裝置主要為

14、同步調(diào)相機(jī)和并聯(lián)電容器。同步調(diào)相機(jī)雖然能進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，但它屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運(yùn)行中的損耗和噪聲都比較大，目前在現(xiàn)場仍有使用，但在技術(shù)上已顯落后。并聯(lián)電容器補(bǔ)償簡單經(jīng)濟(jì)，靈活方便，有取代同步調(diào)相機(jī)的趨勢(shì)，但只能補(bǔ)償固定無功，還可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大。目前在我國仍是主要的無功補(bǔ)償方式。 隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，相控技術(shù)、脈寬調(diào)制等技術(shù)被引入到電力系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)控制技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)柔性交流輸電系統(tǒng)(flexible ac transmission system facts) (n g. hingorani; 1988鄭健超，1999)，其本質(zhì)

15、就是將高壓大功率的電力電子技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，以增強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)的控制能力，提高原有電力系統(tǒng)的輸電能力。facts的多個(gè)類型都具有諧波抑制和無功補(bǔ)償能力(a.r. messina et al, 2004 ).靜止無功補(bǔ)償器(static var compensator-svc)是它的一個(gè)類型，靜止無功補(bǔ)償技術(shù)是20世紀(jì)70年代以后發(fā)展起來的，是指用不同的靜止開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有發(fā)出和吸收無功電流的能力，用于提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和穩(wěn)定系統(tǒng)電壓等。目前這種開關(guān)主要是交流接觸器和電力電子開關(guān)。但用接觸器來投切會(huì)出現(xiàn)巨大的沖擊涌流，而且閉合時(shí)觸頭顫動(dòng)導(dǎo)致電弧燒損嚴(yán)重，現(xiàn)在靜止無功補(bǔ)償器一般專

16、指使用晶閘管的無功補(bǔ)償設(shè)備。晶閘管投切電容器(thyristor swith capacitor-tsc)和晶閘管控制電抗器( thyristor control reactor-tcr)是其典型代表。tsc補(bǔ)償器可以很好的補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功功率，如果級(jí)數(shù)分得夠細(xì)，基本上可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)，瑞典某鋼廠的兩臺(tái)100t電弧爐安裝60mvar的tsc后，有效的使130kv電網(wǎng)的電壓保持在1,5%的波動(dòng)范圍.tcr是用來吸收系統(tǒng)的無功功率的。瑞士勃郎鮑威利公司已造出此種補(bǔ)償器用于高壓輸電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償。此外，svc還包括tsc十tcr混合型的補(bǔ)償器，我國平頂山至武漢鳳凰山sookv變電站引用進(jìn)口的無功補(bǔ)

17、償設(shè)備就是tsc -tcr型(朱是，2001)。目前國內(nèi)外對(duì)svc的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等智能控制手段也被引入svc控制系統(tǒng)，使svc系統(tǒng)的性能更加提高(nikolaos athanasiadis, 2002: j. lu et al, 2004:j. su et al，2004)。目前國內(nèi)外對(duì)svg的建模、控制模式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和不對(duì)稱控制等做了很多研究，但目前還有很多理論和實(shí)際運(yùn)用的問題尚待解決(ye yang, 2002;t.v trujillo et al,2003: n.c. sahoo et al , 2004 )。而且其控制復(fù)雜，所用的全控器件價(jià)格昂

18、貴，所以目前還沒有普及，尤其在我國，大功率電力電子器件目前基本依賴進(jìn)口，成本太高，根據(jù)我國國情，此類裝置的實(shí)用化尚需相當(dāng)長的一段時(shí)間。而低壓無功補(bǔ)償中要求裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單易于安裝和維護(hù)，因此tsc和tcr裝置非常適合于在無功就地補(bǔ)償領(lǐng)域推廣。但svg具有調(diào)節(jié)速度更快且不需大容量的電容、電感等儲(chǔ)能元件，諧波含量小，同容量占地面積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)越性能必將使其成為未來無功補(bǔ)償設(shè)備的重要發(fā)展方向(m.rabinowitz, 2000 )。美國電力研究院還提出統(tǒng)一潮流控制器(unifiedpower flow controller-upfc )(王建元等，2000;郭培源，2001)，集

19、并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、移相等多種功能于一身(a.edris, 2000: p. kumkratug et al, 2003 )，造價(jià)非常高，控制非常復(fù)雜，目前僅美國inez變電站安裝了這一裝置(李驕文，2002) 1.3無功補(bǔ)償裝置的選擇1.3.1控制投切裝置的選擇從當(dāng)前無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展來看，目前廣泛應(yīng)用的幾種無功補(bǔ)償裝置，從控制投切裝置的不同來看可以分為兩類:一類是采用斷路器開關(guān)來控制;一類是采用晶閘管控制。這兩類無功補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)在上一節(jié)中也有所介紹，總起來說采用晶閘管控制投切的無功補(bǔ)償裝置在性能上比采用斷路器開關(guān)的無功補(bǔ)償裝置好，它動(dòng)作時(shí)間短，通常能在一個(gè)周波(即20ms)內(nèi)動(dòng)作;動(dòng)作時(shí)

