整理动态无功补偿装置的设计.docx
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整理动态无功补偿装置的设计
（1）资质等级。
评价机构的环评资质分为甲、乙两个等级。
环评证书在全国范围内使用，有效期为4年。
B.环境影响登记表
（2）综合规划环境影响篇章或者说明的内容。
一、环境影响评价的基础
3）选择价值。
选择价值（OV）又称期权价值。
我们在利用环境资源的时候，并不希望它的功能很快消耗殆尽，也许会设想未来该资源的使用价值会更大。
A.国家根据建设项目影响环境的范围，对建设项目的环境影响评价实行分类管理
（三）环境标准和环境影响评价技术导则
一、环境影响评价的基础
第五章 环境影响评价与安全预评价
（4）化工、冶金、有色、建材、机械、轻工、纺织、烟草、商贸、军工、公路、水运、轨道交通、电力等行业的国家和省级重点建设项目；
本科毕业设计说明书
（
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
二〇一五年六月
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
Abstract
Reactivepowercompensationisimportanttoimprovesystempowerfactor,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.
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。
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。
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=
=6.417kvar
Q=
=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。
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）：
（3-2）
由式（3.1）得：
（3-3）
对式（3.3）DFT变化，又根据其共轭的性质则有：
（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：
（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：
（3-6）
（3-7）
（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流两个信号的值：
（3-9）
（3-10）
有功功率为：
（3-11）
则计算可得下面三个物理量的值：
（3-12）
（3-13）
（3-14）
2.2电容器分组及控制策略
本文设计采用的是并联电容器进行无功补偿，因此无法做到完全的精确补偿，为了能够在总补偿量一定且使用最少电容数量的情况下，提供更多的无功补偿组合方式，需要对并联电容器进行分组，实现分级投切。
电容器分组方式的不同对每组电容器的投切次数及其使用寿命有直接的影响，并直接影响电容器组的运行时间和补偿的精度与效率。
因此，为了使电容器组的使用寿命更长，均衡每组电容器的投切次数，降低投切的频率，选择合理的电容器分组方式是至关重要的。
分组方式是首先确定总的补偿容量，选择电容器中最小容量的值后，再确定电容器组的个数，其它电容器组的容量按照选择的编码比例，以最小电容器容量作基值逐个进行确定，完成电容器组的分级。
通常电容器分组方式根据电容相等与否分为等容、不等容两种分组方式，等容分组方式的各组电容器容量均相等，其缺点正是补偿的级差大，因此，若想满足上述的要求，则需增加相应的电容器组。
然而设备的增加必然会导致投资增大，其对空间的要求也就要求更高。
而不等容分组方式顾名思义，各组电容器容量均不相同。
这种分组方式以较少的分组就能达到多级补偿的目的，且补偿的级差可以做到很小。
由前文所述的计算可得，本文的设计中总的补偿容量为42kvar，则按照不同的分组方式及对应的补偿级数可得下表：
表2.1分组方式及补偿等级
分组方式
补偿等级
1：
1：
1
1，2，3
1：
2：
4
1，2，3，4，5，6，7
1：
