新型复合开关及动态无功补偿系统的研究毕业论文.doc

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1、新型复合开关及动态无功补偿系统的研究摘要电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。无功功率是电力系统一种不可缺少的功率。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。因此，无功补偿是电力系统的重要组成部分，它是保证电能质量和实现电力系统经济运行的基本手段。本文针对电磁开关和电力电子开关投切电容器的无功补偿装置应用中存在的问题，开发、研制了一种基于复合开关投切电容器的无功补偿装置。本装置采用过零投切的复合开关模块投切电容器，其内部集成的单片机、过零检测及触发电路能根据需要确保晶闸管在电压过零时导通，稍后继电器短接;外部控制信

2、号消失后，继电器断开，稍后晶闸管关断，避免了投切时产生的大冲击电流，从而在硬件电路上实现电容器组的无过渡过程的快速投切，且硬件设计简单可靠。另外，本文详细分析了补偿装置及复合开关控制器的软硬件结构。控制系统采用性价比高的ATmegas单片机作为主控制系统主体。试验和现场运行情况表明:该装置能够实现无功功率的快速、准确补偿且成本较低，在低压网中具有较好的实用价值及广阔的应用前景。关键词 无功补偿；复合开关；单片机Studies on the New Complex Switch and Dynamic Reactive Power Compensation SystemAbstractPower

3、 system operation efficiency and power quality have significant relationship with reactive power. Reactive power is an indispensable electric power system of power.The loss of perceptual load and reactive power，the system must provide sufficient reactive power and voltage，otherwise will fall, the po

4、wer quality not guarantee. Therefore, the reactive power compensation is an important part of power system, it is the basic means to guarantee the quality of electric power system and realize the economic operation.Aiming at the disadvantages in the application of reaetivepower compensation device w

5、ith electromagnetic or power electronic switches for Pulling in or out the capacitor，a reactive power compensation device based on the complex switch，which can realize grading and fast compensation for each phase using both collective compensation and separate compensation，is developed to switch cap

6、acitor.Interior single-chip and zero-cross detection&triggering circuit of it insure that thyristor is triggered in the zero-voltage condition，then relay is shorted，relay is switched off when outer control singal is disappeared，and after a while so does thyristor in the zero-current，thus greatly red

7、uced surge current. This sort of switch circuit achieved switching of capacitors without tnaansition course and was simple and reliable.The thesis also analyzed the hardware and software of controller about complex switch and compensation deviced in detail.ATmega8 was a sort of cheapSingle Chip comp

8、uter and was applied to control system.The test shows that this device can fleetly and truly compensate reactive power and be used in low network. Keywords Reactive Power Compensation; Complex Switch; Single-chip Computer目录摘要IAbstract.II 第1章 绪论11.1 无功补偿的意义与方法11.1.1 无功功率的产生与定义11.1.2 无功补偿的作用11.2 无补偿国内

9、外研究现状与发展趋势21.3 本课题所做的主要工作3第2章 无功补偿方式及容量确定42.1 低压配电网的无功补偿方式42.1.1 延时投切方式42.1.2 瞬时投切方式42.1.3 混合投切方式52.2 电容器无功补偿容量的计算52.2.1 按提高功率因数需要来选择62.2.2 按降低线损需要来选择62.2.3 按提高线路末端电压需要来选择72.2.4 按经济无功负荷来选择82.3 补偿电容器组的接线方式92.4 电容器投切开关的研究112.4.1 机械式投切开关112.4.2 电子式无触点开关112.4.3 机电复合开关122.5 本章小结12第3章 模糊控制器的设计原理143.1 模糊控制

10、理论143.2 无功补偿模糊控制器的实现153.2.1 确定控制目标153.2.2 确定模糊控制器的结构153.2.3 模糊控制规则的确定163.3 本章小结17第4章 控制器的硬件及软件设计184.1 无功补偿装置的结构和主电路设计184.1.1 控制器硬件框图及其实现功能184.1.2 电压和电流测量及转换电路194.1.3 精密整流电路204.1.4 采样保持电路214.1.5 相位检测电路224.2 控制器的软件设计224.2.1 控制器软件设计方案224.2.2 软件流程图234.2.3 主要程序模块介绍254.2.4 无功一电压控制器对复合开关控制器的控制264.3 本章小结27第

