（农业电气化与自动化专业论文）新型无功功率补偿控制器设计.pdf

c a t e g o r yd i s c i p l i n e ：e n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：a g r i c u l t u r a le n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ： 川舢 9 3 0 a g r i c u l t u r a le l e c t r i z a t i o na n da u t o m a t i o n r e s e a r c hf i e l d ：e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g t e c h n o l o g y p o s t g r a d u a t e ：c h e n gw e i s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f l i n jiw a n g s u b m i t t e dd a t e ： a p r i l ，2 0 10 c o l l e g eo fm e c h a n i c a l e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g , f u j i a na g r i c u l t u r ea n df o r e s t r yu n i v e r s i t y , f u z h o u ，f u j i a np r o fc h i n a , 35 0 0 0 2 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完成的研 究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作了答谢的地方 外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本研究做出贡献的同志， 都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯他人知识产权的行为，由本人 承担应有的责任。 靴弹必敝储鹣鹕：础如醐一扣阳川 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学校有权 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。 口 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：啦 指导教师亲笔签名： 日期：纠，忽rr 嘀 啉m l 。孙屯为晰 1 无功补偿的基本原理 1 1 基本概念 1 2 无功补偿的原理和意义 1 3 无功补偿的几种方式 1 4 无功补偿原则 2t s c 系统介绍 2 1 t s c 系统工作流程 2 2t s c 系统结构图和电路图 2 3 并联电容器补偿容量的计算 3 本节小结 第二节新型无功补偿控制器的设计思路 1 硬件部分 1 1 电参量采集部分 1 - 2m c u 部分 1 3 人机接口及通讯部分 1 4 电容补偿部分 2 控制策略思路 2 1 无功补偿策略总述3 2 1 矧蚓 2 2 电容保护功能 2 3 防止投切振荡功能 2 4 延时功能 2 5 参数设置 2 6自动投切 3 控制流程图 3 1 投入电容 3 2 切除电容 3 3 投切暂停状态 1 u _ _ o o 屹q c ? 一o 喁c19固9 9 m 屹埒m h m m垢垢垢坫坞埔埔埔埔鹅坞 4 本节小结 第三节控制器的硬件结构及各功能模块介绍 1 无功补偿控制器硬件结构概述 2 电能计量芯片a t t 7 0 2 2 b 2 1 芯片功能简介 2 2a 竹7 0 2 2 b 外围电路及重要引脚说明 2 3s p i 通讯接口 3 信号采集部分 3 1 信号采集部分电路一 4 1p i c l 8 f 4 5 2 0 简介 4 2p i c l 8 f 4 5 2 0 外围电路图 5e 2 p r o m 数据存储 5 12 4 l c 0 2 外围电路图 5 21 2 c 总线 动作测试 2 均加加毖盟毖丛盯盯鹪凹n驼驼站弘弘船盯勰鹪如们绚们钉姐铊铊躬必钙 镐 的 匏 骼 骼 福建农林大学硕士学位论文 摘要 无功补偿关系到整个电力系统的安全稳定，并在提高电能质量和节能降耗方面具有重要 的意义。基于通过目前国内电力市场广泛使用的无功补偿控制器的调查和研究，分析得出其 存在精度不高、容易振荡投切以及电容柜在谐波状况下电容支路易损坏等现象的原因，本文 提出采用电能计量芯片a t t 7 0 2 2 b 作为采样计算的a d 芯片和以p i c l 8 f 4 5 2 0 为主控芯片的新 型无功补偿控制器。 该补偿器在补偿控制策略上改变了传统的以c o s 够为唯一判据的做法，通过采集实时电 网监测数据，以当前的实际无功功率为主判据，并以电压、谐波为辅助判据的复合控制，较 好的避免了轻载时出现的电容振荡投切。