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1、摘 要本文介绍无功补偿装置，此装置分三相六路采集电压和电流信号经多路开关送到A/D进行模数转换，利用S3C2440计算无功功率，根据电压和无功两个判别量对系统电压和无功实行综合调节，以保证电压在合格范围内，同时实现无功基本平衡。在补偿方式上，选用了并联电容器补偿。并联电容器是一种提供无功功率的非常经济的电力装置，并具有价格低廉、安装灵活、操作简单、运行稳定、维护方便等优点。以晶闸管作为无触点投切开关，使用编码投切方式，实现对电容器的无过渡过程快速投切。S3C2440进行控制，通过检测电压和无功功率，对多级电容器组进行分相投切，补偿效果快速准确、安全、洁净及易于控制。关键词：无功补偿 S3C24
2、40 电压 并联电容器 分相投切 AbstractThis paper introduces the reactive power compensation device, this device is divided three six road collecting voltage and current signals by a multichannel selective switch to A/D conversion. S3C2440calculation of reactive power, according to the voltage and reactive power
3、two discriminant volume on system voltage and reactive power comprehensive regulation, in order to ensure the qualified voltage, while realizing reactive power equilibrium. On compensation way, selection of the parallel capacitor compensation, shunt capacitor is a reactive power economic power devic
4、e, shunt capacitor with low price, flexible installation, simple operation, stable running, convenient maintenance and so on. And to the thyristor as a non-contact switch, use of code switching mode, realize the capacitor without the transition process of fast switching. Using S3C2440control, by det
5、ecting the voltage and reactive power, the multistage capacitor group split-phase switching, compensation effect quickly and accurately, safe, clean and easy to control.Key words: reactive power compensation S3C2440 voltage shunt capacitor phase switching51目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 无功补偿的目的和意义11.2 国
6、内外发展状况21.2.1 无功补偿方式的发展现状21.2.2 无功补偿技术的发展趋势51.3 本文研究的主要内容5第2章 无功补偿的原理及调节判据72.1 无功补偿原理72.1.1 无功补偿的主要作用82.1.2 无功补偿电容器的容量的选择102.2 并联电容器补偿102.3 并联补偿电容器的配置原则122.4 调节判据的选择132.5 电容器组的投切对系统电压和无功的影响14第3章 主系统设计173.1 工作过程173.2 电容器投切接线方式选择193.3 电容器组投切方式203.4 晶闸管电压过零触发电路233.5 器件的选型253.5.1 晶闸管的选型253.5.2 电抗器的选型26第4
7、章 硬件电路设计294.1 主控制器294.2 电源电路设计314.3 电压电流检测电路设计334.4 功率因数角检测电路设计354.5 按键电路设计384.6 显示电路设计394.7 投切控制电路设计40第5章 软件设计425.1 电网参数采集模块435.2 按键模块部分445.3 显示模块445.4 投切控制模块45经济与社会效益分析47结论48致谢49参考文献50附录53CONTENTSAbstract (Chinese)IAbstract (English)IIThe first chapter Introduction11.1 The purpose and significance
8、 of reactive power compensation11.2 The domestic and foreign development condition21.2.1 The current situation of the development of reactive power compensation21.2.2 Reactive power compensation technology development trend51.3 The main contents of this paper5The second chapter The principle of reac
