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1、中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： XXX 学 号： 学 院： 信息与电气工程学院 专 业： 电气工程与自动化 设计题目： 基于模糊控制的分组投切无功补偿 控制器的设计指导教师： XXX 职 称： 讲师 2009年 6 月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 信电学院 专业年级 电气工程与自动化2005-11 学生姓名 XXX 任务下达日期： 2009年 2 月 16 日毕业设计日期：2009年 2月 16 日至 2009年 6月 20 日毕业设计题目：基于模糊控制的分组投切无功补偿控制器的设计毕业设计主要内容和要求：在了解高压电网无功补偿原理基础上，采用单片机设计分组投切无功补偿控
2、制器。具体要求如下：1、 分析配电网分组投切无功补偿装置的一次设备选型原则；2、 分析分组投切无功补偿装置的功能需求，选择无功检测及控制算法；3、 构造分组投切无功补偿控制器原理框图；4、 完成非调谐无功补偿控制器硬件电路和软件框图设计。院长签字： 指导教师签字：摘 要随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。无功功率在电网中传输会造成网络损耗以及受电端电压下降，使电能利用率大大降低,严重影响供电质量。因此，在电网中的适当位置装设无功补偿装置是满足电网无功需求的必要手段。在本设计中介绍了无功补偿的目的和意义，阐述了国内外无功补偿的现状与发展趋势。分析了无功补偿原理及补偿接线方式。同时
3、，在分析九区图法控制缺陷的基础上，将模糊控制理论引入电容器的投切控制，兼顾了提高功率因数与改善电压质量两方面，并且避免了无功补偿装置的往复投切。本文设计了一个以STM32F103为核心的、应用模糊控制理论进行控制电容器组投切的无功补偿控制器。在装置设计中采用电压无功复合投切判据，有效的克服了以功率因数单一元素作为投切判据的控制方式下电容器组的投切震荡。在控制器的硬件设计上采用STM32F103VET6作为核心，设计了电压电流采集电路，开关量输入、输出电路，液晶显示电路，键盘输入电路，通讯电路和电源电路。同时还介绍了硬件设计中应采取的抗干扰措施。最后，还做出了系统中各个模块的软件流程图。此外，本
4、文中还介绍了一次部分选型原则、电容器组接线方式及电容器组的保护电路等。关键词：无功补偿；分组投切；模糊控制；ABSTRACTWith the increase of power system load, the reactive power demand is growing. Reactive power in the power grid network in the transmission will cause power loss and voltage drop by, so that greatly reduced energy utilization seriously and
5、 affecti the quality of supply.Therefore, in the appropriate place in the grid installation of reactive power compensation device is to meet the reactive power demand of the necessary means.During the design of reactive power compensation, this introduced the purpose and significance, both at home a
6、nd abroad on the status of reactive power compensation trends and development. Analysis of the principle of reactive power compensation and connection of capacitor compensation. At the same time, based on nine zones controller, there use fuzzy control theory to capacitor switching control, both to i
7、mprove the power factor and improve the voltage quality and to avoid the reactive power compensation device switching back and forth.In this article the reactive power compensation controller is designed, STM32F103 as a core, application of fuzzy control theory to control the switching capacitor ban