2：
2
1，2，3，4，5
1：
2：
3
1，2，3，4，5，6
通过比较很容易发现，按照1:
2:
4的比例方式进行分配，设置三组作为补偿装置的电容器组，每个电容器组的补偿容量分别为6var，12var，24var，按照这种方式进行分组，无功补偿的级差最小，且可实现最多的七级投切。
通过比较可得这种分组方式是最优的选择，本文设计采用的真是这种分组方式。
2.3控制目标的选择与控制方式
无功补偿的投切判据并不是固定的，可根据实际情况，选择最合理的判定方式，也可以根据需要选择无功补偿装置的控制方式。
功率因数是查看无功补偿效果的技术指标，因此，大体上无功补偿总的原则应该是不会过补偿、没有投切震荡、反应迅速的前提下，尽可能的让功率因数更高，同时也要兼顾经济效益。
下面是几种常用的控制方式：
（1）时间控制方式：
通过检测得到补偿点上一天24小时中各时段负荷的运行状态，再通过不同时间段的运行状态便可得到每个时间段的无功功率变化情况。
再根据无功的变化情况按照需要使用时间继电器在特定的时间投切电容器，实现对系统无功的控制以。
这种相对简单的控制方式，是常用控制方式之一。
（2）功率因数控制方式：
这种方式早期应用比较多。
在运行中的电网得到的实时功率因数作为判据，由执行元件完成电容器组的投切，高于上限切电容器组，低于下限投电容器组，稳定负荷的功率因数，执行投切的功率因数上下限可按需要设定。
由于这种方式比较经济，在国内外使用最为广泛。
功率因数控制方式存在电网轻载时可能产生“投切震荡”，同时重载时由于测得的功率因数较小，甚至低于整定值的缺点。
（3）无功功率控制：
以无功功率为控制的物理量，根据实时的电压、电流，计算出无功功率，确定需要补偿的无功，在现有的电容组器投切组合中做最优的选择，做到既要达到补偿的需要，还要避免过补偿，使补偿做到一步到位。
无功功率控制可以在解决投切振荡问题的同时达到快速、准确的补偿效果。
（4）综合控制：
虽然无功功率控制方式的效果已经很好，但是，如果只是使用上述其中一种方式进行控制，都必然有其缺点。
于是便有了以无功功率和功率因数控制为基础，电压等多种因素作为辅助的综合控制方式。
本文设计中采用的是无功功率控制方式，根据电容器分组方式以及无功功率的计算可得具体的控制策略如下表所示：
表2.2无功缺额及相应投切选择
无功缺额
（kvar）
投切选择
6
<12
6kvar电容器组投入
12
<18
12kvar电容器组投入
18
<24
6kvar、12kvar电容器组投入
24
<30
24kvar电容器组投入
30
<36
6kvar、24kvar电容器组投入
36
<42
12kvar、24kvar电容器组投入
42<
三组电容器全部投入
-6
6kvar电容器组切除
-24
<-12或∆Q
-36
12kvar电容器组切除
-30
24kvar电容器组切除
其它情况
无动作
2.4电容器组接线方式
电容器组要根据实际需求选择接线方式，对于三相TSC，补偿电容器的联结方式有：
星形有中线、星形无中线和三角形角外接、三角形角内接四种，下面分别对四种接线方式及其所对应的的补偿方式进行介绍和比较。
图2.1星形有中线图2.2星形无中线
2.4.1星形接线
（1）星形有中线电容器组接线方式。
由于这种接线方式是对系统的三相分别进行补偿，因此需要对三相分别采样并进行计算，再按照计算所得的每相的需求分别进行补偿。
星形接线的每一相分别使用各自的控制器，控制器相互间没有影响。
这种接线方式的优点在于每一相的无功都能得到合适的补偿，但其价格也更高。
其优点是晶闸管的电压定额低，中线的存在导致不能抑制三倍谐波。
该接线方式适用于系统电压畸变概率小的负荷三相不平衡的电网中，该接线方式通常需要在中线上加装限流电抗器以限制涌流和抑制谐波。
（2）星形无中线。
相当于上述接法中的中线，因此也能抑制三倍谐波，不会污染系统。
但去掉中线导致其不能完成分相投切，至少要有两相电容运行才能进行补偿。
因此，该接线方式适用于三相平衡的电网。
2.4.2三角形接线
由于其低廉的价格，相对简单的结构，以往的无功补偿通常选择这种三角形接线方式。
三角形接线通过对线电压及某一相电流的采样并计算，得到实时的运行情况，根据计算结果确定无功的补偿量，即电容器的投入量。
图2.3角外接图2.4角内接
（1）角外接。
三角形角外接接法的电容器按三角形接法，晶闸管阀安装在三角形的外部，如图2.3所示。
