低壓無功補償系統(tǒng)硬件設計

1、天津理工大學中環(huán)信息學院2016屆本科畢業(yè)設計說明書摘要本文主要介紹低壓無功補償裝置的基本原理、控制方案以及硬件方面的選型和設計。該補償系統(tǒng)采用TI公司的定點TMS320LF2812系列DSP和MCU的雙控制器進行控制，TMS320LF2812為補償裝置的總控制器，具有自動采樣計算、無功自動調節(jié)、故障保護、數(shù)據(jù)存儲等功能。同時具備指令運算速度快（約100MIP）、運算量大的優(yōu)點，同時MCU與外部設備進行通訊，互不干擾，更好的滿足了實時性和精確性的要求。采用晶閘管控制投切電容器、數(shù)字液晶實時顯示系統(tǒng)補償情況，可以實現(xiàn)快速、無弧、無沖擊的電容器投切。為了更詳細的介紹該系統(tǒng)，在論文第四章設計了比較完

2、整的各功能模塊的硬件電路圖，其中包括電源模塊、信號變換及調理模塊、AD采樣模塊、鎖相同步采樣模塊、通訊模塊等。關鍵字：低壓無功補償；晶閘管投切電容器；DSPAbstractThis paper mainly introduces the basic principle of low-voltage reactive power compensation device, control scheme and hardware selection and design.The compensation system by TI company's fixed-point tms320lf2

3、812 series DSP and MCU dual controller control, tms320lf2812 compensation device controller with automatic sample calculation, automatic reactive power regulation, fault protection, data storage and other functions. At the same time with the instruction operation speed (about 100MIP), the advantages

4、 of large amount of computation. At the same time, MCU and peripheral equipment communication and do not interfere with each other, better meet the requirements of real-time and accurate. The use of thyristor controlled switched capacitor, digital LCD display real-time compensation system situation

5、can achieve fast, no arc , without the impact of the capacitor switching. In order to more detailed introduction to the system. In the fourth chapter of the thesis design the hardware circuit diagram of each function module of relatively complete, including power module, signal transformation and co

6、nditioning module, AD sampling module, phase locking synchronous sampling module, communication module block and so on.Key Words:Low voltage reactive power compensation;Thyristor switched capacitor; DSP目錄目錄2第一張緒論11.1 選題的背景與意義11.2 低壓無功補償裝置的發(fā)展狀況11.2.1國外情況21.2.2國內情況31.3 本課題研究的主要內容3第二章TSC無功補償?shù)幕驹?2.1 無

7、功補償?shù)幕驹?2.2 低壓電網無功補償?shù)姆绞?2.3 晶閘管投切電容器的原理72.3.1晶閘管投切電容器的基本原理82.3.2補償回路的構成及原理92.3.3晶閘管觸發(fā)原則102.3.4電容器的分組方式12第三章無功補償控制系統(tǒng)的總體設計143.1 系統(tǒng)的基本原理143.2 主電路連接方式143.3 無功補償算法的選擇153.3.1積分法153.3.2移相法163.3.3公式法173.4 電容器補償容量計算17第四章系統(tǒng)的硬件設計204.1 系統(tǒng)硬件總框圖204.2 系統(tǒng)各功能模塊214.2.1電源模塊214.2.2電流、電壓信號調整電路224.2.3 AD采樣模塊234.2.4鎖相同步采

8、樣電路244.2.5 FPGA模塊254.2.6通信模塊264.2.7人機對話模塊274.2.8邏輯電平轉換電路274.2.9可控硅驅動模塊274.2.10 補償電容器過載電流調理模塊294.2.11其他輔助模塊304.3 系統(tǒng)硬件設計電路圖31參考文獻33第一張緒論1.1 選題的背景與意義近年來，世界各國由于電壓崩潰引起的大面積停電故障引起了各地的強烈反響。8.14的美加大停電持續(xù)了長達72小時，給美國造成了十分重大的經濟損失與社會反響，這次事故人們深深意識到電網運行要有足夠的無功容量，無功不能靠遠距離傳輸，在電力市場大的環(huán)境下，必須要制定統(tǒng)一的規(guī)定來激勵獨立發(fā)電商和運營商從整個系統(tǒng)運行安全

9、的情況下提供充足的無功備用。在我國也發(fā)生過多次電壓崩潰的故障，如1993年和1996年南方電網的幾次事故，這些事故都警示人們要采取各種措施來維持電網穩(wěn)定。早期常用并聯(lián)電容器和同步補償器作為無功補償裝置，經常應用于系統(tǒng)的高壓側進行補償。由于并聯(lián)電容器應用范圍廣泛，至今仍作為一種重要的補償方式。同步補償器的核心是同步電機，當勵磁電流發(fā)生改變時，電動機可隨之平滑的改變輸出無功電流的大小和方向，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起到舉足輕重的作用。但是同步補償器成本較高，安裝復雜，維護困難，使其在推廣和使用環(huán)節(jié)中受到制約。 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。同時電網中的無功問題也引

