變電站無(wú)功控制裝置設(shè)計(jì)【獨(dú)家畢業(yè)課程設(shè)計(jì)帶任務(wù)書+開(kāi)題報(bào)告+外文翻譯】

變電站無(wú)功控制裝置設(shè)計(jì)【獨(dú)家畢業(yè)課程設(shè)計(jì)帶任務(wù)書+開(kāi)題報(bào)告+外文翻譯】,變電站,無(wú)功,控制,節(jié)制,裝置,設(shè)計(jì),獨(dú)家,畢業(yè),課程設(shè)計(jì),任務(wù)書,開(kāi)題,報(bào)告,講演,呈文,外文,翻譯 編號(hào)： 畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 題 目： 變電站無(wú)功控制裝置設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 林 鵬 學(xué) 號(hào)： 1200120319 指導(dǎo)教師： 羅 奕 職 稱： 高 工 題目類型 ： ?理論研究 ?實(shí)驗(yàn)研究 ?工程設(shè)計(jì) ?工程技術(shù)研究 ?軟件開(kāi)發(fā) 2016 年 06 月 03 日 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 I 頁(yè) 摘 要 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì) 、 技術(shù)的 發(fā)展 ， 生產(chǎn)和生活越來(lái)越依賴于電力供給 ， 大量電機(jī)和電力電子設(shè)備的應(yīng)用極大促進(jìn)了生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高 ， 但同時(shí) ， 大量變電設(shè)備和感應(yīng)電機(jī)是電網(wǎng)無(wú)功損耗的主要來(lái)源 ， 整流 /逆變裝置成為主要的諧波源，這些都成為影響供電質(zhì)量的主要因素。 提高 供電網(wǎng)絡(luò)的供電質(zhì)量已成為一個(gè)亟待解決的課題。功率因數(shù)是輸電 線路 中一個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)， 通過(guò) 提高功率 因數(shù) 可以 有效 提高供電效率 和 一次設(shè)備的利用率， 而利用 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)可以有效提高功率因數(shù)。 本次 設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用 51 單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) 無(wú)功 控制 裝置的設(shè)計(jì)，該裝置采用數(shù)字檢測(cè)電路來(lái)獲取電網(wǎng)電壓和電流的相位差，單片機(jī)通過(guò)與 連 從而顯示功率因數(shù) ； 控制開(kāi)關(guān)采用 接觸器 ；電源電路的設(shè)計(jì)則 為 單片機(jī)和 數(shù)字 檢測(cè)電路 提供 穩(wěn)定的供電電壓。該裝置具有抗干擾強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。同時(shí)電網(wǎng)中諧波的存在也是不容忽視的問(wèn)題 ， 這里采用 波器來(lái)濾除 諧波。 本文 運(yùn)用 51 單片機(jī) ，對(duì)電力系統(tǒng)中無(wú)功功率進(jìn)行 監(jiān)測(cè) 和控制，使功率因數(shù)達(dá) 到調(diào)整和優(yōu)化， 證明 了本次 設(shè)計(jì) 的可行性，具有一定的實(shí)用價(jià)值 。 關(guān)鍵 詞 ： 功率因數(shù) ；諧波；無(wú)功 控制 ； 投切； 51 單片機(jī) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 of s on of a of of at a of of of of of an to be is an By of of of is 1 to of to of CM CD to is to a of At of in be by C In by 1 of So be it is is 51林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 目錄 目 錄 摘 要 ................................................................................................................ I .................................................................................................... 緒論 ............................................................................................................. 1 究背景、目的及意義 .......................................................................................... 1 題研究現(xiàn)狀 .......................................................................................................... 1 題研究?jī)?nèi)容及目標(biāo) .............................................................................................. 2 1,4 本章小結(jié) .................................................................................................................. 2 2 功率因數(shù)與無(wú)功補(bǔ)償 ................................................................................. 3 率因數(shù)與無(wú)功功率 .............................................................................................. 3 .............................................................................. 3 功補(bǔ)償 .................................................................................................................. 