靜止型動態(tài)無功補償裝置.doc

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 i 頁 靜止型動態(tài)無功補償裝置靜止型動態(tài)無功補償裝置 摘摘 要要 隨著經濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，各行各業(yè)對供電可靠性和供電質量提出 了更高的要求。由于配電網處于電網的末端，用戶多為低壓用戶，許多用電器的功率 因數(shù)很低，且不帶補償裝置，這給電網帶來很大的功率負擔和額外線損，為了維護電 力系統(tǒng)穩(wěn)定、保證電能質量和安全運行，對電網末端變壓器進行就地無功補償很有必 要。本文利用專用三相電能專用芯片 att7022b 為核心構成的采樣控制器，實時檢測 電網的電壓、電流，有功、無功、功率因數(shù)，根據用電負荷情況，通過 51 單片機控制 電容器組的自動投、切，實現(xiàn)無功功率的無功補償，并利用 12232 液晶顯示器顯示當 前的有功、無功、功率因數(shù)等參數(shù)。 關鍵字：關鍵字：功率因數(shù)，無功補償，att7022b，單片機 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 ii 頁 static dynamic var compensator abstract along with economy of the development and people live a horizontal exaltation, every trade put forward a higher request to the power supply credibility and the power supply quality.in order to going together with the bitter end that the charged barbed wire net is placed in charged barbed wire net, customer much is low-pressure customer, many powers factors which use an electric appliances are very low, and dont take repair device, this brings charged barbed wire net very big power burden with additional line , for the sake of maintenance electric power system stability, assurance electric power quality and safety circulate, to the charged barbed wire net bitter end transformer carry on right on the spot without achievement the repair has a necessity very much.this text makes use of appropriation three mutually the chip att7022 of the electric power appropriation b is core constitute of sample controller, solid hour examine the electric voltage, electric current of charged barbed wire net, have a great achievement, have no achievement, power factor, according to use electricity to carry a circumstance, pass 51 single slice machine control capacitor set of automatic hurl, slice, carry out to have no achievement power of without achievement compensate, and make use of 12232 liquid crystal displays manifestation to have a great achievement at present, have no achievement, power factor etc. keywords: power factor,var compensate,att7022b,single chip microcomputer 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 iii 頁 目錄 摘 要i 1 緒論緒論.1 1.1 無功補償?shù)囊饬x無功補償?shù)囊饬x 1 1.2 靜止無功補償技術的發(fā)展靜止無功補償技術的發(fā)展 2 1.2.1 靜止無功補償?shù)淖饔门c類型2 1.2.2 svc 裝置的控制系統(tǒng)簡介3 1.2.3 無功補償?shù)念愋?4 1.3.1 課題來源10 1.3.2 主要研究內容11 2 功率因數(shù)功率因數(shù).12 2.1 功率因數(shù)的定義功率因數(shù)的定義 12 2.2 功率因數(shù)的意義功率因數(shù)的意義 12 2.2.1 功率因數(shù)對電氣設備的影響.12 2.2.2 功率因數(shù)對電力系統(tǒng)的影響.13 2.2.3 補償?shù)慕Y果14 3 系統(tǒng)的芯片介紹系統(tǒng)的芯片介紹.16 3.1 dsp(att7022b)芯片介紹芯片介紹16 3.1.1 芯片特性16 3.1.2 功能簡介16 3.1.3 電源監(jiān)控電路17 3.1.4 系統(tǒng)復位17 3.1.5 與單片機的接口技術18 