8、k. The controller uses both switching voltage and reactive power criterion composite of putting and removing capacitors , making an good effective overcoming the capacitor shocking of power facer as a single criterion for the control of switching capacitor. STM32F103VET6 is used in the hardware desi
9、gn of the controller as a core.And voltage and current gathering circuits , switch valueof inputting and outputting circuits, liquid crystal display circuit, keyboard input circuits, communication circuits and power circuits are designed. It also presents the hardware design of the anti-jamming meas
10、ures should be taken. Finally, it makes flow chart of the software of the various modules which make up the whole system. In addition, this paper also introduced a selection principles of capacitors and capacitor connection group and the protection circuit.key words : reactive power compensation , f
11、uzzy control , packet switch. 目 录1 绪论11.1无功补偿的意义11.2无功补偿的历史现状21.3无功补偿的基本理论51.3.1电网功率因数61.3.2提高功率因数的意义61.4无功补偿的基本方式71.4.1集中补偿71.4.2分散补偿81.4.3就地补偿91.5谐波抑制相关技术91.5.1谐波抑制必要性91.5.2谐波抑制的方法101.6本设计主要内容102 无功补偿控制策略的分析112.1传统九区图法控制112.1.1九区图控制原理112.1.2九区图法控制的缺点122.2模糊控制理论122.2.1输入量模糊化接口132.2.2知识库142.2.3推理机14
12、2.2.4输出量去模糊化接口152.3无功补偿模糊控制器的设计152.3.1输入量与控制量的确定152.3.2量化因子与比例因子162.3.3隶属度函数的选取172.3.4模糊推理规则182.3.5模糊推理202.3.6去模糊化212.4模糊控制器Matlab仿真212.5本章小结263 无功补偿设备的一次部分273.1主电路结构设计273.2电容器组容量的确定283.3电容器组的分组283.4电容器组的接线方式293.4.1三角形接法293.4.2星形接法303.5电抗器的选择303.6电容器组的保护323.7本章小结334 控制系统的硬件设计344.1控制器功能汇总344.2总体设计344
13、.3中央处理器354.4信号调理部分374.4.1电压采样电路设计374.4.2电流采样电路设计384.4.3采样保持电路394.4.4模数转化404.5开关量输入、输出部分414.5.1开关量输入单元414.5.2开关量输出单元414.6液晶显示部分434.7键盘电路444.8通信接口454.9看门狗电路464.10电源设计484.11硬件抗干扰494.12本章小结495 控制系统的软件设计505.1主程序结构505.2数据处理模块设计515.3模糊控制子程序的设计555.4电容器的投切模块565.5键盘输入模块设计605.6软件抗干扰605.6.1软件陷阱和指令冗余技术605.6.2看门狗
