变电站无功控制装置设计.docx
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变电站无功控制装置设计
编号：
毕业设计说明书
题目：
变电站无功控制装置设计
学院：
机电工程学院
专业：
电气工程及其自动化
学生姓名：
林鹏
学号：
1200120319
指导教师：
罗奕
职称：
高工
题目类型：
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发
2016年06月03日
摘要
随着我国经济、技术的发展，生产和生活越来越依赖于电力供给，大量电机和电力电子设备的应用极大促进了生产自动化水平的提高，但同时，大量变电设备和感应电机是电网无功损耗的主要来源，整流/逆变装置成为主要的谐波源，这些都成为影响供电质量的主要因素。
提高供电网络的供电质量已成为一个亟待解决的课题。
功率因数是输电线路中一个重要的技术参数，通过提高功率因数可以有效提高供电效率和一次设备的利用率，而利用无功补偿技术可以有效提高功率因数。
本次设计主要是运用51单片机来实现无功控制装置的设计，该装置采用数字检测电路来获取电网电压和电流的相位差，单片机通过与LCD相连从而显示功率因数；控制开关采用接触器；电源电路的设计则为单片机和数字检测电路提供稳定的供电电压。
该装置具有抗干扰强，精度高的特点。
同时电网中谐波的存在也是不容忽视的问题，这里采用LC滤波器来滤除谐波。
本文运用51单片机，对电力系统中无功功率进行监测和控制，使功率因数达到调整和优化，证明了本次设计的可行性，具有一定的实用价值。
关键词：
功率因数；谐波；无功控制；投切；51单片机
Abstract
Withthedevelopmentofourcountry’seconomyandtechnology,productionandlifebecomemoreandmoredependentonthepowersupply.Theapplicationofalargenumberofmotorsandpowerelectronicequipmentgreatlyraisethelevelofproductionautomation,butatthesametime,alargenumberofsubstationequipmentandinductionmotorsarethemainsourceofreactivepowerloss,rectifier/inverterdevicebecomethemajorsourceofharmonics,thesehavebecomethemainfactorsaffectingthequalityofpowersupply.Improvethequalityofpowersupplynetworkshasbecomeanurgentissuetobesolved.Powerfactorisanimportantparametersforthetransmissionline.Byincreasingthepowerfactorcanimprovetheefficiencyofpowersupplyandutilizationofprimaryequipment,andthetechnologyofreactivepowercompensationcaneffectivelyimprovethepowerfactor.
Thisdesignismainlyusing51SCMtoachievethedesignofreactivepowercontroldevice,thedeviceusesdigitalcircuittoobtainthephasedifferenceofvoltageandcurrent.AndtheSCMconnectedwithLCDtodisplaypowerfactor,thecontrolswitchadoptscontactor.Thepowersupplycircuitistoprovideastablesupplyvoltageforthesinglechipmicrocomputerandthedigitaldetectioncircuit.Thedevicehasthecharacteristicsofstronganti-interferenceandhighprecision.Atthesametime,theexistenceofharmonicsinthepowergridcannotbeignored,byusingtheLCfiltercanfilterharmonic.
Inthisarticle,byusing51SCMcanmonitorandcontrolthereactivepowerofpowersystem.Sothatthepowerfactorcanbeadjustedandoptimized,itisprovedthatthisdesignisfeasibleandhascertainpracticalvalue.