3.2 單片機介紹單片機介紹.20 3.2.1 單片機的硬件.20 3.2.2 單片機的總線.21 3.3 lcd 液晶顯示器液晶顯示器.22 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 iv 頁 3.3.1 液晶顯示器的基本特性23 4 硬件的系統(tǒng)設計硬件的系統(tǒng)設計.28 4.1 數(shù)據采集系統(tǒng)的設計數(shù)據采集系統(tǒng)的設計.28 4.1.1 基本理論28 4.1.2 att7022b 的外圍電路.29 4.2 控制器的硬件設計控制器的硬件設計 30 4.2.1 系統(tǒng)的基本工作原理.31 4.2.2 無功電流的檢測及補償容量的確定31 4.2.3 時鐘和復位電路的設計31 4.2.4 鍵盤和液晶顯示電路32 4.2.5 電源電路的設計34 4.2.6 投切電路的控制設計35 4.3 系統(tǒng)的特點系統(tǒng)的特點.36 結論結論.37 致謝致謝.38 參考文獻參考文獻.39 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 1 頁 1 緒論緒論 1.1 無功補償?shù)囊饬x無功補償?shù)囊饬x 國民經濟的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高帶來了電力負荷的高速增長。尤 其是近兩、三年來，由于電力負荷增長迅猛，而發(fā)電裝機容量和輸配電能力不足，造 成全國近 20 個省市電力供應緊張，部分省市出現(xiàn)限電拉閘 1。與此同時，隨著電力市 場的開放，電力用戶對電能質量的要求也在提高；電力生產與供應企業(yè)也比以往任何 時候都重視電力系統(tǒng)運行的經濟性。 電力系統(tǒng)運行的經濟性和電能質量與無功功率有重大的關系。無功功率是電力系 統(tǒng)一種不可缺少的功率。大量的感性負荷和電網中的無功功率損耗，要求系統(tǒng)提供足 夠的無功功率，否則電網電壓將下降，電能質量得不到保證。同時，無功功率的不合 理分配，也將造成線損增加，降低電力系統(tǒng)運行的經濟性。 無功功率從何而來？顯然，發(fā)電機提供的無功功率相對負荷和網絡對無功功率的 需求來說只是“杯水車薪”，僅僅依靠發(fā)電機提供無功功率也是極不經濟的。無功功率 最主要的來源是利用各種無功功率補償（以下簡稱無功補償）設備在電力系統(tǒng)的各個 環(huán)節(jié)進行無功補償。因此，無功補償是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它是保證電能質量 和實現(xiàn)電力系統(tǒng)經濟運行的基本手段。 低壓電力用戶量大面廣，其負荷的功率因數(shù)又大都比較低，因此在低壓電網中進 行無功功率的就地補償是整個電力系統(tǒng)無功補償?shù)闹匾h(huán)節(jié)。 低壓電網的無功補償主要采用并聯(lián)電容器進行，它包括固定電容器（fc）補償和 自動投切電容器的動態(tài)補償以及兩者混合補償?shù)确绞健?電力負荷是隨時變化的，所需要的無功功率也是隨時變化的，為了維持無功平衡， 要求無功補償設備實行補償，即要根據無功負荷的變化及時投切電容器。以往的低壓 動態(tài)無功補償設備以機械開關（接觸器）作為電容器的投切開關，機械開關不僅動作 速度慢，而且會產生諸如涌流沖擊、過電壓、電弧重燃等現(xiàn)象，開關本身和電容器都 容易損壞。據調查，我國過去使用的自動投切電容器無功補償裝置在使用 3 年后損壞 率達 75。 隨著電力電子技術和微機控制技術的迅速發(fā)展和廣泛應用，出現(xiàn)了智能型的動態(tài) 無功補償裝置。這種以電力電子器件作為無功器件（電容器、電抗器）的控制或開關 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 2 頁 器件的動態(tài)無功補償裝置被稱為靜止無功補償裝置（svc：static var compensator） 。 svc 是動態(tài)無功補償技術的發(fā)展方向，它正成為傳統(tǒng)無功補償裝置的更新?lián)Q代產 品。正因為如此，本課題選擇這一技術領域進行研究。 1.2 靜止無功補償技術的發(fā)展靜止無功補償技術的發(fā)展 1.2.11.2.1 靜止無功補償?shù)淖饔门c類型靜止無功補償?shù)淖饔门c類型 對電力系統(tǒng)中無功功率進行快速的動態(tài)補償，可以實現(xiàn)如下的功能： （1）對動態(tài)無功負荷的功率因數(shù)校正。 （2）改善電壓調整。 （3）提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性，阻尼功率振蕩。 （4）降低過電壓。 （5）減少電壓閃變。 （6）阻尼次同步振蕩。 （7）減少電壓和電流的不平衡。 應當指出，以上這些功能雖然是相互關聯(lián)的，但實際的靜止無功補償裝置往往只能 以其中某一條或某幾條為直接控制目標，其控制策略也因此而不同。此外，這些功能 有的屬于對一個或幾個在一起的負載的補償效果（負載補償） ，有的則是以整個輸電系 統(tǒng)性能的改善和傳輸能力的提高為目標（輸電補償） ，而改善電壓調整，提高電壓的穩(wěn) 定度，則可以看作是兩者的共同目標。在不同的應用場合，對補償裝置容量的要求也 不一樣。以電弧爐、電解、軋機等大容量工業(yè)沖擊負荷為直接補償對象的無功補償裝 置，要求的容量較小，而以電力系統(tǒng)性能為直接控制目標的系統(tǒng)用無功補償裝置，則 要求具有較大的容量，往往達到幾十或幾百兆乏。 早期的無功補償裝置的典型代表是同步調相機。同步調相機能進行動態(tài)的無功補償， 至今在無功補償領域中還在使用，而且隨著控制技術的進步，其控制性能還有所改善。 但同步調相機是一種旋轉的機械，其損耗、噪聲都很大，它正被靜止無功補償裝置 （svc）所取代。 svc 近年來獲得了很大發(fā)展，已廣泛用于輸電系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的無功補償。