毕业设计低压系统动态无功补偿装置的研究.doc

华北电力大学成人教育毕业设计(论文)论文题目：低压系统动态无功补偿装置的研究 学生姓名： 郝建伟 学号 10201389 年级、专业、层次： 2010 电力 本科 函授站： 黑龙江省鸡西 二一二年七月摘 要在电力系统中，由于无功不足而给系统带来的危害不容忽视，目前低压电网的无功补偿大多采用并联电容器方式。无功补偿电容器的投切器件较多，其投切的平稳度和使用寿命也相差很大，因此投切器件的选择是非常重要的。本文在分析低压无功补偿装置各种投切开关优缺点的基础上，采用集交流接触器和固态继电器(SSR)二者优点于一身的机电一体化复合开关作为电容器的投切开关，研制一种具有无功补偿等功能的综合自动化装置。此种复合开关采用交流接触器和固态继电器并接的方式，作为电容器投切的执行元件，将电容器投切和运行的不同特性，分为暂态和稳态两个过程，在电容器投切瞬间的暂态过程中采用固态继电器，在电容器投入后和切除前的稳态过程中采用交流接触器。它既具有固态继电器过零投切、涌流小、无过电压的优点，又具有接触器主触点导通容量大、无功耗的优点。采用此种开关投切电容器，克服了纯晶闸管电子开关长期承载电容器电流时，功耗大、发热高的缺点。在控制方式上，通过分析，单一控制方式均存在着相应的缺点和不足，因此本研究采用了无功电压复合控制方式，即按无功功率控制，按电压校正，在电压正常波动范围内实现无功基本平衡。其原则是：在保证电压不越限的前提下，也就是把电网电压上限值和下限值作为控制电容器组投切的约束条件，使线路传输的无功功率最小。其控制减少了网络损耗，同时也兼顾了电压的质量。控制系统采用价格比较便宜的AT89C52单片机作为控制系统主体。装置能够实现无功功率的快速、准确补偿功能且成本较低，在低压城网和农网中具有较好的实用性以及广阔的应用前景。关键词：无功补偿；机电复合开关；单片机AbstractIn electric power system, the hazard brought by reactive power deficiency must be paid attention to. Now reactive power compensation in low-voltage network mostly employ parallel capacitors. There are many switching device of capacitors and the degree of stability and operating life of which are different, so the selection of switching device is very important. On the basis of analyzing merits and faults of various switches of low-voltage reactive compensation device, electromechanical combination switch which had the merits of AC contactor and the solid state relay (SSR) was employed, and an integrated automation device was studied, which had reactive power compensation and other functions. The actuator of capacitors is combination switch which is constituted of AC contactor and SSR, the different characters of capacitor switching and running are divided into two courses：transient state and steady state. In the course of transient state, switching SSR is employed and in the course of steady state, after putting into capacitors or before withdrawing capacitors AC contactor is employed. So the switch has the merits of SSR, such as zero switching, little inrush current and no over-voltage. It also had the merits of