动态无功补偿装置的设计

（二〇一五年六月本科毕业设计说明书学校代码：10128学号：201111202029题目：动态无功补偿装置的设计学生姓名：宋清鹏学院：电力学院系别：电力系专业：电气工程及其自动化班级：电气11-1指导教师：彭伟讲师摘要无功补偿对提高系统功率因素，提高电能质量和降低有功网损意义重大，具有积极的经济及社会效益。在对低压网络进行补偿时，合理的装置的应用，正确的补偿方式的选择，对系统无功的平衡和无功的优化至关重要。无功补偿设备经历了多个阶段的发展，其中静止无功补偿器（SVC）在世界范围内的应用都非常广泛。本文设计采用的无功补偿技术为晶闸管投切电容器（TSC），作为SVC的典型代表之一，使用晶闸管作为投切元件，做到了无触点投切。使用西门子PLC对晶闸管的导通与关断进行控制，根据电网的实时动态，最终实现对电容器的快速、准确投切。应用PLC进行程序编辑，利用傅里叶快速算法完成无功功率的计算。进而根据计算结果，由PLC进行选择和判断，发出晶闸管的导通与关断命令，实现对电容器的投切的控制，完成最优的补偿方案。设计中还完成了触发电路、电容器接线方式等的设计，电压互感器、电流互感器、隔离模块等器件的选择。关键词：无功补偿；零电压触发；TSC；电容器分组AbstractReactivepowercompensationisimportanttoimprovesystempowerfactor,improvepowerqualityandreduceactivepowerloss,withapositiveeconomicandsocialbenefits.Whencompensateforlowvoltagenetwork,choosetherightdeviceandthecorrectwayofcompensation,itisessentialtothereactivepowerbalanceandreactivepoweroptimizationofsystem.Reactivepowercompensationdevicehasexperiencedseveralstagesofdevelopment,Staticvarcompensator(SVC)iswidelyusedinworldwide.Thisdesignuseofthyristorswitchedcapacitor(TSC),asoneofthetypicalrepresentativeoftheSVC,Usethyristorasaswitchingelement,sothatthenon-contactswitching.UsetheSiemensPLCtocontrolthyristorsonandoff,Accordingtoreal-timedynamicgrid,ultimatelyswitchingcapacitorforfastandaccurate.ApplicationofthePLCprogramediting,UsetheFastFourieralgorithmcompletereactivepowercalculations.Accordingtotheresults,SelectionandjudgmentbythePLC,Issuethyristoronandoffcommand,Realizationofswitchingcapacitorcontrol,Completetheoptimalcompensationscheme.Designalsocompletedthedesignsuchastriggercircuit,acapacitorwiring,Theselectofvoltagetransformers,currenttransformers,isolationmodulesandotherdevices.1引言不论从经济性还是安全运行的角度考虑，无功补偿都是十分必要的，而随着电力系统中负荷的逐步增长以及无功内涵的不断变化，系统中的无功受到的影响变的更加复杂。因此，就要求无功的补偿更加快速、准确、实时。本文为满足在变化低压网络中进行动态无功补偿的要求，进行了无功补偿装置的设计，应用的是比较成熟的晶闸管投切电容器（TSC）技术。通过PLC的使用，对晶闸管开断的进行自动控制，并联电容器组便可以按照需要投入或者切除，负荷的无功总能实时、快速的得到补偿。本文介绍的内容主要包括：（一）对低压无功补偿的基本原理的进行了说明，简单阐述了其作用、意义，常用方法，简单介绍了本文采用的补偿方式和补偿装置。（二）低压无功补偿中最大补偿容量以及补偿电容器容量的计算和选择，无功缺额的算法的选择等。（三）动态无功补偿控制总体方案的设计，其中包括数据采样、处理部分和控制电路的接线方式、触发电路、零电压检测电路的设计；对信号隔离模块、电压互感器等主要器件进行了选择和说明；对本文设计的控制装置的工作原理进行了说明。（四）PLC软件与硬件部分的介绍，实现无功动态补偿的软件部分的设计。2第一章无功补偿原理目前我国正大力发展实体经济，因此，保证企业的用电质量，确保企业的用电供应变的至关重要。本章主要介绍了无功的作用及意义，同时对常用补偿方式的一些基本概念、本文设计中使用的补偿装置的进行了简单的阐述。1.1无功补偿目的及意义随着电力电子技术飞速发展，对提高电能质量和无功技术、装置与管理的优化，提出了越来越高的要求。电网中的电气设备以感性负荷为主，这些设备运行时消耗无功功率。如果能够在网络中分散安装补偿设备，在对设备消耗的无功进行补偿，电源的无功输出就可以相应的减少。所以线路上无功的流动也会大幅度降低，这样就有效的降低了输电环节的能量损耗。如果无功补偿装置的位置选择合理，对网络电压的平衡、抑制谐波、减少电压的波动、降低损耗、提高电能质量等方面都有重大的意义。