早期 的 svc 是飽和電抗器（sr）型的，盡管它具有靜止型的優(yōu)點，但它需要工作在飽和狀 態(tài)，損耗和噪聲都很大，而且存在非線性的問題，因而未能占據 svc 的主流。采用并 聯(lián)電容器進行無功補償有一系列的優(yōu)點，因而在電力系統(tǒng)的無功補償中獲得廣泛應用。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 3 頁 并聯(lián)電容器補償可采用固定電容器（fc）補償和開關投切電容器的自動補償。前 者是不能調節(jié)的，不能進行動態(tài)補償；后者用開關投切電容器，能進行動態(tài)無功補償。 傳統(tǒng)的電容器動態(tài)無功補償裝置采用機械開關（接觸器或斷路器）投切電容器。機械 開關的開關速度較慢，不可能快速跟蹤負荷無功功率的變化；而且投切電容器時常會 引起較為嚴重的沖擊涌流和操作過電壓，這樣開關觸頭易受電弧作用而損壞，而且可 能使電容器承受過電壓而擊穿。 隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，晶閘管開始用于 svc 裝置中，出現(xiàn)了晶閘管控制 電抗器（tcr）和晶閘管投切電容器（tsc）這兩種基本結構型式的 svc，以及它們 的混合裝置，如 tcrtsc、tcrfc 等。 使用晶閘管對無功器件（電容器和電抗器）進行投切或控制的優(yōu)點是響應速度快， 可以頻繁投切。因此，使用晶閘管的靜止無功補償裝置近年來發(fā)展很快，靜止無功補 償裝置（svc）這個詞往往專指使用晶閘管等電力電子開關器件的靜止無功補償裝置。 1977 年，美國 ge 公司首次在實際電力系統(tǒng)中演示運行了其使用晶閘管的靜止無 功補償裝置。1978 年，在美國電力研究院（epri）的支持下，西屋電氣公司 （westinghouse electric corp）制造的使用晶閘管的靜止無功補償裝置投入實際運行。 隨后，世界各大電氣公司都競相推出了各具特點的系列產品。我國也先后引進了數(shù)套 這類裝置。由于使用晶閘管的靜止無功補償裝置具有優(yōu)良的性能，所以，自 20 世紀 80 年代以來，在世界范圍內其市場一直在迅速而穩(wěn)定地增長，已占據靜止無功補償裝置 的主導地位。 1.2.21.2.2 svcsvc 裝置的控制系統(tǒng)簡介裝置的控制系統(tǒng)簡介 svc 控制系統(tǒng)由位于遠程通過網絡連接的遠程主機、上位機、監(jiān)控保護系統(tǒng)以及 位于現(xiàn)場的下位機 dsp 控制器、tcr 脈沖發(fā)生板、tsc 脈沖發(fā)生板等組成，如圖 21 所示。遠程主機是指通過互聯(lián)網絡與上位機進行相連接的工控機，通過網絡可以 監(jiān)控位于不同地域 svc 運行狀態(tài)、實時數(shù)據進行查看、修改、記錄存盤。 上位機指的是一臺遠離現(xiàn)場的工控機，它通過串口與下位機進行通信，并且通過 局域網與現(xiàn)場的監(jiān)測系統(tǒng)進行相連，其主要作用就是根據用戶或設備調試人員的要求， 修改控制算法、計算控制參數(shù)、定制控制方式，并將這些信息傳遞給下位機：同時， 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 4 頁 上位機也可以通過和監(jiān)測系統(tǒng)通信，對現(xiàn)場設備的運行情況進行實時監(jiān)測，從而在遠 程對現(xiàn)場的 svc 裝置進行控制。 監(jiān)控保護系統(tǒng)主要功能是通過與上位機進行實時通訊，并根據預先設定的保護閥 值進行判斷系統(tǒng)是否正常運行，如果有超過保護閥值的還有根據其保護的等級判斷其 是報警、裝置與系統(tǒng)脫離等?？傊?，監(jiān)控保護系統(tǒng)就是時刻監(jiān)控并保護整個 svc 裝置 在正常的運行范圍之內。 下位機指的是位于現(xiàn)場的 svc 控制器，它是整個 svc 控制系統(tǒng)的重中之重。 svc 控制器由三個部分構成：dsp 主控制板、tcr 脈沖發(fā)生板和 tsc 過零觸發(fā)板。 其中 dsp 主控制板根據上位機的參考設定及系統(tǒng)運行狀態(tài)確定 svc 應當輸出的 tcr 相位信號和 tsc 的投切指令；tcr 脈沖發(fā)生板根據 dsp 主控制板輸出的移相角信號 和同步電壓信號發(fā)出高頻的電脈沖信號；tsc 過零觸發(fā)板則根據 dsp 主控制板輸出的 投切指令產生投切電容器的高頻電脈沖信號。 圖 1.1 svc 裝置的控制系統(tǒng)組成 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 5 頁 1.2.31.2.3 無功補償?shù)念愋蜔o功補償?shù)念愋?1同步調相機 調相機是電網中最早使用的無功補償裝置。調相機的基本原理與同步發(fā)電機沒有區(qū) 別，它不發(fā)有功功率只輸出無功電流，因此不需要原動機拖動，沒有啟動電機的調相 機也沒有軸伸，實質就是相當于一臺在電網中空轉的同步發(fā)電機。 調相機的工作是通過改變激磁電流的大小來實現(xiàn)無功功率的調節(jié)。當增加激磁電流 時，其輸出的容性無功電流增大。當減小激磁電流時，其輸出的容性無功電流減小。 當激磁電流減小到一定程度時，輸出無功電流為零，只有很小的有功電流用于彌補調 相機的損耗。當激磁電流進一步減小時，輸出感性無功電流。在系統(tǒng)電壓偏低時，過 勵磁運行供給無功功率而將系統(tǒng)電壓調高；在系統(tǒng)電壓偏高時，欠勵磁運行吸收系統(tǒng) 多余的無功功率而將電壓調低。 調相機容量大、有較大的過負荷能力、對諧波不敏感、可以雙向、連續(xù)調節(jié)：能獨 立地用調節(jié)勵磁來調節(jié)無功的大??；并且具有當電網電壓下降時輸出無功電流自動增 加的特點。但其價格高，效率低，運行成本高；起動、運行、維修復雜；動態(tài)調節(jié)響 應慢：不適應太大或太小的補償；發(fā)生失磁故障時將加重系統(tǒng)的電壓波動。 2并聯(lián)電容器補償 并聯(lián)電容器補償是目前應用最廣的一種無功補償方式，其電壓等級和補償容量可以 通過電容器的串聯(lián)、并聯(lián)來實現(xiàn)，理論上可以達到任何的電壓等級和補償容量。由于 沒有旋轉部件，因此運行時基本上沒有噪聲。并且目前隨著無功補償電容器技術的發(fā) 展，高壓電容器的損耗率已降至0.05以下，又有調相機的有功損耗滿載時所占額定功 率的1.85.5，50額定負載時占2.99，25額定負載時高達515，而且自愈 式電容器其自身都有自愈能力使得其可靠性大大提高。1999年底全國電網調相機與并 聯(lián)電容器容量之比已達l：25.6左右。 由于電容器阻抗與頻率成反比，因此對于系統(tǒng)中的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，易于系統(tǒng) 阻抗形成串并聯(lián)諧振，對系統(tǒng)中的諧波進行放大。同時由于大量諧波的流入易引起電 容器的過負荷運行，使電容器發(fā)熱超過設計值，減少電容器的使用壽命。 并聯(lián)電容器補償具有功率損耗小、投資少、可自動投切、維護簡易、容量可任意選 擇等特點，但不能連續(xù)調節(jié)、負荷調節(jié)特性差，這是由于當無功負荷增大，電容器的 補償容量與電壓的平方成正比()，因電壓下降而無功輸出減小，故調壓效 2 c qcu 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 6 頁 果下降：對系統(tǒng)中的高次諧波有放大作用，在諧波電流過大時，可能引起內部過熱， 嚴重時甚至引起爆炸。 3并聯(lián)電抗器 并聯(lián)電抗器調壓主要用在超高壓(330kv及以上)系統(tǒng)的線路上，其主要功能是：吸 收容性電流，補償容性無功，使系統(tǒng)達到無功平衡；削弱電容效應，限制系統(tǒng)的工頻 電壓升高及操作過電壓。其不足之處是容量固定的并聯(lián)電抗器，當線路傳輸功率接近 自然功率時，會使線路電壓過分降低，且造成附加有功損耗，但若將其切除，則線路 在某些情況下又可能因失去補償而產生不能允許的過電壓。 4靜止無功補償器 靜止無功補償器(svc)是用戶電力技術(customer power，cuspow)的一種，是20世 紀70年代初期發(fā)展起來的新技術?！办o止”是針對旋轉的同步調相機而言的，國內多稱 其為動態(tài)無功補償器，這是針對固定電容器組(fixed capacitor，fc)而言。svc是通過 控制晶閘管的導通角來快速調節(jié)并聯(lián)電抗器的大小或投切電容器組。它對調節(jié)負荷功 率因數(shù)、穩(wěn)定和平衡系統(tǒng)電壓、消除流向系統(tǒng)的高次諧波電流、平衡三相負荷等有顯 著的作用14j。將它裝設于高壓輸電系統(tǒng)可用以控制長距離輸電線路甩負荷、空載效應 等引起的動態(tài)過電壓，改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)的無功功率及電壓振蕩。它 具有價格適中，性能可靠等特點。svc最基本的兩種類型結構為晶閘管相控電抗器型 (thyristor phase controlled reactor，tcr)和晶閘管投切電容器型(thyristor switched capacitor，tsc)。tcr和tsc可以相互之間組成tcr+tsc，或者與fc組成tcr+fc和 tcr+tsc+fc等混合型結構，對于負載補償絕大多數(shù)采用tcr+fc型。以下就各類型結 構及其特點進行說明。 5tcr型 tcr是由一對相反極性并聯(lián)的晶閘管(串)和控制的電抗器串聯(lián)組成。其電路原理圖 及電流波形如圖1.2所示。thl與th2為兩個反并聯(lián)的晶閘管。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 7 頁 圖 1.2 tcr 的電路圖和電流波形 在電壓的每個正的或負的半周期中，從電壓峰值到電壓過零點的問隔內，觸發(fā)晶閘 管(串)，承受正向電壓的晶閘管(串)導通，電抗器進入投入狀態(tài)。一般用控制角口來表 示晶閘管(串)的觸發(fā)瞬間，它是從電壓過零點到觸發(fā)時刻的角度，它的大小決定了流過 電抗器電流f的大小，相當于改變電抗器的電抗值。如果晶閘管(串)在電源電壓峰值時 準確地導通，即其脈沖觸發(fā)相角為90時，為完全導通，此時回路電流i與晶閘管短路 時相等，電流基本上是無功的。滯后于電壓約90，其中包含少量的同相分量，這是由 電抗器和晶閘管(串)的有功損耗引起的。當為90180時晶閘管為部分導通，此時i 要小于90時的值以公式表達為： 00 ( )(coscos) 2/2 03 / 2 l t i ttuxt t 式中，utcr的交流端電壓有效值； 電抗器的基頻電抗，； l x l xl 晶閘管導通角； 將式(11)用傅立葉級數(shù)展開，可得f的基頻分量為: 1 2()sin2 l iu x 因此，改變的大小就控制了回路基頻電流的大小，即控制了回路的基頻感性無功 輸出的大小。對基波而言，晶閘管控制的電抗器可以看成一個可控電納，其等效的電 納值和控制角口的關系如下: 2()sin2 ( ) l l b x 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 8 頁 圖 1.3 與之間的關系曲線 l b 與，之間的關系曲線如圖1.3所示?；谶@種關系的控制就叫做相控。 l b tcr通常有六脈沖電抗器及十二脈沖電抗器兩種類型。 6tsc 晶閘管投切電容器由一對相反極性并聯(lián)的晶閘管(串)與電容器以及一電抗器串聯(lián)而 成。其電路原理圖及工作特性如圖1.4所示，根據負載感性無功功率的變化，切除或投 入電容器組。 圖1.4 tsc電路原理及工作特性曲線 用反極性并聯(lián)的晶閘管(串)作為投切電容器組的開關，它比斷路器開關響應更迅速， 可靠性更高。