基于单片机的无功功率测量及补偿装置设计.docx
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基于单片机的无功功率测量及补偿装置设计
中国矿业大学
本科生毕业论文(设计)
题目:
基于单片机的电力系统无功功率测量及自动补偿装置的设计
**********
学院:
机电工程学院
专业:
电气工程及其自动化
班级:
2006.2
学号:
*****60529
********
完成时间:
2008.6.18
2008年6月18日
基于单片机的电力系统无功功率测量及自动补偿装置的设计
摘要
在电网中由于感性负载的大量使用,使得大量的无功功率在电网中流动,造成了电能的浪费和电压的不稳定,甚至损坏设备,所以研制一种无功功率补偿设备很有必要。
虽然在市场中有许多种无功功率补偿控制器,但是大多补偿精度不够、跟踪补偿速度慢,本文的目的是研究一种价格便宜,性能优良的无功功率补偿控制装置,满足对这方面产品的需求。
无功补偿电容器的投切器件较多,其投切的平稳度和使用寿命也相差很大,因此投切器件的选择是非常重要的。
本文在分析低压无功补偿装置各种投切开关优缺点的基础上,采用集交流接触器与固态继电器二者优点于一身的复合开关作为电容器的投切开关,研制一种具有无功补偿、功率因数显示等多种功能的综合自动化装置。
采用此种开关投切电容器,克服了纯晶闸管电子开关长期承载电容器电流时,功耗大,发热高的缺点。
关键词:
无功补偿器;复合开关;8051
BasedonSCM'sPowerSystemReactivePowerMeasurementandAutomaticCompensationDeviceDesign
Abstract
Becausealotofinductiveloadsareused,thereismuchReactivePowerinelectricpower,asaresult,alotofpoweriswasted.Atthesametime,iteffectspowerbadlyandwillreducethenaturallifeoftheelectricalequipment,especiallyitwillbreaktheequipment,soitisindispensabletostudyanddevelopaReactivePowerCompensator.Inthemarket,therearekingdsofReactivePowerCompensator,butmanyofthemarenotaccurate,orquicklyenough;onlyabitofproductsaregoodonthecompensatoryeffectandtime.TheaimofthepaperistodevelopanewkindofReactivePowerCompensator,whichcanresolvethelackoftheproducts.
Thereweremanyswitchingdeviceofcapacitorsandthedegreeofstabilityandoperatinglifeofwhichweredifferent,sotheselectionofswitchingdevicewasveryimportant.Onthebasisofanalyzingmeritsandfaultsofvariousswitchesoflow-voltagereactivecompensationdevice,electromechanicalcombinationswitchwhichhadthemeritsofACcontactorandthesolidstaterelaywasemployed,andanintegratedautomationdevicewasstudied,whichhadreactivepowercompensationandotherfunctions,suchaspowerfactor.Usingtheswitchcouldovercomethefaultsofthyristorelectronicswitchwhenlong-timebearingcapacitorcurrent,suchashighpowerconsumptionandhighquantityofheat.
Keywords:
reactivepowercompensator;combinationswitch;8051
第一章绪论
1.1引言
电力系统参数变化及波动性负荷造成局部电网电压不稳及功率因数恶化严重影响电能质量,影响自动化设备的电气寿命,制约企业生产效率的提高,同时企业还可能因为电能质量未达标而承受高线损及罚款等经济损失。