11、5章 复合开关285.1 复合开关的组成及原理285.1.1 复合开关的组成及原理285.1.2 复合开关投入时刻的选取295.2 复合开关的硬件电路设计305.2.1 晶闸管过零检测电路325.2.2 晶闸管触发电路335.2.3 继电器驱动电路345.3 复合开关的软件电路设计355.3.1 主程序流程355.3.2 中断服务流程375.4 本章小结38结论39致谢40参考文献41附录A43附录B47千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 无功补偿的意义与方法1.

12、1.1 无功功率的产生与定义在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的1。 电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。电感和电容所储的电能仍能回输到电源，这部分功率在电

13、源和电抗之间进行交换，交换而不消耗，称为无功功率。在功率三角形中无功功率的定义式为：式中,U、I分别为电路中的电压和电流。为电流滞后电压的相位角。 在正弦电路中，无功功率的定义是清晰的；而在含有谐波时至今尚无获得公认的无功功率定义2。1.1.2 无功补偿的作用无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无

14、功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。无功补偿的意义：1. 补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。2. 减少发、供电设备的设计容量，减少投资，例如当功率因数cos=0.8增加到cos=0.95时，装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW；反之，增加0.52KW对原有设备而言，相当于增大了发、供电设备容量。因此，对新建、改建工程，应充分考虑无功补偿，便可以减少设计容量，从而减少投资。3. 降低线损，由公式,其中为补偿后的功率因数，为补偿前的功率因数。则得出：所以提高功率因数后，线损率也下降了，减少设计容量、减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损都直接决定和影响着供电企

15、业的经济效益。4. 在电气化铁道等三相负荷不对称的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负荷。 所以，功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行34。1.2 无补偿国内外研究现状与发展趋势自日本三菱公司于1980年成功研制基于晶闸管的20Mvar同步静止补偿器以来，同步静止补偿器作为FACTS的重要成员已经引起各国电力科研和工业界的广泛重视，得到迅速发展和应用。但由于同步静止补偿器的技术含量高，目前掌握并应用这一块技术的还只限于少数国家，如日本、美国、德国、英国和中国等。据不完全统计，自1980年至2004年底，全世界已经投入工业运行的大容量（10Mvar及以上）同

16、步静止补偿工程超过20个，总的可控容量超过3000Mvar。它们有的安装在输电网络中用于潮流控制、无功补偿和提高系统稳定性等，属于FACTS范畴；有的安装在配电和用电网络用于改善电能质量和提高供电可靠性，属于用户电力范畴，即用户电力控制器的D-STATCOM4。已有应用工程有如下共同特点：1. 在电力半导体器件的选用上，除了早期曾采用普通晶闸管和强迫换相方式外，绝大多数是基于可关断晶闸管和绝缘栅双极晶闸管的。相对而言，采用可关断晶闸管的无功补偿装置容量更大、电压等级更高，这是因为单只可关断晶闸管的容量和耐压较高，而且当主电路上采用变压器多重技术时，开关频率较低，可关断晶闸管的单次开关损耗高的缺

17、点不会成为主要矛盾，因而成为较佳选择。绝缘栅双极晶闸管主要应用于中小容量，特别是低压无功补偿装置中，虽然单个绝缘栅双极晶闸管的容量和耐压有限，但采用器件串联、三电平以及多变换器并联等技术，同样可以获得较高的容量水平，而且由于绝缘栅双极晶闸管开关频率高、开关损耗小，可使用多脉冲脉冲宽度调制技术，能获得较好的输出特性，有效解决多种电能质量问题。可以预见，它们将具有很好的应用前景。 2. 系统控制目标多样化。由于同步静止补偿器良好的性能，能对改善电网各方面的运行性能起到积极的作用，如无功补偿、电压控制、提高稳定性和传输能力，以及改善电能质量等。因此，在实际电网中往往采用多目标控制方法或提供多种系统控