10、起人們的廣泛關注。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、交通及家庭中的應用日益廣泛，而大多數(shù)電力電子裝置的功率因數(shù)很低，它們所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所輸送電量中占有很大的比例，無功功率增加會導致電流的增大，設備及線路的損耗增加，導致大量有功電能損耗，同時使功率因數(shù)偏低、系統(tǒng)電壓下降。低壓動態(tài)無功補償技術的設計是一個系統(tǒng)工程，它涉及控制信號的選取和采樣、控制規(guī)律的研究、控制器的軟件設計和硬件實現(xiàn)等許多方面，建立在對低壓動態(tài)無功補償裝置和系統(tǒng)深入了解的基礎上。課題以動態(tài)無功補償裝置為研究對象，對無功檢測原理和控制方法進行研究，確定其控制策略，設計主電路和控制系統(tǒng)電路，完成動態(tài)無

11、功補償?shù)挠布到y(tǒng)設計。1.2 低壓無功補償裝置的發(fā)展狀況為了改善電力系統(tǒng)中無功功率有害性問題，人們在很早就掌握了各種無功補償技術并應用在電力系統(tǒng)當中，通常采用同步發(fā)電機、同步調相機、并聯(lián)電容器和靜止無功補償裝置等很多方法來控制無功功率。由于它們在技術上及經濟上的優(yōu)點，這些裝置在我國及其他發(fā)展中國家仍然被廣泛的使用。無功功率主要是由系統(tǒng)中電容和電感產生，人們最初使用的補償方法以無源形式為主。該方法的核心是在系統(tǒng)的母線中以串聯(lián)或并聯(lián)的方式安裝一定容量的電容器或電抗器。 同步補償器屬于有源補償器，是并聯(lián)補償裝置的一種同步機，同步調相機的優(yōu)點是：當系統(tǒng)電壓降低時，可以改善電網功率因數(shù)，從而維持電網電壓

12、平衡。從功能上講，同步調相機相當于一個被拖動到某一轉速并與電力系統(tǒng)同步運行的同步機。當電機同步運行后，根據(jù)人們的需要控制其磁場，使之產生無功功率或者從系統(tǒng)中吸收無功功率。同步調相機還具有調相的功能，但是其動態(tài)響應速度較慢，發(fā)出一定量無功功率的有功損耗較大,系統(tǒng)維護復雜且不能適應各類非線性負載的快速變化。 由晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)以及二者的組合裝置(TCR+TSC)等形式組成的靜止無功補償器(SVC)，實際上可看成一個可調節(jié)的并聯(lián)電納，它的性能比并聯(lián)電容器要好很多。靜止無功補償器最重要的性質是它具有維持端電壓穩(wěn)定的功能，所以它要連續(xù)不斷地調節(jié)與電力系統(tǒng)變換功率，它

13、第二個性質是響應速度靈敏。傳統(tǒng)靜止無功補償器對電力系統(tǒng)狀況的調節(jié)和暫態(tài)性能的改善起到了重要的作用，而且其控制技術也較為成熟，因此在實際電力系統(tǒng)中得到了充分的應用。可是它們的共同點都是利用可控硅晶閘管進行換相控制，在無功變動時容易發(fā)生逆變現(xiàn)象，并且都需要大電感或大電容來產生感性無功和容性無功，因而人們更希望有新的補償方式改善以上缺陷。1.2.1國外情況靜止無功補償裝置也稱SVC靜止無功補償系統(tǒng)，是相對于調相機來說的一種利用電容器和電抗器進行無功補償?shù)难b置。第一批靜止無功補裝裝置于1967年在英國制成，成功后受到世界各國的強烈關注，蘇聯(lián)、美國、瑞士、瑞典、西德、比利時等國紛紛研制成功并且大力推廣使

14、用，使得靜止補償裝置比調相機具有更大的影響力，廣泛應用于電力、鐵道、科研、冶金、化工等部門。成為補償無功、電壓調整、提高功率因數(shù)、限制系統(tǒng)過電壓，有效改善運行條件的設備。國際上知名的電氣公司均發(fā)展了不同類型的靜止無功補償技術。根據(jù)無功的性質和方式靜補裝置又可分為六種不同的組合，固定容性、固定感性、可變容性、可變感性、固定容性+可變感性、可變容性+可變感性，通常我們所指的靜補無功補償裝置是指固定容性+可變感性、可變容性+可變感。對于可變感性又可分為直流勵磁飽和電抗器、相控閥調節(jié)電抗器和自飽和電抗器。自高壓可控硅元件問世以后逐漸取代了有觸點開關，為實現(xiàn)感性或容性無功的連續(xù)可控調節(jié)提供了簡單、可靠、

