毕业设计（论文）-低压电网无功补偿.doc

河北工业大学毕业设计（论文） 河 北 工 业 大 学 继 续 教 育 学 院毕 业 设 计题目： 姓名： 导师： 学历： 年级： 2010级 专业： 全称 学号： 空着 摘 要无功功率作为电网正常运行必须的功率组成部分，我国现行电网尤其是0.4KV的低压电网部分，普遍存在着系统无功补偿落后，电网功率因数低的问题，这也导致了我国低压电网损耗较大、经济性较差。本文介绍了无功补偿的发展历程及目前国内外的研究现状，重点分析了TSC型无功补偿装置的控制策略、触发方式等技术，以AT89C51控制芯片为核心，设计了较为完整的系统硬件电路。对整体硬件给出了软件系统结构框图，选用C语言编程，采用模块化的设计原则，可以有效的提高装置的可靠性及易维护性。在MATLLAB环境下对系统进行仿真实验，仿真的结果表明所设计的硬件结构及选择的控制方式能够很好的完成无功补偿的工作，符合设计的要求。关键词：无功补偿；过零投切；晶闸管投切电容器ABSTRACT As a necessary part of the normal power grid, reactive power is the indispensable key in the power system. It is a great energy loss and poor economy in chinas low voltage power grid because of the reactive power shortage and low power factor which generally exist in chinas current power grid especially the part of 0.4kv. This paper introduces the development of the reactive power compensation and the present research situation of both at home and abroad, and then, analyses the TSC type of reactive power compensation equipment such as its control strategy and trigger mode technology, act. In this paper the hardware circuit is designed based on the digital signal processor AT89C51, this paper adopts the C language and gives software system structure diagram. The simulation model of main circuit is established and simulated in MATLAB. The result of simulation shows that the hardware structure and the choice of the control mode can be good to complete the work of reactive power compensation. So it comply with the design requirements.Key words：Reactive power compensation; Zero-crossing switch; Thyristor Switch Capacitor(TSC)目 录第一章 绪论11.1 课题背景与科研意义11.2 无功补偿的研究概况及发展趋势21.2.1 基于柔性交流输电系统（FACTS）的无功补偿技术31.2.2 我国无功补偿的现状51.3 无功补偿装置存在的主要问题71.4 无功补偿的基本原则8第二章 TSC无功补偿算法研究102.1 无功公式法102.2积分法112.3移相法112.4 傅里叶变换法122.5 检测点的选择122.6 触发晶闸管的控制原则13第三章 仿真实验及结果分析173.1 算法介绍173.1.1 功率因数控制173.1.2 无功功率控制183.1.3 综合控制183.2 设计电路的仿真及结果分析19第四章 系统的硬件设计214.1 系统的基本原理与硬件总框图214.2 系统各个功能模块214.2.1 AT89C51介绍214.2.2 电源模块224.2.3 信号调理电路234.2.4 电压电流功率因数的测量244.2.5 触发晶闸管的电路设计254.2.6 显示电路及键盘设计26第5章 系统的软件设计285.1 投切总体设计方案285.2 无功功率和功率因数相结合的控制方法流程图295.3 液晶显示部分程序设计295.4系统抗干扰设计30参考文献32谢 辞34附录 部分程序源码3539第一章 绪论无功功率对电力电网系统和维持电力设备的正常运转有着极为重要的作用，不仅电网上的设备元件要消耗无功功率，负载的日常运行也要消耗大量的无功功率。