4 .................................................................................................. 4 .................................................................................. 5 償容量計(jì)算 .......................................................................................................... 5 .......................................................................................... 6 .................................................................................. 6 功補(bǔ)償裝置 .......................................................................................................... 7 ...................................................................................... 7 ...................................................................................................... 8 .................................................................................. 8 功補(bǔ)償投切方式 .................................................................................................. 9 章小結(jié) ................................................................................................................. 11 3 諧波抑制 ................................................................................................... 12 波問(wèn)題與現(xiàn)狀 .................................................................................................... 12 波含義及產(chǎn)生原因 ............................................................................................ 12 波補(bǔ)償原理 ........................................................................................................ 12 除 5,7 次諧波的 波器設(shè)計(jì) ...................................................................... 13 章小結(jié) ................................................................................................................ 14 4 無(wú)功補(bǔ)償控制器功能設(shè)計(jì) ....................................................................... 15 率因數(shù)測(cè)量硬件電路 ........................................................................................ 15 感器測(cè)量模塊 ......................................................................................... 16 號(hào)采樣模塊 ............................................................................................. 17 片機(jī)模塊 ................................................................................................. 18 量原理 ..................................................................................................... 20 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 目錄 ...................................................................................................... 21 示模塊 ..................................................................................................... 22 率因數(shù)測(cè)量電路軟件程序設(shè)計(jì) ........................................................................ 23 試過(guò)程 ................................................................................................................ 24 容投切 ................................................................................................................ 25 章小結(jié) ................................................................................................................ 26 5 結(jié)論與建議 ............................................................................................... 