14、615.6.3按键去抖动处理615.7本章小结616 结论62致 谢63参考文献64翻译部分66中文译文66英文原文791 绪论1.1无功补偿的意义在电力系统中，供电的质量，电网运行的安全可靠性和经济性是最根本的问题。快速合理地调节电网无功功率，对交流电网的稳压和系统电压的调节，合理分配潮流及限制电网过电压方面十分重要。电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源，电力电子装置的应用日益广泛，使得电网中的谐波污染也日趋严重。近年来，随着冶金、电气化铁道的飞速发展，诸如具有冲击负荷的电弧炼钢炉，轧钢机等不断投入电网，导致电网功率因数下降、波形畸变、电压波动、谐波干扰等公害，给电网带来额外负担，并影响供
15、电质量。同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备：如计算机、医用设备等。因此，补偿系统的无功功率、抑制谐波和提高功率因数己成为电力电子技术、电气自动化及电力系统研究领域所面临的一个重要课题，正在受到越来越多的关注。有功功率与视在功率的比值称为功率因数，无功功率的存在使功率因数降低，造成如下影响：(1)当有功功率不变时，功率因数低，使发电机和变压器的容量增大，不能充分发挥原有供电设备的效率。(2)在线路输送有功功率相同的情况下，功率因数低，使线路中的电流增加，电压损失增加，给感应电动机的启动、运行造成困难，导致供电质量下降。若增大导线截面积，相应的增加了有色金属的消耗量。(3)当
16、电网电压及有功功率不变时，功率因数低，使输电线路中的无功电流增大，功率损耗增加，引起发电机端电压的下降。无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的。在电力系统中，大多数电网中元件和负载都要消耗无功功率。而电网中元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些所需的无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离输送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应该是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即对无功功率进行补偿。对电网进行无功补偿有以下几个方面的作用：(1)提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。(2)稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适
17、的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。(3)在电气化铁道等三相负载不对称的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。目前，电网中的负荷大部分是感性负载，因此在电网中安装并联电容器可以供给感性电抗消耗的部分无功功率。并联电容器补偿简单经济，灵活方便。但当今电力系统中存在着大量如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等无功功率频繁变化的设备，这就要求补偿装置能够根据负荷的变化进行动态补偿。而并联电容器只能补偿固定无功，容易造成过补或欠补，无法满足电力系统的实际需要，还有可能和系统发生并联谐振，导致谐波放大。因此，能根据负荷无功功率的变化对分组的补偿电容器组进行自动分组
18、投切以实现对无功功率动态实时补偿的装置，目前在国内外得到广泛应用。随着电力电了技术的发展，交流无触点开关SCR, GTR, GTO等相继出现，将其作为投切开关，速度可以提高500倍(约为10u s)，对任何系统，无功补偿都可以在一个周波内完成，并且可以进行单相调节15,16,17。本课题所研究的无功补偿装置采用高压真空接触器来投切电容器。在控制方式上，采用无功功率和电压作为综合判据来投切电容器组。控制部分以单片机为核心，具有较强的数据处理能力目价格便宜。因此整套装置具有可靠性高、性能好、造价低、易于维护和安装、操作方便的优点26.30。1.2无功补偿的历史现状早期的无功功率补偿装置主要为同步调
19、相机(Synchronous Condenser,SC)和并联电容器。同步调相机是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自一二十年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用，但它属于旋转设备，运行过程中的损耗和噪声都比较大，维护复杂，且响应速度慢，在很多情况下己无法适应快速无功功率控制的要求，目前在现场仅有少量使用。并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点，按电容器安装的位置不同，通常有三种补偿方式：集中补偿、分组补偿、就地补偿。集中补偿是电容器组集中装设在企业或地方总降压变电所的610kV
