低压电网并联电容动态无功补偿装置设计毕业论文设计 (NXPowerLite)

1、核准通过，归档资料。未经允许，请勿外传！9JWKffwvG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQGn8xp$R# A/D transformation uses ADC0809 .It is a section of quite practical A/D switching device. This equipment may track the electrical network reactive power the change and the automatic compen

2、sation, and this installment has the volume to be small. The precision is high, the price compared to the higher merit.Key words： reactive power compensation; SCM(Single Chip Micyoco); low voltage目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc2583 摘要 第一章 绪论1.1课题研究背景 随着我国电力工业的迅猛发展，电网逐步扩张电力负荷增长很快，电压等级越来越高，电网、发电机单机容

3、量也越来越大，电网覆盖的地理在不断扩大但是，由于地理环境、燃料运输、水资源及%C3&x=22&y=8 o 经济相关论文 t _blank 经济发展规模等诸多因素的影响，致使电源(发电厂)分布不均衡，要保证系统的稳定和优良的电能质量，就必须解决远距离输电、电压调节及无功补偿等问题。无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的，在电力系统中，大多数网络元件和负载都要消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中的某个地方获得。显然，这些所需要无功功率如果要由发电机提供并经过长距离的输送是不合理的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即对无功功率进行就地补偿。 在当今的电力

4、系统中，感应式异步电动机和变压器作为传统的主要的负荷使电网产生感性无功电流。同时，随着现代电力电子技术的发展，大功率变流、变频等电力电子装置在电力系统中得以广泛的应用，这些装置大多数功率因数很低，导致电网中出现大量的无功电流。无功电流产生无功功率，给点网带来额外的负担且影响供电质量。因此，无功补偿就成为保证电网高质量运行的一种主要手段之一。 然而，我国和世界上的发达国家(美国、日本)相比，无论从电网功率因数还是补偿深度来看，都有较大的差距。目前，美国、日本等发达国家补偿度达0.5以上，电网功率因数接近1.0，而我国补偿度仅为0.45。我国的电网，特别是广大农村电网，普遍存在功率因数低，电网损耗

5、较大的情况。因此，解决好网络补充问题，有着极其重要的意义。1.2国内外对动态无功补偿的研究状况 动态无功补偿是相对于传统无功补偿并联电容器而言的。显然并联电容器简单经济，灵活简便，但其阻抗是固定的，不能跟踪负荷武功需求的变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。而随着电力系统的发展，对无功功率进行快速、电脑柜台补偿的需求越来越大。 传统的无功功率动态补偿装置是同步调调相机（SC，Synchronous Condenser）。它是专门用来长生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自二三十年代以来的几十年中，SC子电力系统无功功率控制中一度发挥

6、着主要要的作用，然而由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。所以70年代以来，SC开始逐渐被FACTS家族中的SVC所取代，目前有些国家甚至已不再使用SC1。FACTS技术自提出至今发展十分迅速，已有20多种属于FACTS技术的控制器在应用或研究开发中，其中多个类型都具有无功补偿的功能，且能很好地满足当今电力系统对无功功率进行快速、动态补偿的要求。FACTS技术之所以发展如此迅猛，完全是依赖于电力电子技术的发展。电力电子技术是FACTS技术的基础，随着电力电子器件向快速、高电压、大容量发展，为交流输电网提供了空前快速、

7、连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力。FACTS控制器在其性能和功能上出现了不同的发展阶段：FACTS控制器已由基于半控型器件晶闸管(SCR)的静止无功补偿器（SBC，Static Var Compensator）、可控串补（TCSC， Thyristor Controlled Series Compensator）发展到基于全控型器件门极可关断晶闸管（GTO）的静止同步补偿器（STATCOM，Static Synchoronous Compensator）、静止同步串联补偿器（SSSC，Static Synchoronous Series Compensator）、统一潮流控制器（UPFC

8、， Uified Power Flow Controller）、可转换静止补偿器（CSC，Convertible Static Compensator）等2。 上述控制器中，SVC、STATCOM、UPFC及CSC是FACTS家族中具有动态无功补偿功能的最重要的几种设备品种，下面分别加以介绍： （1）静止无功补偿器（SVC）。早期的SVC静止无功补偿装置是饱和电抗器（SR，Saturated Reactor）型的，1967年英国GEC公司制成了世界上第一批该型无功能够补偿装置。SR比之SC具有静止、响应速度快等优点：但其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声还是很大，而且存在非线性电路的一些特殊

9、问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据SVC的主流。 SVC是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输电系统的导纳。按控制对象和控制方式不同，可分为晶闸管控制电抗器（TCR， Thyristor Controlled Rdactor）、晶闸管投切电容器（TSC，Thyristor Switched Capacitor）以及两者的混合装置（TCR+TSC），或者TCR与固定电容器（FC，Fixed Capacitor）配合使用的静补装置（TCR+FC）等3。TSC及突然的单相院里见图1.1，图1.2。USCRLICSCRL+UI 图1.1 TSC原理图

