毕业论文基于晶闸管投切电容器TSC的无功补偿研究.doc

基于晶闸管投切电容器（TSC）的无功补偿研究作 者： 专 业：班 级： 学 号：指导老师：2013年4月20日目 录第1章 课题讨论1.1 选题背景1.2 研究现状1.3 无功补偿的合理配置原则和目前无功补偿的不足1.3.1 无功补偿的合理配置原则1.3.2 目前无功补偿的不足1.4 本文研究的主要内容以及工作：1.5 意义第2章TSC型动态无功补偿器的原理2.1 无功功率补偿的概述2.1.1 无功功率补偿的原理2.1.2 低压无功功率补偿的分类2.2 TSC型无功补偿器的原理2.2.1 SVC的定义及分类2.2.2 TSC（晶闸管投切电容器）的基本原理2.2.3 投入时刻的选取第3章 系统设计3.1 主电路的设计3.3.1 电容器的接线方式3.3.2 电容器的分组方式3.3.3 电容器投切单元3.2 实现方案3.3 实验步骤3.3.1 接线3.3.2 调试步骤3.4 波形图3.5 数据记录3.6 结果分析第4章 基于NISTLAB的控制器系统仿真4.1仿真软件介绍4.2 仿真模型的建立4.3 仿真结果及其分析4.4 本章小结参考文献致谢 基于晶闸管投切电容器（TSC）的无功补偿研究电气工程及其自动化(专升本)专业摘要：冲击性负荷大量接入电网，引起电网电压波动和闪变、三相供电不平衡以及电压电流波形畸变等，造成电网电能质量的严重恶化。针对电力系统中无功补偿装置发展的现状，本文研究设计了一种基于晶闸管的型无功补偿装置控制器。该装置以实时检测为依据，以低压网为最佳补偿对象。本文主要研究了无功补偿对电网性能的改善，无功补偿控制器的控制算法，以及控制器的软硬件设计。算法采用模糊控制，以电压无功及瞬时的电容器状态为输入，通过模糊推理得到电容器的最佳投切量和延时时间。控制器的核心芯片采用公司的，它具有比其它单片机控制运算速度高，实时性好的特点。采用晶闸管与接触器相结合控制投切电容器，实现了电容器快速、无弧、无振荡。为了实现该装置具有的功能，本文在选择了芯片的基础上还设计了一些外围设备的硬件电路，它们包括采样、计算、显示、通讯电路等。还设计了控制系统的控制程序，给出了控制软件的结构框图。最后又对系统建模，并用对系统进行了仿真，由补偿前后的仿真波形图证明了此控制器的有效性。关键词：TSC 无功补偿 第1章 课题讨论1.1 选题背景随着电力电子技术及计算机控制技术的发展,各种新型的自动、快速无功补偿装置相继出现,晶闸管投切电容器(TSC)就是一种广泛应用于配电系统的动态无功补偿装置。与机械投切电容器相比,晶闸管的开、关无触点,其操作寿命几乎是无限的,而且晶闸管的投切时刻可以精确控制,可以快速无冲击地将电容器接入电网,大大减少了投切时的冲击电流和操作困难,其动态响应时间约为 0.010.02S。TSC 能快速跟踪冲击负荷的突变,随时保持最佳馈电功率因数,实现动态无功补偿,减小电压波动,提高电能质量,节约电能。另外,TSC 虽然不能连续调节无功功率,但具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点。若输出无功功率需要连续调节,或者要求能提供感性无功的情况下，TSC 常与 TCR 配合使用。随着国民经济的迅速发展，对能源需求提出了越来越高的要求。同时，为适应国家可持续发展的战略要求，提高能源利用率，降低生产成本受到企业的高度重视。电力是我国主要的二次能源。随着电力电子技术的广泛应用，电力线路、电力变压器以及用户的用电设备，构成了电力系统中先天性存在的大量的无功负荷。系统运行中，大量的无功功率严重降低了系统的功率因数，增大了线路的电压损失和电能损耗，严重影响着能源、制造等相关行业的经济效益。无功功率对供电系统和负荷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的某个地方获得。显然，这些所需要的无功功率如果要由发电机提供并经过长距离的输送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应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。在当今的电力系统中，感应式异步电动机和变压器作为传统的主要的负荷使电网产生感性无功电流；同时，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的应用，这些装置大多数功率因数很低，导致电网中出现大量的无功电流。