智能低压无功补偿系统的设计

2万 · 2019-5-14 13:10

智能低压无功补偿系统的设计

2万 · 2019-5-14 13:11

近年来城乡电网中使用感性负荷越来越多，无功补偿技术在各个低压配电网的公用配变
中越来越得到广泛应用。但当前的无功补偿设备存在一些缺点，研制小型化、模块化、智能
化、保护功能齐全、可靠性高的无功补偿设备，对于城乡电网建设和改造具有重要意义。
论文分析了无功补偿装置在实际应用中的缺点和不足，通过无功补偿原理对各种补偿方
式进行分析比较，研究其各自特点和优劣，设计了一个用于380V低压电网的智能无功补偿
系统，该系统能够精确地采集并计算得到电网参数值，计算出需要投切多少容量的电容器，
并且在电压电流过零点利用晶闸管复合开关投切电容器，补偿电网中消耗的无功功率，提高
电网质量。
论文给出了智能低压无功补偿系统的标准架构和简化架构。标准架构由无功补偿控制器
和智能补偿电容器综合模块两部分组成，无功补偿控制器根据采集及计算得到精确电网参数，
向智能补偿电容器综合模块传递投切电容器的指令;智能补偿电容器综合模块根据得到的指
令投切电容器，适用于电网参数采集精度要求高、频繁投切电容器的电网段。简化架构仅通
过多台智能补偿电容器综合模块的配合使用构成，其中一台智能补偿电容器综合模块当作为
主控制器，指令自身和其他智能补偿电容器综合模块投切电容器，适用于网电参数采集精度
要求不高、电网相对稳定不会频繁投切电容器的电网段。

2万 · 2019-5-14 13:11

论文设计了以主控芯片S TM32F 103 TRC6和计量芯片ADE7878为核心的无功补偿控制器
硬件结构，完成了电流电压采样、温度检测、液晶显示和按键处理、数据储存、RS485通信
等硬件组成模块的电路设计。论文设计了无功补偿控制器的嵌入式软件流程，完成了电网数
据采集和计算、温度采集、液晶显示和按键处理、自动投切逻辑、报警、RS485通信等软件
模块的程序设计。该无功补偿控制器能够实时采集并计算电网参数，采用循环投切或优化投
切方式的自动投切逻辑，计算出所需投切的补偿电容，通过RS485向智能补偿电容器综合模
块传递投切电容器的指令。
论文设计了智能补偿电容器综合模块的硬件结构，完成了电压电流采样、数码管显示和
按键扫描、过零检测和复合开关投切等硬件组成模块的电路设计。论文设计了智能补偿电容
器综合模块嵌入式软件流程，完成了功率因数等电网参数计算和复合开关控制等主要软件模
块的程序设计。该智能补偿电容器综合模块能够与无功补偿控制器保持实时通信，接收投切
电容器指令，合理控制复合开关在电压电流过零点投切电容器，投入电容器时达到无涌流、
无冲击电压、无高频振荡的效果，并具有电容器切除后再投入的放电延时功能。同时该智能
补偿电容器综合模块本身也能作为主控制器使用，采集并计算得到电网参数值，采用循环投
切或优化投切方式的自动投切逻辑，计算出需要投入多少容量的电容器，控制自身的复合开
关和指令其他智能补偿电容器综合模块投切电容器。

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针对优化投切方式自动投切逻辑需要线下计算获得电容器投切查询表，论文设计了无功
补偿模糊控制算法并在MATLAB中实现，获得了电容器投切查询表。MATLAB仿真表明，
采用电容器投切查询表的自动投切逻辑获得所需投切的电容器，可以获得比较良好的补偿效
果。
论文搭建实验室测试环境，运行智能低压无功补偿系统对模拟电力网进行无功补偿，运
行结果良好，投入电容后电网的功率因数控制能够在目标范围内，电网质量得到提升，达到
预期效果。