contactor, such as high conducting capacity of main contacts and no power consumption. Using the switch could overcome the faults of thyristor electronic switch, which when long-time bearing capacitor current, such as high power consumption and high fever.Through analyzing various control modes，single control mode all existed corresponding faults, so the research adopted voltage and reactive power compound control mode, whose controlling according to reactive power and correcting by voltage. In the normal fluctuation range of voltage it could realize reactive power balance basically. The principle is that reactive power transmission from line is minimal under the precondition and the voltage should not be over the bound, it is also said that upper limit value and lower limit value of network voltage are regarded as constraint condition that controlling the switching of capacitors. This control mode could reduce the loss of the network and paid attention to the quality of voltage at the same time.AT89C52 is a sort of cheap Single Chip Microcomputer and was applied to control system as the main part of reactive power compensation device. This device could rapidly and accurately compensate reactive power and the cost of it is not very high, so it has a good practicability and wide application foreground in low-voltage city network and country network.Key words：reactive power compensation；electromechanical combination switch；Single Chip Microcomputer目录摘 要IAbstractII目录III1 引言11.1 研究的目的和意义11.1.1动态无功补偿的目的11.1.2低压动态无功补偿的意义11.2 国内外研究的动态和趋势21.2.1国内外发展现状及特点分析21.2.2无功补偿技术的发展趋势22 无功补偿理论的研究42.1 无功补偿原理及意义42.1.1无功补偿的原理42.1.2无功补偿的意义52.2 无功补偿方式的介绍52.2.1集中补偿62.2.2分组补偿62.2.3就地补偿72.3 无功补偿电容器部分72.3.1电容器的接线方式72.3.2电容器的分组方式93无功补偿投切判据分析103.1功率因数的投切判据103.2无功功率投切判据103.3复合投切判据104 投切开关的选用114.1普通交流接触器114.2晶闸管电子开关114.3固态继电器115 控制系统的硬件设计135.1系统硬件总体结构设计135.2系统硬件的各部分组成及功能145.2.1电源电路145.2.2电压和电流测量及转换电路155.2.3功率因数角测量电路155.2.4复位电路195.2.5显示电路205.2.6驱动电路205.3 硬件的抗干扰设计215.3.1 A/D转换电路的抗干扰215.3.2“看门狗”（WDT）216 控制系统的软件设计226.1主程序结构226.2 控制算法程序226.3 电容器组的投切控制237 结论26参考文献28致谢29 1 前言1.1 研究的目的和意义1.1.1动态无功补偿的目的在具有电感和电容的交流电路中，电感的磁场或电容的电场在一个周期的一部分时间内从电源吸收能量，另一部分时间内将能量返回电源，在整个周期内平均功率为零，也就是没有能量消耗，但能量是在电源和电感或电容之间来回交换的，能量交换率的最大值叫做无功功率。