20、無火花，更安全可靠，壽命長。而斷路器開關(guān)費(fèi)用上又優(yōu)于晶閘管，因此在使用上也并沒有被晶閘管開關(guān)完全取代。表1.2：斷路器開關(guān)與晶閘管開關(guān)控制投切的無功補(bǔ)償裝置性能比較 table1.2 thyristor switch control circuit breaker switch and switching of reactive power compensation device performance comparison 任何一種智能無功補(bǔ)償裝置，都需要一個(gè)控制器來完成電網(wǎng)參數(shù)的測量計(jì)算，控制電容器組的投切。以斷路器作開關(guān)元件的無功補(bǔ)償裝置，控制器發(fā)出的是接點(diǎn)信號(hào)，控制接觸器的吸合或斷開。

21、以晶閘管作開關(guān)元件的無功補(bǔ)償裝置，控制器發(fā)出的是晶閘管的觸發(fā)信號(hào)。1.3.2控制方式的選擇在控制器的控制規(guī)律上又可以分為功率因數(shù)控制和無功功率(無功電流)控制。下面介紹無功補(bǔ)償有功率因數(shù)控制和無功功率(無功電流對(duì)空制兩種控制方式的特點(diǎn)。1、功率因數(shù)控制功率因數(shù)控制就是以功率因數(shù)滿足要求為控制目標(biāo)。用無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償，使供電電網(wǎng)的功率因數(shù)滿足要求。圖1.1無功功率補(bǔ)償原理fig.1.1 reactive power compensation principle參照?qǐng)D1.1假設(shè)補(bǔ)償前的參數(shù)是有功電流，無功電流，總電流，功率因數(shù)我門將定為投入門限，當(dāng)控制器檢測到當(dāng)前的功率因數(shù)值小于0.9時(shí)，發(fā)出

22、指令，投入一電容器組進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償后的參數(shù)為有功電流，無功電流功率因數(shù)我門又將切除門限設(shè)為。當(dāng)控制器檢測到當(dāng)前的無功電流小于零時(shí)，即得到超前的功率因數(shù)時(shí)，發(fā)出指令，切除一電容器組。當(dāng)檢測到當(dāng)前的功率因數(shù)值介于0.9和1.0之間時(shí)，則保持不變。功率因數(shù)式控制器通過對(duì)電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行采樣檢測，分析計(jì)算出當(dāng)前的功率因數(shù)值。用當(dāng)前的功率因數(shù)值與設(shè)定的投切門限值進(jìn)行比較，以確定是投入、切除、還是保持不變。功率因數(shù)式控制器當(dāng)檢測到當(dāng)前的功率因數(shù)值介于0.9和1.0之間時(shí)，則不論實(shí)際的無功功率值是多少，都保持當(dāng)前的補(bǔ)償狀態(tài)不變。功率因數(shù)值是一個(gè)比例值，所以在重負(fù)荷時(shí)，雖然功率因數(shù)滿足了要求，但電網(wǎng)中的無

23、功功率仍很大。圖1.2相同功率因數(shù)下無功電流與負(fù)載的關(guān)系fig.1.2 under the same power factor and load reactive current relationship用圖1.2可以很清楚地說明重載時(shí)的情況。圖1.2中，負(fù)載今大于負(fù)載，無功也大于，而這時(shí)的功率因數(shù)卻是相同的。雖然與的差值大于一個(gè)或幾個(gè)電容器組的補(bǔ)償量，但卻由于此時(shí)的功率因數(shù)滿足要求而不會(huì)去投入。圖1.3功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)妮p載振蕩fig.1.3 light-load power factor compensation oscillation功率因數(shù)控制的另一個(gè)問題是輕載下的投切振蕩。圖1-2說明了

24、輕載振蕩的情況。圖1-2中是輕載時(shí)的有功電流，是與之對(duì)應(yīng)的無功電流，并且較小，要小于一個(gè)電容器組的補(bǔ)償量。由于負(fù)載很輕，這時(shí)的功率因數(shù)很低。按照補(bǔ)償原理應(yīng)投入一個(gè)電容器組，用該組電容器的超前電流去進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果是得到了超前的功率因數(shù)。功率因數(shù)只要一超前，就要立即切除一電容器組，而切除一組功率因數(shù)又不夠，因此形成振蕩。2、無功功率（無功電流）控制針對(duì)功率因數(shù)控制的問題，出現(xiàn)了以系統(tǒng)中的無功功率(無功電流)為被控制對(duì)象，即無功功率(無功電流)控制方式?？刂破鲗?duì)電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行采樣檢測，計(jì)算出當(dāng)前的無功功率(無功電流)值。若當(dāng)前值大于一個(gè)電容器組的補(bǔ)償值，則投入一個(gè)電容器組。若當(dāng)前偷超前，