并且提出以三相共补和单相分补的配合补偿方式， 实现在三相无功不平衡的情况下，使无功调节更趋于合理。同时在电容投切控制上采取过零 投切的方式，能较好的避免谐波超标下电容器及相关电气元件出现的损坏。 本无功补偿控制器具有电能自动采样分析、无功自动调节、故障保护等功能。本文设计 并制作了较为完整的控制电路和程序。它们包括信号采样电路、人机接口电路、主控芯片接 口电路、过零触发电路及通讯电路等。本设计具有电量测量精确、控制方法合理可行、人机 接口友好、系统运行可靠的特点，具有比传统的无功补偿器在运算速度、控制精度、电容补 偿的合理性和安全性方面等均有较好的优势。实验结果表明，本设计符合国家相关行业标准 的要求，达到了预期的目标。 关键词：无功补偿a t t 7 0 2 2 b 晶闸管投切电容器p i c l 8 f 4 5 2 0 过零触发 福建农林大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni sr e l a t e dt os e c u r i t ya n ds t e a d yo ft h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e m ，a n di ti si m p o r t a n tt oi m p r o v eq u a l i t ya n ds a v i n gi np o w e rq u a l i t y b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e rw h i c hu s e d w i d e l yi nt h ec u r r e n td o m e s t i ce l e c t r i cp o w e rm a r k e t ，w ea n a l y z ei t se x i s t i n gp r o b l e m o fp r e c i s i o n ，o s c i l l a t i o na n dt h ep r o b l e mo ft h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t so fc a p a c i t a n c e c o m p e n s a t i o nc a s ea r ed a m a g e ds o m e t i m e si nh a r m o n i cc o n d i t i o n i nt h i sp a p e r ，w e m a i n l yu s et h ee l e c t r i c a le n e r g ym e a s u r e m e n tc h i pa t t 7 0 2 2 ba st h ea dc h i pa n d u s et h em c up i c18 f 4 5 2 0f o rr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o l lc h i p t h es t r a t e g yo fc o s q c r i t e r i o no ft h ec o m p e n s a t o rh a sc h a n g e dt ot h em a i n l y c r i t e r i o no fr e a c t i v ep o w e ra n da u x i l i a r yc r i t e r i o no fv o l t a g ea n dh a r m o n i c c o m p o s i t e f r o mt h e r e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o n i tc a na v o i d so s c i l l a t i o no nt h e c o n d i t i o no fl i g h tl o a d i n gb e t t e r a n dp u tu pt h ec o m p e n s a t i o nm o d ep o i n t so f i n g l e p h a s ec o m p e n s a t i o n a n dt h r e e - p h a s e c o m p e n s a t i o nt o g e t h e r , i t s m o r e r e a s o n a b l eo fa d j u s t m e n ti nt h et h r e e p h a s er e a c t i v eu n b a l a n c e ds i t u a t i o n a tt h es a m e t i m et a k et h em a t h o do fz e r o - c r o s s i n gt r i g g e r i n gc a p a c i t a n c ec a na v o i de l e c t r i c a l c o m p o n e n t sd a