基于嵌入式的智能无功补偿装置的研究

中国矿业大学本科生毕业论文姓名学号学院专业论文题目基于嵌入式的智能无功补偿装置的研究专题指导教师职称教授2012年6月中国矿业大学毕业论文任务书专业年级学号学生姓名任务下达日期2011年12月14日毕业论文日期2011年12月20日至2012年06月05日毕业论文题目基于嵌入式的智能无功补偿装置的研究毕业论文专题题目毕业论文主要内容和要求1查阅20篇以上课题相关的近年参考文献，其中近5年文献过半，书不超过5部，英文文献5篇以上，并在论文中加以标注；2学习无功补偿的概念和基本原理，以及进行无功补偿的意义；3熟悉无功补偿的基本方法，工作原理以及工作特性；4应用PWM脉宽调制技术，设计了无功补偿的连续调容电路；5学习本课题所使用的STM32嵌入式微控制器；6进行硬件电路设计，对硬件电路实物进行测试，并对得到的结果与仿真进行对比分析，得出结论；7利用MATLAB/SIMULINK搭建电路模块，进行仿真，验证本课题研究方法的可行性；8翻译一篇与毕业设计相关的近5年发表的外文文献（3000字以上）。指导教师签字郑重声明本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕业论文的知识产权归属于培养单位。本人签名日期中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）成绩指导教师签字年月日中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）成绩指导教师签字年月日中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答辩情况回答问题提出问题正确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩答辩委员会主任签字年月日学院领导小组综合评定成绩学院领导小组负责人年月日摘要近年来，由于电网容量的增加，对电网无功要求也与日增加。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。在电力系统中，无功要保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时会导致设备损坏，系统解列。因此，解决好网络补偿问题，对网络降损节能有着极为重要的意义。本文介绍无功补偿的现实意义，分析无功补偿的必要性，简单介绍国内外无功补偿技术的研究现状，探讨了无功补偿的几种方式以及其优缺点，给出了TSC型无功补偿控制器的控制方案，针对现有无功补偿系统的不足，本文提出了一种新型无功补偿的PWM连续调容技术,该方法采用PWM脉宽调制技术，通过调节电力电子器件脉冲占空比实现电容的连续调节，使在一个周期内投入系统中的电容容量连续变化，从而可实现快速动态调节系统无功功率的目的。在硬件实现方面，首先提出了主电路方案设计方案及电压电流检测电路的，IGBT缓冲电路的设计和LC滤波器参数计算。其次，本论文的控制系统采用ST公司的STM32ARM嵌入式芯片作为控制系统主体，实现带电压电流检测的非互补控制。最后,通过MATLAB/SIMULINK对主电路进行了仿真，并与实验测得波形进行了对比，结果表明，仿真波形与实验波形得到的结果具有良好的一致性。软件方面，采用嵌入式实时操作系统C/OSII为平台，并详细介绍了C/OSII在STM32ARM上的移植步骤，并通过开发板的操作，成功实现了移植过程。最后，对本文的不完善之处，以及后续工作提出了总结与展望。关键词无功补偿；交流斩波；非互补控制；C/OSII移植；MATLAB/SIMULINKABSTRACTINRECENTYEARS,DUETOTHEINCREASEOFPOWERCAPACITY,REACTIVEPOWERREQUIREMENTSAREALSOINCREASEDASACTIVEPOWER,REACTIVEPOWERISTOENSURETHATPOWERQUALITY,VOLTAGEQUALITYANDREDUCENETWORKLOSSESANDTHESAFEOPERATIONOFANINDISPENSABLEPARTINTHEPOWERSYSTEM,REACTIVEPOWERTOMAINTAINABALANCE,OTHERWISE,ITWILLMAKETHESYSTEMVOLTAGEDROPS,WHENSEVERE,CANRESULTINEQUIPMENTDAMAGE,SYSTEMSPLITTINGTHUS,THESOLUTIONOFTHEISSUEOFCOMPENSATIONOFAGOODNETWORK,NETWORKLOSSREDUCTIONANDENERGYCONSERVATIONHASAVERYIMPORTANTSIGNIFICANCETHISARTICLEDESCRIBESTHEPRACTICALSIGNIFICANCEOFTHEREACTIVEPOWERCOMPENSATION,THEANALYSISOFTHENEEDFORREACTIVEPOWERCOMPENSATION,BRIEFINTRODUCTIONTOTHETHERESEARCHSTATUSOFDOMESTICANDINTERNATIONALREACTIVECOMPENSATIONTECHNOLOGY,THEREACTIVEPOWERCOMPENSATIONINSEVERALWAYS,ASWELLASITSADVANTAGESANDDISADVANTAGES,ANDGIVESTHETSCTYPEREACTIVECOMPENSATIONCONTROLLERCONTROLPROGRAMFORTHEDEFICIENCIESOFTHEEXISTINGREACTIVEPOWERCOMPENSATIONSYSTEM,THISPAPERPROPOSEDANEWREACTIVEPOWERCOMPENSATION,PWMCONTINUOUSTONECAPACITYTECHNOLOGY,THEMETHODUSESPWMTECHNOLOGY,ACCOUNTEDFORBYADJUSTINGTHEPULSEOFPOWERELECTRONICDEVICESEMPTYCAPACITORTOACHIEVECONTINUOUSADJUSTMENT,SOTHATTHEINPUTCAPACITANCEINTHESYSTEMCAPACITYINACYCLEOFCONTINUOUSCHANGE,WHICHCANACHIEVETHEPURPOSEOFFASTDYNAMICREGULATINGSYSTEMREACTIVEPOWERIMPLEMENTEDINHARDWARE,FIRSTPROPOSEDTHEMAINCIRCUITDESIGNOFVOLTAGEANDCURRENTDETECTIONCIRCUIT,IGBTSNUBBERCIRCUITDESIGN,CALCULATIONANDLCFILTERPARAMETERSSECONDLY,THISTHESIS,THECONTROLSYSTEMUSESTHESTCOMPANIESSTM32ARMEMBEDDEDCHIPASACONTROLSYSTEMTHEMAIN,WITHVOLTAGEANDCURRENTDETECTIONOFNONCOMPLEMENTARYCONTROLFINALLY,THEMAINCIRCUITTHROUGHTHEMATLAB/SIMULINKSIMULATIONANDEXPERIMENTALLYMEASUREDWAVEFORMWERECOMPARED,THERESULTSSHOWTHATTHERESULTSOBTAINEDBYTHESIMULATIONWAVEFORMSANDEXPERIMENTALWAVEFORMSWITHGOODCONSISTENCYSOFTWARE,THEUSEOFEMBEDDEDREALTIMEOPERATINGSYSTEMC/OSIIASAPLATFORM,ANDGAVEDETAILSOFTHEC/OSIIONTHESTM32ARMTRANSPLANTATIONSTEPS,THROUGHTHEOPERATIONOFTHEDEVELOPMENTBOARD,THESUCCESSOFTHETRANSPLANTPROCESSFINALLY,THEIMPERFECTIONSOFTHISARTICLE,ASWELLASTHEFOLLOWUPSUMMARYANDOUTLOOKKEYWORDSREACTIVEPOWERCOMPENSATIONACCHOPPERNONCOMPLEMENTARYCONTROLC/OSIITRANSPLANTATIONMATLAB/SIMULINK目录摘要ABSTRACT1绪论111课题的背景及意义112无功补偿技术的发展过程1121早期无功补偿技术2122现代无功补偿技术213本文的主要工作92无功补偿的基本理论1121无功补偿的概念1122提高功率因素的意义14221改善设备的利用率14222提高功率因素可减少电压损失15223减少线路损失15224提高线路网的传输能力1523无功补偿的容量确定的几种方法216231从提高功率因素需要确定补偿容量16232从降低线损需要来确定补偿容量16233从提高运行电压需要确定补偿容量1824低压无功补偿的基本方式18241随机补偿19242随器补偿19243跟踪补偿2025晶闸管投切电容器的原理2026无功补偿中谐波的危害与抑制22261谐波分析法22262谐波的危害24263谐波的抑制243斩波调压电路的控制原理与设计2631PWM控制的基本原理2632基于PWM交流斩控调压原理2933斩波调压电路的几种拓扑结构31331单管双向电子开关斩控交流调压电路31332单管反串联双向电子开关斩控交流调压电路32333双开关斩控式交流调压电路3334主电路控制方案的选择3435滤波电路的参数计算38351滤波器拓扑结构及数学模型394无功补偿控制器整体设计方案4241STM32ARM介绍4242电压过零检测电路4243电流过零检测电路4444电压电流采集电路4545IGBT驱动电路部分设计4546缓冲电路的设计4747硬件电路图485嵌入式操作系统软件的设计4951C/OSII介绍4952C/OSII移植的条件4953C/OSII在STM32ARM上的移植50531C/OSII的内核结构以及组成50532头文件OS_CPUH的移植51533C语言文件OS_CPUH的移植51534汇编语言文件OS_CPU_AASM的移植526实验结果与分析5561MATLAB仿真情况5562实物测试结果与仿真结果对比分析5663结论597总结与展望6071全文工作总结6072后续工作展望60参考文献62附录64硬件电路实物图64主电路仿真模型搭建65软件移植代码66翻译部分70英文原文70中文译文79致谢8611绪论11课题的背景及意义电能是我国的二次能源，随着我国经济的飞速发展，我国的电力工业也有了长足的发展。