25、則切除一個(gè)電容器組。本方法補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果是使電網(wǎng)中的無功功率(無功電流)始終保持在一個(gè)較低的水平上。圖1.4所示是無功功率（無功電流)控制的補(bǔ)償效果示意圖。圖1.4無功功率補(bǔ)償示意圖fig.1.4 schematic diagram of reactive power compensation由于本方法的控制對(duì)象是無功功率（無功電流)，而無功功率(無功電流)又始終保持在一個(gè)較低的水平上。因此，不會(huì)出現(xiàn)功率因數(shù)控制方式所出現(xiàn)的重載時(shí)功率因數(shù)滿足要求，但無功電流很大，而輕載時(shí)又容易產(chǎn)生投切振蕩的問題。表1.3：兩種控制方式控制的無功補(bǔ)償器補(bǔ)償性能比較table 1.3: control of two

26、control methods to compensate the reactive power compensation performance comparison既然各種裝置之間有這樣大的差別，那么應(yīng)該怎樣選擇呢?1、了解負(fù)載性質(zhì)，以決定是選擇由斷路器開關(guān)還是晶閘管開關(guān)控制投切的無功補(bǔ)償裝置對(duì)于居民區(qū)、寫字樓、商場、電子、化工等負(fù)載變化平穩(wěn)、周期長的場合，由于負(fù)載變穩(wěn)、周期長，所以，接觸器的動(dòng)作次數(shù)少，使用壽命己不再是主要問題。從既要滿足補(bǔ)償需要，又節(jié)省費(fèi)用的選擇原則來講，由斷路器開關(guān)控制的無功補(bǔ)償裝置完全可以作為首選。若供電線路負(fù)荷很大，同時(shí)上面又掛有較重要的設(shè)備，則還是以選擇由晶閘管

27、控制的無功補(bǔ)償裝置為宜對(duì)于有電焊機(jī)、頻繁起停的機(jī)械加工設(shè)備等負(fù)載變化快、變化幅度大的場合，由斷路器開關(guān)控制的無功補(bǔ)償裝置顯然無法滿足要求。因此，應(yīng)選擇由晶閘管控制的無功補(bǔ)償裝置。2、根據(jù)負(fù)荷的變化幅度，確定選擇功率因數(shù)補(bǔ)償或是無功功率(無功電流)補(bǔ)償。確定了投切控制裝置，那么又該用什么控制方式呢?用無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償，使供電電網(wǎng)的功率因數(shù)滿足要求。這是人們最先想到和做到的。該方法的補(bǔ)償原理前面已經(jīng)做了介紹。但從表1.3中可看到，它在輕載時(shí)易發(fā)生投切振蕩;在重負(fù)荷時(shí)，雖然功率因數(shù)滿足了要求，但電網(wǎng)中的無功功率仍很大。既然功率因數(shù)控制不如無功功率(無功電砌控制，那么，什么場合選用它，我們從以下幾

28、個(gè)方面來考慮。(1)電網(wǎng)中有一個(gè)穩(wěn)定的基本負(fù)荷，且占該線路最大負(fù)荷的比例較大，換句話說，就是不會(huì)出現(xiàn)輕載投切振蕩;(2)線路最大負(fù)荷時(shí)的最大無功，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成大的危害;(3)供電部門僅考核功率因數(shù)是否滿足要求。從技術(shù)、補(bǔ)償效果、對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性以及今后的發(fā)展上來講，建議還是選擇無功功率(無功電流）控制。3、根據(jù)重要程度及自動(dòng)化水平，選擇控制功能?，F(xiàn)代的無功功率(無功電流）控制的無功功率補(bǔ)償裝置，除基本的控制功能外，附加功能也很多，如一般都有的:四象限操作、自動(dòng)手動(dòng)切換、自動(dòng)識(shí)別各路電容器組的功率、自動(dòng)根據(jù)負(fù)載調(diào)節(jié)切換時(shí)間、過電壓報(bào)警及保護(hù)、線路諧振報(bào)警、電壓電流畸變率測量及功率因數(shù)、電壓、電流

29、、視在功率、有功功率、無功功率、電網(wǎng)頻率的測量及顯示等。有的還具有打印機(jī)接口、計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)接口等。這些功能中，有些是補(bǔ)償裝置工作所必須的，有些是為方便用戶抄表設(shè)置的，有些是為自動(dòng)化聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行設(shè)置的。用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需要，再結(jié)合價(jià)格，綜合選取。1.4當(dāng)前無功補(bǔ)償裝置分類隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流無觸點(diǎn)開關(guān)scr, gtr, gto等的出現(xiàn)，將其作為投切開關(guān)速度可以提高500倍(約為10 u)，對(duì)任何系統(tǒng)參數(shù)，無功補(bǔ)償都可以在一個(gè)周波內(nèi)完成，而且可以進(jìn)行單向調(diào)節(jié)?，F(xiàn)今所指的無功補(bǔ)償裝置一般專指使用晶閘管的無功補(bǔ)償設(shè)備，主要有以下三大類型:一類是具有飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置(

