毕业设计（论文）-基于单片机的静止无功补偿装置TSC的投切控制器设计.docx

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 II 页编号： 毕业设计说明书题 目：基于单片机的静止无功补偿装置 TSC的投切控制器设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2016年5月26日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸摘 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（TSC）无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TSC的投切控制器，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STC12C5A60S2作为主控芯片，STC12C5A60S2是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TSC无功补偿，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：TSC；无功补偿；功率因数；电能质量；上位机全套设计加扣3012250582AbstractWith the rapid development of science and technology, large impact loads are widely used in industry and life, because these loads are mostly presenting perceptual, which have lots of negative effect on power quality problems, such as voltage fluctuation and flickerof power grid. We decided to use the reactive power compensation to solve the problems in this case. In fact, the reactive power compensation has appeared in the twenties of the 20th century, we have found numerous ways of compensation now. But taking the economical and the technical factors into consideration, the Thyristor-Switched Capacitor (TSC) is the most cost-effective way undoubtedly, so the main purpose of this paper is that design a TSC reactive power compensation device based on single-chip static switching controller to ensure power quality.The basic theory and control strategy of reactive power compensation is described in the paper, and then the hardware and software of the prototype device of reactive power compensation is designed. The hardware part uses STC12C5A60S2 as the main controller, the STC12C5A60S2 is a MCU of dual serial integrated internal reset circuit, it can make some simple the data processing and storage, measurement of voltage and current, reactive power compensation and automatic switching on or off control. Software design obey the principle of modular design by the C language programming , to ensure that the system has a stable software control system; PC realize the communication function with computer based on Kingview. When the power factor is lower than the normal value, system realize TSC reactive power compensation by main controller, to remain power factor in the normal range, which is helpful for getting reliable electrical energy.Finally, comparing the design scheme with the actual compensation effect, and making some summaries about the design to lay the foundation for the further development of reactive power compensation technology.Key Words: TSC; reactive power compensation; power factor ;power quality; upper monitor桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共38页1 绪论1.1 无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。