那么无功功率从何而来？发电机虽然可以生成无功功率供给电网的消耗，但由于发电机位置固定且距离较远，所以此种长距离输送无功功率的提供方式极不合理也极不经济，在实际中一般也不会采用这种方法。电网中所需的无功功率的来源主要是各种无功功率补偿装置在电力系统运行的各个环节的无功补偿。因此，作为保证电网电能质量和电力系统经济运行的基本手段，无功补偿在电力系统中占有极为重要的地位。无功补偿的作用主要是：1、补偿电网的无功损耗，提高电力系统的功率因数2、加强电力系统的电力输送能力，提升电气设备的利用率3、减少线路的损耗和变压器有功损耗4、减少设备设计容量5、改善电压质量我国现代化进程的推进，使得电网的接入负载越来越多，尤其是非线性的大功率负荷，所带来的谐波污染和无功冲击问题给电力系统的安全经济运行造成了极大的压力，由于无功调节的手段相对滞后，电网的母线电压随着运行方式的改变往往会产生较大的波动，形成了多种电能质量问题，主要有三相不平衡、电压闪变和波动、功率因数低、功率冲击、谐波含量高等。因此，如何进行快速准确的无功补偿就成为了电力系统研究人员函待解决的重要问题。1.1 课题背景与科研意义无功功率是电力系统正常运行的必不可少的组成成分。如果没有足够的无功功率保障，系统的感性负荷消耗和设备的无功损耗就会使得电压下降，电能质量遭到破坏。如果无功功率分配不合理，那么也会增加电网的线路损耗，使得电力系统的经济性变差，造成浪费。随着人们生活水平的提高和家用电器的普及，低压用户，特别是住宅用户和农村电网用户的用电量大幅增长，低压电网过负荷现象频繁出现，与此同时功率因数也在进一步降低。同时，新加入的电气负荷多为无功功率需求很大的电动机、压缩机等旋转设备和电气装置，加重了低压线路的能量损耗，使得低压电网的功率因数处于较低的水平，大约只能维持在0.65-0.70之间。低压电网的无功功率主要还是来源于上级电网的远程输送，而无功功率在电网的大量流动，会造成线损，并增大线路的电压降，这极大地影响了电能质量、电网效益及供电能力。此外，我国低压供电的现状是用户量大面广，功率因数多数较低，在传统的三大线损（输电线路，高压配电网、低压用户）部分，也以低压用户的损耗最大。因此，对低压电网进行无功补偿是十分必要的，既可以补偿低压线路的无功损耗又能满足负载设备的部分无功需要，降低了无功功率在电网中的流动量，尽可能达到就地平衡，这样有利于降低线损，起到改善电压质量和提高供电能力的作用。一般电力系统的供电质量都要考虑电网功率因数和补偿深度的因素，我国在这两方面与欧美日等世界发达国家相比，都有着较大的差距。目前，欧美日等发达国家的供电质量明显较我国要高，一般其电网的功率因数能补偿到接近1.0，而补偿深度则更达到0.5以上，这一指数在我国仅为0.45。电网损耗较大，功率因数低的情况是我国的电网，特别是低压电网长期以来都普遍存在的，严重的影响了我国的电网供电质量。因此，解决低压电网无功功率补偿问题，对我国电网系统的安全、经济、有效运行有极为重要的意义：1、解决无功功率补偿的一系列问题。2、节约电能。在电网中循环的无功功率造成极大地浪费，若是能够处理好无功功率的问题，不仅能够起到促进节能的目的，还能减少电力系统中输变电设备和变压器的容量。3、无功补偿的过程会生成大量的相关电力数据，可以帮助相关人员掌握其运行经济规律，进而进行统计、分析，并提出改进措施确保电网的经济安全运行。4、保证电网电能质量，维持电力系统安全经济运行。1.2 无功补偿的研究概况及发展趋势无功补偿技术的发展是一个不断创新、不断完善的过程，主要分为静止补偿装置和动态补偿装置两大类，其主要类型如图1-1所示。图1-1 无功补偿装置主要类型静止补偿装置主要为早期补偿使用，如同步调相机、固定补偿电容器等，目前虽有部分产品仍在使用，但其技术已越来越落后于无功补偿的现状。1.2.1 基于柔性交流输电系统（FACTS）的无功补偿技术进入二十世纪，电力电子技术发展迅猛，并且在电力系统中得到了广泛的应用，晶闸管以其良好的导通性能成为无功补偿装置的应用首选。七十年代末，美国西屋电气公司首次将使用了晶闸管的静止无功补偿装置投入实际的生产运行。静止无功补偿器（SVC）是目前最广泛应用的基于FACTS技术的无功补偿装置，它能够连续而迅速的控制无功功率，通过发出、吸收功率来控制其连接的电力系统上的节点电压。应用晶闸管的SVC反应速度快、补偿精度高，几十年来一直占据了着SVC的首要地位，根据相关资料统计，在用的SVC装置已超过1000套，其中输配电系统有400多套，总容量约为60Gvar；在工业部门已有600多套，总容量约为40Gvar。