低压无功补偿系统硬件设计

摘要本文主要介绍低压无功补偿装置的基本原理、控制方案以及硬件方面的选型和设计。该补偿系统采用TI公司的定点TMS320LF2812系列DSP和MCU的双控制器进行控制，TMS320LF2812为补偿装置的总控制器，具有自动采样计算、无功自动调节、故障保护、数据存储等功能。同时具备指令运算速度快（约100MIP）、运算量大的优点，同时MCU与外部设备进行通讯，互不干扰，更好的满足了实时性和精确性的要求。采用晶闸管控制投切电容器、数字液晶实时显示系统补偿情况，可以实现快速、无弧、无冲击的电容器投切。为了更详细的介绍该系统，在论文第四章设计了比较完整的各功能模块的硬件电路图，其中包括电源模块、信号变换及调理模块、AD采样模块、锁相同步采样模块、通讯模块等。关键字：低压无功补偿；晶闸管投切电容器；DSPAbstractThis paper mainly introduces the basic principle of low-voltage reactive power compensation device, control scheme and hardware selection and design.The compensation system by TI companys fixed-point tms320lf2812 series DSP and MCU dual controller control, tms320lf2812 compensation device controller with automatic sample calculation, automatic reactive power regulation, fault protection, data storage and other functions. At the same time with the instruction operation speed (about 100MIP), the advantages of large amount of computation. At the same time, MCU and peripheral equipment communication and do not interfere with each other, better meet the requirements of real-time and accurate. The use of thyristor controlled switched capacitor, digital LCD display real-time compensation system situation can achieve fast, no arc , without the impact of the capacitor switching. In order to more detailed introduction to the system. In the fourth chapter of the thesis design the hardware circuit diagram of each function module of relatively complete, including power module, signal transformation and conditioning module, AD sampling module, phase locking synchronous sampling module, communication module block and so on.Key Words:Low voltage reactive power compensation;Thyristor switched capacitor; DSP目录目录2第一张绪论11.1 选题的背景与意义11.2 低压无功补偿装置的发展状况11.2.1国外情况21.2.2国内情况31.3 本课题研究的主要内容3第二章TSC无功补偿的基本原理52.1 无功补偿的基本原理52.2 低压电网无功补偿的方式62.3 晶闸管投切电容器的原理72.3.1晶闸管投切电容器的基本原理82.3.2补偿回路的构成及原理92.3.3晶闸管触发原则102.3.4电容器的分组方式12第三章无功补偿控制系统的总体设计143.1 系统的基本原理143.2 主电路连接方式143.3 