撰寫大學(xué)本科方案設(shè)計書方案設(shè)計書的模板

1、第1章緒論1.1無功補償?shù)囊饬x國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高帶來了電力負(fù)荷的高速增長。尤其是近兩、三年來，由于電力負(fù)荷增長迅猛，而發(fā)電裝機(jī)容量和輸配電能力不足，造成全 國近20個省市電力供應(yīng)緊張，部分省市出現(xiàn)限電拉閘 。與此同時，隨著電力市場的 開放，電力用戶對電能質(zhì)量的要求也在提高；電力生產(chǎn)與供應(yīng)企業(yè)也比以往任何時候都 重視電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性。電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性和電能質(zhì)量與無功功率有重大的關(guān)系。無功功率是電力系統(tǒng)一種不可缺少的功率。大量的感性負(fù)荷和電網(wǎng)中的無功功率損耗，要求系統(tǒng)提供足夠的 無功功率，否則電網(wǎng)電壓將下降，電能質(zhì)量得不到保證。同時，無功功率的不合理分配， 也將造成

2、線損增加，降低電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性。無功功率從何而來？顯然，發(fā)電機(jī)提供的無功功率相對負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)對無功功率的需 求來說只是“杯水車薪”，僅僅依靠發(fā)電機(jī)提供無功功率也是極不經(jīng)濟(jì)的。無功功率最 主要的來源是利用各種無功功率補償（以下簡稱無功補償）設(shè)備在電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié) 進(jìn)行無功補償。因此，無功補償是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它是保證電能質(zhì)量和實現(xiàn) 電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行的基本手段。低壓電力用戶量大面廣，其負(fù)荷的功率因數(shù)又大都比較低，因此在低壓電網(wǎng)中進(jìn)行 無功功率的就地補償是整個電力系統(tǒng)無功補償?shù)闹匾h(huán)節(jié)。低壓電網(wǎng)的無功補償主要采用并聯(lián)電容器進(jìn)行，它包括固定電容器（FC）補償和自動投切電容器的動態(tài)補償以及兩

3、者混合補償?shù)确绞?。電力?fù)荷是隨時變化的，所需要的無功功率也是隨時變化的，為了維持無功平衡， 要求無功補償設(shè)備實行動態(tài)補償，即要根據(jù)無功負(fù)荷的變化及時投切電容器。以往的低 壓動態(tài)無功補償設(shè)備以機(jī)械開關(guān)（接觸器）作為電容器的投切開關(guān)，機(jī)械開關(guān)不僅動作 速度慢，而且會產(chǎn)生諸如涌流沖擊、過電壓、電弧重燃等現(xiàn)象，開關(guān)本身和電容器都容 易損壞。據(jù)調(diào)查，我國過去使用的自動投切電容器無功補償裝置在使用3年后損壞率達(dá)75%2。隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了智能型的動態(tài)無功補償裝置。這種以電力電子器件作為無功器件（電容器、電抗器）的控制或開關(guān)器件 的動態(tài)無功補償裝置被稱為靜止無功補償裝

4、置（SVC: Static Var Compensato）。SVC是動態(tài)無功補償技術(shù)的發(fā)展方向，它正成為傳統(tǒng)無功補償裝置的更新?lián)Q代產(chǎn) 品。正因為如此，本課題選擇這一技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究。1.2靜止無功補償技術(shù)的發(fā)展靜止無功補償?shù)淖饔门c類型對電力系統(tǒng)中無功功率進(jìn)行快速的動態(tài)補償，可以實現(xiàn)如下的功能3,4：（1）對動態(tài)無功負(fù)荷的功率因數(shù)校正。（2）改善電壓調(diào)整。（3）提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性，阻尼功率振蕩。（4）降低過電壓。（5）減少電壓閃變。（6）阻尼次同步振蕩。（7）減少電壓和電流的不平衡。應(yīng)當(dāng)指出，以上這些功能雖然是相互關(guān)聯(lián)的，但實際的靜止無功補償裝置往往只能 以其中某一條或某幾條為直接控