1.2 无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（Static Var Compensator,SVC），就开始兴起。SVC不含旋转部件，能够实现平滑、快速、可控的无功补偿。SVC是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，SVC大体可以分为TSC和TCR。（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（GTO）为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（SVG）作为更高级的无功补偿装置就出现了，SVG使用GTO器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，SVG又称作静止同步补偿器（STATCOM）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1.1所示。通过对表1.1中各种无功补偿方式的比较，不难发现TSC的响应速度较快、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，TSC基本可以满足无功补偿的需要，而且相对于SVG，TSC控制更加简单、投资更小，因此TSC仍是当前无功补偿装置的主流。表1.1 各种无功补偿装置性能同步调相机TSCTCRSVG吸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1.3 国内外无功补偿发展现状20世纪70年代，SVC已经开始兴起。现今，TSC无功补偿装置在国外电力系统己经实现商业化，像ABB、Siemens等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SVC补偿容量已经超过5104MVar，这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TSC的SVC无功补偿装置，从安装补偿装置前后效果看，SVC无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Eddy County变电所装设额定电压为8.5KV的高压TSC和TCR复合无功补偿装置，每个高压TSC单元的补偿容量是76MVar，每个高压TCR单元的补偿容量是74MVar，通过复合补偿，基本满足变电所-50MVar (感性)至+100MVar (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l0kV的TSC装置投入变电站运行，这标志着我国在高压TSC领域有了一席之地。当前我国已经有5个500kV的变电站装备SVC无功补偿装置，这些装置能够实现105170Mvar无功补偿，但在500kV以上的变电站，当前我们还未能实现。目前，从实际运行效果看，大容量高压TSC无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TSC无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。1.4 论文主要内容根据上述分析可知，使用TSC无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TSC的投切控制器， 论文的主要内容如下：（1）TSC无功补偿的基本原理；（2）TSC无功补偿的控制方式；（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 30 页 共38页2 TSC无功补偿原理2.1 无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。2.1.1功率简介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=UI （2-1）但在交流电路中对有功功率有：P=UIcos （2-2）其中cos是电压电流相位差的余弦值，通常cos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 Q=UIsin （2-3）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；（2） 增大压降；（3） 增加设备及线路的损耗。线路损耗公式： P=I2R=P2+Q2U2R （2-4）当输电线路上的无功功率增加时，根据式（2-4）的线路损耗公式可知，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：S=UI=P2+Q2 （2-5）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2.1所示。图2.1 功率三角形对于用电企业，当它消耗的有功功率P不变时，如果功率因素越小，企业所需的无功功率Q就越大，根据式（2-5）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。2.1.2功率因数在三相对称电路中，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： S=UI=P2+Q2 （2-6）其中，是三相各线到人为中点电压与对应电流乘积的代数和。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，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2.2所示。 a)补偿原理 b)欠补偿 c)过补偿图2.2无功补偿原理及其补偿相量图 如图2.2a，当RL电路并入电容C后，电路总电流I=IRL+IC。