此外,在低压配电网络中,运行着大量的感性无功负荷需要进行补偿,否则,将使网络损耗增加,电压质量恶化。
因此,补偿电力系统无功、稳定系统电压、减少网络损耗已成为电力部门及广大用户的迫切要求[1]。
功率因数是指电力网中线路的视在功率供给有功功率的消耗所占百分数。
在电力网的运行中,功率因数越大越好,如能做到这一点,则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率,减少无功功率的消耗。
无功功率补偿装置在电力供电系统中所承担的作用就是提高电网的功率因数,降低供电变压器及输送线路的损耗,提高供电效率,改善供电环境。
所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个非常重要的位置。
有效的搞好低压补偿,其中重要的一环就是选择无功功率补偿装置。
合理的选择补偿装置,可以做到最大限度的减少网络损耗,使电网质量提高。
1.2无功补偿装置的发展概况
1.2.1同步调相机
传统的无功功率补偿装置是同步调相机(SynchronousCondenser-SC)。
它是专门用来产生无功功率的同步电机,在过励磁或欠励磁的不同情况下,可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。
自20世纪30年代以来的几十年中,同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。
然而,由于它是旋转电机,因此损耗和噪声都较大,运行、维护复杂,而且响应速度慢,在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。
所以,现在同步调相机的容量所占容性补偿容量的比例日益减少[2]。
1.2.2并联电容器
无功补偿电容器也是传统的无功补偿装置,但它具有结构简单、经济、投切方便、灵活等优点,在国内外得到了广泛应用。
如今,电力企业安装的并联电容器比例逐年有所增加。
由于电容器的容量是固定的,它并不随负载要求的变化而变化,所以就要将电容器按一定的容量分组(目前有等容分组和非等容分组两种情况),有了电容器分组之后,就必须引入分组投切的策略,使电容器按照无功功率或功率因数的大小进行适当的投切。
1.2.3静止无功补偿装置
早期的静止无功补偿装置(StaticVarCompensator-SVC)是饱和电抗器(SaturatedReactor-SR)型的[3]。
从60年代开始,我国已有许多电力科技工作者从事低压配电网无功补偿这一课题的研究,并设计了早期的无功补偿控制器。
自80年代中期以来,颁布实施按功率因数调整电费的政策后,我国电力用户在380伏配电室广泛采用了以交流接触器投切电容器的成套装置[4]。
随着电力电子技术的发展,80年代后期出现了以微处理器为核心的智能化产品,晶闸管投切电容器无功补偿装置在国内陆续出现。
现在国内低压配电网无功补偿仍然以并联电容器为主,晶闸管投切电容器也得到了较多的应用,而采用自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置DSTATCOM引起了越来越多国内研究者的关注,但因其控制复杂、成本高昂等诸多因素实际应用还有待时日。
1.3无功补偿装置中存在的问题
在现有国内外低压配电网无功补偿装置的实际应用中,存在着以下诸多问题:
(1)由于补偿目标单一、采取的控制策略不合理,补偿装置普遍存在投切振荡问题[4],如以功率因数为补偿目标就会产生投切振荡现象;
(2)没有考虑到谐波对电容器的影响,使得电容器寿命大大缩短,甚至经常被烧毁;
(3)采样方式不当,造成无功倒送,有的控制器为了降低成本和提高运算速度,只采样其中一相电压、电流信号,使得当三相负载不平衡时,很难准确测出无功功率,造成有的相过补,有的相欠补;
(4)补偿速度慢,补偿精度差。
在采样三相电压、电流信号,进行变换,计算谐波电压、电流的情况下,单片机一般难以实现无功功率的实时检测和动态补偿,或者补偿精度比较差;
(5)电容器的分组、接线形式和控制方式相互结合起来,形成了多种补偿方案,而很多控制器不能同时适用于这些方案;
(6)采用交流接触器作为电容器投切开关,不可避免地产生过渡过程,形成冲击电流并引起电网电压的波动,造成接触器触点烧蚀,使得成套装置可靠性差、维护不便。
采用晶闸管投切,则常因触发脉冲控制不当,在运行过程中频繁出现故障,导致电容器组投入冲击电流过大,损坏晶闸管和电容器,有时,甚至在投入过程中,由于冲击使得开关置保护跳闸,致使补偿装置形同虚设。
1.4无功补偿技术的发展趋势
随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响,无功补偿的发展趋势主要有以下几点[5]:
①在城网改造中,运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪,因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化的问题。
②快速准确地检测系统的无功参数,提高动态响应时间,快速投切电容器,以满足工作条件较恶劣的情况(如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合)。
随着计算机数字控制技术和智能控制理论的发展,可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法,如模糊控制等。
③目前无功补偿技术还主要用于低压系统。
高压系统由于受到晶闸管耐压水平的限制,无功补偿装置不能得到广泛的应用。
因此,研制高压动态无功补偿的装置则具有重要意义,关键是解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压问题。
④由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。
随着电力电子技术的发展和电力电子产品的推广应用,供电系统或负荷中含有大量谐波。
研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器,将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。
1.5本课题的主要工作
本课题所研究的主要内容包括以下几部分:
1、通过研究无功补偿技术,以及对目前几种电容投切开关工作特点的比较,提出电容投切复合开关的设计方案,实现方法;
2、设计复合开关的硬件电路,解决其他类型投切开关的易产生涌流、谐波,功耗大等缺点;
3、编写控制软件程序流程图,使复合开关可以进行智能投切,使其操作更智能化的;
4、对装置中的抗干扰进行研究,提高复合开关的抗干扰性能。
第二章无功补偿理论的研究
本章首先介绍功率因数的相关知识,利用理论推导简单说明了功率因数的意义,引出了无功功率补偿的概念。
2.1功率因数及相关知识
交流电路中电源送至用户的有功功率是电压和电流的乘积。
设瞬时电流电压为
(2-1)
(2-2)
则瞬时功率为:
(2-3)
当供电电压的周期为T时,在一个周期内有功功率的平均值为
(2-4)
平均功率的第二项为零时,意味着这部分功率所消耗的能量只是在电源及负载间进行交换,即不做有用的功。
这种能量交换,只有当系统中存在无功元件,即感抗和容抗必须积累和输出电磁能时才能发生。
当电压与电流相位相差90度时,P=0。
当电压与电流同相位时,显然P=KUI,这是纯电阻性负荷。
式中K表示与相位有关的系数。
如在三相交流电路中,当电压为线电压,电流为线电流时,K=
U
I
图2.1电压与电流的相位关系
以上说明,在不同供电系统中,当电源电压与电流有相位差时,有功功率的大小决定于电压和电流之间的夹角
,即决定于功率因数
值,
角越大,
值越小。
与
角对应的正弦值
和电压
电流
的乘积称为无功功率。
(2-5)
由(2.1)及(2.2)可以得到视在功率
(2-6)
因此供电系统的电流为
P
sQ
图2-2无功功率有功功率与视在功率关系
图2-2有功功率P相同而无功功率Q不相同时视在功率由图可以看出,如果P保持不变,无功功率Q增
,将使视在功率由S增至
,从而使流过供电系统的电流增加,而对系统产生以下的影响:
总电流增加,使电力系统中的元件,如变压器、电气设备、导线等容量增大,使用户内部的起动控制设备、测量仪表等规格、尺寸增大,因而使投资费用增大[6]。
在传送同样有功功率情况下,总电流的增大,使设备及线路的损耗增加,即
(2-7)
式中
为由于无功功率在系统中通过而产生的有功功率损耗值,它与通过的无功功率的平方成正比。
线路及变压器的电压损失增大,即
(2-8)
对电力系统设备来说,无功电流的增大,使发电机转子的去磁效应增加,电压降低,如过度的增加励磁电流,会使转子绕组超过允许温升,为了保证转子绕组正常工作,发电机就不允许达到预定的出力。
此外,原异步电动机的效率是按照有有功功率衡量的,当发电机发出的视在功率S一定时,无功功率Q的增加,会导致原动机效率的相对下降。
2.2无功功率补偿的作用及意义
无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的。
在电力系统中,大多数网络元件和负载都要消耗无功功率。
网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。
显然,这些所需的无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离输送是不合理的,通常也是不可能的。