无功功率在电气技术领域是个必不可少的重要物理量。变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，这正是无功功率交换的规律。无功功率表示有能量交换，但不消耗功率，用以在电气设备中建立和维持磁场，完成电磁能量的相互转换，为系统提供电压支撑，是保证电力系统电能质量、降低网络损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分。如出现电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时还会出现系统电压崩溃和稳定破坏事故。1在电网中，不仅大多数网络元件需要消耗无功功率，而且大多数用户负荷也要消耗无功功率。如变压器、大量感应式电动机、冰箱、空调、电风扇等设备，不仅吸收有功，同时需吸收无功，以产生维持正常工作时所必须的交变磁场。近年来，随着电力系统和现代工业交通技术的发展，大量诸如炼钢电弧炉、电气化轨道、可逆式大型轧钢机等动态变化的非线性负荷在电力系统中得到应用，这类负荷的特点是有功功率与无功功功率随时间作快速变化，导致供电电压的波动和闪变、波形畸变、功率因数恶化及不平衡负荷引起三相供电电压的动态不平衡，以并联电容器为代表的传统静态无功功率补偿装置已不能胜任，需要发展能对无功功率进行快速跟踪补偿的动态无功功率补偿装置。161.1.2低压动态无功补偿的意义低压无功动态补偿装置是一种技术先进、性能优良、运行可靠的动态无功补偿装置，它具有高效节能、优化电能质量、无功补偿迅速、可分相补偿、显著提高电网功率因数等特点。对提高功率因数、改善电压调整、减少电压波动、减少线路损耗、降低配电线路的成本有着重要的意义。2另外，对供电部门而言，可以提高发配电设备的供电能力使得设备得以充分利用；减少输、变、配电设备的电流，降低电能在输送过程中的损失；降低电力系统的电压损失，减小电压波动改善电能质量。而对于用户而言，可增加供用电设备（如变压器）的出力，挖掘现有设备的潜力，节省供配电设备的投资；抑制电压闪变，提高电压质量，防止电压波动而影响产品加工质量；减小电费，防止因功率因数过低招致供电部门罚款，降低生产成本。因此，在低压电网中推广使用本装置对供电部门和广大用户来讲都具有显著的经济效益，必将有助于电网运行经济性与可靠性的提高，为城乡电网传统的改造做出贡献。1.2 国内外研究的动态和趋势1.2.1国内外发展现状及特点分析目前，国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术。就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿(如风机、水泵等)，其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。同步发电机、同步调相机、静止无功补偿装置和无功发生器是几种常用的补偿装置。同步发电机是唯一的有功电源，同时又是最基本的无功电源装置。它容量大，调节也最方便。但是，发电机应严格地按照有功功率无功功率（P-Q）极限曲线运行，不得越出曲线范围。同步调相机是一种特制的同步电动机，专门用于补偿无功功率。过励磁时，向系统提供感性无功功率，起无功电源作用；欠励磁时，从系统吸收感性无功功率，起无功负荷作用。同步调相机虽然能进行动态补偿，但它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，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，近年来已逐渐退出电网，通常只在需要大容量的无功功率补偿时才装设同步调相机。3静止补偿器(Static Var CompensatorSVC)是指其输出随电力系统特定的控制参数而变化的并联连接的静止无功功率发生装置或无功功率吸收装置。它的补充过程是动态的，可频繁的调节和投切，动作速度是毫秒级的，远比机械设备的动作速度要快，主要针对缓慢变化无功功率分量的补偿，但需大量的储能元件（如大电感、大电容），目前已广泛用于输电系统、工业网系统。现今的SVC的类型有晶闸管投切电容器（Thyristor Switched CapacitorTSC）、晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）、晶闸管控制高阻抗变压器型（Thristor Control TransformerTCT）和饱和电抗器（Saturation ReactorSR），基本类型是TCR和TSC。