三相四线制电网部分调压调容无功补偿装置的设计

第 I 页 摘 要 现如今，社会的快速发展和人民生活质量的明显提高，电器设备飞跃式的发展 ，其对供电质量有很高的需求。在输电过程中，电压与无功功率密切相关，在供配电系统中，对系统进行无功补偿是一项很重要的工作。 本设计研究的是三相四线制电网部分调压调容无功补偿，由于三相不对称负荷造成三相不平衡，变化频繁等缺点，所以采用调压调容无功补偿，而且分相补偿。本设计主要是使用单片机作为控制器，来实现调压调容无功补偿装置的设计，通过检测电路对电压和电流以及相位和功率因素等的检测，将信号传送到单片机。单片机将接收到的信号进行处理 并发出控制信号。利用晶闸管投切电容器，当电容器两端残压为零的时候，将电容器投入到电网中，实现无冲击的投切。当需要补偿的容量在补偿的两个等级之间时，利用自耦变压器的电压分级输出，控制器选择投入的电容器和电容器的电压来进行调节无功功率。调压和调容无功补偿相互配合完成对电网的补偿。通过实验分析，控制器对电网冲击很小，响应速度比较快。对于三相四线制电网来说可以分相操作，还可以分组投切，能对电网进行精细的补偿。 本毕业设计使用单片机作为控制器，对电力系统中的无功功率进行实时监测以及控制，使无功功率得以调节，提高电力系 统的稳定性。 关键词： 调容调压；三相四线制；无功补偿；晶闸管；自耦变压器； 第 of of of of of a of In of is an in is in to so is is as to a is of so on by is to is by is is is to no is in of by of to to of on is it be in be in is in so be to of 目录 目 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 题背景，目的和意义 . 1 相四线制无功补偿的现状 . 1 功补偿装置的发展 . 1 设计的主要内容 . 2 章小结 . 2 2 系统方案总体设计 . 4 功补偿的基本概念 . 4 闸管投切电容器原理 . 5 本原理 . 5 容投入时刻的选取 . 5 发电路的基本原理 . 6 压调容型无功补偿装置的原理 . 7 功补偿的容量确定 . 8 提高功率因素来确定补偿容量 . 8 降低线路损耗来确定补偿容量 . 9 提高运行电压来计算电容器的容量 . 9 压调容无功补偿装置的要求 . 10 压调容无功补偿系统主接线图 . 10 件控制电路的设计方案 . 12 制系统软件总体设计方案 . 13 件设计的原则 . 13 制系统软件设计方案 . 14 章小 结 . 14 3 硬件系统设计 . 15 据采集电路的设计 . 15 压检测电路的设计 . 15 流检测电路的设计 . 15 波电路 . 16 量电路的设计 . 16 片机最小系统 . 17 切控制电路的设计 . 18 容无功补偿电路的设计 . 18 目录 压无功补偿电路的设计 . 18 示单元电路的设计 . 19 统电源模块的设计 . 20 要元器件的选 型 . 21 统运行注意事项及保护措施 . 21 章小结 . 22 4 系统的控制策略和软件设计 . 23 压调容无功补偿系统的控制策略 . 23 统的软件设计 . 25 程序设计的流程图 . 25 量模块的软件设计 . 25 示模块的软件设计 . 26 切子程序的设计 . 27 容保护及故障处理软件设计 . 28 章小结 . 29 5 系统的数学建模仿真和分析 . 30 统的数学模型 . 30 统的稳态和静态分析 . 31 拟样机完成的功能 . 32 章小结 . 33 6 结论 . 34 谢 辞 . 35 参考文献 . 