近年来，我国在SVC技术的研究应用领域也取得了较大的发展，于2002年投入了一套容量为100Mvar的SVC装置。由于SVC装置的工作可靠性及维护方便性，其应用极为广泛，也是目前我国国内的主流动态补偿装置，其中以晶闸管控制补偿电容器投切的SVC应用最为普遍。按照其控制方式与对象的不同，SVC装置可以分为饱和电抗器型（SR，Saturated Reactor）、晶闸管控制电抗器型（TCR，Thyristor Controlled Reactor）、晶闸管投切电容器型（TSC，Thyristor Switched Capacitor）、电抗电容混合型（TCR+TSC）及TCR与固定电容器（FC，Fixed Capacitor），几种SVC装置结构如图1-2所示（a）FC+TCR (b)TCS (c)TSC+TCR (d)MSC+TCR图1-2 几种SVC装置的结构图伴随着电子技术的发展，无功补偿装置的研究也取得了更大的突破，日本的三菱公司与关西电力公司合作研制并于1980年投入运行了世界上首部基于晶闸管的20Mvar静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）。该种装置又称为SVG，其工作原理是输送或者吸收连续可调的无功功率，具有维持接入点的电压稳定，保持电网的无功功率平衡，改善系统性能的功能。静止同步补偿器的主逆变电路使用了新一代的电力电子器件，如：门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）组成的H桥功率拓扑结构，并以小容量储能元件辅助。它利用几个台阶电平合成阶梯波来逼近正弦电压输出，具有更加良好的谐波频谱，且由于不需要均压电路，可避免由dv/dt过大带来的各种问题。其基本电路主要有两种：电流型和电压型，如图1-3所示。因为电压型电路损耗小，控制方便，迄今为止已运行的SVG装置中，使用该类型电路的装置占了大部分。与SVC相比，SVG的优点在于元件容量小、调节用时短而范围大、谐波的含量较小、欠电压环境下的无功调节能力较强。 (a)电压型桥式电路 （b）电流型桥式电路图1-3 SVG型装置的基本电路结构STATCOM的实际工程应用则是在上世纪90年代之后，较典型的有1991年日本的80Mvar的SVG装置和1995年美国的100Mvar的SVG装置。在我国，STATCOM的应用实例主要有清华大学和河南省电力局的合作项目“洛阳朝阳变电站20MVASVG工程”以及许继集团与上海电力公司的合作项目“上海电网50MVA的SVG示范工程”。由于SVG的技术含量高，目前掌握并应用这一技术的还只限于少量国家，如日本、美国、德国、英国和中国等，而且SVG的成本也较SVC要高，当前的SVG工程主要用于补偿电力系统无功功率并且带有实验的性质，距离大范围普遍应用还有很长一段距离。另外，由美国的EPRI、西门子公司及许多电气公司长期合作研究开发的可转换静止补偿器CSC（Convertible Static Compenststor）被认为是最新一代的TACTS装置，现在仅有美国的Marcy变电站中安装了此装置。1.2.2 我国无功补偿的现状我国对电力电子装置的研究相对国外而言起步较迟，在国内机械投切电容器的方式比较常见的，尤其加入控制系统后，在负荷波动幅度和频率变化不大、对响应速度要求不高的配电网中，MSC以其优良的性价比仍然占有广泛的市场。现在国内比较先进且占据一定市场份额的动态无功补偿装置是SVC型装置，目前有5个500KV变电站安装了SVC装置，容量大约在105-180Mvar。中国目前已能自行生产配电网用的SVC装置，35KV及其以下的SVC装置已基本实现了国产化，但35KV以上高电压等级、大容量SVC产品在国内仍被国外大型跨国公司垄断。现在在欧、美、日等一些发达国家SVC补偿装置已经取得广泛应用，SVG补偿装置的实验应用也有将近20年的时间。根据我国国情，相比较SVG装置，SVC装置在我国无功补偿领域具有更好的推广价值，有着良好的应用背景。因此，深入研究SVC型无功补偿装置、改进投切策略、创新机械设计，来提高供用电系统的功率因数，降低无功造成的损耗，是目前及未来一段时间我国无功补偿研究的重点。我国经济的发展，要求高质量的供电保障，无功补偿则是保证电能质量的一个行之有效的手段，只有不断加强对无功补偿的理论改进和技术提高才能在一定程度上确保电网运行的安全、可靠。总结国内外的无功补偿理论研究与各种技术、产品路线，可以看到以下一些最新发展趋势：1、系统控制电路采取集成化、模块化的措施，减小体积，降低成本；2、采用智能化方式处理系统数据，加快运行速度；3、继续改进补偿原理，研发基于新理论的补偿设备；4、将现场总线技术在无功补偿装置上进行应用与推广，实现装置的网络化功能。目前，我国的电网系统无功功率补偿存在以下问题：（1）无功功率的总体补偿容量不足。电网方面，我国使用着大量的公用变压器，而且随着城镇电网电表改造工作的开展，变压器数量还会继续增加。