5、制目標(biāo)，其控制策略也因此而不同。此外，這些功能有 的屬于對一個或幾個在一起的負(fù)載的補償效果（負(fù)載補償），有的則是以整個輸電系統(tǒng)性能的改善和傳輸能力的提高為目標(biāo)（輸電補償），而改善電壓調(diào)整，提高電壓的穩(wěn)定 度，則可以看作是兩者的共同目標(biāo)。在不同的應(yīng)用場合，對補償裝置容量的要求也不一 樣。以電弧爐、電解、軋機(jī)等大容量工業(yè)沖擊負(fù)荷為直接補償對象的無功補償裝置，要 求的容量較小，而以電力系統(tǒng)性能為直接控制目標(biāo)的系統(tǒng)用無功補償裝置，則要求具有 較大的容量，往往達(dá)到幾十或幾百兆乏 。早期的無功補償裝置的典型代表是同步調(diào)相機(jī)。同步調(diào)相機(jī)能進(jìn)行動態(tài)的無功補 償，至今在無功補償領(lǐng)域中還在使用，而且隨著控制技術(shù)的

6、進(jìn)步，其控制性能還有所改 善。但同步調(diào)相機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，其損耗、噪聲都很大，它正被靜止無功補償裝置（SVC）所取代。SVC近年來獲得了很大發(fā)展，已廣泛用于輸電系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的無功補償。 早期的 SVC是飽和電抗器（SR）型的，盡管它具有靜止型的優(yōu)點，但它需要工作在飽和狀態(tài)， 損耗和噪聲都很大，而且存在非線性的問題，因而未能占據(jù)SVC的主流。采用并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補償有一系列的優(yōu)點，因而在電力系統(tǒng)的無功補償中獲得廣泛應(yīng)用。并聯(lián)電容器補償可采用固定電容器 （FC）補償和開關(guān)投切電容器的自動補償。 前者 是不能調(diào)節(jié)的，不能進(jìn)行動態(tài)補償；后者用開關(guān)投切電容器，能進(jìn)行動態(tài)無功補償。傳 統(tǒng)的電容器動態(tài)

7、無功補償裝置采用機(jī)械開關(guān)（接觸器或斷路器）投切電容器。機(jī)械開關(guān) 的開關(guān)速度較慢，不可能快速跟蹤負(fù)荷無功功率的變化；而且投切電容器時常會引起較 為嚴(yán)重的沖擊涌流和操作過電壓，這樣開關(guān)觸頭易受電弧作用而損壞，而且可能使電容器承受過電壓而擊穿。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，晶閘管開始用于 SVC裝置中，出現(xiàn)了晶閘管控制 電抗器(TCR)和晶閘管投切電容器(TSC)這兩種基本結(jié)構(gòu)型式的SVC，以及它們的 混合裝置，女口 TCR + TSC、TCR + FC等。使用晶閘管對無功器件(電容器和電抗器)進(jìn)行投切或控制的優(yōu)點是響應(yīng)速度快， 可以頻繁投切。因此，使用晶閘管的靜止無功補償裝置近年來發(fā)展很快，靜止無功

8、補償 裝置(SVC)這個詞往往專指使用晶閘管等電力電子開關(guān)器件的靜止無功補償裝置。1977年，美國GE公司首次在實際電力系統(tǒng)中演示運行了其使用晶閘管的靜止無功 補償裝置。1978年，在美國電力研究院(EPRI)的支持下，西屋電氣公司(Westing house Electric Corp)制造的使用晶閘管的靜止無功補償裝置投入實際運行5'6。隨后，世界各大電氣公司都競相推出了各具特點的系列產(chǎn)品。我國也先后引進(jìn)了數(shù)套這類裝置。 由于使用晶閘管的靜止無功補償裝置具有優(yōu)良的性能，所以，自20世紀(jì)80年代以來，在世界范圍內(nèi)其市場一直在迅速而穩(wěn)定地增長，已占據(jù)靜止無功補償裝置的主導(dǎo)地位3。SVC