在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例，如异步电动机、变压器以及大多数家用电器等都是典型的阻感负载。这些负荷的自然功率因数约为0608，阻感性负载所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。据报道，我国平均每年因为无功分量过大造成的线损高达15左右，折算成线损电量约为1200亿干瓦时。假设全国电力网负载总功率因数为085，采用无功补偿装置将功率因数从085提高到095时，则每年可以降低线损约240亿千瓦时。对于挖掘电网的潜力是十分重要的1。无功功率是一种不能做功的功率，但在电网中会引起耗损，无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络耗损以及安全运行所不可缺少的部分。在电力系统中，无功要保持平衡，否则将会使系统电压下降，严重时，会导致设备损坏，系统解列。此外，网络的功率因素和电压降低，是电气设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络补偿问题，对网络降损节能有着极为重要的意义2。12无功补偿技术的发展过程人们认识到电力系统中无功功率给电力设备运行所带来的弊端，很早就对各种补偿技术进行研究。伴随着电力设备的发展和各种新型控制方法的提出，无功补偿装置经历了一个由无源到有源，由分级调节到平滑调节，由单纯补偿无功到无功补偿和滤波相结合的发展道路，同时设备的体积和成本也不断降低。早期使用机械开关的补偿装置不仅动作速度慢、寿命短，而且在操作时会引起严重的冲击电流和操作过电压，造成设备的毁坏。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，给无功补偿设备的发展带来新的突破口，把使用可控硅技术的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台，并逐渐占据了无功补偿的主导地位，可控型电力电子器件大量应用到电力系统无功补偿中。由于其动作时间短且可快速跟踪电网变化，实现电网无功的动态调节，而且采用特定的控制方法可以避免涌流和过电压，大大延长了设备的使用寿2命。随着变流技术和瞬时无功功率理论等新技术的发展，性能更加先进的无功发生器和有源滤波器己成为研究的热点1。121早期无功补偿技术早期的无功补偿装置为同步调相机和并联电容器。1同步调相机早期无功补偿装置的代表是同步调相机。同步调相机也称同步补偿机，实际上是不带机械负荷，空载运行的同步电动机。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率，提高系统电压；在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率，降低系统电压。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，对变换的无功功率也能进行动态补偿，至今在无功补偿领域中还在使用，但运行维护比较复杂，而且技术上已显得落后。随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善，但总体来说这种补偿方法已显得陈旧3。2并联电容器并联电容器广泛应用于改善负荷的功率因素，是电力系统一种重要的无功电源（无功补偿设备）。并联电容器可以改善线路参数，减少线路感性无功功率。但它供给的无功功率与节点电压的平方成正比，当节点电压下降时，其补偿能力反而降低，其功率调一节性能较差。与同步调相机相比，其费用节省很多，且维护方便，即可集中补偿，也可分散装设，所以还是我国目前主要的无功补偿方式。其缺点电容器只能补偿固定的无功功率，且容易发生并联谐振而烧坏电容器3。122现代无功补偿技术随着电力电子技术的发展，近几年出现了多种电力系统无功补偿新技术。电力电子技术是现代无功补偿技术的基础，电力电子器件向快速、高电压、大功率发展，使采用电力电子器件的无功补偿从根本上改变了交流输电网过去基本只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制的局面，从而为交流输电网提供了空前快速、连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力。随着电力电子器件的发展，无功补偿控制器在其性能和功能上也出现不同的发展阶段。无功补偿控制器己由基于SCR的静止无功补偿器STATICVARCOMPENSATORSVC、晶闸管控制串联电容补偿器THYRISTORCONTROLLEDSERIESCOMPENSATORTCSC发展到基于GTO的静止无功3发生器STATICVARGENERATORSVG、静止同步串联补偿器STATICSYNCHORONOUSSERIESCOMPENSATORSSSC、统一潮流控制器UNIFIEDPOWERFLOWCONTROLLERUPFC、可转换静止补偿器CONVERTIBLESTATICCOMPENSATORCSC等。1静止无功补偿器SVC20世纪70年代，出现了静止无功补偿STATIEVARCOMPENSATORSVC技术，所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收或发出无功电流的能力，用于提高系统的功率因数、稳定系统电压、抑制系统振荡等功能。