10、 图1.2 TCR原理图 （2）静止同步补偿器（STATCOM）静止同步补偿器也被称为静止无功发生器（SVG，Static Var Generator）、静止调相机（STATCON，Static Condenser），其基本电路分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型，电路基本结构见图1.3。电压型桥式电路，其直流侧采用电容作为储能元件，交流侧通过串联电抗器并入电网：电流型桥式电路，直流侧采用电感作为储能元件，交流侧并联电容器后接入电网。实际上，由于运行效率的原因，迄今投入使用的STATCOM大都采用电压型桥式电路。STATOM的基本工作原理是将桥式变流电路直接并联或通过电抗器并联在电网上，

11、适当调节桥式变流电路交流侧输出电压的相位和幅值或直接控制其交流侧电流，是该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的4。与SVC相比，STATCOM具有5个优点：调节速度快、运行范围宽、调节范围广、元件容量小、谐波含量小。 a 电压型桥式电路 b 电源型桥式电 图1.3 STATCCOM电路基本结构 利用变流器进行无功补偿的理论早在20世纪70年代就已由美国学者L.Gyugyi提出。到目前为止，国内外对STATCOM的基本原理、控制策略、主回路结构和不对称控制等做了很多的研究，但还有很多理论和实际运用的问题尚待解决。 （3）统一潮流控制器（UPFC） 把图1.3中与电网并联

12、的变压器该接为与电网串联的变压器，就成为静止同步串联补偿器（SSSC，Static Synchoronous Series Compensator），它能实现对线路潮流的快速控制。把一台STATCOM与一台SSSC的直流侧通过直流电容耦合，就构成了统一潮流控制器UPFC。 由于SVC，STATCOM只能控制无功功率以调节系统电压，如果系统某一局部同时有多种要求，就需要在该处设置几种装置，增大安装、调试的工作量，同时设备的投资也相当可观。UPFC的基本思想正是用一种统一的电力电子控制装置，仅仅通过控制规律的变化，就能对线路电压、阻抗、相位等电力系统基本参数同时控制，从而能分别获同时实现并联补偿、

13、串联补偿、移相等几种不同的功能。与其他飞、FACTS的无功补偿装置相比，UPFC控制范围较大，控制方式更为灵活5。 （4）可转换静止补偿器（CSC） CSC是美国EPRI、西门子公司及许多电气公司在FACTS领域长期合作研究的结果，它实际上是将已有的基十同步变流器的串并联补偿器技术，通过在结构上实现柔性化，使其可以更加灵活地应对不断变化的电力系统要求。CSC由多个同步电压源逆变器构成，可以同时控制2条以上线路潮流(有功、无功)、电压、阻抗和相角，并能实现线路之间功率转换。其实质是一种UPF C的多重组合。CSC被认为是最新一代的FACTS装置。1.3无功补偿的合理配置原则和目前无功补偿的不足

14、在目前国内电力系统中，各级网络和输配电设备都要消耗一定的无功功率，尤其以配电网中所占的比例最大。为了电网安全经济运行和用户的中厂用电，首先要减少配电线路中大量无功功率的流动，也就是使用户的无功负荷和电网无功损失就地供应。 首先，总体平衡和局部平衡相结合，造成局部地区的无功电力不能就地平衡，可能会使一些线路的无功电力偏多，电压偏高，过剩的无功电力要向外输出；还可能会使一些线路的无功不足，电压下降，必然要向系统索取无功电力。这些情况都会造成不同分区之间的无功功率的长途输送，造成电网有功损耗的增加。因此，在补偿过程中，在总体平衡的基础上，研究局部的补偿方案，才能达到较好的效果。 其次，电力部门补偿和

15、用户补偿相结合。在城乡电网中，用户消耗的无功功率约占50%；在工业电网中，用户消耗的无功功率约占60%；其余的无功功率消耗在电网中。因此，为了减少无功功率在电网中的传输，要尽可能实现无功就地补偿，就地平衡无功，必须由电力部门与用户共同进行补偿。忽略任何一方的作用，都会使电网无功电力平衡失调。最后，采取分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主的原则。变电站的集中补偿功率，主要是补偿主变压器本身无功功率引起的有功损耗以及减少变电站以上线路传输的无功从而降低供电线路的有功损耗，而不能降低配电网络的有功损耗。需要的无功功率仍需要通过配电线路向负荷输送，为了有效地降低损耗，用户所必须进行分散补偿。由于配电网