由于电网设计之初没有足够的重视及改造资金缺口较大等因素，使得公用变压器的区内无功功率很难满足电力系统高效低耗运行的需要，而公用变压器区内的用户大多为低压用户，各单位负载较为分散和不平均，这也不便于供电企业管理。另外，因为低压用户一般比较分散，统一进行无功补偿有一定的困难，使得低压无功补偿难以取得明显效果；同时，管理工作的不足还容易造成用户无功处理的混乱，极易出现用电高峰时接受过多无功功率，低谷时电网倒送无功功率的情况。（2）无功补偿装置落后。我国目前的无功补偿装置投切容量的计算依据一般是由任意一相的无功信号或者两相电压与另一相电流得出的，这种计算方式有时会使得非采样相的过补或欠补。而在确定补偿容量时，常常将功率因数作为投切标准，检测到功率因数产生滞后的时候，就会投入一组电容器进行无功补偿，但由于电容器不能连续调节，只能按容量级差分组投入，故会产生频繁投切或降低投切精度。（3）集中补偿占多数。集中补偿虽然能有效的减少补偿点之上部分的线耗及由变压器为输送负载所需无功而做功所造成的损耗，但对电网线路上因用户设备使用所产生而又送往用电设备的部分无功导致的有功损耗却无法进行有效补偿，这部分有功损耗，必然会对降损节能的效果造成不好的影响。TSC型的无功补偿装置是目前技术较为完善、成熟，且国内外应用的较为广泛的低压电力系统补偿装置，但在无功补偿的实际操作当中经常会出现以下的问题：（1）补偿方案灵活多变，各有优劣，但很难有一款控制器能同时与几种补偿方案相契合。（2）因为采用的补偿算法不合理，如将功率因数作为补偿目标等，会导致投切振荡的问题产生。（3）采样设置不科学，会出现无功倒送的现象。控制器设计时，从运算速度和成本角度考量，仅仅只对一相的电网信号进行采样，这难以保证三相不平衡时的无功功率检测精度，会引起过补或欠补。（4）未采取限制谐波的措施，使得电容器寿命降低，甚至直接被烧毁。（5）补偿动作速度较慢、精度不高。由于以往的产品多以单片机为控制器，在采样信号，进行FFT变换，计算高次谐波的情况下，难以保证无功功率的实时性和补偿的动态跟随，即使能够实现，往往以牺牲精度为前提，一般也不能满足补偿的需求。1.3 无功补偿装置存在的主要问题目前，我国的电网系统无功功率补偿存在以下问题：（1）无功功率的总体补偿容量不足。电网方面，我国使用着大量的公用变压器，而且随着城镇电网电表改造工作的开展，变压器数量还会继续增加。由于电网设计之初没有足够的重视及改造资金缺口较大等因素，使得公用变压器的区内无功功率很难满足电力系统高效低耗运行的需要，而公用变压器区内的用户大多为低压用户，各单位负载较为分散和不平均，这也不便于供电企业管理。另外，因为低压用户一般比较分散，统一进行无功补偿有一定的困难，使得低压无功补偿难以取得明显效果；同时，管理工作的不足还容易造成用户无功处理的混乱，极易出现用电高峰时接受过多无功功率，低谷时电网倒送无功功率的情况。（2）无功补偿装置落后。我国目前的无功补偿装置投切容量的计算依据一般是由任意一相的无功信号或者两相电压与另一相电流得出的，这种计算方式有时会使得非采样相的过补或欠补。而在确定补偿容量时，常常将功率因数作为投切标准，检测到功率因数产生滞后的时候，就会投入一组电容器进行无功补偿，但由于电容器不能连续调节，只能按容量级差分组投入，故会产生频繁投切或降低投切精度。（3）集中补偿占多数。集中补偿虽然能有效的减少补偿点之上部分的线耗及由变压器为输送负载所需无功而做功所造成的损耗，但对电网线路上因用户设备使用所产生而又送往用电设备的部分无功导致的有功损耗却无法进行有效补偿，这部分有功损耗，必然会对降损节能的效果造成不好的影响。TSC型的无功补偿装置是目前技术较为完善、成熟，且国内外应用的较为广泛的低压电力系统补偿装置，但在无功补偿的实际操作当中经常会出现以下的问题：（1）补偿方案灵活多变，各有优劣，但很难有一款控制器能同时与几种补偿方案相契合。（2）因为采用的补偿算法不合理，如将功率因数作为补偿目标等，会导致投切振荡的问题产生。（3）采样设置不科学，会出现无功倒送的现象。控制器设计时，从运算速度和成本角度考量，仅仅只对一相的电网信号进行采样，这难以保证三相不平衡时的无功功率检测精度，会引起过补或欠补。（4）未采取限制谐波的措施，使得电容器寿命降低，甚至直接被烧毁。（5）补偿动作速度较慢、精度不高。由于以往的产品多以单片机为控制器，在采样信号，进行FFT变换，计算高次谐波的情况下，难以保证无功功率的实时性和补偿的动态跟随，即使能够实现，往往以牺牲精度为前提，一般也不能满足补偿的需求。1.4 无功补偿的基本原则为了电网运行的经济与安全，保证用户正常用电，必须要减少电网配电线路中的无功功率，也就是就地供应电网的无功损耗和用户的无功负荷7。首先，无功补偿的设置要将局部与总体结合考量，综合考虑两者的平衡之间的关系。