15、靈活的技術支持。目前國際上幾個主要的產品形式是FC+TCR(固定容性+可變感性)，八十年代初TSC+TCR技術逐漸發(fā)展起來，并首先被應用在電力系統(tǒng)的無功補償之中。在國外，系統(tǒng)的無功補償主要依靠靜止補償裝置和電容器，并積累了豐富的經驗，同時取得了理想的效果。1.2.2國內情況武漢鋼鐵公司在70年代初從比利時進口了直流勵磁飽和電抗器和日本的電容器組成了靜止補償裝置后，國內才對可變無功補償?shù)膯栴}加以關注。并聯(lián)電容器是國內補償無功用的最多的方法。在低壓(10kv以下)供電網絡中大量運用并聯(lián)電容器組來滿足調壓要求，關于可變無功補償?shù)膯栴}越來越受到有關部門的重視，20世紀70年代以來，隨著研究的不斷深入出

16、現(xiàn)了靜止無功補償技術。這項技術經過20多年的發(fā)展不斷加以創(chuàng)新和完善。靜止無功補償就是用不同的靜止開關投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無功電流的能力，具有維持電力系統(tǒng)的功率因數(shù)平衡、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、抑制系統(tǒng)振蕩等功能。目前這種靜止開關主要分為斷路器和電力電子開關。由于用斷路器作為接觸器，其開關速度較慢，約為1030s，不可能快速跟蹤負載無功功率的變化，而且投切電容器時常會引起較為嚴重的沖擊涌流和操縱過電壓，這樣不但容易造成接觸點松動，而且還會將補償電容器內部擊穿，維修量大。隨著電力電子技術的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應用，隨后又出現(xiàn)交流無觸點開關GTR、SCR、GTO等作為投切開關，開關速度大幅

17、提升（約為10s），對各種系統(tǒng)參數(shù)無功補償都可以在一個周期內完成，而且可以進行單相調節(jié)。目前所指的靜止無功補償裝置一般專指使用晶閘管的無功補償設備，主要有以下三大類型，一類是具有飽和電抗器的靜止無功補償裝置（SR)、第二類是晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC），這兩種裝置統(tǒng)稱為SVC，第三類是高級靜止無功發(fā)生器（ASVG)，采用自換相變流技術的靜止無功補償裝置。1.3 本課題研究的主要內容本文研究關于設計一種基于DSP做為主控制器的TCR型低壓無功補償裝置。如表1.1所示，比較來看TSC具有響應時間短、運行穩(wěn)定、分相調節(jié)、適用范圍廣、能平衡有功功率等優(yōu)點，而且TSC具有較好的

18、靈活性、占地面積較小、產生的噪聲和高次諧波較小，與無功發(fā)生器SVG比較具有控制簡單、開發(fā)時間短、成本低的優(yōu)點。表 1.1 各種無功功率補償裝置的性能對比Table 1.1 performance comparison of various reactive power compensation devicesTSCTCR型SVCMCR型SVCSVG吸收無功分級連續(xù)連續(xù)連續(xù)響應時間20ms20ms100ms10ms運行范圍容性感性到容性感性到容性感性到容性諧波受系統(tǒng)諧波影響大，自身不產生諧波受系統(tǒng)諧波影響大，自身產生大量諧波受系統(tǒng)諧波影響大，自身產生大量諧波受系統(tǒng)諧波影響小，可抑制系統(tǒng)諧波諧波受

19、系統(tǒng)阻影響大大大大損耗小大較大小分相調節(jié)能力有限可以不可以可以噪聲較小小較小小體積大大較大小3第二章TSC無功補償?shù)幕驹鞸VC是當前應用最廣的動態(tài)無功補償裝置。而且TSC又是SVC的一種形式，TSC又稱晶閘管投切電容器。本章介紹了無功補償?shù)幕驹硪约皩SC無功補償當中的關鍵技術進行分析。2.1 無功補償?shù)幕驹?1.功率因數(shù)：電網中負載的電壓和電流的相位存在一定差異，相位差的余弦值cos就是功率因數(shù)。功率因數(shù)在數(shù)值上等于有功功率和視在功率的比值，即: P/S=cos (2.1)在電力網的運行中，我們希望功率因數(shù)越大越好，若想要滿足功率因數(shù)變大，則電路中的視在功率將充分轉化為有功功率，

20、來減少無功功率的消耗。 2.有功功率、無功功率、視在功率：有功功率是指負載直接消耗的功率。對于有功功率有: P=U×I×cos (2.2)磁場的能量由電網供給，在這些電器的運行中，上半周期為吸收功率，下半周期為釋放功率，功率只在電器和電網中相互變換，并沒有真正作為熱量或者功率作用出去，簡而言之就是能量并沒有被消耗掉。這樣的功率稱為無功功率。無功功率可以分為感性無功功率和容性無功功率。感性無功功率表示電壓超前電流，那么相位角差值為正。容性無功功率則表示電壓滯后電流，相位角差值為負。在同一個端口之中感性無功功率和容性無功功率可以相互抵消。這是因為當前電網大部分負載均為感性，容性