10静止无功发生器(Static Var GeneratorSVG)又称静止同步补偿器(STATCOM)，是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行发生和吸收无功功率的无功功率动态补偿装置。SVG将换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功功率，实现集动态补偿感性无功功率和容性无功功率于一身，且能够动态补偿大范围快速变化的瞬时无功功率。因此，其输出功能非常优越，可以实现三大功能：在稳定状态下，维持系统电压不变，或按要求调压；在稳定状态下，维持系统某处的无功功率最小或按经济等要求调节无功功率量；在动态或暂态下，按系统稳定性的要求，调节无功功率量以提高稳定极限或抑制某个方式的振荡。4 1.2.2无功补偿技术的发展趋势 随着电子技术的发展，在上世纪90年代中期，应用晶闸管取代交流接触器控制电容器的投切，这大大提高了对无功需求变化的动态响应，使电容无功补偿装置对变化大且变化速度快的负荷得以较好的应用。14近几年来，结合有触点装置和无触点装置各自的优势，混合型控制投切电容器的无功补偿装置被逐渐采用，但也只能进行分级断续补偿。SVG彻底摆脱了依靠电容器提供无功功率的传统模式，其主电路直流侧仅靠较小容量的电容器维持电压，其调节速度更快，运行范围宽，而且采用多重化，多电子或脉宽调制PWM等措施。可大大减少补偿电流中的谐波分量。更重要的是SVG技术的电抗器的电容元件远比电容器投切无功补偿装置中同类元件少，这将大大缩小装置的体积和成本，是动态无功补偿装置的发展方向。正由于以上优点，因而SVG作为一种新型的无功功率补偿调节装置，已经成为现代无功功率补偿装置的发展方向，成为国内外电力系统行业的重点研究方向之一。5由于SVG控制方法和控制系统远比晶闸管投切电容无功补偿系统复杂，SVG要使用较多的大容量全控型元件，其价格远比普通晶闸管昂贵，因此该技术尚未步入应用推广阶段，其技术优势还有待于电子元器件性能的提高和制造成本的下降才得以发展。62 无功补偿理论的研究2.1 无功补偿原理及意义2.1.1 无功补偿的原理在交流电路中，由电源供给负载的功率有两种，一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。而无功功率的定义是：在具有电感和电容的交流电路中，电感的磁场或电容的电场在一个周期的一部分时间内从电源吸收能量，另一部分时间内将能量返回电源，在整个周期内平均功率为零，也就是没有能量消耗，但能量是在电源和电感或电容之间来回交换的，能量交换率的最大值叫做无功功率。16在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。一般情况下电网供给的感性无功功率远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些容性负载产生容性无功来补充感性无功，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。无功补偿的基本原理是：把具有容性负荷的装置与感性负荷并联接在同一电路中，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，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，从而保证用电设备的正常运行。7无功功率补偿的原理可用图2-1来解释。设感性负荷从电源吸收的无功功率为，安装无功功率补偿装置后，补偿无功功率为，使电源输出的无功功率减少为，功率因数由提高到，视在功率减少到。) 图2-1 无功功率补偿原理图 2.1.2 无功补偿的意义2.1.2.1 提高功率因数降低能量损耗电源输出的视在功率,若进行恰当的无功补偿，则电源输出的无功功率减小；当有功功率一定时，电源输出的视在功率相应减小。所以功率因数会增大。电能损耗为（为元件电压，为元件总电阻），当电源输出的有功功率和电压不变时，电能损耗与功率因数的平方成反比，即功率因数提高，元件电能损耗减少。由以上分析可知：在受电端安装合适的无功补偿装置，可提高功率因数，减少网络的有功损耗，降低电能损耗。2.1.2.2 改善用户电压质量在线路中，电压损失，从公式可看出：电压损失与无功功率成正比，在线路传输的有功功率一定的条件下，通过无功补偿，减少线路传送的无功功率，可减少电压损失，由此改善了用户的电压质量。