18、制功能，供用户根据实际运行情况进行选择。3. 在主电路上，大容量高电压同步静止补偿器主要采用变压器偶合多重化技术，这种方式对器件开关频率、控制复杂性要求都比较低，而且开关损耗低，但需要昂贵的耦合变压器。另外一种就是较新的链式电路结构，链式同步静止补偿器采用多个单相逆变桥直接串联，摒弃了多重化变压器，因此避免了上述的缺点。同时还可以通过冗余设计，进一步提高装置的可靠性5。1.3 本课题所做的主要工作本文研究对象为采用复合开关投切的无功补偿装置。动态补偿容量相对较小。其特点主要有:1. 要求电容投切时保证电网供电质量，不会引起电网电压波动，所以必须提高系统工作的可靠性和延长使用寿命；2. 负荷变动

19、比较大，对无功补偿要求比较高；3. 对成本比较敏感，要求无功补偿装置性能价格比越高越好。为了解决上述问题，本文所作的主要工作有以下三个方面:一是无功补偿控制器的研究，准确补偿系统无功，保证电能质量。对控制器的硬件电路设计和软件实现和电容器投切控制策略进行了较为详细的分析与研究。二是电容器投切功率元件的研究，电容器投切功率元件的任务是尽量减少电容器投切涌流，把电容器投入或者切除系统，主要有晶闸管、接触器和复合开关几种不同形式。比较几种不同投切机构的特点，根据负荷实际需要，选择不同的投切机构。三是在分析现有的各种无功补偿技术特点的基础上，对本文所述复合开关在实验室进行模拟实验和调试，并且在工况恶劣

20、的现场检验装置的可靠性和性能。第2章 无功补偿方式及容量确定2.1 低压配电网的无功补偿方式 无功功率补偿在电子供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。无功补偿按投切方式分类有：2.1.1 延时投切方式 延时投切方式即人们熟称的“静态”补偿方式。这种投切依靠于传统的接触器的动作，当然用于投切电容的接触器专用的，它具有抑制电容的

21、涌流作用，延时投切的目的在于防止接触器过于频繁的动作时，电容器造成损坏，更重要的是防备电容不停的投切导致供电系统振荡，这是很危险的。当电网的负荷呈感性时，如电动机、电焊机等负载，这时电网的电流滞带后电压一个角度，当负荷呈容性时，如过量的补偿装置的控制器，这是电网的电流超前于电压的一个角度，即功率因数超前或滞后是指电流与电压的相位关系。通过补偿装置的控制器检测供电系统的物理量，来决定电容器的投切，这个物理量可以是功率因数或无功电流或无功功率。下面就功率因数型举例说明。当这个物理量满足要求时，如cos超前且小于0.98，滞后且大于0.95，在这个范围内，此时控制器没有控制信号发出，这时已投入的电容

22、器组不退出，没投入的电容器组也不投入。当检测到cos不满足要求时，如cos滞后且小于0.95，那么将一组电容器投入，并继续监测cos如还不满足要求，控制器则延时一段时间（延时时间可整定），再投入一组电容器，直到全部投入为止。当检测到超前信号如cos0.98,即呈容性载荷时，那么控制器就逐一切除电容器组。要遵循的原则就是：先投入的那组电容器组在切除时就要先切除。如果把延时时间整定为300s，而这套补偿装置有十路电容器组，那么全部投入的时间就为30分钟，切除也这样。如果将延时时间整定的很短，或没有设定延时时间，就可能会出现这样的情况。当控制器监测到cos0.95，迅速将电容器组逐一投入，而在投入期

23、间，此时电网可能已是容性负载即过补偿了，控制器则控制电容器组逐一切除，周而复始，形成震荡，导致系统崩溃。是否能形成振荡与负载的性质有密切关系，所以说这个参数需要根据现场情况整定，要在保证系统安全的情况下，再考虑补偿效果。避免在总的补偿水平上产生过补偿或欠补偿，使用户的功率因数始终保持在规定的范围内，达到最优补偿效果。 2.1.2 瞬时投切方式瞬时投切方式即人们熟称的“动态”补偿方式，应该说它是半导体电力器件与数字技术综合的技术结晶，实际就是一套快速随动系统，控制器一般能在半个周波至1个周波内完成采样、计算，在2个周期到来时，控制器已经发出控制信号了。通过脉冲信号使晶闸管导通，投切电容器组大约2