21、負荷將抵消掉電網中的感性無功功率，所以看起來就是感性無功功率是從電網中獲得的，而容性無功功率是設備自己發(fā)出來的。無功功率有: Q=U×I×sin (2.3)視在功率有: S=U×I (2.4)所以有功功率、無功功率和視在功率可以滿足直角三角形勾股定理的關系，又稱功率三角形，如圖2.1所示： S Q P圖2.1 功率三角形的關系Fig.2.1 relation of power triangle由功率三角形可以清楚的得出：在有功功率一定的情況下，功率因數(shù)角越大，功率因數(shù)cos越小，所需的無功功率Q越大，那么視在功率S也就越大。2.2 低壓電網無功補償?shù)姆绞揭驗樵跓o功

22、補償裝置的設計中，電容器的補償容量不僅與未補償時的負載情況、電容器的接線方法，而且與采用的補償方法有關。根據(jù)補償裝置安裝位置的不同，可以將低壓網無功補償分為個別補償(隨機補償或就地補償)、集中補償、分組補償(分散補償)。三種補償方式如圖2.2所示: TM C1 C2 C3圖2.2 低壓無功補償方式Fig.2.8 low voltage reactive power compensation 1.個別補償：又稱為就地補償或隨機補償。它是根據(jù)個別用電設備對無功功率的需求量，將低壓電容器組分散的與用電設備供電回路相并聯(lián)，通常與用電設備共用一組開關，如圖2.2中C1所示。低壓電容器組隨電動機同時投入或

23、退出運行，使電動機消耗的無功功率部分得到就地補償，從而使裝設點以上輸配電線路輸送的無功功率減少，能明顯降低損耗。個別補償?shù)膬?yōu)點是：當大中型異步電動機工作時間長時，個別補償方式的降損節(jié)電效果明顯。但也有缺點：比如對一些運行時間少或利用率低的設備，補償電容器的利用率就不高，又因為是逐臺補償，會使補償容量增大，從而使補償裝置的總投入增大。 2.集中補償：是指將低壓無功功率補償裝置通過低壓開關接在用戶專用的變電所或配電室的低壓母線側，如圖2.2中C2所示。用以補償配電變壓器的無功功率損耗和變電所以上輸電線路的損耗，還可以就近供應380V配電線路的前段部分及所帶用電設備的無功功率損耗。適用于低壓供電半徑

24、短、負荷集中的地方或不適宜就地補償?shù)挠秒娫O備，利用補償電容器的分組投切，還能進行調壓，改善電壓質量。低壓集中補償?shù)膬?yōu)點是：接線簡單，便于維護和控制，具有較高的經濟性，是目前無功功率補償中常用的手段之一。但也存在缺點：第一，節(jié)能效果差，它只能減少裝設點以上線路和變壓器因輸送無功功率所造成的損耗，而不能減少用戶內部配電網絡的無功負荷所引起的損耗，從而降低了補償設備投入使用的價值。第二，降低電容器的壽命。由于集中補償裝置安裝于配電室內，電容器柜緊靠配變，其承受的輸出電壓一般在400V以上，電網低谷時，電壓往往會超過430V，當自動補償裝置失控時，會導致電容器過壓運行、發(fā)熱、變形、擊穿等現(xiàn)象的發(fā)生。

25、3.分組補償，又稱分散補償。這種補償方式是將電容器組按低壓配電網無功負荷的分布分組裝設在相應的母線上，或者直接與低壓干線相連接，形成低壓電網內部的多組分散補償方式，如圖2.2中C3所示。該方式使被補償?shù)臒o功功率不再通過主干線以上線路輸送，從而使變壓器和配電主干線路的無功功率損耗相應地減少。分組補償與集中補償相比降損節(jié)電效益顯著，尤其當用電負荷點較多且距離較遠時，補償效率更高。分組補償?shù)膬?yōu)點:有利于對配電變壓器所帶的無功進行分區(qū)控制，實現(xiàn)無功負荷就地平衡，減少無功功率在變配電所以下配電線路中的流動，使線損顯著降低；分組電容器的投切隨總的負荷水平而變化，其利用率比單臺補償高，分組補償雖然不如集中補

26、償管理方便，但比單臺電動機補償易于控制。缺點是：如果裝設的電容器無法分組，則補償容量無法調整，運行中可能出現(xiàn)補償或欠補償；分組補償方式的一次性投資大于集中補償方式，操作控制上也比集中補償復雜。2.3 晶閘管投切電容器的原理2.3.1晶閘管投切電容器的基本原理TSC ( Thyristor Switched Capacitor)又稱晶閘管投切電容器，是一個對供電網絡波動無功功率進行動態(tài)補償?shù)南鄬Κ毩⑾到y(tǒng)，廣泛應用于配電系統(tǒng)的動態(tài)無功功率補償。與機械投切電容器相比，晶閘管的開、關無觸點，其操作壽命幾乎是無限的，而且晶閘管的投切時刻可以精確控制，可以快速無沖擊地將電容器接入電網，大大減少了投切時的沖