20、母线上，用来提高整个变电所的功率因数，保障供电范围内无功功率基本平衡，可减少高压线路的无功损耗，而目能够提高供电电压质量。分组补偿是将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或终端配电所高压或低压母线上，这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅补偿容量和范围相对小些，但补偿效果比较明显，采用比较普遍。就地补偿是将电容器或电容器组装设在异步电动机或电感用电设备附近，就地进行无功补偿，这种补偿方式既能提高用电设备供电回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量，对中、小型设备十分适用。若能将这三种补偿方式统筹考虑、合理布局，一定可以取得很好的技术经济效益。并联电容器的缺点是只能补偿固定无功，目还可能与系统发
21、生并联谐振，导致谐波放大，但是由于并联电容器在其它方面的优势所致，到目前为止在我国仍是主要的无功补偿方式19.21 。现今所指的无功补偿装置主要有以下三大类型：一类是具有饱和电抗器的无功补偿装置(Saturated Reactor,SR)；第二类是晶闸管控制电抗器(Thyristor Contiol Reactrn,TCR)；第三类是晶闸管投切电容器(Thyistor Switch Capacitor,TSC)。下面依次介绍此三类无功补偿装置的情况：（1）具有饱和电抗器的无功补偿装置(Gatmated Reactor,GR)这种装置是最早的一种静止无功补偿装置，早在1967年，这种装置就在英国
22、制成。饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。但是这种装置中选用的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4倍，目电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大23倍，另外这种装置有振动和噪声，调整时间长、动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。（2）晶闸管控制电抗器(Thy
23、istor Contiol Reactor,TCR)这种装置是利用晶闸管的相位控制来调整电抗器的电流，从而达到调整无功功率的目的。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90180。当触发角=90时，晶闸管全导通，导通角=180，此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式：=（） （=）可知，增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。单独的TCR只能吸收无功功率，不能发出无功功率，为了解决此问题，通常将
24、并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器元件的不同，又可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器（TCB+FC）和TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+MSC)。这种具有TCR型的补偿器反应速度快、灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。（3）晶闸管投切电容器(Thyistor Switch Capacitor，TSC)这种装置是将并联补偿电容器分成若干组，根据负荷无功的变化情况对补偿电容器进行分组投切，达到调整无功补偿量的目的。TSC的单相电路还有一个二极管与一个晶闸管反并联后与一个电容器串联的结构方式。TSC用于三相电网中可以是三角形连接
25、，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。在工程实际中，不论是星形还是三角形连接，一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切。这样，可根据电网的无功需求投切这些电容器。晶闸管投切电容器装置特别适合于冲击性负荷及经常波动性超负荷的场所。现在普遍把这种可以快速补偿电网无功功率的晶闸管投切电容器的无功补偿装置叫做动态无功补偿器。以上所举的装置合起来统称为SVC(Static Var Compensatory)。这些静止补偿器对电力系统状况的调整和暂态性能的改善起到了重要的作用，且其控制技术也比较成熟，在实际电力系统中也得到了不少有效应用。但是它们都是利用晶闸管进行换
