變電站無功控制裝置設計【獨家畢業(yè)課程設計帶任務書+開題報告+外文翻譯】,變電站,無功,控制,節(jié)制,裝置,設計,獨家,畢業(yè),課程設計,任務書,開題,報告,講演,呈文,外文,翻譯 編號： 畢業(yè) 設計說明書 題 目： 變電站無功控制裝置設計 學 院： 機電工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學生姓名： 林 鵬 學 號： 1200120319 指導教師： 羅 奕 職 稱： 高 工 題目類型 ： ?理論研究 ?實驗研究 ?工程設計 ?工程技術研究 ?軟件開發(fā) 2016 年 06 月 03 日 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 I 頁 摘 要 隨著我國經濟 、 技術的 發(fā)展 ， 生產和生活越來越依賴于電力供給 ， 大量電機和電力電子設備的應用極大促進了生產自動化水平的提高 ， 但同時 ， 大量變電設備和感應電機是電網(wǎng)無功損耗的主要來源 ， 整流 /逆變裝置成為主要的諧波源，這些都成為影響供電質量的主要因素。 提高 供電網(wǎng)絡的供電質量已成為一個亟待解決的課題。功率因數(shù)是輸電 線路 中一個重要的技術參數(shù)， 通過 提高功率 因數(shù) 可以 有效 提高供電效率 和 一次設備的利用率， 而利用 無功補償技術可以有效提高功率因數(shù)。 本次 設計主要是運用 51 單片機來實現(xiàn) 無功 控制 裝置的設計，該裝置采用數(shù)字檢測電路來獲取電網(wǎng)電壓和電流的相位差，單片機通過與 連 從而顯示功率因數(shù) ； 控制開關采用 接觸器 ；電源電路的設計則 為 單片機和 數(shù)字 檢測電路 提供 穩(wěn)定的供電電壓。該裝置具有抗干擾強，精度高的特點。同時電網(wǎng)中諧波的存在也是不容忽視的問題 ， 這里采用 波器來濾除 諧波。 本文 運用 51 單片機 ，對電力系統(tǒng)中無功功率進行 監(jiān)測 和控制，使功率因數(shù)達 到調整和優(yōu)化， 證明 了本次 設計 的可行性，具有一定的實用價值 。 關鍵 詞 ： 功率因數(shù) ；諧波；無功 控制 ； 投切； 51 單片機 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 of s on of a of of at a of of of of of an to be is an By of of of is 1 to of to of CM CD to is to a of At of in be by C In by 1 of So be it is is 51林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 目錄 目 錄 摘 要 ................................................................................................................ I .................................................................................................... 緒論 ............................................................................................................. 1 究背景、目的及意義 .......................................................................................... 1 題研究現(xiàn)狀 .......................................................................................................... 1 題研究內容及目標 .............................................................................................. 2 1,4 本章小結 .................................................................................................................. 2 2 功率因數(shù)與無功補償 ................................................................................. 3 率因數(shù)與無功功率 .............................................................................................. 3 .............................................................................. 