16、的先损耗占线损耗的70%左右，因而应该以分散补偿为主。 据统计，当前，国内典型的城乡配电网无功损耗情况下所示：按电压等级分，0.4级损耗占50%，10级损耗占20%，35以上损耗占30%。在农村，长距离供电较为普遍，10线路损耗较大；往后总配电网的损耗主要在0.4侧。因此，做好10等级电压以下的无功补偿具有重要意思。 近年来，由于计算技术的发展，无功补偿已经取得了很大的成就，无功补偿装置已经发展到了一个新的阶段。然而，许多电网仍存在补偿不足，调节手段落后，电压偏低，损耗增大等问题。 负荷无功补偿主要有以下的问题：（1）无功补偿容量的不足在国内供电方面，公用变压器在全国大中小城市中大量存在，而且

17、伴随着一户一表等城网改造的开展，还会大量增加。由于资金匮乏及重视程度不够，公用变压器区内无功补偿容量严重的不足，有功损耗大，公用变压器的利用率不高。在用户方面，由于公用变压器区内低压用户很多，供电企业管理不便，低压用户感性负荷很大。由于各用户没有统一的无功功率补偿，造成补偿不合理，效果不明显；而且，在高峰时，从电网接线收无功过多，低谷时，往往向系统倒送无功。 （2）无功补偿装置落后 在无功补偿装置上，大量的装置采用采集任选一相的无功信号或是一相电流另两相电压得出的无功信号并以此作为投切容量的依据，但这种方式只适用于以三相动力为主的配电区，它可能会对非采样相造成过补或是欠补。在投切容量的确定方面

18、，往往以功率因数为参考，电容器分组投切，当功率因数滞后时，则投入一组电容器；当有超前的无功分量时，则切除一组电容器；按步投切电容器，无功补偿的精度不高。这些装置常因为电容器容量级差大而投切精度低或是频繁投切。 （3）集中补偿占大多数集中补偿只能减少设点以上线路和变压器因输送无功功率所产生的损耗，而不能减少用户内部通过配电线路向用电设备输送无功功率所造成的有功损耗。由于用户内部的无功损耗没有减少，所以降损节电效果必然受到限制。负荷所需的无功功率，仍然需要通过线路共给，依然产生有功损耗。第二章 TSC动态无功补偿2.1无功补偿基本概述 电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理做成的。磁场所具有的

19、磁场能量由电源提供的。电动机和变压器在能量转化过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率就称为感性无功功率。接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周期的充电功率和下半周期的放电功率相率，这种充电功率称为荣幸无功功率。所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。无功功率在电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电压质量，增加电网的线损耗。因此要对无功功率进行补偿。将电容器和电感并联在同一电路中，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。能量就在他们之间交换，即

20、感性负荷所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿6。因此，把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。此外，调相机、同步电动机等也可以作为无功补偿装置。无功补偿的作用和原理见图2.1。设点感幸福和需要从电源吸收的无功功率为Q，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为Qc，是电源输出的无功功率减少为Q1=Q-Qc，功率因数由cos提高到cos，视在功率S减少到了S。 视在功率的减少可相应的减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供电设备的投资。例如一台1000kv的变压器，当负荷的功率因数为0.7时，可供700千瓦的有功负荷，当负荷的功率因数提高到0.9时，可供900千瓦的有功功率。同一台变压器

21、，因为负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦的负荷，是相当可观的。 （2-1） 可见，因采用无功补偿措施后，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下降，从而提高了供电效率。 由电压损耗公式 （2-2） 可知，采用无功补偿措施后，因通过电力网的无功功率的减少，降低了电力网中的电压损耗，提高了用户处的电压质量。并联电容器的无功补偿作用和原理，也可以由图2.2来解释 ，SSQcQ1Q 图2.1无功功率补偿原理图 图中的用电负荷总电流I可以分解成为有功电流分量I，和无功电流分量凡(电感性的)。当并联电容器投入运行时，流入电容器的容性电流了。和Iq方向相反，故可抵消一部分凡，使电感

22、性电流分量凡降低为形=凡- I，总电流I降为I，功率因数也由cos提高到cos。这时，负荷所需的无功功率全部由补偿电容供给，电网只需供给有功功率根据有功电流IR (t)与无功电流IX (t)的定义，还可以用图2.3来解释电力系统中的无功补偿的作用和原理。 图2.2并联电容器的补偿电流向量图 图2.3电力系统无功补偿原理图 设负荷实际吸收的电流为I(t)，为了使输电线路上流过纯有功电流Ir(t)，这里的Ic(t)就是Ix(t)， 这就是电力系统中进行无功补偿的要点，是完全补偿。线路上的电流Ir(t)是为了产生负载实际功率（平均功率）而携带能量最小的电流，因而在新路上造成的损失是最小的。此时，Ir