2万 · 2019-5-14 14:01

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1.2无功补偿装置的发展状况
由于无功功率对电网质量产生的危害性，人们很早就开始研究开发无功补偿装置。随着
电力设备的发展和新的控制技术的提出【8]，无功补偿装置在控制效率、安全性、所占空间大
小、经济效益等方面都有了很大的提高。补偿方式的发展主要经历了同步调相机、并联电容
器·静止无功补偿装置(SVC)、静止无功发生器等[9][10][11]
早期的无功补偿装置有同步调相机和固定补偿电容器【12]。同步调相机也就是同步电机，
它主要通过改变励磁电流来控制无功电流的大小和方向:在欠励磁运行的情况下吸收感性无
功，起到无功负荷的作用;在过励磁运行的情况下提供感性无功，起无功电源的作用[[13]。它
能够将负荷中心附近的用户电压维持在较高水平，但是同步调相机具有噪声大、损耗高、维
护困难、响应速度慢等缺点，在很多情况下已经无法适应快速无功功率控制的要求。而并联
电容器则具有结构简单，运行方便，价格低廉等优点，因此在一定时期内取代了同步调相机。
但固定补偿电容器存在的缺点是由于人工手动完成，实时性差;运行过程中常产生谐振，发
生电容器烧毁事故;合闸时往往会产生冲击性电流，造成电网不稳定以及影响电容器使用寿
命。后来也出现了使用接触器投切电容器和使用限流电阻来限制涌流，但没有从根本上解决
冲击性电流的问题，交流接触器常出现损坏情况【‘“]。
随着电子技术的不断发展，为了弥补手动投切电容器的不足，人们开始研究通过控制器
来控制电容器的方法进行自动投切，目前广泛应用的动态无功补偿装置是静止无功补偿装置
(Static Var Compernsator-SVC)。它是通过静止式开关投切电容器或者电抗器，能够以四轴飞行器械
传动部件来提高无功功率的装置。既有同步调相机的特性，又具有电容补偿装置的特点，并
且响应速度快，可以连续调节无功功率的输出。最关键的是通过对晶闸管投切时刻的控制，
能够减少电容投切时产生的冲击电流，因此在电力系统中得到广泛应用。静止无功补偿装置
主要有晶闸管投切电容器(Thyristor Swithced Capacitor-TSC)、晶闸管控制电抗器一固定电容器
(Thyristor Controlled Reactor+ Fixed Capacitor-TCR+FC)、晶闸管投切电容器一晶闸管控制电抗
器(Thyristor Swithced Capacitor+ Thyristor Controlled Reactor-TSC+TC助。

2万 · 2019-5-14 14:03

图1.1为晶闸管投切电容器和晶闸管控制电抗器一固定电容器原理图。图(a)主要通过两个
反向晶闸管Vt并联来控制电容器投入或者切除，串联一个小电感L可以有效抑制冲击涌流的
产生。通过并联多组电容器的方式，根据电网所需无功量来确定投入电容容量的大小，因此
TSC的实质就是断续可调地发出无功功率的动态无功补偿装置;图(b)主要通过晶闸管的触发
延迟角a可以实现连续调节，当a在90到180度之间时，晶闸管部分导通，增大触发角可以
减小补偿器的等效导纳，因此可以连续改变补偿器所吸收的无功功率大小【15]。由于晶闸管控
制电抗器只能吸收无功功率，所以必须和固定电容器或者晶闸管投切电容器一起配合使用，
而不能单独使用。

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我国改革开放以来，随着经济的快速增长和工业水平的快速发展，电力负荷也迅速增长。
发电机供电不足以及输电线无功的损耗，导致了全国许多省份出现“电荒”情况，在用电负
荷较大的一些大中型城市尤为明显。配电网的结构、规划和发展不适应城市的需求，其中突
出的问题主要表现在:电网结构过于复杂，环网联络结点过多;由于早期所建电网的导线过
细，无功缺额较大，再加上高能耗设备多，导致综合线损损耗大;城市电网改造难度大，涉
及面太广;电网投资不足，常出现设备老化现象，一点小故障常引起大面积停电;由于城市
商业的建立，配电线的传输通道和电源点能力输出受到限制;如电弧炉、电焊机等损耗无功
功率高的用电设备越来越多，直接导致功率因数偏低。据统计，在农村主要损耗在1 OKV线
路上，电能损耗在30%左右;在城市主要损耗在0.4KV线路上，电能损耗在50%左右。由于
无功补偿对电网的安全和运行尤为重要，它已经成为电力部门和用户共同关注的问题。自从
我国颁布按功率因数调整电费的政策以来，电力用户在380V配电室多采用以交流接触器投
切电容的装置。之后随着电子技术的快速发展，以微处理器控制为核心的智能化的无功补偿
装置陆续在国内出现。如今以投切并联电容器为主的TSC在我国应用较为广泛，对于以电力
半导体桥式变流器为主的DSTATCOM的研究也越来越多，但由于成本过高和控制复杂等因
数，应用还不够广泛。
国外的低压无功补偿装置多种多样，美国、英国等国家早在80年代就使用了TSC无功补
偿装置并且广泛应用。80年代末期美国就有DSTATCOM投入运行，之后，德、口等国也有实
际应用。国外无功补偿装置在输配电网、长距离传输电网、风力发电厂、钢铁企业、电气化
铁路等等中已经得到广泛应用，城市和农村的配电网是否安装无功补偿装置已成为衡量电网
性能的重要标准之一。