9、tive compensation and control criteria72.1 Reactive compensation principle72.1.1 The main role of reactive power compensation82.1.2 Reactive compensation capacitor capacity selection102.2 Parallel capacitor compensation102.3 Shunt compensation capacitor allocation principle122.4 The choice of regula
10、tion criterion132.5 Capacitor on system voltage and reactive power impact14The third chapter The main system design173.1 Working process173.2 Capacitor wiring mode selection193.3 Capacitor bank switching mode203.4 Thyristor voltage cross zero trigger circuit233.5 Device selection253.5.1 Thyristor ty
11、pe selection253.5.2 Reactor type selection26The fourth chapter Hardware circuit design294.1 Master controller294.2 Power circuit design314.3 Voltage and current detecting circuit design334.4 Power factor angle detection circuit design354.5 Key circuit design384.6 Design of display circuit394.7 Switc
12、hing control circuit design40The fifth chapter Software design425.1 Power grid parameter acquisition module435.2 Key module445.3 Display module445.4 Switching control module45Economic and social benefit analysis47Conclusion48Thank49Reference50Appendix53第1章 绪 论1.1 无功补偿的目的和意义随着国民经济持续快速增长，工业企业的数量不断增加，人
13、们生活水平不断提高，使用电量的需求大大增加。相比较而言，我国发电机的装机容量与输配电能力的增加速度没有需求快，致使我们一些省份出现“电荒”的情况，尤其一些经济相对发达的地区和用电负荷较大的大中城市。甚至部分城市在用电高峰期出现拉闸限电以使电网正常运行的情况，严重制约着国民经济的发展，也给人民群众的生活带来很大不便1。电压是电能主要质量指标之一，电压高低反映无功出力与用户无功负荷是否平衡。就我国来说，电力系统的用电负荷主要为感应电动机、变压器、感应电炉与电弧炉、电焊机与电焊变压器、整流设备等感性负载。这些负载在消耗着大量有功功率的同时也在消耗着大量的无功功率，造成电网功率因数偏低。大量感性负载的
14、使用使得必须提供足够的无功容量满足负载要求，否则会造成电网电压降低，电网供电质量下降的不良后果。电网低电压运行的危害可以归纳为以下5种:1.当电压下降到额定电压的65%70%时，无功静态稳定破坏，发生电压崩溃，造成大面积停电事故；2.发电机因电压降低而减少它的有功功率及无功功率的输出，由于定子电流与转子电流受额定值限制，因此发电机的有功出力及无功出力近似与运行电压成正比关系；3.送变电设备因电压降低而增加能耗；4.烧毁用户发动机；5.由于电源电压下降，引起电灯功率下降、光通量减小和照度的降低。在电力系统电压和无功电力管理条例中规定，高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户功
15、率因数为0.90以上，其他100KVA(kw)及以上电力用户和大、中型电力排灌站功率因数为0.85以上，夏收和农业用电功率因数为0.80以上。凡功率因数未达到上述规定的用户，供电局可拒绝接电。感性负载分布的不规律性也要求电网根据负载情况合理分配无功，否则容易形成大量的无功功率在电网中流动，降低电网容量，使得电网线路损耗增加，同时也增加了电网的运行成本，影响电力系统供电的经济性。当前国家要落实科学发展观，大力推行节能降耗，所以研究无功补偿技术，对提高电网运行质量，具有很重要的意义2。1.2 国内外发展状况1.2.1 无功补偿方式的发展现状电力系统中的无功补偿方式分为并联补偿、串联补偿和串并联混合