无功电流产生无功功率，给电网带来额外的负担且影响供电质量。因此，无功补偿就成为保持电网质量运行的一种主要手段之一。目前，世界各国都将无功补偿作为电网规划必不可少的一部分。然而，我国和世界上的发达国家（美国、日本）相比，无论从电网功率因数还是补偿深度来看，都有较大的差距。目前，美国、日本等发达国家补偿度达0.5以上，电网功率因数接近1.0，而我国补偿度仅为0.45。我国的电网，特别是广大农村电网，普遍存在功率因数低，电网损耗较大的情况。导致此现象的主要原因就是众多的感性负载用电设备设计落后，导致功率因数低，电压低。目前，全国范围内的配电网改造正在全面展开，解决目前电网尤其是低压城网和农网有功功率损耗大、压降大的最切实可行的办法就是采用高性能的无功功率补偿装置，就地补偿负载的感性无功功率，减少无功功率在线路上的传输，降低配电设备上的有功功率损耗和电压降落，提高输配电能力。1.2 研究现状由于晶闸管投切电容器具有优良的动态无功功率补偿性能,近年来该技术在低压配电网中得到了迅速的推广应用。该技术在以下几个方面的发展动向值得注意:(1)提高 TSC 产品可靠性,降低其成本产品的可靠性是其赖以生存和发展的首要条件。TSC产品集强电(晶闸管、电容器等)与弱电(微处理器、存储器等)于一体,它们之间的电磁干扰非常严重。合理选择电子器件及设计控制器电路,合理选择检测物理量和控制算法,进一步提高产品的可靠性和抗干扰能力,减小投切的振荡,降低产品成本,提高产品的竞争力是今后的一个研究方向。主电路中采用晶闸管阀,过零检测电路采用光耦,存在逻辑触发电路比较复杂、可靠性低的问题。笔者用过零固态继电器作为 TSC 装置的开关元件来解决这一问题,得了满意的效果。(2)无功参量的快速检测及控制新方法快速准确地检测系统的无功参数,是 TSC 进行快速动态补偿的前提条件。虽然目前提出了一些检测方法,但对于三相不平衡系统、存在谐波的系统的无功功率的定义及无功参数的测量还值得研究。随着计算机数字控制技术和智能.控制理论的发展,一些先进的控制方法引入 TSC 控制,提高其智能控制水平也是一项非常有意义的工作。(3)研制兼具补偿无功和抑制谐波的多功能产品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 TSC 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。(4)高压系统中的 TSC 技术由于受到晶闸管耐压水平的限制,目前用于高压系统的 TSC 是通过变压器降压接入的,如用于电气化铁道牵引变电所中的 TSC。研制直接接入高压电网(如10kV)进行高压动态无功补偿的装置具有重要意义。该方式的关键问题是要解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压,即多个晶闸管元件串联及均压、触发控制的同步性等。随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置日益广泛的应用，电力系统中的谐波污染问题也越来越严重，而大多数电力电子装置功率因数较低，也给电网带来额外的负担，严重的影响供电质量。因此谐波问题和无功功率问题对电力系统和电力用户都是十分重要的问题，谐波抑制和无功功率补偿已经成为电力电子技术和电力系统等领域所面临的一个重大的课题，引起越来越多人的关注，成为近年来各方面关注的热点之一。解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题不外乎两个途径：一种是装设补偿装置，如有源滤波器、无功功率补偿器等，设法对谐波进行抑制和对无功功率进行补偿；另一种是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波同时也不消耗无功功率，或根据需要对其无功功率进行调节。其中后一种措施需要对现有的电力电子设备进行大规模的改造和更新，其代价巨大，并且只适用于作为主要的谐波源的电力电子装置，因此，有一定的局限性。相比较而言，前一种措施则适合用于各种谐波源和所有低功率因数的设备，实施起来方法简单，已经得到应用，并且应用前景十分广阔。传统的无功功率补偿装置主要为同步调相机和并联电容器。同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态的补偿。至今在无功补偿领域中这种装置还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。