Keywords：
powerfactor；harmonic；reactivepowercontrol；switching；51SCM
1绪论
1.1研究背景、目的及意义
近三十年以来，我国经济高速发展，同时也带动了我国电力工业的蓬勃发展。
随着电力需求的不断增加，对供电网络的供电质量也提出了更高的要求，为解决这一问题，国家上马建设了一大批电力工程项目，建设水电核电，特高压输电，油气管网，智能电网等。
电力系统装机容量也是逐年攀升，截至2014年底，全国发电装机容量突破13亿千瓦大关。
2014年全国全社会用电量达到历史峰值，高达5.52万亿千瓦时，同比增长3.8个百分点。
超高压，远距离电力输送，智能电网广泛推行，这一切都是鼓舞人心的成就，通过这一系列举措，使得能源得到合理和高效的使用。
但是电力行业也同样存在很多问题，由于现代输电网络都往远距离、高压输送方向发展，无功功率在输电网络中进行长距离传输行不通，会造成电压偏移，供电质量下降等不良影响。
在低压网中，功率因数普遍比较低，造成一次设备不能得到有效利用，供电质量下降，对无功功率进行补偿是改善电能质量的必要手段。
电力系统的无功控制主要是为了控制电压，满足输电系统尽可能大的传输能力的同时并保证电力系统运行的稳定性。
电能质量的好坏取决于电压和频率，而这两者必须稳定在规定的范围内，其中电压又主要受到无功功率的影响，不合理的无功分配还会导致系统的电压质量不能达标，对无功的控制显得尤为重要。
另外无功功率在电网中也会造成额外的损耗，所以，无功功率控制，对提升系统安全运行的稳定性，保障供电质量可靠安全具有很重要的意义。
1.2课题研究现状
补偿无功功率的最基本的方法是构建并联补偿电路（在电路中加入电容器与感性负荷并联），这种方法具有结构清晰、投资少的优点，在早期无功补偿技术时代得到广泛应用。
但是其缺点也很明显，由于其补偿容量往往是不变的，所以不能对实时的负荷无功需求做出响应，因而不能做到动态无功补偿。
在现代工农业生产中，供电网络往往是复杂多样化的，对无功功率单纯的静态补偿已不能满足要求，必须对无功功率进行动态补偿，这时便诞生了同步调相机。
同步调相机本质是一个电源，它控制电压变化的效果很显著，由于它可以在很短的时间内提供较大的无功功率，即使当电力系统出现电压调节大幅度降低的情况时，也可以使系统电压很快复原，保证了系统供电电压的质量。
上世纪70年代以来，静止型无功补偿装置因其饱和电抗器静止，响应速度快的优点得到广泛认可，已逐渐取代了同步调相机。
它通过电力电子器件的高频开关实现供电网络的动态无功补偿，它可以起到提高功率因数，改善电压质量，平衡不对称负荷的作用，在中高压电力系统中的动态无功补偿得到广泛应用。
随着新技术的革新与发展，由晶闸管控制的新型无功补偿装置应运而生，即静止无功补偿装置SVC，静止无功发生器SVG比静止无功补偿装置SVC更为先进，它改变电力系统的电流相位以实现无功补偿的目的，而不是将容性无功和感性无功进行相互抵消。
1992年又提出了一种统一潮流控制器的概念，这种装置的控制范围很大，而且可以同时实现并联补偿或者移相等多种功能，早在1998年美国就有变电站安装上了这种无功补偿装置。
我国正在加紧实际装置的研究，目前绝大多数还处于理论研究或者数字仿真的阶段。
可转换静止补偿器则是目前最新一代的无功补偿装置，目前仅在美国有实际投入使用这种装置，它实质是统一潮流控制器的多重组合，可以实现线路间功率转换，并能同时控制两条以上线路的电压和阻抗等。
在供电网络中，电压和频率决定了供电质量的好坏，而电压的控制是通过无功功率的调节来实现的，目前无功功率调节主要还是应用无功补偿技术，而随着现代电子技术的飞速发展，静止无功补偿的发展呈现如下几点：
（1）以往的无功补偿都是单一的无功功率补偿，即只是进行无功补偿，现在为了满足抑制谐波的需求，已逐步发展为具备无功补偿和抑制谐波功能的静止无功补偿技术，随着电力电子技术的飞速发展，在供电系统或者负荷中含有大量的谐波，抑制谐波是无功补偿技术中必不可少的环节。
（2）测量功率因数更为快速准确，动态响应时间缩短，能够实时跟踪负荷的无功需求并快速地投切电容器，结合计算机的数字控制技术，在无功补偿中引入模糊控制等新的控制方式。
（3）扩大无功补偿技术的使用范围，无功补偿目前主要还是应用在低压系统中，受限于晶闸管的耐压水平，高压系统还不能广泛应用无功补偿技术，因此，研发高压动态无功补偿技术具有很重要的实用价值，解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压成为此技术的突破口。