23、(t)的波形和U(t)相同，即电压和电流相位相同。 广大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。搞好低压补偿，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，并有效的降低电能损失。低压补偿对用户以及供电部门都是有利的。 低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡，通常采用的方式由以下三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。 随机补偿是指将低压电容器组和电动机并联，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，补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量。具有投资少，配置灵活，

24、维修简单等优点。为了防止电机退出时产生自激过电压，补偿容量一般不大于电机的空载无功。 随器补偿就是将低压电容器通过低压保险接在配电变压器的二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。有很多的低压配电网中的变压器，尤其是农网配电变压器，普遍存在负荷轻的现象。在变压器接近空载时，此时配电变压器的空载无功是电网无功负荷的主要部分。随器补偿由于补偿在低压侧，可有效的补偿配变空载无功，且连线简单，做到无功就地补偿。 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0.4母线上的补偿方式。补偿电容器组的固定连接组可起到相当于随其补偿的作用，补偿用户的得固定无功负荷；可投切电容器组

25、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。此法对电容器的保护比前两种更可靠。以上三种补偿方式都可以对特定种类的无功负荷实现“就地平衡”的无功补偿，降损节能效果更好。2.2晶闸管投切电容器（TSC） 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，广泛应用十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0

26、.01 s-0.02s 。 TSC的基本原理如图2.4所示。图2.4a是其单相电路图，其中的两个反并联晶闸管只是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的，在很多情况下，这个电感往往不画出来。当电容器投入时，TSC的电压电流特性就是该电容的伏安特性，即如图2.4c中0A所示。在工程实际中，一般将电容器分成几组（见图2.4b），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容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2.4c中的0A、0B或0C。当TSC用于三相

27、电路时，可以是联接，也可以是Y联接，每一项都设计成如图2.4bUI抑制冲击电流的小电感abcABCIcuI0ILa)单相结构简图 b)分组投切的TSC单相简图 c）电压电流特性 图2.4 TSC的基本原理 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，所不同的是，前者晶闸管阀承受最大反向电压低，为电源电压峰值，但投资较大，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，

28、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。前者易十实现自动控制，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。 电容器分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越好，但是综合考虑到系统复杂性以及经济性问题，可以采用所谓二进制的方案，即采用k-1个电容值均为C/2的电容，这样的分组法可使组合成的电容值有2k级。 电容器的分组投切在较早的时候大都是用机械断路器来实现的，这就是机械投切电容器。和机械断路器相比，晶闸管的操作寿命几乎是无限的而且晶闸管的偷窃时刻可以精确控制，以减少投切的冲击电流和操作困难。另外，与TCR相比TSC虽然不能连续调节无功功

29、率，但具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点。因此，TSC已在电力系统获得了较广泛的应用，而且有许多是与TCR配合使用构成TCR+TSC混合型补偿器。 TSC的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。选取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（若电容器投入的时刻电源电压与电容器充电电压不相等就会发生这样的情况），将产生以冲击电流，很可能破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利影响。 一般来讲，希望电容器预先充电电压为电源电压峰值，而且将晶闸管的触发相位也固定在电源电压的峰值点。

30、因为根据电容器的特性方程ic=CdUc/dt。如果在导通前电容器充电电压也等于电源电压峰值，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（也即电容电压）的变化率才按正弦规律上升，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，而且电流也没有阶段变化。这就是所谓的理想投入时刻。设电源电压为Es，在本次导通开始之前，电容器的端电压Uc已通过上次导通时段最后导通的晶闸管V1充电至电源电压Es的峰值，且极性为正。本次导通开始时刻取为Es和Uc相等的时刻t1，给V2以触发脉冲而使之开通，电容电流ic开始流通。以后每半个周波发

31、出触发脉冲轮流给V1和V2。直到需要切除这条电容支路时，如在t2时刻，停止发脉冲，ic为零，则V2关断，V1因未获触发而不导通，电容器电压保持为V2导通结束时的电源电压负峰值，为下次投入电容器做了准备。实际上，再投入电网之前，电容电压有时不能被充电到电源电压峰值。这就需要找出在电容充电电压为各种情况的最佳投入时刻刻。 采用晶闸管和二极管反并联的方式代替两个反并联的晶闸管，可以使导通前电容充电电压维持在电源电压的峰值。如图2.5所示，一旦电容电压比电源电压峰值有所降低，二极管都会将其充电至峰值电压，因此会发生量晶闸管反并联的方式中电容器充电电压下降的现象。但是，由于二极管是不可控的，当要切除此电