3 功補償 .................................................................................................................. 4 .................................................................................................. 4 .................................................................................. 5 償容量計算 .......................................................................................................... 5 .......................................................................................... 6 .................................................................................. 6 功補償裝置 .......................................................................................................... 7 ...................................................................................... 7 ...................................................................................................... 8 .................................................................................. 8 功補償投切方式 .................................................................................................. 9 章小結 ................................................................................................................. 11 3 諧波抑制 ................................................................................................... 12 波問題與現(xiàn)狀 .................................................................................................... 12 波含義及產生原因 ............................................................................................ 12 波補償原理 ........................................................................................................ 12 除 5,7 次諧波的 波器設計 ...................................................................... 13 章小結 ................................................................................................................ 14 4 無功補償控制器功能設計 ....................................................................... 15 率因數(shù)測量硬件電路 ........................................................................................ 15 感器測量模塊 ......................................................................................... 16 號采樣模塊 ............................................................................................. 17 片機模塊 ................................................................................................. 18 量原理 ..................................................................................................... 20 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 目錄 ...................................................................................................... 21 示模塊 ..................................................................................................... 22 率因數(shù)測量電路軟件程序設計 ........................................................................ 23 試過程 ................................................................................................................ 24 容投切 ................................................................................................................ 25 章小結 ................................................................................................................ 26 5 結論與建議 ............................................................................................... 27 題總結 ................................................................................................................ 27 議 ........................................................................................................................ 27 章小結 ................................................................................................................ 27 謝 辭 ............................................................................................................. 28 參考文獻 ......................................................................................................... 29 附錄一 功率因數(shù)測量電路 ............................................................. 30 附錄二 功率因數(shù)測量電路原理圖 ............................................................. 31 附錄三 投切控制圖 ..................................................................................... 32 附錄四 變電站主接線圖 ............................................................................. 34 附錄五 軟件程序 ......................................................................................... 35 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 1 頁 共 37 頁 1 緒論 究背景 、 目的 及意義 近 三十 年 以 來 ， 我國 經濟 高速 發(fā)展， 同時 也帶動了我 國 電力工業(yè)的蓬勃發(fā)展。 隨著電力 需求 的不斷 增加 ，對供電網(wǎng)絡的供電質量也提出了更高的要求 ， 為解決 這 一問題，國家 上馬建設了一大批 電力 工程項目， 建設 水電 核電 ，特高壓輸電，油氣管網(wǎng)， 智能 電網(wǎng)等。電力系統(tǒng)裝機容量也是逐年攀升， 截至 2014 年 底， 全國 發(fā)電裝機容量 突破 13 億千瓦大關。 2014 年 全國全社會用電量達到歷史峰值， 高達 億 千瓦時， 同比 百分點。 