静止无功补偿（STATIEVARCOMPENSATORSVC）装置的主要型式可分为以下几种。1）饱和电抗器型无功补偿装置（SR）饱和电抗器SATURATEDREACTORSR分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。SR型静止无功补偿装置属于第一代静止补偿器，它具有快速、可靠、过载能力强、产生谐波小和一定的抑制三相不平衡的能力等优点。但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗比并联电抗器大23倍，另外这种装置还有振动和噪声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器的静止无功补偿器目前应用的较少，一般只在高压输电线路才有使用4。2）晶闸管控制电抗器TCR晶闸管控制电抗器（THYRISTORCONTROLLEDREACTORTCR）的基本原理如图11所示。控制元件是可控硅控制器，在图中表示成为两个以相反极性并联的即反并联的可控硅，它们在电源电压的不同半周轮流导通。如果可控硅在电源电压峰值是准确地导通，就可使电抗器完全导电，其中的电流就和可4控硅控制器被短路掉了的一样。电流基本上是无功的，滞后于电压约90，其中包含少量的同相分量，它是由电抗器的功率耗损决定的。其数量级约为无功功率的052。VI电抗器TH2TH1可控硅控制器可控电纳图11简单的可控硅控制电抗器如果两个可控硅开始导通的时延相等，就可以得到一系列电流波形，每一波形对完全导通是在控制角值，的计算以电压过零时为基准，完全导通是在控制角为90时获得的。当控制角在90到180之间时则得到部分导通，增大控制角，其效果是减少了电流中的基波分量，这相当于增大电抗器的感抗，减小其无功功率。就电流的基波分量而言，可控硅控制电抗器是一个可控电纳，因而可用作静止补偿器。电流的瞬时值由下式决定112COS,0,LVTTIX式中V是电压有效值；是电抗器的基频电抗，；是L2F触发延迟角（即控制角），时间原点选定为电压朝正方向变化的过零点。基频分量由傅里叶分析法求出，如下式所示121SINLIVX5为基频电流的有效值，单位为安培（A）。为导通角，由下式与相关1I联132/我们可将式（12）写成141LIBV式中为可调节基频电纳，它由导通角按照下式所决定的规律来调节LB15SINLLX控制规律示于图12，的最大值是，当或180时，亦即可LB1/控硅控制器完全导电时出现；最小值为零，当（）时得到。0O18这种控制原理称为相控。0180160140120108060402002040608101SINLLIXXBV,18090图12简单TCR的控制规律由于单独的TCR只能吸收感性无功功率，可以将固定的并联电容器FIXEDCAPACITORFC与TCR配合使用，如图13所示。并联上电容器后，使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率。并联电容器串联上小的调谐电抗器还可兼作高次谐波滤波器，以吸收TCR产生的谐波。TCRFC固定电容器可兼做滤波器图13与FC配合使用的TCR6TCR型的补偿器反应时间短，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用广泛。但该补偿装置输出电流中含有较多的高次谐波，而且电抗器体积大，成本也较高。3）晶闸管投切电容器TSC晶闸管投切电容器THYRISTORSWITCHEDCAPACITORTSC型补偿器由一组并联的电容器组成，每一台电容器都与双向晶闸管串联，其主回路如图14所示。两个反并联的晶闸管只起开关的作用，将电容器并入电网或从电网中断开，以替代常规投切装置使用的机械式开关。TSC用于三相电网中可以是三角形连接也可以是星型连接。一般负荷对称网络采用星型连接，负荷不对称网络采用三角形连接。无论星型还是三角形连接都采用电容器分组投切。在运行时，根据所需补偿容量的大小，决定投入电容的组数。由于电容是按组投切的，所以总电纳值是分级变化的，所以会在电网中产生冲击电流。为了实现无功功率尽可能的平滑调节，可以增加电容的组数，组数越多，级差就越小，但这也会增加运行成本。考虑到系统的复杂性及经济性，一般用K个电容值为C的电容和K个电容值为C/2的电容组成2K级的电容组数。图14TSC单相分组投切简图TSC的关键技术问题是投切电容时刻的选取。经过理论计算和实验研究表明，其最佳投切时机是晶闸管两端的电压相等的时刻，即电容器两端交流电压应和电容预充电的电源电压相等的时刻。此时投切电容器，这样电容器电压不会产生跃变，电路的冲击电流为零，一般来说，理想情况下，希望电容器预先充电电压为电压峰值，这时电源电压的变化率为零，因此在投入时刻I为零，之后再按正弦规律上升。这样，电容投入过程不但没有冲击电7流，电流也没有阶跃变化。这样这种补偿装置为了保证更好的投切电容器，必须对晶闸管触发电路进行很好的设计。TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果分级分得足够细，基本上可以实现平滑调节。4）（TSCTCR）混合型静止无功功率补偿装置TSC方案本身不产生谐波，但是无功功率补偿装置只能以阶梯变化的方式来满足系统对无功的需求。