32、容支路时，最大的时间滞后为一个周波，因此其响应速度比两晶闸管反并联的方式稍慢，但成本却要低一些。 应该注意的是，在以上讨论的最佳投入时刻中，两个晶闸管触发脉冲的顺序不能搞反了，或者说应避免触发脉冲相位错开180度，否则将产生很大的冲击电流和过电压。icucCVVDDEs图2.5晶闸管和二极管反并联方式的TSC 设母线电压是标准的正弦信号us(t)=Um sin(wt+a)，投入时电容上的残压为Uco，忽略晶闸管的导通压降和损耗，认为是一个理想开关，则用拉氏变换表示的TSC支路电压方程为U(s)=LS+1/CsI(s)+Uco/s 式中U(s)、I(s)分别为端电压和支路电流的拉氏变换，以晶闸管

33、首次被触发的时刻作为计算时间的瞬时电流为i(t)=I1mcos(wt+a)-kBcUco-k2 /( k2-1) Umsinasinwn t-I1Mcosacoswny 式中wn=1/=kw，是电路的自然频率；Bc=Wc是电容器的基波电纳；I1m=UmBc k2 /( k2-1)，是电流基波分量的幅值。 上式右侧的后两项代表预期的电流震荡分量，其频率为自然频率，实际上会由于该支路电阻的影响而逐渐衰减为零。从中可以看到，如果希望投入TSC支路时完全没有过渡过程，即后边两相震荡分量为零，必须同时满足一下两个条件： （1）自然换相条件：cosa=0(即sina=1) （2）零电压切换条件：Uco=

34、k2 /( k2-1) Umsina=k2 /( k2-1) Um 实际上，条件（1）（即在系统电压最大值时出发晶闸管）是自然换相条件；因为流过电容的电流超前其两端电压（即系统电压）90度，所以在系统电压峰值时流经电容的电流为零；而作为依赖电流零自然关断的半控器件，晶闸管的无电流冲击换相点应为系统电压峰值点。而条件（2）（即投入时电容器应已预充电到Um k2 /( k2-1)）是零电压切换条件；此时由于开通前后为了同时满足上述条件，大多数厂家均采用了假定电容两端电压已预充电到系统峰值电压，从而在电源电压峰值时开通晶闸管以投入电容器组的方法。但实践中，存在下述两个问题，一是如果没有预先充电装置，

35、则第一次投入或切除时间较长后再次投入时，由于放电的原因，此时电容电压通常为零，故会发生电流冲击；二是由于电容自身放电的原因，即便切除时间较短，电容电压也会下降。所以通常采用的峰值切除方法实际不能满足零电压切除条件。2.3补偿装置所需元器件的取中 要对制作装置所需用的元器件进行功能、质量、价格等方面的分析和选取，这对制作一套性能优良，运行安全可靠的装置来讲十指关重要的。 无功功率出场控制器，是无功补偿装置的指挥系统，其工作原理是对电网的电压、电流进行采集，通过CPU的快速运算，得到电网的有功功率、无功功率、无功电流、功率因数等参数，再根据参数的设定值判定是否发出投切指令，控制投切开关的动作，从而

36、控制电容器组的投切。 对于无功功率补偿装置来说，选择何种电容器投切执行机构，对整套装置的安全运行是至关重要的。目前用于电容器投切的执行原件主要有：（1）电容器专用接触器，此类产品是在普通接触器的基础上增加限流线圈的方案来限制合闸涌流。安装接线方便，运行费用低且价格低廉，但会产生投切涌流和关断时的过电压，仅适用于负载无功功率变化不大且不频繁操作、系统工作较平稳的场合。（2）晶闸管电子开关，此类产品具有典雅过零投入、电流过零切除、反应速度快等特性，可实现电容器的投入无涌流、切除无过压、投切无电弧的快速动态补偿功能，该装置特别是用于电容器需要频繁投切的无功补偿场合。但晶闸管也存在损耗大、散热差等不足

37、，影响了无功补偿装置的可靠性，且成本相对较高（3）负荷开关，负荷开关的工作原理是将晶闸管和交流接触器并接，电容器投切瞬间，晶闸管工作，正常接通期间接触其实靠闭合，既有可控硅开关过零投切的优点，又有接触器无功耗的优点。投切电容器时，保证电压过零合闸；切电容时，保证电流为零关断，在保证快速投切情况下，避免了涌流、谐波注入及触点烧损现象。而在正常工作时利用接触器导通容量大、压降小、功耗小、工作可靠等优点，不会带来高温升、高能耗问题，负荷开关适宜频繁操作，整机使用寿命长，价格也相对适中。 要保证偷窃开关长期、可靠的运行，选用时必须注意以下几点：（1）投切开关的额定电流必须与投切的电容的额定电流匹配。（