但是它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，目前仍有使用，但在技术上已显落后。由于实际中遇到的大多数的是感性负载，所以后来多采用低成本的电容器进行并联作为无功补偿装置。电容补偿可以根据系统所需无功的多少，由控制系统自动的投切补偿电容，因此是一种性能较为优越的无功补偿方法。然而，由于容量的恒定，系统无功变化时，电容器的投切只能是有级的，难免出现过欠补偿，不能动态的跟踪系统所需无功功率的变化。同时一般需要串联电抗器，为限制装置投入时的涌流，抑制高次谐波的影响。但是因为系统中有谐波，有可能发生并联谐振，使谐波放大。但是这两种补偿装置目前在我国仍是主要的补偿方式。随着现代电力电子技术在电气传动领域的广泛应用，相控技术、脉宽调制等技术被引入到电力系统，与传统电力系统控制技术相结合，产生了近几年出现的新技术一柔性交流输电系统，其本质就是将高压大功率的电力电子技术应用于电力系统中，以增强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输电能力。其多个类型都具有谐波抑制和无功补偿的能力。静止无功补偿器是它的一个类型，静止无功补偿技术是20世纪70年代以后发展起来的，是指用不同的静止开关投切电容器或是电抗器，使其具有发出和吸收无功电流的能力，用于提高系统的功率因数和稳定系统电压等。目前这种开关主要是交流接触器和电力电子开关。但是用接触器来投切会出现巨大的冲击涌流，而且闭合时触头颤动导致电弧烧损严重，现在静止无功补偿器一般专指使用晶闸管的无功补偿设备。品闸管投切电容器(TSC)和晶闸管控制电抗器（TCR）是其典型代表。TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分的够细，基本上可以实现无级调节，TCR是用来吸收系统的无功功率的。瑞士勃朗鲍威利公司已造出此种补偿器用于高压输电系统的无功补偿。此外，SVC还包括TSC+TCR混合型补偿器，我国平顶山至武汉凤凰山500KV变电站引用进口的无功补偿设备就是TSC+TCR型。目前国内外对SVC的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神经网络控制和专家系统等智能控制手段也被引入SVC控制系统，使SVC系统的性能更加提高。世界上已投入运行的输电用SVC系统大约150套，我国运行于500KV输电系统的也有5台，型式为TSC+TCR或是TCR_MSC，均为进口设备，国内工业应用的TCR装置大约有20套，其中一小半为国产设备，低压380KV供电系统有各类TSC型国产无功补偿设备在运行，但至今仍没有一套国产的SVC在我国的输变电系统运行。目前国内外对TSC的建模、控制模式、结构设计和不对称控制等做了很多的研究，但是目前还有很多的理论和实际运用的问题尚待解决。而且其控制复杂，所用的全控器件价格昂贵，所以目前还没有普及，尤其在我国，大功率电力电子器件目前基本依赖进口，成本太高，根据我国国情，此类装置的实用需要很长一段时间。而在低压无功补偿中要求装置体积小、重量轻、结构简单易于安装和维护，因此，TSC和TCR装置适合于无功就地补偿的广泛应用。但SVG具有调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量低等优点，其优越性必将使其成为未来的无功补偿装置的发展方向。美国电力研究院还提出统一潮流控制器，集并联补偿、串联补偿、移相等多种功能于一身，造价非常高，控制复杂，目前仅美国lnez变电站安装了这一装置.1.3 无功补偿的合理配置原则和目前无功补偿的不足1.3.1 无功补偿的合理配置原则在目前国内电力系统中，各级网络和输配电设备都要消耗一定的无功功率尤其以配电网所占的比例最大为了使电网安全经济运行及用户的正常用电，首先要减少线路中大量无功功率的流动，也就是使用户的无功负荷和电网无功损失就地供应。有些发达国家要求做到配电线路基本不送无功负荷，cos达到0.95-0.99，在低谷时cos达到1，就地解决用户和配电变压器以及线路上消耗的无功功率。为了最大限度的减少无功功率的传输损耗，提高设备效率，对配电网无功补偿应按照就地平衡的原则进行。首先，总体平衡和局部平衡相结合。如果无功补偿不合理，造成局部地区的无功电力不能就地平衡，可能会使一些线路的无功电力偏多，电压偏高，过剩的无功电力要向外输出；还可能会使一些线路的无功不足，电压下降，必然要向系统索取无功电力。