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本科生毕业设计（论文）文献综述
题目：电网电容式无功补偿器的系统设计
姓名：
学号：
系别：电气工程系
专业：电气工程及其自动化
年级： 2008级
指导教师：
年月日
文献综述
引言
进入21世纪伴随着国家经济的高速发展，国家电力工业的任务也更加艰巨，伴随着经济的发展我国的电力行业也在与时俱进。由于工业的发展现代电网中的无功损耗也急剧增大，使电网电能质量恶化，同时也加重了线路和变压器的负担和损耗。如今国家正在倡导节能减排，因此电网中的无功补偿问题越来越引起学者们的关注。无论是在工业负载还是生活负载中，阻感负载都占有很大的比例，比如变压器、异步电动机和很多的家用电器都是阻感性负载。这些负荷的自然功率因数都比较小，它们所消耗的无功功率在电力系统传输的的电量中占有很高的比例。如果能够减小线路中的无功功率就能够提高电能的传输效率。
公共电网中的电能品质己经得到人们越来越多的认识和重视。对电网影响严重的工厂配电网及电能质量的治理必将会带来显著的效果和影响。本设计的无功补偿的主要作用是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压、提高供电质量,在长距离输电中提高系统输电稳定性和输电能力,平衡三相负载的有功和无功功率等。
无功电流补偿实现手段正趋于与电力电子技术的结合。结合方式有三种:一是为投切电容器的开关;二是作为无功输出的调节开关;三是引入电力电子变流技术,将变流器作为无功电源,以补偿无功。目前在我国广泛使用的以SVC 为代表的传统的无功补偿装置,国外对SVC 的研究集中在控制策略上,模糊控制、人工神经网络、和专家系统等智能控制手段也被引入SVC 控制系统,使用SVC 系统的性能更加提高。但是由于无功补偿新技术与新装置,即SVG等的突出优点,使得无功补偿技术未来发展的方向主要以电力电子及其逆变技术为核心开发出的性能更为优越的装置。
无功补偿和谐波抑制始终有着密切的关系,两者的技术发展与进步是相互协调的。有源滤波器可以克服无源滤波器在实际运行中补偿特性易受电网阻抗变化和运行状态影响,与系统发生谐波放大甚至并联谐振的缺陷。若将无源滤波器和有源滤波器相结合构成混合滤波器,相互取长补短,兼有两种滤波器优点,这种方案是谐波抑制方案研究的热点。更为积极的方法是单位功率因数变流器,它是不产生谐波且功率因数为 1 的新型变流器,它将有力地推动无功补偿和谐波抑制新技术的进步,前景十分广阔。
1. 早期无功补偿方式
1.1 同步发电机
同步发电机是通过调整励磁电流，使其在超前功率因数下运行，输出有功功率的同时输出无功功率。与同步调相机类似，目前不常用。
1.2 并联电容器
并联电容器可以改善线路参数，减少线路感性无功功率。并联电容器简单经济，灵活方便，但其功率调节性能较差。与同步调相机相比，其费用节省很多，且维护方便，即可集中补偿，也可分散装设，所以还是我国目前主要的无功补偿方式。其缺点是电容器只能补偿固定的无功功率，且容易发生并联谐振而烧坏电容器。
1.3 同步调相机
同步调相机可理解为专门用来产生无功功率的同步电机，可根据需要控制同步电机的励磁，使其工作在过励磁或欠励磁的状态下，从而发出大小不同的容性或感性无功功率，因此同步调相机可对系统无功进行动态补偿。但是它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，成本高，且响应速度慢，难以满足快速动态补偿的要求。
2．电力系统无功补偿新技术
随着电力电子技术的发展，近几年出现了多种电力系统无功补偿新技术。电力电子技术是现代无功补偿技术的基础，电力电子器件向快速、高电压、大功率发展，使采用电力电子器件的无功补偿从根本上改变了交流输电网过去基本只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制的局面，从而为交流输电网提供了空前快速、连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力。随着电力电子器件的发展，无功补偿控制器在其性能和功能上也出现不同的发展阶段。无功补偿控制器己由基于SCR的静止无功补偿器(StaticVarCompensator-SVC)、晶闸管控制串联电容补偿器(Thyristor Controlled Series Compcnsator-TCSC)发展到基于GTO的静止无功发生器(Static Var Generator-SVG)、静止同步串联补偿器(StaticSynchoronous Series Compcnsator-SSSC)、统一潮流控制器(Unificd Power FlowController-UPFC)、可转换静止补偿器(Convcrtible Static Compensator-CSC)等。