进行无功设置的时候，如果只考虑地区总体的无功平衡情况而忽视某些局部情况的话，会导致局部地区在进行无功补偿的时候在客观上就无法取得平衡，这种情况很可能会引发配电线路的无功电力波动，抬高或拉低电压，向外输出过剩的无功电力或从电网吸收不足的无功电力，这都会使得地区间的无功功率长途输送，增加了电网的有功损耗。因此，在无功设置的时候，只有保证总体并兼顾地区的补偿设置预案，才能取得无功补偿的有益效果。其次，供电部门与用户结合进行多形式的无功补偿。电网用户是无功功率的主要消耗者，但在城乡电网中，消耗比例只占50%，工业电网中，这一比例也仅为60%，而剩余部分则在电网中以及线路传输过程中消耗掉。所以，在用户端就使无功取得平衡即就地补偿得原则，可以为用户直接提供所需的无功，能够极大降低电网线路损耗，提高供电质量，这需要供电部门与用户联动，统筹考虑无功补偿的开展工作，否则很难保证电网电力的平衡。第三，采取分散为主，集中为辅的补偿原则。变压器的日常运行会消耗一部分无功功率，而变电站的上级电网输电也会造成一定的无功功耗，在变电站进行补偿主要就是针对这些目标，而供电网络的无功损耗并不在变电站补偿的目标之内，这部分损耗则需要从电网吸取，在用户处进行的分散补偿就是以这部分损耗为主要目标的。为了保障线路的正常运行所造成的无功消耗通常能够占到总损耗的70%以上，所以在电网用户处进行分散补偿占据了无功补偿的主要地位。第二章 TSC无功补偿算法研究自上世纪70年代以来，TSC技术已经过了近50年的发展，随着TSC装置的不断应用与发展，其技术上也不断改进和创新。本章研究的重点即是总结以往经验，选择应用于TSC的技术8。典型的TSC装置一般由两部分组成，其中TSC主电路部分主要为补偿用途的电容器、控制用途的晶闸管和稳定用途的电抗器；TSC控制系统部分，主要包括数据的采样与检测、各参数的计算、投切的触发与控制等环节9。本章即从无功算法、晶闸管触发、主电路接线等几个方面深入论述TSC型补偿技术。传统的无功功率定义是以电压电流无谐波为前提的，故只在有较小谐波的时候才能获得较高精度。在理想情况下，电网中电压电流均为正弦波，无功功率的定义为： （2-1）其中：为系统无功功率，、为电网电压和电流的有效值，为电压和电流的相位差。根据定义，常用的无功功率算法有：无功公式法、角度积分法以及转换移相法。2.1 无功公式法由式（2-1）的定义，计算、和求得。设一个周期内对电网电压和电流的平均采样次数为N，离散化可得： （2-2）式（2-2）中，为单位周期T内的采样点数目，其中为采样时间间隔，、为第k次采样的电压、电流值。相位差通过对电流和电压的过零点检测值计算得到。在电流和电压从负到正上升突变时，在t(0)、t(1)时刻分别产生中断，可得。另外需注意的是，当发生频率偏移时，若采用变频采样，应注意调整采样的频率；若采用定频采样，则应注意改变采样点数。2.2积分法角度积分法以为其理论基础，令 （2-3） （2-4）将式（2-3）代入式（2-4），化简后可得即 （2-5）对式（2-5）进行离散化，设一个周期内采样观点为N，、为第k次采样的电压、电流值，可以得到： （2-6）2.3移相法移相法的理论依据是通过移相来实现正余弦之间的转换11，其原理如下所示： （2-7）具体的工作步骤是：将采样后的电压电流信号经A/D转换送到处理器，进行离散化处理，设每个周期的采样点数均为N次，则式（2-7）经离散化后可得： （2-8）上式中，为第k个电压采样值，为第k+4/N个电流采样值，可以看出只对电压和电流保持高频率采样，就可以很方便的求得无功功率。为保持移相法的精度不受非同步采样的影响，可利用如图2-1所示的频率锁相装置来解决。图2-1 频率同步数字锁相装置框图2.4 傅里叶变换法傅里叶变换法的基本原理是把采集的信号进行分解，成为一系列不同频率的可叠加的连续正弦波。DFT和FFT算法已成为现代谐波分析和频谱分析的基础。其中快速傅里叶变换（FFT）运算量小、运算速度快，是目前电能质量分析领域应用最为广泛的计算方法。基于FFT 的无功功率测量方法，是对电流和电压分别做FFT运算，得到各次谐波和基波的电压电流的幅值和相位参数，再利用这些参数计算无功功率。FFT算法进行无功功率计算，要求信号周期与采样常度成倍数关系，否则，在谐波分析过程中会产生栅栏效应和泄露效应，这种情况会导致计算的幅值、频率不准确，不能满足测量的精度要求。其解决方法主要有以下方法：（1）利用准同步DFT算法；（2）修正采样频率；（3）采用锁相器使采样和信号保持同步；（4）应用加窗插值方法修正FFT算法中出现的计算误差。2.5 检测点的选择检测点的不同所能取得的无功补偿效果也不同，而且还会与电容器的投切算法直接相关。当前常用的TSC型无功补偿装置中，主要的检测点选择方式为两种，如图2-2所示图2-2 检测点位置选择图在A点设置检测点，能够检测电力系统中补偿后的无功功率状况，由于该点不能直接检测所带负载的无功，很难一次性投入多组补偿电容器，因此在投切的时候常常采取逐级渐进的办法，慢慢的达到所需的补偿数值。