这些情况都会造成不同分区之间的无功功率的长途输送，造成电网的功率损耗和电能损耗的增加。因此，在补偿过程中，在总体平衡的基础上，研究局部的补偿方案，才能达到较好的效果。其次，电力部门补偿和用户补偿相结合。在城乡电网中，用户消耗的无功功率约占50%；在工业电网中，用户消耗的无功功率约占60%；其余的无功功率消耗在电网中。因此，为了减少无功功率在电网中的传输，要尽可能实现无功就地补偿，就地平衡无功，必须由电力部门与用户共同进行补偿。忽略任何一方的作用，都会使电网无功电力平衡失调。第三，采取分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主的原则。变电站的集中补偿，主要是补偿主变压器本身的无功损耗以及减少变电站以上线路传输的无功功率，从而降低供电线路的无功损耗，而不能降低配电网络的无功损耗。用户所需要的无功功率仍需要通过配电线路向负荷输送，为了有效的降低损耗，必须进行分散补偿。由于配电网的线损耗占总损耗的70%左右，因而应该以分散补偿为主。第四，降损与调压相结合。以降损为主。利用晶闸管控制并联电容器组进行无功补偿，其主要目的是为了达到无功功率的就地平衡，减少网络中的无功损耗，降低线损。同时，也可以对电压进行适当的调整。1.3.2 目前无功补偿的不足据统计，当前，国内典型的城乡配电网无功损耗情况如下所示；按电压等级分，0.4KV级损耗占50%，10KV级损耗占20%，35KV以上损耗占30%。在农村，长距离供电较为普遍，10KV线路损耗较大；在城网中，配网的损耗主要在0.4KV侧。因此，做好10KV等级电压以下的无功补偿具有重要意义。近年来，由于计算机技术的发展，无功补偿已经取得了很大的成就，无功补偿装置已经发展到了一个新的阶段。然而，许多电网仍存在补偿不足，调节手段落后，电压偏低，损耗增大等问题。负荷无功补偿主要有以下的问题：(1)无功补偿容量的不足。在供电方面，公用变压器在全国大中小城市中大量存在，而且伴随着一户一表等城网改造的开展，还会大量增加。由于资金匮乏及重视程度不够，公用变压器区内无功补偿容量严重的不足，有功损耗大，功用变压器的利用率不高。在用户方面，由于公用变压器区内低压用户很多，供电企业管理不便，低压用户感性负荷很大。由于各用户没有统一的无功功率补偿，造成补偿不合理，效果不明显；而且，在高峰时，从电网接收无功过多，低谷时，往往向系统倒送无功。(2)无功补偿装置落后。在无功补偿装置上，大量的装置采用采集任选一相的无功信号或是一相电流另两相电压得出的无功信号并以此作为投切容量的依据，但这种方式只适用于以三相动力为主的配电区，它可能会对非采样相造成过补或是欠补。在投切容量的确定方面，往往以功率因数为参考，电容器分组投切，当功率因数滞后时，则投入一组电容器；当功率因数过高或超前时，则切除一组电容器；按步投切电容器，无功补偿的精度不高。这些装置常因为电容器容量级差大而投切精度低或是频繁投切。(3)集中补偿占大多数。集中补偿只能减少装设点以上线路和变压器因输送无功功率所产生的损耗，而不能减少用户内部通过配电线路向用电设备输送无功功率所造成的有功损耗。由于用户内部的无功损耗没有减少，所以降损节电效果必然受到限制。负荷所需的无功功率，仍然需要通过线路供给，依然产生有功损耗。1.4 本文研究的主要内容以及工作：本文作了如下工作：1分析了无功补偿装置的国内外发展现状，无功补偿装置的合理配置，还分析了目前无功补偿的不足。2首先介绍了无功补偿的概念，然后介绍了本论文研究的TSC型无功补偿的原理以及分类。最后介绍了TSC型补偿装置的主电路设计。3用控制器的核心，增加一些外围电路，具有结构简单，易于调试和编程的特点。最后建立系统的建模，运用MATLAB对系统进行仿真，结果说明此控制器设计的有效性.1.5 意义晶闸管投切电容器装置具有优良的动态无功功率补偿性能,特别适合于冲击性负荷及经常波动性负荷的场所,对提高配电系统的功率因数,稳定系统电压,降低能耗,具有重要的作用。随着电力电子技术的迅速发展,特别是电力电子器件价格的下降,晶闸管投切电容器技术更值是进一步深入研究和大力推广应用。第2章 TSC型动态无功补偿器的原理2.1 无功功率补偿的概述2.1.1 无功功率补偿的原理电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理做成的。磁场所具有的磁场能是由电源提供的。电动机和变压器在能量转化过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率就称为感性无功功率。