超 高壓 ， 遠距離 電力輸送， 智能 電網(wǎng) 廣泛 推行， 這一切 都是 鼓舞人心 的成就，通過這一 系列 舉措，使得能源得到合理和 高效 的使用 。但是電力行業(yè)也同樣存在很 多 問題，由于 現(xiàn)代輸電 網(wǎng)絡都 往 遠距離 、 高壓 輸送方向發(fā)展，無功功率在輸電網(wǎng)絡中進行長距離傳輸行不通， 會 造成電壓 偏移 ， 供電 質量下降等不良影響。在 低壓網(wǎng) 中， 功率 因數(shù)普遍比較低， 造成 一次設備 不能 得到有效利用， 供電 質量下降，對 無功功率進行補償是改善電能質量的必要手段 。 電力系統(tǒng)的無功控制 主 要是為了控制電壓， 滿足 輸電 系統(tǒng) 盡可能大的 傳輸 能力的 同時 并保證電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。 電能 質量的好壞取決于 電壓和頻率 ， 而 這兩者必須穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內， 其中 電壓又主要受到無功功率的影響，不合理的無功分配還會導致系統(tǒng) 的電壓質量不能 達標 ， 對 無功的控制顯得尤為重要 。 另外 無功功率在電網(wǎng)中也會造成額外的損耗，所以，無功功率控制，對 提升 系統(tǒng)安全運行的穩(wěn)定性， 保障 供電質量可靠安全 具有 很重要的意義。 題 研究現(xiàn)狀 補償無功功率的最基本 的方法是 構建 并聯(lián)補償電路（ 在 電路中加入電容器 與 感性負荷并聯(lián)）， 這種 方法 具有結構清晰 、 投資少的優(yōu)點， 在 早期無功補償技術 時代 得到廣泛應用。但是其 缺點 也很明顯，由于其補償容量往往是不變的，所以不能對實時 的 負荷無功需求做出 響應 ， 因而 不能做到動態(tài)無功補償 。在現(xiàn)代 工農業(yè) 生產中， 供電 網(wǎng)絡往往是復雜多樣化的，對無功功率單純的靜態(tài)補償已不能滿足要求，必須對無功功 率 進行動態(tài)補償， 這時便誕生了 同步調相機 。 同步調相機本質是一個電源 ，它控制電壓變化的效果很顯著， 由于 它可以在很短的時間內提供較大的無功功率，即使 當 電力系統(tǒng)出現(xiàn) 電壓 調節(jié)大幅度降低的情況 時 ，也可以 使系統(tǒng) 電壓很快 復原 ，保證了系統(tǒng)供電電壓 的 質量 。 上世紀 70 年代 以來， 靜止 型無功補償裝置因其飽和電抗器靜止， 響應 速度快的優(yōu)點得到廣泛 認可 ， 已 逐漸取代了同步調相機。 它 通過電力電子器件的高頻開關實現(xiàn)供電網(wǎng)絡的動態(tài)無功補償， 它 可以起到提高功率因數(shù)， 改善 電壓質量， 平衡不 對稱 負荷 的作用， 在 中高壓電力系統(tǒng)中的動態(tài)無功補償?shù)玫綇V泛應用。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 2 頁 共 37 頁 隨著 新技術的革新與發(fā)展，由晶閘管控制的 新型 無功補償裝置 應運 而生，即 靜止 無功補償 裝置 止無功發(fā)生器 靜止無功補償裝置 為先進， 它改變電力系統(tǒng)的電流相位以 實現(xiàn) 無功 補償 的目的， 而不是將 容性無功和感性無功進行相互抵消 。 1992 年又提出了一種統(tǒng)一潮流控制器的概念 ， 這種裝置的控制范圍很大 ， 而且可以同時實現(xiàn)并聯(lián)補償或者移相等多種功能 ， 早在 1998 年美國就有變電站安裝上了這種無功補償裝置。我國正在加緊實際裝置的研究，目前絕大多數(shù)還處于理論研究或者數(shù)字仿真的 階段?？赊D換靜止補償器則是目前最新一代的無功補償裝置，目前僅在美國有 實際投入使用這種裝置，它實質是統(tǒng)一潮流控制器的多重組合，可以實現(xiàn) 線路間功率轉換，并能同時控制兩條以上線路的電壓和阻抗等。 在 供電 網(wǎng)絡中， 電壓 和頻率決定 了 供電質量的好壞 ， 而 電壓 的控制是通過無功功率的調節(jié)來實現(xiàn)的， 目前 無功功率調節(jié)主要 還是 應用無功補償技術，而隨著現(xiàn)代電子技術的飛速發(fā)展， 靜止 無功補償?shù)陌l(fā)展呈現(xiàn)如下幾點： （ 1） 以往 的無功補償都是單一的無功功率補償， 即只是進行無功補償 ， 現(xiàn)在為了滿足抑制諧波的需求 ， 已逐步發(fā)展為具備無功補償和抑制諧波功能的靜止無功補償技術 ，隨著 電力電子技術的飛速發(fā)展，在供電系統(tǒng) 或者 負荷 中 含有大量的諧波，抑制諧波是無功補償技術中必不可少的環(huán)節(jié)。 （ 2） 測量功率因數(shù)更為快速準確， 動態(tài) 響應時間縮短，能夠 實時 跟蹤負荷的無功需求并快速地投切電容器， 結合 計算機的數(shù)字 控制技術， 在 無功補償中引入模糊控制等新的控制方式。 （ 3）擴大 無功補償技術的使用范圍，無功補償目前主要還是應用 在 低壓系統(tǒng)中，受限 于晶閘管的耐壓水平， 高壓 系統(tǒng)還不能 廣泛 應用無功補償技術， 因此 ， 研發(fā) 高壓動態(tài)無功補償技術具有很重要的 實用 價值， 解決 補償裝置晶閘管和二極管的耐壓 成為 此技術的突破口。 