30、sr: saturated reactor);第二類是晶閘管控制電抗器(tcr: thyristor control reactor );第三類是晶閘管投切電容器(tsc: thstor switch capacitor)，后兩類裝置統(tǒng)稱為svc (staticvar compensator )以下對(duì)此三類無功補(bǔ)償技術(shù)逐一介紹。1、 具有飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置(sr)飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應(yīng)的無功補(bǔ)償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置是依靠電抗器自身固有的能力來穩(wěn)定電壓，它利用鐵心的飽和特性來控制發(fā)出或吸收無功功率的大小?？煽仫柡碗娍蛊魍ㄟ^改變控制繞

31、組中的工作電流來控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進(jìn)一步控制無功電流的大小。這類裝置組成的無功補(bǔ)償裝置屬于第一批補(bǔ)償器。早在1967年，這種裝置就在英國制成，后來美國通用電氣公司(ge)也制成了這樣的無功補(bǔ)償裝置。但是由于這種裝置中的飽和電抗器造價(jià)高，約為一般電抗器的4倍，并且電抗器的硅鋼片長期處于飽和狀態(tài)，鐵心損耗大，比并聯(lián)電抗器大2-3倍，另外這種裝置有振動(dòng)和噪聲，而且調(diào)整時(shí)間長，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償速度慢，由于具有這些缺點(diǎn)，所有飽和電抗器的無功補(bǔ)償器目前應(yīng)用的比較少，一般只在超高壓輸高壓電線路有使用。2、 晶閘管控制電抗器兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián)，其單相原理圖如圖1-5所示。其

32、三相多接成二角形，這樣的電路并入到電網(wǎng)中相當(dāng)于交流調(diào)壓器電路接電感性負(fù)載，此電路的有效移相范圍為90-180。當(dāng)觸發(fā)角a = 900時(shí)，吸收的無功電流最大。根據(jù)觸發(fā)角與補(bǔ)償器等效導(dǎo)納之間的關(guān)系式: 和 （1.1）可知，增大觸發(fā)角即可增大補(bǔ)償器的等效導(dǎo)納，這樣就會(huì)減小補(bǔ)償電流中的基波分量，所以通過調(diào)整觸發(fā)角的大小就可以改變補(bǔ)償器所吸收的無功分量，達(dá)到調(diào)整無功功率的效 圖1.5 tcr補(bǔ)償器原理 圖1.6 tsc型補(bǔ)償器原理 fig.1.5 tcr compensator principle fig.1.6 tsc compensator principle在工程實(shí)際中，可以將降壓變壓器設(shè)計(jì)成具有

33、很大漏抗的電抗變壓器，用可控硅控制電抗變壓器，這樣就不需要單獨(dú)接入一個(gè)變壓器，也可以不裝設(shè)斷路器。電抗變壓器的一次繞組直接與高壓線路連接，二次繞組經(jīng)過較小的電抗器與可控硅閥連接。如果在電抗變壓器的第三繞組選擇適當(dāng)?shù)难b置回路，例如加裝濾波器，可以進(jìn)一步陽氏無功補(bǔ)償產(chǎn)生的諧波。瑞士勃朗鮑威利公司已經(jīng)制造出此種補(bǔ)償器用于高電壓輸電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償。由于單獨(dú)的tcr只能吸收無功功率，而不能發(fā)出無功功率，為了解決此問題，可以將并聯(lián)電容器與tcr配合使用構(gòu)成無功補(bǔ)償器。根據(jù)投切電容器的元件不同，又可分為tcr與固定電容器配合使用的靜止無功補(bǔ)償器(tcr+fc)和tcr與斷路器投切電容器配合使用的靜止無功補(bǔ)償

34、器(tcr+msc )。這種具有tcr型的補(bǔ)償器反應(yīng)速度快，靈活性大，目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。我國江門變電站采用的靜止無功補(bǔ)償器是瑞士bbc公司生產(chǎn)的tcr-fc-msc型的svc，其控制范圍為士120mvar。由于固定電容器的tcr+fc型補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償范圍從感性范圍延伸到容性范圍是要求電抗器的容量大于電容器的容量，另外當(dāng)補(bǔ)償器工作在吸收較小的無功電流時(shí)，其電抗器和電容器都己吸收了很大的無功電流，只是相互抵消而已。tsc+msc型補(bǔ)償器通過采用分組投切電容器，在某種程度上克服了這種缺點(diǎn)。3、 晶閘管投切電容器(tsc）為了解決電容器組頻繁投切的問題，tsc裝置應(yīng)運(yùn)而生。其單相

35、原理圖如圖1.6所示。兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管只是將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開，串聯(lián)的小電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的沖擊電流?，F(xiàn)在普遍把這種可以快速補(bǔ)償電網(wǎng)無功功率的晶閘管投切電容器的無功補(bǔ)償裝置叫作動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器。tsc用于三相電網(wǎng)中可以是三角形連接，也可以是星形連接。一般對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)采用星形連接，負(fù)荷不對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)采用三角形連接。不論是星形還是三角形連接都采用電容器分組投切。為了對(duì)無功電流能盡量做到無級(jí)調(diào)節(jié)，總是希望電容器級(jí)數(shù)越多越好，但考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜勝及經(jīng)濟(jì)性，一般用k-1個(gè)電容值為c的電容和一個(gè)電容值為c/2的電容組成2k級(jí)的電容組數(shù)。tsc的關(guān)鍵技術(shù)問題是投切電容器時(shí)刻的選取。