27、擊電流和操作困難，其動態(tài)響應靈敏。TSC的基本原理如圖2.3所示。圖2.3（a）是單相電路圖，其中的2個反并聯(lián)晶閘管只是起將電容器并入電網或從電網斷開的作用，而串聯(lián)的小電感只是用來抑制電容器投入電網時可能造成的沖擊電流，在很多情況下，這個電感往往不畫出來。因此，當電容器投入時，TSC的電壓一電流特性就是該電容器的伏安特性，即如圖（c）中OA所示。在實際工程中，一般將電容器分成幾組，如圖2.3（b）所示，每組都可由晶閘管投切。這樣，可根據(jù)電網的無功需求投切這些電容器，TSC實際上就是斷續(xù)可調的吸收感性無功功率的動態(tài)無功補償器，其電壓-電流特性按照投入電容器組數(shù)的不同可以是圖2.3（c）中的OA，

28、OB或OC。當TSC用于三相電路時，可以是三角形連接，也可以是星形連接，每一相都設計成圖2.3（b）所示的分組投切。晶閘管投切電容器采用整數(shù)半周控制，可以根據(jù)電網對無功功率的需求改變投入電容器的容量，使晶閘管投切電容器成為分級可調的動態(tài)無功功率補償裝置。如果級數(shù)分得足夠細化，基本可以實現(xiàn)無級調節(jié)。 （a）單相結構圖 （b）分組投切的TSC單相圖 （c）電壓-電流特性圖2.3 TSC的基本原理Fig.2.3 basic principles of TSC晶閘管閥通常有2種接線方式：2個晶閘管反并聯(lián)和1個晶閘管與1個二極管反并聯(lián)。兩者都是投切電容器的開關，不同的是前者晶閘管閥承受最大反向電壓低，為

29、電源電壓峰值，控制較復雜；后者投資小、控制簡單、但晶閘管閥承受最大反向電壓高，為電源電壓峰值的2倍，所以在選擇使用哪種連接方式時，應根據(jù)技術、經濟比較來確定。電容器的投切是根據(jù)電網負荷變化情況來決定的，當電網無功功率增加，電壓下降時，投入電容器，反之，切除電容器。電容器分組有等容分組和不等容分組2種。前者易于實現(xiàn)自動控制，但補償級差大，后者利用較少的分組就可獲得較小的補償級差，但不易控制?？紤]系統(tǒng)的復雜性以及經濟性問題，實際中可采用所謂二進制的方案，即采用k-1個電容值均為C的電容，和一個電容值為C/2的電容，這樣系統(tǒng)從零到最大補償量的調節(jié)則有2k級。最小電容量那一路作為單位電容量，它的大小決

30、定了補償精度。2.3.2補償回路的構成及原理交流電路中，純電阻負載的電流IR與電壓U同相位；純電感負載的電流IL比電壓U滯后90。；純電容負載的電流IC比電壓U超前90。如圖2.4所示:ICIRU IL圖2.4 電流相位圖Fig.2.4 current phase diagram電網中用電設備一般是電感性負載，因此負荷回路模型可采用R，L串聯(lián)電路表示。圖2.5（a）為補償回路模型，M為補償點，Q為負載所需的無功負荷，如果沒有補償裝置，則負載將從電源側取得無功功率Q0，即Q0=QL當設置補償裝置后，由于補償電容器提供引前無功功率QC，那么電源所提供的無功功率減少為Q=QL-QC，如圖2.5（b）

31、所功率因數(shù)由cos提高到cos，視在功率由S減少到S。 （a）補償回路模型 （b）補償原理示意圖圖2.5 補償原理Fig.2.5 compensation principle視在功率的減少可降低供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設備的投資。例如一臺1000 kVA的變壓器，當負荷的功率因數(shù)為0.7時，可供700kW的有功負荷，當負荷的功率因數(shù)提高到0.9時，可供900 kW的有功功率。同一臺變壓器，因為負荷的功率因數(shù)的提高而可多供200 kW負荷，是相當可觀的。 (2.5)可見，因采用無功補償裝置后，電源輸送的無功功率減少了，相應的使電力網和變壓器中的功率損耗降低，從而提高了供電效率。又

32、由電壓損耗計算公式: (2.6)可知，采用無功補償措施后，因通過電力網無功功率減少，降低了電力網中的電壓損耗，提高了用戶處的電壓質量。補償回路的工作原理如圖2.6，其中U為端電壓，IL為補償前的線路電流，當設置補償裝置后，將有電流IC流過電容，此時流過R，L串聯(lián)支路的電流仍為IL，但并聯(lián)點M之前的電流則為IL和IC的向量和，即I=IL+IC。一般情況下IL-IC，這時有兩種情況:若電容器的電容較小，負荷中的感性無功電流沒有被完全補償，這時電源的I滯后U，即如圖2.6（a）所示，該補償稱為欠補償；若電容器的電容較大，會出現(xiàn)圖2.6（b）所示的情況，這時負荷中的感性無功電流被完全補償之后還有剩余容