接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周期的充电功率和下半周期的放电功率相等，这种充电功率称为容性无功功率。所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。无功功率在电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电压质量，增加电网的线损耗。因此要对无功功率进行补偿。将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器释放能量，而电感放出能量时，电容器却在吸收能量。能量就在它们之间交换，即感性负荷（电动机、变压器等）所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。因此，把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。此外，调相机、同步电动机等也可以作为无功补偿装置。无功补偿的作用和原理可由下图2.1来解释：设电感性负荷需要从电源吸收的无功功率为Q，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为Q，使电源输出的无功功率减少为QlQ-Qc，功率因数由cos提高到cos，视在功率S减少到了S。视在功率的减少可相应的减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供电设备的投资。例如一台1000千伏安的变压器，当负荷的功率因数为0.7时，可供700千瓦的有功负荷，当负荷的功率因数提高到0.9时，可供900千瓦的有功功率。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦的负荷，是相当可观的。可见，因采用无功补偿措施后，电源输送的无功功率减少了，相应的使电力网和变压器中的功率损耗下降，从而提高了供电效率。由电压损耗公式（2-1）可知，采用无功补偿措施后，因通过电力网的无功功率的减少，降低了电力网中的电压损耗，提高了用户处的电压质量。并联电容器的无功补偿作用和原理，也可以由图2.2来解释图中的用电负荷总电流，可以分解成为有功电流分量和无功电流分量（电感性的）。当并联电容器投入运行时，流入电容器的容性电流Ic和Iq方向相反，故可抵消一部分Iq，使电感性电流分量Iq降低为IqIq-Ic，总电流I降为I，功率因数也由cos提高到cos。这时，负荷所需的无功功率全部由补偿电容供给，电网只需供给有功功率。根据有功电流Ir（t）与无功电流以Tx（t）的定义，还可以用图2.3来解释电力系统中的无功补偿的作用和原理。设负荷实际吸收的电流为I（t），为了使输电线路上流过纯有功电流Ir（t），则需要在负荷端接入一个无功补偿器，补偿提供的电流为(），则这里的Ic（t）就是无功电流Ix（t），这就是电力系统中进行无功补偿的要点。这是完全的补偿，线路上的电流Ir（t）是为了产生负载实际功率（平均功率）而携带能量最小的电流，因而在线路上造成的损失是最小的。此时Ir（t）的波形和（）相同，即电压和电流相位相同。2.1.2 低压无功功率补偿的分类广大市电低压电网处于电网的最末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键。搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效的降低电能损失。低压补偿对用户以及供电部门都是有利的。低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡，通常采用的方式由以下三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。随机补偿是指将低压电容器组和电动机并联，通过控制、保护装置与电机共同投切。随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停止运行时，补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量。具有投资少，配置灵活，维修简单等优点。为了防止电机退出时产生自激过电压，补偿容量一般不大于电机的空载无功。