TCR方案响应快，具有平衡负载的能力，它在电弧炉的补偿方面有特殊的优点，但它本身会产生谐波。然而，TCR方案用于输电线路补偿时有很严重的经济上的缺点，这是由于它在零无功功率输出状态下的耗损所造成的，因为在零无功功率输出状态时，固定电容器中的容性电流必须由晶闸管相控电抗器中的感性电流来平衡。流过电容器、电抗器和晶闸管阀中的全额定电流使耗损达到最大值，而且在输电系统中，一般都长期运行于这种状态，从而造成客观的经济损失。已经专门为输电线路补偿研究了一种（TSCTCR）混合型静止无功功率补偿装置，可克服上述缺点。该装置的原理如图15所示调节器YHLHTSCTCR5次7次滤波器图15TSCTCR混合型静止无功补偿装置（TSCTCR）系统中一般使用N组电容器（每组有晶闸管阀）和一组晶闸管相控电抗器。组数N取决于所用晶闸管的额定电流、最大无功功率补偿要求以及希望运行的电压等级等实际考虑。（TSCTCR）系统的基本工作原理为按所需的无功补偿值，投入设当组数的电容器组，并略有一点正偏差（即过补偿），此时再用晶闸管相控电抗器的感性无功功率来抵消这部分过补偿的容性无功功率。（TSCTCR）系统显示出输电线路补偿所希望有的特性，即无功输出可在容性和感性范围内连续可调，在零（或很低）无功输出时的耗损可忽略不8计，在电力系统大扰动期间或扰动过后，因其电容器组合电抗器可分别切除和投入，可使瞬变过电压限制到最低。在（TSCTCR）混合型静补装置中，电抗器的容量较小（几乎是最大输出的1/N），而电容器组的容量分段要使电抗器组既处在正常控制范围内，又能满足分段间的细调。为了使分段切换不中断，电抗器组的容量要稍大于一个电容器组的容量，以使“投入”和“切出”无功功率值之间有一点重叠。（2）静止无功发生器SVG静止无功发生器STATICVARGENERATORSVG也是一种电力电子装置，其基本结构如图16所示，其最基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流器直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网上来实现无功补偿的，目前使用的主要是电压型。SVG正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，因此SVG可以看作是幅值和相位均可控制的一个与电网同频率的交流电压源。ABC图16电压型SVG基本结构与SVC相比，SVG的调节速度更快，运行范围宽，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中的谐波的含量。更重要的是，SVG使用的电抗器和电容元件远比SVC中使用的电抗器和电容元件要小，这将大大缩小装置的体积和成本。（3）统一潮流控制器（UPFC）将SVG中与电网并联的电压器改为与电网串联的变压器，就成为静止同步串联补偿器STATICSYNCHORONOUSSERIESCOMPENSATORSSSC，它能实现对线路潮流的快速控制。把一台SVG与一台SSSC的直流侧通过直流电容祸合，就构成了统一潮流控制器UPFC，SVG与SSSC既可配合使用也可解9藕独立运行32。（4）可转换静止补偿器（CSC）由纽约电力局NYPA与EPRI专家共同建议，并联合西屋公司和PTI合作研究的可转换静止补偿器CSC是强功能新型控制器。正在安装中的美国MARCY变电站中的CSC由多个同步电压源逆变器构成，可同时控制2条以上线路潮流（有功、无功）、电压、阻抗和相角，并能实现线路间功率转换。其实质是一种UPFC的多重组合。因而CSC具有4项功能静止无功发生器的并联无功补偿功能；静止同步串联补偿器的功能；综合潮流控制器的功能；控制2条线路以上潮流的线间潮流控制功能5。13本文的主要工作本文着眼于从工程实用的角度，由理论到实践，对各种无功补偿控制器的设计和功能实现作详细的叙述，论文的主要内容如下第二章从无功补偿控制的基本理论出发，考虑到功率因素、线损以及运行电压等各项指标对无功补偿中所遇到的最佳补偿容量和控制策略问题进行了分析和探讨，讨论了低压无功补偿的几种基本方式，重点阐述了TCS型无功补偿的控制方法，并对谐波问题进行了阐述。第三章详细叙述了PWM控制的基本原理，从理论方面证明了斩波调压的理论原理。根据斩控式交流调压器输出电压的特点，利用自然采样调制的分析方法，对调压器输出电压进行了定量的分析，并得出了输出电压频率成分与电子开关频率、电源电压频率以及占空比之间的定量关系，对比几种交流斩控式调压电路的主拓扑结构的优缺点，确定本论文的主电路拓扑结构，并分析设计了LC低通滤波电路以及其参数的确定。第四章设计基于PWM连续调容方法的无功补偿系统的控制电路，对控制电路的硬件部分进行详细的分析，设计了电压、电流过零点检测电路给出了各电路的原理及仿真图，对IGBT的驱动电路，给出了多种设计方案，综合考虑，最终选择PC929作为IGBT的驱动的芯片。第五章对C/OSII进行了介绍，并给出了实时操作系统的与CPU有关的头文件移植代码和具体实现。第六章利用MATLAB/SIMULINK进行模型的搭建，仿真分析等效电容的调容范围及电容两端电压变化情况，并通过仿真来分析PWM电容器连续调容的无功补偿功能,并与实验测得波形进行了对比，验证了仿真波形与实验波形得到的结果具有良好的一致性。10第七章对课题工作进行了总结，并对本文提出的无功补偿控制器设计方案的改进提出作者的意见。