16、补偿三种方式，并联补偿方式由于其接入和切除都比较方便的优点得到了广泛的应用。自电力系统诞生以来，并联补偿技术就已经应用在电力系统中，静止无功补偿装置的发展和应用体现出了静止无功补偿技术的发展和应用情况，电力系统中的无功补偿装置从最初的电容器补偿发展到今天，历经了电容器、同步调相机、饱和电抗器、静止无功补偿装置 (SVC)，直到今天引人注目的STATCOM等几个不同阶段。早期的无功功率补偿装置主要有并联电容器和同步调相机。同步调相机作为早期无功补偿装置的典型的代表，能够对固定的无功功率以及变化的无功功率进行动态的补偿。到现在无功补偿领域中还在使用同步调相机，而且随着技术的不断进步，它的控制性能还
17、得到一定的改善。不过由于它属于旋转型的设备，在运行的时候容易产生噪声而且电能损耗也会很大，己经不太符合现代技术的要求了。现代的无功功率补偿装置主要包括静止无功补偿器和静止同步补偿器。而所谓静止无功补偿是指采用不同的静止开关来投切电抗器或者电容器，使它具有吸收或发出无功电流的能力，从而提高系统的功率因数、抑制系统振荡、稳定系统电压等。目前这种静止开关主要采用电力电子开关和断路器两种开关。但是用断路器作为接触器的开关时，速度较慢根本不可能快速地跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时很可能会引起严重的冲击电流和操作过电压，这样不但容易造成接触点烧焊，而且有可能造成补偿电容器的内部结构被击穿3。随着
18、交流无触点开关SCR，GTR，GTO等的相继出现，如果把它们作为静止开关，速度就可以提高到10us左右，这样对任何参数来说都可以在一个周期内完成无功补偿，并且可以进行单相调节。现阶段所指的静止无功补偿装置主要分为以下三种类型:第一种是具有饱和电抗器的静止功补偿装置 (SR: Saturated Reactor);第二种是晶闸管控制电抗器 (TCR: Thyristor Contr control Reactor switch capacitor)、晶闸管投切电容器(TSC: Thyristor Contr Capacitor)，这两种装置统称为SVC(Static Var Compensato
19、r)；1977年，美国GE公司首次在实际电力系统中运行了使用基于晶闸管的 SVC；1978年，在美国电力研究院的支持下，美国西屋公司(Westinghouse Electric Corp)制造的使用基于晶闸管的SVC被投入到实际运行中。随后，世界各大电气公司都研制出了具有自己特色的系列产品。由于使用基于晶闸管的SVC具有很多优良的性能，所以十多年来一直占据了SVC市场的主要地位。因此，SVC一般专指使用了晶闸管的静止无功补偿装置。此外，SVC还包括了由TSC和TCR组成的混合型补偿器，我国武汉凤凰山至平顶山的500KV变电站所引用的就是采用的TSC+TCR型的进口无功补偿设备。目前国内外对SV
20、C的研究多集中在对其控制策略的研究上，人工神经网络控制、模糊控制和专家系统等多种智能控制手段都被引入到SVC的控制中，从而使得SVC系统的性能得到了显著的提高。世界上已投入运行的SVC系统大约150套，我国运用于500KV输电系统的也有5台，低压380KV供电系统有各类TSC型无功补偿设备在运行，但至今仍没有一套国产的SVC在我国的输变电系统中得到运行。第三种就是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置高级静止无功发生器(SVG: Static Varo Generator)，它又被称为静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator-STATCOM)，它是FACTS的
21、新一代装置，它采用可关断晶闸管(GTO)构成的自换相变流器，利用电源逆变技术提供超前或滞后的无功功率。它随着电力电子技术的广泛应用得到了进一步的发展，特别是在1976年L.Gyugyi等人提出了利用变流器进行无功补偿的理论，以及80年代以来，高功率大电流全控器件的发展而逐步出现的进行动态无功补偿的静止补偿器。1979年日本研制出第一台20Mvar的强迫自换相的桥式SVG，自从这以后，世界各国的著名电力公司都在该技术领域竟相发展。1991年和1994年日本和美国又相继研制出80Mvar和100Mvar的SVG。1995年，河南省电力局和清华大学共同研制出我国首台作为工业试验装置的300MvarS
22、VG，1999年河南省电力局和清华大学研制出了具有工业应用水平的采用GTO的20Mvar SVG，并且成功并网。目前国内外对SVG的建模、结构设计、控制模式以及不对称控制等问题做了很多相关的研究，但是还存在着许多理论和实际运用的问题等待解决。由于其控制复杂，所用的全控器件价格也非常昂贵，所以目前还没有得到普及，尤其是在我国，大功率电力电子器件目前还不能自给自足，还依赖于进口，成本还太高。但是SVG具有调节速度快速、谐波含量低、不需要大电容或大电感等储能元件等优点，它的优越性必将使SVG成为未来无功补偿装置发展的一个重要方向。美国电力研究院还提出了UPFC潮流控制器，它具有移相、串联补偿、并联补
23、偿等多种功能，但是造价非常高，控制非常复杂，目前全世界仅有美国的Inez变电站使用了这一装置。根据我国的国情，此类装置要是投入到实际运行中去还时需要很长的一段时间。而TSC装置是非常适合于在无功补偿领域中推广的，与传统的TCR相比，无论从结构还是从技术上都是比较简单的，可靠性也要更高，作为TCR的替代技术有着良好的发展前途4。1.2.2 无功补偿技术的发展趋势随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，无功补偿的发展趋势主要有以下几点：1.在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化的问题。2.