27 題總結(jié) ................................................................................................................ 27 議 ........................................................................................................................ 27 章小結(jié) ................................................................................................................ 27 謝 辭 ............................................................................................................. 28 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................... 29 附錄一 功率因數(shù)測(cè)量電路 ............................................................. 30 附錄二 功率因數(shù)測(cè)量電路原理圖 ............................................................. 31 附錄三 投切控制圖 ..................................................................................... 32 附錄四 變電站主接線圖 ............................................................................. 34 附錄五 軟件程序 ......................................................................................... 35 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 1 頁(yè) 共 37 頁(yè) 1 緒論 究背景 、 目的 及意義 近 三十 年 以 來(lái) ， 我國(guó) 經(jīng)濟(jì) 高速 發(fā)展， 同時(shí) 也帶動(dòng)了我 國(guó) 電力工業(yè)的蓬勃發(fā)展。 隨著電力 需求 的不斷 增加 ，對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的供電質(zhì)量也提出了更高的要求 ， 為解決 這 一問(wèn)題，國(guó)家 上馬建設(shè)了一大批 電力 工程項(xiàng)目， 建設(shè) 水電 核電 ，特高壓輸電，油氣管網(wǎng)， 智能 電網(wǎng)等。電力系統(tǒng)裝機(jī)容量也是逐年攀升， 截至 2014 年 底， 全國(guó) 發(fā)電裝機(jī)容量 突破 13 億千瓦大關(guān)。 2014 年 全國(guó)全社會(huì)用電量達(dá)到歷史峰值， 高達(dá) 億 千瓦時(shí)， 同比 百分點(diǎn)。 超 高壓 ， 遠(yuǎn)距離 電力輸送， 智能 電網(wǎng) 廣泛 推行， 這一切 都是 鼓舞人心 的成就，通過(guò)這一 系列 舉措，使得能源得到合理和 高效 的使用 。但是電力行業(yè)也同樣存在很 多 問(wèn)題，由于 現(xiàn)代輸電 網(wǎng)絡(luò)都 往 遠(yuǎn)距離 、 高壓 輸送方向發(fā)展，無(wú)功功率在輸電網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸行不通， 會(huì) 造成電壓 偏移 ， 供電 質(zhì)量下降等不良影響。在 低壓網(wǎng) 中， 功率 因數(shù)普遍比較低， 造成 一次設(shè)備 不能 得到有效利用， 供電 質(zhì)量下降，對(duì) 無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償是改善電能質(zhì)量的必要手段 。 電力系統(tǒng)的無(wú)功控制 主 要是為了控制電壓， 滿足 輸電 系統(tǒng) 盡可能大的 傳輸 能力的 同時(shí) 并保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 電能 質(zhì)量的好壞取決于 電壓和頻率 ， 而 這兩者必須穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)， 其中 電壓又主要受到無(wú)功功率的影響，不合理的無(wú)功分配還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng) 的電壓質(zhì)量不能 達(dá)標(biāo) ， 對(duì) 無(wú)功的控制顯得尤為重要 。 另外 無(wú)功功率在電網(wǎng)中也會(huì)造成額外的損耗，所以，無(wú)功功率控制，對(duì) 提升 系統(tǒng)安全運(yùn)行的穩(wěn)定性， 保障 供電質(zhì)量可靠安全 具有 很重要的意義。 題 研究現(xiàn)狀 補(bǔ)償無(wú)功功率的最基本 的方法是 構(gòu)建 并聯(lián)補(bǔ)償電路（ 在 電路中加入電容器 與 感性負(fù)荷并聯(lián)）， 這種 方法 具有結(jié)構(gòu)清晰 、 投資少的優(yōu)點(diǎn)， 在 早期無(wú)功補(bǔ)償技術(shù) 時(shí)代 得到廣泛應(yīng)用。但是其 缺點(diǎn) 也很明顯，由于其補(bǔ)償容量往往是不變的，所以不能對(duì)實(shí)時(shí) 的 負(fù)荷無(wú)功需求做出 響應(yīng) ， 因而 不能做到動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償 。在現(xiàn)代 工農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)中， 供電 網(wǎng)絡(luò)往往是復(fù)雜多樣化的，對(duì)無(wú)功功率單純的靜態(tài)補(bǔ)償已不能滿足要求，必須對(duì)無(wú)功功 率 進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償， 這時(shí)便誕生了 同步調(diào)相機(jī) 。 同步調(diào)相機(jī)本質(zhì)是一個(gè)電源 ，它控制電壓變化的效果很顯著， 由于 它可以在很短的時(shí)間內(nèi)提供較大的無(wú)功功率，即使 當(dāng) 電力系統(tǒng)出現(xiàn) 電壓 調(diào)節(jié)大幅度降低的情況 時(shí) ，也可以 使系統(tǒng) 電壓很快 復(fù)原 ，保證了系統(tǒng)供電電壓 的 質(zhì)量 。 上世紀(jì) 70 年代 以來(lái)， 靜止 型無(wú)功補(bǔ)償裝置因其飽和電抗器靜止， 響應(yīng) 速度快的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛 認(rèn)可 ， 已 逐漸取代了同步調(diào)相機(jī)。 