38、2）偷窃开关的接线端子过流要满足额定电流。（3）投切开关的端子的接线必须牢固可靠电容器额定电压的选取由下列因素决定：（1）供电网的电压水平；（2）谐波背景，当电容器在含有谐波的环境下工作时，谐波电压将叠加到电容器的基波电压上，会使电容器实际工作电压升高；（3）是否加装串联电抗器，危险组织投切电容器是的合闸涌流，避免谐振或为消除（吸收）谐波，都需要在电容器纸路中串联电抗器，当电容器与电抗器组成串联回路再接入电网时，电容器两端的电压降高于电网电压。综上因素，在低压0.4KV电网无功功率补偿装置中安装的电容器，在一般情况下应选择额定电压为0.45KV系列的产品；而用于谐波抑制或滤波装置中的电容器，根

39、据串联电抗器的电抗率不同，第三章 硬件设计3.1硬件介绍 AT89C517是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储（PEROM）和128bytes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MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。主要性能参数：与MCS51产品指令系统兼容4K字节可重复擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz24MHz三级加密程序存储器1288字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6

40、个中断源可编程窜行UART低功耗空闲和掉电模式管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流，当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLAS

41、H编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输

42、出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：表3.1 管脚定义口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持R

43、ST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每

44、个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源

45、驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。A/D转换器选型 ADC08098是一种8路模拟输入逐次比较型A/D转换器，由于价格适中，与单片机的接口、软件操作均比较简单，目前在8位单片机系统中有着广泛的使用。ADC0809由8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成。表3.2 8路模拟开关与输入通道的关系表同入通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7A010101O1B00110011C00001111ADC0809芯片可以分时处理8路模拟量输入信号，

46、使用模拟开关切换。在某一时刻，模拟开关只能与一路模拟量通道接通，对该通道进行A/D转换。表1中C、B、A是三条通道的地址线。当地址所存信号ALE为高电平时，C、B、A 三条线上的数据送入ADC0809内部的地址锁存器中，经过译码器译码后选中某一通道。当ALE=0时，地址锁存器处于锁存状态，模拟开关始终与刚才选中的输入通道接通。选中通道的模拟量到达A/D转换器时，A/D转换器并未对其进行A/D转换。只有当转换启动信号端START出现下降沿并延迟后，才启动芯片进行A/D转换，START的上升沿复位ADC0809。ADC0809的A/D转换过程是在时钟信号的协调下进行的，ADC0809的时钟信号由C

47、LOCK端送入，其最高频率为640MHz，在这个最高频率下ADC0809的A/D转换时间为100uS左右。当ADC0809用于AT89C51单片机系统时，若AT89C51采用6MHz的晶振，则ADC0809的时钟信号可以由AT89C51的ALE经过一个二分频电路获取。这时ADC0809的时钟频率为500KHz，A/D转换时间为130uS。ADC0809常用的时钟电路如图3.1 ： 图3.1 ADC0809常用的时钟电路图 A/D转换结束后，A/D转换的结果(8位数字量)送到三态锁存输出缓冲器，此时A/D转换结果还没有现在DB0-DB7八条数字量输出线上，单片机不能获取之。单片机要想读到A/D转

48、换结果，必须使ADC0809的允许输出控制端OE为高电平，打开三态输了锁存器，A/D转换结果出现在DB0-DB7上。单片机读取AD转换结果的方法有三种(1)延迟法单片机启动ADC0809后，延时130uS以上，可以读到正确的A/D转换结果。(2)查询法EOC必须接到AT89C51的一条I/O线上。单片机启动ADC0809后，延迟10uS，检测EOC，若EOC=0则A/D转换没有结束，继续检测EOC直到EOC=1。当EOC=1时，A/D转换已经结束，单片机读取A/D转换结果。(3)中断法EOC必须经过非门接到AT89C51的中断请求输入线INT0或INT1上，AT89C51的中断触发方式为下降沿

49、触发。单片机启动A/D转换后可以做其它工作，当A/D转换结束时，EOC由01经过非门传到INT端，AT89C51收到中断请求信号，若AT89C51开着中断，则进入中断服务程序，在中断服务程序中单片机读取A/D转换的结果。LCD显示本次设计采用1602型LCD9显示，现在的字符型液晶模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。 1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。1外型尺寸：80X36X13（LXWXH）2接口信号说明

50、1602型LCD的接口信号说明如表3.2所示：表3.3 1602型LCD接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5Data I/O5R/W读写选择端（H/L）13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极 3主要技术参数 表3.4 1602型LCD的主要技术参数显示容量16X2个字符芯片工作电压4.55.5V工作电流2.0mA（5.0V

