（测试计量技术及仪器专业论文）新型无功功率补偿仪及模糊控制算法.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 本论文全面介绍了在供电网络中存在强谐波干扰情况下的无功功率的补偿 方法和其理论依据；深入探讨了如何在强谐波干扰环境下精确测量无功功率、有 功功率和功率因数的方法，提出了补偿无功功率的同时补偿电网中高次谐波的措 施。 论文首先以现在的研究成果为技术背景，论述了现有情况下补偿无功功率的 一般方法，而后结合本论文的实际技术背景，提出了可以包含谐波信息的功率因 数和无功功率的测量方法，给出了理论依据和完整的数学模型，并由此为依据提 出了可以在单片机上实现的数字化计算公式。 论文随后以这些理论和公式为基础，结合本论文选用的高性能1 6 位单片机 m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，论述本论文设计的全自动无功功率补偿器的硬件和软件的设计方 法。分析、比较了电力系统参数测量常用的交流采样算法，探讨了软件实现交流 电量频率测量的基本方法，在此基础上实现了基于频率跟踪的软件交流同步采样 法。并进一步分析和讨论了本系统采用的模糊+ p i l e ) 控制的控制软件的设计。 关键词：无功补偿，有功功率，功率因数，谐波干扰，模糊控制，p d 控制 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e p a p e rf u l l y r e c o m m e n d st h em e t h o da n d t h e o r y t h a th o wt o c o m p e n s a t et h er e a c l i v ep o w e r ，w h e nt h e r e i st h es t r o n gh u m o r o u si nt h e p o w e r s u p p l y n e t w o r k a n dt h i sp a p e rd e e p l yd i s c u s s h o wt om e a s u r et h e r e a c t i v ep o w e ea c t i v ep o w e ra n dp o w e rf a c t o ra c c u r a t e l y i nt h em e a nt i m e ， t h i sp a p e rd i s c u s sh o wt oc o m p e n s a t et h es t r o n gh u m o r o u sw h i c he x i s t si nt h e p o w e r s u p p l y n e t w o r k f i r s t ，t h i sp a p e rt a k e si n t ot h eg o o dp r o d u c t i o nw h i c hi se x c o g i t a t e da tt h i s t i m e sa c c o u n t ，d i s c u s st h em e t h o d sw h i c hh a v eb e e nu s e di n c o m p e n s a t i o n t h er e a d i v ep o w e rf i e l dt h e nt h i sp a p e r t a k i n gp a p e r l sd i s c u s s e d b a c k g r o u n d t h i n k e d ，b r i n g sf o r w a r dt h en e wm e t h o dh o w t om e a s u r ep o w e r f a c t o r ，w h i c h t a k et h es t r o n gh u m o r o u s d i s t u r bi nt h i n k i n g 。a n dg e tt h en e wm a t h m o d e l s e c o n d t h i sp a p e rt a k et h em s p 4 3 0 f 1 4 9i n t oa c c o u n t ，f u l l yd i s c u s st h e d e t a i l sw h i c hh o wt ot r u l yc a r r yo u tt h i sm e t h o dd i s c u s s e di nt h ep r e v i o u so n t h em s p 4 3 0 f 1 4 9 ，a n dd e e p l ya n a l y z et h ef u z z y + p i dc o n t r o lm e t h o di nt h e p a p e r k e y w o r d s ：r e a c t i v ep o w e r , a c t i v ep o w e r , p o w e r f a c t o r f u z z yc o n t r o l ，p