它 通過(guò)電力電子器件的高頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)供電網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償， 它 可以起到提高功率因數(shù)， 改善 電壓質(zhì)量， 平衡不 對(duì)稱 負(fù)荷 的作用， 在 中高壓電力系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)玫綇V泛應(yīng)用。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 2 頁(yè) 共 37 頁(yè) 隨著 新技術(shù)的革新與發(fā)展，由晶閘管控制的 新型 無(wú)功補(bǔ)償裝置 應(yīng)運(yùn) 而生，即 靜止 無(wú)功補(bǔ)償 裝置 止無(wú)功發(fā)生器 靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置 為先進(jìn)， 它改變電力系統(tǒng)的電流相位以 實(shí)現(xiàn) 無(wú)功 補(bǔ)償 的目的， 而不是將 容性無(wú)功和感性無(wú)功進(jìn)行相互抵消 。 1992 年又提出了一種統(tǒng)一潮流控制器的概念 ， 這種裝置的控制范圍很大 ， 而且可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償或者移相等多種功能 ， 早在 1998 年美國(guó)就有變電站安裝上了這種無(wú)功補(bǔ)償裝置。我國(guó)正在加緊實(shí)際裝置的研究，目前絕大多數(shù)還處于理論研究或者數(shù)字仿真的 階段。可轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器則是目前最新一代的無(wú)功補(bǔ)償裝置，目前僅在美國(guó)有 實(shí)際投入使用這種裝置，它實(shí)質(zhì)是統(tǒng)一潮流控制器的多重組合，可以實(shí)現(xiàn) 線路間功率轉(zhuǎn)換，并能同時(shí)控制兩條以上線路的電壓和阻抗等。 在 供電 網(wǎng)絡(luò)中， 電壓 和頻率決定 了 供電質(zhì)量的好壞 ， 而 電壓 的控制是通過(guò)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 目前 無(wú)功功率調(diào)節(jié)主要 還是 應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，而隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展， 靜止 無(wú)功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展呈現(xiàn)如下幾點(diǎn)： （ 1） 以往 的無(wú)功補(bǔ)償都是單一的無(wú)功功率補(bǔ)償， 即只是進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償 ， 現(xiàn)在為了滿足抑制諧波的需求 ， 已逐步發(fā)展為具備無(wú)功補(bǔ)償和抑制諧波功能的靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù) ，隨著 電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在供電系統(tǒng) 或者 負(fù)荷 中 含有大量的諧波，抑制諧波是無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)中必不可少的環(huán)節(jié)。 （ 2） 測(cè)量功率因數(shù)更為快速準(zhǔn)確， 動(dòng)態(tài) 響應(yīng)時(shí)間縮短，能夠 實(shí)時(shí) 跟蹤負(fù)荷的無(wú)功需求并快速地投切電容器， 結(jié)合 計(jì)算機(jī)的數(shù)字 控制技術(shù)， 在 無(wú)功補(bǔ)償中引入模糊控制等新的控制方式。 （ 3）擴(kuò)大 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的使用范圍，無(wú)功補(bǔ)償目前主要還是應(yīng)用 在 低壓系統(tǒng)中，受限 于晶閘管的耐壓水平， 高壓 系統(tǒng)還不能 廣泛 應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)， 因此 ， 研發(fā) 高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)具有很重要的 實(shí)用 價(jià)值， 解決 補(bǔ)償裝置晶閘管和二極管的耐壓 成為 此技術(shù)的突破口。 題 研究 內(nèi)容 及目標(biāo) 以 測(cè)量功率因數(shù)為基礎(chǔ)， 設(shè)計(jì)一套采用靜電電容器與電抗器組對(duì) 1080V 變電站系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償調(diào)節(jié)的控制裝置 ，了解功率因數(shù)的定義， 無(wú)功 補(bǔ)償 和 諧波補(bǔ)償原理以及基本要求， 并 針對(duì) 需要 的補(bǔ)償容量設(shè)計(jì)投切策略， 提出 具體的濾波方法。 通過(guò) 以上的對(duì)比分析研究， 得 出一套具體的測(cè)量功率因數(shù)的方案， 并 印證出無(wú)功調(diào)節(jié)和功率因數(shù)的關(guān)系 。 1,4 本章小結(jié) 這一章節(jié)是本課題的開(kāi)題描述 ， 主要介紹當(dāng)前無(wú)功控制的研究背景 和意義 ，闡明對(duì)變電站無(wú)功控制的必要性，為本課題的繼續(xù)研究做了開(kāi)頭介紹。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 3 頁(yè) 共 37 頁(yè) 2 功率因數(shù)與無(wú)功補(bǔ)償 率因數(shù)與 無(wú)功功率 在供電系統(tǒng)中，純感性 或 純?nèi)菪缘呢?fù)載一般都是不存在的，都是 電感 、 電容 和電阻混合的混合型負(fù)載， 這種 負(fù)載的 電流 和電壓之間存在一定 的 相位差， 這種 相位角 的余弦值就是功率因數(shù) 。 功率 因數(shù) 是 指有功功率與 總 耗電量（視在功率）的比值， 一般用 表示 ， 它用來(lái) 衡量供電系統(tǒng)中電力被有效利用的程度， 功率 因數(shù) 值 越大，代表其電力利用效率越高 。 電路中 負(fù)荷的類型也 與功率 因數(shù)的大小 有 關(guān)，電阻性負(fù)荷 功率因數(shù) 一般都是1，如白熾燈泡、電阻爐等，而容性負(fù)荷和感性負(fù)荷由于要做無(wú)用功，視在 功率 不能完全提供給有功功率，所以除了阻 性 負(fù)載， 任何 感性和 容 性負(fù)載的功率因數(shù)不可能大于或者等于 1。 