所以，只有负载处于运行较为平稳、无大容量冲击且无需快速动态补偿的情况时，才能选择本种检测点设置方式。在B点设置检测点，可以直接检测的负载电压电流情况，并根据实际检测值得到负载的无功状况，计算需满足的补偿容量，确定投入的电容器组数。设B点为检测点的检测方式，只能控制电容器投切动作，不能控制补偿的实际效果，故其控制的方式较为简单，并且可实现多组电容器的一次性投切，但是在静态补偿方面，该设置方式的效果稍差，精度不高。本文所采用的是将两者优点相结合的闭合控制方式，即将检测点设在A点，在A点检测无功补偿后的线路无功功率，通过该点检测功率求得负载的全部无功，确定所要投入的补偿电容器的组数；经过一次性的快速投切之后，根据A的检测结果实时对投切电容器进行逐级渐进调整。这种设计通过控制器来实现，不仅能保证快速、准确的动态补偿特性，还能确保获得较高的补偿精度。2.6 触发晶闸管的控制原则通常，无功补偿装置中晶闸管导通的首要原则是，导通晶闸管，使电容器投入的时刻，必须设定为电源电压与补偿电容器预充电电压相等的时刻。根据补偿电容器的特性可知，如果电容器两端的电压存在压降，在其导通时易发生阶跃变化，形成一定的冲击电流，若冲击电流太大很可能会在电源处形成高频振荡甚至破坏晶闸管电路，造成设备损毁。若是在电容器导通前以电源峰值电压为其电容器充电，并进行设置，使其在电源电压处于峰值点时投入补偿电容器，此刻的电源电压变换率为零，所以，电流ic为零，之后电源电压的变化率以正弦波形上升变化，电流ic也会依照正弦规律上升变化，这就是晶闸管的理想投入时刻。这种投入电容器的工作方式不会形成冲击电流，而且电流的变化也比较圆滑，不会产生阶跃。图2-3即以一般投切电路为例，并说明了投切时刻的波形关系对比。 图2-3 晶闸管投切时刻对比图如图2-3所示，电源电压为，晶闸管导通之前，电容器在上一次导通时已充电，且其电压与电源电压相等，导通电容器的时间选为与相等的时刻，此时晶闸管导通，电路电流为。之后和每半个周波轮流导通，维持电路的通路状态。当电容器需要切除时，则停止触发脉冲，此时电路电流为零，使得关断，而处于未导通状态，补偿电容器的电压值处于切除时刻的电压负峰值，作为准备电压，可以应用于下一次补偿电容器的投入。这种电容器的残压一般不会等于电源电压峰值，而且测量这一数值有一定的难度，通常有以下几种方式：（1）采用过零触发电路，避免引起冲击。晶闸管电压过零触发电路如图2-5所示，晶闸管上电压为零的时刻，即补偿电容器的残压等于电源电压的时刻，此时光电耦合器触发出一个负的脉冲信号，若此时投切信号已处于存在等待状态，则就会触发导通晶闸管，补偿使电容器。图2-4 晶闸管过零触发原理图（2）反压触发。无论电容器的残压值为多少，一般都会低于电源电压的幅值，一个电压周期内晶闸管一定存在零压或反压的时刻，此时，触发脉冲序列开始，当晶闸管由反向转为正向偏置时，就可以自动进入平稳导通状态。（3）应用相位间关系触发。、与、之间的相位关系如图2-5所示。当、反向过零点时，、均处于峰值点，所以应用、作为三相电路上晶闸管导通的触发信号，就可以完全确保各相上的晶闸管在电源电压峰值的时刻触发导通。图2-5电压相位关系图以上介绍的几种晶闸管触发方式，以过零电路触发方式的应用最为广泛，不管补偿电容器的残压是多少，都能够应用；反压触发的方式和电容器残压的关系比较紧密，只适用于电源电压峰值大于补偿电容器残压时的情况，若出现等于的情况时，则晶闸管就不存在反压的状态，此时的情况就适用于相位关系触发的方式，总之，晶闸管触发方式选择的原则就是根据使用现场情况的不同，灵活选择。本文所设计的无功补偿装置的电容器投切控制采用的是晶闸管过零触发的控制方式，晶闸管的工作电压即为电容器电压与电网电压的差值，当此差值为零时，就会触发晶闸管使之导通令电容器的投入。这一过程平滑稳定且不会造成电网冲击，投入反应快，大大提高了TSC的响应速度，另外，这种投切控制方式也不受电网电压的限制。第三章 仿真实验及结果分析MATLAB在电子科学领域中有着极为重要的作用，是一款常用的工程仿真计算软件，具有应用简便、运算能力强、仿真效果逼真等优点。其中的SIMLINK仿真环境包含有电源、变压器、电机及各种电子电力器件的模型，在电气工程仿真的应用中，可以极为方便的组成各种所需的设备模型，对电气装置的设计有着很大的帮助。本文采用无功补偿和功率因数相结合的算法在MATLAB/SIMLINK下对设计进行了仿真，并取得该算法的仿真结果并作比较。3.1 算法介绍目前常用的TSC装置，控制目标的划分与所选择的物理量有关，一般可分为功率因数控制、无功功率控制和多变量控制。3.1.1 功率因数控制功率因数控制就是将功率因数作为主要控制目标，在补偿工作中，保证功率因数在电网的要求范围之内的控制方案。 a b图3-1 无功功率补偿说明图如图3-1中a图所示，设在补偿之前电路的参数为总电流，有功电流。