m a g ei nc a p a c i t o r sc i r c u i to fu n d e ro v e r w e i g h th a r m o n i c b e t t e r t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e rc a r r i e so u tt h ef u n c t i o ns u c ha s a u t o m a t i cs a m p l i n ga n a l y s i so fr e a c t i v ep o w e r ，r e g u l a t i n gt h er e a c t i v ep o w e r a u t o m a t i c a l l y , g i v i n gp r o t e c t i o ni nc a s eo ff a u l t s ，e t c t h i sp a p e rd e s i g n sa n dr e a l i z e s c o m p a r a t i v e l yi n t e g r a t em i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l e dc i r c u i ta n dp r o g r a m t h e yi n c l u d e s i g n a ls a m p l i n gc i r c u i t ，m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t ，m a i nc h i p i n t e r f a c ec i r c u i t ，z e r o c r o s s i n gt r i g g e r i n gc i r c u i t ，a n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，e t c t h e d e v i c eh a sp o w e rm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，t h ec o n t r o lm e t h o di sr a t i o n a la n df e a s i b l e ， m a r t - m a c h i n ei n t e r f a c ea n df r i e n d l y , s y s t e mr u n sr e l i a b l e ，i th a sm o r ea d v a n t a g ei n c o n t r o lo fs p e e d ，t h er a t i o n a l i t yo ft h ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ra n ds a f e t y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ed e s i g ni su pt o s p e c i f i c a t i o n so fi n t e r r e l a t e d i n d u s t r yi nn a t i o n t h ed e v i c ec a nr e a l i z et h ef u n c t i o na n t i c i p a t e d k e yw o r d s ： r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n a t t 7 0 2 2 b t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ( t s c ) p i c 18 f 4 5 2 0 z e r o c r o s s i n gt r i g g e r i n g i i 福建农林大学硕士学位论文 第一章前言 电能作为国民经济与人民生活的主要能源之一，也是现代工业的标志之一，随着我国电 力工业的高速发展，电能作为一种能直接反映电力企业经济效益的商品而备受重视【。在我 国电力工业电力负荷飞速增长的同时，一方面，越来越多具有低功率因数、非线性、非对称 性和冲击性等特点的工业、民用电设备接入配电网中，由此产生了三相电压不平衡、功率因 数低、高次谐波污染等诸多的电能质量问题，其中最典型的负荷就是冶金行业的交流电弧炉 和连轧机组【2 】；另一方面，现代高度自动化和智能化的工业用电设备也对电源的质量提出了 更高的要求。电能质量关系到工农业生产、人民生活等社会生活的方方面面，电能质量的研 究正受到广泛关注。电能质量问题已再不仅仅是电力系统中电压和频率等基本技术问题，它 己被提升为关系到整个电力系统及设备的安全、稳定、经济、可靠运行，关系电气环境工程 保护，关系整个国民经济的总体效益和发展战略的高度【3 】【4 】。 在电力系统中，异步电动机和变压器等设备需要大量的无功功率。这些无功功率如果不 能及时地得到补偿，必将对电网的安全和稳定运行产生不利影响【5 1 。