24、0-30毫秒内就完成一个全部动作，这种控制方式是机械动作的接触器类无法实现的。动态补偿方式作为新一代的补偿装置有着广泛的应用前景。现在很多开关行业厂都试图生产、制造这类装置且有的生产厂已经生产出很不错的装置。动态补偿的线路方式有LC串接法和采用电力半导体器件作为电容器组的投切开关两种方式。其中LC串接法响应速度快，闭环使用时，可做到无差调节，使无功损耗降为零。从元件的选择上来说，根据补偿量选择1组电容器即可，不需要再分成多路。既然有这么多的优点，应该是非常理想的补偿装置了。但由于要求选用的电感量值大，要在很大的动态范围内调节，所以体积也相对较大，价格也要高一些，再加一些技术的原因，这项技术到目

25、前来说还没有被广泛采用或使用者很少。电力半导体器件作为电容器组的投切开关一般都采用晶闸管，其优点是选材方便，电路成熟又很经济。其不足之处是元件本身不能快速关断，在意外情况下容易烧毁，所以保护措施要完善。当解决了保护问题，作为电容器组投切开关应该是较理想的器件。动态补偿的补偿效果还要看控制器是否有较高的性能及参数。很重要的一项就是要求控制器要有良好的动态响应时间，准确的投切功率，还要有较高的自识别能力，这样才能达到最佳的补偿效果。当控制器采集到需要补偿的信号发出一个指令（投入一组或多组电容器的指令），此时由触发脉冲去触发晶闸管导通，相应的电容器组也就并人线路运行。需要强调的是晶闸管导通的条件必须

26、满足其所在相的电容器的端电压为零，以避免涌流造成元件的损坏，半导体器件应该是无涌流投切。当控制指令撤消时，触发脉冲随即消失，晶闸管零电流自然关断。关断后的电容器电压为线路电压交流峰值，必须由放电电阻尽快放电，以备电容器再次投入.器件可以选单项晶闸管反并联或是双向晶闸管，也可选适合容性负载的固态接触器，这样可以省去过零触发的脉冲电路，从而简化线路。2.1.3 混合投切方式实际上就是静态与动态补偿的混合，一部分电容器组使用接触器投切，而另一部分电容器组使用电力半导体器件。这种方式在一定程度上可做到优势互补，但就其控制技术，目前还见到完善的控制软件，该方式用于通常的网络如工矿、小区、域网改造，比起单

27、一的投切方式拓宽了应用范围，节能效果更好。还可采用分相补偿方式，可以解决由于线路三相不平行造成的损失。这种补偿方式的节电效果还与补偿地点和补偿容量的选择有关。所需容量也比个别补偿少，较单台电动机补偿易于控制和管理。 2.2 电容器无功补偿容量的计算电容器的补偿容量与采用的补偿方式、未补偿时的负载情况、电容器接法有关。补偿方式不同，补偿容量的计算公式也不相同。按不同的要求来选择补偿方式，使补偿最合理最经济化。下面就介绍按不同的要求来选择的补偿方式：2.2.1 按提高功率因数需要来选择根据功率因数调整电费办法可知，功率因数是电力部门考核用户用电的一项重要参数。因此，将功率因数维持在合理的范围内，不

28、仅是用户规范用电的要求，也是用户节省电费的一项重要措施。可按公式(21)计算无功补偿容量： (21)其中为月平均负载率，为补偿前功率因数角，为补偿后功率因数角，为最大负荷月平均有功功率。应采用最大负荷月平均功率因数，的确定必须适当，可以参考当地电力部门对功率因数的要求。2.2.2 按降低线损需要来选择线损是电网经济运行的一项重要指标。若设无功补偿前流经电网的电流,其有功、无功分量为和；无功补偿后,流经电网的电流为,其有功、无功分量为和。进行无功补偿后,将不会改变线路的有功分量,故有=。因此可得，无功补偿前后，电网中电流、电压各矢量的关系，如图2-1所示。从矢量图中可以清楚地看出在保证有功电流分