凡是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的 或者 是帶有電磁線圈的電氣設(shè)備， 都要 建立磁場(chǎng)， 由于建立磁場(chǎng)而需要的電功率我們稱之為無(wú)功功率 。 無(wú)功功率 并不是做無(wú)用功， 它 是產(chǎn)生有功功率的必要條件， 有功 功率和無(wú)功功率是相互依存的， 對(duì)于 電力系統(tǒng)而言 ， 兩者 是缺一不可 的。 當(dāng) 電力系統(tǒng)出現(xiàn)無(wú)功功率不足時(shí)，帶有電磁線圈的電氣設(shè)備 無(wú)法 建立正常的電磁場(chǎng)， 那么這些電氣設(shè)備 就不能 在額定工況下工作， 端 電壓 就會(huì) 下降， 供電 質(zhì)量必然下降。 功調(diào)節(jié)關(guān)系 在電力系統(tǒng)中， 存在 視在功率 S， 無(wú)功 功率 Q， 有功功率 P， 他們 保證了電力系統(tǒng)的有功功率平衡和無(wú)功功率平衡，他們之間 構(gòu)成 一個(gè)如圖 2示的功率三角形 關(guān)系 。 圖 2 其中 P=S× （ （ 2 Q=S×???????? （ （ 2 S=√??2 +??2 （ （ 2 由圖可 分析得 ， 在 保持有功功率 P 不變的前提下， 當(dāng)無(wú)功 功率 Q 增大時(shí) ， 系統(tǒng) 視在功率 大 ， 意味著為該系統(tǒng)供電的 變壓器 容量相應(yīng)增大， 則 該供電系統(tǒng)的一次設(shè)備投資也將大大增加， 一次 設(shè)備的利用率下降，線損也增加 。 如果 使功率因數(shù) φ林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 4 頁(yè) 共 37 頁(yè) 變大 時(shí)， 維持 有功功率 P 不變，供電系統(tǒng)的視在功率 S 降低 ， 在 不用增加有功功率的前提下達(dá)到了提升系統(tǒng)視在功率的 目的，明顯提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也減少了線路的供電損失。 功 補(bǔ)償 把感性負(fù)載和容性負(fù)載并聯(lián)接在電路中， 再接 入一個(gè)電容與感性負(fù)載 、 容性 負(fù)載 并聯(lián) ， 組成 并聯(lián)補(bǔ)償電路。 在 有容性負(fù)荷的電路中，電流相位超前電壓 90°， 在 有感性負(fù)荷的電路中，電流 相位 滯后電壓 90°， 而且 在同一電路中， 流經(jīng) 電感的電流方向與流經(jīng)電容的電流方向相反， 正好 相差 180°， 我們 可以通過(guò)在補(bǔ)償電路 中安裝電容 元件 ， 使 得流經(jīng)電感 與 電容的電流相互抵消，這樣電流 矢量 和電壓 矢量 的夾角 就會(huì) 變小， 達(dá)到 提高功率因數(shù)的目的 ， 這就是無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑?。 無(wú)功補(bǔ)償 的關(guān)鍵是要把感性負(fù)荷和 容性 負(fù)荷并聯(lián)接在電路中，使得能量在兩者之間來(lái)回切換。 償 要求 （ 1） 能夠根據(jù)電網(wǎng) 無(wú)功 功率大小 變化 和電壓質(zhì)量要求自動(dòng) 投 切與 調(diào)節(jié) ，保證系統(tǒng)功率因數(shù)保持在一個(gè)較高的水平 （農(nóng)業(yè)用電，功率因數(shù)在 上；中大型電力用戶要在 上等） ， 使 系統(tǒng)無(wú)功損耗處在最小的 狀態(tài) 。 （ 2）調(diào)節(jié) 過(guò)程全程智能化 ， 采用全智能 數(shù)字 控制系統(tǒng)， 能夠 聯(lián)網(wǎng)查看每段線路的電壓， 電流 以及功率因數(shù)， 實(shí)現(xiàn) 智能化。 （ 3）根據(jù) 降低線損 的 原則， 優(yōu)先 就地補(bǔ)償， 提升供電質(zhì)量 。 （ 4）能 快速跟蹤系統(tǒng)無(wú)功功率的動(dòng) 態(tài) 變化，保證投切策略及時(shí)有效并能頻繁操作，避免投 切過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)電壓和涌流。 （ 5）配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備要合理布局， 相比高壓配電網(wǎng)，無(wú)功功率在低壓配電網(wǎng)中占有的比重更高，所以要以 低壓補(bǔ)償為主， 但是也不能不補(bǔ)償高壓，應(yīng)做到高壓補(bǔ)償和低壓補(bǔ)償相結(jié)合。 （ 6）供電系統(tǒng)中負(fù)荷分配往往是復(fù)雜多樣化的，既有集中在一起的，如變電站中集中裝設(shè)的大容量電氣設(shè)備，也有分散在不同區(qū)域的，如配電線路和用戶的電氣設(shè)備等等， 現(xiàn)實(shí)中往往分散的情況比較多 ， 所以要以分散補(bǔ)償為主 ， 同時(shí)兼顧集中補(bǔ)償 ， 做到分散補(bǔ)償與集中補(bǔ)償結(jié)合 。 這樣做的目的就是為了減低線損，盡量做到哪里產(chǎn)生的無(wú)功功率，就在哪里補(bǔ)償。 （ 7）無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中，不僅要降低損耗，也要保證節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定，保證系統(tǒng)可以平穩(wěn)運(yùn)行。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁(yè) 共 37 頁(yè) 無(wú)功功率是 電氣設(shè)備在電路中建立和維護(hù)磁場(chǎng)的功率，無(wú)功 功率并不是 無(wú) 用功 ，它只是不 直接參與 將 電能轉(zhuǎn)化 為 機(jī)械能 、 熱能 等。變壓器運(yùn)行 需要 磁場(chǎng)， 而 磁場(chǎng)的建立及維護(hù)離不開(kāi)無(wú)功功率， 因此 電氣設(shè)備除了需要有功功率之外， 還 需要無(wú)功 功率 ， 兩者 缺一不可。 在 正常情況下，電力系統(tǒng)供給 的 無(wú)功功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到負(fù)載的 需求 ， 所以 需要在電力系統(tǒng)中 加裝 一 些 無(wú)功補(bǔ)償裝置以 供給 更多的無(wú)功功率， 這樣 電氣設(shè)備才能在額定電壓下 平穩(wěn) 運(yùn)行。無(wú)功補(bǔ)償 的 意義： （ 1）可以減少 由于無(wú)功功率在電網(wǎng)中流動(dòng)造成的損耗， 功率 因數(shù)得到提高，從而使得負(fù)載的電壓更加穩(wěn)定 ， 電壓損失 也 更加 少了。 （ 2）穩(wěn)定 電力系統(tǒng)的電壓，在長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)妮旊?線路 中設(shè)置合適的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置還可以起到穩(wěn)定輸電系統(tǒng)的作用， 提高 輸電能力。 （ 3） 假設(shè) 當(dāng) 原始功率因數(shù) 1＝ 功率 因數(shù) 理想 值 2＝ 對(duì)于 1000壓器，補(bǔ)償前 它承擔(dān)的負(fù)載為 1000×00償后它承擔(dān)的負(fù)載為1000×20以發(fā)現(xiàn) ，無(wú)功補(bǔ)償后，功率因數(shù)提升的同時(shí)，也使得變壓器可以多承擔(dān) 120著地挖掘了發(fā)供電設(shè)備端的潛力，所以可以著眼于在維持現(xiàn)有設(shè)備容量不變的情況下，如何通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償提升功率因數(shù)。 （ 4） 延 長(zhǎng) 電氣設(shè)備的壽命， 提升 功率因數(shù)可以使得總電流減小， 可以 使得本已飽和 或者 將近飽和 的 設(shè)備 負(fù)荷 降低， 可以 降低設(shè)備的溫升從而達(dá)到增加壽命的目的。 （ 5）發(fā)電機(jī)的有功輸出得到提高。 （ 6）供電企業(yè) 的經(jīng)濟(jì)效益得到了提高， 由于 改善 了 功率 因數(shù)，減少了 很多 線路中的電氣元件， 投資 減少 。 償 容量計(jì)算 電力系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償總是想把 原有 的功率因數(shù)提升到 一個(gè) 更高的理想期待值， 然后 根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)來(lái) 確定 使用并聯(lián)補(bǔ)償電路還是串聯(lián)補(bǔ)償電路。 現(xiàn)代 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備繁多， 用電 情況較為復(fù)雜， 并聯(lián) 補(bǔ)償電路能夠滿足不同生產(chǎn)情況的用電需求， 90%以上的無(wú)功補(bǔ)償電路都是采用并聯(lián)補(bǔ)償電路（即在負(fù)載 端并聯(lián)接入 一個(gè)電容）。根據(jù) 要 達(dá)到的理想期待值， 通過(guò) 計(jì)算公式來(lái)計(jì)算出系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)碾娙萘浚?由于 補(bǔ)償?shù)氖菬o(wú)功功 率 ，所以有功功率在補(bǔ)償前后都是一個(gè)固定 值 ， 保持 不變。 通過(guò) 如下 公式 計(jì)算可知： ?=??1 ???2=1 ?2=P（ 1 ?2） =????P （ 2 其中： 補(bǔ)償前 系統(tǒng) 無(wú)功功率 ， 單位： 補(bǔ)償后系統(tǒng)無(wú)功功率 ， 單位： 無(wú)功補(bǔ)償系數(shù) ， 單位： P 供電系統(tǒng)的有功功率 ， 單位： ??1補(bǔ)償 前 功率因數(shù)角 ； ??2補(bǔ)償后功率因數(shù)角 ； 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 6 頁(yè) 共 37 頁(yè) 因 系統(tǒng)容量為 8001080V 一次系統(tǒng)，系統(tǒng) 自然 功率因數(shù)為 統(tǒng) 功率因數(shù)期待值是 無(wú)功 補(bǔ)償 的容量： Q=??1-??2=P(12)=800× （ 2 容器的計(jì)算 根據(jù)理想功率因數(shù)以及供電系統(tǒng)運(yùn)行 指標(biāo) ， 可由 上述公式計(jì)算出供電系統(tǒng)所需的無(wú)功功率大小， 進(jìn)而 可計(jì)算出要取得該補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率值所需的無(wú)功補(bǔ)償 電 容。 ?Q=??2????=2π2 ×10?3=??2 （ 2 其中 ： C 為 補(bǔ)償電容值，單位： U 為 電容兩端電壓，單位： V； 可得 系統(tǒng)需補(bǔ)償電容 值 為： C= ???2 （ 2 容器的接線方式 在 電力系統(tǒng)中， 三角形接線和星形接線是電容器組最為常見(jiàn)的接線方式 ，不同的 接線 則電容器兩端承受的電壓不同 。 （ 1） 星 形 接線 當(dāng) 補(bǔ)償電容器采用星形接線 時(shí)， 電容器 兩端 承受 的是 電網(wǎng) 相電壓， 星 形接線 最大的優(yōu)點(diǎn) 是可以選擇 多種保護(hù)，少數(shù)電容器發(fā)生故障后， 故障 可 被 快速切除， 安全 隱患較小。接線圖如圖 2 接入電路后應(yīng)補(bǔ)償?shù)?電容 量 ??1=????2 =13 ×314C??????2 （ 2 圖 2形接線 （ 2） 三角形 接 線 當(dāng) 補(bǔ)償電容器采用三角形接線 時(shí)， 電容器 兩端 承受 的是電網(wǎng)的線電壓， 電容器兩端的 電壓 是 星形接法的 √3倍 。任何一臺(tái)電容器發(fā)生故障， 流經(jīng) 電容器的電流都較大， 而且 不能快速將故障切除掉， 安全隱患 較大 ， 接線圖如圖 2示 ， 接入電路后應(yīng)補(bǔ)償?shù)碾娙?量 ??2=314C??????2 （ 2 通過(guò)以上對(duì)比 分析 可知： 要想 取得相同的補(bǔ)償容量， 星形 接法的的電容值必須 是三角形接法的三倍，但是三角形接法 安全性 沒(méi) 星 形的好，星 形 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁(yè) 共 37 頁(yè) 清晰， 建設(shè) 費(fèi)用少，在補(bǔ)償系統(tǒng)中， 宜 采用三角形接法 。 圖 2角形接線 功 補(bǔ)償裝置 在電力系統(tǒng)中，我們可以簡(jiǎn)單地把無(wú)功補(bǔ)償裝置劃分為兩種 ， 一種是傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置 ，另一種是現(xiàn)代無(wú)功補(bǔ)償裝置，顧名思義，就是以出現(xiàn)的時(shí)間順序進(jìn)行劃分的。傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置有電容器補(bǔ)償裝置（電容器補(bǔ)償裝置可組成串聯(lián)或者并聯(lián)補(bǔ)償電路）和同步調(diào)相機(jī)；現(xiàn)代無(wú)功補(bǔ)償裝置主要是靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（ ,這種裝置利用反應(yīng)快速的晶閘管進(jìn)行控制，如晶閘管控制器（ 晶閘管投切電容器（ 。 電容器補(bǔ)償裝置可組成串聯(lián)或者并聯(lián)補(bǔ)償電路，主要用于補(bǔ)償供電網(wǎng)絡(luò)中的感性負(fù)荷。