26、相控制，在无功变动时容易发生逆变现象，并目都需要大电感或大电容来产生感性和容性无功，因而人们期待有新的补偿方式改善上述缺陷。随着电力电了技术的进一步发展，一种更先进的静止型无功补偿装置出现了，即采用自换相变流电路的静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)，也称之为高级静止无功补偿器(Advanced Static Var Compensator,ASVC) 。静止无功发生器的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目
27、的。在SVG的基础上，静止同步补偿器(Static Synchronous Compensatory, STATCOM)，也称为新型静止无功发生器(Advanced Static Var Generator,ASVG)产生了。这种无功功率调节装置可以从感性到容性平滑地调节无功功率，相当于一个电压大小可以控制的电压源，其工作原理是：当装置产生的电压小于系统电压时，吸收感性无功功率，此时相当于电感；当装置产生的电压大于系统电压时，输出容性无功功率，此时相当于电容。由以上概述可知，补偿无功功率的方法先后采用了同步调相机、并联电容器、静止无功补偿装置(SVC、SVG、STATCOM)等。现在，在世界范
28、围内，以TCR和TSC为代表的静止无功补偿装置SVC己经占据了动态无功补偿的重要地位，是动态无功补偿技术研究的发展趋势。同时，SVG在一些发达国家和地区也开始研究。截止到2000年，全世界己有超过400套、总容量约为60Gvar的SVC在输配电系统中运行；全世界己有超过600套、总容量约为40Gvar的SVC在工业部门使用。我国的输电系统中有6套容量为105170Mvar的 SVC安装在5个500kV变电站，均为进日；工业用户安装了100多套SVC，约有1/5是进口的。从2001年起中国电力科学研究院己为工业用户提供了26套1035kV TCR型SVC新平台，10kV TSC型SVC装置于20
29、01年、2003年在变电站分别投入运行，填补了SVC国内工程化应用的空白。而STATCOM装置是基于变流器的无功功率补偿装置，其技术是所有基于变流器的FACTS装置的基础，己经获得了广泛的重视。世界上各大著名的电气设备制造商(如西门了公司、ABB公司、阿尔斯通公司、GE公司、三菱公司等)都开发了STATCOM工业装置产品。1999年我国清华大学也开发了士20Mvar STATCOM装置，目在河南电网成功投入运行。STATCOM装置在国际上己有几十套示范工程投入使用，单套容量己达到200var，该技术正在逐渐成熟。从无功功率补偿装置的应用来看，SVC装置控制简单、价格低、能满足大多数用户对于尤功
30、功率补偿的击要，应用最为普遍，在电力系统和工矿企业用户中拥有广大市场，是并联无过补偿的主要装置。目前，国内外有关SVC的研究多集中在对其应用于输电补偿的各种场合时控制策略和方法的进一步探讨上，随着模糊控制、人工神经网络、专家系统等智能控制手段相继被引入SVC控制系统，使SVC系统的性能更加提高，但还有很多理论和实际运用的问题尚待解决。而对SVG的研究除了控制方法以外，还呈现出与有源电力滤波器相结合的发展趋势，但SVG控制复杂，所用全控器件价格昂贵，目前还没有普及。尤其在我国，大功率电力电了器件基本依赖进口，成本太高，此类装置的实用化尚需相当长的一段时间。而采用可关断器件的STATCOM装置，由
31、于历史和价格的原因，目前在国内外应用的实例并不多。然而STATCOM是性能最优的无功补偿装置，是FACTS的核心，值得加强研究和推广使用12。 1.3无功补偿的基本理论将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器释放能量，而电感放出能量时，电容器却在吸收能量。能量就只在它们之问交换，即感性负荷(电动机、变压器等)所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。因此，把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。此外，调相机、同步电动机等也可以作为无功补偿装置。图1-1 无功补偿矢量示意图无功补偿的矢量关系如上图所示，Q为感性负荷从电源吸收的无功功率，为无功功率补偿装置的补偿无功。
32、由上图可看出，进行无功补偿后，电源输出的无功功率减少=-，功率因素由提高到，视在功率由减少到。1.3.1电网功率因数电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之间存在下述关系，即 S= (21) =cos (22)cos被定义为电网的功率因数，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。在电网中的运行中，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8。1.3.2提高功率因数的意义1.改善设备的利用率 功率因数还可以表示成下述形式 cos = （23）其中U