1.3课题研究内容及目标
以测量功率因数为基础，设计一套采用静电电容器与电抗器组对10kV/380V变电站系统进行无功补偿调节的控制装置，了解功率因数的定义，无功补偿和谐波补偿原理以及基本要求，并针对需要的补偿容量设计投切策略，提出具体的滤波方法。
通过以上的对比分析研究，得出一套具体的测量功率因数的方案，并印证出无功调节和功率因数的关系。
1,4本章小结
这一章节是本课题的开题描述，主要介绍当前无功控制的研究背景和意义，阐明对变电站无功控制的必要性，为本课题的继续研究做了开头介绍。
2功率因数与无功补偿
2.1功率因数与无功功率
在供电系统中，纯感性或纯容性的负载一般都是不存在的，都是电感、电容和电阻混合的混合型负载，这种负载的电流和电压之间存在一定的相位差，这种相位角的余弦值就是功率因数。
功率因数是指有功功率与总耗电量（视在功率）的比值，一般用
表示，它用来衡量供电系统中电力被有效利用的程度，功率因数值越大，代表其电力利用效率越高。
电路中负荷的类型也与功率因数的大小有关，电阻性负荷功率因数一般都是1，如白炽灯泡、电阻炉等，而容性负荷和感性负荷由于要做无用功，视在功率不能完全提供给有功功率，所以除了阻性负载，任何感性和容性负载的功率因数不可能大于或者等于1。
凡是根据电磁感应原理工作的或者是带有电磁线圈的电气设备，都要建立磁场，由于建立磁场而需要的电功率我们称之为无功功率。
无功功率并不是做无用功，它是产生有功功率的必要条件，有功功率和无功功率是相互依存的，对于电力系统而言，两者是缺一不可的。
当电力系统出现无功功率不足时，带有电磁线圈的电气设备无法建立正常的电磁场，那么这些电气设备就不能在额定工况下工作，端电压就会下降，供电质量必然下降。
2.1.1功率因数与无功调节关系
在电力系统中，存在视在功率S，无功功率Q，有功功率P，他们保证了电力系统的有功功率平衡和无功功率平衡，他们之间构成一个如图2-1所示的功率三角形关系。
图2-1功率三角形
其中
P=S
（kW）（2-1）
Q=S
（kvar）（2-2）
S=
（kva）（2-3）
由图可分析得，在保持有功功率P不变的前提下，当无功功率Q增大时，系统视在功率S也相应增大，意味着为该系统供电的变压器容量相应增大，则该供电系统的一次设备投资也将大大增加，一次设备的利用率下降，线损也增加。
如果使功率因数
变大时，维持有功功率P不变，供电系统的视在功率S降低，在不用增加有功功率的前提下达到了提升系统视在功率的目的，明显提高了企业的经济效益，同时也减少了线路的供电损失。
2.2无功补偿
把感性负载和容性负载并联接在电路中，再接入一个电容与感性负载、容性负载并联，组成并联补偿电路。
在有容性负荷的电路中，电流相位超前电压90
，在有感性负荷的电路中，电流相位滞后电压90
，而且在同一电路中，流经电感的电流方向与流经电容的电流方向相反，正好相差180
，我们可以通过在补偿电路中安装电容元件，使得流经电感与电容的电流相互抵消，这样电流矢量和电压矢量的夹角就会变小，达到提高功率因数的目的，这就是无功补偿的原理。
无功补偿的关键是要把感性负荷和容性负荷并联接在电路中，使得能量在两者之间来回切换。
2.2.1无功补偿要求
（1）能够根据电网无功功率大小变化和电压质量要求自动投切与调节，保证系统功率因数保持在一个较高的水平（农业用电，功率因数在0.8以上；中大型电力用户要在0.85以上等），使系统无功损耗处在最小的状态。
（2）调节过程全程智能化，采用全智能数字控制系统，能够联网查看每段线路的电压，电流以及功率因数，实现智能化。
（3）根据降低线损的原则，优先就地补偿，提升供电质量。
（4）能快速跟踪系统无功功率的动态变化，保证投切策略及时有效并能频繁操作，避免投切过程中出现过电压和涌流。
（5）配置无功补偿设备要合理布局，相比高压配电网，无功功率在低压配电网中占有的比重更高，所以要以低压补偿为主，但是也不能不补偿高压，应做到高压补偿和低压补偿相结合。
（6）供电系统中负荷分配往往是复杂多样化的，既有集中在一起的，如变电站中集中装设的大容量电气设备，也有分散在不同区域的，如配电线路和用户的电气设备等等，现实中往往分散的情况比较多，所以要以分散补偿为主，同时兼顾集中补偿，做到分散补偿与集中补偿结合。