随器补偿就是将低压电容器通过低压保险接在配电变压器的二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。有很多的低压配电网中的变压器，尤其是农网配电变压器，普遍存在负荷轻的现象。在变压器接近空载时，此时配电变压器的空载无功是电网无功负荷的主要部分。随器补偿由于补偿在低压侧，可有效的补偿配变空载无功，且连线简单，做到无功就地补偿。跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户母线上的补偿方式。补偿电容器组的固定连接组可起至相当于随器补偿的作用，补偿用户的固定无功基荷；可投切电容器组用于补偿无功峰荷部分。由于用户负荷有一定的波动性，故推荐选用自动投切方式。此法对电容器的保护比前两种更可靠。以上三种补偿方式都可以对特定种类的无功负荷实现“就地平衡”的无功补偿，降损节能效果更好。2.2 TSC型无功补偿器的原理2.2.1 SVC的定义及分类SVC专指使用晶闸管的静止型动态无功补偿装置，包括晶闸管相控电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC），以及这两者的混合装置（TCR+TSC），或者TCR与固定电容器或机械投切电容混合使用的装置。下图2.4所示SVC的不同配置类型，其中晶闸管控制变压器是TCR装置的一种变型。 表2.1列出了各种静止无功补偿装置的简要对比。通过比较我们可以看出反映时间短（5ms10ms），运行可靠，分相调节，能平衡有功和适用范围广等优点，而且TSC还有很大的灵活性，占地面积相对小，产生的高次谐波和噪声较小。相对于无功发生器SVG来说控制简单、开发时间短、成本低。TSC型SVC可以有效治理闪变，减小谐波电流，更具实用价值。2.2.2 TSC（晶闸管投切电容器）的基本原理TSC（晶闸管投切电容器）的基本原理如图2.5所示。其中2.5a是其单相电路图，其中两个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而并联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流的，在很多情况下，这个电感往往不画出来。因此，当电容器投入时，TSC的电压一电流特性就是该电容的伏安特性，即如图2.5c中所示。在工程实际中，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。这样可根据电网的无功需求投切这些电容器，TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器。当TSC用于三相电路时，可以是连接，也可以是Y连接。每一相都可以设计成如图2.5b所示的那样分组投切。电容器分组的具体方法比较的灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越好，但是综合考虑到系统复杂性以及经济性问题，可以采用二进制的方案，即采用k-1个电容值均为C的电容，和一个电容值为C/2的电容，这样的分组法可使组合成的电容值有2k级。2.2.3 投入时刻的选取选取投入时刻总的原则是，TSC投入电容的时刻，也就是晶闸管开通的时刻，必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻。因为根据电容器的特性，当加在电容上的电压阶跃变化时（若电容器投入的时刻电源电压与电容器充电电压不相等就会发生这样的情况），将产生一冲击电流，很可能损坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利影响。一般来讲，希望电容器预充电电压为电源电压的峰值，而且将晶闸管的触发相位也固定在电源电压的峰值点。因为根据电容器的特性方程:ic=C得出如果在导通前电容器充电电压也等于电源电压峰值，则在电源峰值点投入电容时，由于在这点电源电压的变化率（时间导数）为零，因此，电流ic，即为零，随后电源电压（也即电容电压）的变化率才会按正弦规律上升，电流ic，即按正弦规律上升。这样，整个投入过程不但不会产生冲击电流，而且电流也没有阶跃变化。这就是所谓的理想投入时刻。图2.6以简单的电路原理图和投切时的波形对此作了说明。第3章 系统设计3.1 主电路的设计3.1.1 电容器的接线方式电容器接线方式的不同，决定了补偿方式的不同。