i dc o n t r o l 学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进孳亍的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 英谴入己经发表或攒写逯耱研究戏票，瓷不包含为获得东南大学或其它教育梳牵奄 的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何荧献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：基期： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复窜借彝毫予文档，霹鞋采惩影帮、缩印或其纯复利手段僚存论文+ 本人 电子文档的内容和纸质论文豹内褰相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被套阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括列登) 授权东南大学磷究生院办理。 签名：等师签名：日期： 东南大学硕士学位论文 绪言 秃功功率补偿( 以下简称无功补偿) 和谐波挪制是涉及电力电子技术、电力系统、 电气自动化技术和理论电工等领域的重大课题。由于电力电子装置的应用曰盏广泛，谊 得谐波和无功问题引起人们越来越多的关注。在茏功功率朴偿和谐波抑制方面也取得了 一些突破性的进展。本章将首先介缨无功补偿和谐波抑制的研究现状，以及无功补偿袒 谐波抑制的主要手段然后结合本论文的课题背景阐述本论文的主要的思想和理论。 0 1 无功补偿 人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举的事 情。在芷弦电蘧孛，无珐功率懿壤念是清楚的，藤在含蠢谐波的电力系统中，无功功犁 的定义和补偿就要复杂的多本论文的研究背景就是假定电力系统供电回路中含有较强 趣谐波手抗，本论文讨论豹无珐补偿毽含澍基波竞功功率豹替偿秘对谐波无功功率静褥 偿，所以对谐波的寇义、计算、测量本论文也进行了论述，以希望得到理想的无功补偿 静效果。 觅功功率对供电系统和负荷的运行都是十分煎要的。电力系统网络元件的阻抗主要 是电薅性豹。嚣茈，糖略静说，为了输送鸯功琏率，蒇燕要求送电端帮受宅溃的电莲毒 一定的相位差，这在相当宽的范围内可以实现；为了输邀无功功率，则要求两端电压肖 定的幅值差，这灵能在很窄的蕊戮内实现。不仅太多数网络元件消耗无功功率，大多 数负裁也要消耗无功功率。网络元件和负载所需耍的无功功率必须从网络中某个地方获 褥。鼹然这垫无珐臻率翔暴都要自发电视缝供荠缀过长瓣离传避建不合理酶，通鬻丧蹙 不可能的。含理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是本论支所 要洋缬讨论的无功 德。 早期无功补偿装置的典型代表是同步调相机。同步调相机不仅补偿固定的无功功 率，对变化的无功功率毫能进行动态补偿。至今夜无功褡僖领域中这种装置还在使薅。 但是由于从总体上说邀种补偿手段已显陈i e l ，在本论文中不做讨论。 并联电褰器的戚本低。把著联滚容器耩鞠步调裙祝豫较，在调节效聚褶近静条悴下， 前者的费用要低的多。因此，并联电容器的迅速发展几乎取代了输电系统中的同步调相 辊。所以本论文就翊何投切并联电容器阻达到理想的无功率卜偿效果来展开讨论。但是， 和同步调相机相比，并联电容器只能补偿阉定的觅功功率，对动态的无功功率的补偿效 巢不翱显，同时当系统中存谯谐渡时，还可能发生并联谗辗，使谐渡放大，电容器虱就 而烧毁的事故也时有发生。因此为了弥补并联电容器的这些不足，就必须谐波的测量和 谐渡无功功率的静偿进行讨论，这一点也是本论文豹重要讨论部分。 东南大学硕士学位论文 0 。2 谐波抑制 为解抉电力电予装置和其他谐波源的谐波污染闯题。基本思路有两条：一条是装殴 谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源是适用的；翁一条是对电力电子装餮本生进 亍改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为t ，这当然只适用于作为主要谐波源的 电力电子装鹫这不是本论文所耍讨论酶主要内释，本论文是腻谐波补偿装莺的角度来 讨论谐波抑制的阅题。 凝设谐波补偿装誊的传统方法就是采用l c 调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波， 又可补偿无功功率，丽且结构简单，一直被广泛适用。 本论文主要是讨论无功功率补偿，特别是高谐波干扰环境下的无功功率补偿，酞希 望得到既可以补偿固定无功功率也可以对动态的无功功率和谐波干扰有一定补偿和抑制 的补偿方法。 第一章无功功率和谐波的概念 要正确离效的补偿无功功率，不仅要对无功功率本生进行精确的测量和计算，同时 对于影响无功功率的主要因綮也要进行测爨和计鲜。正如第一章所言，谐波对于无功功 率有很大的影响，尤其是高次谐波的影响是不容忽视的。由于越来越多的电力电子设蛰 加入戮供电电两中，其产生的谐渡和被谐波影响的凡率懑来趣离，往谐波成为个必缕 要面对的问题。