9、主要有晶閘管控制電抗器(TCR: Thyristor Control Reactor)、晶閘管開關(guān)電容 器(TSC: Thyristor Switch Capacitor)。比SVC更先進(jìn)的無功補償裝置是靜止無功發(fā)生 器 (SVG: Static VarGenerato)。以下進(jìn)行簡要介紹。晶閘管控制電抗器(TCR)晶閘管控制電抗器(TCR)無功補償裝置的單相原理圖如圖 1.1所示。兩個反并聯(lián)的 晶閘管(SCR)與一個電抗器(L)相串聯(lián)，其三相多接成三角形。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。圖1.1 TCR型補償器原理圖TCR采用相控原理，其有效移相范圍為 90

10、6;1 80°。當(dāng)觸發(fā)角a =90°時，晶閘 管全導(dǎo)通，導(dǎo)通角S =180°，此時電抗器吸收的無功電流最大。根據(jù)觸發(fā)角與補償器等 效導(dǎo)納之間的關(guān)系式BL = BLmax ( S -sin 5 ) / n和BLmax=1 / Xl可知：增大觸發(fā)角即可增 大補償器的等效導(dǎo)納，這樣就會減小補償電流中的基波分量。所以通過調(diào)整觸發(fā)延遲角 a的大小就可以改變補償器所吸收的無功分量，達(dá)到調(diào)整無功功率的效果。在工程實際中，可以將降壓變壓器設(shè)計成具有很大漏抗的電抗變壓器，用晶閘管控 制電抗變壓器。這樣就不需要單獨接入一個變壓器，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

11、路連接，二次繞組經(jīng)過較小的電抗器與晶閘管連接。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)一步降低無功補償 產(chǎn)生的諧波。瑞士勃郎鮑威利公司在 20世紀(jì)80年代就制造出了此種補償器用于高壓 輸電系統(tǒng)的無功補償2 0由于單獨的TCR只能吸收無功功率，而不能發(fā)出無功功率，因此可以將并聯(lián)電容 器與TCR配合使用構(gòu)成無功補償器。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 的靜止無功補償器(TCR +MSC)。這種具有TCR型的補償器反應(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)用廣泛。

12、1.3課題來源及主要研究內(nèi)容課題來源本課題是針對國內(nèi)現(xiàn)有的電容器自動投切裝置存在下列問題而提出的：(1) 采用接觸器或斷路器作投切開關(guān)，無法實現(xiàn)零電壓(電網(wǎng)電壓與電容器電壓 之差)投切，這樣會產(chǎn)生很大的涌流沖擊，容易損壞電力電容器和投切開關(guān)等設(shè)備。(2) 采用機(jī)械開關(guān)投切無法實現(xiàn)分相投切，這樣在三相負(fù)荷不平衡時達(dá)不到補償 效果，并可能出現(xiàn)某些相過補償。(3) 投切判據(jù)單一，通常根據(jù)以下五種方法之一來對電容器進(jìn)行投切：電網(wǎng)電壓 高低、無功功率方向、功率因數(shù)大小、負(fù)荷電流大小、晝夜時間劃分。很明顯，這種投 切方式無法做到最優(yōu)化補償，有時還會出現(xiàn)過補償。以功率因數(shù)作為投切判據(jù)的無功補 償裝置，在小負(fù)

13、荷情況下會出現(xiàn)投切振蕩13 0主要研究內(nèi)容本課題研究用電力電子開關(guān)器件和微處理器構(gòu)成的TSC型低壓動態(tài)無功補償裝置。將對TSC型無功補償裝置的主回路、檢測和控制方法、零電壓投入方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn) 行研究，并研制一種TSC型低壓動態(tài)無功補償裝置。主要研究內(nèi)容如下：(1)理論分析與仿真研究a對TSC靜止無功補償裝置可能的主電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析和仿真研究，明確各種方案的特點與適應(yīng)性。b. 檢測和控制方法的研究。研究無功電流、無功功率的實時檢測方法及其實現(xiàn)，并 探討基于瞬時無功理論的無功電流檢測方法。并確定合適的控制方法。c. 對電容器投入電網(wǎng)時的涌流進(jìn)行分析計算，研究各種零電壓投入方法，研究一種 適應(yīng)