将投切门限定为0.95，切除门限定为1，如此时的功率因数，控制器即发出投入指令，一组电容器投入补偿。经过补偿，有功电流不变，即=；无功电流则为。面向功率因数控制的方式通过采样、分析、计算得出当前电网的功率因数，再与预设的投切限定值比较，来确定补偿电容器的下一步动作。当前电网功率因数在0.95至1这一区间时，控制器控制电容器保持当前状态不变；若大于1时，则控制器发出切除指令，从电网中切除一组电容器；若小于0.95，则控制器发出投入指令，一组电容器投入补偿。在无功补偿的实际操作中，功率因数控制策略经常会产生两个问题。一个问题是如图3-1中b图所示，在重载负荷时，功率因数能够满足要求，但由于无功功率是一个比例数值，所以会有电网中仍存在大量无功的情况发生。另外一个问题是在负荷较小又变化不大时，若功率因数小于设定值，需投入电容器补偿无功，但此时可能导致控制器检测的功率因数为负值，这时又需要向系统倒送无功，即要求控制器切除电容器，又使得功率因数降低，小于设定值。此时，控制器会处于一种死循环状态，导致电容器不断的循环执行投切、切除的动作，这一现象称为“投切振荡”或“过补投切振荡”。在面向功率因数控制的系统中，这种“投切振荡”的情况是必然会发生的，这会损害电容器，导致设备故障，在工作应用中必须要解决这种情况。3.1.2 无功功率控制针对功率因数的控制方式出现的问题，于是提出了以电网中无功功率作为控制对象的控制策略。该控制方式以设定的功率因数动作值为约束条件，根据电路负荷的大小，精确计算需补偿的无功功率或无功电流数值，对比电容器的分组情况，如有合适的电容器则投入补偿，如没有合适的则不投入。这种方法能确保在任意负荷、任意功率因数条件下都不会产生投切振荡的情况。另外由于经过计算精确，所以补偿一次到位，速度较快且精度较高，可以有效延长补偿电容器的使用寿命。从基本原理上来分析，以无功电流为控制目标的控制方式也属于无功功率控制方式。但是当负荷较为稳定时，该方式仍需大量计算，则会降低补偿效率。3.1.3 综合控制尽管面向无功功率的控制方式投切精度较高且不会引起投切振荡，但仍有一定的局限性。为了避免这种单一控制方式的不足之处，将功率因数和无功功率控制相结合，并辅以电压控制等控制手段综合控制无功补偿的动作，技能迅速、准确的跟踪负荷变化的情况，又能保持电压、功率因数等电网参数处于设定的控制范围之内。为保证无功补偿的准确有效，各种控制方式中都应注意电压偏高时的情况，在控制算法中预设电压限制，当检测的电压高于算法中预设值时，必须先将投入装置闭锁，防止此时发生误投入，而损坏设备，然后再逐级切除已经投入的电容器。3.2 设计电路的仿真及结果分析 基于MATLAB/SIMLINK的电路仿真模型原理图如图3-2所示，控制模块采用功率因数与无功功率相结合的综合控制算法：图3-2 电路仿真模型图 该仿真模型整体由电源、控制模块、补偿模块、负载以及线路处理等几部分组成，其中电源部分采用的是三相平衡电源，相电压为380V，频率50Hz；电路启动时带负载为阻值15、感值20mH的三相负载，运行0.01s后加入阻值10、感值30mH的三相负载，模拟电网的负载突变；线路的等效阻感为R=1、L=30mH。仿真结果分别如以下各图所示：图3-3 三相负载电流图 图3-4 三相电网电压 图3-5电压随电容的变化曲线从仿真结果可以看出，经过综合控制算法即功率因数和无功功率相结合的算法后的，其补偿精度要高于普通方法，在各种优化策略中，有时间最优，损耗最少，电压最稳定等各种策略。综上所述采用该算法结合了功率因数控制策略和无功功率控制策略的各自优点又有效的避免了其各自算法的不足，通过本章的仿真效果看达到了改进控制效果，达到更优的控制的目的。第四章 系统的硬件设计低压动态无功补偿的控制器，其最基本的部分是控制器的硬件部分，能够直接对无功补偿控制器的整体性能产生影响。本文中所做的设计选择AT89C51做控制核心，围绕其将信号的采集、数据处理及动作控制都集中在一个平台上，并采用CS5460A作为测量和计算芯片，通过该芯片精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS 和VRMS将计算结果通过串行通讯方式输送给控制芯片进行处理。4.1 系统的基本原理与硬件总框图 TSC控制器的硬件部分主要由电网检测、信号调理电路、CS5460A测量电路、控制单元、动作执行单元、过零点检测以及电源模块和保护等部分组成。系统的硬件整体框图如图4-1所示：图4-1 系统硬件整体框图电网的电压电流信号经过信号调理电路变为在CS5460A测量芯片范围之内的电压信号，再通过该芯片对有功电能、瞬时功率、IRMS 和VRMS的计算，将计算值通过串行数据传输方式送入AT89C51单片机中，根据所得的结果与控制策略相结合，控制晶闸管进行电容器的投切动作。同时控制芯片还负责保护电路、键盘显示等工作，EEPROM记录控制器一段时间的参数变化情况及动作情况。