所以本章在讨论无功功率补偿前，先讨论一下谐波的概念。 1 。1 谐波瑚谐波分掇 在供电系统孛，逶鬻蕊是希望交流电压秘交浚电流量正弦波澎。正弦毫压可表示为： u ( o = 4 2 us i n ( w t + 饼、 ( 1 1 式中u 电压有效值： 岱耪耜角； 角频率； 正弦亳蕴藏蕊在线搜羌源露律电阻、电感秽毫客主，其泡滚帮嚷篷分剩为阮钢、耪努辩 微分荧系，仍为同频率的正弦波。但到正法电压施加在非线性电路上时，电流就变为非 正弦渡，菲匿弦电流在电鞠疆撬土产生拯鼯，会经电压波形也交为菲正弦液。警然，j 正弦波电压施加在线性电路上时，电流就是非正弦波。对于周期为t ：兰三的非正弦电 毋 压“( 洲) ，一般都满足狄里郝利条件，可分解为如下形式的傅立叶级数： 甜( w ，) = 盯o + ( 群。c o s m c , f + 寿。s i nn w t ) ( 1 2 ) 2 东南大学硕士学位论文 式中= 去n ( w 州 ”三n ( w 咖。s r , w t d ( w f ) 6 。= 去n ( 呐s i n m 埘( w r ) ( ”= 1 ，2 ，3 ，0 或 “( w f ) ：a 。+ 妻c 。s i n ( 删f 十纵) 式中， c 。、吼和甜。、b 。的关系为 q = 厢，纯= a r c t g ( a 。b d 口n 3 c ns i n 吼 d 。30 。c o s 妒。 ( 1 3 ) 在式( i 2 ) 戏式( 1 3 ) 的傅立叶级数中，频率为1 t 的分量称为基波，频率大 于1 凝数倍藜波频率豹分爨嚣力谐波，瀵波次数为谐波频率和慕渡频率的整数比。以上 公式和定义均以非难弦电膳为例，对于非正弦电流的情况也同样适用，即把“r w u 转成 i 幽t n 次谐波电压禽有率以凇乩( h a r m o n i c r a t i ou 。) 表示。 h r u = l 。麟) 式中 瓯第”次谮波电压的裔效值。 ，基波毫压毒技擅。 间样，月次谐波电流的含有率以h r 。表示。 h r ：拿。l 瞄) 式中 i 。- 一第t 1 次谐波电压的膏效值。 ，基波电压有效毽。 谐波电臌含量u n 和谐波电流含量如分别定义为 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 东南大学硕士学位论文 u h i h = ( 1 6 ) ( 1 7 ) 以上主要讨论的谐波是单相的电压电流，但是一般在供电系统中，我们接触到的是 三相供电系统。下面讨论三项电路中的谐波分析。 一般来说，可以对各相的电压、电流分别进行上述的谐波分析，但是三相电路也有 一些特殊的规律。在对称三相电路中，各相电压、电流依次相差基波的2 口3 。以相电 压为例，三项电压可以表示为： “。= “( w f )l u b = u ( w t 一2 z 3 ) ( 1 8 ) 虬= u ( w t + 2 z 3 ) j 设a 相电压所含的月次谐波为“。= 厨。s i n ( n w t + q 9 。) 则b 、c 相电压所含 次 谐波就分别为： h = 何。s i n n ( w t 一2 z 3 ) + f p 。】= 而。s i n ( n w t 一2 n ，r 3 + 伊。) 。= 4 z u 。s i n n ( w t + 2 z 3 ) + 妒。 = 4 2 u 。s i n ( n w t + 2 n z 3 + 妒。) 对上面的公式进行分析，可得出以下结论： ，、月= 3 k ( k = l 、2 、3 ，下同) ，即月为3 、6 、9 等时三相电压的谐波大小和相位均相 同，为零序谐波。 2 、月= 雏+ 1 ，即月为4 、7 、1 0 时，b 相电压比a 相电压滞后2 z 3 ，c 相电压比a 相电 压超前2 ；r 3 ，这些次数的谐波均为正序谐波。对称三相电路的基波本身也是正序的。 3 、n = 3 k l ，即月为2 、5 、8 等时，b 相电压比a 相电压超前2 z r 3 ，c 相电压比a 相电 压滞后2 r e 3 ，这些次数的谐波均为负序谐波。 对三相电流进行谐波分析时，可以得出完全相同的结论。对于各相电压来说，不管是三 相三线电路还是三相四线电路，相电压中都可以包含零序谐波，而线电压中都不包含零 序谐波。对于各相电流来说，在三相三线电路中，没有零序电流通道，因而电流中没有 3 、6 、9 等次零序电流；而在三相四线电路中，这些零序电流可以从中性线中流过。 以上的分析只适用于对称的三相电路，对称的三相电路的谐波也是三相对称的。对 于不对称的三相电路来说，其谐波也是不对称的，一般现在还没有统一的理论和公式， 所以在本论文中只讨论的对称的三相电路。 以上讨论的只是谐波的分析定义和公式，其在数学意义上都是连续和循环的。如果 要用计算机或是单片机系统对所测量的信号进行分析，就必须把以上的公式离散化。我 们一般采用离散傅立叶变换( d f t ) 或是快速傅立叶变换( f f t ) 的方法进行谐波分析， 这将在以后的章节详细讨论。 4 一u 一一。 莎m i m雁蜃 东南大学硕士学位论文 1 2 无功功率和功率因数 1 2 1 正弦电路的无功功率和功率因数 往盈裁，辑阻毫滚稻遣压春一定静鞠位差，宅稍哥虢表示为： “：压ds i n w f f = - , 压i s i n ( w t e ) = 4 2 c o s e s i n v e t 一- q i s i nr p c o s w t = f p 十f q( 1 9 ) 式申舻电流滞蕊奄压翁籀角。 