電抗的作用是防止電容器突然投入時電流變化率di/dt在晶閘管可以接受 的程度以內。用晶閘管(串)投切電容器組時，通常選取晶閘管閥兩端電壓過零點作為觸 發(fā)晶閘管的時刻，大大降低合閘涌流和合閘過電壓。在晶閘管兩端電壓為零時刻給予 晶閘管觸發(fā)脈沖，使其導通，電容器被投入；停止發(fā)出脈沖，晶閘管在電流過零時自 然關斷，電容器被切除。tsc的優(yōu)點是tsc中的電容器只有投入(晶閘管導通)和切除(晶 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 9 頁 閘管不導通)兩個狀態(tài)，所以不產生諧波，但無功功率的補償容量是跳躍的，大小等于 單個電容器組的容量，且響應速度較差。在負荷產生諧波電流大的場合，如冶金企業(yè)、 電氣化鐵道等，tsc的運行將是不可靠的，因為諧波的注入使得并聯(lián)電容器出現(xiàn)過流、 過壓及過熱情況而導致電容器擊穿、“鼓肚”甚至爆炸事件。 7tcr+tsc混合型 tcr+tsc混合型svc裝置一般使用擰組電容器及一組晶閘管相控電抗器，其基本 運行原理是：當系統(tǒng)電壓低于設定的運行電壓時，則需根據需要補償?shù)娜菪詿o功量， 投入適當組數(shù)的電容器組，并略有一點正偏差(即過補償)，此時再用晶閘管相控電抗器 的感性無功功率來抵消這部分過補償?shù)娜菪詿o功功率；而當系統(tǒng)電壓高于設定的運行 電壓時，則切除所有的電容器組，tcr+tsc混合型svc裝置此時只有tcr運行。其原 理及電壓電流特性曲線示于圖l.5所示。 這種型式的svc裝置，tcr的運行特性會“插入”電容器特性之間。如果tcr的特性 有一個小的j下斜率，則合成的特性將如圖中的實線所示。從圖中可知，tcr的電流額 定值應當稍大于一組電容器在額定電壓下的值，否則就會得到圖中陰影所示的死區(qū)。 圖l.5 (tcr+tsc)原理圖和可能的工作特性曲線 8tct tct是一種特殊tcr，如圖1.6所示，由晶閘管控制高漏抗變壓器的二次側電流。 高漏抗變壓器的漏抗可達70以上，晶閘管接在變壓器二次側，并聯(lián)均流時可承受大 的電流，而變壓器一次側可接至高電壓的母線上。由于tct的漏磁很大，因此必須加 強變壓器箱體對漏磁的屏蔽。而當tct用于電弧爐等三相不平衡負荷的無功補償、并 將tct作成三相變壓器型式時，其鐵芯必須有兩邊芯柱作為零序磁通的閉合鐵心磁路。 但由于高漏抗變壓器造價較高，在工程上一般大于30mvar的svc多不采用tct而采用 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 10 頁 tcr。 圖l.6 tct原理圖 9靜止無功發(fā)生器 靜止無功發(fā)生器(static var generator，svg)也被稱為靜止同步補償器(statcom)， 是在20世紀80年代以來出現(xiàn)的更為先進的靜止無功補償裝置。圖1.7所示，為svg的基 本構成，它由直流電容、電壓型變流器和與系統(tǒng)連接的變壓器構成。裝置中6個可關斷 晶閘管(gto/igbt)分別與6個二極管反向并聯(lián)，適當控制gtolgbt的通斷，可以把 電容器c上的直流電壓轉變成為與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，裝置的交流側通 過電抗器或變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)。適當控制逆變器的輸出電壓就可以靈活地改變svg 的運行工況，使其處于容性負荷、感性負荷或零負荷狀態(tài)。與svc相比，svg的響應 速度更快，運行范圍更寬，諧波電流含量更小，尤其重要的是，電壓較低時svg仍可 向系統(tǒng)注入較大的無功電流。在穩(wěn)態(tài)情況下，svg的直流側和交流側之間沒有有功功 率交換，無功功率在三相之間流動，因此它的直流儲能元件(電容器)只需要較小容量的 電容即可。 圖l.7 svg系統(tǒng)原理圖和電壓電流特性曲線 與svc相比，svg的調節(jié)速度更快且不需要大容量的電容、電感等儲能元件，諧波 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 11 頁 含量小，同容量占地面積小，在系統(tǒng)欠壓條件下無功調節(jié)能力強。此外，svg裝置用 銅和鐵較少，且有優(yōu)良的補償特性，因此是新一代無功補償裝置的代表，有很大的發(fā) 展前途。 1.3 課題來源及主要研究內容課題來源及主要研究內容 1.3.11.3.1 課題來源課題來源 本課題是針對國內現(xiàn)有的電容器自動投切裝置存在下列問題而提出的： （1）采用接觸器或斷路器作投切開關，無法實現(xiàn)零電壓（電網電壓與電容器電壓之 差）投切，這樣會產生很大的涌流沖擊，容易損壞電力電容器和投切開關等設備。 （2）采用機械開關投切無法實現(xiàn)分相投切，這樣在三相負荷不平衡時達不到補償效 果，并可能出現(xiàn)某些相過補償。 （3）投切判據單一，通常根據以下五種方法之一來對電容器進行投切：電網電壓高 低、無功功率方向、功率因數(shù)大小、負荷電流大小、晝夜時間劃分。很明顯，這種投 切方式無法做到最優(yōu)化補償，有時還會出現(xiàn)過補償。以功率因數(shù)作為投切判據的無功 補償裝置，在小負荷情況下會出現(xiàn)投切振蕩。 1.3.21.3.2 主要研究內容主要研究內容 1.功率因數(shù)的檢測技術。 2.無功補償?shù)目刂品桨浮?3.專用芯片 dsp(att7022b)的技術性能、與單片機的接口及讀寫技術。 4.單片機自動補償控制方案。