2.1.2.3 提高电网运行的安全性随着负荷的不断增加，系统所需无功功率也会不断增加，甚至可能造成局部地区无功严重不足。由于系统结构日趋复杂，当系统受到干扰时，就可能在电压稳定性薄弱的环节导致电压崩溃。电力系统无功潮流的分布是否合理，直接影响电网自身运行的安全性，解决好配电网络无功补偿的问题，可提高电网运行的安全性。82.2 无功补偿方式的介绍电容器的补偿容量与采用的补偿方式、未补偿时的负载情况、电容器接法有关。补偿方式不同，补偿容量的计算公式也不相同。按电容器安装的位置不同，低压电网利用并联电容器进行无功补偿的方式有三种：集中补偿、分散补偿（分组补偿）和就地补偿（单机补偿）。低压无功补偿的三种方式如图2-2所示。图2-2 低压无功补偿装设方式2.2.1 集中补偿这种补偿方式是将电容器装设在用户专用变电所或配电室的低压母线上，如图2-2的所示。低压集中补偿方式适用于线路末端负荷波动幅度不大、基荷所占比重较大、负荷容量较大、地点集中的场合。17集中补偿的优点是：1）可以就地补偿变压器的无功功率损耗，由于减少了变压器的无功电流，相应地减少了变压器的容量，也就是说，可以增加变压器所带的有功负荷；2）可以补偿变电所以上输电线路的功率损耗；3）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；4）便于集中控制。其缺点是：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网络损耗，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损耗。电容器接法不同，每相所需容量不同。设电网线电压额定值为，当电容器为星形连接时：当电容器为三角形连接时：2.2.2 分组补偿这种补偿方式是将电容器组按低压配电网的无功负荷分布分组装设在相应的母线上，或者直接与低压干线相联接,形成低压电网内部的多组分散补偿方式,如图2-2中所示。分组补偿的优点：1)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；2）分组电容器的投切随总的负荷水平而变化，其利用率较单台补偿高，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,运行中可能出现过补偿或欠补偿；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方式麻烦很多,且分组补偿时用户变压器消耗的无功功率必须由车间电容器组向上倒送或由电网输送。通常分组补偿容量计算与集中补偿一样。2.2.3 就地补偿这种方法是就地补偿用电设备(主要是电动机)所消耗的无功功率,将电容器组直接装设在用电设备旁边,如图2-2中所示。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,能获得明显的降损效益。就地补偿的特点是：当大中型异步电动机比重较大、利用小时又较多时,这种补偿方式的降损节电效果非常显著。但是这种方式只能作为辅助补偿方式来应用,而且因是逐台补偿,会使补偿容量增大,从而使补偿装置的总投资增大。112.3 无功补偿电容器部分2.3.1电容器的接线方式电容器接线方式的不同，决定了补偿方式的不同。目前电容器组的接线方式有3种，分别是三角形接法（接法）、星形接法（Y接法）、三角形和星形相结合接法（Y接法）。相应的补偿方式为三相共补、三相分补、三相共补与三相分补相结合。三角形接法的优点是投资少、控制方便，缺点是补偿精度差，在三相负载不平衡时，容易出现有的相过补或者有的相补偿不充分，所以三角形接法主要用于三相对称性负荷；星形接法是根据每相的无功功率进行补偿，因此不会造成无功过补，但装置造价要比三角形接线高得多，控制也相对复杂；三角形和星形相结合的接法综合了以上两种接法，在补偿方式上既有共补又有分补。18（1）传统的低压补偿都是采用三相共补的方式，根据控制器统一取样，各相投入相同的补偿容量，这种补偿方式的接线如图2-3所示。适用于三相负载基本平衡、各相负载的cos相近的网络。（2）三相分补方式就是各相分别取样、各相分别投入不同的补偿容量，其接线方式如图2-4所示，适用于各相负载相差较大、cos值也有较大差别的场合。（3）Y共补与分补相结合的接线，从经济的角度出发，也可以采用电容器Y接线，三相共补与三相分补相结合的接线方案如图2-5所示。三相共补部分的电容器为接线，三相分补部分的电容器为Y接线。 图2-3并联电容器三相共补的接线图2-3并联电容器三相共补的接线 图2-4并联电容器三相分补的接线 图2-5并联电容器三相共补与分补相结合的接线2.3.2电容器的分组方式目前，电力网中的负荷大部分是感性负载，因此，在电网中安装并联电容器可以供给感性电抗消耗的部分无功功率。并联电容器补偿简单经济，灵活方便。