題 研究 內容 及目標 以 測量功率因數(shù)為基礎， 設計一套采用靜電電容器與電抗器組對 1080V 變電站系統(tǒng)進行無功補償調節(jié)的控制裝置 ，了解功率因數(shù)的定義， 無功 補償 和 諧波補償原理以及基本要求， 并 針對 需要 的補償容量設計投切策略， 提出 具體的濾波方法。 通過 以上的對比分析研究， 得 出一套具體的測量功率因數(shù)的方案， 并 印證出無功調節(jié)和功率因數(shù)的關系 。 1,4 本章小結 這一章節(jié)是本課題的開題描述 ， 主要介紹當前無功控制的研究背景 和意義 ，闡明對變電站無功控制的必要性，為本課題的繼續(xù)研究做了開頭介紹。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 37 頁 2 功率因數(shù)與無功補償 率因數(shù)與 無功功率 在供電系統(tǒng)中，純感性 或 純容性的負載一般都是不存在的，都是 電感 、 電容 和電阻混合的混合型負載， 這種 負載的 電流 和電壓之間存在一定 的 相位差， 這種 相位角 的余弦值就是功率因數(shù) 。 功率 因數(shù) 是 指有功功率與 總 耗電量（視在功率）的比值， 一般用 表示 ， 它用來 衡量供電系統(tǒng)中電力被有效利用的程度， 功率 因數(shù) 值 越大，代表其電力利用效率越高 。 電路中 負荷的類型也 與功率 因數(shù)的大小 有 關，電阻性負荷 功率因數(shù) 一般都是1，如白熾燈泡、電阻爐等，而容性負荷和感性負荷由于要做無用功，視在 功率 不能完全提供給有功功率，所以除了阻 性 負載， 任何 感性和 容 性負載的功率因數(shù)不可能大于或者等于 1。 凡是根據(jù)電磁感應原理工作的 或者 是帶有電磁線圈的電氣設備， 都要 建立磁場， 由于建立磁場而需要的電功率我們稱之為無功功率 。 無功功率 并不是做無用功， 它 是產生有功功率的必要條件， 有功 功率和無功功率是相互依存的， 對于 電力系統(tǒng)而言 ， 兩者 是缺一不可 的。 當 電力系統(tǒng)出現(xiàn)無功功率不足時，帶有電磁線圈的電氣設備 無法 建立正常的電磁場， 那么這些電氣設備 就不能 在額定工況下工作， 端 電壓 就會 下降， 供電 質量必然下降。 功調節(jié)關系 在電力系統(tǒng)中， 存在 視在功率 S， 無功 功率 Q， 有功功率 P， 他們 保證了電力系統(tǒng)的有功功率平衡和無功功率平衡，他們之間 構成 一個如圖 2示的功率三角形 關系 。 圖 2 其中 P=S× （ （ 2 Q=S×???????? （ （ 2 S=√??2 +??2 （ （ 2 由圖可 分析得 ， 在 保持有功功率 P 不變的前提下， 當無功 功率 Q 增大時 ， 系統(tǒng) 視在功率 大 ， 意味著為該系統(tǒng)供電的 變壓器 容量相應增大， 則 該供電系統(tǒng)的一次設備投資也將大大增加， 一次 設備的利用率下降，線損也增加 。 如果 使功率因數(shù) φ林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 37 頁 變大 時， 維持 有功功率 P 不變，供電系統(tǒng)的視在功率 S 降低 ， 在 不用增加有功功率的前提下達到了提升系統(tǒng)視在功率的 目的，明顯提高了企業(yè)的經濟效益，同時也減少了線路的供電損失。 功 補償 把感性負載和容性負載并聯(lián)接在電路中， 再接 入一個電容與感性負載 、 容性 負載 并聯(lián) ， 組成 并聯(lián)補償電路。 在 有容性負荷的電路中，電流相位超前電壓 90°， 在 有感性負荷的電路中，電流 相位 滯后電壓 90°， 而且 在同一電路中， 流經 電感的電流方向與流經電容的電流方向相反， 正好 相差 180°， 我們 可以通過在補償電路 中安裝電容 元件 ， 使 得流經電感 與 電容的電流相互抵消，這樣電流 矢量 和電壓 矢量 的夾角 就會 變小， 達到 提高功率因數(shù)的目的 ， 這就是無功補償?shù)脑?。 無功補償 的關鍵是要把感性負荷和 容性 負荷并聯(lián)接在電路中，使得能量在兩者之間來回切換。 償 要求 （ 1） 能夠根據(jù)電網(wǎng) 無功 功率大小 變化 和電壓質量要求自動 投 切與 調節(jié) ，保證系統(tǒng)功率因數(shù)保持在一個較高的水平 （農業(yè)用電，功率因數(shù)在 上；中大型電力用戶要在 上等） ， 使 系統(tǒng)無功損耗處在最小的 狀態(tài) 。 （ 2）調節(jié) 過程全程智能化 ， 采用全智能 數(shù)字 控制系統(tǒng)， 能夠 聯(lián)網(wǎng)查看每段線路的電壓， 電流 以及功率因數(shù)， 實現(xiàn) 智能化。 （ 3）根據(jù) 降低線損 的 原則， 優(yōu)先 就地補償， 提升供電質量 。 （ 4）能 快速跟蹤系統(tǒng)無功功率的動 態(tài) 變化，保證投切策略及時有效并能頻繁操作，避免投 切過程中出現(xiàn)過電壓和涌流。 （ 5）配置無功補償設備要合理布局， 相比高壓配電網(wǎng)，無功功率在低壓配電網(wǎng)中占有的比重更高，所以要以 低壓補償為主， 但是也不能不補償高壓，應做到高壓補償和低壓補償相結合。 （ 6）供電系統(tǒng)中負荷分配往往是復雜多樣化的，既有集中在一起的，如變電站中集中裝設的大容量電氣設備，也有分散在不同區(qū)域的，如配電線路和用戶的電氣設備等等， 現(xiàn)實中往往分散的情況比較多 ， 所以要以分散補償為主 ， 同時兼顧集中補償 ， 做到分散補償與集中補償結合 。 這樣做的目的就是為了減低線損，盡量做到哪里產生的無功功率，就在哪里補償。 （ 7）無功補償過程中，不僅要降低損耗，也要保證節(jié)點電壓穩(wěn)定，保證系統(tǒng)可以平穩(wěn)運行。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 37 頁 無功功率是 電氣設備在電路中建立和維護磁場的功率，無功 功率并不是 無 用功 ，它只是不 直接參與 將 電能轉化 為 機械能 、 熱能 等。變壓器運行 需要 磁場， 而 磁場的建立及維護離不開無功功率， 因此 電氣設備除了需要有功功率之外， 還 需要無功 功率 ， 兩者 缺一不可。 在 正常情況下，電力系統(tǒng)供給 的 無功功率遠遠達不到負載的 需求 ， 所以 需要在電力系統(tǒng)中 加裝 一 些 無功補償裝置以 供給 更多的無功功率， 這樣 電氣設備才能在額定電壓下 平穩(wěn) 運行。無功補償 的 意義： （ 1）可以減少 由于無功功率在電網(wǎng)中流動造成的損耗， 功率 因數(shù)得到提高，從而使得負載的電壓更加穩(wěn)定 ， 電壓損失 也 更加 少了。 （ 2）穩(wěn)定 電力系統(tǒng)的電壓，在長距離運輸?shù)妮旊?線路 中設置合適的動態(tài)無功補償裝置還可以起到穩(wěn)定輸電系統(tǒng)的作用， 提高 輸電能力。 （ 3） 假設 當 原始功率因數(shù) 1＝ 功率 因數(shù) 理想 值 2＝ 對于 1000壓器，補償前 它承擔的負載為 1000×00償后它承擔的負載為1000×20以發(fā)現(xiàn) ，無功補償后，功率因數(shù)提升的同時，也使得變壓器可以多承擔 120著地挖掘了發(fā)供電設備端的潛力，所以可以著眼于在維持現(xiàn)有設備容量不變的情況下，如何通過無功補償提升功率因數(shù)。 （ 4） 延 長 電氣設備的壽命， 提升 功率因數(shù)可以使得總電流減小， 可以 使得本已飽和 或者 將近飽和 的 設備 負荷 降低， 可以 降低設備的溫升從而達到增加壽命的目的。 （ 5）發(fā)電機的有功輸出得到提高。 （ 6）供電企業(yè) 的經濟效益得到了提高， 由于 改善 了 功率 因數(shù)，減少了 很多 線路中的電氣元件， 投資 減少 。 償 容量計算 電力系統(tǒng)進行無功補償總是想把 原有 的功率因數(shù)提升到 一個 更高的理想期待值， 然后 根據(jù)要實現(xiàn)的目標來 確定 使用并聯(lián)補償電路還是串聯(lián)補償電路。 現(xiàn)代 工農業(yè)生產設備繁多， 用電 情況較為復雜， 并聯(lián) 補償電路能夠滿足不同生產情況的用電需求， 90%以上的無功補償電路都是采用并聯(lián)補償電路（即在負載 端并聯(lián)接入 一個電容）。根據(jù) 要 達到的理想期待值， 通過 計算公式來計算出系統(tǒng)需要補償?shù)碾娙萘浚?由于 補償?shù)氖菬o功功 率 ，所以有功功率在補償前后都是一個固定 值 ， 保持 不變。 通過 如下 公式 計算可知： ?=??1 ???2=1 ?2=P（ 1 ?2） =????P （ 2 其中： 補償前 系統(tǒng) 無功功率 ， 單位： 補償后系統(tǒng)無功功率 ， 單位： 無功補償系數(shù) ， 單位： P 供電系統(tǒng)的有功功率 ， 單位： ??1補償 前 功率因數(shù)角 ； ??2補償后功率因數(shù)角 ； 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 37 頁 因 系統(tǒng)容量為 8001080V 一次系統(tǒng)，系統(tǒng) 自然 功率因數(shù)為 統(tǒng) 功率因數(shù)期待值是 無功 補償 的容量： Q=??1-??2=P(12)=800× （ 2 容器的計算 根據(jù)理想功率因數(shù)以及供電系統(tǒng)運行 指標 ， 可由 上述公式計算出供電系統(tǒng)所需的無功功率大小， 進而 可計算出要取得該補償?shù)臒o功功率值所需的無功補償 電 容。 ?Q=??2????=2π2 ×10?3=??2 （ 2 其中 ： C 為 補償電容值，單位： U 為 電容兩端電壓，單位： V； 可得 系統(tǒng)需補償電容 值 為： C= ???2 （ 2 容器的接線方式 在 電力系統(tǒng)中， 三角形接線和星形接線是電容器組最為常見的接線方式 ，不同的 接線 則電容器兩端承受的電壓不同 。 （ 1） 星 形 接線 當 補償電容器采用星形接線 時， 電容器 兩端 承受 的是 電網(wǎng) 相電壓， 星 形接線 最大的優(yōu)點 是可以選擇 多種保護，少數(shù)電容器發(fā)生故障后， 故障 可 被 快速切除， 安全 隱患較小。接線圖如圖 2 接入電路后應補償?shù)?電容 量 ??1=????2 =13 ×314C??????2 （ 2 圖 2形接線 （ 2） 三角形 接 線 當 補償電容器采用三角形接線 時， 電容器 兩端 承受 的是電網(wǎng)的線電壓， 電容器兩端的 電壓 是 星形接法的 √3倍 。