合理的方法应该是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率,即对无功功率进行补偿[7]。
随着现代电力电子技术的发展,大功率变流、变频等电力电子装置在电力系统中得以广泛应用,这些装置大多数功率因数都很低,导致电网中出现大量的无功电流。
无功电流产生无功功率,给电网带来额外负担且影响供电质量。
因此,无功补偿就成为保持电网高质量运行的一种主要手段之一,这也是当今电气化自动化技术及电力系统研究领域所面临发展的一个重大课题,且正在受到越来越多的关注[8]。
无功补偿的作用主要有以下几点:
(1)提高供用电系统及负载的功率因数,降低设备容量,减少功率损耗;
(2)稳定受电端及电网的电压,提高供电质量。
在长距离输电线中的合适地点设置动态无功补偿装置,可以改善输电系统的稳定性,提高输电能力;
(3)在电气化铁道等三相负载不对称的场合,通过适当的无功补偿可以平衡三相负载。
在电力系统中,无功要保持平衡,否则,将会使系统电压下降,严重时,会导致设备损坏、系统解列。
此外,网络的功率因数和电压降低,使电气设备得不到充分利用、网络传输能力下降、损耗增加。
根据资料统计,输电线路、高压配电网、低压用户的三个部分的线损中,低压用户线损最大。
因此,降损节能应主要围绕低压用户进行。
长期以来,我国低压配电网网架薄弱、线径小、设施老化,负荷电流大,自然功率因数低,而且结构复杂,电压质量不易控制,无功功率靠上级电网远距离输送,得不到跟踪,降低了电网的经济效益。
因此,准确测量无功、等系统参量,并合理补偿和治理就显得尤为重要。
所以,电力部门大力推广无功就地补偿装置,其意义是十分明显的[10]。
第三章无功补偿方式补偿容量的研究
电容器的补偿容量与采用的补偿方式有关。
补偿方式不同,补偿容量的计算公式也不相同。
3.1无功补偿方式的选择
按电容器安装的位置不同,低压电网利用并联电容器进行无功补偿的方式有三种:
低压集中补偿方式、分散补偿方式和用户终端就地补偿方式[11]。
图3-1低压无功补偿装设方式
3.1.1低压集中补偿方式
目前国内较普遍采用的一种无功补偿方式是在用户专用变压器的低压母线上380V侧进行集中补偿(如图3-1的方式l),通常采用微机控制的低压并联电容器柜,容量在几十至几百千乏不等,根据用户负荷水平的波动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。
主要目的是提高专用变压器用户的功率因数,实现无功的就地平衡,对配电网和配电变压器的降损有一定的作用,也有助于保证该用户的电压水平,这种补偿方式的投资及维护均由专用变压器用户承担。
3.1.2分散补偿方式
将电容器组按需求的无功容量,分别装设在相应的母线上,或者直接与低压干线相连,形成内部的分散补偿方式(如图3-1中的方式2)。
由于电容器分散在各用户旁,可以就近补偿主要用电设备的无功功率。
由于这部分无功功率不再通过线路向上传送,从而使用户上的变压器和配电线路的无功功率损耗相应地减少,当变压器下用户较多,用户配电线路分路多而且距离较远时,补偿效益最高[12]。
3.1.3用户终端就地补偿方式
就地补偿将电容器装设在异步电动机或电感性用电设备附近,就地进行无功补偿,也称为单独补偿或个别补偿方式(如图3-1中的方式3)。
这种方式既可提高为用电设备供电回路的功率因数,又能改善用电设备得电压质量,对中、小型设备十分适用。
但这种补偿方式也有缺点[13]。
因为这种补偿电容器组的容量只能按电动机的空载电流选择,因而在电动机带负荷运行时长期处于欠补偿状态,仍需由电源端向受电端输送无功功率,配电网的无功损耗仍然存在。
综合以上三种无功补偿方式,根据要求,本设计选择采用低压集中补偿方式
3.2无功补偿容量的计算
无功补偿容量的科学计算是无功补偿的一个重要环节,若由于计算的原因使补偿容量过小,则达不到补偿的效果,过大将产生过补偿。
不同的补偿方式,计算补偿容量的方法也不尽相同[14]。
由于本设计选择采用低压集中补偿方式,因此计算无功补偿的方法如下:
(3-1)
式中
—电力系统补偿前的电压
—电力系统补偿后的电压
—电力系统原来的电流
—电力系统补偿后的电流
—补偿前的功率因数角
—补偿后希望达到的功率因数角
采用公式来计算补偿容量时,通常并不把补偿后希望达到的功率因数设置为1。
由本设计的任务书可知补偿后的功率因数为0.97。
3.3电容的接法及分组方式
目前电容器组的接线方式有3种,分别是三角形接法(△接法)、星形接法(Y接法)、三角形和星形相结合接法(△-Y接法)[15]。
三角形接法的优点是投资少、控制方便,缺点是补偿精度差,在三相负载不平衡时,容易出现有的相过补或者有的相补偿不充分,所以三角形接法主要用于三相对称性负荷。
