5693948788低压电网并联电容动态无功补偿装置设计毕业论文设计.doc

辽宁科技大学 第IV 页 低压电网并联电容动态无功补偿装置设计 摘要 本论文设计了一种适用于低压电网并联电容的动态无功补偿装置，并介绍了其发展趋势及应用，可满足低压配电网基波无功补偿的快速性和实时性要求，这篇论文主要介绍了无功补偿对电网性能的改善，无功补偿装置的控制算法，以及控制器的软硬件设计原理等。分析了此装置所用的投切装置TSC主电路四种接线方式及这四种方式的特点，详细的阐述了多组电容器的自动分级投切、无功功率快速检测及晶闸管触发电路等关键问题，并提出了解决的方案。在软件方面，系统采用AT89C51单片机，该单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS 8位单片机，具有运算速度高，实时性好的特点；软件则使用汇编语言进行编译；人机操作界面采用LCD显示，显示效果较好；A/D转换采用ADC0809，是一款比较实用的A/D转换装置。该装置可跟踪电网无功功率的变化并自动补偿，实现了无功补偿装置的优化运行，具有体积小、原理简单、智能投切等优点。关键词：无功补偿；单片机；低电压Design of low voltage network parallel capacity dynamic reactive compesation devices Abstract A kind of TSC dynamic reactive power compensation device applicable for middle and low-pressure distubution network is designed, to introduce the development trend and application. It meets rapid and real-time requirement of low-pressure distribution network fundamental wave reactive power compensation. The paper mainly introduce the followed parts：the ameliorathm of reactive power compensation device and hardware and software design of the device. The characteristic of TSC main circuit four kinds of mode of connection is analyzed,and the solving method of key problems about thyristor trigger circuit, reactive power rapid detection and automatic classing of mult-group capacitors is particular represented. In the aspect of the software, this device's hardware core is AT89C51 SCM , which has many merits such as high operating speed. This monolithic integrated circuit is the low voltage which American ATMEL Corporation produces, a high performance CMOS 8 monolithic integrated circuits.The software uses the assembly language to carry on the translation. The man-machine operation contact surface uses the LCD demonstration, the demonstration effect is quite good; 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 compensation, 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 录摘要IAbstractII目 录III第一章绪论11.1课题研究背景11.2国内外对动态无功补偿的研究状况11.3无功补偿的合理配置原则和目前无功补偿的不足51.3.1无功补偿的合理配置原则51.3.2目前无功补偿的不足5第二章 TSC动态无功补偿72.1无功补偿基本概述72.1.1无功功率补偿的原理72.1.2低压无功功率补偿分类92.2晶闸管投切电容器（TSC）102.2.1基本原理102.2.2投入时刻的选取122.2.3 TSC投入的暂态过程分析132.3补偿装置所需元器件的取中142.3.1控制器的选取142.3.2投切开关的选取152.3.3电容器额定电压的确定15第三章 硬件设计163.1硬件介绍163.1.1 CPU163.1.2 A/D转换器选型183.1.3 LCD显示203.2模拟信号调理电路223.2.1互感器信号转换及电流电压转换电路223.2.2 电压、电流采样及信号处理电路243.3输出控制电路25第四章 软件设计274.1 投切原则274.2功率因数计算28第五章 结论30致 谢31参考文献32第 32 页 辽宁科技大学信息技术学院本科生毕业设计（论文） 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、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， 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 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，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、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1.3.1无功补偿的合理配置原则 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。由于配电网的先损耗占线损耗的70%左右，因而应该以分散补偿为主。1.3.2目前无功补偿的不足 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，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2.1.1无功功率补偿的原理 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，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 ，jSSQcQ1Q 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(t)的波形和U(t)相同，即电压和电流相位相同。2.1.2低压无功功率补偿分类 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，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）2.2.1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0.01 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，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。2.2.2投入时刻的选取 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。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TSC2.2.3 TSC投入的暂态过程分析 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= 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，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。2.3.1控制器的选取 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，从而控制电容器组的投切。 2.3.2投切开关的选取 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，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。（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2.3.3电容器额定电压的确定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，根据串联电抗器的电抗率不同，其额定电压应选择0.48KV或0.525KV系列的电容器产品。 第三章 硬件设计3.1硬件介绍3.1.1 CPU 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：n 与MCS51产品指令系统兼容n 4K字节可重复擦写Flash闪速存储器n 1000次擦写周期n 全静态操作：0Hz24MHzn 三级加密程序存储器n 1288字节内部RAMn 32个可编程I/O口线n 2个16位定时/计数器n 6个中断源n 可编程窜行UARTn 低功耗空闲和掉电模式管脚说明：