基于单片机的静止无功补偿装置TSC的投切控制器设计

第 I 页 摘 要 随着科技的快速发展，大型的冲击性负荷在生产生活中得到广泛应用，由于这些负荷大多呈现感性，引起电网电压的波动、闪变等严重影响电能质量的问题，针对这种情况，我们决定采用无功补偿来解决这一系列问题。实际上，无功补偿在 20 世纪 20 年代已经出现，至今已经发现多种补偿方式。但是从经济、技术层面考虑，晶闸管投切电容器（ 功补偿装置无疑是最具性价比的补偿方式，因此 本文的主要目的是 设计一种基于单片机的静止无功补偿装置 投切控制器，为系统提供充足的无功功率。 本文首先对 无功补偿的基本原理以及控制策略进行阐述，然后对无功补偿样机装置的软硬件进行设计。硬件部分使用 为主控芯片， 一种内部集成复位电路的双串口的单片机，它能够完成简单的数据处理和存储、电压电流检测、无功补偿自动投切控制等功能。软件设计遵循模块化设计原则，通过 C 语言进行编程，保证系统拥有稳健的软件控制体系，然后借助于组态王设计上位机，实现与电脑通讯的功能。当功率因数低于正常值时，系统通过主控制器实现 功补偿，保证系统的功率因数稳定在正常范围。 最后，对此次设计方 案和实际补偿效果进行比较与总结，为无功补偿技术的进一步发展打下基础。 关键词 ： 无功补偿；功率因数；电能质量；上位机 第 of in of on as of We to to in In in of 0th we of is so of is a on to of is in of of is as is a of it of on or of by to a is SC by to in is to of 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录 目 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 功补偿的背景与意义 . 1 功补偿技术的发展 . 1 内外无功补偿发展现状 . 3 文主要内容 . 4 2 功补偿原理 . 5 功补偿的基本概述 . 5 . 5 . 6 功补偿原理 . 7 制系统 . 8 接线 . 9 容器分组投切 . 10 . 10 . 10 . 12 . 12 功补偿控制策略 . 13 容保护 . 14 3 系统硬件设计 . 17 制原理及硬件总体结构设计 . 17 控制电路设 计 . 17 . 17 . 19 . 20 . 20 量信号设计 . 20 发驱动电路设计 . 21 机交互模块设计 . 22 . 23 . 23 . 23 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录 讯 . 24 件电路的抗干扰设计 . 24 4 系统软件设计 . 26 程序设计 . 26 程序 . 27 . 27 . 27 5 实验结果分析 . 28 验结果 . 28 验分析 . 28 6 结论与展望 . 29 致 谢 . 30 参考文献 . 31 附录一 样机设计原理图 . 32 附录二 样机设计 . 33 附录三 三相无功补偿系统电气接线图 . 34 附录四 样机程序 . 36 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 40 页 1 绪论 功补偿的背景与意义 有功功率和无功功率对电气设备的运行都非常重要，在电力系统中，绝大部分设备是电感性，只有少数是容性。 在正常情况下，电器设备的正常运行不仅需要消耗有功功率，充足的无功功率 对电器设备的正常运行 也 非常 重要。电动机需要 消耗一定的 无功功率才能建立 并 维持旋转磁场，使转子 发生 转动，进而带动机械运动 ； 变压器也需要 消耗无功功率，才能使变压器 的 一次侧产生磁场， 然后才能在 二次侧感应 到 电压 ， 由此可见 ，无功功率对电器设备的正常运转不可忽视， 如果 系统不能提供充足的 无功功率，电动机将会停止 转动 、 变压器也不能 正常 变压。 在电力系统中，发电机 的作用非常大，它不仅仅 是唯一的有功 功率输出 电源， 而且还可以当作 无功 功率输出 电源 使用 。 