其主要表现在：首先， 电网无功功率的增加会导致线路上电流的增大，增加的电流不仅会使线路的损耗增加，而且 还有可能威胁到设备的安全运行；其次，电流和视在功率的增大也将导致相应投入的发电机、 变压器及其它电气设备容量的增加；另外，如果电网无功功率储备不足也将会导致电网电压 的降低，而且如果是具有冲击性的无功负载，例如电弧炉、轧钢机等大型设备的频繁运行， 还将使电压产生剧烈的波动，使电网的供电质量更加恶化1 5 。 综上所述，无功功率补偿在稳定和提高电能质量方面具有重要的意义，那么如何快速有 效地对电力系统中的无功负荷进行补偿，是我们相关科研人员需要研究和亟待解决的问题。 l 本项目研究的意义及在国内的研究现状与存在的问题 i i 研究意义 在我国，静止式电容柜是低压电力配电系统常用的无功功率补偿装置，无功补偿控制 器是其核心控制部分【6 】。老式的无功补偿控制器多数是以c o s 矽作为投切电力电容的唯一判 断依据，即分别设定投入门限和切除门限的c o s 矽值，如果测量出当前的电网功率因数小 于投入门限则投入电容器，若大于切除门限则切除电容器。但是c o s 矽作为投切电力电容 的唯一判据，有很多不足之处。比如当三相无功不平衡时，电容补偿无法分别满足各相的无 功需求；在小电流( 负荷较轻) 时，容易出现电容器振荡投切等情况。同时近年来，随着电 力电子器件的广泛应用，引发电力配电系统的谐波分量增多，也直接造成投运电容柜的损坏 【6 】。 鉴于以上所述，我们设计出一款新型无功功率补偿控制器。它能根据系统所需的无功 容量来确定投入电容器，根据系统富余的无功容量来切除电容器，同时在电压过高或者电网 福建农林大学硕士学位论文 谐波超标的状况下，能够主动报警并自动切除已投入的电容器，从而保证整个无功补偿装置 安全可靠的运行。 1 2 研究现状和存在的问题 在国内现有的老式无功补偿控制器的c o s 矽信号检测多数都是采用分立元件分别对某 相电压和电流( 或者是三相中的一相电流和剩下两相电压，比如b 相电流和a c 相电压) 进行过零点的检测，并根据该相电压和电流的过零点的时间差来计算出两者的相角差，最后 得出功率因数值c o s 够吲。同时以测量出的c o s 缈值作为投切电力电容的唯一判据。如： 投入门限设定为0 8 5 ，切除门限设定为o 9 9 ，那么测得当前c o s 够 o 9 9 则发出切除电容指令。这种方法具有无容置疑的设计简单，控制方便等 优点，但同时也存在着不少缺点【8 】o ( 1 ) 精度不高。无功补偿补偿器对电网系统无功功率的补偿动作完全依赖于其对电网 系统电参数瞬时值的检测。因此，精确的检测实时电参量的方法对无功补偿的研究十分重要。 老式的无功补偿控制器，在使用中，当被测量的信号中自身可能含有较多的谐波成分时，经 常会出现过零点的判断失误，导致功率因数的计算出现偏差，进而导致错误的投切动作。这 是很不好的现象。 ( 2 ) 三相不平衡时常出现过补或欠补。老式的三相无功补偿控制器测量无功功率多数 是依据三相中的一相电流和剩下两相电压的相位差( 如b 相电流和a c 相电压) 计算出 c o s t p ，当电网三相不平衡时，功率因数计算精度较差，经常出现某些相过补偿或者是欠补 偿的情况。如a 相需要补偿无功功率为2 5 k v a r ，b 相需要补偿无功功率为1 2 k v a r ，c 相需 要补偿无功功率为6 k v a r ，如果按取b 相电流和a c 相电压来计算c o s ( p 值，则为b 相的c o s p 值，那么按此值投入三相电容器，则a 相欠补偿，c 相过补偿。 ( 3 ) 电容投切易振荡。在小电流时( 轻负载的情况) ，容易出现电力电容振荡投切等不 良情况。比如：投入门限设定为c o s p = o 9 0 ，切除门限设定为c o s q o = o 9 8 ，那么此刻 c o s p = 0 8 9 时，电容投入，但由于负荷轻即需要补偿的无功功率少，一组电容的投入很可 能使c o s ( d 超过切除门限设定值，导致电容被切除，切除后c o s c p 又低于投入门限设定，电 容又被投入，如此反复将极大的降低电容器及相关电气元件的寿命。 ( 4 ) 电容支路在谐波状况下易损坏。由于近年来电力系统为了改善功率因数而大量使 用电容器，工业界为提高系统的可靠性和效率而广泛使用电力电子变流器使得谐波问题更为 严重，电能的质量问题倍受关注【9 】。当电网中出现谐波时，虽然很多时候谐波的电压分量不 1 大，但如果谐波次数高，由于电容的容抗二与频率成反比，容抗值小很多，会造成谐波 n w c 电流分量很大，促使电容补偿柜元器件加速老化，电容补偿柜的器件损耗系数增加，降低电 容补偿柜的使用寿命，容易发生故障 1 0 1 。目前广泛应用的低压无功补偿装置多为三相同投 2 1 9 次谐波线电流为t 1 9 = ；厶= j x l l 6 6 = 2 0 2 0 a 基波线电流为。，= 旱=j 里一一：1 7 蒯1 2 x 3 1 4 x 5 0 x 1 4 7 1 0 6 那么忽略其他次谐波的因素，线电流的有效值为： 吒= 厩= 而万鬲虿：2 1 0 2 a 别进行 这样在 的冲击 容量为 可见含有畸变率k = 3 5 的1 9 次谐波的线电流比基波线电流来的大，约为1 2 倍。