如图2.2b，当RL电路并入电容后，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2.2c，进行无功补偿时，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。2.2 TSC无功补偿原理TSC单相结构如图2.3a所示，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) TSC单相结构 b)TSC单相分组投切图2.3 TSC单相原理TSC有“投入”和“断开”两种工作状态，当电容器投入时，TSC电压电流运行特性就是该电容的伏安特性，即如图2.4中的OA所示。在工程实际中，一般将电容器分成几组（如图2.3b所示），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2.4所示，如果投切量越大，对应的电压电流特性线就会越陡。图2.4 TSC电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，系统支路电压可以表示为： ust=Umsint+ （2-7）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，TSC支路上的电流可以表示为 it=k2k2-1UmXCcos(t+) （2-8）其中，k=XCXL=n=fn/fN是LC电路自然频率fn和工频fN之比，XC=1C，XL=L。电容上电压的幅值为 UC=k2k2+1Um （2-9）当电容电流为零时，晶闸管会自动关断，TSC支路处于断开状态，此时电容两端承受的电压就等于电源电压的极值8，即 UC=k2k2+1Um （2-10）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。2.3 TSC控制系统 TSC运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2.5所示。图2.5 TSC系统运行结构根据系统工作流程图可知，TSC控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：（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。2.4 TSC主接线 TSC主接线有三角形接法和星形接法，常见的主接线如图2.6所示图2.6 TSC主接线图2.6ad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2.6c和2.6d中的电容器属于三相电容器。图2.6a方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2.6b方案中，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2.6a方案慢一些，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2.6a中的方案在半个周期内就能够完成，但是图2.6b中的方案不能再办个周期内关断，因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2.6b方案比图2.6a方案响应速度稍慢，但切除电容器使用的时间通常都不超过一个周期。图2.6d方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2.6e方案和图2.6f方案都是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2.6e的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2.6f接线方式，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。2.5 电容器分组投切 2.5.1电容器分组补偿方式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610kV变电站降压母线，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。2.5.2无功补偿容量计算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（2-11）决定 QC=tan1-tan2avPC （2-11）其中 1-无功补偿前的功率因数角，对应的功率因数可以取最大负载所对应的值； 2-无功补偿后的功率因数角，补偿后的功率因数一般取0.90.95； av-月平均负载率，常取0.70.8； PC -月最大有功负载，单位为千瓦（kW）； 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 QC=3ULIC10-3=3CUL210-3 （2-12）其中 UL-装设点电压过电压，单位为伏特（V）； IC -流过电容器的线电流，单位为安培（A）； -角速度，=2f； C-每一相电容器容量，单位为F。由于电网线电压UL的单位通常选择kV,那么每相电容器补偿容量C (单位为F)为 CY=C=QC103UL2 （2-13）(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，如果选择的补偿电容器容量太大，系统就很可能出现一个很大的过电压，使电动机发生故障。因此，为了避免这种问题，选择的电容器补偿容量QC要合适，选择条件是：保证投入电容器之后，通过电容器的电流应该小于或等于电动机空载电流I0，即 QC3UNI010-3 （2-14）其中： UN-供电系统额定线电压(V)； I0-电动机额定空载电流(A)。如果电动机空载电流 I0不能直接查到,可以使用式（2-15）估算 I0=2 INM(1-cos) （2-15）其中： INM-电动机额定电流(A)。如果实际运行电压与电容器的额定电压不相同，电容器的实际补偿容量QC,可以表示为： QC,=UUNc2QNc （2-16）其中： U-电容器组实际工作电压； UNc-电容器组额定电压；QNc-电容器组额定补偿容量。