无功补偿算法的选择153.3.1积分法153.3.2移相法163.3.3公式法173.4 电容器补偿容量计算17第四章系统的硬件设计204.1 系统硬件总框图204.2 系统各功能模块214.2.1电源模块214.2.2电流、电压信号调整电路224.2.3 AD采样模块234.2.4锁相同步采样电路244.2.5 FPGA模块254.2.6通信模块264.2.7人机对话模块274.2.8逻辑电平转换电路274.2.9可控硅驱动模块274.2.10 补偿电容器过载电流调理模块294.2.11其他辅助模块304.3 系统硬件设计电路图31参考文献33第一张绪论1.1 选题的背景与意义近年来，世界各国由于电压崩溃引起的大面积停电故障引起了各地的强烈反响。8.14的美加大停电持续了长达72小时，给美国造成了十分重大的经济损失与社会反响，这次事故人们深深意识到电网运行要有足够的无功容量，无功不能靠远距离传输，在电力市场大的环境下，必须要制定统一的规定来激励独立发电商和运营商从整个系统运行安全的情况下提供充足的无功备用。在我国也发生过多次电压崩溃的故障，如1993年和1996年南方电网的几次事故，这些事故都警示人们要采取各种措施来维持电网稳定。早期常用并联电容器和同步补偿器作为无功补偿装置，经常应用于系统的高压侧进行补偿。由于并联电容器应用范围广泛，至今仍作为一种重要的补偿方式。同步补偿器的核心是同步电机，当励磁电流发生改变时，电动机可随之平滑的改变输出无功电流的大小和方向，对电力系统的稳定运行起到举足轻重的作用。但是同步补偿器成本较高，安装复杂，维护困难，使其在推广和使用环节中受到制约。 国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高带来了电力负荷的高速增长。同时电网中的无功问题也引起人们的广泛关注。随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、交通及家庭中的应用日益广泛，而大多数电力电子装置的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送电量中占有很大的比例，无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗，同时使功率因数偏低、系统电压下降。低压动态无功补偿技术的设计是一个系统工程，它涉及控制信号的选取和采样、控制规律的研究、控制器的软件设计和硬件实现等许多方面，建立在对低压动态无功补偿装置和系统深入了解的基础上。课题以动态无功补偿装置为研究对象，对无功检测原理和控制方法进行研究，确定其控制策略，设计主电路和控制系统电路，完成动态无功补偿的硬件系统设计。1.2 低压无功补偿装置的发展状况为了改善电力系统中无功功率有害性问题，人们在很早就掌握了各种无功补偿技术并应用在电力系统当中，通常采用同步发电机、同步调相机、并联电容器和静止无功补偿装置等很多方法来控制无功功率。由于它们在技术上及经济上的优点，这些装置在我国及其他发展中国家仍然被广泛的使用。无功功率主要是由系统中电容和电感产生，人们最初使用的补偿方法以无源形式为主。该方法的核心是在系统的母线中以串联或并联的方式安装一定容量的电容器或电抗器。 同步补偿器属于有源补偿器，是并联补偿装置的一种同步机，同步调相机的优点是：当系统电压降低时，可以改善电网功率因数，从而维持电网电压平衡。从功能上讲，同步调相机相当于一个被拖动到某一转速并与电力系统同步运行的同步机。当电机同步运行后，根据人们的需要控制其磁场，使之产生无功功率或者从系统中吸收无功功率。同步调相机还具有调相的功能，但是其动态响应速度较慢，发出一定量无功功率的有功损耗较大,系统维护复杂且不能适应各类非线性负载的快速变化。 由晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)以及二者的组合装置(TCR+TSC)等形式组成的静止无功补偿器(SVC)，实际上可看成一个可调节的并联电纳，它的性能比并联电容器要好很多。静止无功补偿器最重要的性质是它具有维持端电压稳定的功能，所以它要连续不断地调节与电力系统变换功率，它第二个性质是响应速度灵敏。传统静止无功补偿器对电力系统状况的调节和暂态性能的改善起到了重要的作用，而且其控制技术也较为成熟，因此在实际电力系统中得到了充分的应用。可是它们的共同点都是利用可控硅晶闸管进行换相控制，在无功变动时容易发生逆变现象，并且都需要大电感或大电容来产生感性无功和容性无功，因而人们更希望有新的补偿方式改善以上缺陷。