通过星形三角形变换的原理可得，如果该组的补偿容量确定，这种接法与星形无中线接法表现出来相同的外电路特性。
角外接单发比角内接方法占用空间更小，缺点是更难控制，投切的过程中，有过长的时间处于暂态，其不适用于三相不平衡负载网络。
（2）角内接。
角内接接法如图2.4所示，其不同之处在于晶闸管阀的安装位置，电容器与晶闸管的串联组成的三角形形成电容器组。
该接法与另外三种接法相比，晶闸管的不能承受过大电流，但是额定电压较大，且对系统没有污染。
工程中，三角形角外接接法的应用更为广泛，本文设计采用三角形角外接的接线方式，对三相进行共同补偿，由上述可知，该接法同样能够抑制三倍谐波。
由于负荷的复杂性，三角形接线辅以星形带接线的接线方式得到了发展和应用。
第三章控制系统设计及器件选择
本文进行的是控制晶闸管投切电容器为企业进行无功补偿的装置的设计，本章主要介绍的是主控部分的设计、控制部分的电路的设计以及主要器件的选择。
3.1主控电路的设计
主控电路主要由电压互感器、电流互感器、低通滤波器、信号隔离模块、PLC中央中央处理单元、触发电路等组成，其一次电气接线方式如图4.1所示：
图3-1主控电路
通过接线图不难理解主控电路的工作过程，控制电路先将电压互感器、电流互感器采集的信号经过处理后，再由PLC按照相同的时间间隔进行多次采样，通过程序设计的已经设定好的算法计算出线路上实时的无功功率缺额。
接下来根据既定的投切策略，在判断出需要被投切的电容器组的情况下发出投入和切除的命令，投切的信号再与电压过零触发电路的配合下控制晶闸管的导通与关断，从而实现对电容器的投切控制。
3.2触发电路设计
晶闸管投切电容器控制系统通过检测、控制和触发三个环节实现最终投切的准确控制，作用分别为采集并计算变量，本文设计中变量主要指无功功率；再按照软件设定好的控制策略发出控制晶闸管导通与断开的指令，进而控制电容器的投切，实现无功的实时准确补偿。
3.2.1晶闸管电压过零触发电路
晶闸管电压过零触发电路的作用是在适当的时间输出门极触发脉冲，保证晶闸管适时地导通，如图4.2为晶闸管电压过零触发电路示意图：
图3-2晶闸管电压过零触发电路
其基本的工作原理是，先将晶闸管无触点开关两端的电压通过电阻的降压作用出送给光电耦合器，如果此时刻系统电压的值刚好与电容器的残压相等，相当于晶闸管两端的没有压差，光电耦合器就会选择在此时刻发出一个负脉冲。
若此时PLC也发出了电容器投切的指令，则负脉冲反相后与投切命令经过一个与门触发电路，发出触发晶闸管导通的脉冲。
此脉冲会经过脉冲放大等环节的处理后产生连续的脉冲，晶闸管会由脉冲触发并保持平稳的导通状态。
而晶闸管的断开是在电流过零时，控制电路的投入指令收回时发生的，直到收到再次有投入指令一直保持关断状态。
3.2.2光电耦合器
光电耦合器内部电路和基本接线图如图3.3所示，其良好的性能，缩短了开关时间、减小了对开关的损耗，同时对提高了装置的可靠性及安全性。
驱动电路的基本工作任务是按照被控制目标的要求，将电子电路传入的信号转换为控制其开通和断开的信号，同时还起到将控制电路与主电路进行电气隔离的作用。
图3.3光电耦合器
3.2.3过零检测电路
TSC投入电容器组时，要求电源电压与电容器残压的幅值与相角相等，避免出现涌流，冲击晶闸管，导致其损耗。
然而实际操作中电容器的残压时很难测量的，所以需要采用过零检测电路解决电容器残压不易测量的问题，如图3.4所示。
过零检测电路通过对两侧电压的检测比较，能够保证晶闸管开通前其两端的电压没有差值，从而可以在很大程度上避免或者减少了开关开通时可能产生的噪声和出现的损耗。
图3.4过零检测电路
3.2.4脉冲隔离放大环节
脉冲隔离放大环节即晶闸管触发电路，其作用是根据接收的到信号发出连续的脉冲，在有投切命令的时刻，确保晶闸管能够准确开通。
常见的晶闸管触发电路有脉冲放大环节、脉冲变压器以及由附属电路构成的脉冲输出环节构成。
其工作原理是：
当其收到导通的信号，将通过脉冲变压器将信号转换为符合需要的连续脉冲，再将该脉冲输出到晶闸管的门极和阴极之间，触发晶闸管开通。
图3.5脉冲隔离放大环节
3.3器件的选择
3.3.1电压和电流互感器选择
电压互感器及电流互感器的作用是将电网系统中的一次侧电压、电流信号实时的
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