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 12 頁 2 功率因數(shù)功率因數(shù) 2.1 功率因數(shù)的定義功率因數(shù)的定義 在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦叫做功率因數(shù)，用符號 cos 表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即功率因數(shù)的大小與電路 的負荷性質有關， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數(shù)為 1，一般具有電感或 電容性負載的電路功率因數(shù)都小于 1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個重要的技術數(shù)據。功 率因數(shù)是衡量電氣設備效率高低的一個系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉 換的無功功率大， 從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。所以，供電部門 對用電單位的功率因數(shù)有一定的標準要求。 (1) 最基本分析：拿設備作舉例。例如：設備功率為 100 個單位，也就是說，有 100 個單位的功率輸送到設備中。然而，因大部分電器系統(tǒng)存在固有的無功損耗，只能 使用 70 個單位的功率。很不幸，雖然僅僅使用 70 個單位，卻要付 100 個單位的費用。 在這個例子中，功率因數(shù)是 0.7 (如果大部分設備的功率因數(shù)小于 0.9 時，將被罰款)， 這種無功損耗主要存在于電機設備中(如鼓風機、抽水機、壓縮機等)，又叫感性負載。 功率因數(shù)是電能的計量標準。 (2) 基本分析：每種電機系統(tǒng)均消耗兩大功率，分別是真正的有功功率(叫千瓦)及 電抗性的無功功率。功率因數(shù)是有功功率與視在功率間的比率。功率因數(shù)越高，有功 功率與視在功率間的比率便越高，系統(tǒng)運行則更有效率。 (3) 高級分析：在感性負載電路中，電流波形峰值在電壓波形峰值之后發(fā)生。兩種 波形峰值的分隔可用功率因數(shù)表示。功率因數(shù)越低，兩個波形峰值則分隔越大。無功 功率補償能使兩個峰值逐漸接近在一起，從而提高系統(tǒng)運行效率。 2.2 功率因數(shù)的意義功率因數(shù)的意義 2.2.12.2.1 功率因數(shù)對電氣設備的影響功率因數(shù)對電氣設備的影響 功率因數(shù)是交流電路的重要技術數(shù)據之一。功率因數(shù)的高低，對于電氣設備的利 用率和分析、研究電能消耗等問題都有十分重要的意義。 在二端網絡中消耗的功率是指平均功率，也稱為有功功率，它等于 由此可以看出，電路中消耗的功率 p，不僅取決于電壓 v 與電流 i 的大小，還與功率 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 13 頁 因數(shù)有關。而功率因數(shù)的大小，取決于電路中負載的性質。對于電阻性負載，其電壓 與電流的位相差為 0，因此，電路的功率因數(shù)最大（） ；而純電感電路，電壓 與電流的位相差為 2，并且是電壓超前電流；在純電容電路中，電壓與電流的位相 差則為（2） ，即電流超前電壓。在后兩種電路中，功率因數(shù)都為 0。對于一般性 負載的電路，功率因數(shù)就介于 0 與 1 之間。 一般來說，在二端網絡中，提高用電器的功率因數(shù)有兩方面的意義，一是可以減小 輸電線路上的功率損失；二是可以充分發(fā)揮電力設備（如發(fā)電機、變壓器等）的潛力。 因為用電器總是在一定電壓 u 和一定有功功率 p 的條件下工作，由公式 可知，功率因數(shù)過低，就要用較大的電流來保障用電器正常工作，與此同時輸電線路 上輸電電流增大，從而導致線路上焦耳熱損耗增大。另外，在輸電線路的電阻上及電 源的內組上的電壓降，都與用電器中的電流成正比，增大電流必然增大在輸電線路和 電源內部的電壓損失。因此，提高用電器的功率因數(shù)，可以減小輸電電流，進而減小 了輸電線路上的功率損失。 2.2.22.2.2 功率因數(shù)對電力系統(tǒng)的影響功率因數(shù)對電力系統(tǒng)的影響 功率因數(shù)過低，對電力系統(tǒng)的影響很大，而尤其對電網企業(yè)影響最大： (1)當用戶功率因數(shù)偏低時，需要從網上吸收無功功率，這樣發(fā)電機組就要多發(fā)無 功，而發(fā)無功也是需要能量的，它少發(fā)了有功，相當于降低了發(fā)電機的出力； (2)無功負荷在網上傳送，白白占用了輸、變、配電設備的資源，使上述設備利用 率降低，而設備運行效率是以有功計算的，因而它使設備達不到額定功率，功率降低； 為達到規(guī)定的功率，就要增大設備容量，提高了設備投資額； (3)無功影響電壓，無功的傳輸和大量消耗，使系統(tǒng)電壓不能滿足要求，線路未端 會電壓很低，造成設備不能起車或達不到額定功率； (4)無功的缺乏，會使線路及電氣設備中的電流增大，使損耗增大，即線損增加， 增大電費支出。 用電者是 1 千瓦的負載，那么不管功率因數(shù)是 0.5，還是 0.9，他工作 1 小時實際 上電表顯示都是 1 度電，而國家規(guī)定是按有功電量收費電費。 正是因為上面 4 點原因，用戶功率因數(shù)是 0.5 或是 0.9，在線路上的損耗卻是不一 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 14 頁 樣的，如果各個用戶功率因數(shù)都低，合在一起就不的了了，因而要求用戶無功功率“就 地補償”自己補償自己的。 2.2.32.2.3 補償?shù)慕Y果補償?shù)慕Y果 根據檢測自然平均功率因數(shù)在 0.700.85 之間。企業(yè)消耗電網的無功功率約占消 耗有功功率的 60%90%,如果把功率因數(shù)提高到 0.95 左右，則無功消耗只占有功消耗 的 30%左右。由于減少了電網無功功率的輸入，會給用電企業(yè)帶來效益。 1、節(jié)省企業(yè)電費開支。提高功率因數(shù)對企業(yè)的直接經濟效益是明顯的，因為國家 電價制度中，從合理利用有限電能出發(fā)，對不同企業(yè)的功率因數(shù)規(guī)定了要求達到的不 同數(shù)值，低于規(guī)定的數(shù)值，需要多收電費，高于規(guī)定數(shù)值，可相應地減少電費?？