1.2.1国外情况静止无功补偿装置也称SVC静止无功补偿系统，是相对于调相机来说的一种利用电容器和电抗器进行无功补偿的装置。第一批静止无功补装装置于1967年在英国制成，成功后受到世界各国的强烈关注，苏联、美国、瑞士、瑞典、西德、比利时等国纷纷研制成功并且大力推广使用，使得静止补偿装置比调相机具有更大的影响力，广泛应用于电力、铁道、科研、冶金、化工等部门。成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系统过电压，有效改善运行条件的设备。国际上知名的电气公司均发展了不同类型的静止无功补偿技术。根据无功的性质和方式静补装置又可分为六种不同的组合，固定容性、固定感性、可变容性、可变感性、固定容性+可变感性、可变容性+可变感性，通常我们所指的静补无功补偿装置是指固定容性+可变感性、可变容性+可变感。对于可变感性又可分为直流励磁饱和电抗器、相控阀调节电抗器和自饱和电抗器。自高压可控硅元件问世以后逐渐取代了有触点开关，为实现感性或容性无功的连续可控调节提供了简单、可靠、灵活的技术支持。目前国际上几个主要的产品形式是FC+TCR(固定容性+可变感性)，八十年代初TSC+TCR技术逐渐发展起来，并首先被应用在电力系统的无功补偿之中。在国外，系统的无功补偿主要依靠静止补偿装置和电容器，并积累了丰富的经验，同时取得了理想的效果。1.2.2国内情况武汉钢铁公司在70年代初从比利时进口了直流励磁饱和电抗器和日本的电容器组成了静止补偿装置后，国内才对可变无功补偿的问题加以关注。并联电容器是国内补偿无功用的最多的方法。在低压(10kv以下)供电网络中大量运用并联电容器组来满足调压要求，关于可变无功补偿的问题越来越受到有关部门的重视，20世纪70年代以来，随着研究的不断深入出现了静止无功补偿技术。这项技术经过20多年的发展不断加以创新和完善。静止无功补偿就是用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，具有维持电力系统的功率因数平衡、稳定系统电压、抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为1030s，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操纵过电压，这样不但容易造成接触点松动，而且还会将补偿电容器内部击穿，维修量大。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，随后又出现交流无触点开关GTR、SCR、GTO等作为投切开关，开关速度大幅提升（约为10s），对各种系统参数无功补偿都可以在一个周期内完成，而且可以进行单相调节。目前所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型，一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置（SR)、第二类是晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC），这两种装置统称为SVC，第三类是高级静止无功发生器（ASVG)，采用自换相变流技术的静止无功补偿装置。1.3 本课题研究的主要内容本文研究关于设计一种基于DSP做为主控制器的TCR型低压无功补偿装置。如表1.1所示，比较来看TSC具有响应时间短、运行稳定、分相调节、适用范围广、能平衡有功功率等优点，而且TSC具有较好的灵活性、占地面积较小、产生的噪声和高次谐波较小，与无功发生器SVG比较具有控制简单、开发时间短、成本低的优点。表 1.1 各种无功功率补偿装置的性能对比Table 1.1 performance comparison of various reactive power compensation devicesTSCTCR型SVCMCR型SVCSVG吸收无功分级连续连续连续响应时间20ms20ms100ms10ms运行范围容性感性到容性感性到容性感性到容性谐波受系统谐波影响大，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，自身产生大量谐波受系统谐波影响小，可抑制系统谐波谐波受系统阻影响大大大大损耗小大较大小分相调节能力有限可以不可以可以噪声较小小较小小体积大大较大小第二章TSC无功补偿的基本原理SVC是当前应用最广的动态无功补偿装置。而且TSC又是SVC的一种形式，TSC又称晶闸管投切电容器。本章介绍了无功补偿的基本原理以及对TSC无功补偿当中的关键技术进行分析。