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）。(1)三角形接线还可以根据控制开关的不同分为图3.1所示的四种。其中(a)图中无触点投切开关是由两只反并联的晶闸管组成的。当晶闸管为正向电压时，且门极上有触发信号，晶闸管导通，电容器投入；去掉触发脉冲信号后，电流过零时，晶闸管截止，电容器切除。当晶闸管重投时，需要考虑电容器的残压，当系统电压和电容器残压相等时（允许有一个小范围的差值），就是晶闸管的投入触发点。否则，由于系统电压和电容器残压的差值太大，触发晶闸管时就会产生很大的冲击电流，会直接损坏晶闸管。为了确定触发合适时刻，需要预先测量电容器的电压，但是这通常很难做到。因此，我们可以选择脉冲序列作为晶闸管的触发信号。还可以每次触发晶闸管时，选择其承受反压的时刻作为触发脉冲序列的开始，这样当晶闸管由反向转为正向偏置时就自动进入平稳导通的状态，这样也解决了电容器残压测量的问题。(b)方案省去了一相晶闸管。为了提高运行的可靠性，防止电容器和晶闸管损坏，晶闸管投入时必须经过过零检测，也就是只有晶闸管两端的电压接近零时才允许晶闸管被触发。当晶闸管的电压过大时，晶闸管的触发信号就会被闭锁。(c)方案与(a)方案不同的就是，(a)方案是三角形内控接线，而(c)方案属于三角形外控接线方式。图3.1（2）上图（d）-(f)属于星型接线方式。采用图（d）接线方案，晶闸管电压定额可以降低，但是电流定额增大了。电容器电压降低会提高其单位价格，同时投切时会产生短时不平衡中线电流。图(e)采用无中线星行连接方式，电容器组可以随便的选择。但是由于没有中线电位固定作用，晶闸管承受的最大电压和图(a)相同，但是相同容量条件下，流经晶闸管的电流却比图(a)大。图(f)是省去了一相晶闸管的星行连接图。这种接法电容器残余电压不固定，晶闸管承受的电压和图(a)相同。三相电容器可以任意选取，但是需要零电压触发电路。星形接线不会造成无功过补，但是装置造价要比三角形接线高的多，控制也相当复杂。适用于各相负荷相差较大，其功率因数值也有较大差别的场合。(3)三角形和星行相结合接线方案如图3.2所示。这种接线方式的补偿装置。运行灵活，成套价格也低于单一的Y接线方案，但是要高于接线方案。图3.2由以上分析可以看到，三角形和星行相结合的接线方式虽然不会造成无功过补，但是这两种控制复杂而且电容器的造价也比较的高。星行接线控制也比较复杂，价格相对也比较的高，而三角形接线方式简单，价格相对便宜，考虑本设计是应用于低压系统，因此我们选用外控三角形接线方式。3.1.2 电容器的分组方式电容器的分组方式有等容分组方式和不等容分组方式。等容分组方式是指各组电容器的容量相等，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。不等容分组方式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以获得较小的级差，缺点是控制比较复杂。当采用晶闸管控制电容器补偿设备时，由于输出不能连续调节，电容器分组补偿对补偿效果有明显的影响。为了使电容器的寿命更长，就要减少电容器的投切次数。既要使设备达到较高的补偿精度，又要避免过补偿，所以我们应该选用不等容分组的方式。共补部分容量可按：比例配置，如有三组电容器，就可以组合成七级容量的电容值进行投切；分补容量可按系统的实际需求配置，作为共补部分的补充和微调。3.1.3 电容器投切单元电容器的接线方式及其投切开关的不同组成了不同的主电路结构。早期使用交流接触器投切开关，它的缺点是开关工作频率低，不可能快速跟踪无功负荷的变化，常常造成过补或是欠补：接触器三触头只能一起进行通断控制，不能分别选择各相的投切角，因此每次投切电容器组时都会产生巨大的冲击电流，对电网造成干扰，而且容易烧损接触器触头，缩短电容器的使用寿命。随着电力电子技术的发展，晶闸管已经大量的代替了接触开关。但是单独的使用晶闸管作为电容器的投切装置，虽然解决了电容器投切过程中的涌流、过电压、分段电弧等问题，但其自身也存在着明显的不足，如散热体积大、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。因此本文采用接触器和晶闸管相结合来控制电容器的投切问题。既充分利用了晶闸管的电压过零投入、电流过零切除、开关无触点等优点也充分利用了接触器触点的导通功耗低、导通容量大、工作安全等特点。接线图如下图3.3所示图3.3当投入电容器阶段时。