51、）模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95X4.35(WXH)mm 4与8051接口电路M-162液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接接口，电路如图3.2所示。图3.2 AT89C51与DM-162接口电路3.2模拟信号调理电路互感器信号转换及电流电压转换电路 在此用到的是北京星格公是司研制的精密电压互感器11SPT204A和电流互感器SCT254AK。其特性分别如下：SPT204 实际上一款毫安级精密电流互感器，输入额定电流为2mA，额定输出电流为2mA。使用时需要将电压信号变换成电流信号，推荐使用电路如图3.3所示。图中，R1是限流电阻，不论额定输入电压多大，调整R1的值，使额定输入

52、电流接近为2mA，就满足使用条件。副边电路是电流/电压变换电路，当需要电压输出时采用。调整图中反馈电阻R和r的值可得到所需要的电压输出。电容C2是400至1000pF的小电容，用来滤波。图3.3电压互感器的IU转换运算放大器10视精度要求使用，使用性能较好的运算放大器较容易达到较高的精度和较好的稳定性。此处选用的是BB公司的高精度运放OPA2277。它具有以下特点：超低失调电压：超低温漂：超低失调电流：高开环增益：134dB宽供电范围：OPA2277具有连续的供电范围，这使它不像大多数的OP系列运放局限于固定的工作电压。而且轨至轨的特性使其输出电压的范围能跟随电源工作范围，这就能在保证输出电压

53、的大小的前提下，尽可能的减少工作电压，达到节能的目的。由于OPA2277具有内部补偿失调电流的电路，故在使用中不需要在输入脚上接上补偿失调电流的电阻，如上图所示，这同样减少了PCB布板和使用的复杂度12。互感器的次级连接是电流转电压电路，该电路是将互感器的电流输出信号变换成电压信号，以符合CPU采样信号是电压信号的特性。以电流互感器SCT254AK为例，若互感器的副边电流为，要求的输出电压为，则特性为： 输入和输出脚间的跨接电阻。选择合适的电阻R，通常采用电阻串接电位器的结构，可以使输出电压在之间变化。SCT254A K是一款精密电流互感器，输入额定电流为5A，额定输出电流为2.5mA。当需要

54、将电流输出信号变换成电压信号时，推荐使用电路和电压互感器使用电路类似。调整图中反馈电阻R和r的值可得到所需要的电压输出。电容C2是400至1000pF的小电容，用来去A和滤波。该电流互感器是接在主回路上的电流互感器之后。主回路的电流互感器的变比视实际使用中变压器输出的电流而定。当电流较大时，可选用较大变比的电流互感器，一般有100：1或1000：5等系列可供选用。 电压、电流采样及信号处理电路用电流互感采样得到交变的电流信号，在通过以下电路把电流信号转变为半波电压信号如图3.4：图3.4 电流采样调理电路电容主要起抗干扰和滤波的作用，前个运放可实现转换，根据： 输入和输出脚间的跨接电阻，调节滑

55、动变阻器，使在 变化。第二个运放对电压进行取反，得到输出电压，从而使采样得到的电压于实际电流同向。调节滑动变阻器的滑片同样可以达到调节输出电压大小的效果如图3.5.。 图3.5 电压采样和调理电路 3.3输出控制电路控制电路10采用光电隔离电路、驱动电路，控制继电器，再控制电容器组投切的形式。如图3.6是其中一路光电隔离和驱动电路。 图3.6 光电隔离及驱动电路这部分电路的设计采用单片机的I/O口灌电流的方法控制可控硅实现开关与继电器控制，用光电耦合器MOC3021作为可控硅的驱动器，同时实现强、弱电的隔离13。光电偶合器通过一个非门与89C51的一个输出口连接，当此脚输出高电平时，使MOC3

56、021打开驱动双向可控硅，使晶体管导通和继电器吸合，驱动电容器组投入运行，发光二级管发光指示。当管脚输出为低电平时，将会封锁住MOC3021，则继电器释放，发光二级管熄灭，电容器组退出电路。 第四章 软件设计在软件设计上我们采用汇编语言，用汇编语言用来编制系统软件和过程控制软件，其目标程序占用内存空间少，运行速度快，有着高级语言不可替代的用途。4.1 投切原则本次设计的装置主要的投切标准是功率因数和测量电压，本装置采用默认的标准功率因数为。随器补偿应以配变容量的6%8%选择电容器容量效果较好，因为这大约相当于配电变压器空载时的无功功率，又电容器补偿容量可近似为，则本次设计一共设了3组容量为25

57、FP电容器组，方便控制和调节补偿容量，采用三相共同补偿。当检测到到的功率因数小于0.95是投入第一组电容器组；再进行第二次检测，计算得到功率因数再于默认值进行比较，若实际功率因数仍然小于0.95的话，继续投入第二组电容器组，以次类推，直到实际功率因数小于标准13。当检测到的三相电压大于标准电压时（通常取400V），即电网处于容性状态，无功补偿过量，则立即切除第三组电容；继续检测电压，若电压仍然高于标准的话，则切除第二组电容器组，以次类推，直到实际电压小于标准。主要的程序流程如下图图4.1 单片机程序流程图4.2功率因数计算 在进行控制之前，首先要测量电路的各相参数，比如电压、电流、无功功率、有