其中并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置是供電系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，雖然串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置也可以提高功率因數(shù)，但是由于其不能跟蹤補(bǔ)償，而且補(bǔ)償容量往往又是固定的，所 以一般不推薦使用串聯(lián)補(bǔ)償裝置，這里只介紹并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置， 并聯(lián)補(bǔ)償電路如下圖 2示 ， 并聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置矢量圖 如圖 2示 。 可列出電流矢量方程 I = ????+???? （ 2 林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁(yè) 共 37 頁(yè) A 2圖 2聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置矢量圖 由圖可以知道 ， 由于加裝了 電容器，電壓與電流的相位差由補(bǔ)償前的 小到所以功率因數(shù)得到提升 ， 無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程完成 。并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置有如下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置設(shè)備投資少，運(yùn)行費(fèi)用較低，結(jié)構(gòu)清晰明了，易于安裝。 （ 2） 并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置 運(yùn)行過(guò)程中無(wú)噪聲 ， 易于維護(hù) 。 （ 3） 并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置運(yùn)行效率普遍較高，相比同步調(diào)相機(jī)等其他補(bǔ)償設(shè)備損耗更低。 （ 4）并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置相比同步調(diào)相機(jī)可以滿足不同安裝條件的地區(qū)，既可以安裝在變電站，也可以安裝在大型工廠和配電系統(tǒng)，而同步調(diào)相機(jī)往往只能安裝在變電站中心站。 同步調(diào)相機(jī) 是另一種傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置 ，它本質(zhì)就是向供電網(wǎng)絡(luò)吸收或者提供無(wú)功功率的同步電機(jī)，它有兩種運(yùn)行方式，過(guò)勵(lì)磁運(yùn)行和欠勵(lì)磁運(yùn)行。 在 長(zhǎng)距離輸電 線路 中，可以在線路的受電端加裝一個(gè)同步調(diào)相機(jī)，當(dāng)輸電 線 負(fù)載較重時(shí)，讓同步調(diào)相機(jī)過(guò)勵(lì)磁運(yùn)行 ， 這樣可以提高輸電線路中滯后的無(wú)功電流分量 ；當(dāng)輸電線負(fù) 載較輕時(shí)，讓同步調(diào)相機(jī)欠勵(lì)磁運(yùn)行，這樣可以減少滯后的無(wú)功電流分。 通過(guò)這一措施，可以使得供電網(wǎng)絡(luò)的電壓維持在穩(wěn)定的水平，功率因數(shù)也得以接近于 1，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 靜止無(wú)功功率補(bǔ)償裝置是目前較為廣泛應(yīng)用的無(wú)功補(bǔ)償裝置，它可以連續(xù)而快速地控制無(wú)功功率，調(diào)節(jié)性能非常好，調(diào)節(jié)時(shí)間也短。依托晶閘管的快速反應(yīng)特性，可以頻繁地進(jìn)行投切和調(diào)節(jié)， 并且相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式無(wú)功補(bǔ)償裝置，它的電容器投切過(guò)程中不會(huì)有操作過(guò)電壓和合閘涌流的影響，所以使用壽命也比機(jī)械式無(wú)功補(bǔ)償裝置要高，響應(yīng)靈敏。 因?yàn)殪o止無(wú)功功率補(bǔ)償裝置并沒(méi)有旋轉(zhuǎn)的部件，所以完全沒(méi)有 噪聲 。但是它的補(bǔ)償過(guò)程卻是動(dòng)態(tài)的，可以實(shí)時(shí)地跟蹤無(wú)功功率的需求或者電壓的變化情況而動(dòng)作。與 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁(yè) 共 37 頁(yè) 傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償相比，它的缺點(diǎn)就是制造相對(duì)復(fù)雜，投資成本較高。靜 止無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的核心部件就是晶閘管控制部分，利用晶閘管的快速動(dòng)作特性來(lái)實(shí)線快速投切，當(dāng)下運(yùn)用最為廣泛的晶閘管控制部件有晶閘管控制電抗器（ 晶閘管投切電容器（ 。 功 補(bǔ)償投切方式 目前廣泛應(yīng)用的電容投切裝置有三種 ， 一是接觸器電容投切裝置 ， 二是晶閘管投切電容裝置 ， 三是復(fù)合開(kāi)關(guān)投切電容裝置 ,下面主要針對(duì)這三種裝置原理進(jìn)行分析。 （ 1）接觸器電容投切裝置 當(dāng)裝置收到由控制器發(fā)來(lái)的投入電容器信號(hào)時(shí) ， 電阻切合電路觸頭閉合 ， 提前接通 ，此時(shí)電流經(jīng)過(guò)電阻向電容充電 。 由于電阻的阻流作用 ， 線路不會(huì)有大的合閘涌流 ，然后主觸頭再閉合，短接電阻，電容器充電過(guò)程結(jié)束，電容器開(kāi)始正常工作，電容器投入過(guò)程結(jié)束。當(dāng)裝置收到來(lái)自控制器發(fā)來(lái)的切除電容器的信號(hào)時(shí)，主觸頭先斷開(kāi)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延時(shí)作用，電阻切合電路再斷開(kāi)，這樣可以防止切斷過(guò)程中出現(xiàn)操作過(guò)電壓的作用，電容器切除過(guò)程結(jié)束。 接觸器投切電容裝置原理圖如下 圖 2 特點(diǎn) ： 該裝置不適合需要頻繁投切的無(wú)功補(bǔ)償場(chǎng)合 ， 并且投切過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)合閘涌流和操作過(guò)電壓 ，為了減少涌流和過(guò)電壓的情況發(fā)生，投切過(guò)程 中電容器都要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的放電過(guò)程。但是由于頻繁地投切，電容器要承受操作過(guò)電壓，合閘涌流，電容器的使用壽命大大縮短，接觸器也易被損壞。 R 2R 1 R 1R 2 R 2圖 2意圖 （ 2） 晶閘管投切電容裝置 閘管投切電容裝置由兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管串聯(lián)電容器構(gòu)成 。