14、性較強(qiáng)的零電壓投入方法。(2)研制TSC型低壓動態(tài)無功補償裝置a主回路的設(shè)計。b.控制器的設(shè)計。設(shè)計一個基于16位高性能單片機(jī)的低壓TSC裝置，包括硬件電 路設(shè)計和軟件編程?？刂破鞒穗娙萜鞯耐肚锌刂乒δ芡猓€具有電網(wǎng)參數(shù)測量和通信 功能。第2章仿真分析與關(guān)鍵技術(shù)的研究2.1概述2.3無功分量的檢測方法無功電流幅值的檢測圖2.7是采用并聯(lián)電容器對負(fù)荷進(jìn)行無功補償?shù)南到y(tǒng)示意圖P沖負(fù)裁圖2.1用電容器進(jìn)行負(fù)荷補償?shù)南到y(tǒng)示意圖設(shè)節(jié)點電壓為Up(t)二 2Usin t(2.1)負(fù)載電流為h(t)=lsi n©tZ)(22)式(2.2)通過三角函數(shù)變換后得i,(t) =,21 cos si n

15、t 2I sin cos t = ip(t) iq(t)(23)式中i p(t)和iq(t)分別為有功電流分量和無功電流分量。當(dāng)3 t=2k n時，由公式(2.2)得ii (2k応)=勺2I sin ® = I qm(2.4)式中Iqm為負(fù)荷無功電流幅值。可見，只要檢測在電網(wǎng)電壓正向過零時刻的負(fù)荷電流，就可知對應(yīng)的無功電流幅值Iqm。這種無功電流檢測方法簡單、快速(在一個周期內(nèi)只要采樣一次)?；谏鲜鲈淼臒o功電流幅值檢測原理電路框圖如圖 2.8所示。來自電壓互感器的 電壓信號u和電流互感器的電流信號i經(jīng)過低通濾波器(LPF)濾波后由過零脈沖發(fā)生 電路產(chǎn)生電壓正向過零脈沖信號，作為采

16、樣保持器的采樣開關(guān)信號，于是采樣保持器的輸出就是無功電流幅值。圖2.2無功電流幅值檢測原理電路框圖LPF采樣保持器A/D檢測無功電流幅值可用于TSC無功補償裝置的電容器投切判據(jù) 四叫由圖2.7可知,il=ic+is ,如果使iq=ic，則實現(xiàn)了完全補償。根據(jù)可得du p，-ic 二 一 CC 2U cos tdtiq = (、21 sin ) cos t = IQM cos tlC =1 QM2 U(2.5)(2.6)(2.7) C即為全補償所需投切的電容量。若 C為負(fù)，則是切除相應(yīng)容量的電容器；反之, 則應(yīng)投入相應(yīng)容量的電容器?；谒矔r無功功率理論的瞬時無功電流檢測三相電路瞬時無功理論自20

17、世紀(jì)80年代提出以來，在許多方面得到了成功的應(yīng)用 該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時無功功率、瞬時有 功功率等瞬時功率量。以該理論為基礎(chǔ)，可以得出用于無功補償?shù)臒o功電流實時檢測方 法。無功電流實時檢測方法為實現(xiàn)最優(yōu)化的無功補償控制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)3 o瞬時無功功率理論簡述在瞬時無功功率理論體系中，將三相瞬時電壓Ua, Ub，Uc和瞬時電流ia, ib, ic分別變換到兩相正交的a -B坐標(biāo)系上3,26，得到兩相瞬時電壓Ua, UB和瞬時電流i a, i B,有u10-1/23/2-1/2-V3/2UaUbUc(2.16)-1/2 -1/2 .V3/2 - J3/2ibi