2无功补偿的基本理论21无功补偿的概念将电容器与感性负荷并联在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器释放能量；而电感放出能量时，电容器却在吸收能量。能量就只在它们之间交换，即感性负荷（电动机、变压器）等所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。因此，把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。任意一两端无源网络如图21所示，电压电流参考方向标在图中，该网络在任一瞬间吸收的瞬时功率为11图21两端无源网络21PTUIT设MAXSIN2SUTUIIIT式中，为电压相位与电流相位之差。电流可以写成ITMAXMAXSINCOSIN90ORXITITITIT式中，与相位相同，称为的有功分量，MAXCOSNRITIUTIT其模值为，为电流有效值；2，滞后相位，称为的无功分量，AI90XITTT90IT其模值为。SNI将，代入式（21）得UTI2SICOSIN2SIN90C1IOSNRXORXPTUITITITUITPTQTPT式中，是由和与同相位的产生的URIT瞬时功率，它以周期2交变，并始终大于或等于零，其平均值为2201CTRPPD反映了无源网络中等效电阻的耗能，它用于不可逆的消耗，数值上为12的平均值，定义为有功功率。RPT，是由和与滞后90的产生的瞬时功SIN2XUITUTUTT率，以周期交变，它用于建立磁场或静电场，储存于电感或电容里，并T往返于电源与电感或电容之间，显然其平均值为零。此瞬时功率的幅值为定义为无功功率，即SII23SINQUI在电路中将与的有效值之积定义为视在功率，即UTISI由式（22），式（23）可知2422P三者在数值上的关系可用“功率三角形”表示，如图22所示，,SPQ其中角是与的相位差，也成为功率因数角。UTI图22功率三角形由功率三角形可得25COSPS26INQTG应当指出，上述关于的计算公式及功率三角形都是由单相电路得,出的，对于三相电路可以得到相似的计算公式，即3COSPUIINQ1323SUIPQ由以上分析可知，有功功率是一平均值，为无源网络所消耗的功率。无功功率是一个交换功率的幅值，它虽然没有为网络锁“消耗”，但它反映了网络内部与外部交换能量的能力的大小。当网络中电压超前电流时，则网络中为感性，无功功率，00Q习惯上理解为网络“吸收”感性无功功率，相当于“发出”容性无功功率；若网络中电流超前电压时，则网络中为容性，无功功率，习惯上理解为网络“吸收”容性无功功率，相当于网络“发出”感性无功功率。“发出”与“吸收”无功功率的意义不同于有功功率的吸收和发出，这里只是一种习惯的说法。此外，在对于无功功率补偿过程中，实际情况下的理想补偿（即全补偿）是很难实现的，会出现谐振现象，从而损坏电器，对于过补偿和欠补偿如图所示IUSCRLIIACIIURLICIUIRL1122BC图23并联电容器补偿无功功率的电路和向量图将R、L电路并联电容C后，电路如图23所示，该电路电流方程为。由图23（B的相量图可知，并联电容器后电压和电流的CIUI相位差变小了，即供电回路的功率因数提高了，此时供电电流的相位滞后于电压，这种情况称为欠补偿。U14若电容C的容量过大，使得供电电流的相位超前于电压，这种情况IU称为过补偿，其相量图如图23（C）所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这样会引起变压器二次电压的升高，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，如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器的寿命。22提高功率因素的意义221改善设备的利用率因为功率因素还可以表示成下述形式27COS3PSUI其中线电压（KV）U线电流（A）I可见，在一定的电压和电流下，提高，其输出的有功功率越大。COS因此，改善功率因素是充分发挥设备潜力，提高设备的利用率的有效方法。222提高功率因素可减少电压损失局部电力网的等值电路如图24。1I2I1URX1SPJQ22SPJQ2U图24局部电力网等值电路电力网中由于无功负荷而带来的电压损耗的计算公式为28PRQXU可以看出，影响的因素有四个线路的有功功率、无功功率、电阻PQ和电抗的电容来补偿，则电压损失为RX29CX故采用补偿电容提高功率因素后，电压损失减小，改善了电压质量。U15223减少线路损失当线路通过电流时，其有功耗损I2310PIRKW23310COS2130PQRUUK或可见，线路有功损失与成反比，越高，越小。P2COSCOSP224提高线路网的传输能力视在功率与有功功率成下述关系COSS可见，在传送一定有功功率的条件下，越高，所需视在功率越P小。23无功补偿的容量确定的几种方法2确定补偿容量的方法是多种多样的，但其目的都是要提高配电网的某种运行指标，下面为几种确定补偿容量的方法。231从提高功率因素需要确定补偿容量如果电力网最大负荷平均有功功率为，补偿前的功率因数为，PJP1COS补偿后的功率因数为，则补偿容量可用下述公式计算2COS2102121CPJPJTGQPTGQ或写成211221COSCOSCPJ有时需要将提高到大于，小于，则补偿容量应满足下COS3述不等式16212222211311COSCOSCOSCOSPJCPJPQP式中所需补偿容量（KVAR）；Q最大负荷平均无功功率（KVAR）；PJ最大负荷平均有功功率（KVAR）。