36 附录一 系统工程实际原理图 . 37 附录二 系统强电接线图 . 41 附录三 系统模拟样机电路原理图 . 42 附录四 系统模拟样机 . 44 附录五 样机程序 . 45 第 1 页 共 54 页 1 绪论 题背景，目的和意义 电力系统在能量的传输过程中，需要一定的无功功率，这样才能提高能量在系统中的传输效率，所以对系统进行无功功率的补偿是一种非常重要的措施，尤其是在三相四线制电网中，三相四线制电网具有三相负荷不平衡、负荷变化频繁、负载功 率因数低等缺点，这不利于电网的安全高效运行 1。如今的社会相比以以前有了很大的发展、生活水平飞跃式的提高、工业迅猛发展，工业用电的增大和民用电器大多不带无功补偿装置，这给电网带来比较大的功率负担和线路 损耗 。补偿无功功率，不但能减小上级电网补偿的力度，还可以提高配电线路的变压器的效率，此外还可以提高功率因数，降低损耗。在三相四线制电网中，采用三相分相分组补偿，可以对电网进行精确的补偿、降低线路 损耗 和提高供电质量以及节约电 能。 在电力系统的建设中，对电力系统进行无功补偿是一项很重要的措施之一。对于三相四线制电网的特点，对其使用调压调容无功补偿是维持电网稳定的的重要手段，并联电容器是其主要的措施。而采用三相等容量同时投切容易造成某相过补偿或欠补偿、冲击电流过大等。而采用三相分相投切，晶闸管投切电容器可以有效的抑制三次谐波电流和冲击电流，能更有效更实际的对系统进行精确的无功补偿。 相四线制无功补偿的现状 现如今，三相四线制系统在电网中扮演这很重要的角色，特别是在低压电网部分采用三相四线制的接法，所以三相负荷不对称在低压 电网中也越来越严重。由于系统中缺少无功功率，对系统的传输效率又比较大的影响，所以，如今的解决方案是：配置更好的更合理的无功补偿电容器，其中补偿的是按照共补与分补相结合的方式，并在电容器投切的过程中采用可控硅投切 2。 三相四线制无功补偿实际就是因为负载不平衡，分别对每相进行补偿，利用并联电容器来实现对电网无功功率的补偿。现如今，科技全方位的发展，这也给无功补偿实现自动补偿提供了技术条件，微机控制的出现对可以实现对电网参 数的检测以及做出相应的投切命令，完成电容器的自动投入和切除。 功补偿装置的发展 同步调相机和并联电容器是无功补偿的早期无功装置。同步调相机能对系统进行动态补偿，由于运行中的噪声和损耗大，维护复杂等缺点，难以实现快速动 第 2 页 共 54 页 态补偿。在电网中并联电容器，对于经济上说，投入较小，阻抗固定，不能实现动态无功补偿。 电力电子技术的迅猛发展，给电力系统无功补偿更多的选择。电力电子技术像快速、大功率发展，而采用电力电子技术的无功补偿装置摆脱了机械型、速度慢、控制不精确等问题，为电网提高了一项空前的新技术 。 无功补 偿装置已经由电容器发展到现如今的 展情况如下图 设计的主要内容 本设计主要是对三相四线制电网部分调压调容无功补偿系统的研究和设计，并进行了模拟样机的制作和对系统数学模型的建立和仿真，主要有以下内容： (1)阐述了无功补偿装置的原理，分析和比较了 几种接线方式，分析各个接线方式的优缺点，最终选择星型带中性线的接线方法。 (2)探讨了三相四线制中检测电流和检测电压的方法，选择用晶闸管投切电容器。 (3)介绍了无功补偿的方法和补偿的电容器的容量的计算方式。 (4)设计了 三相四线制调压调容无功补偿系统的主电路，并对控制系统进行了软硬件设计，对系统进行建立相应的模型，并用软件仿真投入电容器前后的波形，并分析静态性能和动态性能。 章小结 本章是全文开篇简述，主要是描述本设计提出的发展背景和研究的意义，阐无功补偿装置早期无功补偿装置早期无功补偿装置电容器补偿同步调相机饱和电抗器静止无功补偿器 固定电容机械投切电容 功补偿装置的发展 第 3 页 共 54 页 述无功补偿系统的现状以及趋势。