36、經(jīng)過多年的分析與實(shí)驗(yàn)研究，其最佳投切時(shí)間是晶閘管兩端的電壓為零的時(shí)刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時(shí)刻。此時(shí)投切電容器，電路的沖擊電流為零。這種補(bǔ)償裝置為了保證更好的投切電容器，必須對(duì)電容器預(yù)先充電，充電結(jié)束之后再投入電容器。tsc補(bǔ)償器可以很好的補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功功率，如果級(jí)數(shù)分得足夠細(xì)化，基本上可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)。瑞典某鋼廠兩臺(tái)100t電弧爐，裝有60mvar的tsc后，有效地使130kv電網(wǎng)的電壓保持在1.5%的波動(dòng)范圍。運(yùn)行實(shí)踐證明此裝置具有較快的反應(yīng)速度(約為5-10ms ) 體積刁、，重量輕，對(duì)三相不平衡負(fù)荷可以分相補(bǔ)償，操作過程不產(chǎn)生有害的過電壓、過電流，但tsc對(duì)于抑制沖擊負(fù)荷

37、引起的電壓閃變，單靠電容器投入電網(wǎng)的電容量的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)是不夠的，所以tsc裝置一般與電感相并聯(lián)，其典型設(shè)備是tsc+tcr補(bǔ)償裝置。這種補(bǔ)償器均采用三角形連接，以電容器作為分級(jí)粗調(diào)，以電感作相控細(xì)調(diào)，三次諧波不能流入電網(wǎng)，大大減小了諧波。1.5本章小結(jié) 目前各種無功補(bǔ)償裝置都己在電力系統(tǒng)得到應(yīng)用，但是傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置在反應(yīng)時(shí)間，運(yùn)行可靠性，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)确矫婕航?jīng)不能滿足要求。隨著電力電子晶閘管器件工藝的成熟和成本的下降，facts技術(shù)的無功補(bǔ)償將成為未來電力系統(tǒng)自動(dòng)化的主流，更是未來無功補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域的重要研究課題之一?；谶@個(gè)目的，本文探討了tsc無功補(bǔ)償方面的相關(guān)技術(shù)和算法，研究了基于dsp控

38、制的新型低壓無功補(bǔ)償控制器的軟硬件設(shè)計(jì)，并作了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第二章 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)研究2.1無功補(bǔ)償原理電力電子開關(guān)型電力補(bǔ)償、控制器的根本原理是利用電力電子開關(guān)在電路中并聯(lián)地或串聯(lián)地接入或切除電感、電容、電阻，從而瞬時(shí)地改變線路等效阻抗或等效的感性、容性、阻性負(fù)載，達(dá)到補(bǔ)償和控制電力系統(tǒng)中的電壓、電流、有功功率、無功功率等電力系統(tǒng)參數(shù)的目的，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、有效地運(yùn)行。本課題所研究的低壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置屬于靜止無功補(bǔ)償器svc這一類型中的晶閘管投切電容器tsc，是電力電子開關(guān)型電力補(bǔ)償、控制器中的一種，它是利用在電路中并聯(lián)地接入或切除電容來改變等效的感性負(fù)載，補(bǔ)償系統(tǒng)的無功

39、功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無功功率平衡。下面對(duì)tsc利用并聯(lián)電容器實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)幕驹磉M(jìn)行具體分析。由電工學(xué)可知，在交流電路中，只有純電阻負(fù)載上消耗的功率稱為有功功率，用p表示，常用單位為kw;而電感或電容性負(fù)載雖然基本上不消耗有功功率，但是它與電源之間或相互之間進(jìn)行著往返的周期性能量轉(zhuǎn)換，形成無功電流，這種往返交換的功率稱為無功功率，用q表示，常用單位為kvar，無功功率不是無用功率，它是電氣設(shè)備輸出有功功率和傳輸電能的必備條件(如電動(dòng)機(jī)、變壓器等，它們需要建立變化的磁場才能維持正常運(yùn)行)。在電力電路中實(shí)際上是電阻和電感或電容性負(fù)載都同時(shí)存在，而且大部分是感性負(fù)載，因此，不僅消耗有功功率，同時(shí)也有無功

40、功率在交換。我們把有功及無功電流和電壓的乘積稱為視在功率，用s表示，即s=ui，常用單位為kva。有功功率尸、無功功率q和視在功率s三者之間的關(guān)系可用圖2.1所示的功率三角形表示。由功率三角形可以求得（2.1）: (2.1) 圖2.1功率三角形fig.2.1 the power triangle式中為功率因數(shù)，即有功功率和視在功率的比值。功率因數(shù)的大小代表著電源被利用的程度，它的最大值為這時(shí)p=s，電源利用率最高;同時(shí)，由于 (u為電網(wǎng)相電壓)，因此在同一電壓下要輸送一定的功率，功率因數(shù)越大，線路中的電流越小，故線路中的損耗也越小。功率因數(shù)最小值為零，這時(shí)p=0，表示負(fù)載和電源之間只有往返的無