33、性電流，電源的I超前U，這種補償稱為過補償。通常不希望出現(xiàn)過補償?shù)那闆r，因為這樣會引起變壓器二次側電壓的升高，且容性無功功率在線路上傳輸同樣會增加電能損耗，還會增加電容器自身的損耗，影響電容器的壽命。 IC IC I U0 U I IC IL IL （a）欠補 （b）過補償 圖2.6 補償回路工作原理Fig.2.6 working principle of compensation circuit2.3.3晶閘管觸發(fā)原則一般晶閘管投入時刻總的原則是，TSC投入電容的時刻，也就是晶閘管開通的時刻，必須是電源電壓與電容器預先充電電壓相等的時刻。因為根據(jù)電容器的特性，當加在電容上的電壓有階躍變化時，

34、將產生沖擊電流，很可能破壞晶閘管或給電源帶來高頻振蕩等不利影響。 假如在導通前電容器充電電壓剛好等于電源電壓峰值，則在電源峰值點投入電容時，由于在這一點電源電壓的變化率(時間導數(shù))為零，因此，電流IC即為零，隨后電源電壓的變化率才會按照正弦規(guī)律上升，電流IC即按正弦規(guī)律上升。這樣，整個投入過程不但不會產生沖擊電流，而且電流也沒有階躍變化。這就是所謂的理想投入時刻。圖2.7為電路原理圖。圖2.7 功率補償電路圖Fig.2.7 power compensation circuit選取合適的觸發(fā)時刻總的原則是：TSC投入電容時，也就是晶閘管開通的時刻，必須是電源電壓與電容器殘壓的幅值和相位相同。但是

35、無論投入前電容器充電電壓是多少都是不易測量的，所以必須通過其他一些方法來解決電容器殘壓測量的難題。1.過零觸發(fā)電路晶閘管電壓過零觸發(fā)電路如圖2.8所示。當電源電壓與電容器的殘壓相等時，晶閘管上電壓為零，光電耦合器就會輸出一個負脈沖，如果此時投入指令存在，此脈沖就會經過一系列環(huán)節(jié)，產生脈沖串去觸發(fā)晶閘管，保證晶閘管的平穩(wěn)導通。當TSC投入指令撤銷時，晶閘管在電流過零時斷開，直到微控制器下次發(fā)出投入指令，TSC才會在零電壓時重新投入。圖2.8 晶閘管電壓過零觸發(fā)電路 Fig.2.8 thyristor voltage zero crossing trigger circuit2.反壓觸發(fā)一般來講，

36、無論電容器殘壓多高，它總是小于等于電源電壓幅值，則在一個周期內，晶閘管總有處于零壓或反壓的時刻。利用這一點，在晶閘管承受反壓時，觸發(fā)脈沖序列開始，這樣當晶閘管由反向轉為正向偏置時就自動進入平穩(wěn)導通狀態(tài)。在兩種觸發(fā)電路中，晶閘管電壓過零觸發(fā)的使用范圍最為廣泛，無論電容殘壓出于何種狀態(tài)，其都適用。反壓觸發(fā)的成功率和電容器殘壓密切相關，只適用于電容器殘壓小于電源峰值的情況。2.3.4電容器的分組方式當采用TSC補償設備時，由于其輸出不能連續(xù)調節(jié)，電容器分組對補償效果構成明顯影響。為了延長電容器壽命，各組電容器投切頻度應盡可能降低，且各組投切次數(shù)基本相當。為了達到較高補償度，同時避免過補償，分組容量應

37、盡可能地小。二者之間存在一定矛盾，提出合理的分組策略也是一個研究內容。電容器的分組方式有等容分組方式和不等容分組方式。所謂等容分組方式，是指各組電容器的容量相等，其優(yōu)點是易于實現(xiàn)自動控制，缺點是補償級差大，要想獲得較小的補償級差，必須增加分組組數(shù)，相應的控制設備及所占空間也需要增加。所謂不等容分組方式，就是指各分組電容器的容量不相等，其優(yōu)點是利用較少的分組就可獲得較小的補償級差。例如150kvar電容，按照8:4:2:1原則進行分組可實現(xiàn)16級組合，各組容量分別是10kvar, 20kvar, 40kvar, 80kvar，只需4組就可以達到10kvar的補償級差，若按等分方式，必須分成15組

38、才能達到10kvar的補償級差。本文采用了按照8:4:2:1原則分組的不等容分組方式，雖然軟件控制比較復雜，但卻大大節(jié)省了電容器所占用的空間，也大大節(jié)約了電容器投切開關的數(shù)量，實現(xiàn)了較高的補償精度的同時也大大節(jié)約了補償裝置的成本。12第三章無功補償控制系統(tǒng)的總體設計3.1 系統(tǒng)的基本原理TSC的設計包括電壓、電流采樣、控制物理量的計算、指令計算與投切動作的執(zhí)行，完整系統(tǒng)工作流程如圖3.1所示圖3.1 TSC系統(tǒng)工作流程圖 Fig.3.1 working flow chart of TSC system3.2 主電路連接方式TSC的主電路按照晶閘管和電容器的連接方式大致可以分為4種類型:星形有中