应采用最大负荷日平均功率因数。通常，将功率因数从09提高1COS到1所需的补偿容量与将功率因数从072提高到09所需的补偿容量相当。因此，在高功率因数下进行补偿其效益将显著下降。这是因为在高功率因数下，曲线的上升率变小，因此，提高功率因数所需的补偿容量将要相S应的增加。232从降低线损需要来确定补偿容量线损是电力网经济运行一项重要指标，在网络参数一定的条件下，其与通过导线的电流平方成正比。如设补偿前流经电力网的电流为，其有、无1I功分量为和，则1RIX11RXIJI若补偿后，流经网络的电流为，其有、无功分量为和，则22RIXRXIJI但是，加装电容器后，将不会改变补偿前的有功分量，故有12RI如图25所示12RI2XI11I2IU21图25向量图1722113COSRIPI补偿前的线路耗损为22RII补偿后的线路耗损为2211212133COSCOS0COS23RRSIIP补偿后线损降低的百分值（）12121123INSISCOCOCXRRQUIIIITGPTG而补偿容量因此，该补偿容量公式与提高功率因数确定补偿容量的公式210相同。233从提高运行电压需要确定补偿容量在配电线路的末端，运行电压较低，特别在重负载、细导线的线路。加装补偿电容后，可以提高运行电压，这就产生了按提高电压的要求选择多大的补偿电容才合理的问题。此外，在网络电压正常的线路中，装设补偿电容时，网络电压的压升不能越限，为了满足这一约束条件，也必须求出补偿容量和网络电压增量之间的关系。当装设补偿电容以前，网络电压可用下述表达式计算122PRQXU装设补偿电容器后，电源电压不变，变电所母线电压升到，且12U2122CX所以1822CQXU2142CX式中投入电容后母线电压值（KV）2U投入电容后电压增量（KV）三相所需总容量21522133LLCUUQX可见，三相补偿容量的表达式（215）与单项补偿容量的表达式（214）是一样的，只不过所包含的电压和电压的增量式线压和相压的区别而已。24低压无功补偿的基本方式一般市电低压电网处于电网的最末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键。作好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低电能损失，低压补偿对用户及供电部门都有利。低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡，通常采用的方式有三种随机补偿、随器补偿、跟踪补偿6。241随机补偿随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护装置与电机共同投切。随机补偿的优点是用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停止运行时，补偿设备亦退出，不需要频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活，维修简单、事故率低等优点。为防止电动机退出运行时产生自激过电压，补偿容量一般应大于电动机的空载无功负荷，通常推荐03CEQUI09583CEUI式中额定电压；EU电机空载电流；0I19补偿电容器容量；CQ242随器补偿随器补偿是指将低电压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。农网配电变压器，尤其是综合用户配电变压器，普遍存在负荷轻的现象，在负荷低时接近空载配电变压器在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功。201EQIS式中变压器空载励磁无功功率（KVAR）0Q空载电流百分比I变压器额定容量（KVA）ES配电变压器的空载无功是电网无功负荷的主要部分。对于轻负载配电变压器而言，这部分损耗占供电量的比例较大，导致电费单价增高。随器补偿是将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，来补偿配电变压器空载无功。随器补偿由于补在低压侧，可有效地补偿配变空载无功，且连线简单，做到无功的就地补偿。随器补偿只能补偿配电变压器的空载无功功率，如果补偿容量，则在配电变压器接近空载时造成过补偿，而且0Q0CQ理论分析和实验以及运行经验均表明，在此条件下，当出现配变非全相运行时，易产生铁磁谐振，因此推荐选用。00958CQ243跟踪补偿跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户04KV母线上的补偿方式。补偿电容器组的固定连接组可起到跟随器补偿的作用，补偿用户自身的无功基荷；可投切电容器组用于补偿无功峰荷部分。由于用户负荷有一定的波动性，故推荐选用自动投切方式。此种装置可较好地跟踪无功负荷变化，运行方式灵活，维护工作量小，而且该方法对电容器的保护比前两种更可靠。上述三种补偿方式均可对特定种类无功负荷实现“就地平衡”的无功补偿，降损节能效果好。25晶闸管投切电容器的原理晶闸管投切电容器TSC）是电力系统无功补偿中最常见的补偿设备，它主要是由固定电容（FC）补偿演变而来，属于并联型补偿设备，是静止无功补偿器（SVC）的一个分支。