41、功功率在交換。因此，在電力系統(tǒng)中力求功率因數(shù)接近于1。圖2-2示出了有tsc的電力系統(tǒng)。圖中交流電源u、經(jīng)變壓器pt和線路電抗后圖2.2有tsc的電力系統(tǒng)fig.2.2 the power system with tsc對(duì)負(fù)載供電。負(fù)載端電壓為u2，負(fù)載通常為電阻、電感性負(fù)載，其電流為i，功率因數(shù)角為，于是有公式（2.2）： (2.2)式中 有功功率 無功功率 有功功率 無功功率負(fù)載電流i流經(jīng)電源、變壓器和線路電阻時(shí)所產(chǎn)生的功率損耗ir和發(fā)熱、溫升與電流值的平方i成正比。受功耗、發(fā)熱和溫升的限制，發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、開關(guān)電器等一切電氣設(shè)備都只允許通過一定數(shù)值的電流lm,，當(dāng)有無功電流、無功功

42、率而使功率因數(shù)小于1時(shí)，發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、開關(guān)電器等電氣設(shè)備盡管其電流己達(dá)到最大允許值im，但它們能發(fā)送的電功率p卻隨成比例地減小，即電氣設(shè)備發(fā)送功率的利用率成比例地減小。換句話說，如果電氣設(shè)備發(fā)送的功率一定，越小(無功電流、無功功率越大)，則電氣設(shè)備所流過的電流越大，功耗和發(fā)熱溫升越嚴(yán)重。如果在負(fù)載處，經(jīng)雙向晶閘管開關(guān)t接入一個(gè)電容器c，如圖2-3所示，電容抗為，流入電容c的容性電流i。超前電壓，如果選取c的大小使等于負(fù)載感性無功電流即 (2.3)則負(fù)載的感性無功電流將被流入電容器c的容性電流所補(bǔ)償，電網(wǎng)流入電容器容性電流.等效于電容器向電網(wǎng)輸出超前，滯后，是感性電流，矢量圖如圖2-3所

43、示。因此，等效于電容器向電網(wǎng)輸出感性電流，按(2.2)式選擇電容c，那么電容器輸出的感性電流正好等于負(fù)載的感性電流場，于是電容器和感性負(fù)載并聯(lián)后的等效負(fù)載就只有有功電流，等效負(fù)載的功率因數(shù)為1，發(fā)電機(jī)、變壓器、線路就只流過有功電流、只傳負(fù)載的有功功率p，減少了功率損耗?；蛘哒f使發(fā)電機(jī)、變壓器、線路可以發(fā)送最大的有功功率。圖2.3矢量圖fig .2.3 vector drawing電容器相當(dāng)于一個(gè)滯后無功電流源、滯后無功功率發(fā)生器。雙向晶閘管在交流電源正、負(fù)半波都導(dǎo)通時(shí)，電容c投入電網(wǎng);雙向晶閘管正、負(fù)半波都處于阻斷時(shí)，相當(dāng)于電容c從電網(wǎng)切除.因此，這種滯后無功補(bǔ)償器被稱為晶閘管投、切電容器無功

44、補(bǔ)償器tsc。這時(shí)晶閘管只是作為一個(gè)電路開關(guān)在交流電網(wǎng)電壓周期中全部導(dǎo)通(電容器投入到電網(wǎng))或全部阻斷(從電網(wǎng)切除電容器)。由于電容器上的電壓不能突變，因而電容器投入電網(wǎng)，即晶閘管的觸發(fā)信號(hào)應(yīng)在電網(wǎng)電壓為零時(shí)加入。晶閘管投、切電容器tsc無功功率補(bǔ)償器所能補(bǔ)償?shù)臏鬅o功功率大小由電容c的大小確定。由于負(fù)載無功功率的大小是隨時(shí)變化的，因此，設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)電容器不可能任何時(shí)候都恰如其分地滿足需要。過渡的無功補(bǔ)償也會(huì)使必小于1，反而適得其反，因此，只有設(shè)置許多個(gè)小容量的tsc，根據(jù)負(fù)載無功的情況投、切不同容量的tsc，才有可能得到較好的補(bǔ)償效果。tsc在補(bǔ)償無功的同時(shí)，還可以提升負(fù)載端電壓。負(fù)載電流