33、为线电压，单位kV； I为线电流，单位A。可见在一定的电压和电流下，提高cos，其输出的有功功率增大。因此，改善功率因数可充分发挥设备潜力，提高设备利用率26。2.提高功率因数可以减少电压损耗由局部电网的等值电路可知，电网中由于无功负荷而带来的电压损耗的计算公式为：U=-=cosX= （24）式中： 电力网的额定电压 元件的末端电压电网中电压和电流的相位角 R、X电网中元件的等效电阻和等效电电抗、元件末端的有功负荷和无功负荷图1-2 局部电网的等效电路图3.减少线路损耗当线路流过电流I时，线路的有功损耗P=3R(kW) P=3()R= R =3() (kW) （25） 1.4无功补偿的基本方式
34、合理的无功补偿方式的选择应该遵循以下几个原则：减少无功功率的流动，实行就地补偿的原则；分级补偿原则，集中装设与分散装设相结合，以分散补偿为主的全面规划；防止在低负荷情况下过补偿，即向电网倒送无功功率。无功补偿最好的方式是哪里需要无功就在哪里补偿，整个系统将没有无功电流的流动。但在实际电网当中这是不可能做到的，因为无论是变压器、输电线路还是各种负载，都需要无功。所以在实际低压配电网中就补偿电容器安装的位置不同，无功补偿的方式可以分为三种：集中补偿、分散补偿(分组补偿)和就地补偿(单机补偿)。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，补偿容量的计算方式也不
35、同26。1.4.1集中补偿 这种补偿方式是将电容器装设在用户专用变电所或配电室的低压母线上，如图1-3中所示。用以补偿配电变压器的无功功率损耗以及变电所以上输电线路的损耗，还可以就近供应380 V配电线路的前段部分及所带用电设备的无功功率损耗。适用于低压供电半径短、负荷集中的地方或就地补偿的用电设备，如快速正、反转工作及有反接制动的电动机等。利用补偿电容器的分组投切，还能进行调压，改善电压质量。其集中安装，便于维护和控制27。在现有的乡镇企业和商住区配电，大部分都采用集中补偿方式，但此种补偿方式也存在下列缺点：(1)节能效果差。只能减少装设点以上线路和变压器因输送无功功率所造成的损耗，而不能减
36、少用户内部配电网络的无功负荷所引起的损耗。从而降低了补偿设备投入使用的价值。(2)降低电容器的寿命。由于集中补偿装置安装于配电室内，电容器柜紧靠配变，其承受的输出电压一般在400 V以上，电网低谷时，电压往往会超过 430 V，当自动补偿装置失控时，会引起电容器过压运行、发热、变形、击穿等现象的发生。图1-3 无功补偿方式示意图1.4.2分散补偿这种补偿方式是将电容器组按低压配电网无功负荷的分布分组装设在相应的母线上，或者直接与低压干线相连接，形成低压电网内部的多组分散补偿方式，如图1-3中的所示。该种方式便被补偿的无功功率不再通过主干线以上线路输送，从而使变压器和配电主干线路的无功功率损耗相
37、应地减少。分组补偿与集中补偿相比，降损节电效益显著，尤其当用电负荷点较多(如多个车间)，而且距离较远时，补偿效率更高。 分组补偿的优点：有利于对配电变压器所带的无功进行分区控制，实现无功负荷的就地平衡，减少无功功率在变配电所以下配电线路中的流动，使线损显著降低；分组电容器的投切随总的负荷水平而变化，其利用率较单台补偿高，分组补偿虽然不如集中补偿管理方便，但比单台电动机补偿易于控制。 缺点是：如果装设的电容器无法分组，则补偿容量无法调整，运行中可能出现过补偿或欠补偿；分组补偿方式的一次性投资大于集中补偿方式，操作控制上也比集中补偿方式麻烦很多。1.4.3就地补偿这种方法是就地补偿用电设备(主要是
38、电动机)所消耗的无功功率，将电容器组直接装设在用电设备附近。与用电设备的供电回路相并联。一般与用电设备共用一组开关。如图1-3中C3所示。电容器组随电动机同时投入或退出运行，使电动机消耗的无功功率部分得到就地补偿，从而使装设点以上输配电线路输送的无功功率减少，能获得明显的降损效益。该种方式的优点是：当大中型异步电动机比重较大、利用小时又较多时，这种补偿方式的降损节电效果是显著的。其缺点是：对一些年运行小时少或利用率低的设备，补偿电容器利用率不高。而且因是逐台补偿，会便补偿容量增大，从而使补偿装置的总投资增大。 1.5谐波抑制相关技术谐波抑制和无功补偿两者之间联系密切，产生谐波的装置大都是消耗基
39、波无功功率的装置；抑制谐波的装置通常也是补偿无功的装置，因此有必要将谐波抑制与无功补偿结合起来研究，在抑制谐波的同时提高功率因数1。1.5.1谐波抑制必要性在无功补偿系统中，电网以感抗为主，电容器回路以容抗为主。在工频条件下，并联电容器的容抗比系统的感抗大很多，补偿电容器对电网发出无功功率，对电网进行无功补偿，提高了系统的功率因数。在有背景谐波的系统中，非线性负荷会产生大量的谐波电流注入电网，引起电压及电流波形畸变。对谐波频率而言，电网感抗增加而补偿系统容抗减小，其调谐频率可能与电网中的谐波频率接近，如果电网中存在该特定频率的谐波电流源，将直接放大谐波，严重时将发生串联谐振或并联谐振，使电压和