2.1 无功补偿的基本原理 1.功率因数：电网中负载的电压和电流的相位存在一定差异，相位差的余弦值cos就是功率因数。功率因数在数值上等于有功功率和视在功率的比值，即: P/S=cos (2.1)在电力网的运行中，我们希望功率因数越大越好，若想要满足功率因数变大，则电路中的视在功率将充分转化为有功功率，来减少无功功率的消耗。 2.有功功率、无功功率、视在功率：有功功率是指负载直接消耗的功率。对于有功功率有: P=UIcos (2.2)磁场的能量由电网供给，在这些电器的运行中，上半周期为吸收功率，下半周期为释放功率，功率只在电器和电网中相互变换，并没有真正作为热量或者功率作用出去，简而言之就是能量并没有被消耗掉。这样的功率称为无功功率。无功功率可以分为感性无功功率和容性无功功率。感性无功功率表示电压超前电流，那么相位角差值为正。容性无功功率则表示电压滞后电流，相位角差值为负。在同一个端口之中感性无功功率和容性无功功率可以相互抵消。这是因为当前电网大部分负载均为感性，容性负荷将抵消掉电网中的感性无功功率，所以看起来就是感性无功功率是从电网中获得的，而容性无功功率是设备自己发出来的。无功功率有: Q=UIsin (2.3)视在功率有: S=UI (2.4)所以有功功率、无功功率和视在功率可以满足直角三角形勾股定理的关系，又称功率三角形，如图2.1所示： S Q P图2.1 功率三角形的关系Fig.2.1 relation of power triangle由功率三角形可以清楚的得出：在有功功率一定的情况下，功率因数角越大，功率因数cos越小，所需的无功功率Q越大，那么视在功率S也就越大。2.2 低压电网无功补偿的方式因为在无功补偿装置的设计中，电容器的补偿容量不仅与未补偿时的负载情况、电容器的接线方法，而且与采用的补偿方法有关。根据补偿装置安装位置的不同，可以将低压网无功补偿分为个别补偿(随机补偿或就地补偿)、集中补偿、分组补偿(分散补偿)。三种补偿方式如图2.2所示: TM C1 C2 C3图2.2 低压无功补偿方式Fig.2.8 low voltage reactive power compensation 1.个别补偿：又称为就地补偿或随机补偿。它是根据个别用电设备对无功功率的需求量，将低压电容器组分散的与用电设备供电回路相并联，通常与用电设备共用一组开关，如图2.2中C1所示。低压电容器组随电动机同时投入或退出运行，使电动机消耗的无功功率部分得到就地补偿，从而使装设点以上输配电线路输送的无功功率减少，能明显降低损耗。个别补偿的优点是：当大中型异步电动机工作时间长时，个别补偿方式的降损节电效果明显。但也有缺点：比如对一些运行时间少或利用率低的设备，补偿电容器的利用率就不高，又因为是逐台补偿，会使补偿容量增大，从而使补偿装置的总投入增大。 2.集中补偿：是指将低压无功功率补偿装置通过低压开关接在用户专用的变电所或配电室的低压母线侧，如图2.2中C2所示。用以补偿配电变压器的无功功率损耗和变电所以上输电线路的损耗，还可以就近供应380V配电线路的前段部分及所带用电设备的无功功率损耗。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设备，利用补偿电容器的分组投切，还能进行调压，改善电压质量。低压集中补偿的优点是：接线简单，便于维护和控制，具有较高的经济性，是目前无功功率补偿中常用的手段之一。但也存在缺点：第一，节能效果差，它只能减少装设点以上线路和变压器因输送无功功率所造成的损耗，而不能减少用户内部配电网络的无功负荷所引起的损耗，从而降低了补偿设备投入使用的价值。第二，降低电容器的寿命。由于集中补偿装置安装于配电室内，电容器柜紧靠配变，其承受的输出电压一般在400V以上，电网低谷时，电压往往会超过430V，当自动补偿装置失控时，会导致电容器过压运行、发热、变形、击穿等现象的发生。 3.分组补偿，又称分散补偿。这种补偿方式是将电容器组按低压配电网无功负荷的分布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补偿方式，如图2.2中C3所示。该方式使被补偿的无功功率不再通过主干线以上线路输送，从而使变压器和配电主干线路的无功功率损耗相应地减少。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且距离较远时，补偿效率更高。分组补偿的优点: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；分组电容器的投切随总的负荷水平而变化，其利用率比单台补偿高，分组补偿虽然不如集中补偿管理方便，但比单台电动机补偿易于控制。