2.1静止无功补偿器（SVC）
SvC是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输电系统的导纳。按控制对象和控制方式不同，分别称之为晶闸管控制电抗器(Thyristor Control Reactor-TCR)，晶闸管投切电容器(ThyristorSwitchCapacitor-TSC)以及这两者的混合装置(TCR+TSC)，TCR与固定
电容器(Fixed Capacitor-FC)配合使用的静止无功补偿器(TCR+FC)和TCR与机械投切电容器(Mechanically Switch Capacitor-MSC)配合使用的装置(TCR+MSC)。
2.2静止无功发生器（SVG）
静止无功发生器(SVG)也称为静止调相机(Static Condenser-STATCON)，静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator-STATCOM)、新型静止无功发生器(Advanced Static Vat Generator-ASVG)。其分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。电压型桥式电路，其直流侧采用电容作为储能元件，交流侧通过串联电抗器并入电网；电流型桥式电路，直流侧采用电感作为储能元件，交流侧并联上电容器后接入电网。迄今投入实用的SVG大都采用电压型桥式电路，因此SVG
往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。与SVC相比，SVG具有如下几个优点：调节速度快，运行围宽，可以在从感性到容性的整个围中进行连续的无功调节，SVG不需大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小。
2.3同一潮流控制器（UPFC）
将SVG中与电网并联的电压器改为与电网串联的变压器，就成为静止同步串联补偿器(Static Synchoronous Series Compensator-SSSC)，它能实现对线路潮流的快速控制。把一台SVG与一台SSSC的直流侧通过直流电容耦合，就构成了统一潮流控制器UPFC，SVG与SSSC既可配合使用也可解耦独立运行Ⅲ。由于SVC，STATCOM只能控制无功功率以调节系统电压，如果系统某一局部同时有多种要求，就需要在该处设置几种装置。这增大了安装、调试的工作量，同时设备的投资也相当可观。UPFC的基本思想正是用一种统一的电力电子控制装置，仅通过控制规律的变化，就能对线路电压、阻抗、相位等电力系统基本参数同时进行控制，从而能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相等几种不同的功能，与其它无功补偿装置相比，UPFC控制围较大，控制方式更为灵活。
2.4可转换静止补偿器（CSC）
CSC被认为是最新一代的无功补偿装置，目前仅在美国Marcy变电站中安装了此装置。其中作为SVG运行的两台100Mvar并联部分己于2000年分别在两条线路上安装完毕，两台作为SSSC运行的串联部分目前尚未安装完毕。由于无功补偿技术及其控制器发展迅猛，一些新的装置不断被开发出来，使得无功补偿控制器中的新旧装置出现并存发展的局面，无功补偿控制器中的无功补偿装置SVC，SvG，UPFC 及CSC目前也处于这样一种发展情况。作为较早出现的无功补偿装置SvC，由于采用的是传统的半控型器件SCR成本低，且技术成熟，因此是目前越来越多使用的无功补偿装置。目前对SVC的研究主要集中在控制策略上。模糊控制、人工神经
网络和专家系统等智能控制手段被引入SVC控制系统，使SVC系统的性能更加提高。
而SVG，UPFC及CSC目前的应用仅局限于个别工程，尚无法大规模应用，一方面是由于这些无功补偿装置需大量借助于全控器件，而全控器件目前价格非常昂贵，使得目前该类无功补偿装置的工程造价比SVC高；另一方面，此类无功补偿装置的技术还不完善，有许多技术问题尚待解决。但大功率电力电子器件技术本身发展迅速，未来的功率器件开关容量会逐步增大，价格则相应下降，此类以GTO 等新型全控器件为核心的无功补偿装置的造价会逐步降低。国际大电网会议曾展开有关SVC与SVG的性价比的讨论，不少专家认为，由于SVG不需采用大量的电容器就可以实现无功的快速调节，而电容器的价格多年来比较稳定，不可能大幅度下降；相反，电力电子器件的价格会不断下降，故预计SVG会比SVC更有竞争力，由此可见，随着造价的降低和技术的完善，在不远的将来SVG，UPFC及CSC将成为无功补偿技术的发展方向。