24、快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况（如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合）。随着计算机数字控制技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法，如模糊控制等。3.目前无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到晶闸管耐压水平的限制，无功补偿装置不能得到广泛的应用。因此，研制高压动态无功补偿的装置则具有重要意义，关键是解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压问题。4.由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。随着电力电子技术的发展和电力电子产品的推广应用，供电系统或负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重
25、优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段5。1.3 本文研究的主要内容本文介绍无功补偿装置，该装置分三相六路采集电压和电流信号经低通滤波送到多路开关，由A/D进行模数转换，S3C2440计算无功功率，根据电压和无功两个判别量对系统电压和无功实行综合调节，以保证电压在合格范围内，同时实现无功基本平衡。具体内容如下： 1.无功补偿的基本原理，就是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，使得能量在两种负荷之间相互交换。在补偿方式上，选用了并联电容器补偿，并联电容器是一种提供无功功率的非常经济的电力装置，并联电容器具有价格低廉、安装
26、灵活、操作简单、运行稳定、维护方便等优点6。 2.主电路的设计。以晶闸管作无触点投切开关，使用编码投切方式，实现对电容器的无过渡过程快速投切。用S3C2440进行控制，通过检测电压和无功功率，对多级电容器组进行分相投切，补偿效果快速准确、安全、洁净、易于控制。 3.硬件电路的设计。电压、电流经过低通滤波之后，送入AD637进行有效值转换，再经多路开关送入A/D转换为数字量，再由S3C2440进行数据处理。根据投切控制判据，发出相应的投切控制脉冲，对电容器进行控制，同时LED进行相应的显示。4.软件的设计，整个过程将循环不断地采集数据，显示数据，发出适宜的投切控制命令7。第2章 无功补偿的原理及
27、调节判据2.1 无功补偿原理电力系统有功功率是指电能做功消耗的功率，这部分电能转换成了动能，热能，光能和化学能等，我们可以比较容易的理解。但是电力系统无功功率并没有明确的定义。在正弦电流电路中，复功率的虚部就是无功功率，但是当电流中含有谐波时，无功功率在学术界并没有统一的定义。无功功率的供给平衡对供电系统和负荷的稳定运行是很关键的，电力系统组成元件线路，变压器的阻抗都是感性的，因此，为了输送有功功率，需要送电端和受电端的电压有一定的相位差;但是输送无功功率，则需要输送的两端有电压差。电力系统组成元件和负载都需要消耗无功功率。所以系统网络必须为网络元件和负载提供无功功率。而且不能由发电机提供这些
28、无功功率，因为这种长距离的输送无功会造成设备容量的增加，与电压的大幅降落。因此在需要在消耗无功功率的地方就地提供无功功率，这就是无功补偿。由图2-1所示的功率三角形可以看出，有功功率不变时，负载的功率因数cos越小，则负载所消耗的无功越多，如果负载的这些无功通过输电线长距离输送过来，输配电设备的容量会大量升高，还会产生电压降落。因此无功功率就应该就地平衡，根据负载的实际需要装设相应的无功补偿设备，例如电容器。在无功负荷大量增加时，投入无功补偿设备;在无功负荷降低时，为防止无功倒送，需要及时切除无功补偿设备,以保持电力系统在功率因数较高的数值下运行。无功补偿的基本原理是:把能提供容性功率的负荷与
29、能提供感性功率的负荷并联接在同一电路，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补偿。目前广泛采用的无功补偿方式是并联电容器组作为无功补偿装置。这种方法操作方便、装设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小7。图2-1 功率三角形 = (2-1) （2-2） 2.1.1 无功补偿的主要作用图2-2 无功补偿原理图由图2-2可以看出，有功功率不变，进行无功补偿后，系统无功从变成了，功率因数角从变成了，。功率因数增加。1.降低输电线路及变压器的损耗三相电路中，功率损耗的计算公式: （2-3）由此可见，当功率因数提高以后，线路功率损耗会大大下降。由于进行了无
30、功补偿，可使补偿点以前的线路中通过的无功电流变小，使线路的供电能力增加，减小损耗。增加无功补偿后会极大的减少无功功率在电网中的流动，其主要目的是降低线损，还能很好地改善电压质量8。2.改善电压质量线路中电压损失的计算公式为 （2-4）由式(2-4)可以看出，线路中电压损失与无功直接相关，在进行无功补偿后，无功功率的值会变小，因此，线路中电压损失的值也会随之减小。3.提高设备出力如图2-3所示，有功功率，当视在功率保持不变，功率因数由提高到时，有功功率P也会增加。因此增加了无功补偿图2-3 增加有功输出示意图后可以在不改变视在功率的前提下提高系统的带负载能力9。2.1.2 无功补偿电容器的容量的