40、电流畸变更为严重。1.5.2谐波抑制的方法(1)在电容器组中串入电抗器电抗器的主要作用是避开谐波电流可能出现的频率。(2)采用有源滤波器从技术上讲最先进，但价格贵，目前国内尚无此类批量的产品。其性能特点主要表现在：功率损耗低，而且提供电子式的过载保护；具有优良的动态响应特性，响应时间小于lms；可以补偿三相谐波电流、谐波次数可达50次；可消除中性线电流的3次谐波及其他零序性质的谐波。1.6本设计主要内容第一章，简要介绍无功补偿的意义、历史现状和无功补偿的基本理论。第二章，阐述本设计中无功补偿策略的选择。第三章，介绍无功补偿设备一次部分的选型原则。第四章，详细介绍系统无功补偿控制的硬件设计。第五
41、章，详细介绍系统中各个模块的软件设计。2 无功补偿控制策略的分析2.1传统九区图法控制2.1.1九区图控制原理目前，我国变电站的电压无功综合控制方案，大多是利用电压和无功功率双参数构成的九区域分区控制图进行控制，九区域分区控制图如下图所示。实际运行时，该控制方案根据监测到的实时电压、无功功率判定当前变电站运行在哪个控制区，再根据相应的控制策略，对分接头和电容器组采取相应的控制方法331。图2-1 九区图法控制图上图中系统电压U与无功Q为目标值限值，当系统运行时：在0区：不用动作；在1区：电压越限，降压；在2区：电压越上限无功越上限，现降压再投电容器；在3区：无功越限，投电容器，若投完则升压；在
42、4区：电压越下限无功越上限，先投电容器后升压；在5区：电压越下限，升压；在6区：电压越下限无功越上限，先升压后切电容器；在7区：无功越下限，切电容器，若切完则降压；在8区：电压越上限无功越下限，先切电容器后降压。2.1.2九区图法控制的缺点（1）未考虑电压、无功之间的耦合作用，容易导致不合理的控制方式实际上，在电力系统中电压无功并不是孤立的，而是彼此影响、紧密联系的。调节变压器分接头时，改变了系统的网络参数，从而在影响电压的同时也影响无功潮流的分布；而控制无功补偿设备，既影响无功也影响电压；它们的耦合关系非常强。但九区图控制策略中电压与无功调节的判据却是互不相关的固定边界线，这显然割裂了电压与
43、无功之间的有机联系，在实际运行中会导致一些不合理的控制方式。最典型的是会产生“投切振荡”：在电网电压与无功波动的情况下，为满足变电站电压与无功都合格的要求，变压器分接头档位频繁调整，并联补偿电容器开关频繁投切。（2）控制策略没有认清电压、无功不合格的原因，控制带有盲目性。在传统的控制策略中，各区域的控制仅根据实时检测的变电站二次侧电压和主变的无功功率来完成，而没有实时考虑变电站无功负荷的变化趋势以及高压侧的电压水平，以致其控制带有盲目性，通常会引起有载调压分接头和电容器的不必要的操作。通过以上分析，显然可见传统的九区图控制策略并不能完全满足“保证电压合格，无功基本平衡，尽量减少调节次数” 的变
44、电站电压无功控制的基本要求。同时考虑到变电站电压无功综合调节是一个多变量、强耦合、非线性、控制规律不能用一个统一的数学模型来描述的控制问题，本文设计了基于模糊控制理论的控制器。2.2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。 运用模糊控制理论
45、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，它的状态或是输入，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34。图2-2 模糊控制系统的系统组成 模糊控制系统由模糊控制器、输入或是输出接口、执行机构、被控对象和检测装置五个基本环节组成。其中模糊控制器是模糊控制系统的核心。一个模糊控制系统性能的好坏，主要取决于模糊控制器结构所采用的模糊规则、合成推理算法、以及决策的方法等因素。模糊控制器主要由输入量模糊化接口、数据库、规则库、推理机以及输出去模糊接口五部分组成的。如下图
46、2.3所示：图2-3 模糊控制器的结构2.2.1输入量模糊化接口模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制器的求解。因此，模糊化接口实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将实测的控制物理量转化成模糊变量。模糊化接口的功能可以概括为量程转换和模糊化两方面。量程转换是把输入信号的数值映射到相应的输入论域上。假设精确量的实际变化范围为a,b。当论域为连续情况时，将区间a,b上的精确量x映射到输入论域-n,+n上相应的点，并记作e。，则输入量程的线性转换公式为：e=2nx-(a-b)/2/(b-a) (2-1) 当论域为离散情况时，将区间a,b上的精确量x按靠近原则映射到输入论域-n, . . .，0, -n上相应的点e，则量程转换公式为： E=int2nX-(a-b)/2/(b-a) (2-2)式中，int表示取整运算。模糊化就是将精确量转化为模糊量，将输入信号映射到相应论域上的一个点后，把它