合理的无功补偿，其意义可总结为下面几点：降低投资，采用无功补偿，设计的发、供电设备在就可以降低容量，从而提高了电网经济效益；降低线损，由公式ΔΡ%=（1-/）×100%（1.1）可知，由于得到补偿后功率因数提高，即（、分别为补偿前后的功率因数），进行合理无功补偿可以降低线损；此外，有功的输送也会因此增加。综上所述，合理的、有计划的无功补偿的必要性毋庸置疑。1.2无功功率介绍电网输出的功率有两部分。通过有功功率，电能可以被转变为热能等其它形式的能，这些能量可以被生活和生产利用，这样就实现了能量的运输和转换；无功功率不消耗电能，只是被用于建立交变磁场和感应磁通，以维持设备的运3转，进而实现能量的传递和转换，其幅值用于表示能量交换的多少。电力网负荷同时消耗有功功率P和无功功率Q，公式：S=(1.2)表示的是两种功率与视在功率这三者的关系。如果电网中无功功率不足，设备可能会由于端电压的下降无法正常运行；然而，若是电网中无功过量，会引起有功的损耗，发、供、配电都会有不良影响。所以，无功功率补偿要做到合理。1.3无功补偿的方式无功补偿就是在在同一网络中的一个电路上将容性设备与呈感性的负荷并联，让能量在两者间相互交换，实现网络功率、电压的平衡。下面简单介绍三种常用的补偿方法。随机补偿：将低压电容器组保护装置与待补偿设备并联，再控制负荷与补偿设备同步投切；随器补偿：为补偿变压器空载无功，电容器被有保护的接到配电变压器的低压侧；跟踪补偿：通过器件的控制作用，进行无功补偿设备的投切，实现无功的补偿和对无功设备的保护，跟踪补偿方法的低压电容器组与母线连接，直接对大用户的母线进行补偿，大用户的母线电压应为0.4kv。本文设计的内容是针对企业进行动态无功补偿装置的设计，随机、随器与跟踪补偿方式理论上都可以满足补偿要求，都可以实现无功的就地补偿。1.4补偿方法介绍静止无功补偿器（SVC）技术由于受到高度重视，经过多年的研发，技术已比较成熟，产品应用也已十分广泛。晶闸管投切电容器（TSC）技术，是SVC最为典型的代表。由于并联电容器能够产生容性无功电流，晶闸管控制并联电容器投入运行后，容性电流会抵消负载的产生的感性电流。得到补偿后的系统中将基本不存在无功电流或者无功电流极小，负荷的功率因数得以提高，从而达到了无功补偿的目的。本文设计题目为低压动态无功补偿装置的设计，本文的设计是基于PLC控制晶闸管的开通与断开，实现对电容器投入与退出运行的控制，最终达到无功4动态补偿的目的。电容器在优化负荷功率因数减少电压损耗的同时，兼有调节电压的作用，补偿电容器的功能可以总结为：提高功率因数；降低损耗；提高用电设备的出力；改善电压质量。5第二章无功计算及控制策略2.1无功的计算2.1.1系统无功分析系统进行无功补偿的目标是降低线损，使得输配电的成本更低，从而提高经济效益，而功率因数是衡量无功补偿的技术指标。理论上功率因素越高，补偿的效果越好，然而在实际应用中，功率因素要服从于经济效益，且功率因素与效益并不是完全的正比关系。本文设计中给出的技术条件、参数如下：=380V，=90A运行参数：=65A，=0.15根据最小负荷时电容器全部退出、最大负荷时全部投入的原则，由上述参数计算可得系统运行的有功及最大无功总量分别为：P==6.417kvarQ==42kvar其中Q为电容器无功补偿的总容量，本文设计中，补偿的目标功率因素为0.90，由于系统中的有功基本不变化，可以计算得到补偿后的无功功率应为：=P=3.144kvar无功功率Q可通过实时采集的电压、电流计算得到，则无功功率缺额由下式可得：=Q-（2-1）2.1.2无功算法的选择电网信号的测量与计算越精确，无功补偿就越准确，因此，要力求测量和计算的电网的信号的准确性。然而，实际情况是电网中的信号是处于快速变化中的，而无功补偿设备的投切动作追求的是快速、准确，这就对测量设备及计算方法在实时性方面提出了很高的要求。6电网中整流器的使用使得谐波普遍存在，因此，系统中电压、电流信号要通过计算各次谐波的叠加值来得到。在这里，可以借鉴数字信号处理的理论——傅立叶变换来处理电网信号，并进行谐波分析。其计算步骤为，先采用离散傅立叶变换，将采样所得的离散信号转换为频域的信号，便可得到信号的基波和谐波分量，再经过计算的到有效值。然而，当采样点（N）过多时，DFT会产生很大的计算量，CPU的计算负荷会非常的大，导致计算速度下降，从而直接影响结果的实时性。因此，选择采用快速傅立叶算法，使得运算更加的高效，通常将该算法分为频率抽取FFT和本文使用并介绍的时间抽取FFT两大类。具体的实时无功计算方法如下：同时对系统中三相电压、三相电流进行采集的到实时的网络信号，信号经过信号隔离模块等的处理后，再进行N点等时间间隔采样，便可分别得到电压及电流的序列{u()}和{i(n)}，于是可得关于时间的复数离散序列：x(n)=u(n)+ji(n)(0≤n≤N-1)（3-1）对其进行离散傅立叶变化（DFT）：])([)]([)()/2(10nKNjNnenxnxDFTKX（3-2）由式（3.1）得：)](*)([21)()](*)([21)(nxnxjninxnxnu（3-3）对式（3.3）DFT变化，又根据其共轭的性质则有：)](*)([j21)()](*)([21)(KNXKXKIKNXKXKU（3-4）式中，（N—K）是由（n）DFT变换所得。设与分别为与的第k次谐波的向量表示形式，则可得电压、电流向量与谐波间的关系：7)(22)()(22)(KINKIKUNKU（3-5）当不考虑直流分量时，便可导出该相次谐波电压以及电流的有效值，即：22)]()([)]()([21KNXKXKNXKXNUIIRRK（3-6）22)]()([)]()([21KNXKXKNXKXNIIIRRK（3-7）)]()()()([12KNXKXKNXKXNPRIIRK（3-8）式中下角标为R表示对应复数实部，下角标为I对应复数的虚部。计算可得该相电压及电