梢?， 提高功率因數(shù)對企業(yè)有著重要的經濟意義。 2、提高設備的利用率。對于原有供電設備來講，在同樣有功功率下，因功率因數(shù) 的提高，負荷電流減少，因此向負荷傳送功率所經過的變壓器、開關和導線等供配電 設備都增加了功率儲備，從而滿足了負荷增長的需要；如果原網絡已趨于過載，由于 功率因數(shù)的提高，輸送無功電流的減少，使系統(tǒng)不致于過載運行，從而發(fā)揮原有設備 的潛力；對尚處于設計階段的新建企業(yè)來說則能降低設備容量，減少投資費用，在一 定條件下，改善后的功率因數(shù)可以使所選變壓器容量降低。因此，使用無功補償不但 減少初次投資費用，而且減少了運行后的基本電費。 3、降低系統(tǒng)的能耗。補償前后線路傳送的有功功率不變，p= iucos，由于 cos 提高，補償后的電壓 u2 稍大于補償前電壓 u1,為分析問題方便，可認為 u2u1 從而 導出。即,這樣線損 p 減少的百分數(shù)為： 1122 coscosii 12 21 cos cos i i 當功率因數(shù)從 0.700.85 提高到 0.95 時，由 221 122 cos2 %(1) 100%(1) 100% cos2 i p i (2)式可求得有功損耗將降低 20%45%。 4、改善電壓質量。以線路末端只有一個集中負荷為例，假設線路電阻和電抗為 r、x,有功和無功為 p、q,則電壓損失 u 為：u=（pr qx）/ue10-3(kv) 兩部分損 失：pr/ ue輸送有功負荷 p 產生的；qx/ue輸送無功負荷 q 產生的；配電線路： x=（24）r，u 大部分為輸送無功負荷 q 產生的變壓器：x=（510）r qx/ue=(510) pr/ ue 變壓器u 幾乎全為輸送無功負荷 q 產生的?？梢钥闯觯魷p少 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 15 頁 無功功率 q,則有利于線路末端電壓的穩(wěn)定，有利于大電動機的起動。因此，無功補償 能改善電壓質量（一般電壓穩(wěn)定不宜超過 3%） 。但是如果只追求改善電壓質量來裝設 電容器是很不經濟的，對于無功補償應用的主要目的是改善功率因數(shù)，減少線損，調 壓只是一個輔助作用。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 16 頁 3 系統(tǒng)的芯片介紹系統(tǒng)的芯片介紹 3.1 dsp(att7022b)芯片介紹芯片介紹 目前的常用的功率因數(shù)的檢測方法：任意兩相的電壓與另一相的電流之間的相位差 。存在的問題：因為存在高次諧波的作用，過零檢測時存在多個零點，使檢測的結果 不準確，甚至導致錯誤的判斷。有的資料指出進行濾波處理，但這樣會使電壓產生相 移，導致結果不準確。三相電能專用芯片 att7022b 采用的是 dsp 基波分離技術，能 夠精確測量三相的有功、無功、視在功率、功率因數(shù)等參數(shù)，無須計算，能夠滿足系 統(tǒng)的需要，利用已有的成果可以避免重復勞動。 3.1.13.1.1 芯片特性芯片特性 高精度,在輸入動態(tài)工作范圍(1000:1)內,非線型測量誤差小于 0.1%；有功測量滿足 0.2s、0.5s，支持 iec 62053-22，gb/t17883-1998；無功測量滿足 2 級、3 級，支持 iec 620533-23，gb/t17882-1999；提供基波、諧波電能以及總電能測量功能；提供視 在電能測量功能；提供正向和反向有功/無功電能數(shù)據；提供有功、無功、視在功率參 數(shù)；提供功率因數(shù)、相角、線頻率參數(shù)；提供電壓和電流有效值參數(shù)；有效精度優(yōu)于 0.5%；提供電壓、電流相序檢測功能；提供三相電壓、電流矢量和之有效值輸出；提 供電壓相序檢測功能；提供電流相序檢測功能； 提供三相電流矢量和之有效值輸出； 提供三相電壓矢量和之有效值輸出；提供電壓夾角測量功能；提供失壓判斷功能；具 有反向功率指示；提供有功、無功、視在校表脈沖輸出；提供基波有功、基波無功校 表脈沖輸出；合相能量絕對值相加與代數(shù)相加可選；內置溫度測量傳感器；可準確測 量到含 21 次諧波的有功無功和視在功率；支持增益和相位補償；小電流非線性補償； 具有 spi 接口 方便與外部 mcu 通訊；適用于三相三線和三相四線模式；單+5v 供 電。 3.1.23.1.2 功能簡介功能簡介 (1) 是一顆高精度三相電能專用計量芯片 適用于三相三線和三相四線應用；（2） att7022b 集成了六路二階 sigma-delta adc 參考電壓電路以及所有功率、能量、有 效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電。 （3）att7022b 能夠測量各相以 及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各 相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復費率多功能電 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 17 頁 能表的需求。 （4）att7022b 支持全數(shù)字域的增益、相位校正、即純軟件校表。有功、 無功電能脈沖輸出 cf1、cf2 提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標準表， 進行誤差校正。 （5）att7022b 可以對基波有功、無功功率進行測量，提供脈沖輸出 cf3 和 cf4 提供瞬時基波有功功率以及基波無功功率信息，可直接用于基波的校。 （6）att7022b 提供兩類視在能量輸出，rms 視在能量以及 pqs 視在能量，cf3 和 cf4 也可被配置為視在能量脈沖輸。att7022b 提供一個 spi 接口，方便與外部 mcu 之間進行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。