但电容器不分组方式只能补偿固定无功，容易造成过补或欠补，无法满足电力系统的实际需要。而当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备，如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等，这就要求补偿装置能够根据负荷的变化进行动态补偿。因此，采用对电容器分组，利用微机进行控制，根据负荷无功功率的变化，对电容器组进行自动投切，以实现对无功功率的动态补偿。21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，缺点是控制比较复杂。本课题中的电容器分组方式采用了按照8:4:2:1分组原则不等容的分为4组，通过4组电容器可实现15级组合的控制, 根据负载的变化快速自动投入必要的补偿量以提高静态补偿精度，同时也节省了电容器投切开关的数量，即降低了成本。3无功补偿投切判据分析3.1功率因数的投切判据以功率因数作为投切判据是电网无功控制的传统方法之一，然而功率因数并不能准确反映电网中负荷的无功分量大小，往往造成电网重载时补偿不充分，轻载时容易产生投切振荡。3.2无功功率投切判据以无功功率作为投切判据的控制方式检测电网中的、和而以功率因数作为投切判据的控制方式只检测。显然，以无功功率作为投切判据的控制方式更加真实全面的采样了电网的无功功率，可以做到检测量和控制目标一致，实现无功平衡和电容器组的一次投切到位，避免了反复试投切对电网和电容器的影响。3.3复合投切判据以无功功率作为投切判据，虽然可以克服功率因数作为投切判据时的缺点，但都为单一判据，仅以减少网络损耗为目的。为了控制更为精确合理，可采用电压无功复合投切判据，对电压、无功进行综合调节。这种控制方式不仅减少了网络损耗，而且还兼顾到电压质量。134 投切开关的选用无功补偿电容器的投切器件较多，其投切的平稳度和使用寿命也相差很大，目前主要采用普通交流器、晶闸管电子开关和复合开关等几种不同形式，下面分别加以说明。4.1普通交流接触器早期无功补偿电容器的投切开关采用交流接触器，开关工作频率低，由于它不能快速跟踪无功负荷的快速变化，常造成过补或欠补；接触器三相触头只能一起进行通断控制，不能分别选择各相的投入相角，因而每次投切电容器组时都会产生巨大的冲击电流，以及触头处产生的电弧，对电网造成干扰，而且容易烧损接触器触头，使其在使用寿命及可靠性受到很大的影响，目前已经多被晶闸管电力电子开关所取代。4.2晶闸管电子开关要提高无功补偿装置的使用寿命和投切稳定性，必须彻底解决电容器投切时产生的涌流、过压和分断电弧过大等问题。利用晶闸管实现电压过零投入、电流过零切除、开关无触点、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，因而较好地解决了电容器投切时产生的暂态冲击现象。4.3固态继电器固态继电器（SSR）将晶闸管及其触发电路和逻辑控制电路封装成一体，同时具备零电压开通、零电流关断的特性，因而将其用于低压电容器的投切，可大大减小装置体积，提高装置的可靠性。但是，同晶闸管开关一样，由于其导通后存在的管压降较大，因此运行时的损耗和发热问题不容忽视；并且其本身也是谐波源，大量的应用对低压电网波形不利，致使无功补偿装置不能稳定的工作。这就限制了它在电容投切领域的进一步推广。因此在我国此类装置并没有在实际中得到广泛应用。所以对于SSR具有的独特性能，必须正确的理解和谨慎使用，方能发挥其独特的作用，并确保SSR无故障的工作。目前，采用晶闸管投切电容器（TSC）的无功补偿装置已得到了较多的应用。但晶闸管元件最明显的缺点是在导通状态下有较大的管压降，这不仅存在一定的功率损耗，还产生了很高的温升，需要使用轴流风扇和体积较大的专用散热器，来解决其通风散热问题，同时还需使用温控开关来控制轴流风扇的适时启动。由于轴流风扇是具有机械旋转运动的易损器件，存在着一定的不可靠性，风扇一旦停止运转，就会影响装置的正常运行，因此降低了TSC无功补偿装置的可靠性。19由此可见，采用晶闸管作为电容器的投切装置，虽然解决了电容器投切过程中的涌流、过压、分断电弧等问题，但其自身也存在着明显不足，如散热器体积大、冷却风扇易损坏、需外加温控开关和触发电路等辅助器件、结构复杂等。由于0.4kV级的低压无功补偿装置安装地点分散、数量多、运行和维护的工作量大，因此，在无功补偿装置的选用中，晶闸管电容投切装置所暴露的缺陷已不容忽视。选用可靠性更高、使用寿命更长的免维护型电容器投切装置，是达到良好补偿效果、降低运行和维护费用、实现高效、节能、安全、经济运行的重要问题。通过以上分析，单独使用交流接触器或是电力电子开关都有其相应的优点和不容忽视的缺点。为了使低压无功补偿装置的性能更加完善，研究采用集交流接触器和固态继电器二者优点于一身的机电一体化复合开关作为电容器的投切开关。