所以常会 引起接触器触头烧焊现象，使接触器断不开，影响正常工作。所以实际使用时不得不对触头 经常进行维护和更换，这影响了整个器件工作的可靠性和工作寿命，也降低了工作的准确性 和动作响应速度【6 】。晶闸管开关电容器型补偿器t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o ) ，每一组 电容器都与双向晶闸管相串联，以替代常规电容器回路中接触器机械式开关，但是谐波的状 况下，同样会对电容的支流元器件造成不可预测的损坏6 1 。 2 本项目的研究内容、研究目标和拟解决的关键问题 2 1 研究内容 ( 1 ) 三相的功率因数和电压电流等电参量实时精确的测量 ( 2 ) 无功功率自动补偿投切电力电容判据的确定 3 ( 2 ) 对国内常用的低压无功补偿装置的控制策略进行研究并加以改进，提出采用以无 功功率作为主投切判据，以电网电压及谐波含量作为辅助判据的综合控制策略， 解决以往投切判据中轻载时产生投切振荡而重载时补偿不充分的问题，以及单一 控制目标不够快速、准确的问题。 ( 3 ) 根据电网中常出现的三相无功不平衡的情况，研究分析在此环境下电容补偿的策 略，提出采用三相共补和单相分补相结合的补偿策略。三相共补和单相分补如何 配合投切才是最优的方法是本文研究的的一个重点内容。同时按提出的策略设计 出满足电力电容器按先投先切的循环投切的软件。 ( 4 ) 分析晶闸管过零触发电路应用于低压动态无功补偿装置的工作过程，设计如何保 证在硬件电路上实现电容器组的投切，解决以往由于电容器残压过高而必须延时 较长时间投切电容的问题。研究表明，最佳的投切时间是晶闸管两端电压为零的 时刻，也就是电容器两端电压等于电源电压的时刻，即电力电容的投切采取过零 4 福建农林大学硕士学位论文 如何设计过零投切的软、硬件部分也是本论文的一个主要工作。 设计无功补偿器的硬、软件部分，保证对三相的功率因数和电压电流等 有较高的测量精度。 该无功补偿控制器如何在功能上满足低压无功功率自动补偿控制器的国 准，使设计出的该装置具有较好的市场推广前景。 ，保证该装置有较强电磁兼容特性，即保证在绝大多数现场环境下都能 量出所需要的电参量，并且能够准确的控制输出电力电容的投切且不出 的情况。 5 福建农林大学硕士学位论文 第二章新型无功功率补偿控制器设计 本章为论文的主要内容，从无功补偿的基本原理出发，提出本文的设计思路并根据设计 思路提出控制器的各个硬件结构和功能模块，并最终做出实物用于测试，最终完成整个新型 无功补偿控制器的设计。 第一节无功补偿的基本原理 本节内容将分为两部分，先从无功补偿的基本概念出发，扼要介绍了有功功率、无功功 率、视在功率和功率因数的概念同时也介绍了无功补偿的原理、意义及技术等概念。并针对 本文所研究静止无功补偿器中的晶闸管投切电容器t s c 进行工作结构的介绍。 1 无功补偿的基本原理 1 1 基本概念 设在正弦交流电路中电源电压u 、电流i 分别为： u = q 2 u s i n o t i = x s i s i n ( o t 一缈) = , 2 i c o s 缈s i n c o t 一, f 2 i s i n q , c o s c o t = i p + 岛 上式中9 为在正弦交流电路中电流滞后电压的角度，电流f 被分解成与电压同相位 的分量的和与电流同相位分量的两个分量，比滞后9 0 。 能、热能或光能1 3 1 。其表达式如下： 户= 去卜咖去2 p i t 铲峨袱 = 去了面s i n 缈r 西c o s ( a s i n c o r d ( 妒去了函咖国r f f 2 i s i n c p c o s ( o t d ( = 去了2 明c o s ( p s i n 2c o r d c 卅一去了2 w s i n ( p c o s c o t s i n 删c = 去了c s 9 一啦删c 一去卜n 删删刎 = u c o s 口 由上式可以看出无功功率q = u i s i n 缈就是上式中被积函数的第二项无功分量u i 口的幅 值，无功分量的平均值为零说明它只进行能量交换而不消耗功率，这种能量交换通常发生在 6 行中，功率因数越大越好，只有如此，电力线路中的视在功率将大部分用来供给有功功率， 降低无功功率的消耗。 视在功率是正弦交流电路中电压与电流二者有效值的乘积的功率，视在功率不表 示在交流电路中实际消耗的功率，只表示电路可能提供的最大功率或电路中可能消耗 的最大有功功率。视在功率与有功功率和无功功率之间的关系为 广： s = + q 2 = u 幸i 1 2 无功补偿的原理和意义 把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路上。能量在两种负荷之 间相互交换。这样。感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率来补偿。实质 上就是把原来是由电网或者变压器提供的无功功率，改为由交流电力电容器来提供 1 7 1 。 在用电设备中异步电动机和变压器所需要的无功功率在电力系统所提供的无功功率中 占很大比例。电力系统中的电抗器和架空线等也要补偿一些无功功率。电力电子装置等非线 性装置很多时候也需要补偿无功功率。