低压动态无功补偿装置设计-本科毕业论文.pdf

湖南工程学院本科毕业论文-设计(论文)题目：_低压动态无功补偿装置的设计_姓名 系别专业 电气工程及其自动化 班级_学号指导老师 教研室主任一、基本任务及要求：在规定时间内，完成以下工作:1.整体方案的确定;2.主电路设计、元器件选择;3.装置工艺设计：画出布置图和电气接线图;4.装置调试与实验：写出调试和实验报告。5.提交设计说明书和图纸。二、进度安排及完成时间：(1)第二周至第四周：查阅资料、撰写文献综述和开题报告;(2)第五周至第六周：毕业实习；(3)第六周至第七周：总体方案的确定；(4)第八周至十周：主电路设计与元器件的选择；(5)第十一周至第十四周：装置工艺设计；(6)第十五周至第十六周：装置调试与实验；(7)第十七周至第十九周：撰写设计说明书(8)第二十周：毕业设计答辩_1-刖 百近年来，随着电力工业的发展和城乡电网改造工程的实施，无功补偿装置已在 电力系统得到广泛应用，无功电源与有功电源一样是维护电力系统稳定，保证电能 质量和安全运行必不可少的。优化低压配网的无功补偿，已成为保证低压电网安全 经济运行不可缺少的重要环节。由于原来应川较广的低压无功补偿装置的传统产品 已难以满足优化补偿及节能的要求，为此需研制新型的无功补偿装置。目前，高压电网的无功补偿装置，大多数采用计算机控制技术和较先进的无功 判别方法，补偿效果显著，取得了可观的经济和社会效益，而低压电网无功补偿装 置与高压电网的无功补偿装置相比，无论在性能上、技术上都远不如高压电网无功 补偿装置，并且补偿效果较差，甚至许多低压线路不进行无功补偿，造成了很大的 浪费。近年来，在城乡电网改造的实施过程中，低压动态无功补偿装置的设计有了 重大的改进和突破，取得了满意的运行效果。对提高供电电压质量，挖掘供电设备 的潜力、降低线路损失及节约均起到积极的作用。本课题来源于湖南省第一批产业开发项目，旨在研究低压动态无功补偿控制技 术和设计具体地装置。本设计低压动态无功补偿装置以电力电容器作为无功补偿器件，以晶闸管为电 力电容器的投切开关，以单片微机为控制器，通过无功电量检测电路和晶闸管触发 电路以及人机接口构成控制系统。分析了该装置的主电路特点,介绍了主接线方案、补偿方式的选择，电容器投切判据、信号检测、零电压投入以及晶闸管触发电路等 关键问题的解决方案，主电路、控制系统的硬件软件设计。初步的总体思路如下：总体方案的确定；主电路设计与元器件选择；控制系统 硬件部分的设计；控制系统软件部分的设计；装置工艺设计：画出布置图和电气接 线图；装置调试与实验：写出调试和实验报告。通过本次设计，培养学生的自学能力、调试能力、分析问题、解决问题的能力,培养学习设计计算以及利用已掌握的知识分析问题的能力。了解低压动态无功补偿 控制技术的发展、技术动向和新的应用领域，明确本次设计的内容、性质和基本要 求。目录摘要.Abstract.第1章绪论.1.1 无功补偿的意义.1.2 无功补偿的作用.1.3 无功补偿技术发展状况.131传统无功补偿装置1.3.2无功补偿技术的发展一第2章总体方案.2.1 总体方案介绍.2.1.1 主要技术要求.2.1.2 原理框图.2.1.3 概述系统.2.2 系统主要特点.2.3 系统关键问题.2.4 系统关键技术.2.4.1 无功补偿原理及无功检测2.4.2 零电压投入.第3章 主电路设计与元器件选择一3.1 主电路设计.3.1.1 投切元件选择.3.1.2 电容器接线方式的选择3.1.3 主电路选择问题.3.1.4 主电路上既述.3.1.5 主电路图.3.2 元器件的选择.3.2.1 电容器组的确定.3.2.2 晶闸管的选择.3.2.3 快速熔断器选择.3.2.4 氧化锌避雷器选择3.2.5 断路器选择.326刀开关选择.3.2.7 电抗器的选择.328互感器选择.第4章 控制系统硬件部分设计4.1 控制电路总体设计.4.2 控制器设计.4.2.1 单片机的选择.111-2-2-2-5-5-5-5-5-6-6-7-7-o-1-1-1-1-3-3-3-3-3-4-4-5-6-6-6-7-8-8-8-9_ -1A-1X 11 1A 1A 1A 1A 11 1A 1X 1A 1A 1A 1A 1A.