任何一臺電容器發(fā)生故障， 流經 電容器的電流都較大， 而且 不能快速將故障切除掉， 安全隱患 較大 ， 接線圖如圖 2示 ， 接入電路后應補償?shù)碾娙?量 ??2=314C??????2 （ 2 通過以上對比 分析 可知： 要想 取得相同的補償容量， 星形 接法的的電容值必須 是三角形接法的三倍，但是三角形接法 安全性 沒 星 形的好，星 形 結構簡單林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 37 頁 清晰， 建設 費用少，在補償系統(tǒng)中， 宜 采用三角形接法 。 圖 2角形接線 功 補償裝置 在電力系統(tǒng)中，我們可以簡單地把無功補償裝置劃分為兩種 ， 一種是傳統(tǒng)無功補償裝置 ，另一種是現(xiàn)代無功補償裝置，顧名思義，就是以出現(xiàn)的時間順序進行劃分的。傳統(tǒng)無功補償裝置有電容器補償裝置（電容器補償裝置可組成串聯(lián)或者并聯(lián)補償電路）和同步調相機；現(xiàn)代無功補償裝置主要是靜態(tài)無功補償裝置（ ,這種裝置利用反應快速的晶閘管進行控制，如晶閘管控制器（ 晶閘管投切電容器（ 。 電容器補償裝置可組成串聯(lián)或者并聯(lián)補償電路，主要用于補償供電網(wǎng)絡中的感性負荷。其中并聯(lián)電容補償裝置是供電系統(tǒng)中應用最為廣泛的無功補償設備，雖然串聯(lián)電容補償裝置也可以提高功率因數(shù)，但是由于其不能跟蹤補償，而且補償容量往往又是固定的，所 以一般不推薦使用串聯(lián)補償裝置，這里只介紹并聯(lián)電容補償裝置， 并聯(lián)補償電路如下圖 2示 ， 并聯(lián)電容器無功補償裝置矢量圖 如圖 2示 。 可列出電流矢量方程 I = ????+???? （ 2 林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 37 頁 A 2圖 2聯(lián)電容器無功補償裝置矢量圖 由圖可以知道 ， 由于加裝了 電容器，電壓與電流的相位差由補償前的 小到所以功率因數(shù)得到提升 ， 無功補償過程完成 。并聯(lián)電容補償裝置有如下優(yōu)點： （ 1） 并聯(lián)電容補償裝置設備投資少，運行費用較低，結構清晰明了，易于安裝。 （ 2） 并聯(lián)電容補償裝置 運行過程中無噪聲 ， 易于維護 。 （ 3） 并聯(lián)電容補償裝置運行效率普遍較高，相比同步調相機等其他補償設備損耗更低。 （ 4）并聯(lián)電容補償裝置相比同步調相機可以滿足不同安裝條件的地區(qū)，既可以安裝在變電站，也可以安裝在大型工廠和配電系統(tǒng)，而同步調相機往往只能安裝在變電站中心站。 同步調相機 是另一種傳統(tǒng)無功補償裝置 ，它本質就是向供電網(wǎng)絡吸收或者提供無功功率的同步電機，它有兩種運行方式，過勵磁運行和欠勵磁運行。 在 長距離輸電 線路 中，可以在線路的受電端加裝一個同步調相機，當輸電 線 負載較重時，讓同步調相機過勵磁運行 ， 這樣可以提高輸電線路中滯后的無功電流分量 ；當輸電線負 載較輕時，讓同步調相機欠勵磁運行，這樣可以減少滯后的無功電流分。 通過這一措施，可以使得供電網(wǎng)絡的電壓維持在穩(wěn)定的水平，功率因數(shù)也得以接近于 1，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 靜止無功功率補償裝置是目前較為廣泛應用的無功補償裝置，它可以連續(xù)而快速地控制無功功率，調節(jié)性能非常好，調節(jié)時間也短。依托晶閘管的快速反應特性，可以頻繁地進行投切和調節(jié)， 并且相對于傳統(tǒng)的機械式無功補償裝置，它的電容器投切過程中不會有操作過電壓和合閘涌流的影響，所以使用壽命也比機械式無功補償裝置要高，響應靈敏。 因為靜止無功功率補償裝置并沒有旋轉的部件，所以完全沒有 噪聲 。但是它的補償過程卻是動態(tài)的，可以實時地跟蹤無功功率的需求或者電壓的變化情況而動作。與 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 9 頁 共 37 頁 傳統(tǒng)無功補償相比，它的缺點就是制造相對復雜，投資成本較高。靜 止無功功率補償裝置的核心部件就是晶閘管控制部分，利用晶閘管的快速動作特性來實線快速投切，當下運用最為廣泛的晶閘管控制部件有晶閘管控制電抗器（ 晶閘管投切電容器（ 。 功 補償投切方式 目前廣泛應用的電容投切裝置有三種 ， 一是接觸器電容投切裝置 ， 二是晶閘管投切電容裝置 ， 三是復合開關投切電容裝置 ,下面主要針對這三種裝置原理進行分析。 （ 1）接觸器電容投切裝置 當裝置收到由控制器發(fā)來的投入電容器信號時 ， 電阻切合電路觸頭閉合 ， 提前接通 ，此時電流經過電阻向電容充電 。 由于電阻的阻流作用 ， 線路不會有大的合閘涌流 ，然后主觸頭再閉合，短接電阻，電容器充電過程結束，電容器開始正常工作，電容器投入過程結束。當裝置收到來自控制器發(fā)來的切除電容器的信號時，主觸頭先斷開，經過一段時間的延時作用，電阻切合電路再斷開，這樣可以防止切斷過程中出現(xiàn)操作過電壓的作用，電容器切除過程結束。 