无功功率补偿装置在电力供电系统中所承担的作用是 提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗、提高供电效率、改善供电质量，所 以无功功率补偿装置在电力配电系统中处在一个不可或缺的非常重要的位置【1 8 1 。 在工厂企业中，大部分是电感性和电阻性负载，因此总的电流j 将滞后电压一个角度9 。 负荷回路模型可采用r 、l 串联电路表示【19 1 。如图2 - i 的补偿回路模型，假设q 为负载所 需的无功负荷，如果没有电容补偿装置，则负载将从电源侧取得的无功功率为q = q ，当负 载并联电容后，由补偿电容器提供无功功率q c ，那么电源所提供的无功功率减少为 q = q q c 。功率因数角由缈降低至缈，功率因数则由c o s 伊提高至c o s 妒1 2 1 。 从图2 1 可以看出通过并入电容，视在功率由s 减少到s 。例如某线路需要提供7 5 0 k w 的有功电能，在负荷的功率因素为o 7 5 的情况下，需要一台容量为1 0 0 0 k v a 的电力变压器， 7 福建农林大学硕士学位论文 然而当将负载的功率因素提高到0 9 后，同样提供7 5 0 k w 的有功电能，只需要容量为 8 3 3 k v a 的电力变压器就够了。所以说电容补偿后视在功率的减少可以相应减少供电线路截 面积和变压器容量，降低供用电设备的投资，或者说降低供电线路和变压器的工作负荷 2 0 1 。 一 q f 1 1 r l y scqc =蝴 q c q l p 系。 _ 么溉 q 图2 1补偿回路模型和电容补偿三角形示意图 1 3 无功补偿的几种方式 并联电容器为无功补偿的主要方式。根据系统负载情况的不同、需要达到的补偿效果的 不同和按照安装位置的不同，无功补偿方式可分为集中补偿、分组补偿和就地补偿三种1 7 1 。 如图2 - 2 。 i ，补低压侧 l 义 i t 、l c 2 l j _ c 3 = 集中补偿 ( a少宁、r、，、，、 ，、，t 就地补偿分组补偿 图2 2 集中、就地和分组补偿示意图 集中补偿：如图2 2 中c l 所示，在低压交流电网中，集中补偿是指将低压无功功率补 置通过低压开关接在用户专用变电所或配电室的低压母线侧。用来补偿配电变压器以及 所以上输电线路的无功功率损耗，还可以就近供应3 8 0 v 配电线路的前段部分及所带用 备的无功功率损耗。适用于低压供电半径短、负荷集中的地方或不适宜就地补偿的用电 。集中补偿方式接线简单，维护和控制也较为简单，具有较高的经济性，是目前无功功 偿中常用的手段之一。但同时也存在着一些缺点：由于它只能补偿安装点以上线路和变 的无功功率，不能补偿用户内部配电线路的无功功率所以其补偿和节能效果较差【2 l 】。 就地补偿：如图2 2 中c 2 所示，就地补偿就是根据个别用电设备( 主要是电动机) 对无功 的需求量，将低压电容器组与用电设备的供电回路相并联。这样可减少供配电线路和变 中的无功负荷，降低线路和变压器中的有功电能损耗，适用范围大，经济效果好。但是 8 福建农林大学硕士学位论文 其投资大，且电容器在用电设备停止工作时，电容器也一并被切除，所以利用率不高。因此 就地补偿只适用于个别补偿容量大的用电设备，如大型感应电动机、高频感应电炉等 1 2 】。 分组补偿：如图2 2 中c 3 所示，分组补偿是将电容器组按低压配电网无功负荷的分布 情况分组装设在相应的母线上，或者直接与低压干线相连接，形成低压电网内部的多组分散 式补偿。这种方式补偿的无功功率不再通过主干线以上线路输送，从而降低了变压器和配电 主干线路的电流负载。分组补偿与集中补偿相比，降损节电效益显著，尤其当用电负荷点较 多时且距离较远时，补偿效率更高。有利于对配电变压器所带的无功进行分区控制，实现无 功负荷就地平衡，减少无功功率在变配电所以下配电线路中的流动，使线损显著降低。由于 分组电容器的投切随总的无功负荷水平交化而变化，其利用率较单台补偿高。其缺点是：一 次性投资较集中补偿方式大，控制上比集中补偿方式较复杂【2 1 1 。 1 4 无功补偿原则 国家电力系统电压和无功电力技术导则规定，无功补偿与电压调节应以下列原则进 行。总体平衡与局部平衡相结合；电力补偿与用户补偿相结合；分散补偿与集中补偿 相结合；降损与调压相结合，以降损为主【2 2 】。 无功补偿应尽量分层( 按电压等级) 和分区( 按地区) 补偿，就地平衡，避免无功电力长 途输送与越级传输2 3 1 。 2t s c 系统介绍 电力电子开关型补偿器的根本原理是利用电力电子开关在电路中并联地或串联地接入 或切除电感、电容、电阻，从而瞬时地改变线路等效阻抗或等效的感性、容性、阻性负载， 达到补偿和控制电力系统中的电压、电流、有功功率、无功功率等电力系统参数的目的，实 现电力系统的安全、稳定、有效地运行口4 1 。本文所研究的低压动态无功补偿器属于静止无 功补偿器( s v c ) 这一类型中的晶闸管投切电容器t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h e d c a p a c i t o r ) ，是电力电 子开关型电力补偿控制器中的一种，它是利用在电路中并联地接入或切除电容来实现系统无 功功率平衡。