其设计思想是：将电容器投切和运行的不同特性，分为暂态和稳态两个过程，分别采用不同特性的器件进行控制，即：利用固态继电器的易控和无触点特性，使固态继电器工作在电容器投切瞬间的暂态过程中，起到抑制涌流、过压和拉弧现象等的作用，并能实现快速投切。利用交流接触器在可靠闭合时，其主触点接触电阻小、导通容量大、压降小、功耗小、工作安全可靠等特性，使其工作在电容器投入后和切除前的稳态过程中，起到电容器向电网提供无功能量的主通道作用。 5 控制系统的硬件设计5.1系统硬件总体结构设计由于控制系统以无功功率作为主要的检测及控制目标，而无功功率的计算方式为,据此，控制系统设计了电压、电流以及功率因数的测量电路，无功功率可由测得的电压值、电流值以及功率因数值由计算得到。控制系统依据计算得到的无功缺额控制相应电容器组的投切，投切指令有单片机I/O口输出给复合开关。无功补偿装置控制系统的硬件原理结构框图如图5-1、图5-2所示。 5.2系统硬件的各部分组成及功能5.2.1 电源电路本装置的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件7805和7812进行设计。并且所有的集成稳压芯片均装有充分裕量的散热片。9为了防止产生对单片机的干扰，需对模拟电路和数字电路进行独立供电，因此电源电路设计输出两路+5V稳压电源，同时主电路的开关元件为交流接触器和固态继电器并联构成的复合开关，固态继电器直流侧的供电电源可选为+5V。由于固态继电器内部带有光耦，其直流侧与交流侧相互隔离，因此其直流侧的供电电源可与数字电路的+5V电源共用。+12V电源供给用于控制交流接触器线圈的小型控制继电器。系统的供电电源电路如图5-3。 电压测量变换器电流测量变换器功率因数角的测量电路单 片 机键盘接口电路LED显示驱动电路复合开关模数转换驱动电路图5-1 低压动态无功补偿装置的系统结构框图 图5-2 系统硬件电路图图5-3 系统电源电路5.2.2电压和电流测量及转换电路交流电压量、电流量分别经电压互感器、电流互感器变换成适用于微机处理的弱信号,然后经整流滤波电路把交流量变换为直流量以便进行A/D转换,A/D转换电路再把模拟量转换为数字量送入CPU。本系统中的A/D转换器采用TLC2543芯片，它是TI公司生产的12位开关电容型逐次逼近模数转换器，具有三个控制输入端：片选端（）、输入/输出时钟端（I/O CLOCK）以及串行数据输入端（DATA INPUT），其简单的3线SPI串行接口可以非常容易地与微处理器进行通信，11路输入通道可采集11路模拟信号，是12位数据采集系统的低成本方案。由于TLC2543是电压输入的，因此在两路输入中，电压可以直接输入，而电流要在输入处接一适当电阻，使其转换成电压再输入。当A/D转换器的输入电压有超过它的最高输入电压时，就会损坏A/D转换芯片，因此我们在它的输入端接上对地5.1V的稳压管，这样，当有高于基准电压的输入电压出现时，利用稳压管可以把它稳定在正常范围之内。20TLC2543的I/O时钟、数据输入、片选（）由引脚P1.0、P1.1、P1.2提供，TLC2543的转换结果数据通过P1.3脚接收，每根线用光耦隔离，采用75451驱动器（两个双输入与门）。这种采样电路精度高，硬件电路简单，并使模拟部分与数字部分实现了完全隔离。模拟量采集电路以及A/D转换电路分别如图5-4和图5-5所示。图5-4 模拟量采集电路图5-5 A/D转换电路5.2.3功率因数角测量电路本研究利用电网三相电压、电流间的相位角关系，通过对来自负荷电网中的A、C两相之间的线电压（）和相电流（）进行采样，检测相邻的两个方波的上升沿的时间差，来确定功率因数以及功率因数的超前滞后情况，从而得到三相电网的功率因数值。由于电力系统中三相负载不平衡，因此，此种测量方式可以真实的反映三相功率因数值。设线电压和相电流之间的夹角为（为线电压滞后相电流的角度），随功率因数角的变化而变化，二者之间存在着对应关系。我们通过与之间对应关系的矢量图来分析。如图5-6所示。阻性 感性 容性 图5-6 角与角间的对应关系从图5-6中很容易看出：负载为阻性时：=00，=900；负载为感性时：00900，00900；负载为容性时：-90000，9001800 采用的功率因数的测量电路如图5-7所示。在图5-7中，和的采样信号经LM339进行上升沿过零触发后，得到反映相位的方波信号u1和u2，u1和u2异或后得到方波信号u3，u3的脉宽为。当负载分别为纯阻性负载、容性负载和感性负载时，可以得到如图5-8所示的一组波形，图中感性负载时取，容性负载时取。图5-7 功率因数测量电路图5-8 线电压uCA与相电流iB的波形图uCAiBu1纯阻性负载时u2u3u2u3u2u3感性容性纯阻性