缺点是：如果装设的电容器无法分组，则补偿容量无法调整，运行中可能出现补偿或欠补偿；分组补偿方式的一次性投资大于集中补偿方式，操作控制上也比集中补偿复杂。2.3 晶闸管投切电容器的原理2.3.1晶闸管投切电容器的基本原理TSC ( Thyristor Switched Capacitor)又称晶闸管投切电容器，是一个对供电网络波动无功功率进行动态补偿的相对独立系统，广泛应用于配电系统的动态无功功率补偿。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，其动态响应灵敏。TSC的基本原理如图2.3所示。图2.3（a）是单相电路图，其中的2个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流，在很多情况下，这个电感往往不画出来。因此，当电容器投入时，TSC的电压一电流特性就是该电容器的伏安特性，即如图（c）中OA所示。在实际工程中，一般将电容器分成几组，如图2.3（b）所示，每组都可由晶闸管投切。这样，可根据电网的无功需求投切这些电容器，TSC实际上就是断续可调的吸收感性无功功率的动态无功补偿器，其电压-电流特性按照投入电容器组数的不同可以是图2.3（c）中的OA，OB或OC。当TSC用于三相电路时，可以是三角形连接，也可以是星形连接，每一相都设计成图2.3（b）所示的分组投切。晶闸管投切电容器采用整数半周控制，可以根据电网对无功功率的需求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。如果级数分得足够细化，基本可以实现无级调节。 （a）单相结构图 （b）分组投切的TSC单相图 （c）电压-电流特性图2.3 TSC的基本原理Fig.2.3 basic principles of TSC晶闸管阀通常有2种接线方式：2个晶闸管反并联和1个晶闸管与1个二极管反并联。两者都是投切电容器的开关，不同的是前者晶闸管阀承受最大反向电压低，为电源电压峰值，控制较复杂；后者投资小、控制简单、但晶闸管阀承受最大反向电压高，为电源电压峰值的2倍，所以在选择使用哪种连接方式时，应根据技术、经济比较来确定。电容器的投切是根据电网负荷变化情况来决定的，当电网无功功率增加，电压下降时，投入电容器，反之，切除电容器。电容器分组有等容分组和不等容分组2种。前者易于实现自动控制，但补偿级差大，后者利用较少的分组就可获得较小的补偿级差，但不易控制。考虑系统的复杂性以及经济性问题，实际中可采用所谓二进制的方案，即采用k-1个电容值均为C的电容，和一个电容值为C/2的电容，这样系统从零到最大补偿量的调节则有2k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。2.3.2补偿回路的构成及原理交流电路中，纯电阻负载的电流IR与电压U同相位；纯电感负载的电流IL比电压U滞后90。；纯电容负载的电流IC比电压U超前90。如图2.4所示:ICIRU IL图2.4 电流相位图Fig.2.4 current phase diagram电网中用电设备一般是电感性负载，因此负荷回路模型可采用R，L串联电路表示。图2.5（a）为补偿回路模型，M为补偿点，Q为负载所需的无功负荷，如果没有补偿装置，则负载将从电源侧取得无功功率Q0，即Q0=QL当设置补偿装置后，由于补偿电容器提供引前无功功率QC，那么电源所提供的无功功率减少为Q=QL-QC，如图2.5（b）所功率因数由cos提高到cos，视在功率由S减少到S。 （a）补偿回路模型 （b）补偿原理示意图图2.5 补偿原理Fig.2.5 compensation principle视在功率的减少可降低供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。例如一台1000 kVA的变压器，当负荷的功率因数为0.7时，可供700kW的有功负荷，当负荷的功率因数提高到0.9时，可供900 kW的有功功率。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供200 kW负荷，是相当可观的。 (2.5)可见，因采用无功补偿装置后，电源输送的无功功率减少了，相应的使电力网和变压器中的功率损耗降低，从而提高了供电效率。又由电压损耗计算公式: (2.6)可知，采用无功补偿措施后，因通过电力网无功功率减少，降低了电力网中的电压损耗，提高了用户处的电压质量。