2万 · 2019-5-14 15:40

目前，我国总的无功补偿装置还存在很多问题，主要表现在无功补偿容量不足和无功补
偿装置的自动投切能力较差，无法很好的发挥补偿作用来满足电网电压的需求。因此，研究
适用于频繁自动投切电容器的控制方式及装置，是改善电网电压质量的重要措施【16]。现有低
压配电网中，并联电容器无功补偿装置主要遇到的问题有:
}1}投切振荡问题。所谓“投切振荡”是指在某些负荷情况下，当投入一组电容器，功
率因数会超过上限值，当切除一组电容器，功率因数会低于下限。如此反复投切的现象，不
仅会造成电容器以及投切开关的使用寿命，而且对系统的稳定性也造成巨大影响。这种现象
的发生一方面是因为电容器的分组数和容量不合理;另一方面和功率因数的上下限设置范围
有关。
(2)没有考虑谐波对电容器的影响。当谐波含量过大时，电容器的寿命会受到影响。由
于电容器对谐波具有放大作用，所以会使系统的谐波干扰更加严重。因此，在有较大谐波干
扰且需要无功补偿的场合，应考虑添加滤波装置。
(3)采样方式不当造成无功倒送。有些控制器为了降低成本和提高运算速度，只采样单
相电压、电流信号，因此当三相负载不平衡时无功功率检测错误，造成其中一相过补或者欠
丰卜。
(4)补偿速度慢，精度差。采样三相电压、电流信号，通过fft变换耗时较长，单片机
难以对无功功率进行实时检测，使得补偿精度比较差。
(5)投切开关设计不合理。当采用接触器作为电容器投切开关时，会产生冲击电流引起
电网电压波动，造成接触器损坏。采用晶闸管投切，也会因为触发脉冲控制不当而导致运行
中频繁发生故障，产生冲击电流损坏晶闸管，降低电容器使用寿命。
C6)投切方式不合理。采用“顺序投切”方式是指排序在前的电容器先投后切，排在后
面的后投先切。这样会导致前面的电容器常处于运行状态，积累热量不易散失，影响电容器
使用寿命，并且后面的投切开关经常动作，影响开关的使用寿命。合理的方法是“循环投切”，
先投入的电容器组先退出，后投入的后切除。这样使得电容器组和投切开关使用几率均等，
延长了投切开关和电容器的使用寿命。

2万 · 2019-5-14 15:40

本论文对低压配电网无功补偿装置中存在的问题进行了分析，根据无功补偿原理，针对
现有装置存在的主要缺陷，研制技术比较先进、性能稳定可靠的智能低压无功补偿系统。该
系统由无功补偿控制器和智能补偿电容器综合模块组成。无功补偿控制器实时精确地采集和
计算电网参数，采用循环投切或优化投切方式的自动投切逻辑，计算得到需要投切多少容量
的电容器，通过RS485向智能补偿电容器综合模块传递投切指令;智能补偿电容器综合模块
根据得到的指令，在电网电压电流过零点控制晶闸管复合开关投切电容器。
同时，智能补偿电容器综合模块本身也能作为主控制器使用，采集并计算得到电网参数
值，采用循环投切或优化投切方式的自动投切逻辑，计算出需要投入多少容量的电容器，控
制自身的复合开关和指令其他智能补偿电容器综合模块投切电容器。
本文所做的主要研究和完成工作有:
C1)完成无功补偿控制器的软硬件设计:设计了以主控芯片STM32F 103 TRC6和计量芯
片ADE7878为核心的无功补偿控制器硬件结构，完成了电流电压采样、温度检测、液晶显示
和按键处理、数据储存、RS485通信等硬件组成模块的电路设计;设计了无功补偿控制器的
嵌入式软件流程，完成了电网数据采集和计算、温度采集、液晶显示和按键处理、自动投切
逻辑、报警、RS485通信等软件模块的程序设计。
C2)完成智能补偿电容器综合模块的软硬件设计:设计了智能补偿电容器综合模块的硬
件结构，完成了电压电流采样、数码管显示和按键扫描、过零检测和复合开关投切等硬件组
成模块的电路设计;设计了智能补偿电容器综合模块嵌入式软件流程，完成了功率因数计算
和复合开关控制等主要软件模块的程序设计。
(3)针对优化投切方式自动投切逻辑需要线下计算获得电容器投切查询表，设计了无功
补偿模糊控制算法并在MATLAB中实现，获得了电容器投切查询表，并对采用电容器投切查
询表的智能低压无功补偿器进行了MATLAB系统建模和仿真。

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智能低压无功补偿系统的设计

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