星形接法是根据每相的无功功率进行补偿,因此不会造成无功过补,但装置造价要比三角形接线高得多,控制也相对复杂。
三角形和星形相结合的接法综合了以上两种接法,在补偿方式上既有共补又有分补[16]。
综合考虑,本设计采用Y接法
图3-2并联电容器Y接线
电容器的分组方式又等容分组方式和不等容分组方式。
所谓等容分组方式,是指各组电容器的容量相等,其优点是易于实现自动控制,缺点是补偿级差大,要想获得较小的补偿级差,必须增加分组组数,相应的控制设备及所占空间也需要增加;所谓不等容分组方式,就是指各分组电容器的容量不相等,其优点是利用较少的分组就可获得较小的补偿级差。
本设计的电容器组采用8421的编码方式,意思是电容器的容量按照8421大小比例分配。
这样能提高控制器的补偿精度。
比如电网需要补偿的无功功率容量为8.9个千乏,如果采用等容量的电容器(总共10个电容器,每个电容器的容量为1千乏),只能补偿8千乏。
如果采用8421编码(总共4个电容器,分别为0.1,0.2,0.4,0.8千乏的电容器),大大提高了控制器的补偿精度。
第四章电容器组投切元件的选择
电容器投切功率元件的任务是在投切电容的过程中尽量减少电容器投切涌流,无功补偿电容器的投切器件较多,其投切的平稳度和使用寿命也相差很大,下面分别加以说明。
4.1交流接触器
以交流接触器作为投切器件的补偿装置称为静态补偿装置,传统的低压无功补偿装置都是通过交流接触器来实现电容器组的投切的。
交流接触器在可靠闭合时,其主触点接触电阻小、导通容量大、压降小、功耗小。
但这种静态补偿装置在性能上也存在很多缺点[17]:
1、开关速度慢,约为10-30ms,不能快速跟踪负载无功功率的变化,对于快速变化的用电设备的无功电流,接触器来不及动作和切换,常常造成欠补偿或过补偿,因此不能实现动态无功补偿。
2、投切电容器时会引起较严重的冲击涌流,使接触器接点烧毁,影响正常工作,大大降低了装置的使用寿命。
为减少烧焊现象,不得不减少投切次数,这也降低了补偿的准确性和响应速度。
3、由于冲击电流存在,会引起电网电压瞬时跌落。
在每次切换电容时冲击电流都会频繁出现,其结果将引起电网电压不停地剧烈地波动,这将降低供电质量和干扰弱电设备的正常运行。
4、由于冲击电流较大,限制了一次性投入的电容值,于是不得不把一次应投入的电容值化整为零,分成几次投入。
这也增加了控制开关(接触器)的个数,使成本增加而降低了响应速度。
5、此外,接触器工作时有噪音,因而设计者不得不大大减少动作次数,用牺牲性能的办法来换取更为安静的环境。
4.2晶闸管电子开关
要提高无功补偿装置的使用寿命和投切稳定性,必须彻底解决电容器投切时产生的涌流、过压和电弧过大等问题[18]。
目前,电力系统中采用的动态无功补偿装置,绝大多数采用晶闸管控制投切电容器的补偿方式,这比传统的交流接触器控制投切电容器的补偿方式有较大进步。
但是在采用晶闸管控制投切电容器的动态无功补偿装置中,晶闸管对驱动信号要求严格,故驱动电路相当复杂。
此外,晶闸管控制投切电容器无功补偿装置存在如下不足:
1、由于切除的电容器上有剩余电压,而电容器两端电压不能突变,当系统电压和电容器残压的差值较大时触发晶闸管会产生很大的电流冲击,这一冲击会直接损坏晶闸管。
为了实现动态无功补偿装置快速响应的同时保证投切无冲击电流,需要检测电容器电压和电网电压,当两者大小相等、极性相同时,才能瞬时投入电容,因此由晶闸管构成的切换电路因其复杂的逻辑控制和触发电路而影响其可靠性。
2、为了实现无功补偿装置的过压保护、欠压保护、过流保护以及断相保护,必须在晶闸管的控制触发电路中外加辅助电路,同样增加了驱动电路的复杂性。
3、在导通状态下晶闸管元件有较大的管压降,这不仅存在一定的功率损耗.还产生了很高的温升。
尤其是户外运行的补偿装置,很难在夏季炎热的天气中正常运行。
因此需要使用轴流风扇和体积较大的专用散热器,甚至强制制冷,来解决其通风散热问题[19]。
同时还需使用温控开关来控制轴流风扇的适时启动。
由于轴流风扇是具有机械旋转运动的易损器件,存在着一定的不可靠性,风扇一旦停止运转。
就会影响装置的正常运行。
因此降低了无功补偿装置的可靠性。
由此可见,采用晶闸管作为电容器的投切开关,虽然解决了电容器投切过程中的涌流、过压、分断电弧等间题,但其自身也存在着明显不足,如散热器体积大、冷却风扇易损坏、需外加温控开关和触发电路等辅助器件、结构复杂等等。
4.3固态继电器
固态继电器(SSR)将晶闸管及其触发电路和逻辑控制电路封装成一体,同时具备零电压开通、零电流关断的特性,因而将其用于低压电容器的投切,可大大减小装置体积,提高装置的可靠性[20]。
但是,同晶闸管开关一样,由于其导通后存在的管压
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