29、量相同的情况下，无功补偿后流经电网的电流明显减小。图2-1 无功补偿前后各参数关系由图2-1可得补偿后线损降低的百分值为式(22)： (22)在满足补偿后降低线损百分值为时，补偿容量为公式(23)： (23)式中 为补偿前的线路损耗为补偿后的线路损耗R为线路电阻()U为线路电压(kV)2.2.3 按提高线路末端电压需要来选择电网电压是一项重要的电能质量指标，合格的电网电压是用电设备正常工作的必备条件之一。无功补偿前，电网电压可用下述表达式计算： 无功补偿前，电网电压可用公式(24)计算： (24)无功补偿后，电源电压不变，电网电压升到，且 (25)所以由公式(25)可得： (26)式中 为无功

30、补偿后电网电压增量(KV)为电网有功功率(KW)为电网无功功率(KVar)为所需补偿容量(KVar)为线路电阻()为线路电抗()(26)式为单相补偿容量的表达式，三相补偿容量的表达式与单相一样，只是将表达式中的电压和电压增量由相电压改为线电压而已。2.2.4 按经济无功负荷来选择为了使无功补偿容量接近经济合理，经研究提出了“经济无功负荷”的方法。工程中，可通过公式(27)计算出经济无功负荷： (27)式中 为线路的经济无功负荷(KVar)U为负荷端的额定电压(KV)R为线路的等值电阻()m为常数为并联补偿装置的单位投资(元/KVar)为线损电价(元/KWh)为年折旧率为投资的年抵偿率为并联补偿

31、装置的电损率(KW/KVar)按上式求出某负荷点的经济无功负荷后，应与该点的实际无功负荷进行比较，才能确定补偿容量，当实际无功负荷小于经济无功负荷时，则无需补偿；当实际无功负荷大于经济无功负荷时，则应将超过的部分全部补偿掉，这部分差额容量即为该点所需的最大补偿容量。也就是说补偿效益随补偿容量的增加而降低。在电网某处实施无功补偿后，因增加了无功功率，即可减少电网的有功损耗。当电网某处实施无功补偿后，使电网减少的有功损耗为该点之前无功功率所流经的各段有功损耗减少量和5。2.3 补偿电容器组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)、

32、星形接法(Y接法)、三角形和星形相结合接法(-Y接法)。如图2-2所示： （a） (b） （c） （d） （e） （f） 图2-2 补偿电容器组的接线方式1. 三角形接线还可以根据控制开关的不同分为图(a)-(c)所示的三种。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

33、，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制接线方式。2.

34、图d到f属于星形接线方式。采用图(d)接线方案，晶闸管电压可以降低，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是图(a)的倍。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

35、合。3. 三角形和星行相结合接线方案如图2-3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。图中三角形和星行相结合接线(以外控无中线Y为例)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6。 图2-3 三角形和星行相结合接线2.4 电容器投切开关的研究无功补偿电容器的投切器件较多，其投切的平稳度和使用寿命也相差很大，无论是机械式投切开关还是电子式无触点开关，都有其各自的优缺点。2.4.1 机械式投切开关传统的低压无功补偿装置都是通过交流接触器来实现电容器组的投切的。这种机械式有触点

36、开关具有闭合时电阻小、导通容量大、压降小、功耗低无波形畸变的优点。但这种静态补偿装置在性能上也存在很多缺点：1. 开关速度快慢约为10-30ms，不能快速跟踪负载无功功率的变化，对于快速变化的用电设备的无功电流，接触器来不及动作和切换，常常造成欠补偿或过补偿。因此不能实现动态无功补偿。2. 投切电容器时会引起较严重的冲击涌流，使接触器接点烧毁，影响正常工作，大大降低了装置的使用寿命。为减少燃弧现象，不得不减少投切次数，这也降低了补偿的准确性和响应速度。3. 由于冲击电流存在,会引起电网电压瞬时跌落。在每次切换电容时冲击电流都会频繁出现，其结果将引起电网电压不停地剧烈地波动，这将降低供电质量和干