电流j 被分解为和电愿同相骰的分量j ，和比电压滞嚣万，2 的分量j 。j ，釉i 。分别 i ：三二- , ? 2 i s i n 鲫( p 访c o w s w t c ，训， 。篇一| 电路的有功功率p 就是其平均功率，即 尸= 去r 4 坝w 归去知( i p + i q ) 撕) = 土2 t ra r o 8 ( g l c o s o - u i c o s 妒c o s 2 w t ) d ( w 啦去r u s i n 删n 2 旧砌州l _ 1 1 ) = u c o s l p 电路的无功功率定义为 q = u s i n 妒 ( 1 - - 1 2 ) 可以看出一9 就是式( 1 1 1 ) 中被积函数的第二顼茏功功搴分量封艺的变化幅度。 帮f 。的平均筐为零，袭示了其有能爨交换两苇消耗功率eq 表示了这静熊量交按的辐艨。 在单相电路中，这种能量交换通常煌在电源和具有储能元件的负载之间进行的。从式( 1 一1 1 ) 可看出，真正的功率消耗是由被积函数的第一项有功功率分量u i 。产生的n 因此， 把式( 1 1 0 ) 所描述的i 。和i 。分别称为正弦电路的有功电流分量和无功电流分量。 对于发电祝和变压嚣等电气设备来说，箕额定电流值与导线的截磷积及锎耗有关， 其额定电压和绕组电气绝缘有关，在工作频率一定的情况下，其额定电压还和铁心尺寸 及铁心损耗有关。西兢，工稳上把电压电流有效馕的乘积作为电气设备功率设计极限悠j 这个值也就是电气设蓥最大w 利用器量。因此，引入如下视在功率的概念： s = u ( 1 1 3 ) 从式( 1 1 1 ) w 知，搿功功率p 的最大值为视在功举s ，p 越接近s ，电气设备的 东南大学硕士学位论文 容量越得到充分利用。为了厦映p 接近s 的程度，定义育功功率和视在功率的比值为功 率因数冀。 p 五= 二( 1 1 4 ) s 从式( 1 一1 1 ) 和式( i 一1 3 ) 可以看出，在破弦电路中，功率因数是由电胜和电流 之间的糟角差决定的。在这种惜况下，功率因数通常用c o s o 采表示。 从式( 1 1 1 ) 、式( 1 1 2 ) 和式( 1 1 3 ) 可知，s 、p 和q 有如下关系： s 2 = p 2 + q 2 ( 1 一t 5 ) 戏该指嬲，视在功率只是电压鞠电流有效馕魈象积，宅著不能准确菠映能照交换秘 消耗的强度。在一般电路中，视在功率不遵守能量守恒定律。 1 2 2 非正弦电路的无功功率和功率因数 在含专谤渡的嚣正弦龟籍中；有功功率、褪在功率鞠功率因数的定义均稻茁弦电黯 相同。有功功率仍为瞬时功率在一个周期内的平均值。视在功率、功率因数仍分别由式 ( 1 1 4 ) 移式( 1 1 5 ) 来定义。遂露个羹髂髓理意义也没有变化。 非正弦周期函数可用傅立叶级数表示成式( 1 3 ) 的形式。式中的s i n ( w t + 识) 、 s i n ( 2 w t + 鳋) 、s i n ( 3 w t + c o i ) 。簿都是簋辐正交的。诡就是说，上述遵数集合中的黼 个不同函数的乘积，蕻在一个周期内的积分为零。所以其有功功率p 为： 1m 5三 p = 去上u i d ( w t ) = u 。，。c o s q ，。 ( 1 1 6 ) n = l 电压帮电流的存皴值分荆为： 因此s = u i = ( 1 一1 7 ) ( 1 一1 9 ) 含有谐波的非难弦电路中的无功功率酶情况眈较复杂，至今没有被广泛接受的科举 而权威性额定义。本论文仿照式( 1 1 5 ) ，可以定义无功功率为： 。_ h ，h * - 。一 ( ? = 4 s 2 一p 2 ( 1 2 0 ) 这里，无功功率9 只是反陕了能量的流动和交换，并不反映能嚣在负载中的漓耗。在遥 一点上，它和正弦电路中无功功率蠼基本的物理意义是完垒一致的。因此，这定义被 广泛接受。倦是，这定义对无功功率的描述是穰糖糙的。它没有区别基波电压电流之 间产生的无功功率、问频率谐波电压电流之间产生的无功功率，以及不问频率谐波电艇 6 一瞬 一砖 e 蜃每唇 k - k i d 东南大学硕士学位论文 电流之间产生的无功功率。也就是说，这定义，对于谐波源和无功功率的辨识，对于 理解谐波和无功功率的流动，都缺乏明确的指导意义，这一定义也无助于对谐波和无功 功率的监测和管理。 本论文不采用这种定义方式，本论文从谐波角度考虑给出新的无功功率的定义，并 讨论其特点，希望有助于无功功率的全面分析和理解。我们采用新的无功功率符号0 ，。 一j q ，= u 。，。s i n ( 1 - - 2 1 ) 这里q ，是由同频率电压电流正弦波分量之问产生的。在正弦电路中，通常规定感 性无功功率为正，容性无功功率为负。把这一规定引入非正弦电路中，就可能出现一些 很不合理的现象。同一个谐波源有可能某些次谐波的无功功率为感性无功功率，而另一 些次谐波的无功功率为容性无功功率，从而出现两者相互抵消的情况。而实际上，不同 频率的无功功率是无法相互补偿的，这种互相补偿抵消是不舍理的。