当发电机一出厂，它的容量就已经固定， 如果 我们仅仅 依靠发电机来提供 所有的 无功功率，电力系统 就会 由于无功功率不断地来回交换 ，引起输配电设备的电压损耗及功率损失 ， 而且 一台 发电机 的容量是固定的 ，如果 一台发电机 提供的无功功率过多 ，那能 提供的有功功率就 会 相 应的 减小， 要想输送相同容量的有功功率，就需要更多的发电机或者容量更大的发电机，而且电力收费按有功功率计算，如果无功功率直接发电站输出，有功功率的输出就不得不减小，从发电厂的角度看， 这两种 配电方式 都 很不经济 ， 然而 为了保证系统正常运行， 无功功率 必不可少，而且 无功功率的需求 还 非常大 。如果出现 无功功率不足 的情况 ，系统电压会下降 、 设备无法正常工作 ， 严重情况 下 甚至会 导致 系统崩溃 ； 此外 这种情况也会使 线路 以 及变压器的压降增大， 此时 使用 的负载 如果是冲击性无功负载， 线路 电压 的 谐波 含量 增大 、 波动 也更强烈，严重时甚至会出现震荡，极大降低 供电质量。 因此，这种仅仅依靠发电机提供系统所需的全部无功功率，然后再经过长距离传送的方法很不合理，比较好的方法就是在需要消耗无功功率的地方就地进行适当的无功补偿，不用经过长距离的传送无功功率，这种方法有很多优势，它既能为系统提供充足的无功功率，保证系统能够正常、稳定运行，又不影响有功功率的输送，降低系统的设计难度、提高供用电方的经济效益。 无功补偿的意义非常大，它主要体现在以下几 个方面： （ 1）提高系统功率因素，降低损耗； （ 2）降低电气设备容量，减少投资； （ 3）提高系统电压的稳定性，改善电压质量。 因此，为电网进行适当无功补偿，对于电力系统具有重要意义。 功补偿技术的发展 无功补偿发展已久，传统无功补偿装置大体上有同步调相机、并联电容器，随着科桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 40 页 学技术快速发展，静止无功补偿器和静止无功发生器等更加先进的无功补偿装置相继问世。 （ 1） 早期无功补偿器 早期无功补偿装置主要 分为两种，他们分别是同步调相机、并联电容器，这两种补偿装置对当时的无功补偿都起着重要作用，同步调相机是典型代表，它是不带机械负载也不带原动机的同步电动机，它 与 同步电动机 的结构基本一样 。它不但可以在过励磁条件下运行，而且在欠励磁状态下也可以运行，它相应的运行状态可以根据系统需要进行调节。当 电网负载重 时，它就会过励磁运行，向电网发出感性无功功率，从而减少线路的 压降，起到无功电源的作用；当 电网轻载时 ，它就会欠励磁运行，此时它会通过吸收电网中的感性无功功率， 防止电网电压 进一步 升高，从而维持电网电压在 安全范围内，起到无功负荷的作用 。但由于它是机械旋转，因此运行维护比较复杂，而且在实际应用时，它经常会在过励磁状态下运转，此时发出的 励磁电流较大 ， 损耗 也会更大 ， 设备 发热 问题 也会比较严重 ， 此外 由于 它的响应速度相对较慢 ，随着 电力电子技术 飞速发展和静止无功补偿器 的推广使用，如今已经很少使用调相机。 （ 2） 静止无功补偿器 随着 电力电子技术 和 计算机技术的快速发展，新型电力电子器件在无功补偿领域得到广泛应用，无功补偿技术步入了更高的发展阶段。于是在 20 世纪 70 年代，新型无功补偿装置 静止无功补偿器 （ 就开始兴起。 含旋转部件，能够实现平滑 、 快速、可控的无功补偿 。 把 可控的电力电容器和电抗器并联 起来，它们一起相互配合， 通过调节电抗器，使 系统能够 从发出容性的无功功率平滑地 转变成 吸收感性无功功率，其中电容器主要 负责 发出无功功率，电抗器主要 负责 吸收无功功率 ， 他们相互结合 的 响应 速度会很快。根据控制对象和控制方式的差异， 体可以分为 （ 3） 静止无功发生器 随着电力半导体技术的快速发展 ，以可关断晶闸管（ 代表的 全控型器件得到快速发展 ，全控型器件的推广使用大大推动了静止无功补偿领域的发展。于是到了上世纪 80 年代中后期，静止无功发生器（ 为更高级的无功补偿装置就出现了，用 件构成自换向变流器，并借助电源逆变技术为系统提供超前或者滞后的无功功率， 称 作 静止同步补偿器（ 1。 随着无功 补偿技术以及各类控制器的快速发展 ， 新型无功补偿装置不断出现 ， 各类无功补偿装置形成并存发展的局面 ，各种无功补偿装置性能如表 1示。 通过对 表 1各种无功补偿方式 的比较，不难发现 响应速度较快 、 不产生谐波 、 运行稳定 、 能够通过分相进行调节 、适用范围较大的优点， 本可以满足无功补偿的需要 ，而且相对于 制更加简单 、投资更小，因此 是当前无功补偿装置的主流 。