-1X 1A4.2.2 存储器的扩展.204.2.3 键盘输入电路.214.2.4 LCD显示电路.254.2.5 RS-485 通信接口.264.3 数据采集电路设计.274.3.1 电压、电流测量电路.274.3.2 交流采样电路.284.3.3 电网频率测量电路.314.4 触发电路设计.344.4.1 触发电路的基本原理.344.4.2 触发脉冲的形成.344.4.3 同步电压检测与数字锁相电路.364.4.4 晶闸管零电压触发电路.364.4.5 确定补偿容量.374.5 串行时钟电路.384.6 数据存储电路.394.7 控制方式.40第5章 控制系统软件部分设计.415.1 控制系统软件结构.41第6章抗干扰技术.436.1 复位电路设计.436.2 RAM数据掉电保护.446.3 指令冗余技术.446.4 Watchdog 电路.456.5 静电放电干扰抑制.456.6 漏电干扰抑制.46结束语.47参考文献.48致谢.50附录A主电路图.51低压动态无功补偿装置设计摘 要：综述了电力系统无功补偿技术的发展现状。针对无功功率和谐波引起的 电网质量下降及接触器投切补偿电容器存在的不足，研制了一种新型晶闸管投切电 容器TSC动态无功补偿装置，采用80196KB单片机系统作为控制器的核心。从无 功补偿原理出发，建立电容器自动补偿的最优控制方法，并且采用晶闸管无触点开 关实现电容器组的快速自动投切,它通过检测晶闸管无触点开关两端电压为零作为 触发的必备条件，具有硬件闭锁保护，避免了误触发造成的冲击电流损坏元件，并 且不会产生无功倒送。关键词：晶闸管；低压动态无功补偿；单片机控制；电容器投切；零电压触发Design of Low-voltage Dynamic Reactive Power Compensation DeviceABSTRACT:The present status of reactive power compensation technique in electric power industry is reviewed.Reactive power and harmonic will decrease power network quality and compensators with contact switch have some drawback,one new thyristor switching capacitor equipment for reactive power compensation are introduced,the 80196KB single-chip microcomputer is adopted as the core of the controller.Based on the reactive compensation theorem,an optimal control method for automatic capacitor compensation is set up.The thyristors are applied fbr the fest automatic contactless switching of capacitor sets.It detects the voltage across the SCR and takes zero voltage as its necessary condition of triggering.The hardware locking protection avoids the over compensation and the component damage by rush current from improper triggering.Keywords:Thyristor;Low-voltage dynamic reactive power compensation;Single microcomputer control;Controller;Switching of capacitor;Voltage-zero第1章绪论1.1 无功补偿的意义电力系统的各节点无功功率平衡决定了电压水平，由于用户中存在着大量无功 功率频繁变化的设备；同时，用户中又有大量的对系统电压稳定性有高要求的精密 设备如计算机，医用设备等，因此需要对系统的无功功率进行补偿。近两三年来，由于全国电力紧张，电力市场的开放和电力用户对电能质量的提 高，电力系统运行的经济性已经引起高度重视。无功功率是电力系统一种不可缺少 的功率。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。同时，无功功率的不合理分配，也将 造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。无功功率是电力 系统一种不可缺少的功率。