阐明利用晶闸管投切电容器对于无功补偿的重要性。为下文的深入研究和探讨做了很好的铺垫。 第 4 页 共 54 页 2 系统方案总体设计 电力系统中由于感性和容性负载的存在，特别是在三相四线制的电网中，存在着三相不平衡的负载，系统中存在有功和无功功率，由于三相四线制 负载的不平衡，故采用分相控制。在电力电子技术和微机控制技术迅猛发展的今天，静止无功补偿器成为了最主要的无功补偿装置，而 闸管投切电容器）是其典型。本章主要从无功的基本概念来阐述 工作原理和关键技术以及调压调容无功补偿原理。将根据设计的要求完成无功补偿装置的总体方案的设计，根据选择的满足要求的总体方案，无功补偿系统主要由数据采集单元、控制器单元、投切控制、电容器补偿单元，调压无功补偿单元以及液晶显示单元组成。 功补偿的基本概念 现在很多电器设备是根据电磁感应原理制成的，如异步电动机、变 压器等，磁场的能量由电网供给，在用电设备的运行过程中，上半周期吸收功率，相反，下半周期释放功率，功率在用电设备和电力系统中变换和流动，并没有真正的作为热量或者功率作用个出去 。即能量并没有消耗掉。这样的功率叫做无功功功率 3。 将电容和电感并联在电网同一电路中，电感和电容分别吸收 和释放能量，能量在它们之间交换，感性负荷吸收的无功可以从由电容器组成的装置中吸收。无功补偿的功率三角如下图 示： 对于无功功率有如下 公式： Q= 2 视在功率： 2 22 （ 2 由功率三角和上述公式可以知道，在一定有功率下，补偿无功功率 以提供功率因素，并减少视在功率的输出，这样可以减小成本。 S 图 2 . 1 功率三角关系 第 5 页 共 54 页 闸管投切电容器原理 本设计采用晶闸管投切电容器来对系统进行无功补偿，与传统机械投切电容器相比，其寿命非常长，晶闸管没有触点，能准确的控制投切电容器的时刻，还可以快速的无冲击的将电容器投入到电网中去，很大程度上降低了操作困难和冲击电流造成的影响，响应时间快速。 本原理 晶闸管投切电容器（ 相电路图如图 示，其中两个反并联的晶闸管起到将电容器接入电网和从电网断开的作用，其中小电感起到抑制电容投入电网时的冲击电流 5。电容器投入时的 伏安特性就是电容器的伏安特性。在工程中，将电电容器分成几组进行投切，如图 是由晶闸管进行投切。当 三角形接法和星型接法，每相可以设计成如图 样进行分组投切。根据电网对无 功功率的需求选择投入电网的支路数，使晶闸管投切可以成为一种分级且可以调节的无功补偿装置 4。 容投入时刻的选取 晶闸管投切电容器的关键是电容器投入电网时刻的选择，当电源电压和电容器的幅值和相位相等的时刻投入电容器不会造成冲击，若不相等，可能会产生冲击电流，很可能破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利的影响 3。 i =2 图 理图 图 理图 第 6 页 共 54 页 在电源峰值将电容器投入电网，在这一点，电压变化为 0，流过电容器的电流 错误 !未找到引用源。 也为 0，之后电压和电流按照正弦规律变化而且电流没有阶跃变化，这是理想的投入时刻。 发电路的基本原理 传统的机械式触头与电压和电流的变化速度相差较大，在投切时，会产生涌流，很难实现实时的无功补偿，而且容易造成过补偿的情况，本设计采用晶闸管来投切电容器，可以快速的实现将电容器投入到电网中，并在各相电压最高点投入，在电流过零时切除，实现没有冲击 电流和过电压的情况。还可以实现频繁的投入和切除且不损坏电容器，具备循环投切功能。 