3．电力网络的功率计算
电力网除了要负担用电负荷的有功功率P，还要承担负荷的无功功率Q。有功功率P与无功功率Q，还有视在功率S之间存在功率三角形关系，如图3-1所示
图3-1功率三角形
公式如下：
有功功率P=S·COSψ=UICOSψ (3-1)
无功功率P=S·SINψ=UISINψ (3-2)
视在功率S=UI (3-3)
U为电压有效值，I为电流有效值
COSψ被定义为电力网的功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率P占线路视在功率s的百分数。在电力网运行中，我们希望的是功率因数越大越好，如果能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，可以减少无功功率的消耗。
（1）自然功率因数
自然功率因数是指供用电设备在没有采取任何补偿手段的情况下，设备本身固有的功率因数，称自然功率因数，也就是说在投入无功补偿装置前设备本身有功功率与视在功率的比值。没各自然功率因数的高低取决于负荷性质和负荷状态。对于电阻性负荷，其功率因数较高，而对于电感性负荷，其功率因数就较低。另外在设备负荷很低的时候，其自然功率因数也就低。
（2）经济功率因数
经济功率因数是指客户的节能效益和电能质量最佳，支付电费最少的功率因数。用户安装一定容量的无功补偿装置可提高用户的功率因数，就减少了无功功率和有功功率损失，用户功率因数提高到何值最为经济，应综合考虑两个方面：一是为了保证系统正常的运行电压水平，无功电源和无功负荷必须保持平稳并留有一定的余量；二是按运行费用最小的原则决定用户的经济功率因数。
3.1无功补偿的作用
无功补偿的主要作用是为了提高功率因数，在用户端采用无功补偿装置，达到我国电力设备的有关规定，即：在电力用户变压器的高压侧功率因数不低于0．9，低压侧功率因数不低于O．85，目前国低压无功补偿装置一般都是在用户端并联电容器。并联电容器可提供超前的无功功率以补偿感性负荷，多装于降压变电所，还可就地补偿。
补偿前后的功率三角形如图4.1所示
图4-1补偿后功率三角形
目前大多数补偿装置采用并联电力电容器方法，但电容一旦投入后，它不随感性负载的变化而变化，因为当负载发生变化时，电网上可能出现超前的或滞后的无功，即所谓过补偿和欠补偿问题。
（1）欠补偿（无功功率滞后）
由于补偿的电容量C不足，使k较小，系统中的容性电流不足以补偿感性电路中电流的无功分量，使负载仍得向电网索取一定数量的无功功率，未达到补偿要求。
（3）过补偿（无功功率超前）
由于投入的电容器容量C较大，使Ic较大，系统中容性电流大于感性负载中的无功分量，这时从无功电表上看要倒转，整个负载成容性，这时要向电网倒送无功功率。另外，从经济的角度看，电容器的容量越大，成本也越大。
（4）全补偿
要做到全补偿一般比较困难，另外如实现全补偿的话，将会出现谐振现象，就会出现谐波放大，损坏电器设备。总之，在感性负载端并入适当大小的电容器进行补偿，必须从经济、节能的角度综合考虑，确定最优补偿容量和补偿容量的最优分布。
4．无功补偿控制器电容投切原理
无功补偿的原理就是准确检测三相电路无功功率Q，然后根据Q值的大小进行电容器最优投切，从而减小Q值，以达到最优状态。在被谐波污染的电网中投入电容器进行无功补偿时，应注意避免产生谐波的谐振。消除谐波的方法，一般是在电容器上串联电抗，来防止电流的突变。本系统采用实时跟踪监测电网中的谐波量的方法，在电网中的谐波量超出设定值时，停止投入电容器，并报警，以防止重大事故的发生。
5．电压和电流、功率因数的采集与滤波
电压互感器的输出额定值要经过电压变送器，再经过线路调理与滤波才能送人单片机进行AD采样。同样，电流互感器的信号也要经过电流变送器及信号调理与滤波，才能送至单片机采样。该部分的框图如图6-1所示。
图6-1电压电流信号的采样框图
6.全文总结
本文从提高无功补偿控制器的整体性能和经济适用性出发，研究了国外无功补偿装置的现状，比较了当前应用广泛的几种无功补偿装置的原理、性能，提出了以单片型开发无功补偿控制器的整体设计方法。为了满足电力系统对实时性更高的要求，提出了采用DSP进行控制的动态无功补偿装置，并进行了系统软硬件设计。使用了目前流行的嵌入式多任务实时操作系统开发，并对系统软硬件设计和无功补偿控制策略进行论述。