在这里，我们不把 q ，看成具有度量电源和负载之间能量交换幅度的物理定义标量，而是把它看成正弦波 情况下定义的自然延伸，从而扩充进谐波的考虑因素，为谐波引入无功功率分析提供数 学工具和基础。 在非正弦的情况下，s 2 p 2 + q ；，因此引入畸变功率d ，使得 s 2 = p 2 + q ；+ d 2 比较式( 1 - - 2 2 ) 和式( 1 2 0 ) ，可得 q 2 = q ；+ d 2 ( 1 2 2 ) ( 1 2 3 ) 和q ，不同，d 是不同频率的电压电流正弦分量之间产生的。 在公共电网中，通常电压的波形畸变都很小，而电流波形的畸变则可能很大。因此， 不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波时的情况有很大的实际 意义。设正弦电压有效值为u ，畸变电流有效值为，其基波电流有效值及与电压相角 差分别为i l 和仍，月次谐波有效值为，。考虑到不同频率的电压电流之间不产生有功功 率，按照上述可以得到： p = u i ，c o s c p l ( 1 2 4 ) q r = u i 】s i n p l ( 1 2 5 ) s2 = u2 ，2 = u 2 ，? + u 2 ，： 7 ( 1 2 6 ) ( 1 2 7 ) 东南大学硕士学位论文 d 2 = s 2 一p 2 一q ；= u 2 ，： ( 1 2 8 ) n 2 2 在这种情况下，q ，和j d 都有明确的物理意义。q r 是基波电流所产生的无功功率，d 是 谐波电流所产生的无功功率。这时功率因数为： 五：冬：百l 7 1c o s 妒l ：争c 。s 弼：，c 。s 仍 ( 1 2 9 ) su li 。 式中，y = ，；，即基波电流有效值和总电流鸯效擅之比，称为基波聪数，两c o s 识称 为位移因数线基波功率因数。可呲看出，功率因数是由基波电流相移和电流波形畸交两 个因素决定豹。总电流也聪戳看成出三个分量，鄹基波荐功电流、基波无功电流和谐波 电流组成。 以上讨浚鲍功率因数不嗣于一般匏功攀毽数，其内魏含了谐波的影响，特别适会于 强谐波干扰下的电网功率因数的测定，对无功功率的补偿具有明确的指导意义。 1 2 3 三褶电路的功率因数 以上分轿讨论的是基于单褶穰路的替荣，在兰相对称电路串，各稳毫压、电流均为 对称，功率因数也是相同白臼。三相电路的总的功率因数就等于备相的功率因数。在三相 电路中，影响功率嗣数的函素除电流秘电压的籀位差、波形璃变井，还寄一个因素就是 三相不对称。三相不对称电路的功率因数篷今没有统一的定义。定义之一为： ，：娶 厶“ 式中，各相的s 为其电流与各线到人为中点电压的乘积。可以器出，即使三相都是电阻 负载，其要兰福不对称，功率露数仍是小予l 。 1 3 本章小结 本章结合论文的讨论背景，提出了在高谐波干扰下的无功功率的计算方法和推导公 式，在簧绞酌无功功率琴锺功率因数豹计冀方法上，翅人了谐波熬计算秘谐波对无功功率 影响的考虑，咀后备章将以本章得出的新功率因数的计算公式为依据，进行实际的无功 荣鞠 鹫渡捺镧。 第二牵无功补偿实现和l e 滤波器 设置无功补偿电容器是补偿 凭功功率的传境方法之，目前在国内外均得到广泛应 爱e 设置著联电容器羚偿无功功率具枣终掏燕摹、经济方埂等特点。与裁类 璇。设置l c 滤波器是抑制谐波的传统方法，目前它们是应用最多的方法，所以本论文主氍讨论邋两 穆方法，秘蒸在具髂实际中麴实袋。 8 东南大学硕士学位论文 2 1 无功功率补偿电容器 在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重耍的指标。为确保 电力系统的磁常运行，供电电压和频率必须稳定程一定的范围内。频率的控制与有功功 率的控制密切相关，两电压控制的燕要方法之一是对电力系统的花功功率进行控制。 控制无功功率的方法狠多，一般可采糟： l 、同步发电机调整鼢磁电流，使其在超前功率因数下运行，输出有功功率的同时 输出凭功功翠。 2 、同步电动机与前澍的区别主要在于同步发电机位于各发电厂，而同步电动机位 于大掰户处。 3 、同步调相机当同步电动机不带负载而空载运彳亍，专门囱电网输送无功功率时， 称为阔步调相机。主要装设予枢纽变电所。 4 、并联电容器可提供超前的无功功率，多装设予降压变电所内，亦可就地补偿。 上述方法中，由于并联电容器简单经济、方便灵活，己逐渐取代了同步调相机，故 本论文将详细讨论并联电容器。 2 ，l1 并联电容器补偿无功功率的原理 桩实际电力系缭中，大部分负载为异步电动机。包括异步电动机程内的绝大部分电 气竣餐匏等效电路碟藿律惫辍最与瞧惑三窜连篱龟终，箕功率嚣数为： 舻：；塞(2-1)c-os妒2 = = = 一 j 醛+ x 芝 式辛x ，= c o l 。 圈2 一t 并联电容补偿无功功率的电路和稽鲎囤 a 电路b 欠补偿相羹图c 。过补偿相量图 9 东南大学硕士学位论文 给尺，电路并联如c 后，电路如同2 - - i a 所示。该电路的电流方程为 i=ic十k(2-2) 育图2 一i b 的相量图可知，并联电容后电压移与f 的相位麓变小了，即供电回路的 功率戳数提商了。此时供电电流，的相位滞后与电压u ，这中情况称为欠补髅。