4.2 系统各个功能模块4.2.1 AT89C51介绍AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（EEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数：1）与MCS-51产品指令系统完全兼容，4k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期2）全静态操作：0Hz24MHz，三级加密程序存储器3）1288字节内部RAM。32个可编程IO口线，2个16位定时计数器，6个中断源4）可编程串行UART通道，低功耗空闲和掉电模式控制电路最小系统如下图4-2所示图4-2 系统硬件整体框图4.2.2 电源模块采用LM7805为单片机供电提供+5V的工作电压，LM7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，如图4-3所示的电路为控制电源电路。图4-3 电源接线图4.2.3 信号调理电路采样系统的电压互感器部分选择的是SPT240A，其工作精度较高，能够达到毫安级。该互感器的额定输入、输出电流均为为2mA，在低耗模式下也可以设定为1mA；额定输入电压为50V1000V、输出电压为50mV8V；线圈匝数比为1:1。在工作时，需先进行信号转换，即将电压信号转变为标准的小电流信号，电路如图4-4所示。电路中的R1为限流电阻，工作时通过调整R1的大小，将输入电流保持在2mA即可进入工作状态，而无需理会输入电压的大小。R和r为反馈电阻，调节其阻值可改变输出电压的大小，直至取得需要的电压数值。电容C1的作用为防止电路震荡及信号滤波，容量为4001000pF；电容C2选择容量小于400 pF的小电容，其作用是提高线路抗干扰的能力；两个二极管反接组成运放器的保护电路。图4-4 电压互感器电路采样系统的电流互感器部分选择的是SCT254FK型号互感器，工作精度较高，额定输入5A、输出2.5mA。该芯片在020A间能保持线性变化，饱和电压为2V，额定负载最大值为800。芯片的工作信号为电压信号，故工作前要进行信号转换，其电路如图4-5所示。R和r的作用与电压互感器部分相似，即调节电路，使输出电压符合工作要求，电容、二极管的作用也是防震、滤波、抗干扰以及保护运放。图4-5 电流互感器电路本文所做的设计针对三相平衡电路的三相电压、电流分别采样处理。一般采样电路设计时都要考虑信号干扰的因素，由于本设计所选的互感器产品具有隔离电路的功能，所以无需再单独设计隔离电路。以其中任意一相为例，电压调理电路的设计如图4-5所示。4.2.4 电压电流功率因数的测量CS5460A 是一个包含两个模-数转换器（ADC）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的模-数转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS 和VRMS ，用于研制开发单相2线或3线电表。CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压，此外CS5460A 还具有方便的片上AC/DC 系统校准功能。特性：1）电能数据线性度：在1000 ：1 动态范围内线性度为 0.1%，片内功能：可以测量电能（有功），I *V，IRMS 和VRMS ，具有电能-脉冲转换功能可以从串行EEPROM 智能“自引导”，不需要微控制器2）AC 或DC 系统校准具有机械计度器/步进电机驱动器，3）符合IEC687/1036 ，JIS 工业标准，功耗12mW，优化的分流器接口，V对I的相位补偿，单电源地参考信号4）片内2.5V 参考电压（最大温漂60ppm/），简单的三线数字串行接口，看门狗定时器，内带电源监视器。其典型电路如图4-6所示图4-6 CS5460A典型电路4.2.5 触发晶闸管的电路设计本系统选用TSC晶闸管作为补偿电容器的投切控制执行器件，动作速度可以达到10ms。由第二章的介绍可知，只有以过零触发的形式控制电容器投切，才能保证电路无涌流、过电压等事故发生。在文中介绍了3种晶闸管的触发方式，本文中采用的是过零触发电路的方式。本系统中所设计的过零触发电路，选用电压过零型光耦双向晶闸管，取代了由分离元件组成的脉冲变压及功放等驱动电路环节，优化了电路结构；同时，电路本身就能解决与电网电压同步的问题，并且光耦元件内部具有光电隔离措施，所以可以极大的简化系统结构、提高补偿装置整体的工作可靠性。本文中的晶闸管触发电路选用了具有过零检测功能的MOC3061芯片，其动态响应时间小于20ms，反应速度快。MOC3061芯片内部结构如图4-7所示。图4-7 MOC3061结构图整体元件包含输入和输出两个部分。1,脚和2脚内部连接一个砷化镓红外二极管，在515mA的正向电流条件时能够发出