补偿回路的工作原理如图2.6，其中U为端电压，IL为补偿前的线路电流，当设置补偿装置后，将有电流IC流过电容，此时流过R，L串联支路的电流仍为IL，但并联点M之前的电流则为IL和IC的向量和，即I=IL+IC。一般情况下IL-IC，这时有两种情况:若电容器的电容较小，负荷中的感性无功电流没有被完全补偿，这时电源的I滞后U，即如图2.6（a）所示，该补偿称为欠补偿；若电容器的电容较大，会出现图2.6（b）所示的情况，这时负荷中的感性无功电流被完全补偿之后还有剩余容性电流，电源的I超前U，这种补偿称为过补偿。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侧电压的升高，且容性无功功率在线路上传输同样会增加电能损耗，还会增加电容器自身的损耗，影响电容器的寿命。 IC IC I U0 U I IC IL IL （a）欠补 （b）过补偿 图2.6 补偿回路工作原理Fig.2.6 working principle of compensation circuit2.3.3晶闸管触发原则一般晶闸管投入时刻总的原则是，TSC投入电容的时刻，也就是晶闸管开通的时刻，必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻。因为根据电容器的特性，当加在电容上的电压有阶跃变化时，将产生冲击电流，很可能破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利影响。 假如在导通前电容器充电电压刚好等于电源电压峰值，则在电源峰值点投入电容时，由于在这一点电源电压的变化率(时间导数)为零，因此，电流IC即为零，随后电源电压的变化率才会按照正弦规律上升，电流IC即按正弦规律上升。这样，整个投入过程不但不会产生冲击电流，而且电流也没有阶跃变化。这就是所谓的理想投入时刻。图2.7为电路原理图。图2.7 功率补偿电路图Fig.2.7 power compensation circuit选取合适的触发时刻总的原则是：TSC投入电容时，也就是晶闸管开通的时刻，必须是电源电压与电容器残压的幅值和相位相同。但是无论投入前电容器充电电压是多少都是不易测量的，所以必须通过其他一些方法来解决电容器残压测量的难题。1.过零触发电路晶闸管电压过零触发电路如图2.8所示。当电源电压与电容器的残压相等时，晶闸管上电压为零，光电耦合器就会输出一个负脉冲，如果此时投入指令存在，此脉冲就会经过一系列环节，产生脉冲串去触发晶闸管，保证晶闸管的平稳导通。当TSC投入指令撤销时，晶闸管在电流过零时断开，直到微控制器下次发出投入指令，TSC才会在零电压时重新投入。图2.8 晶闸管电压过零触发电路 Fig.2.8 thyristor voltage zero crossing trigger circuit2.反压触发一般来讲，无论电容器残压多高，它总是小于等于电源电压幅值，则在一个周期内，晶闸管总有处于零压或反压的时刻。利用这一点，在晶闸管承受反压时，触发脉冲序列开始，这样当晶闸管由反向转为正向偏置时就自动进入平稳导通状态。在两种触发电路中，晶闸管电压过零触发的使用范围最为广泛，无论电容残压出于何种状态，其都适用。反压触发的成功率和电容器残压密切相关，只适用于电容器残压小于电源峰值的情况。2.3.4电容器的分组方式当采用TSC补偿设备时，由于其输出不能连续调节，电容器分组对补偿效果构成明显影响。为了延长电容器寿命，各组电容器投切频度应尽可能降低，且各组投切次数基本相当。为了达到较高补偿度，同时避免过补偿，分组容量应尽可能地小。二者之间存在一定矛盾，提出合理的分组策略也是一个研究内容。电容器的分组方式有等容分组方式和不等容分组方式。所谓等容分组方式，是指各组电容器的容量相等，其优点是易于实现自动控制，缺点是补偿级差大，要想获得较小的补偿级差，必须增加分组组数，相应的控制设备及所占空间也需要增加。所谓不等容分组方式，就是指各分组电容器的容量不相等，其优点是利用较少的分组就可获得较小的补偿级差。例如150kvar电容，按照8:4:2:1原则进行分组可实现16级组合，各组容量分别是10kvar, 20kvar, 40kvar, 80kvar，只需4组就可以达到10kvar的补偿级差，若按等分方式，必须分成15组才能达到10kvar的补偿级差。本文采用了按照8:4:2:1原则分组的不等容分组方式，虽然软件控制比较复杂，但却大大节省了电容器所占用的空间，也大大节约了电容器投切开关的数量，实现了较高的补偿精度的同时也大大节约了补偿装置的成本。