本系统的设计过程中的过零检测主要选用的光电耦合器的芯片是 芯片的动态响应时间很快，主要由第一引脚和第二引脚的输入和第四引脚和第六引脚的输出两部分组成， 1， 2 脚之间由一个红外二极管组成，在正向电流的作用下，发出红外光去触发输出。 4， 6 脚之间有一个具有过零检测的硅光敏开关，当第四引脚和第六引脚之间的电压为零时，才能产生脉冲去触发晶闸管的导通。 由于电容器两端的电压容易发生波动，所以晶闸管两端的电压值是不能根据电源电压来进行计算的数值，因此本系统的设计中采用了晶闸管电压过零触发电路 5，过零触触发的常规原理框图如图 示。 晶闸管两端的电压经过电阻降压之后送到光电耦合器，当电网电压和电容器残压相等的时刻，光电耦合器输出一个脉冲，经过与投入命令相与之后，经脉冲隔离放大去触发晶闸管的导通，使晶闸管实现投切电容器和投入自耦变压器的输出端，实现用调压和调容对系统进行无功补偿，当没有投入命令时，触发脉冲停止，当晶闸管电流过零时刻，图 的原理说明 第 7 页 共 54 页 切除电容 器和自耦变压器。 压调容型无功补偿装置的原理 调压调容无功补偿技术是本设计的核心部分，其通过检测电网中的电流和电压信号，通过测量芯片计算其控制器所需要的控制物理量，如无功功率和功率因数等。计算出所需要补偿的无功功率的数值，在电压在合理的范围内时，选择合适的电容器投入。 本系统主要是利用电容器的等容分组进行投切，等容分组就是把一定容量的电容器平均分为几组，分组就是电容器补偿的级数，本设计采用单个电容器补偿容量为 5相分为 5组进行补偿，这样可以实现连续的增减，而且还可以实现循环投切，对电网冲击比较小。 利用有载自耦变压器进行调压无功补偿，本设计中采用 5级调压补偿，即是利用自耦变压器的 5级输出，当投入电容器对电网进行无功功率补偿时，选择合适的自耦变压器输出的电压的等级，即是此时投入的电容器的端电压，达到调压无功补偿的要求。 由此可以实现电网无功补偿的 5统具有不同的工作方式，可以根据电压和无功限值“九域图” 7来进行控制。控制原则是尽量保证电压水平，无功功平衡，尽量少的投切次数。对系统电 压和无功进行设定进行电容投切和有载调压，让系统工作于稳定工作状态即是图中 0. 其中 1、 光电耦合零电压检测器与门 多谐振荡器脉冲隔离放大投入命令图 2 . 4 晶闸管电压过零触发电路的常规原理框图 第 8 页 共 54 页 功补偿的容量确定 提高功率因素来确定补偿容量 在电网中装设无功补偿装置就是为了实现对电网的无功补偿，投入电网的电容器的容量不是任意的，需要对电网进行参数的检测和信号的处理来选择合适的容量，对电网无功补偿是一项必不可少的步骤。其中，计算方法选用从提高功率因素来确定补偿的容量。假设电网中需要补偿的线路的有功功率为 P，补偿前的功率因素为 错误 !未找到引用源。 ，而在补偿之后变成了 2错误 !未找到引用源。 ，计算补偿的电容器的容量可以用下面的公式进行计算 ： )2 2 其中， 电网中需要补偿的无功功率。 对于补偿之后的功率因素的选择，应选取在 间的合适的值。当功率接近于 1 时，需要投切的电容器比例大，效益比较小，此时，再增加补偿电容器的容量是不 经济而且有可能会造成过补偿，一般情况下，将功率因素提高到 经算是很好的很合理的无功补偿系统。 U 1U 2Q 1 Q 2187306345图 2 . 4 电压和无功功率限值区域图 第 9 页 共 54 页 在并联电容器分组补偿中，电容器的补偿容量与电容器的接线方式有关。在三相四线制的电网中，电容器的容量可以根据一下公式来计算： 32 1023 （ 2 错误 !未找到引用源。 公式中， 电容器的补偿容量 f 是电网的频率 50 是三相电网中的相电压 C 是补偿电容器单相的电容值。在三相四线制电路中，三角形接线线电压 和相电压相等，而星型接线是相电压是线电压的 3 倍，由此可以看出，电容器的星型时的电容器容量是三角形接线时候的 3 倍。 