2.5.3电容器分组(1)电容器分组原则：1)对单独补偿设备，可以不用分组，直接与该设备相连；2)配电装备并联电容器的主要目的是为了保证系统获得的功率因数在期望范围内，各组电容器具有随系统负荷变化而自动投切的能力，如果负荷变化比较小，那就可以根据主变压器的台数进行分组，实现手动投切电容器；3)终端变电所并联电容器的主要目的是提高供电电压以及补偿主变的无功损耗，各组电容器需要具备随电压波动可以自动投切的能力，而且投切时产生的电压波动不超过电压额定值的3%；4)如果主变配备有载调压装置，在进行分组时，需要考虑有载调压的范围，再根据控制策略投切电容器；5)对电容器容量的要求：可以匹配串联电抗器的额定参数；断路器可以正常关断，尽量做到不击穿；如果某一台电容器发生故障，该组正常运行的电容器所发能量不超过电容器爆裂能量值；补偿电容器的总容量稍大于或者等于系统所需的最大补偿容量12。(2)分组方式根据分组之后电容器的容量是否相同，可以把分组方式分成等容和不等容。假设系统所需的补偿总容量为QC，如果电容器使用不等容分组，则每一组电容器的补偿容量Qn为： Qn=2n-12n-1QC （2-17）不等容分组不但能够为电网提供阶梯型调节的无功功率，而且每一个阶梯的无功功率变化幅度都相同，但是由于非等容分组方式在改变投入量时可能会引起较大无功功率变化，容量不大的分组断路器会频繁动作，这就很容易导致这部分断路器损坏，为了避免投切时无功功率变化较大的问题以及提高电容器组的使用寿命，同时确保系统具备更好的调节能力，在分组时常常会选择N-1组等容Q，有一组容量为Q/2的分组方式。2.5.4电容器投切根据系统正常供电设计合适的补偿容量和补偿方式后，当检测到系统功率因素太低时，就需要投切电容器为系统进行无功补偿，电容器基本的投切方式可以分成自动投切和手动投切两种。自动投切方式可以根据测量结果对系统进行实时补偿，不需要人为操作，能有效避免过补偿，有利于大功率条件下进行无功补偿；手动投切方式是人为操作，需要人们根据测量结果确定进行无功补偿，但这种方法容易造成过补偿，不利于大负荷条件下操作，但当发生紧急故障时，手动投切能代替自动投切解决一些补偿问题，因此我们在实际设计时，把手动投切与自动投切相结合，把这两种投切方式的优势充分发挥出来，为系统提供更安全、高效的补偿。电容器的投入时刻有很多，不同投切时刻回路产生的冲击电流会有差异，对系统造成的损害程度也有差别。根据电容器的特性方程 iC=CduCdt （2-18）可知，在晶闸管导通前，如果电容器的充电电压没有达到电源电压的峰值，电容器两端电压的变化率就会相当大，根据式（2-18）可知，电流iC也相当大，此时产生的电流被称作浪涌电流。如果浪涌电流较大时，它可能会直接击穿电容器，并对电网产生冲击，阻碍电网的稳定运行，因此我们需要选取比较理想的时刻投入电容器，尽量产生较小的浪涌电流，减小投入电容器时刻对系统产生不利的影响。选取投入电容器时刻的总原则是：当TSC投入电容时，电容器预充电电压的峰值等于电源电压的时刻。因为这两者相等时，电源电压的变化率就等于0，如果此时就把电容器投入，通过的电流iC=0，之后电流iC就会以正弦规律继续变化，因此，在这个时刻投入电容器非但没有冲击电流产生，而且电路中的电流还会以正弦规律变化，此时就是电容器最佳的投入时刻。然而，在实际应用时，由于系统会受到各种干扰，要做到在电容电压等于电源电压峰值之时投入电容器会很困难，因此以前可以通过先给电容器预充电，保证投入时刻电容电压等于电源电压峰值，但是如果使用这种方法会把系统电路复杂化，延长电容器的投入时间，还会大大增加资金的投入，所以这种方法现在不流行。当前普遍采用的方法是在晶闸管两端加上电压检测电路，检测到电网电压和电容电压过零时就投入，这就是通常所说的电压过零投切。因为在晶闸管两端加上零电压触发装置之后，就不用再考虑电容器中残压的大小，只需要把晶闸管两端电压的变化情况通过光耦发送到检测器件，如果检测器件检测到晶闸管承受的电压等于零时，就能够确定此时电网电压等于电容器两端的电压，如果此时收到投入电容器的信号，系统就会在投入信号和零电压检测信号的共同作用下触发晶闸管，实现电压过零触发，这种方法不产生涌流电流，保证系统不会因投切电容器而发出异常。2.6 无功补偿控制策略虽然投切电容器的方式只有两种，但根据选择的控制物理量的差异，TSC投切控制方式却可以分成许多种，比较常见的方式有：按功率因素、按无功功率、按电压和按电流控制以及这四种控制方式的复合控制方式等,接下来就对这四种控制方式进行简要介绍。（1）按功率因素控制功率因数cos表示有功功率占视在功率的比例。功率因数控制就是通过对线路中的电压和电流进行采样检测、推算出对应的功率因数，将推算出的功率因数与实际所需的功率因数比较，如果电路实际的功率因数小于所需的功率因数，就根据它们的差值发出相应的投切信号，通过主控控制，投入电容器，减小电路中电压与电流之间的相位差，如果检测到系统的功率因数超过所需功率因数范围的上限，主控就会控制补偿电容器从系统中切除，最终使供电路的实际功率因数满足要求。这种控制方式的一个关键就是设定功率因数投入门限值和切除门限值，根据门限值的大小确定投切电容器的容量，这种控制方式原理简单、易于控制，所以在工程实际中被广泛使用。（2）按无功功率控制无功功率控制方式以无功功率作为无功补偿控制量，通过检测线路电压与电流，根据检测的电压、电流推算当前所需无功功率的大小，如果这个值比一组电容器补偿容量还大，就可以把投入电容器，然后再继续检测、推算所需的无功功率，直到所需无功功率小于一组电容器的补偿容量，就停止投入电容器。这种无功补偿控制方式的补偿精度高、响应速度快，可以避免因投切电容器而产生的振荡问题，有效地延长了电容器的使用寿命。（3）按电压控制电压控制方式主要根据系统无功功率增加，就会导致电网电压下降，为了保持电压稳定，首先要为电压值设定一个范围，然后对电网电压进行检测，将检测值和设定范围比较，如果检测值低于设定范围下限，就开始投入电容器，当检测值接近设定值上限时，就开始切除电容器，这种控制方式能够保证电网电压在一定范围内，但是由于电容器只能进行容性无功功率的补偿，如果系统无功过剩，此时就难以实现对地平衡。