45、流過變壓器和線路電抗時(shí)會(huì)引起電抗壓降。圖2-2中和兩端的電壓將為 （2.4）如果流過的電流是感性電流，如圖2.4所示，則與同相，比小。如果流過的電流是容性電流，如圖2.5所示，則與同相，比大。所以感性負(fù)載電流流過變壓器和線路電抗時(shí)會(huì)使負(fù)載端電壓下降，而容性負(fù)載電流流過變壓器和線路電抗時(shí)則會(huì)使負(fù)載端電壓口上升。因此，圖2.2所示的tsc的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提升負(fù)載端電壓，或者說可以補(bǔ)償感性負(fù)載所引起的負(fù)載端電壓的下降。圖2.4感性電流矢量圖fig.2.4 vector drawing of inductance current圖2.5容性電流矢量圖fig.2.5 vector drawing of c

46、apacitance2.2無功算法的選擇tsc裝置的發(fā)展己經(jīng)有了很長歷史，根據(jù)tsc裝置的實(shí)際使用效果和反饋，前人在技術(shù)上進(jìn)行了很多的改進(jìn)和創(chuàng)新。如何總結(jié)己有的經(jīng)驗(yàn)，選擇適合于tsc的技術(shù)是本章研究的重點(diǎn)。tsc的典型裝置通常有兩部分組成:一部分為tsc主電路，它包括晶閘管、補(bǔ)償電容器及阻尼電抗器;另外一部分為tsc控制系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集和檢測、參數(shù)運(yùn)算、投切控制、觸發(fā)控制4個(gè)環(huán)節(jié)組成。本章將從無功算法的選擇、晶閘管的觸發(fā)原則、主電路的接線方式和控制策略等9個(gè)方面對(duì)tsc動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償有關(guān)技術(shù)進(jìn)行比較深入的論述。傳統(tǒng)的無功定義前提是電壓電流不含諧波，因此只有在諧波干擾比較小的情況下才有較高的精

47、確度。這里先討論電力系統(tǒng)中電壓電流都是正弦波的理想情況。無功功率的定義如下: (2.5)式中:q為無功功率，uo , io分別為電壓和電流的有效值，必為電壓和電流相位差?；谶@種定義，常用的測量方法有公式法、移相法和積分法。2.21公式法直接根據(jù)無功功率公式，求出三個(gè)未知量,和。分別在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)電壓和電流采樣n次。則根據(jù)有效值的定義進(jìn)行離散化得: (2.6)式中: ，是第k次電流，電壓的采樣值。電壓電流相位差可以通過檢測電壓和電流的過零點(diǎn)來檢測。當(dāng)電壓和電流由負(fù)向正上升延突變時(shí)，分別在t(o), t(1)產(chǎn)生中斷，并在兩個(gè)中斷期間用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到相位差得到后，可以通過軟件查表法求得。當(dāng)電壓和

48、電流頻率發(fā)生偏移時(shí)，如果采用定頻采樣，要注意調(diào)整采樣點(diǎn)數(shù)。如果是變頻采樣，則要注意改變采樣頻率。2.2.2移相法移相法測量無功功率的理論基礎(chǔ)是，既通過移相來實(shí)現(xiàn)正弦余弦之間的轉(zhuǎn)換，其基本的原理如下: (2.7)式中: 為角速度，t為電網(wǎng)周期，t為時(shí)間。具體的測量步驟為:先通過采樣和a/d轉(zhuǎn)換將電網(wǎng)的模擬電壓和電流信號(hào)采集到微處理器，然后進(jìn)行離散化處理。這里假設(shè)對(duì)每個(gè)周期的電壓和電流采樣n次，則式(2.7)離散化得: (2.8)式中:是第k個(gè)電壓采樣值是第k十n/4個(gè)電流采樣值，這樣只要對(duì)電流和電壓進(jìn)行較高頻率的采樣，就能根據(jù)式( 2.8 )求得無功功率。移相法的精度易受非同步采用影響，主要通過

49、圖2.6的頻率鎖相裝置來解決。圖2.6頻率同步數(shù)字鎖相裝置框圖fig.2.6 diagram frequency synchronous digital lock device2.2.3積分法采用積分法測無功和移相法測無功相似，它的理論基礎(chǔ)是。積分法也能實(shí)現(xiàn)余弦和正弦之間的轉(zhuǎn)換。下面簡要介紹一下其測量原理，令: （2.9） （2.10） （2.11）如果把式(2.11)的m為中間變量，把式(2.9)和式(2.10)分別代入式(2.11 )化簡后可以得到: (2.12) 2.9求出m后就可以求出q值。下面對(duì)式(2.12)做離散化處理，設(shè)在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)電壓和電流都采樣n次，用i(k)表示第k次電流

50、采樣值，u(k)表示第k次電壓的采樣值，u(k)表示u(t)的積分量。則有: (2.13) 2.2.4基于fft的無功功率測量法基于fft的無功功率測量法，關(guān)鍵是要測量出電壓電流的基波和各次諧波的幅值和相位，fft正好能很好地實(shí)現(xiàn)這部分功能。分別對(duì)電壓和電流做fft運(yùn)算，得到基波和各次諧波電壓和電流的幅值和相位，然后利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算無功功率。該方法完全按照budeanu無功理論計(jì)算，在原理上不存在誤差，但是計(jì)算過程中需要大量的寄存器存儲(chǔ)中間變量，計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間長，檢測結(jié)果的實(shí)時(shí)性比較差。在采樣過程中，當(dāng)信號(hào)頻率和采樣頻率不一致時(shí)，會(huì)發(fā)生頻譜泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng)，使計(jì)算出的信號(hào)頻率、幅值不準(zhǔn)確