若惫容 c 的容量过大，使得供电电流，的相位超前于电压矿，这种情况称为避补偿，箕相嚣闰 如图2 一l e 掰示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这会引起变压器二次电压的丹舞， 而且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗。如粜供电线路电臌因此而升 裹，述会增妻羹电容器本身弱功率损耗，使激丹增大，影蛹电容器的寿命。 2 t 2 并联电容器 f 偿无功功率的方式 按电容整装的位置不同，通常有三种方式 l 、集中补偿屯容器组集中装设在企韭或避方总降压变亳所的6 1 0 k v 母线主， 用来提高整个变电所的功攀因数，使该变电所的供电范围内无功功率旗本平衡。可减少 高压线的无功损耗，而且能够提高本变电所的供嚷电压质量。 2 、分缀补偿将电容器组分成装设在功率因数较低的车间或乡镇终端变配电所高 压或低压母线上，也称为分散脊偿。这种方式具有与暴中补偿相同静优点，健无功棒楼 容量的范围相对小魑。但是分组补偿的效果比较明显，采用得也较普遍。 3 、就地补偿将电容器或电容器装设在异步电动机或电感性用电设备附近，藏缝 进行无功补偿，也称为单独补偿箴个别补偿方式。这种方式既可能提高为用电设备供电 回路的功率因数，又能改善用电设备得电压质豢，对中、小型设备十分适用。近年来， 随着我国逐步具备生产低压自愈戏并联电容器的能力，且型号规格日渐齐全，为就地补 偿方式的推广创造了有利条件，弗已有许多成功应用豹实铡。诧种方法是本文采灞瀚主 要方法。 2 1 3 并联电容器补偿容量的计算 或 电容器的补偿壁与采用的补偿方式，未补偿时的负载情况、电容器接法等肖关。 1 、集中 缮和分臻秘偿电容器容量计算 采用集中补偿方式和分组补偿方式时，总的补偿容量由下式决定： q c = 凡8 ( t g i o , 一曾妒2 ) ( 2 3 ) q c = 见，吼只 式中 只由变配电所供电的月最大有功功率计算负载( k w ) 1 0 ( 2 4 ) 东南大学硕士学位论文 正0 月平均负载率，一般可取0 7 08 吼补偿前的功率因数角，c o s ( p 1 可取最大负载时的值； 妒：补偿后的功率因数角，参照电力部门的要求确定，一般可取0 9 09 5 ； 吼电容器补偿率( k v a r k w ) ，即每千瓦有功负载需要补偿的无功功率，这 里q ：= 噜9 、一i g 妒2 。 电容器接法不同时，每相电容器所需容量也是不一样的。 ( 1 ) 、电容器组为星型联结时 q c _ f 3 u i c x l o - 3 = 忉鬻1 0 - 3 = 刚2 1 0 。3 ( 2 _ 5 ) 式中u 装设地点电网线电压( v ) ： ，电容器组的线电流( a ) ； c d 每相电容器组的电容量( f ) 考虑到电网线电压的单位常用k v ，q 。的单位为k v a r ，则星型联结时每相电容组的 容量为： c ，= 簪( 胪) ( 2 - - 6 ) ( 2 ) 、电容器组为三角联结时 绞= f 3 u i c 1 旷3 _ 3 u 格x 1 旷3 = 3 c o c u 2 】o _ 3 ( 2 _ 7 ) 若线电压u 的单位为k v ，则每相电容器的容量( 单位为f ，) 为， c 。：粤婴 ( 2 - 8 ) 。6 一了五矿 2 8 2 、就地补偿电容器容量计算 单台异步电动机装有就地补偿电容器时，若电动机突然与电源断开，电容器将对电 动机放电而产生自励磁现象。如果补偿电容器容量过大，可能因电动机惯性转动而产生 过电压，导致电动机损坏。为防止这种情况发生，不宣使电容器容量过大，应以电容器 在此时的放电电流不大于电动机空载电流i 。为限，即 q 。= 3 ，。1 0 。3 式中 ，。供电系统额定电压( v ) ( 2 9 ) 东南大学硕士学位论文 或 ，电动机额定空载电流( a ) 若电动机空载电流，。在产品样本中不能查到，本论文采用下式估箅： i d = 2 1 m ( 1 一c o s ) j 。= iq m ( s i n 9 w 式中 ， 彳电动机额定电流( a ) 竺! 坠、 2 n ，7 ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) p 。电动机未经补偿时的功率因数角； n ，电动机最大转矩倍数，一般取18 22 。 2 1 4 并联电容器对谐波的影响 补偿容量与供电电压平方成正比，是并联电容器的缺点之一。而且更为严重的缺点 是与谐波之间的相互影响，其具体包括： l 、谐波对并联电容器的直接影响 谐波电流叠加在电容器的基波电流上，使电容器电流有效值增大，温升增高，甚至 引起过热而降低电容器的使用寿命或使电容器烧毁。 2 、并联电容器对谐波的放大 电容器将谐波电流放大，不仅危害电容器本身，而且会危及电网的电气设备，严重 时会造成损坏，甚至破坏电网的正常运行。所以本论文在讨论无功功率补偿时，特别注 意谐波的影响，希望在补偿无功功率的同时，可以尽可能的抑制电网中的谐波，从而使 电网能得到最好的功率因数。下面分析两者的关系。 在没有电容设备且不考虑输电线路的电容时，电力系统的谐波阻抗z 。可由下式近似 表示； z 。= r ；。+ j z 。= r 。4 - j 硝。 ( 2 1 2 ) 式中 r 。系统的h 次谐波电阻 l ”次谐波电抗，x 。= n x 。 置工频短路电抗 发并联电容器的基波电抗为x 。，一次谐波电抗为x c 。