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 40 页 表 1种无功补偿装置性能 同步调相机 收无功 连续 分级 连续 连续 响应速度 慢 较快 较快 很快 控制 简单 简单 简单 复杂 谐波 自身不产生谐波。 自身不产生 谐波，受系统 谐波影响大。 自身产生大量 谐波，受系统 谐波影响大。 自身不产生谐波，还能抑制系统谐波。 受系统阻抗影响 很大 大 大 无 损耗 大 小 大 小 分相调节能力 有限 有限 可以 可以 噪声 大 较小 较小 小 体积（同等容量） 大 较小 较小 很小 投资 很小 较小 较小 大 内外无功补偿发展现状 20 世纪 70 年代， 经 开始兴起。现今， 功补偿装置在国外电力系统己经实现商业化，像 这些著名的电气制造商已经能够生产出一整套无功补偿相关设备，进入 21 世纪后，全球的 偿容量已经超过 4些补偿装置应用于众多领域，例如：电网输配电系统、铁路的无功补偿等。 1979 年，澳大利亚就在全国多个地区装设 31 套含高压 功补偿装置，从安装补偿装置前后效果看， 功补偿装置对于稳定系统电压、提高系统功率因数和瞬态稳定性等方面都有显著效果 2。 1992 年，美国德克萨斯州 电所装设额定电压为 高压 合无功补偿装置， 每个高压 元的补偿容量是 76个高压 4过复合补偿，基本满足变电所 感性 )至 +100容性 )范围 的无功需求 3。 在我国，中国电力科学研究院 2001 年已经将 置投入变电站运行，这标志着我国在高压 域有了一席之地。当前我国已经有 5 个 500变电站装备 功补偿装置，这些装置能够实现 105 170功补偿，但在 500上的变电站，当前我们还未能实现。 目前，从实际运行效果看，大容量高压 功补偿装置在保证电压质量、提高系统稳定性以及提升系统经济运行 等方面都发挥积极的作用，但 功补偿还有很多需要优化改进之处，我们仍需要进一步的研究。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 40 页 文主要内容 根据上述分析可知，使用 功补偿装置做静止无功补偿有众多的优势 ， 因此 ，本文设计一种 基于单片机的静止无功补偿装置 投切控制器， 论文的主要内容如下： （ 1） 功补偿的基本原理； （ 2） 功补偿的控制方式； （ 3）硬件制作与调试； （ 4）硬件编写与调试。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 40 页 2 功补偿原理 功补偿的基本概述 在电力系统中，电网提供的电功率可以分为两种 ：一种是有功功率 ，有功功率指的是能 将电能转变为机械能 、 热能等其他形式能量的功率 ，它直接消耗电能， 是保持设备正常运行必需的电功率 ， 另一类电功率是无功功率 ，它 是把电能转换为另一种形式的能量 4，比如：各种电场与磁场的交换， 但是自身 不消耗电能，它只是用于描述能量交换的幅度， 因此 被称为 “ 无功 ”，于是这部分能在电网周期性变换但不做功的功率被称为无功功率。 功率分为有功功率和无功功率 ，有功功率是负载直接消耗的那部分功率，在直流电路中对有功功率有： P = 2 但在交流电路中对有功功率有 ： 其中 是电压电流相位差的余弦值 ，通常 都会小于 1， 因此在交流电路需要考虑无功功率 。 现在的电气设备大都根据电磁感应原理制作 ，例 如 ：电动机和变压器，电动机的转动需要无功功率才能产生电磁场，带动转子的运转；变压器二次侧需要电磁场的作用才能感应到一次侧发出的的信号。这些设备在运行时，上半周期吸收功率，下半周期就放出来（或先放再吸），这部分功率只是在系统中 流动 、 转换 ， 但并未被 系统 消耗 ，这样的 功率被称为无功功率 ，它用 Q 表示 无功功率的大小表示能量交换的幅度，它可以根据系统总负荷呈现的是感性还是容性分为感性无功功率和容性无功功率，其中感性无功功率表示电压超前电流，它们之间的相位差大于零 ，容性 无功功率的特性与感性无功功率正好相反 。 对于电动机、变压器等多数电气设备，它们主要是感性无功功率，但是对于电容器，它就只有容性无功功率，如果是同一端口，感性无功功率可以与容性无功功率相互抵消。 提高输电线路的 无功功率对电网的影响主要包括以下几方面 ： （ 1） 增大设备容量。因为无功功率增加，通过设备的电流和设备的视在功率也会随之增大，配套使用的电动机、变 压器等电气设备的额定容量以及规格都会增大 5； P = （ 2 = （ 2 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 40 页 （ 2） 增大压降 ； （ 3） 增加设备及线路的损耗 。