51、。尤其是相位的誤差很大，無法滿足測量精度的要求。這些主要可以通過以下方法來解決:(1)修正采樣頻率法； (2)利用加窗插值算法對(duì)fft算法進(jìn)行修正； (3)采用準(zhǔn)同步dft算法； (4)利用數(shù)字式鎖相器(pll)使信號(hào)頻率和采樣頻率同步。該算法需要專門的測量用dsp來計(jì)算實(shí)現(xiàn)，成本高是它的天然缺陷。不過由于本tsc控制器使用dsp作為控制器件，并且保護(hù)部分對(duì)于電壓電流諧波含量的計(jì)量亦有要求，因此利用計(jì)算得到的電壓和電流諧波頻譜，同時(shí)計(jì)算無功功率，就達(dá)到了一舉兩得的效果。2.3晶閘管的觸發(fā)原則一般晶閘管投入時(shí)刻總的原則是，tsc投入電容的時(shí)刻，也就是晶閘管開通的時(shí)刻，必須是電源電壓與電容器預(yù)先充

52、電電壓相等的時(shí)刻。因?yàn)楦鶕?jù)電容器的特性，當(dāng)加在電容上的電壓有階躍變化時(shí)，將產(chǎn)生沖擊電流，很可能破壞晶閘管或給電源帶來高頻振蕩等不利影響。假如在導(dǎo)通前電容器充電電壓剛好等于電源電壓峰值，則在電源峰值點(diǎn)投入電容時(shí)，由于在這一點(diǎn)電源電壓的變化率(時(shí)間導(dǎo)數(shù))為零，因此，電流即為零，隨后電源電壓(也即電容電壓)的變化率才會(huì)按照正弦規(guī)律上升，電流即按正弦規(guī)律上升。這樣，整個(gè)投入過程不但不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，而且電流也沒有階躍變化。這就是所謂的理想投入時(shí)刻。圖2.7以簡單的電路原理圖和投切時(shí)的波形對(duì)此作了說明。圖2.7功率補(bǔ)償說明圖fig.2.7 illustration power compensation選

53、取合適的觸發(fā)時(shí)刻總的原則是，tsc投入電容時(shí)，也就是晶閘管開通的時(shí)刻，必須是電源電壓與電容器殘壓的幅值和相位相同。但是無論投入前電容器充電電壓(也稱殘壓)是多少，其往往都是不易測量的，所以必須通過其他一些方法來解決電容器殘壓測量的難題。1.過零觸發(fā)電路晶閘管電壓過零觸發(fā)電路如圖2.8所示。當(dāng)電源電壓與電容器的殘壓相等時(shí)，晶閘管上電壓為零，光電耦合器就會(huì)輸出一個(gè)負(fù)脈沖，如果此時(shí)投入指令存在，此脈沖就會(huì)經(jīng)過一系列環(huán)節(jié)，產(chǎn)生脈沖串去觸發(fā)晶閘管，保證晶閘管的平穩(wěn)導(dǎo)通。當(dāng)tsc投入指令撤銷時(shí)，晶閘管在電流過零時(shí)斷開，直到微控制器下次發(fā)出投入指令，tsc才會(huì)在零電壓時(shí)重新投入。圖2.8晶閘管電壓過零觸發(fā)電

54、路fig.2.8 zero-voltage thyristor trigger circuit2.反壓觸發(fā)一般來講，無論電容器殘壓多高，它總是小于等于電源電壓幅值，則在一個(gè)周期內(nèi)，晶閘管總有處于零壓或反壓的時(shí)刻。利用這一點(diǎn)，在晶閘管承受反壓時(shí)，觸發(fā)脈沖序列開始，這樣當(dāng)晶閘管由反向轉(zhuǎn)為正向偏置時(shí)就自動(dòng)進(jìn)入平穩(wěn)導(dǎo)通狀態(tài)。在兩種觸發(fā)電路中，晶閘管電壓過零觸發(fā)的使用范圍最為廣泛，無論電容殘壓出于何種狀態(tài)，其都適用。反壓觸發(fā)的成功率和電容器殘壓密切相關(guān)，只適用于電容器殘壓小于電源峰值的情況。2.4晶閘管投切電容器理論2.4.1晶閘管器件及其串聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)行晶閘管靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和應(yīng)用中的相關(guān)特性的分析和研究，特別是晶閘管在關(guān)斷過程中的恢復(fù)特性的研究。此項(xiàng)研究將為大功率晶閘管的工程化應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。晶閘管的動(dòng)態(tài)特性主要有開通特性、通態(tài)電流臨界上升率、反向恢復(fù)特性、關(guān)斷特性、斷態(tài)電壓臨界上升率等五個(gè)方面，其中開通和關(guān)斷特性是其最重要的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)。1.開通特性