这样做的目的就是为了减低线损，尽量做到哪里产生的无功功率，就在哪里补偿。
（7）无功补偿过程中，不仅要降低损耗，也要保证节点电压稳定，保证系统可以平稳运行。
2.2.2无功补偿的作用及意义
无功功率是电气设备在电路中建立和维护磁场的功率，无功功率并不是无用功，它只是不直接参与将电能转化为机械能、热能等。
变压器运行需要磁场，而磁场的建立及维护离不开无功功率，因此电气设备除了需要有功功率之外，还需要无功功率，两者缺一不可。
在正常情况下，电力系统供给的无功功率远远达不到负载的需求，所以需要在电力系统中加装一些无功补偿装置以供给更多的无功功率，这样电气设备才能在额定电压下平稳运行。
无功补偿的意义：
（1）可以减少由于无功功率在电网中流动造成的损耗，功率因数得到提高，从而使得负载的电压更加稳定，电压损失也更加少了。
（2）稳定电力系统的电压，在长距离运输的输电线路中设置合适的动态无功补偿装置还可以起到稳定输电系统的作用，提高输电能力。
（3）假设当原始功率因数
＝0.7，功率因数理想值
＝0.9，对于1000kVA的变压器，补偿前它承担的负载为1000
0.8=800kW,补偿后它承担的负载为1000
0.92=920kW可以发现，无功补偿后，功率因数提升的同时，也使得变压器可以多承担120kW的负载，显著地挖掘了发供电设备端的潜力，所以可以着眼于在维持现有设备容量不变的情况下，如何通过无功补偿提升功率因数。
（4）延长电气设备的寿命，提升功率因数可以使得总电流减小，可以使得本已饱和或者将近饱和的设备负荷降低，可以降低设备的温升从而达到增加寿命的目的。
（5）发电机的有功输出得到提高。
（6）供电企业的经济效益得到了提高，由于改善了功率因数，减少了很多线路中的电气元件，投资减少。
2.3补偿容量计算
电力系统进行无功补偿总是想把原有的功率因数提升到一个更高的理想期待值，然后根据要实现的目标来确定使用并联补偿电路还是串联补偿电路。
现代工农业生产设备繁多，用电情况较为复杂，并联补偿电路能够满足不同生产情况的用电需求，90%以上的无功补偿电路都是采用并联补偿电路（即在负载端并联接入一个电容）。
根据要达到的理想期待值，通过计算公式来计算出系统需要补偿的电容量，由于补偿的是无功功率，所以有功功率在补偿前后都是一个固定值，保持不变。
通过如下公式计算可知：
=
=P
P
=P（
）=
P（2-4）
其中：
Q1为补偿前系统无功功率，单位：
；Q2为补偿后系统无功功率，单位：
；
Qc为无功补偿系数，单位：
；P供电系统的有功功率，单位：
；
补偿前功率因数角；
补偿后功率因数角；
因系统容量为800kVA，10kV/380V一次系统，系统自然功率因数为0.7，系统功率因数期待值是0.92则无功补偿的容量：
Q=
-
=P（
-
）=800
（1.02-0.426）＝332.64（kW）（2-5）
2.3.1补偿电容器的计算
根据理想功率因数以及供电系统运行指标，可由上述公式计算出供电系统所需的无功功率大小，进而可计算出要取得该补偿的无功功率值所需的无功补偿电容。
Q=
=2πfC
=0.314C
（2-6）
其中：
C为补偿电容值，单位：
uF；U为电容两端电压，单位：
V；
可得系统需补偿电容值为：
C=
（2-7）
2.3.2补偿电容器的接线方式
在电力系统中，三角形接线和星形接线是电容器组最为常见的接线方式，不同的接线则电容器两端承受的电压不同。
（1）星形接线
当补偿电容器采用星形接线时，电容器两端承受的是电网相电压，星形接线最大的优点是可以选择多种保护，少数电容器发生故障后，故障可被快速切除，安全隐患较小。
接线图如图2-2所示，接入电路后应补偿的电容量
：
=0.314C
=
314C
（2-8）
图2-2星形接线
（2）三角形接线
当补偿电容器采用三角形接线时，电容器两端承受的是电网的线电压，电容器两端的电压是星形接法的
倍。
任何一台电容器发生故障，流经电容器的电流都较大，而且不能快速将故障切除掉，安全隐患较大，接线图如图2-3所示，接入电路后应补偿的电容量
：
=314C
（2-9）
通过以上对比分析可知：
要想取得相同的补偿容量，星形接法的的电容值必须是三角形接法的三倍，但是三角形接法安全性没星形的好，星形结构简单清晰，建设费用少，在补偿系统中，宜采用三角形接法。
图2-3三角形接线
2.4无功补偿装置