18、c(2.17)在a B平面上，矢量 ，ub和i«, ip的合成旋轉(zhuǎn)電壓矢量為u,合成旋轉(zhuǎn)電流矢量為i,則有U = Ua+UB , i=i a+i p(2.18)電流矢量i可分解為與電壓矢量u同相位的瞬時有功電流ip和與u正交的瞬時無功電流iqi = ip iq = icosv i sinv式中，B為a p平面上U與i的相位差。瞬時有功功率p和瞬時無功電流q為(2.19)iPiq(2.20)根據(jù)三相電路各相電壓的相位關(guān)系，設(shè)矩陣C為cost-sin vcos(-)3=2兀 sin( )32 :2兀 cos( )3辦2兀-si n( )3(2.21)則有iaibip iq(2.22)各相

19、瞬時無功電流iaq , i bq, icq由下式求取i aq(2.23)i bqicq式中，CT為C的轉(zhuǎn)置矩陣。2.332瞬時無功電流微機(jī)檢測的原理三相電路瞬時無功電流的檢測原理框圖如圖2.10所示。圖2.10瞬時無功電流檢測原理框圖第4章控制器軟件設(shè)計與抗干擾設(shè)計4.1控制器軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)程序工作流程本裝置控制器主要采用匯編語言進(jìn)行系統(tǒng)的程序設(shè)計，采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括 以下幾部分：主程序模塊、交流采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制輸出模塊、鍵盤處理和 液晶顯示模塊、通信處理模塊等。系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖 4.1所示。圖4.1系統(tǒng)軟件工作流程圖合成參考電壓矢量的空間矢量在各個扇區(qū)內(nèi)的作用時間如表4

20、.3所示。T1和T2在各個扇區(qū)的值具有規(guī)律性：第I扇區(qū)的矢量作用時間 、T2和第切扇區(qū)的T1、T2相同，第川和第W扇區(qū)、第U和第V扇區(qū)內(nèi)也分別有類似的對應(yīng)關(guān)系。此 外，第I扇區(qū)的T1、T2分別和第川扇區(qū)的 、T2相等，其余各扇區(qū)也均有此類似 規(guī)律。該方法避免了正弦函數(shù)、反正切函數(shù)的反復(fù)查表問題。同時也避免了反正切 運算的計算溢出問題。表4.1空間矢量在各扇區(qū)內(nèi)的開關(guān)時間扇區(qū)*£TiT2I任意tix - T2X / 2T2Xn> 0-T ix + T2X / 2Tix + T2X / 2<0Tix + T2X / 2-T ix + T2X / 2出任意T2XTix - T2

21、X / 2IV任意T2XTix - T2X / 2V> 0-T ix + T2X / 2Tix + T2X / 2<0Tix + T2X / 2-T ix + T2X / 2任意Tix - T2X / 2T2X纟士審五 結(jié)束語本文對靜止無功補償（SVC）這一技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了研究和工程設(shè)計， 所做的工作主 要包括兩個方面：其一，對電力系統(tǒng)靜止無功補償裝置的工作情況進(jìn)行了仿真分析，對 晶閘管開關(guān)電容器（TSC）型無功補償裝置的檢測方法與控制目標(biāo)，對電容器投入過程 中的電流沖擊與零電壓投入等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了有效的技術(shù)方案；其二，對 低壓TSC靜止無功補償裝置進(jìn)行了工程設(shè)計，設(shè)計方

22、案中從根本上解決了電容器投入 過程中的電流沖擊問題和小負(fù)荷時投切振蕩問題，并使TSC型無功補償裝置具有通信功能。通過本文的研究，得到這樣一些結(jié)論：（1）參考文獻(xiàn)1 周鶴良我國電力市場與對策見：第七屆全國“智能化電器及應(yīng)用”學(xué)術(shù)年會暨“2004 年配網(wǎng)自動化和變電站自動化”論壇論文集.南京：中國電工技術(shù)學(xué)會電器智能化系 統(tǒng)及應(yīng)用專委會，2004, 1-32 趙 賀.電力電子學(xué)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用一靈活交流輸電系統(tǒng).北京：中國電力出版社，2001, 20-503 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補償.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998, 164-2414 B Denfino,F Fornari,C Gemme.Power Quality Improment in Transmision and Dist