接觸器投切電容裝置原理圖如下 圖 2 特點 ： 該裝置不適合需要頻繁投切的無功補償場合 ， 并且投切過程中會出現(xiàn)合閘涌流和操作過電壓 ，為了減少涌流和過電壓的情況發(fā)生，投切過程 中電容器都要經過一段時間的放電過程。但是由于頻繁地投切，電容器要承受操作過電壓，合閘涌流，電容器的使用壽命大大縮短，接觸器也易被損壞。 R 2R 1 R 1R 2 R 2圖 2意圖 （ 2） 晶閘管投切電容裝置 閘管投切電容裝置由兩個反并聯(lián)晶閘管串聯(lián)電容器構成 。晶閘管投切電容裝置要把握好投切時機，當晶閘管兩端的電壓為零的時候，即電源電壓壓降全部在電容上，此時才投入電容器，這樣可以避免沖擊電流的出現(xiàn)。一般會采用過零檢測電路來保證當晶 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 10 頁 共 37 頁 閘管兩端電壓為零時觸發(fā)晶閘管，而過零檢測電路靠光電耦合器完成這一過程，其中圖2晶閘管電壓過零觸發(fā)電路原理圖 。 與門零電壓檢測器脈沖隔離電路多諧振蕩器光電耦合C 投切信號L 閘管 電壓過零觸發(fā)電路 當晶閘管兩端電壓為零 ， 光電耦合器會發(fā)出一個脈沖信號 ， 這時候會與投入指令做邏輯與運算來決定是否去觸發(fā)晶閘管 ， 如果無功 補償控制 器 發(fā)來投入指令 ， 則晶閘管平穩(wěn)導通 ， 無功 補償控制器 撤銷投入指令 ， 晶閘管 在零 電流 時自然 關斷 ， 下回 再接收到投入指令時， 但是不同于接觸器投切電容裝置的是 ， 由于晶閘管導通的時候，其兩端電壓正好等于電源兩端電壓，所以就無合閘涌流現(xiàn)象出現(xiàn) ， 特點 ： 該裝置在需要頻繁地投切電容器的場合有使用價值 ， 利用晶閘管的快速響應特性 ,投切快速 ,并且相對于接觸器電容投切裝置 ， 它的使用壽命更長 ， 投切過程無涌流 ，無過電壓 ， 但是相對的 ， 它的造價也相對較高 ， 在使用的時候要考慮投資預算的因素。另外晶閘管投切電容裝置不能連續(xù)地調節(jié)無功功率 ， 不過可以通過對電容器分組解決這一問題 ， 并且在運行過程中不會有諧波產生 ， 損耗也較少 。如果電容器預先充電電壓不等于電源電壓時就投入電容，此時會產生很大的沖擊電流，嚴重損害晶閘管，因此電容投入時機一定要把握好。 容裝置原理示意圖 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 11 頁 共 37 頁 （ 3） 復合開關投切電容裝置 復合投切開關結合了接觸器電容投切裝置與晶閘管投切電容裝置的特點 ， 由雙向反并聯(lián)晶閘管及交流接觸器構成 。 首先控制 器 發(fā)來 的投入電容器信號會使得該裝置等電壓，此時 晶閘管 投入電容器， 由于 晶閘管的特性， 該 投切過程無涌流現(xiàn)象出現(xiàn)，電容器投入之后，該裝置緊接 （ 100內 ）著又發(fā)出一個指令使接觸器閉合 ， 短接 晶閘管，保證電容器正常工作， 投入 電容器 過程 完成 。當 接收到電容器切除信號，接觸器觸點先行斷開， 電流 尚未為零，晶閘管 仍然 導通， 晶閘管 在零 電流 時 自然 關斷 ， 切除電容器過程完成 。 復合開關投切電容裝置原理圖如下圖 2示 。 L L 合開關投切電容裝置原理示意圖 結合本 課題的研究需求 ， 再 對比以上方案 ， 本設計采用結構簡單的接觸器投切電容裝置 。 章小結 本章針對無功控制過程中的重要知識點進行了介紹，包括功率因數(shù)，無功功率的定義 ，以及無功補償?shù)脑砼c要求、 作用與意義。并具體地描述了現(xiàn)代典型的無功補償裝置及其原理，無功補償過程中的補償容量計算，電容器投切策略等。為接下來的硬件電路設計打下扎實的基礎 。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 12 頁 共 37 頁 3 諧波抑制 波問題 與現(xiàn)狀 隨 著 現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展， 電力電子 設備 得到廣泛 應用 ， 電力 電子設備是諧波的主要產生源， 諧波 所造成的 危害 也日益嚴重。 首先 ， 諧波 使得供電質量下降， 輸電 線路的傳輸效率下降， 電氣 設備 經常過熱 ，并有 振蕩 和噪聲， 壽命 大大縮短； 諧波 還可引起供電系統(tǒng) 串聯(lián) 或者 局部 并聯(lián)諧振，造成電氣設備損毀。 降低 諧波對供電系統(tǒng)的影響在 現(xiàn)代 工農業(yè)生產中有著很重要的意義， 這也是 電工科學領域必須解的問題。 波含義 及產生原因 目 前 電力系統(tǒng)廣泛存在各種非線性負載，如整流器 、 逆變器 、 變頻器等， 當 電源 在標準額定頻率下供電時，工頻電壓 或 電流施加在這些非線性負載會產生 與 工頻不同的其他頻率的正弦 電壓 或電流，這些 正弦電壓 或電流 用 傅里葉級數(shù)分解，就是 諧波 。 諧波產生的根本原因還是供電系統(tǒng)中電氣設備的的非線性特 性 ， 當 正弦電壓加在非線性 負載 中，電壓 和所產生的電流就不成線性關系 造成 波形畸變 ，諧波 就是這樣產生的 。 諧波 的存在降低了供電系統(tǒng)的供電質量，使得損耗增加的同時發(fā)熱也更加顯著，因此有必要 抑制 諧波。 波 補償原理 目前抑制 諧波的 方式 主要兩種 ： 一是裝設 波器 這類的諧波 補償 裝置來補償諧波，這種濾波器 除 了可以補償諧波之外，還可以補償無功功