t s c 与机械投切电容器相比，晶闸管的开、关无触点，其操作寿命几乎是无 限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将电容器接入电网，大大减 少了投切时的冲击电流和操作困难，其动态响应时间约为o 0 1 o 0 2 s 2 5 1 。 2 1t s c 系统工作流程 t s c 的整个系统工作流程如图2 3 所示。通过电压、电流采样后对电压、电流、无功功 率等的分析计算并根据控制策略的判断后进行电容投切，投切电容后所在电网的各个参数出 现相应的变化又反馈到电压、电流的采样中【1 2 】。 9 福建农林大学硕士学位论文 图2 3t s c 系统工作流程图 2 2t s c 系统结构图和电路图 本论文设计的所处的环境为三相低压交流电网，t s c 系统结构图如图2 _ 4 所示。补偿装 置主要由柜体、控制器、空气开关、避雷器、电容器、熔断器和复合开关等组成。我们根据 电网对无功功率的需求变化来改变投入电容器的容量，使晶闸管投切电容器成为分级可调的 动态无功功率补偿装置。如果我们将级数分得越细化，越能实现接近无级调节。当然这必然 将增大投资成本及控制复杂性。 当t s c 用于三相电路时，电力电容器可以是采用连接，也可以采用y 连接【2 6 1 。如 图2 5 所示，为被设计采用的三相共补与三相分补相结合的接线。 c 图2 _ 4t s c 系统结构图 1 0 论文 銮态吞蓉露容蚕 共补 分补 图2 5t s c 系统电路图 共补：即三相电容器对a b c 三相实现同一时刻相同的补偿量。由三个电容组成，分 别补偿三相中的a b 、a c 、b c 两相。分补：即单相电容器，对a b c 三相中其中任意一相 实现补偿，目的是为了弥补三相不平衡时，如某相需要补偿的无功量大于其他两相时，对该 相进行的单独补偿，或者是某两相需要补偿的无功量大于剩下一相时，对这两相的分别补偿。 由于共补和分补在补偿方面各具有优点，所以我们提出了本次设计的补偿电容采用共补与分 补相结合的接线方式【2 6 1 。 t s c 系统电路图见图2 5 ，无功补偿控制器的控制输出有k z l 。k z 8 共8 组。在图中画 出其中的k z l k z 5 的控制部分，其控制安排是k z l 控制共补1 ，k z 2 控制共补2 ，k z 3 k z 5 分别控制分补1 的三个电容器，k z 6 k z 8 分别控制分补2 ( 图中未体现，但同于k z 3 k z 5 ) 的三个电容器。 图2 5 中的2 个反并联晶闸管实际就是起将电容器并入电网或从电网断开的开关作用。 在实际工程应用中，我们一般将电容器分成几组( 6 组、8 组等) ，这种做法可以使晶闸管投 切电容器成为分级可调的动态无功功率补偿装置。如图所示( 图2 5 右为单相3 组电容器) ， 其每组都可以由晶闸管控制投切。这样，可根据电网的无功需求来投切这些电容器，如果我 们将投入电容的级数分得越细化，那么就会越接近于无级调节。t s c 的实质就是断续的可 调的吸收感性无功功率的动态无功功率补偿器【1 甜。 对于多组电容器的分组可以有等容分组和不等容分组2 种。前者易于实现且控制简单， 斟 潞 彝 狰 辫 福建农林大学硕士学位论文 但补偿级差大；后者利用较少的分组即可获得较小的补偿级差，但控制较为复杂。考虑到实 际应用中无功补偿系统的复杂性以及经济性问题，实际工程上工程师常采用所谓“二进制” 的方案，即总共采用n 个电容器，其中n 1 个电容值均为c ，最后一个电容值为c 2 ，通过 容值不同的两者电容的配合投切，这样系统从零到最大补偿量的调节则有2 n 级。最小电容 量那一路作为单位电容量，它的大小决定了补偿精度。当然这样的做法也有一个缺点，即最 后一个电容值为c 2 由于使用频繁，寿命较短。 按图2 5 的接法，结合实际工程中常采用所谓二进制方案，假设我们采用2 路共补和2 组分补( 每组3 路) 相结合，同时假设我们采用共补的电容为3 0 k v a r , 分补的电容为1 5 k v a r ， 那么也就是说我们可以实现的单相补偿容量分别为1 5 、3 0 、4 5 、6 0 、7 5 、9 0 共6 个级别。 例如：当需要投入电容器7 5 k v a r 就是可以由两个共补( 3 0 k v a r * 2 = 6 0k v a r ) 和一个分3 1 , ( 1 5 k v a r ) 组成。同时采用2 组的分补即每相最多可以有2 路的单相电容投入，这样在最大三相 无功功率不平衡为3 0 k v 盯的情况下还能实现正常的补偿平衡。 2 3 并联电容器补偿容量的计算 在用电容器进行无功补偿时，应适当选择电容器的安装容量，否则会由于补偿容量小 则易出现欠补情况；或者因电容性负荷过大，引起电压升高，两者均会带来不良影响。 按国标g b 5 0 2 2 7 中规定电容器的设计容量为变压器的1 0 3 0 目前应用中通常为变 压器容量的3 0 t 1 7 1 。