，则 东南大学硕士学位论文 x “：i x c ( 2 1 3 ) n 并联了电容器后，系统的谐波等效电路如图2 - 2 所示。系统的一次谐波阻抗变为z 二， 图2 2 并联电容器的系统谐波等效电路图 z ：h _二盥! 刍( 2 - - 1 4 ) 屯”一瓦i 话雨 由上式可见，装设电容器之后，系统谐波阻抗发生了变化，既可为感性也可为容性， 并且对特定频率的谐波，并联电容器可能与系统发生谐振，使等效谐波阻抗达到最大值， 很显然我们不希望出现这样的情况。 电力系统中主要谐波源为电流源，其主要特征是外阻抗变化时电流不变。图2 - - 3 a 给出电力系统的简化电路图，图2 3 b 为其谐波等效电路。图中，。为谐波源的月次谐 波电流；，；。为进入电网的谐波电流；，c 。为进入电容器的谐波电流。 图2 - - 3 电力系统简化电路及谐波等效电路 a 电路b 谐波等效电路 在这种情况下，。和，n 分别为 j 一 二壁生 j 。 r 。，+ j 瞪。，一x c j 。：盥j 。 r 。，十j q 。一x c ，) ( 2 一1 5 ) ( 2 1 6 ) r厶 喊 东南大学硕士学位论文 由上述两式( 式2 1 5 ，式2 1 6 ) 看到，当。= 丑c 。时，并联电容器与系统阻抗 发生并联谐振，。、，n 均远大于，。，谐波电流被放大。而当x 。= 以。和x 。= x 。i n 时，谐振点谐波次数为即。= 五x ；，即当谐波源中含有次数接近x c z ，的谐波 时，系统虽然不发生谐振，但也会导致该次谐波被放大。 在补偿无功功率的同时，为了避免这种情况发生，本论文采用给并联电容器串接一 定大小的电抗器的方法来改变并联电容器与系统阻抗的谐振点，从而避免谐振。由于通 常r 。 ij啦z一瞬n乱 )_j=3d容，n乱 州薹h 11墨irno e 吐i i 丑 东南大学硬士学位论文 t 邕等 f 蕊 m d“，m w iml榭c 、稚lmt ll 越 l d 徽趣 x 1 2 黼 、i 竹i ，c 卅l lz卜，ah 、0 盥； i 】群x 渊疆 h d c 堪，* 7 机n ， n j d n孙j j 蒜 e 拉掣 撕 张 自z z珥，帖 鼽j t i 枷 碱z 儿，i 】籼 m m wp i 料a 村l x挪肼h 罐 越j n 肼l xwl a x c i e 搬j c 0 q 巩辫 l r 扯i , a o l dw 删i e 鞋删a 越外“o e u r l 鞍 毋珥j 月a 5 壤 w j m 瑾i 北t # 1 腓 # 肌柚w m 撕 * 艉群拜稿j 0 勰 # l m - 0* # j m m“j n # 删l 坷h j h h m u ! ，c mh 3 w m 聃 日x i 碰* j d 越 # m i x* i 韩a 口t m抖d 舶 圈3 4 系统电路图 键盘。由p 1 日驱动，采用中断方式查询键盘。 液晶。数据线由p 4 阳驱动，p 4 口不再作其他用途，p 4 口初始化成输出口。控 制线幽p 54 p 5 7 驱动，宅们也不再作它用，初娥化成输出口。滚晶不用总线 方式雅动而用直接控制驱动，这是黝为m s p 4 3 0 f 1 4 9 没有地址，数据线方式。 a i d 鞭。a d 日由p 6 口构成，恕p 6 口初始纯成a d 岛，在程序中就不再用作 i 0 日。 继电器驱动翟。继电器由p 2 日和p 3 日一郏分驱动，初始化时把它们视始健成 输出e 】。 复位电路。复位电路是蹙单的电阻电容充放电电路，在上电时复馒。 电源。数字电源和模拟电源分开供，分别接电容接地，同时为了隔离，在靠近 芯片的地方用了l o 敬姆电隧隔离它们。 j t a g 口。是本系统的程序下载和调试接翻，非常重要，蕻驱动由m s p 4 3 0 f 1 4 9 上专用脚保诞。 3 ，2 。3 无功功率毒 馈器设计调试工巽 m s p 4 3 0 f 1 4 9 毒一兮疆大浆优点，就是箕支e 语言，嗣薅还嚣戳逶迸其鸯身瓣疆a g 口，进行在线仿真，设计调试十分方便。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 叁磐靛牙袭器支持e 语言，冀开发强壤是i a r 公司齐发弱i a r 匿 东南大学硕士学位论文 w o r k b e n c h 集成开发软件。该软件有友好的界面，方便的在线帮助等特点。关于i a r w o r k b e n c h 使用的详细介绍可以看参考文献2 1 。在这里不作详细讨论。 3 3 1 2 位a d 转换器a d c l 2 前面在m s p 4 3 0 f 1 4 9 的概述中已经简单了介绍了a d c l 2 ，但是a d c l 2 是本系统的 关键部分，整个系统的精度与之息息相关，所以在这里我们详细讨论一下m s p 4 3 0 f 1 4 9 的1 2 位a d 转换器- - a d c l 2 。 3 3 1a d c l 2 概述 a d c l 2 是1 2 位高精度的a d 转换模块，具有高速，通用的特点。它的结构如下图 ( 图3 5 ) ，它具有以下五大功能模块，都可以独立配置，即 带有采样，保持功能的a d c 内核 可控制的转换存储 可控制的参考电平发生器 可控制和选择的时钟源 可控制的采用及转换时序电路 v 锸。