37、扰弱电设备的正常运行。4. 由于冲击电流较大，限制了一次性投入的电容值，于是不得不把应一次投入的电容值化整为零，分成几次投入。这也增加了控制开关(接触器)的个数，使成本增加还降低了响应速度。5.接触器工作时有噪音，因而设计者不得不减少动作次数，用牺牲性能的办法来换取安静的环境这种开关不能满足系统对补偿装置快速、频繁、安全可靠动作的要求。随着电力电子技术的发展，出现了电子式无触点开关。2.4.2 电子式无触点开关随着大功率电子器件的产生和计算机控制技术的发展，为了彻底解决电容器投切时产生的涌流、过压和分断电弧过大等问题，人们利用电力电子元件作为电容器的投切开关的研究在90年代有了很大发展，现在已

38、有两种电子开关投入运行。2.4.2.1 晶闸管电子开关晶闸管具有控制功率小、动作快、动作时无电弧、可频繁动作、可在任意时刻进行投切等优点，但是在采用晶闸管控制投切电容器的动态无功补偿装置中，晶闸管对驱动信号要求严格，故驱动电路相当复杂。此外，晶闸管控制投切电容器无功补偿装置存在以下不足：1. 由于切除的电容器上有剩余电压，而电容器两端电压不能突变，当系统电压和电容器残压的差值较大时触发晶闸管会产生很大的冲击电流直接损坏晶闸管。为了实现动态无功补偿装置快速响应同时又保证投切无冲击电流，需要检测电容器电压和电网电压，当两者大小相等、极性相同时，才能瞬时投入电容，因此由晶闸管构成的切换电路因其复杂的

39、逻辑控制和触发电路而影响其可靠性。2. 为了实现无功补偿装置的过压保护、欠压保护、过流保护以及断相保护，必须在晶闸管的控制触发电路中外加辅助电路,同样增加了驱动电路的复杂性。3. 晶闸管元件还有一个明显的缺点就是在导通状态下有较大的管压降，这不仅存在一定的功率损耗，还产生了很高的温升。尤其是户外运行的补偿装置，很难在夏季炎热的天气中正常运行。因此需要使用轴流风扇和体积较大的专用散热器，甚至强制制冷，来解决其通风散热问题，同时还需使用温控开关来控制轴流风扇的适时启动。由于轴流风扇是具有机械旋转运动的易损器件，存在着一定的不可靠性，风扇一旦停止运转，就会影响装置的正常运行，因此降低了晶闸管投切电容

40、器无功补偿装置的可靠性。由此可见，采用晶闸管作为电容器的投切开关，虽然解决了电容器投切过程中的涌流、过压分断电弧等问题，但其自身也存在着明显不足，如散热器体积大、冷却风扇易损坏、需外加温控开关和触发电路等辅助器件、结构复杂等等。2.4.2.2 固态继电器固态继电器(SSR)将晶闸管及其触发电路和逻辑控制电路封装成一体，同时具有零电压开通、零电流关断的特性，因而将其用于低压电容器的投切，可大大减小装置体积，提高了装置的可靠性。但是，同晶闸管开关一样，由于其导通后存在的管压降较大，因此运行时的损耗和发热问题不容忽视，并且其本身也是谐波源，大量的应用对低压电网波形不利，致使无功补偿装置不能稳定的工作

41、，这就限制了它在电容投切领域的进一步推广。所以对于SSR具有的独特性能，必须正确的理解和谨慎使用，才能发挥其独特的作用，确保SSR无故障的工作。2.4.3 机电复合开关通过以上分析，单独使用电磁式交流接触器或是电力电子开关都有其相应的优点和不容忽视的缺点。为了使低压无功补偿装置的性能更加完善，电容器的投切开关可采用集交流接触器和固态继电器二者优点于一身的机电一体化复合开关。机电一体化复合开关是一种新型的电容器投切开关。通过对低压无功补偿装置各种投切开关的分析与比较，可以看出，机电复合开关综合了机械式交流接触器和电子无触点开关的优点，既具有固态继电器过零投切涌流小，无过电压的优点，又具有接触器主