但如果已知负载情况和目前功率因数大小，也可以通过以下公式来计算 所需的补偿容量如果由原来平均功率因数c o s 仍，提高到规定值c o s 仍，则并联电容器的补 偿容量q c 的计算式子如下： 式中p 为有功功率 q = p ( t a n q ，l t a n 仍) t a l l 仍为补偿前平均功率因数角的正切值 t a l l 仍为补偿后平均功率因数角的正切值 例如：已知某工厂当前负荷中有功功率为p = 1 2 0 k w ，功率因数c o s 仍为0 7 5 ，n n i ) j g n 数补偿到c o s 伊2 = o 9 5 ，那么根据上式：q c = p ( t a n q ，l t a n 仍) = 6 6 4 8 k v a r 1 2 1 3 的原理、意义及技术等概 计角度出发，详细介绍本 福建农林大学硕士学位论文 第二节新型无功补偿控制器的设计思路 在第一节的理论基础上，本节内容将从无功补偿控制器的设计角度出发，详细介绍新型 无功功率补偿控制器的设计思路，包括其内部的原理，结构及测量的参量和控制量的分析， 并且针对本论文设计所处的三相低压交流电网的环境提出一套合理的电力电容器补偿策略 以及投切的控制流程。 在前言中本文对国内常见的无功补偿控制器的优缺点进行分析，在此基础上我们对本次 无功补偿控制器的设计提出如下的几点设计思路： 1 硬件部分 1 1 电参量采集部分 本次设计的无功功率补偿控制器采用的是以当前测量的无功功率的大小作为电力电容 投切的主要判据，兼以电压、谐波含量等作为电力电容投切辅助判据。所以这就要求我们需 要设计一组能够具有对电参量有较高测量精确度的电路。 前言中分析了传统的电路一般是通过分立元件来捕捉电压电流的过零点，通过m c u 来 计算电压、电流过零点的时间差及所处电网的交流正弦周期，两者的比值即得出所在电网的 功率因数。这种方法虽然简单，但是误差很较大，而且抗干扰性较差。特别是在我国电网质 量不高、谐波含量丰富的背景下，对测量会引起很大的误差。 目前也有不少的设计是通过d s p 芯片在一个工频周期内等间隔地采集n 个瞬间电压、 电流数据后，经过d s p 进行数据处理，计算出电网电压、电流、功率因数、无功功率、有 功功率、谐波等负荷参数值，存储并根据设置的参数控制电容器投切 2 8 】【2 9 1 。此设计将大量 的f f t 数据处理和投切控制都集中到一个d s p 芯片中，程序较为繁琐，硬件也相对复杂， 不利于产品的模块化生产。而且在信号采集电路同样需要用到大量的分立元件，减弱了系统 的整体抗干扰性。 综上所述，本设计电参量采集的核心部分采用专用的电能计量芯片a t t 7 0 2 2 b ，其内部 集成7 通道的1 6 位高精度a d c 和2 4 位高速d s p ，完全能够满足本无功补偿器设计的要求。 所有的f f t 计算都由a t r 7 0 2 2 b 自动完成。整个电信号采集模块通过芯片的s p i 口与m c u 直接相连。这样大大缩减了外围的采样电路，而且也减少了程序量。同时采用互感器对电压 电流的采样，直接接入电能计量芯片。它具有比传统电路更可靠，线路简单，精度高等优点。 1 2 m c u 部分 p i c 系列单片机是所有单片机中应用较早、较普及的系列之一。其接口电路、应用软件、 现场抗干扰能力等均较成熟可靠。该系列单片机的外围电路如存贮器、显示驱动、键盘扫 描、输出驱动等都有较成熟、运行可靠的模块【3 0 】。 1 4 福建农林大学硕士学位论文 本设计采用m i c r o c h i p 公司的p i c l 8 f 4 5 2 0 芯片为控制核心。p i c l 8 f 4 5 2 0 是一款高性能 r i s c 的单片机。其具有4 4 个引脚，其中3 6 个为v o d ，具有3 2 k 的程序存储器以及宽工作电 平等性能。完全满足作为本无功补偿控制器主控制芯片的要求。 1 3 人机接口及通讯部分 考虑到本设计需具有数据显示和一定的控制操作，那么设计一个较为人性化的人机接 口部分显的尤为重要。本控制器采用1 2 8 6 4 的液晶显示屏，显示相应的电压、电流、无功 功率、有功功率、功率因素等电参量。在按键方面，采用分别为u p ( 上) 、d o w n ( 下) 、 s e t ( 确认) 、e s c ( 返回) 四个按键，具有灵活的操作显示菜单，查看、设置各个参数以 及手动投切电容器等功能。 ， 考虑到用户对远程控制的需求，本设计在精确测量和自动控制的基础上增加与用户端 上位移t 4 8 5 通讯的功能。通过上下位机的通讯，在上位机可以清楚的查看目前各种电参量和 电容投切的状态，并且具备通过上位机实现手动控制投切的功能。 1 4 电容补偿部分 采用品闸管作为电容投切的开关，采取过零投切的方式，可以保证晶闸管在使用过程 中的不至于因电压过大而受到损害，增加晶闸管的寿命3 1 】。考虑到电容的补偿精度及参考 国内同类产品的补偿电容的数量，本设计电力电容补偿策略采用两路共补( 投切三相电容 器) ，六路分补的方式( 投切单相电容器) 。 2 控制策略思路 t s c 系统中最重要的部分即其控制电容投切的策略。以什么样的判据作为电容投切的 标准才能满足实际补偿需求同时又具有较强的安全可靠性，这一点尤为重要。本文通过以 下几点从电容补偿的各个方面提出本设计的控制策略。 2 1 无功补偿策略总述 3 2 】【3 3 】f 3 4 】 我国常见的老式无功补偿控制器多数是以c o s q a 作为投切电力电容的唯一判断依据，这 是一个很直观的判断依据，具有设计简单，控制方便等优点。但是e o s q a 作为投切电力电容 的唯一判据，如前言所述存有精度不高、容易振荡等不足之处。 所以在控制策略方面，本设计直接采取以无