降低线路损耗来确定补偿容量 补偿之前的线路电流 1I ，有功电流 1无功电流 错误 !未找到引用源。 ，电容器补偿之后电网中的电流发生变化，线路电流、有功电流、无功电流分别是 2I 错误 !未找到引用源。 ， 2 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 ： 补偿前的损耗是： r 22211 )133 （ 2 补偿后的损耗是： r 22222 )233 （ 2 补偿后降低的百分值： %100)2( 2 P （ 2 由于 错误 !未找到引用源。 已经能计算出 来，可以求得： P 1/1 （ 2 由此可以计算出需要补偿的电容器的容量： )2 （ 2 提高运行电压来计算电容器的容量 在电力系统中，电网的末端电压较低，一般情况是通过无功补偿来进行调压的，所以，这就需要从提高电压的角度来确定补偿的电容器的容量。 假设补偿电容器之前的线路电源电压是 1U 错误 !未找到引用源。 ，线路的末端的电压是 2U 错误 !未找到引用源。 ，电网线路输送有功是 P，无功是 Q，线路中的等效电阻是R,等效电抗是 X，那么有如下计算公式： )/( 212 （ 2 对电网线路投入电容器进行补偿 ，线路末端电压变化为 : 第 10 页 共 54 页 212 /)( （ 2 以补偿的电容器的容量为 : c /2 s （ 2 公式中 U 错误 !未找到引用源。 为线电压增量，对于三相四线制的电网，采用的是分相补偿，所以，每一相都是独立的进行调压和调容无功补偿，投切电容器时，为了确保电容器的寿命，我们采用循环投切。 压调容无功补偿装置的要求 （ 1）根据实际的测量信息，如电压、电流、相位、功率因数等，选择合适的投入支路数及调压电容组的工作电压，对系统进行无功功率的补偿和调节电网的电压。 （ 2）能实时的显示电网各个参数，并能显示系统在运行中的状态，能监控电网参数以及能显示出来，以便能查看无功补偿系统在运行时的各个状态和参数 。 （ 3）能对无功补偿系统进行故障的检测。 调容调压系统工作流程图如下所示： 压调容无功补偿系统主接线图 调压调容无功补偿装置的主电路是由晶闸管、电容器组、有载自耦变压器以及其他电路或者附件组成的。三相电容的接线方式有两种： Y 接线和接线 8。当三相电容器器的接法是接线时，晶闸管有三角形内控制和外控制两种方式，在三相负荷不平衡的电路中，由于功率因数角与电流差异比较大，故只用于三相共补电路，但是也有一定的优势 ，如可以减小晶闸管阀的电流容量和无中性点漂移等。而 Y 接法时，晶闸管的电流比三角形接法时大，为 3 倍。投入和切除的过程中，可能有比较大的冲击电流，但是容易控制，电路简单 。晶闸管投切电容器通常有以下几种接法： （ 1）三角形内控接法：如图 示 ,这种接法中，电容器组成的三角形的内部是电压电流采样控制物理量的计算根据控制目标计算投切指令输出投切指令进行调压调容主回路的参数发生变化图 2 . 5 调压调容无功补偿装置的工作流程图 第 11 页 共 54 页 晶闸管，这种接法可以利用两相之间电容值不相等来进行分相补偿，但三角形内部电容量不确定，当晶闸管导通的时刻，电容器两端的电压与电网电压之间的大小相差较大时，很容易发生冲击电流的情况，控制 方法也是比较复杂的，故在无功补偿系统中，三角形接法常用于三相无功平衡的系统。 （ 2）三角形外控接法：如图 示接法中，晶闸管在电容器三角形外面，与内接法比较，体积比较小且控制较为复杂，可以减小三次谐波的产生，该接法比较常用于三相平衡负荷电网系统。 （ 3）星型有中性线接法：此种接法如下图 种接法的优点很突出，在三相四线制的电网中，能对系统分相分组补偿，且晶闸管承受电压的能力比较低，由于中性线的存在，抑制三次谐波的能力比较弱，而且中性线上需要连接限流器，这样加大了系统的复杂性。这种系统主要应用于 三相四线制电网无功不平衡系统。 （ 4）星型无中性线接法：如图 示，此种接法用于三相三线制，没有中性线，可以很有效的抑制三次谐波，但是需要两相才能形成回路，不能实现分相补偿，在无功不平衡系统中不适用。 a b c d 图 闸管投切电容器接法 图 第 12 页 共 54 页 以上 4 种接法中，只有星型有中性线接法适用于三相无功不平衡系统，此种接法可以实现分相分组补偿，还可以实现分等级精度的调节。 调压调容无功补偿主要是运用有载自耦变压器分等级输出与电容器配合进行补偿无功功率，其接线方式如图 示，即是每相接入一个分等级输出的有载自耦变压器，每两级输出的电压可以根据无功 差一致来设计 错误 !未找到引用源。 1： 2)(2Q 22 12 （ 2 调容无功补偿相互配合一起工作，达到分等级精度的调节。 检测单元中的电流传感器和电压传感器从三相四线制电网中检测到与控制相关的参数，将这些参数转换成控制信号，传送到控制器。 控制器接收到来自检测单元的信号，选择投入的电容器的支路数和投入的电容的电压来实现对电网无功功率的补偿。 执行单元接收到控制器发来的命令后，通过投切开关控制电容器并入电网和从电网中切除，完成补偿以及保护。 三相四线制的电网补偿网 络采用的是晶闸管投切电容器，而调压无功补偿部分采用的是有载自耦变压器进行调节投入的电容的电压来进行无功补偿，本设计的要求是实现5 X 5 等级精度的调节，从接线图可以看出，可以实现这种等精度的调节。 件控制电路的设计方案 本设计包括以下几部分：以单片机为核心，实现数据的输入，处理和输出控制等功能，周围的电路包括显示电路、检测电路、调压电路、调容电路和控制电路等。 本设计采用的是 片机作为控制器，这是一种可编程以及可擦而且只读的存储器，还高性能 微机处理器是一种增强型 单片机。 图 耦变压器调压无功补偿接线图仿真波形 第 13 页 共 54 页 采用单片机对检测电路的信号接收，并对信号进行处理，再发出控制信号给控制电路，控制晶闸管的投切进行调压和调容。显示电路通过单片机检测到的信号将电网中的信号显示出来。 过零检测电路主要是检测晶闸管两端的电压为零的时刻，将过零时刻的信号传送给单片机，单片机根据测量电路传来的信息选择投入的补偿支路数，选择过零的时候投切。 测量电路选择一块能测量电压、电流、无功功率和有功功率等的芯片，再将测量到的数据输送给单片机进行处理。 系统组成如下图 示： 制系统软件总体设计方案 对于无功补偿系统来说 ，通过检测器对电网参数的检测，并选择投入电网的支路数，实现无功补偿系统的自动控制，其中最关键的就是软件设计，其影响到控制系统的性能，设计之前，有需要提出软件设计的原则，在系统的设计方案中，有必要对系统中涉及到软件的每一个功能，进行详细的分析以及论述。 件设计的原则 由于本设计的控制系统选用的控制芯片是单片机，结合软件设计的要求，系统设计时需要遵循几个原则： （ 1）软件设计的实时性：对于无功补偿系统，控制系统的实时性是至关重要的，因为我们需要对监测电网的时刻进行补偿，而不是对监测时刻之后的电路的状 态进行补偿，所以在控制系统中，要求单片机尽可能的在最短的时间内，完成软件的处理过程，并作出相应的控制策略。 A 相检测B 相检测C 相检测测量计算电路单片机显示电路报警电路过零检测投切控制电路图 2 . 8 三相四线制调压调容无功补偿系统总框图 第 14 页 共 54 页 （ 2）软件程序的可读性：程序的可读性是后面程序修改和可维护性的基础，为了提高可读性，应采用模块化设计，这样软件