42、触点导通容量大、无功耗的优点。是电容投切比较理想的开关7。2.5 本章小结本章主要介绍了根据不同负荷类型要求，选择不同的执行机构。晶闸管适合要求响应速度要求不是很高且非长期频繁使用无功补偿的场合；继电器适合不要求快速响应，对限制涌流要求不高，对成本较敏感的无功补偿场合；复合开关适合快速响应，限制涌流，适当节约成本的无功补偿的场合。因此本文选用了复合开关作为电容器的投切开关。第3章 模糊控制器的设计原理3.1 模糊控制理论模糊控制是以人的控制经验作为控制的数学模型，以模糊数学，模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数学控制。它属于一种非线性智能

43、控制。模糊控制不需要事先建立被控对象的精确模型，只要掌握专家知识和领域知识，由定性认识出发，较易建立语言变量控制规则，构成描述具有不确定性复杂对象的模糊关系，通过被控制系统输出的误差和模糊关系的推理得出控制量8。运用模糊控制理论来对被控对象进行控制的系统就称为模糊控制系统。模糊控制系统是由那些模糊现象引起的不确定性的系统，也就是说一个模糊系统，它的状态是输入，输出都具有模糊性。一般来说，模糊系统也是一个复杂过程的一种近似表示方式。该过程本身并不一定是模糊的。模糊控制系统的基本结构如下图3-1所示：图3-1 模糊控制系统的组成框图模糊控制系统由模糊控制器、输入或是输出接口、执行机构、被控对象和检

44、测装置五个基本环节组成。模糊控制器主要由输入量模糊化接口、数据库、规则库、推理机以及输出解模糊接口五部分组成的。如下图3-2所示:图3-2 模糊控制器的结构3.2 无功补偿模糊控制器的实现3.2.1 确定控制目标 并联电容补偿模型结构如图3-3所示，图中为系统电压；为线路阻抗:为负荷；为负荷点电压；为并联电容器提供的无功功率。图3-3 并联电容器补偿模型示意图安装并联电容补偿装置的目的是在满足一定的技术条件下，尽可能改善电压质量，同时注意将功率因数和流入电网的无功功率控制在一定的范围内。用数学表达式即为 (31) (32)式中 为负荷点电压 为并联电容器提供的无功功率 为设定电压值 为设定无功

45、功率 为负荷无功功率 、为电压、无功功率、功率因数的权系数由图3-3可看出，由于负荷点电压和负荷无功功率的关系随系统电压、线路阻抗和负荷的变动而变化，因此，和间是多变量的函数关系.而且实践表明，由于系统运行工况变化较大，因此 (32)式的最优解中，和间没有一一对应的关系。3.2.2 确定模糊控制器的结构模糊控制器的结构对整个系统的性能有较大的影响，必须根据被控对象的具体情况合理选择。本模糊控制器的控制目标是改善电压质量，控制无功功率、功率因数在一定的范围，同时还应避免电容器的往复投、切形成振荡。所以，本模糊控制器可以设计成一个三输入单输出系统:输入量为电压、无功功率和功率因数，输出量为应投切的

46、无功量，经判断后投入或切除并联电容器，随后系统电压、无功功率和功率因数就会发生改变，并反馈回控制器。因此并联电容补偿装置模糊控制器有三个输入量和一个输出量，它是一个多输入单输出的控制系统。对于多变量输入的控制系统，一般可采用一组多维模糊条件语句来描述其控制策略。即:i=1，2，.，；j=1，2，.；k=1，2，；THEN Y=， i=1，2， (33)式中 X为n个输入变量 A为各输入变t的取值区域 Y为输出变t C为输出变t的取值区域而一维模糊控制器即单输入、单输出系统是一种最为简单的模糊控制器。在这种模糊控制器中，输入和输出变量均只有一个。假设模糊控制器输入变量为X，输出控制量为Y。此时模糊规则有如下形式: is ,THEN is ;or is ,THEN is ;or is ,THEN is ;or这种一维控制器的特点是简单明了，作为并联电容补偿系统，可以将电压值或无功功率作为输入量，但往往控制效果