39、線、星形無中線、角外接法、角內接法。其中前兩者統(tǒng)稱為星形接法，見圖3.2。并聯(lián)電容器與電力網的連接，其額定電壓應與電網相符。在三相供電系統(tǒng)中，單相電容器的額定電壓與電網的電壓相同時，在正常情況下，將其接成三角形可以獲得較大的補償效果，這是因為如果改用星形接法其相電壓為線電壓的1/3倍，又因Q=U2/XC，所以其無功功率將為三角形接法的1 /3倍。本次設計使用三角形接法。按照晶閘管所處的位置，三角形接法又分為角外接法、角內接法。1.角外接法晶閘管處于電容器三角形的外部。按照“一Y”的變換原理，在電容器總容量相等的情況下，角外接法和星形無中線對外電路所表現(xiàn)的特性都是一樣的。與角內接法相比體積小，但

40、是不容易控制、投切時暫態(tài)過程較長，適合于三相平衡負載。2.角內接法晶閘管處于電容器三角形的內部。相對另外3種接法，晶閘管電流定額電流小，只有相電流的58%，但晶閘管額定電壓定額較大，當有較大不平衡負載時，三角形接法的電容器組也可令各相電容值不等，根據(jù)各相負荷大小作分相補償。三相不平衡負荷的補償裝置就是使用角內接法的TSC+TCR的形式。 （a）內接三角形 （b）外接三角形 （c）星形連接圖3.2主電路接線方式 Fig.3.2 main circuit connection mode 3.3 無功補償算法的選擇傳統(tǒng)的無功定義前提是電壓電流不含諧波，因此只有在諧波干擾比較小的情況下才有較高的精確度

41、。這里先討論電力系統(tǒng)中電壓電流都是正弦波的理想情況。無功功率的定義如下: Q=U0×I0×sin (3.1)式中：Q為無功功率、U0、I0分別為電壓和電流的有效值、為電壓和電流相位差。基于這種定義，常用的測量方法有積分法、移相法和公式法。3.3.1積分法積分法的理論基礎是：sin=cosd。積分法能實現(xiàn)余弦和正弦之間的轉換。下面是積分法測量原理，令: U（t）= 2 U0sin（t） （3.2） I（t）=2 I0sin（t-） （3.3） M= （3.4） 如果把式（3.4）的M為中間變量，把式（3.2）和式（3.3）分別代入式（3.4）化簡后可以得到: M=U0I0si

42、n=Q Q=M （3.5）求出M后就可以求出Q值。下面對式（3.5）做離散化處理，設在一個周期內對電壓和電流都采樣N次，用I(k)表示第k次電流采樣值，U(k)表示第k次電壓的采樣值，U(k)表示u(t)的積分量。則有:Q=M= = （3.6）3.3.2移相法移相法測量無功功率與積分法相似，理論基礎是sin=|cos（+90。）|，通過移相來實現(xiàn)正余弦之間的轉換，基本原理如下: Q=U0I0sin= （3.7）式中:角速度，T為電網周期，t為時間。具體的測量步驟為:先通過采樣和A/D轉換將電網的模擬電壓和電流信號采集到微處理器，然后進行離散化處理。這里假設對每個周期的電壓和電流采樣N次，則式（

43、3.7）離散化得: Q= （3.8）式中：uk是第k個電壓采樣值，ik+N/4是第k+N/4個電流采樣值，這樣只要對電流和電壓進行較高頻率的采樣，就能根據(jù)式（3.8）求得無功功率。移相法的精度易受非同步采用影響，主要通過圖3.3的頻率鎖相裝置來解決。整形鎖相環(huán)PLL 分頻器1/N圖3.3 頻率同步數(shù)字鎖相裝置框圖Fig.3.3 the block diagram of frequency synchronization digital phase lock device3.3.3公式法直接根據(jù)無功功率公式Q= U0I0sin，求出三個未知量U0、I0和。分別在一個周期內對電壓和電流采樣N次。則

44、根據(jù)有效值的定義進行離散化得: U0= （3.9） I0= （3.10）式中:uK是電壓的采樣值；iK是第k次電流。電壓電流相位差可以通過檢測電壓和電流的過零點來檢測。當電壓和電流由負向正上升突變時，分別在t（0）、t（1）產生中斷，并在兩個中斷期間用計數(shù)器計數(shù)得到相位差=，得到后，sin可以通過軟件查表法求出。3.4 電容器補償容量計算電容器補償容量的科學計算是無功補償?shù)囊粋€重要環(huán)節(jié)，補償容量的精確性直接關系到補償?shù)男Ч?。而不同的補償方式，計算補償容量的方法也不盡相同。容量補償?shù)姆椒ㄓ腥N方式，即分散補償、集中補償和就地補償，下面就對這幾種方式的補償容量計算進行說明。1.集中補償與分組補償容