在电力系统中，我们可以简单地把无功补偿装置划分为两种，一种是传统无功补偿装置，另一种是现代无功补偿装置，顾名思义，就是以出现的时间顺序进行划分的。
传统无功补偿装置有电容器补偿装置（电容器补偿装置可组成串联或者并联补偿电路）和同步调相机；现代无功补偿装置主要是静态无功补偿装置（SVC）,这种装置利用反应快速的晶闸管进行控制，如晶闸管控制器（TCR），晶闸管投切电容器（TSC）等。
2.4.1电容器无功补偿装置
电容器补偿装置可组成串联或者并联补偿电路，主要用于补偿供电网络中的感性负荷。
其中并联电容补偿装置是供电系统中应用最为广泛的无功补偿设备，虽然串联电容补偿装置也可以提高功率因数，但是由于其不能跟踪补偿，而且补偿容量往往又是固定的，所以一般不推荐使用串联补偿装置，这里只介绍并联电容补偿装置，并联补偿电路如下图2-4所示，并联电容器无功补偿装置矢量图如图2-5所示。
图2-4并联补偿电路
可列出电流矢量方程I=
+
（2-10）
图2-5并联电容器无功补偿装置矢量图
由图可以知道，由于加装了电容器，电压与电流的相位差由补偿前的A1减小到A2，所以功率因数得到提升，无功补偿过程完成。
并联电容补偿装置有如下优点：
（1）并联电容补偿装置设备投资少，运行费用较低，结构清晰明了，易于安装。
（2）并联电容补偿装置运行过程中无噪声，易于维护。
（3）并联电容补偿装置运行效率普遍较高，相比同步调相机等其他补偿设备损耗更低。
（4）并联电容补偿装置相比同步调相机可以满足不同安装条件的地区，既可以安装在变电站，也可以安装在大型工厂和配电系统，而同步调相机往往只能安装在变电站中心站。
2.4.2同步调相机
同步调相机是另一种传统无功补偿装置，它本质就是向供电网络吸收或者提供无功功率的同步电机，它有两种运行方式，过励磁运行和欠励磁运行。
在长距离输电线路中，可以在线路的受电端加装一个同步调相机，当输电线负载较重时，让同步调相机过励磁运行，这样可以提高输电线路中滞后的无功电流分量；当输电线负载较轻时，让同步调相机欠励磁运行，这样可以减少滞后的无功电流分。
通过这一措施，可以使得供电网络的电压维持在稳定的水平，功率因数也得以接近于1，提高了系统的稳定性。
2.4.3静止无功功率补偿装置
静止无功功率补偿装置是目前较为广泛应用的无功补偿装置，它可以连续而快速地控制无功功率，调节性能非常好，调节时间也短。
依托晶闸管的快速反应特性，可以频繁地进行投切和调节，并且相对于传统的机械式无功补偿装置，它的电容器投切过程中不会有操作过电压和合闸涌流的影响，所以使用寿命也比机械式无功补偿装置要高，响应灵敏。
因为静止无功功率补偿装置并没有旋转的部件，所以完全没有噪声。
但是它的补偿过程却是动态的，可以实时地跟踪无功功率的需求或者电压的变化情况而动作。
与传统无功补偿相比，它的缺点就是制造相对复杂，投资成本较高。
静止无功功率补偿装置的核心部件就是晶闸管控制部分，利用晶闸管的快速动作特性来实线快速投切，当下运用最为广泛的晶闸管控制部件有晶闸管控制电抗器（TCR），晶闸管投切电容器（TSC）。
2.5无功补偿投切方式
目前广泛应用的电容投切装置有三种，一是接触器电容投切装置，二是晶闸管投切电容装置，三是复合开关投切电容装置,下面主要针对这三种装置原理进行分析。
（1）接触器电容投切装置
当装置收到由控制器发来的投入电容器信号时，电阻切合电路触头闭合，提前接通，此时电流经过电阻向电容充电。
由于电阻的阻流作用，线路不会有大的合闸涌流，然后主触头再闭合，短接电阻，电容器充电过程结束，电容器开始正常工作，电容器投入过程结束。
当装置收到来自控制器发来的切除电容器的信号时，主触头先断开，经过一段时间的延时作用，电阻切合电路再断开，这样可以防止切断过程中出现操作过电压的作用，电容器切除过程结束。
接触器投切电容装置原理图如下图2-6。
特点：
该装置不适合需要频繁投切的无功补偿场合，并且投切过程中会出现合闸涌流和操作过电压，为了减少涌流和过电压的情况发生，投切过程中电容器都要经过一段时间的放电过程。
但是由于频繁地投切，电容器要承受操作过电压，合闸涌流，电容器的使用寿命大大缩短，接触器也易被损坏。
图2-6接触器投切电容装置原理示意图
（2）晶闸管投切电容装置TSC
晶闸管投切电容装置由两个反并联晶闸管串联电容器构成。
晶闸管投切电容装置要把握好投切时机，当晶闸
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