第三章无功补偿控制系统的总体设计3.1 系统的基本原理TSC的设计包括电压、电流采样、控制物理量的计算、指令计算与投切动作的执行，完整系统工作流程如图3.1所示图3.1 TSC系统工作流程图 Fig.3.1 working flow chart of TSC system3.2 主电路连接方式TSC的主电路按照晶闸管和电容器的连接方式大致可以分为4种类型:星形有中线、星形无中线、角外接法、角内接法。其中前两者统称为星形接法，见图3.2。并联电容器与电力网的连接，其额定电压应与电网相符。在三相供电系统中，单相电容器的额定电压与电网的电压相同时，在正常情况下，将其接成三角形可以获得较大的补偿效果，这是因为如果改用星形接法其相电压为线电压的1/3倍，又因Q=U2/XC，所以其无功功率将为三角形接法的1 /3倍。本次设计使用三角形接法。按照晶闸管所处的位置，三角形接法又分为角外接法、角内接法。1.角外接法晶闸管处于电容器三角形的外部。按照“一Y”的变换原理，在电容器总容量相等的情况下，角外接法和星形无中线对外电路所表现的特性都是一样的。与角内接法相比体积小，但是不容易控制、投切时暂态过程较长，适合于三相平衡负载。2.角内接法晶闸管处于电容器三角形的内部。相对另外3种接法，晶闸管电流定额电流小，只有相电流的58%，但晶闸管额定电压定额较大，当有较大不平衡负载时，三角形接法的电容器组也可令各相电容值不等，根据各相负荷大小作分相补偿。三相不平衡负荷的补偿装置就是使用角内接法的TSC+TCR的形式。 （a）内接三角形 （b）外接三角形 （c）星形连接图3.2主电路接线方式 Fig.3.2 main circuit connection mode 3.3 无功补偿算法的选择传统的无功定义前提是电压电流不含谐波，因此只有在谐波干扰比较小的情况下才有较高的精确度。这里先讨论电力系统中电压电流都是正弦波的理想情况。无功功率的定义如下: Q=U0I0sin (3.1)式中：Q为无功功率、U0、I0分别为电压和电流的有效值、为电压和电流相位差。基于这种定义，常用的测量方法有积分法、移相法和公式法。3.3.1积分法积分法的理论基础是：sin=cosd。积分法能实现余弦和正弦之间的转换。下面是积分法测量原理，令: U（t）= 2 U0sin（t） （3.2） I（t）=2 I0sin（t-） （3.3） M= （3.4） 如果把式（3.4）的M为中间变量，把式（3.2）和式（3.3）分别代入式（3.4）化简后可以得到: M=U0I0sin=Q Q=M （3.5）求出M后就可以求出Q值。下面对式（3.5）做离散化处理，设在一个周期内对电压和电流都采样N次，用I(k)表示第k次电流采样值，U(k)表示第k次电压的采样值，U(k)表示u(t)的积分量。则有:Q=M= = （3.6）3.3.2移相法移相法测量无功功率与积分法相似，理论基础是sin=|cos（+90。）|，通过移相来实现正余弦之间的转换，基本原理如下: Q=U0I0sin= （3.7）式中:角速度，T为电网周期，t为时间。具体的测量步骤为:先通过采样和A/D转换将电网的模拟电压和电流信号采集到微处理器，然后进行离散化处理。这里假设对每个周期的电压和电流采样N次，则式（3.7）离散化得: Q= （3.8）式中：uk是第k个电压采样值，ik+N/4是第k+N/4个电流采样值，这样只要对电流和电压进行较高频率的采样，就能根据式（3.8）求得无功功率。移相法的精度易受非同步采用影响，主要通过图3.3的频率锁相装置来解决。整形锁相环PLL 分频器1/N图3.3 频率同步数字锁相装置框图Fig.3.3 the block diagram of frequency synchronization digital phase lock device3.3.3公式法直接根据无功功率公式Q= U0I0sin，求出三个未知量U0、I0和。分别在一个周期内对电压和电流采样N次。则根据有效值的定义进行离散化得: U0= （3.9） I0= （3.10）式中:uK是电压的采样值；iK是第k次电流。电压电流相位差可以通过检测电压和电流的过零点来检测。当电压和电流由负向正上升突变时，分别在t（0）、t（1）产生中断，并在两个中断期间用计数器计数得到相位差=，得到后，sin可以通过软件查表法求出。3.4 电容器补偿容量计算电容器补偿容量的科学计算是无功补偿的一个重要环节，补偿容量的精确性直接关系到补偿的效果。而不同的补偿方式，计算补偿容量的方法也不尽相同。容量补偿的方法有三种方式，即分散补偿、集中补偿和就地补偿，下面就对这几种方式的补偿容量计算进行说明。1.集中补偿与分组补偿容量的计算。