（4）按电流控制在功率因数不变的条件下，无功功率 Q=3UIsin （2-19）如果此时负载两端的电压U也不变，那么无功功率Q与电流I成正比，这种控制方式根据电流的大小对电容器进行控制，操作简单，但由于补偿之后，功率因数势必升高，按照这种控制方式补偿，所得的电压和功率因数都很难满足要求，因此在实际中很少使用这种控制方法。2.7 电容保护当前，电容器已经广泛应用到无功补偿领域，这为输送稳定电压、传输安全、可靠的电量提供了保障，但电容器在运行时可能会出现过电压、过电流、等影响系统正常工作的问题，这些问题会加快电容元件的损坏，大大增加设备投资和运行费用，但是电容器补偿装置通常只设计电流保护和内部故障保护，对于高压运行条件下的设备，一旦出现故障，将会给设备，甚至系统带来巨大损害，而且大量事实证明，故障的发生与电容器补偿装置没有完善的二次保护有关，因此，我们必须对补偿电容器配备完善的保护装置，只有拥有完善的保护装置才能确保故障出现时，能够快速、可靠地将故障从电网上切除，最大限度确保无功补偿装置和电网运行安全。电容器保护可以分为内部保护、外部保护。内部保护主要借助电容器内部自带的保护装置进行保护，这部分保护可以直接使用，因此在这不对内部保护不做过多介绍，本文主要介绍外部保护中的继电保护。常用的继电保护主要有以下几种：（1）过压保护：过压保护是为了确保当检测到电容器两端的电压高于过压时限时，电容器能从电路中切除下来，避免过电压对电容器产生破坏，如果检测到又需要无功补偿，就再投入电容器。在无功补偿过程，电容器的功率损耗与工作电压的到相关， P=U2R （2-20）根据式（2-20）可知，电容器的功率损耗与工作电压的平方成正比。如果检测到任意一相的相电压高于电路整定值，保护装置就会对系统进行过压保护，通常的过压保护装置是氧化锌避雷器。氧化锌避雷器的工作原理是当电路工作电压小于压敏电压时，压敏电阻的阻值会很大，此时它相当于断路状态，但是如果它受到冲击电压，压敏电阻就会呈现低阻态，于是被击穿，此时它相当于短路状态，多余的电流通过它流入大地，而且压敏电阻的击穿是可逆的，当高于压敏电压的过电压消失后，压敏电阻会恢复到高阻态，这样就能够有效保护设备免受过电压的损坏13。 (2)过流保护：无功补偿装置一般会使用熔断器作为电容器过流保护器件，如果电容器发生短路，电路电流瞬间增大，熔断器会把故障电容器迅速切除下来，保护系统上的其他电容器不受过电流损坏，确保其他电容器仍能正常工作。在系统设计时，需要为每一台电容器配备单独的熔断器，当检测出某一台电容器发生故障时，这台设备上的保险丝会立刻熔断，这样就能够保证其它电容器继续正常工作。一般情况下，选择的保险丝所承受的电流是设备额定电流的1.52.5倍，同时还要一定的熔断时限，当检测到流过电容器的电流高于保险丝安全工作值，而且超过过流时限时，熔断器就会立即切除该组电容器，保护其他设备正常运行。(3)电容速断保护：如果检测模块检测到电容器两端电压，或者通过的电流超过速断保护的上限值，电容器就会被从电路中切除。(4)欠压保护：在电容器投入后，如果检测模块检测到任意一相电容器两端承受的电压低于设定的欠压保护值，并且时间超过了欠压时限后，电容器将被从电路中切除。设计欠压保护是为避免电容器失压之后，电容器自身带有的电荷仍能使电容器继续运行，这种运行方式很容易对系统设备造成损坏，因此需要进行欠压保护。(5)零序保护：当电容器内部发生单相接地故障时，如果电容器容量非常大，此时电网产生的不平衡电流也会非常大，如果系统装备零序保护，发生故障时会有一部分电流流入大地，使得通过电容器的电流不会过大。零序保护灵敏度高、设备运行维护的投入也不高，但是前期投入比较大，而且加上零序保护后，系统不容易平衡调整。(6)缺相保护：如果检测到电路有缺相问题，立刻把该组电容器切除，避免缺相电路对其他相产生干扰。 (7)放电保护：当某一组电容器切除以后，如果检测到系统又要投入电容器，不要立即把刚刚切除下来电容器再次投入，需要先经过一段时间的放电（通常是10分钟）才把刚切下的电容器再次投入。3 系统硬件设计系统硬件的设计以STC12C5A60S2芯片和CS5463测能芯片，通过控制晶闸管投切电容器，该补偿装置以STC12C5A60S2为核心主控制器，通过主控制器对电容进行控制，为系统提供无功补偿，本章主要介绍硬件电路的设计，根据测能芯片的采样参数对晶闸管发出投切电容器的信号，并将投切效果显示在液晶屏上。3.1 控制原理及硬件总体结构设计TSC无功补偿装置的硬件电路主要由检测模块、控制模块、电源模块和执行模块四部分组成。检测模块主要用于负载电压和电流的采样处理，然后把采样信号传送给控制器；控制部分先对检测信号发来的电压、电流信号进行计算，再根据电容器投切控制策略作出投切决策，输出投切指令；执行部分则是根据控制器发出的投切指令，经过晶闸管控制补偿电容器的投切，执行控制器发出的投切指令；电源模块主要是用于给其他的电路模块提供电压，使各部分能够获得合适的电压，保证系统正常运行。图3.1表示无功补偿系统的总结构框图，测能芯片选择CS5463，主控芯片选择STC12C5A60S2，控制器在工作时，测能芯片CS5463采样电路中的电压、电流信号，测能芯片与主控芯片STC12C5A60S2连接，把侧能芯片的采样信号传输给主控芯片，当检测到网络需要投切电容器时，主控芯片就会发出投切指令，使触发驱动电路动作，给晶闸管发出触发脉冲信号，使晶闸管得以导通。该装置可以显示电路电压电流及功率因数，具有完善的保护和报警功能，在发生故障时能够迅速切断故障电路，保护系统安全，同时系统还设置自动和手动两种调节方式，这种投切方式对于提高系统的功率因数、消除电压的波动和闪变、降低系统损耗、提高电能质量都有重要意义。图3.1 无功补偿系统总结构框图3.2 主控制电路设计3.2.1主控芯片介绍主控芯片选择STC12C5A60S2，它是宏晶科技推出的一款单时钟双串口单片机，它属于新一代51单片机，其引脚如图3.2所示。图3.2 STC12C5A60S2引脚相比于传统的51单片机，新系列51单片机功能更加强大，具体表现如下：响应速度快，新系列51单片机的响应速度是传统51单片机的812倍；传统的51单片机的I/O口灌电流约为6mA，驱动能力非常有限，但STC12系列单片机的I/O口灌电流能够达到20 mA（在加限流电阻的情况下），为了系统工作安全以及芯片的稳定运行，整块芯片允许通过的最大门限电流最好