31、选择电力系统无功补偿技术中，大多数都需要用到电容器，不同的技术电容器容量的选择也不同，本文首先以最基本的电容器直接补偿为例子，计算一下补偿电容容量。根据功率补偿图2-3，可以求出无功补偿容量， （2-5） (2-6) 2.2 并联电容器补偿无功补偿装置包括：电力电容器、静止无功功率发生器、有源电力滤波器，并联电容器装置（含集合式并联电容器装置）。并联电容器是一种提供无功功率的非常经济的电力装置，并联电容器以价格低廉、安装灵活、操作简单、运行稳定、维护方便受到欢迎，目前已被广泛应用于电力系统中，为提高输电和配电的效率，保持电力系统无功功率平衡发挥了很大作用。因此本次设计选择并联电容器补偿方式10
32、。并联电容补偿原理：负荷回路由阻抗及并联后再与电容并联而组成，从而形成电容的并联补偿电路，如图2-4所示。 图2-4 并联补偿电容器原理接线图它们的端电压为，负荷支路电流为，滞后于电压，功率因数角为，通过电容支路的电流超前于电压90度角，超前的电容电流补偿一部分负荷电感电流，使回路总电流超前负荷电流，如图2-5所示，从而将功率因数从提高到。 图2-5 补偿向量图并联补偿电容由于能改变负荷回路总电流的大小和方向，因而并联电容又称为移相电容器。按电容电流对负荷感性电流补偿程度的不同，并联电容补偿有三种补偿方式：(1)若小于，即0（超前于），叫过补偿。通常补偿度需达到0.81。各级电压电网采用并联电
33、容补偿的主要目的就是提高功率因数，降低线损及无功补偿和调压。若将负荷功率因数从提高到，在负荷有功不变的情况下，所需的无功补偿容量为： (2-7)并联电容补偿后节省的视在功率为： (2-8)公式(2-8)中 负荷有功功率，11。2.3 并联补偿电容器的配置原则在一个电气系统中电容器的位置确定了补偿方式。理想的补偿应用在消耗处并在任意时刻都能提供系统所需的补偿。但是在实际应用中，技术和经济因素决定了补偿的配置原则。电网的无功负荷主要是由用电设备和输变电设备引起的，除了在比较密集的供电负荷中心集中装设大、中型电容器组，便于中心电网的电压控制和稳定电网的电压质量外，在配电网络中还应采取无功功率就地平衡
34、的原则，即从减少大量无功功率的流动着手，尽量使用户的无功负荷和电网无功损失就地供应。因此，无功补偿的配置原则就是就地平衡，即哪里缺无功，并联补偿电容器就装在哪里，尽可能减少由于电网中无功的传输而产生的损耗。在实际使用中多采取集中与分散相结合的补偿方式12。2.4 调节判据的选择无功补偿的调节方法有很多，有按功率因数控制，按电压、功率因数复合控制，按电压、时间复合控制，电压和无功综合控制等。本设计选择电压和无功综合控制做为调节判据。电压和无功综合控制电压和无功综合控制是利用电压、无功两个判别量对变电所电压和无功实行综合调节，以保证电压在合格范围内，同时实现无功基本平衡。利用电压和无功构成的综合判
35、据通常规定了电压和无功的上下限，并把电压和无功平面分成9个区如图2-6所示。根据电压、无功在电压和无功平面上所处的位置建立相应的控制规则。 U 8 1 2 U上限 7 0 3 U下限 6 5 4 Q下限 Q上限- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Q图2-6 电压和无功调节边界各个区的控制规则如下：0区电压无功均合格，不调节，此区为稳定工作区。1区电压越上限，切电容。 2区电压越上限，无功越上限，控制器闭锁。3区无功越上限，投电容。 4区电压越下限，无功越上限，投电容。 5区电压越下限，投电容。6区电压越下限，无功越下限，控制器闭锁。7区无
36、功越下限，切电容。8区电压越上限，无功越下限，切电容。目前，利用微机构成的变电所电压和无功综合控制装置，基本上都是采用上述控制规则。根据上述控制规则实现的变电所电压和无功自动综合控制装置，能够根据电压和无功的性质，对电压、无功实行综合的定量调节，克服了单以电压作为调节判据所造成的无功补偿效果差的缺陷，消除了电压、功率因数作为调节判据所造成的并联补偿电容频繁误投切的现象，因此，该方案是一个较理想的变电所电压和无功自动调节的方案13。2.5 电容器组的投切对系统电压和无功的影响以集中电力负荷直接以电力线路受电为例分析电力电容器的投切对接入点系统的影响。图 2-7所示即为集中电力负荷从电力线路直接受
37、电IU2UU (a) (b) 图2-7 集中供电系统和补偿向量图的典型接线和向量图。没有接入电容器时，用户侧线路电压降U为： （2-9）式中 、 分别为负荷有功和无功功率；、分别为线路等值电阻和电抗；为线路额定电压。安装无功补偿电容器组后，线路电压降将变为: （2-10）比较式(2-9)、式(2-10)可以得到:)时，补偿后功率因数可达给定范围的上限。因此至这段功率因数对应容量，同时对应编码。只要N组电容容量比例配置恰当,从某一功率因数(设为)到给定范围的下限(设为)可构成个连续且不重复的功率因数段。它们分别对应各自的编码和容量。这些功率因数段的上下限从小到大依次排列为，每相邻两功率因数确定一功率因数段。将其对应的容量放人数组 中同时将其对应的编码依次放人数组CODE中，CODE=，编码越大所对应的容量也就越大。如果电力网最大负荷日平均有