58、功功率、功率因数等。在此采用的是有效值算法，该算法比平均值算法更具真实性，其原理如下所述。根据定义，电压的有效值U是加在电阻R上单位时间内所做的功，其U数学表达式2是：即：将上式在时间上进行离散，就得到U的离散表达式。式中：电压采样周期中的第个采样点的值对电流有效值有相似的离散表达式：式中：电流采样周期中的第个采样点的值由上两式可得视在功率有功功率P的定义为：单位时间内，电压和电流所作的不可逆的功，其数学表达式是：对其作离散处理，即每隔一定的时间间隔测得一个电压值和一个电流值，将其相乘，最后把一个采样周期内的所有乘积值相加并求平均值，其数学表达式是：式中：采样周期内的第个电压采样值采样周期内的

59、第个电压采样值电网的功率因数受电压和电流相位差，波形畸变以及三相不对称等因素的影响。三相不对称路的功率因数和含谐波的非正弦电路的无功功率情况较为复杂且没有科学而统一的定义，故在此只考虑三相对称电路的功率因数和无功计算，测量时仅对两相间线电压和另一相电流进行采样，采样的电压为，采样电流为，每个周期的采样点数为，则计算公式如下：AC相间的线电压为： B相的线电流： 三相有功功率： 视在功率：无功功率： 功率因数：第五章 结论无功补偿技术在边沿科学如电力电子技术和微电子技术发展的推动下，在电力系统领域取得了很大的发展，形成了多种补偿方式。本文在对无功补偿技术进行分析的基础上，针对传统无功补偿装置的缺

60、点提出了一种新型的智能无功补偿控制器，该装置适合对大用户进行无功补偿，也就是随器补偿，其优点如下：1、装置结构简单，通过硬件软件配合，稳定性高，用单片机控制，可实现真正的智能控制，具有很高的性价比。2、采用LCD显示，可实时显示电压、电流和功率因数等数据。3、控制策略比较合理。该策略既考虑到无功补偿对电容容量需求，又考虑到稳定电压质量的要求，比如在高电压区间的只切不投原则和在低压区间的只投不切原则。今后本控制器在以下几方面还有待提高：1、优化采样电路，使采样数据更为精确。2、采用较高档的CPU系统，升级A/D位数，使控制器的电网监测功能到进一步的完善，也可使控制系统实现实时检测实时控制。3、采

61、用更简便准确的无功计算方案和更多组数的电容器组，使软件更为简便，控制更加精确。4、可外接存储装置，用于存储电压、电流等数据，这样有助于对电网的电能质量进行评估。总之，无功补偿目前在我国还是很有发展潜力的行业，其技术还有待于进一步的深究和提高。 致 谢本文是在王仲初老师精心指导和大力支持下完成的。王仲初老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。我从他里不仅学到了专业知识，还学到了分析问题、解决问题的思考方法，以及忘我的敬业精神。本设计还引用了一些工厂、科研单位、学校的资料，在此谨向有关

62、作者、编者、译者表示深切的谢意。由于本人水平所限，难免存在不少缺点和错误，希望老师批评指正。最后对参与评阅和答辩的老师表示由衷的感谢！参考文献1 方向晖中低压配电网规划与设计基础M北京：中国水利水电出版社,2004：56892 刘黎明,刘涤尘,史进智能式动态无功补偿装置的研究J电力情报,1998,22(3)：4589.3 南余荣,李刚,鲁聪达基于单片机的复合开关及其在低压无功补偿中的应用J现代电子技术2004,28(15)：1567.4 吴启富,王主丁配电网无功综合优化的补偿模型及其应用J四川电力技术, 1994：1061105 刘凤君市电电能质量补偿技术M北京：科学出版社,2005：6911

63、16 胡秀娟浅议低压电网无功补偿的几种方法J电力与能源2007年35期7 梅丽凤,王艳秋单片机原理及接口技术M北京：清华大学出版社,2004：551028 刘焕平,韩树新ADC0809和AT89C51的一种接口方法J石家庄师范专科学校学报2002-69 丁毓山单片机与无功补偿M南京：南京大学出版社,2006：8612110 康华光,陈大钦电子技术基础M高等教育出版社,2004：101511 彭沛夫,张桂芳微机控制技术与实验指导M北京：清华大学出版社.,2005：152 15712 胡汉才单片机原理及其接口技术M清华大学出版社,2004：15515913 Kundur,TomPower system stability and controlMNew York, USA：McGraw-Hill, 1994：124241