真空开关的选相控制及其应用研究

论文摘要

选相控制开关又称同步开关或相控开关，其实质就是根据不同的负载特性，控制开关在电压或电流最有利的相位(电角度)完成合闸或分闸，以主动消除开关过程所产生的涌流和过电压等电磁暂态效应，或提高开关的开断能力，是当前国内外开关智能化的前沿课题之一。本论文以真空开关选相投切电容器组为重点，以消除开关过程所产生的涌流和过电压等电磁暂态效应为出发点和目的，从选相投切技术的相关理论、基于DSP的永磁机构真空开关选相投切系统的设计与实现、基于相控真空开关的智能无功补偿装置、样机功能系统试验、选相投切空载变压器等几个方面展开论述，为相控真空开关在国内的进一步研究与推广提供了参考与支持。 无功补偿电容器组的选相投切是当前选相控制真空开关的主要应用领域，本文根据投切电容器组的暂态过程分析，首先提出了不同连接方式下电容器组的选相投切策略。相控真空开关对操动机构机械特性、灭弧室电气特性及测控系统有特殊要求，而高压领域的预击穿现象和动作时间偏差会导致实际投切相位偏离预设相位，从而降低选相投切的功效，为此本文进一步推导出不同关合系数与机械分散性条件下的最佳关合相位与最大关合电压计算公式。此外，文中还从开关暂态过程、选相控制策略和使用效果等方面阐述了选相投切技术在空载输电线路、并联电抗器、空载变压器等不同领域的应用状况。 双稳态永磁机构结构简单、动作稳定可靠，其出力特性能与真空开关良好匹配，在中压领域得到越来越广泛的应用。相控真空开关采用分相独立操动的双稳态永磁机构，其操作电源为由大功率电力电子器件控制的储能电容器，操动精度可达微秒量级。采用双次线性插值法与多元线性回归法从软件上动态补偿操作电源的电压、环境温度等对永磁机构动作时间的影响，可提高开关的控制精度与稳定性。测试结果表明补偿后的永磁机构合分闸相位的控制偏差平均值小于0.4ms，很好地满足了相控开关的基本要求。 近年发展起来的数字信号处理器(DSP)是实现选相控制系统的理想核心器件。本研究的选相控制系统设计包括：基于TMS320LF2407A型DSP的软硬件结构：采用64阶FIR数字滤波器提取参考零点，通过软件自适应同步采样技术与FFT变换计算电网参数，针对不同的选相控制策略编写了相应的延时子程序以供调用等。电网频率波动会对参考零点提取带来一定的同步误差，文中采用IZC算法实时跟踪电网频率，选用14位高精度A／D转换芯片MAX125，可把控制精度提高到0.1ms以上。 10kV变电站常安装并联电容器组作为无功补偿设备，以降低有功损耗并改善电能质量。本文针对当前无功补偿装置的不足，设计了基于相控真空开关的新型智能无功补偿装置。该装置综合考虑电网功率因数和母线电压的变化，分组选相投切无功补偿电容

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 开关选相投切技术的提出与意义
• 1.1.1 开关合分闸暂态过程与传统抑制方法
• 1.1.2 选相投切技术及其优点
• 1.1.3 实现选相投切的技术关键
• 1.2 选相投切技术的研究现状与发展前景
• 1.3 课题来源与研究意义
• 1.4 本论文的内容安排与下一步工作建议
• 2 选相投切原理与控制策略研究
• 2.1 选相投切的基本原理
• 2.2 投切电容器组的暂态过程与选相控制策略
• 2.2.1 电容器组的关合与开断
• 2.2.2 电容器组的选相投切策略
• 2.2.3 考虑预击穿与机械分散性的最佳关合相位
• 2.3 投切其它负载的暂态过程与选相控制策略
• 2.3.1 空载输电线路
• 2.3.2 变压器
• 2.3.3 并联电抗器
• 2.3.4 短路电流
• 2.4 自适应控制与CIGRE推荐测试项目
• 2.5 本章小结
• 3 真空开关机构动作时间的分散性及其补偿
• 3.1 真空开关的永磁操动机构
• 3.2 永磁机构操动时间分散性的影响因素与操动精度分析
• 3.3 永磁机构控制系统设计
• 3.4 永磁机构操动时间的补偿与预测
• 3.4.1 操动时间的环境因素补偿
• 3.4.2 基于多元线性回归法的操动时间预测
• 3.5 试验结果与分析
• 3.6 本章小结
• 4 选相控制系统的设计与实现
• 4.1 设计要求与总体结构
• 4.2 硬件设计
• 4.2.1 DSP最小系统与逻辑电平转换
• 4.2.2 模拟信号调理与数字转换电路
• 4.2.3 开关量输入与输出通道
• 4.2.4 故障报警与保护单元
• 4.2.5 人机接口与分布式远程通信
• 4.3 软件设计
• 4.3.1 DSP混合编程与VB6.0开发环境
• 4.3.2 主控程序流程设计
• 4.3.3 数据采样处理与控制子程序
• 4.3.4 上下位机串行通信子程序
• 4.4 软硬件抗干扰措施
• 4.4.1 常见的干扰因素及其危害
• 4.4.2 控制器的抗干扰措施
• 4.5 本章小结
• 5 基于相控真空开关的智能无功补偿装置
• 5.1 电力系统的无功补偿
• 5.2 智能无功补偿装置的硬件结构
• 5.3 智能无功补偿装置的软件算法
• 5.3.1 FIR数字滤波器的设计与实现
• 5.3.2 自适应同步采样与参考零点的提取
• 5.3.3 基于FFT的电力参数计算
• 5.3.4 无功补偿容量与电容器组投切判据
• 5.3.5 选相投切与谐波谐振保护
• 5.4 选相投切电容器组的试验研究
• 5.4.1 控制精度测试
• 5.4.2 选相投切单个电容器组
• 5.4.3 选相投切背靠背电容器组
• 5.4.4 试验总结与分析
• 5.5 本章小结
• 6 选相投切空载变压器的研究
• 6.1 抑制励磁涌流的常用方法
• 6.2 变压器的建模与动态磁化特性分析
• 6.2.1 饱和磁滞回线
• 6.2.2 局部磁滞回线
• 6.2.3 变压器的空载等效电路
• 6.3 变压器的剩磁效应及其影响因素
• 6.4 开断变压器后的剩磁状态分析
• 6.4.1 开断相位与剩磁的关系
• 6.4.2 剩余磁通的测量
• 6.5 空载变压器选相关合策略与仿真分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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