TSC通过给系统注入超前的容性无功电流20来平衡系统中存在的感性无功电流，从而达到无功补偿的目的7。常采用的晶闸管投切电容器的主电路接线如图26所示812。A双晶闸管三角形接法B单晶闸管三角形接法C三相电力电容三角形接法D三相电力电容两相控制接法E双晶闸管星形接法F两相控制星形接法图26TSC无功补偿装置原理图图26AD三角形接线，其中图26A，26B中的电容器为单相电容器；图26C，26D中的电容器为内部己接成三角形三相电容器。图26A中的交流开关由两个反并联的晶闸管构成。当晶闸管为正向电压，且门极上有触发信号时，晶闸管导通，电容器投入；当去掉触发脉冲信21号后，电流过零时，晶闸管截止，电容器从电网上切除。所以，刚切除时电容器上的电压称为残压为电网电压幅值或正或负。图26B中的方案采用二极管代替部分晶闸管，从而降低装置的成本。当电容器刚切除时，其残压为电网电压幅值正值。这种方案的响应速度不如图26A方案，其原因是在切除电容器时，从切除指令的输出到第1个电力电子器件截止，图26A方案在半个周波内完成，即不大于10MS；图26B方案则由于二极管的不可控性，通常要大于半个周波才能被切除，但切除时间一般不会超过L个周波，即不大于20MS。图26D方案省掉了一相的晶闸管，同样可以控制三相电容器的投切。图26E方案和图2F方案为星形接线，星形接法对交流开关的额定电压要求相对三角形接法低，额定电流则要高，投入时会产生短时不平衡中线电流。现有的TSC大部分通过晶闸管作交流开关控制电容器的投切。晶闸管作交流开关的优势是容量大，容易做到高电压、大电流；导通压降小，装置的通态损耗小。但是晶闸管也存在固有的弊端，那就是晶闸管是半控型器件，可以控制其开通，但它的关断需要在没有触发信号的情况下承受反向电压，开关延迟时间较长，最多可达10MS，这在对电能质量要求越来越高的配电网中，显然不能满足要求，对它的控制也不像全控型器件那么方便；晶闸管为电流驱动型器件，对它的驱动需要较大的驱动功率，这对驱动电路和电源的要求较高；在以晶闸管完成的TSC的实际应用过程中，由于上电瞬间，由于晶闸管两端的电压跃变，有时会出现大的冲击电流，并有可能损害装置。因此TSC无功补偿装置为基于IGBT的电容器投切补偿装置，通过IGBT交流开关将不同级别的补偿电容投入到电力系统中，实现补偿系统无功功率的目的。控制系统的拓扑结构如图27所示交流系统负载变换电路数据采集系统主控系统人机界面驱动控制系统驱动模块补偿电容负荷开关ACCHOPPER图27主控制电路图图中的ACCHOPPER电路将在第三章做详细介绍。26无功补偿中谐波的危害与抑制261谐波分析法对于一个周期为T的非正弦周期波形，按照傅里叶级数可以将其分FT解为直流分量和许多不同频率的正弦交流分量之和，即222160110111SINCOSSINHHHHFTAATBTAT其中10210/SINCOARTNTHHTHHAFTDABFTTDB为周期波形在一个周期中的平均值，称为直流分量；在正弦交流分量0A中，最低频率（H1）的正弦分量称基波分量，其频率为，幅值为；除11A基波分量外的其余正弦交流分量称为谐波分量，简称谐波，其频率为基波频率的整数倍（），该整数倍数称为谐波次数。所以，次谐波的频率2HHH为（），幅值为。1在工程实践中，谐波的表达除了式（216）频域数学表达式外，通常用波形的频谱结构图来表示，横坐标为谐波次数，纵坐标为谐波幅值或谐波幅值与基波幅值之比（此时常用分贝数表示）。图28所示为方波及其频谱结构图，每一谐波分量以谐波幅值对基波幅值的相对值的分贝数来表示，下式为其对应的频域数学表达式11114SINSI3SIN5SI7AFTTTTT在三相系统中，三相谐波分量也有其相序。对于三相对称的非正弦电压或电流而言，（3N2）次谐波为正序，（3N1）次谐波为负序，（3N）次谐波为零序，其中N为正整数。由于零序谐波频率为3倍于基波频率的整数倍，故常称为3倍次谐波。三相零序谐波电流的相位相同，在三相三线制系统中无法流通，因而它仅存在于三相四线制系统中。23AAFTOT203040100|/HADB11|/20LG|/HHADB1357911131517192123272529谐波次数H图28方波及其频谱结构图262谐波的危害供电系统中的谐波源主要是谐波电流源，谐波电流通过电网将在电网阻抗上产生谐波压降，从而导致谐波电压的产生。谐波电压和电流的危害是广泛的，必须引起供用电科技工作者的重视。谐波对发电机、变压器、电动机、电容器等几乎所有连接于电网的电气设备都有危害，主要表现为产生谐波附加损耗，使设备过热以及谐波过电压加速设备绝缘老化等。在三相四线制低压系统中，各相3次谐波电流在中性线中叠加，导致中性线过电流。当配电系统存在并联电容器时，并联电容器与系统等效电抗可能在某次谐波附近发生并联谐振，导致谐波电压和谐波电流的严重放大，影响供电系统的安全运行。谐波对变压器差动保护、线路距离保护及电容器过电流保护等保护和自动装置亦有影响，主要表现为引起继电保护和自动装置误动作。谐波对电能计量精度有影响。当供电系统含有谐波时，工频电能表对谐波电压和谐波电流产生的谐波功耗的计量存在误差；此外，谐波的存在会影响电能表的磁电特性，从而导致基波计量误差。谐波对通信质量有影响。当含有谐波电流的电力线路与通信线路并行敷设时，由于高次谐波的辐射作用，将使通信信号产生杂音干扰。263谐波的抑制工业企业供电系统中高次谐波的抑制，首先应考虑采用新技术或新装置，尽量减小谐波源设备的谐波发生量。将小谐波源设备谐波发生量的主要方法有1增加整