所有計量參數(shù)都可以通過 spi 接口讀出。 （7）att7022b 內部的電壓監(jiān)測電路可以保證加電和斷電時正常工作。. 3.1.33.1.3 電源監(jiān)控電路電源監(jiān)控電路 att7022b 片內包含一個電源監(jiān)控電路，連續(xù)對模擬電源 avcc 進行監(jiān)控。電源電 壓低于 4v 時，芯片將被復位。這有利于電路上電和掉電時芯片的正確啟動和正常工作。 電源監(jiān)控電路被安排在延時和濾波環(huán)節(jié)中，這在最大程度上防止了由電源噪聲引發(fā)的 錯誤。如圖 3.1 所示，為保證芯片正常工作應對電源去耦，使 avcc 的波動不超過 5v。 圖 3.1 電源監(jiān)控原理圖 3.1.43.1.4 系統(tǒng)復位系統(tǒng)復位 att7022b 提供兩種復位方式，硬件復位和軟件復位。 硬件復位通過外部引腳 reset 完成，reset 引腳內部有 47k 電阻上拉，所以 正常工作時為高電平，當 reset 出現(xiàn)大于 20us 的低電平時，att7022b 進入復位狀 態(tài)，當 reset 變?yōu)楦唠娖綍r，att7022b 將從復位狀態(tài)，進入正常工作狀態(tài)。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 18 頁 軟件復位通過 spi 口完成，當往 spi 口寫入 0xd3 命令后，系統(tǒng)進行一次復位， 復位之后 att7022b 從初始狀態(tài)開始運。 att7022b 在復位狀態(tài)下 sig 為高電平，當 att7022b 從復位到工作狀態(tài)之后， 大約經過 500us 左右 sig 將從高電平變?yōu)榈碗娖?，此時芯片開始進入正常工作狀態(tài)， 方可寫入校表數(shù)據，一旦寫入校表數(shù)據之后 sig 又會立刻變?yōu)楦唠娖健?如 3.2 圖所示，為 att7022b 的復位時序圖。 圖 3.2 att7022b 的復位時序圖 3.1.53.1.5 與單片機的接口技術與單片機的接口技術 att7022b 內部集成了一個 spi 串行通訊接口。att7022b 的 spi 接口采用從屬方 式工作，使用 2 條控制線和 2 條數(shù)據線：cs、sclk、din 和 dout，如圖 3.3。 圖 3.3 att7022b 與單片機的接線圖 cs：片選（輸入腳） ，允許訪問串口的控制線。cs 由高電平變?yōu)榈碗娖綍r表示 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 19 頁 spi 操作開始，cs 由低電平變?yōu)楦唠娖綍r表示 spi 操作結束。所以每次操作 spi 時 cs 必須出現(xiàn)下降沿，cs 出現(xiàn)上升沿時表示 spi 操作結。 din：串行數(shù)據輸入(輸入腳)，用于把用戶的數(shù)據(如數(shù)據/命令/地址等)傳輸?shù)?att7022b。 dout：串行數(shù)據輸出(輸出腳)，用于從 att7022b 寄存器讀出數(shù)據。 sclk：串行時鐘(輸入腳)，控制數(shù)據移出或移入串行口的傳輸率。上升沿放數(shù)據， 下降沿取數(shù)據。sclk 下降沿時將 din 上的數(shù)據采樣到 att7022b 中，sclk 上升沿 時將 att7022b 的數(shù)據放置于 dout 上輸。 考慮 spi 傳輸信號線有可能受到干擾或者出現(xiàn)抖動，所以在 spi 信號線上串聯(lián)一 個小電阻。這個電阻與 ic 輸入端的寄生電容 c 結合起來可構成一個低通濾波器，可以 消除 spi 接口信號上的任何振蕩，一般使用 10-100 的電阻。如果數(shù)字輸入端的內部電 容不夠大，還可在這個輸入端加一個外接電容，可選 10pf 左右的電容。 芯片與單片機一般有 6 條線一條 reset 復位控制線，一條握手信號 sig。上圖中 的四條使 spi 接口線，spi 通訊格式使相同的，當通訊開始時 sclk 為低電平，cs 由 高到低，經過 32 個時鐘脈沖 sclk 表示送出 8 位地址，24 位數(shù)據，msb 在前，lsb 在后，cs由低變高，完成一個寄存器的讀或寫操作。芯片在時鐘的下降沿從 din 線 上取單片機送出的數(shù)據，在上升沿從 dout 線上向單片機送出數(shù)據。 spi 讀操作的時序圖如 3.4 所示。 圖 3.4 att7022b 讀操作的時序圖 在 sclk 低于 200khz 時，可以不需要等待，即等待時間為 0s；當 sclk 頻率 高于 200khz 時。則需要等待大約 3us。 spi 寫操作的時序圖如 3.5 所示。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 20 頁 圖 3.5 att7022b 寫操作的時序圖 3.2 單片機介紹單片機介紹 單片機在集成度、功能、性能、體系結構方面都有了飛速發(fā)展，已能集成一個完 整的功能強大、性能優(yōu)良的計算機應用系統(tǒng)。但目前國內許多單片機應用單位仍停留 在采用片內無 rom 等低檔單片機的狀態(tài)，無論在系統(tǒng)設計上、使用維護上、經濟效益 上這都是不合算的。這種狀況必須改變。本文就單片機的發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述，希望能 對提高國內單片機技術的應用水平有所促進。 3.2.13.2.1 單片機的硬件單片機的硬件 單片微型計算機，簡稱單片機，是微型計算機的一個分支。它是在一塊芯片上集 成（嵌入）了 cpu、ram 和 rom 存儲器、io 接口等而構成的微型計算機。因主 要用于工業(yè)測控領域，故又稱為微控制器或嵌入式控制器。單片機的核心是中央處理 器 cpu。用超大規(guī)模集成技術把 cpu 集成在一塊芯片上，稱為微處理器。微處理器、 微控制器和微型計算機三者的關系十分密切。目前，單片機在