线路损耗公式： 当 输电线路上的 无功功率增加 时，根据式（ 2线路损耗公式可知，设备及线路额损耗也会增大。 视在功率 S 可以 用 有功功率和无功功率的矢量和表示 ， 对视在功率有 ： 所以这三者能够满足功率直角三角形关系，它们的关系如图 示。 图 率三角形 对于用电企业，当它消耗的 有功功率 P 不变时，如果功率因素 小，企业所需的无功功率 Q 就越大，根据 式 （ 2可知 ，视在功率 S 就越大，于是相配套的导线截面和变压器容量也越大，增大了供电系统的设备投资，因此在实际应用中，我们会想方设法把功率因素提高到合适范围，减少设备投资。 在三相对称电路中，因为各相电路的电压和电流都对称，各相电路的功率因数都一样，因此三相对称电路的总功率因数等于各相电路的功率因数 6。 在三相不对称电路，功率因素有： 其中 ， S 是三相各线到人为中点电压与对应电流乘积的代数和 。 a)补偿原理 b)欠补偿 c)过补偿 图 功补偿原理及其补偿相量图 在电力网运行时，我们总是期待让功率因数尽量接近于 1，因为当功率因数越大时，P = 2 = 2 +22 （ 2 S = (2 +2) （ 2 S = (2 +2) （ 2 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 40 页 电路的视在功率就将主要由有功功率提供，极大减少无功功率的消耗，无功补偿原理以及无功补偿后相量图如图 示。 如图 路并入电容 C 后，电路总电流 I=C。 如图 路并入电容后，线路电压和电流的相位差 会变小，功率因数变大，但如果补偿容量不够，补偿后电流的相位仍然滞后于电压的 相位 ，这属于欠补偿。 如图 行无功补偿时，如果补偿容量太大，补偿后电压的相位滞后于电流 相位 ， 此时属于过补偿。在实际应用中，我们不希望补偿后出现过补偿的情况，因为过补偿不仅可以引起变压器二次侧电压增大，而且还会使容性无功功率在输电线路传输的电能损耗增大，甚至会增大电容器发热量，对于电容器的使用寿命产生不利影响。 功补偿原理 相结构如图 示，它由电抗器、电容器以及反并联的晶闸管构成，电抗器主要用于限制晶闸管误操作引起的过电流，此外限流电抗器与电容器配合可以避免交流系统电抗在某些频率上发生谐振，但一般不画出来。 a) 相结构 b)相 分组投切 图 相原理 “投入”和“断开” 两种工作状态 ，当电容器投入时， 压 电流运行特性就是该电容的伏安特性，即如图 的 示。在工程实际中，一般将电容器分成几组（如图 示），每组都可由晶闸管投切 7。 根据电网不同的无功需求来投切不同容量的补偿电容，实现电网无功补偿需求，不同投切量对应的电压 电流特性如图 示 ，如果投切量越大，对应的电压 电流特性线就会越陡。 图 压 电流运行特性 假设母线上的电压是标准正弦信号 ，当 投入电容器 ， 并且系统稳定运行后 ，系统支路电桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 40 页 压可以表示为： 如果把晶闸管的导通压降以及线路的损耗忽略，那这就是一个理想的投切开关，路 上 的电流 可以表示 为 其中 ， k = = = /是 路自然频率 和工频 之比， = 1， = 。 电容上电压的幅值为 当电容电流为零时，晶闸管会自动关断 ， 路 处于断开状态，此时电容两端承受的电压就等于电源电压的极值 8， 即 假设，若不计电容漏电损耗，则加在它两端的电压将会保持在极值，晶闸管两端的电压会在零和交流电压峰峰值前不断变化。 制系统 行系统的设计通常包括电压、电流采集，功率及功率因数等参数计算，投切指令的计算以及投切操作的执行，它们的结构如图 示。 图 统运行结构 根据系统工作流程图可知， 制系统 是根据 系统电压和电流变化情况 ， 将检测量的大小与给定的输入量进行比较 ，实时 监控各个时间段的功率因数 ，当功率因数低于要求值时，主控 控制触发电路发出投切信号 ， 产生相对应的晶闸管触发延迟角 ， 对系统进行无功补偿 ， 根据上述要求 ， 控制系统可以分成以下 四个 部分 ： () = ( +) （ 2 () = 22 (+) （ 2 = 22 + （ 2 = 22 + （ 2 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 40 页 （ 1）检测电路：实时检测控制所需的系统参数变量和补偿量，比较实际测量值与参 考值的大小，将测量结果送给控制电路。 （ 2） 控制电路：根据检测信号控制系统的工作状况。 （ 3） 执行单元：根据系统发出的投切指令来投切电容器，为系统提供无功补偿。 （ 4） 电源电路：为系统其他部分的执行提供电压支持。 接线 接线有三角形接法和星形接法，常见的主接线如图 示 图 接线 图 d 四种方案都属于三角形接线方式 ，其中图 2. 6a 和 2. 6b 中的电容器属于单相电容器，图 的电容器属于三相电容器。 图 案的无触点投切开关由两只反并联的晶闸管构成（可选双向晶闸管）。当晶闸管两端为正向电压，且门极上有触发信号时，晶闸管导通，对应的电容器被投入；当去掉触发脉冲信号后，电流过零时，晶闸管就会截止，电容器从电网上切除，所以，切除时电容器上的电压（残压）就是电网电压幅值（或正或负） 9。 图 案 中，每组投切开关的一个晶闸管用二极管代替，以降低装置的成本。该电路有这样一个特点 ：当切除电容器时，电容电压总是等于电源电压峰值，在投入晶闸管时，只要触发驱动信号从系统的电压峰值处开始触发，就能够保证系统平稳投入电容器 10。这种电路也有它的缺陷，在第一次送电时会出现很大的冲击电流，但是 如果在主回路中设计一个预充电回路，就可以解决冲击电流的问题了 ； 而且这种接线方案的响应速度比图 案慢一些，慢主要体现在切除电容器的时候，从发出切除电容器指令到第一个电力电子器件关断，图 的方案在半个周期内就能够完成，但是图 为这种方案更换了一些器件（使用二极管代替部分晶闸管），但是由于二极管具有不可控性，电容器通常需要超过半个周期才能被切除，所以图 案比 图 案响应速度稍慢，但切除电容器使用的时间通常都不超过一个周期。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 40 页 图 案已经省掉一相晶闸管，这种接线方案看起来虽然简单，但是仍可以用于控制投切三相电容器。 图 案和图 案都是 Y 形接线，这两种接线方式都能用于三相不平衡负荷的电路中做分相补偿。图 接线方式把三路补偿电容器连成星形。这种接线方式可以降低晶闸管电压，但流过的电流会变大，投入电容器时还会产生短时不平衡中线电流；采用图 线方式， B 相没接上晶闸管，只需要控制 A、C 两相。 这种接线方式由于少用一些晶闸管，设备投资相对较小，因此在普通的三相电容补偿中会用到， 但考虑到电容器残压的不确定性，投切电容 器时晶闸管承受的瞬间电压可能会很大， 因此使用这种接线方案需要设计过零触发电路。 容器分组投切 电容器无功补偿方式很多，根据安装位置的不同可以分为： （ 1） 集中补偿 将补偿电容器装备到 6 10电站降压母线，可以有效地提高变电站的功率因数，使供电站在供电范围内无功功率基本平衡，降低线路无功损耗，提高变电站的供电质量。 （ 2） 分散补偿 将补偿电容器分别装备到低功率因素或村镇终端电压母线 ， 使供电站在供电范围内无功功率基本平衡，降低线路无功损耗，提高变电站的供电质量，但是这种方式的补偿容量较小 。 （ 3） 就地补偿 将电容器装备到大电机或大功率用电设备附近，就地实现无功补偿，这种补偿方式不但可以提高功率因数，还可以提高用电 设备电压质量 11。 这三种补偿方式各有优势，但单独使用会有些不足，在工程应用时，通常会把这三种补偿方式结合使用、统筹兼顾，实现最优补偿。 电容器所需的补偿容量与补偿方式、电容器接法以及负载情况等因素相关。 （ 1） 集中补偿以及分组补偿电容器容量的计算 如果采用这两种补偿方式，系统所需的补偿容量可以根据式（ 2定 = (1 2) （ 2 其中 1 功率因数角 ，对应的 功率因数可以取最大负载 所对应 的值 ； 2 补偿后 的 功率因数一般取 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 40 页 常取 单位为千瓦（ 每一相 补偿 电容器 提供 的补偿容量 与 电容器接法 有关， 不同 的 接法 ，对应的 补偿容量不相同 。 如果把电容器组接成三角形，补偿容量 = 3 3 = 32 3 （ 2 其中 单位为伏特（ V）； 容器 的 线电流 ，单位为安培（ A）； = 2； 单位为 F。 由于电网线电压 的单位通常选择 么每相电容器补偿容量 (单位为 )为 Y = = 32 （ 2 （ 2） 就地补偿电容器容量计算 在 选择电容器时，容量不宜过大，因为当设备使用就地补偿时，补偿电容器很容易发生自励磁现象，如果选择的