45、量的計算。通常來說，集中補償和分組補償容量的計算方法是一樣的，一般按提高功率因數(shù)的需要確定補償容量。方法是:先根據(jù)各用戶所有設備計算出總平均功率PMAX及總平均功率因數(shù)cos1，再確定補償后的功率因數(shù)cos2，則補償容量可由下述公式計算: QC=AVPMAX(tg1-tg2)=AVPMAX （3.11）式中：QC為需要補償?shù)臒o功功率（kvar）；AV為月平均負載率；PMAX為由變電所供電的月最大有功功率計算負載（kW）；1為補償前的功率因數(shù)角，可取最大負載時的值；2為補償后希望達到的功率因數(shù)角。采用公式（3.11）時，一般都將負載率取為70%80%。在此還要注意，采用公式（3.11）來計算補償

46、容量時，通常并不把補償后希望達到的功率因數(shù)cos2設置為1。因為功率因數(shù)越高，補償容量減少損耗的作用將越小。功率因數(shù)與補償容量的關系曲線如圖3.4所示，圖中 K= （3.12）從功率因數(shù)與補償容量的關系曲線可以看出，功率因數(shù)值越接近1，需要投入的電容器比例越大，投資效益比越小，因此再增加補償容量也是不經濟的。通常情況下，將功率因數(shù)提高到0.95就是合理補償。圖3.4 補償容量與功率因數(shù)的關系曲線 Fig.3.4 relation curve of compensation capacity and power factor對于以上兩種補償方式，也可采取經驗系數(shù)法來計算補償容量，即 QC=KWh

47、 （3.13）式中：K為經驗系數(shù)；Wh為配變容量。應用公式（3.13）計算補償電容器容量時，通常K取為變壓器容量的1/3左右。2.個別補償容量的計算。對單臺異步電動機個別補償時，若電動機與電源突然斷開，電容將對電動機放電，易造成過電壓，損壞電動機。為防止這種情況出現(xiàn)，補償電容不宜過大，應以電容器在此時的放電電流不大于電動機的空載電流I0為限，因此，單臺電動機補償容量按下式計算: QC3UeI0 (3.14)式中： QC為補償電容器容量(kvar)； Ue為電動機的額定電壓(kV)；I0為電動機的空載電流(A)；電動機空載電流I0可以按電機型號在電工手冊中查到，也可以在額定電壓Ue下實測或估算得

48、到。由于本研究是以線路傳輸?shù)臒o功功率最小為控制目標，因此根據(jù)最大有功功率和補償前功率因數(shù)最低值計算出由系統(tǒng)供給的無功功率，即最大補償容量。 QC=PMAXtg1 (3.15)式中 ：PMAX為最大有功功率； 1為補償前最低功率因數(shù)時的功率因數(shù)角。33第四章系統(tǒng)的硬件設計系統(tǒng)硬件上采用TI公司的32位定點TMS320LF2812DSP進行控制，具有運算速度高、實時性好的特點，采用晶閘管投切電容器，全數(shù)字化控制，液晶顯示，界面實時顯示系統(tǒng)運行狀況，實現(xiàn)電容器快速、無弧、無沖擊投切，具有優(yōu)良的性能。投切原則上采用綜合無功功率控制，避免輕載震蕩，TSC無功補償控制器裝置的硬件電路主要由檢測、控制、執(zhí)行

49、和電源四個部分組成，檢測部分主要是對負載的電壓和電流進行檢測，并將其參數(shù)信號轉換成控制單元所能接受的信號；控制單元由DSP完成電壓和電流值的計算，再根據(jù)控制補償規(guī)則，做出投切決策并輸出投切指令；執(zhí)行單元接到命令后，通過晶閘管控制補償電容器的投切。4.1 系統(tǒng)硬件總框圖如圖4.1，電網的電壓直接接入控制器(輸入線電壓660V )，電流經電流互感器(輸入電流5A)接入控制器，信號調理部分將它們轉變?yōu)樾》档碾妷盒盘?3.3V)接到DSP的ADC，經過DSP的采樣、分析、計算，并根據(jù)結果，結合投切策略，自動控制FPGA進行晶閘管投切電容器組，再將計算結果送到雙口RAM，同時DSP還負責電容器的保護電

50、路控制。MCU負責將計算結果送到液晶顯示，同時掃描鍵盤。EEPROM記錄控制器重要參數(shù)的變動。兩個CPU之間通過雙口RAM進行數(shù)據(jù)的傳送。保護啟動電路控制性投切部分FPGA鍵盤液晶邏輯電平轉換DSP復位電路 EEPROM8051單片機雙口RAM電流信號AD電流互感器復位電路電壓信號指示燈電壓互感器串口通訊模塊鎖相環(huán)電路圖4.1 系統(tǒng)硬件總框圖Fig.4.1 General block diagram of system hardware4.2 系統(tǒng)各功能模塊控制器的硬件按完成的功能主要由電源模塊、信號變換及調理模塊、AD采樣模塊、鎖相同步采樣模塊、通訊模塊、可控硅驅動模塊、補償電容器過載電流調理模塊組成。4.2.1電源模塊低壓無功補償控制器的整個系統(tǒng)工作在直流電源為+12V，12V，+5V和+3.3V的環(huán)境下，電網中220V或者380V的電壓若想要直接接入低壓無功補償控制器，那么就需要變壓。+12V電源