首先使晶闸管电子开关在电压过零时刻导通，将电容器稳定可靠的接入电网，维持导通状态，接着使交流接触器导通，使其处于同晶闸管并联工作状态，当电路已经处于稳定工作状态时，将晶闸管退出工作，交流接触器就会独立承担电容器与电网的连通作用了。当切除电容器时，首先是使晶闸管电子开关导通，使其处于与交流接触器并联工作状态，然后使交流接触器先断开退出工作状态，在短时间内，品闸管独立承担电容器与电网的连接，最后切除晶闸管的触发信号，使晶闸管在电流过零时自然关断。由下图3.4的交流接触器和晶闸管联合控制开关投切瞬间电流波形可以看出：无论补偿电容器时接入电网还是从电网中切除，晶闸管一直在承受电流的冲击，瞬态过程结束后，交流接触器才投入工作。所以，接触器的主触点上基本不会产生电弧，从而延长了接触器的使用寿命，同时也消除了电路的电弧干扰，使整个系统更加安全可靠的运行。图3.4考虑控制调节的目标是：电压在合格的范围内，无功基本保持平衡，尽量减少调节的次数。选电压和无功的偏差作为模糊控制器的输入，即选择一阶控制模型。3.2 实现方案单相 TSC 的基本结构如图 3.5 所示，它由电容器 C、双向导通晶闸管(或反并联晶闸管)SW和阻抗值很小的限流电抗器 L 组成。限流电抗器的主要作用是限制晶闸管阀由于误操作引起的浪涌电流。TSC 只有两个工作状态，即投入和切除状态。投入状态下，双向晶闸管(或反并联晶闸管)导通，电容器并入线路中，TSC 向系统发出容性无功功率；切除状态下，双向晶闸管(或反并联晶闸管)阻断，TSC 支路不起作用，不输出无功功率。 图 3.5 单相 TSC 的结构示意图TSC 投入的暂态过程分析:TSC 的投入时机是 TSC 控制中最重要的问题之一，目标是使晶闸管导通瞬间不至于引起过大的冲击电流损坏电容，并获得良好的过渡过程动态，增快 TSC 的相应速度。假设母线电压是标准的正弦信号，即Us (t)=Um sin(t +)忽略晶闸管的导通压降和损耗，认为是一个理想开关，则 TSC 支路的电流为： i (t)=cos(t +) X c式中，K=n/， LC 电路自然频率与工频之比；为X C =1/ (C ) X L =L。设投入是电容上的残压为Uc0 ，则用拉什变换表示的 TSC 支路电压方程为U ( s) = Ls +1/Cs I(s)+Uc0/S+其中 U (s) 和 I (s) 分别为端电压和支路电流的拉什变换。以晶闸管首次触发(即投入 TSC)的时刻作为计算时间的起点，对应的电压波形中的角度是 。经过简单的变化处理及逆变换后可以得到电容器上的瞬时电流为 i(t )=I1m cos(t +) -kBC U C 0 - U m sin sinnt -I1m cosnt 式中，n =k，是电路的自然频率； BC =C ，是电容器的基波电纳；I1m=UmBc ,是电流基波分量的幅值。TSC 的过零投切:本实验中的 TSC 支路用反并联晶闸管 BTA10 做为单相 TSC 的投切开关。控制反并联晶闸管的导通与关断，使得 TSC 工作在投入或切除的状态。TSC 的过零投切是以晶闸管两端电压为零(系统电压和电容器两端电压相等)作为投入的时机，即首次投入时，满足Uc0 =Umsin，从而电容器上的瞬时电流可以表示为：i(t )=I1m cos(t +)+I1m sinsinnt-I1m coscosnt这种方法中，TSC 的晶闸管一旦导通就将始终满足零电压切换条件，可以在短时间内进行重复投切。其硬件原理图如下：3.3 实验步骤3.3.1 接线图 3.6 单相 TSC 无功补偿实验线路图本实验 TSC 中的交流电容按 1：2：4 设置，分别为 5F，10F，20F。实验中，可采用DSP 自动控制和手动的方式实现三组 TSC 的分组投切。3.3.2 调试步骤图3.7 单相 TSC 无功补偿实验首先将 TSC 投切方式选择为手动，并将该方式下所有投切开关均置于断开状态下。转动负载电感 Lf 的调节旋钮，改变电感的感性无功，同时在上位机上观察线路电压电流及功率因数的变化趋势并将实验数据记录于表 3.1 中。保持负载电阻 R 并入线路，转动调节旋钮将负载电感的感性无功分别置于不同的功率因数情况下，手动选择投切的 TSC 组数，使得在没有过补的情况下线路的功率因数最佳，并记录下各个阶段的线路电压电流及功率因数并将实验数据分别记录于表 3.2、表 3.3、表3.4 中。依旧保持负载电阻 R 并入线路，将 TSC 投切方式置为自动，同时将调节旋钮固定在某一点处(最大、最小处除外)，记下此时自动投入的 TSC 组数；负载挂件上保持旋钮位置不变，将投切方式换为手动，依旧手