晶閘管投切電容裝置要把握好投切時(shí)機(jī)，當(dāng)晶閘管兩端的電壓為零的時(shí)候，即電源電壓壓降全部在電容上，此時(shí)才投入電容器，這樣可以避免沖擊電流的出現(xiàn)。一般會(huì)采用過(guò)零檢測(cè)電路來(lái)保證當(dāng)晶 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁(yè) 共 37 頁(yè) 閘管兩端電壓為零時(shí)觸發(fā)晶閘管，而過(guò)零檢測(cè)電路靠光電耦合器完成這一過(guò)程，其中圖2晶閘管電壓過(guò)零觸發(fā)電路原理圖 。 與門零電壓檢測(cè)器脈沖隔離電路多諧振蕩器光電耦合C 投切信號(hào)L 閘管 電壓過(guò)零觸發(fā)電路 當(dāng)晶閘管兩端電壓為零 ， 光電耦合器會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào) ， 這時(shí)候會(huì)與投入指令做邏輯與運(yùn)算來(lái)決定是否去觸發(fā)晶閘管 ， 如果無(wú)功 補(bǔ)償控制 器 發(fā)來(lái)投入指令 ， 則晶閘管平穩(wěn)導(dǎo)通 ， 無(wú)功 補(bǔ)償控制器 撤銷投入指令 ， 晶閘管 在零 電流 時(shí)自然 關(guān)斷 ， 下回 再接收到投入指令時(shí)， 但是不同于接觸器投切電容裝置的是 ， 由于晶閘管導(dǎo)通的時(shí)候，其兩端電壓正好等于電源兩端電壓，所以就無(wú)合閘涌流現(xiàn)象出現(xiàn) ， 特點(diǎn) ： 該裝置在需要頻繁地投切電容器的場(chǎng)合有使用價(jià)值 ， 利用晶閘管的快速響應(yīng)特性 ,投切快速 ,并且相對(duì)于接觸器電容投切裝置 ， 它的使用壽命更長(zhǎng) ， 投切過(guò)程無(wú)涌流 ，無(wú)過(guò)電壓 ， 但是相對(duì)的 ， 它的造價(jià)也相對(duì)較高 ， 在使用的時(shí)候要考慮投資預(yù)算的因素。另外晶閘管投切電容裝置不能連續(xù)地調(diào)節(jié)無(wú)功功率 ， 不過(guò)可以通過(guò)對(duì)電容器分組解決這一問(wèn)題 ， 并且在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)有諧波產(chǎn)生 ， 損耗也較少 。如果電容器預(yù)先充電電壓不等于電源電壓時(shí)就投入電容，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，嚴(yán)重?fù)p害晶閘管，因此電容投入時(shí)機(jī)一定要把握好。 容裝置原理示意圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 11 頁(yè) 共 37 頁(yè) （ 3） 復(fù)合開(kāi)關(guān)投切電容裝置 復(fù)合投切開(kāi)關(guān)結(jié)合了接觸器電容投切裝置與晶閘管投切電容裝置的特點(diǎn) ， 由雙向反并聯(lián)晶閘管及交流接觸器構(gòu)成 。 首先控制 器 發(fā)來(lái) 的投入電容器信號(hào)會(huì)使得該裝置等電壓，此時(shí) 晶閘管 投入電容器， 由于 晶閘管的特性， 該 投切過(guò)程無(wú)涌流現(xiàn)象出現(xiàn)，電容器投入之后，該裝置緊接 （ 100內(nèi) ）著又發(fā)出一個(gè)指令使接觸器閉合 ， 短接 晶閘管，保證電容器正常工作， 投入 電容器 過(guò)程 完成 。當(dāng) 接收到電容器切除信號(hào)，接觸器觸點(diǎn)先行斷開(kāi)， 電流 尚未為零，晶閘管 仍然 導(dǎo)通， 晶閘管 在零 電流 時(shí) 自然 關(guān)斷 ， 切除電容器過(guò)程完成 。 復(fù)合開(kāi)關(guān)投切電容裝置原理圖如下圖 2示 。 L L 合開(kāi)關(guān)投切電容裝置原理示意圖 結(jié)合本 課題的研究需求 ， 再 對(duì)比以上方案 ， 本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的接觸器投切電容裝置 。 章小結(jié) 本章針對(duì)無(wú)功控制過(guò)程中的重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了介紹，包括功率因數(shù)，無(wú)功功率的定義 ，以及無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑砼c要求、 作用與意義。并具體地描述了現(xiàn)代典型的無(wú)功補(bǔ)償裝置及其原理，無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中的補(bǔ)償容量計(jì)算，電容器投切策略等。為接下來(lái)的硬件電路設(shè)計(jì)打下扎實(shí)的基礎(chǔ) 。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 12 頁(yè) 共 37 頁(yè) 3 諧波抑制 波問(wèn)題 與現(xiàn)狀 隨 著 現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展， 電力電子 設(shè)備 得到廣泛 應(yīng)用 ， 電力 電子設(shè)備是諧波的主要產(chǎn)生源， 諧波 所造成的 危害 也日益嚴(yán)重。 首先 ， 諧波 使得供電質(zhì)量下降， 輸電 線路的傳輸效率下降， 電氣 設(shè)備 經(jīng)常過(guò)熱 ，并有 振蕩 和噪聲， 壽命 大大縮短； 諧波 還可引起供電系統(tǒng) 串聯(lián) 或者 局部 并聯(lián)諧振，造成電氣設(shè)備損毀。 降低 諧波對(duì)供電系統(tǒng)的影響在 現(xiàn)代 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著很重要的意義， 這也是 電工科學(xué)領(lǐng)域必須解的問(wèn)題。 波含義 及產(chǎn)生原因 目 前 電力系統(tǒng)廣泛存在各種非線性負(fù)載，如整流器 、 逆變器 、 變頻器等， 當(dāng) 電源 在標(biāo)準(zhǔn)額定頻率下供電時(shí)，工頻電壓 或 電流施加在這些非線性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生 與 工頻不同的其他頻率的正弦 電壓 或電流，這些 正弦電壓 或電流 用 傅里葉級(jí)數(shù)分解，就是 諧波 。 諧波產(chǎn)生的根本原因還是供電系統(tǒng)中電氣設(shè)備的的非線性特 性 ， 當(dāng) 正弦電壓加在非線性 負(fù)載 中，電壓 和所產(chǎn)生的電流就不成線性關(guān)系 造成 波形畸變 ，諧波 就是這樣產(chǎn)生的 。 諧波 的存在降低了供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，使得損耗增加的同時(shí)發(fā)熱也更加顯著，因此有必要 抑制 諧波。 波 補(bǔ)償原理 目前抑制 諧波的 方式 主要兩種 ： 一是裝設(shè) 波器 這類的諧波 補(bǔ)償 裝置來(lái)補(bǔ)償諧波，這種濾波器 除 了可以補(bǔ)償諧波之外，還可以補(bǔ)償無(wú)功功