通常来说，集中补偿和分组补偿容量的计算方法是一样的，一般按提高功率因数的需要确定补偿容量。方法是:先根据各用户所有设备计算出总平均功率PMAX及总平均功率因数cos1，再确定补偿后的功率因数cos2，则补偿容量可由下述公式计算: QC=AVPMAX(tg1-tg2)=AVPMAX （3.11）式中：QC为需要补偿的无功功率（kvar）；AV为月平均负载率；PMAX为由变电所供电的月最大有功功率计算负载（kW）；1为补偿前的功率因数角，可取最大负载时的值；2为补偿后希望达到的功率因数角。采用公式（3.11）时，一般都将负载率取为70%80%。在此还要注意，采用公式（3.11）来计算补偿容量时，通常并不把补偿后希望达到的功率因数cos2设置为1。因为功率因数越高，补偿容量减少损耗的作用将越小。功率因数与补偿容量的关系曲线如图3.4所示，图中 K= （3.12）从功率因数与补偿容量的关系曲线可以看出，功率因数值越接近1，需要投入的电容器比例越大，投资效益比越小，因此再增加补偿容量也是不经济的。通常情况下，将功率因数提高到0.95就是合理补偿。图3.4 补偿容量与功率因数的关系曲线 Fig.3.4 relation curve of compensation capacity and power factor对于以上两种补偿方式，也可采取经验系数法来计算补偿容量，即 QC=KWh （3.13）式中：K为经验系数；Wh为配变容量。应用公式（3.13）计算补偿电容器容量时，通常K取为变压器容量的1/3左右。2.个别补偿容量的计算。对单台异步电动机个别补偿时，若电动机与电源突然断开，电容将对电动机放电，易造成过电压，损坏电动机。为防止这种情况出现，补偿电容不宜过大，应以电容器在此时的放电电流不大于电动机的空载电流I0为限，因此，单台电动机补偿容量按下式计算: QC3UeI0 (3.14)式中： QC为补偿电容器容量(kvar)； Ue为电动机的额定电压(kV)；I0为电动机的空载电流(A)；电动机空载电流I0可以按电机型号在电工手册中查到，也可以在额定电压Ue下实测或估算得到。由于本研究是以线路传输的无功功率最小为控制目标，因此根据最大有功功率和补偿前功率因数最低值计算出由系统供给的无功功率，即最大补偿容量。 QC=PMAXtg1 (3.15)式中 ：PMAX为最大有功功率； 1为补偿前最低功率因数时的功率因数角。第四章系统的硬件设计系统硬件上采用TI公司的32位定点TMS320LF2812DSP进行控制，具有运算速度高、实时性好的特点，采用晶闸管投切电容器，全数字化控制，液晶显示，界面实时显示系统运行状况，实现电容器快速、无弧、无冲击投切，具有优良的性能。投切原则上采用综合无功功率控制，避免轻载震荡，TSC无功补偿控制器装置的硬件电路主要由检测、控制、执行和电源四个部分组成，检测部分主要是对负载的电压和电流进行检测，并将其参数信号转换成控制单元所能接受的信号；控制单元由DSP完成电压和电流值的计算，再根据控制补偿规则，做出投切决策并输出投切指令；执行单元接到命令后，通过晶闸管控制补偿电容器的投切。4.1 系统硬件总框图如图4.1，电网的电压直接接入控制器(输入线电压660V )，电流经电流互感器(输入电流5A)接入控制器，信号调理部分将它们转变为小幅值的电压信号(3.3V)接到DSP的ADC，经过DSP的采样、分析、计算，并根据结果，结合投切策略，自动控制FPGA进行晶闸管投切电容器组，再将计算结果送到双口RAM，同时DSP还负责电容器的保护电路控制。MCU负责将计算结果送到液晶显示，同时扫描键盘。EEPROM记录控制器重要参数的变动。两个CPU之间通过双口RAM进行数据的传送。保护启动电路控制性投切部分FPGA键盘液晶逻辑电平转换DSP复位电路 EEPROM8051单片机双口RAM电流信号AD电流互感器复位电路电压信号指示灯电压互感器串口通讯模块锁相环电路图4.1 系统硬件总框图Fig.4.1 General block diagram of system hardware4.2 系统各功能模块控制器的硬件按完成的功能主要由电源模块、信号变换及调理模块、AD采样模块、锁相同步采样模块、通讯模块、可控硅驱动模块、补偿电容器过载电流调理模块组成。4.2.1电源模块低压无功补偿控制器的整个系统工作在直流电源为+12V，12V，+5V和+3.3V的环境下，电网中220V或者380V的电压若想要直接接入低压无功补偿控制器，那么就需要变压。+12V电源和-12V电源不但是继电器工作的驱动电压，而且又起到维持整个控制系统正常运转的作用。+5V电源既是DSP和液晶的