ith ，；j 篇”- r t x ：3l rk c 、蛊气l 。雨订 _ _ _ m m 越f? 芒 7 ；厂 ；书一 址一 _ 链兰! 三裂募 一+ 一 _ 址 - - 平： i u o 8 卜 ，m 8 c 一 ”品叫 ；- h s rl lj 苫 s h s 峪萎 卒- ：= 专由 。1 d “ t 8x 1 2 - b |1 x i 柑 口c m m r a c ”y f l 口d 哪b b l 5 2 ”- ma d c - 刎c 硎h 图3 - - 5 a d c l 2 结构图 a d c l 2 可以对8 个外部模拟信号之一或内部电压之一作转换。4 个内部通道用于温 东南大学硕士学位论文 度、v e t 测量、正参考电平v e r e f + 狈u 量及负参考电平e f 一，v e r e f 一测量。 a d c l 2 工作时可以用内部参考电平，或者外部参考电平，也可以是两者的组合，在 本系统中采用的是内部25 v 的参考电压。 a d c l 2 具有通用的采样、保持电路，给用户提供了对采样时序的各种选择。采样时 序可以通过控制位用软件直接控制，也可以用3 种内部或外部的信号来控制。通常，内 部时序信号来自于m s p 4 3 0 f 1 4 x 的定时器。 a d c l 2 有4 种工作模式。可以在单通道上实现单次转换或多次转换，在序列通道上 实现单次转换或重复转换。本系统采用的序列通道( 2 通道) 单次转换。 转换结果保存在1 6 个转换存储器中。每个寄存器有各自相应的配置及控制寄存器， 让用户为准备存储的转换结果选择采样通道和转换所需参考电平。 现将a d c l 2 的主要特性归纳如下： 最大采样速率为1 0 0 k s p s 。 转换为1 2 位精度，1 位差分非线性( d n l ) ，1 位积分非线性( i n l ) 。 内装的r c 振荡器，可以用于产生采样时序。 内装的用作温度测量的热敏二极管。 8 个可配置的外部信号采样通道。 4 个内部通道，用于温度、a v c c 及外部参考电平的采样。 内部的参考电平为1 5 v 或2 5 v ，可以用软件选择。 可以为每个通道的正负参考电平选择内部或外部的电压源。 可选择转换时钟源。 具有单通道单次、单通道重复、序列通道单次，序列通道重复等转换模式。 1 6 个保存转换结果的1 2 位寄存器，可独立用软件访问及配置通道和参考电平。 3 3 2a d c l 2 的工作原理及操作 1 、a d c 内核 a d c 内核完成将模拟信号转换成1 2 位数据并存入转换存储器，见下图( 图3 6 ) 。 内核用到两个参考电平，即v r 十和v r 一，作为转换范围的上下限和读数的满量程和“0 ” 值。转换数值在输入信号大于等于v r - 时为满量程，小于等于v r 一时为“0 ”。输入通道 和参考电平由转换存储控制寄存器定义。转换公式为： n a d c ：4 0 9 5 竖二垦： + 一k 一 东南大学硕士学位论文 蛐0 籀# 群黼n 0 鼬m # 土e 雌 审糖 e 图3 6 a d c 内核、输入多路开关和采样保持电路 2 、参考电平 a d c l 2 有内部的两种参考电平，可以选择1 5 v 或25 v 。参考电平可以加入在a d 内核的v r + 上，也可以从外部连接到v 。f e + 引脚。本系统采用豹是25 v 参考电平，直接 在内部连接。 v r 一的参考电平可以选择a v s s ，也可以经过v r e f 或、，e r e f 引脚由外部加入，在本系 统中我们直接把v r _ 连到a v s s 上。 3 3 3 模拟输入与多路切换 l 、模拟多路切换 a d c l 2 的8 个外部模拟信号通道和4 个内部信号经过多路模拟开关选择。通道由和 每个转换存储器寄存器对应的a d c l 2 m c t l x 寄存器选择。多路模拟开关是先关后开型 的，见图3 7 ，以减少因通道切换而引入的噪声。它是一个t 型开关，为了尽量减少通 道间的耦合，未选中的通道与a d 隔离，中间节点接模拟地a v s s ，这样使得杂散电容 接地以减少串扰。 n 2 、输入信号 图3 7 模拟开关结构 东南大学硕士学位论文 在采样过程中，输入信号加在a d 内核地电容网上。因此，电容网络的充电是由信 号源提供的。电容网络在采样期间必须充分充电，因此外部信号源的电阻是本系统很关 心的问题，在这里我们选用了高输出阻抗的电流电压互感器作为本系统的外来信号源， 以保证模拟信号的采样达到1 2 位精度。 3 、热敏二极管的使用 选择a d 通道1 0 ，可以利用片内的热敏二极管测温。以便可以监视系统的工作温度， 在工作温度过高的情况下提供报警服务。 3 3 4 转换存储 典型的a f d 操作通常用中断请求来通知a f d 转换结束，并需要在下一次a f d 执行前 将转换结果转存到另一位置。但是a d c l 2 有1 6 个转换存储寄存器( a d c l 2 m e m x ) 使 得a d 可以进行多次转换而不需要软件干预，这一点提高了系统的性能，对于本系统而 言更为重要，因为我们所要测量的无功功率和功率因数与电压和电流的相位息息相关， 在a d 部分的不同时采样是引入相位误差的主要原因，现在由于a d c l 2 可以自动连续 的快速采样并自动保存转换结果的功能，使得这由不