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提 供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。同时，无功功率 的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。发电机提供的无功功率相对负荷和网络对无功功率的需求来说远远不够，仅仅 依靠发电机提供无功功率也是极不经济的。须利用各种无功功率补偿（以下简称无 功补偿）设备在电力系统的各个环节进行无功补偿。因此，无功补偿是电力系统的 重要组成部分，它是保证电能质量和实现电力系统经济运行的基本手段。随着微机控制技术和功率半导体器件的发展，用微机进行实时检测、跟踪负荷的无功功率 的变化并自动控制补偿电路的投切，可以实现准确，快速的动态无功补偿，从而达到降低配电 线路的线损、改善电网供电质量的目的。低压电力用户量大而广，其负荷的功率因数又 大都比较低，因此在低压电网中进行无功功率的就地补偿是整个电力系统无功补偿 的重要环节。低压动态无功补偿装置将极大的提高了电网的经济效益，为改善人民物 质生活起着极为重要的作用。1.2 无功补偿的作用静止无功补偿装对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下的 功能：对动态无功负荷的功率因数校正；改善电压调整；提高电力系统的静态和动 态稳定性，阻尼功率振荡；降低过电压；减少电压闪变；阻尼次同步振荡；减少电 压和电流的不平衡。以上这些功能虽然是相互关联的，但实际的静止无功补偿装置往往只能以其中 某一条或某几条为直接控制目标，其控制策略也因此而不同。这些功能有的属于对 一个或几个在一起的负载的补偿效果，有的则以整个输电系统性能的改善和传输能 力的提高为目标，而改善电压调整，提高电压的稳定度。不同应用场合，对补偿装 置容量的要求也不一样。1.3 无功补偿技术发展状况1.3.1 传统无功补偿装置低压无功补偿的传统模式主要有以下几种：(1)装于低压电动机的单台就地补偿；(2)装于配电变压器低压侧的补偿箱；(3)装于企业配电房或车间及高层建筑楼层配电间的自动补偿柜。传统的无功补偿装置是通过控制交流接触器或空气开关实现电容器组的投切，从技术原理上讲它不适合作为投切电容器的开关，因为交流接触器无法实现按相位 角瞬时投入、切除电容器，同时交流接触器的触头动作次数有限，不适合频繁投切 电容。往往存在不足，如下：(1)接触器或空气开关固有的缺陷会在合闸过程中存在弹跳、涌流冲击、电 弧重燃及开闸过压等危险，从而造成开关损坏和电容器击穿等情况；(2)无法实现按相位角瞬时投入、切除电容器，当电容器上的残压与电网电 压不一致时，投切将产生很大的冲击电流、拉弧过电压等；(3)触头动作时间有限，不适于频繁投切电容；(4)机械开关动作速度慢，难以实现动态无功补偿。(5)无法实现分相投切，无功补偿的优化运行，在三相不平衡时达不到补偿 效果，可能出现过补偿，尤其是在午夜后电压较高时向电网返送无功功率，引起电 压质量问题。(6)电容器投切判据单一，常根据以下五种方法之一来对电容器投切：电网 电压高低、无功功率方向、功率因数大小、负荷电流大小、昼夜时间划分。这些投 切方式无法实现最优化补偿，有时出现过补偿。以功率因数作为投切判据的无功补 偿装置，在小负荷情况下会出现投切振荡。1.3.2无功补偿技术的发展1.3.2.1 新型无功补偿技术晶闸管可作为理想的无触点投切开关，利用先进的相位触发技术通过晶闸管可 实现对电容器的无过度过程快速投切，随着现代电力电子技术的迅速发展，大功率 晶闸管器件性能价格比有较大的提高，特别是晶闸管器件生产技术条件的国产化巳 益成熟，为晶闸管投切电容器在我国的实用化推广应用提供了器件上的可靠保障,采用电力电子开关技术和微机控制技术有以下优点：(1)可实现零电压投切，从而克服用机械开关所无法解决的巨大涌流冲击问 题，无开闸过电压，无电弧重燃，不受投切次数限制，可以频繁投切。(2)可实现分相投切，以改善低压电网三相不平衡性，实现优化补偿。(3)可实现缺相、过电压、欠电压、过电流、短路等微机保护功能。(4)能实时跟踪无功负荷的变化，通过连续快速地投切电容器，获得最佳补 偿效果。1.3.2.2 新型无功补偿装置低压动态无功补偿装置是一种用晶闸管作为无触点开关进行电容器投切的快 速动态无功补偿装置。适用于电力、冶金、化工、交通等行业中三相平衡负载的场 合，对于电动机等电感性设备进行无功功率的实时监测和瞬时就地补偿。特别是该 装置可良好的适用于轧钢、吊车等冲击性负载系统当中。早期的无功补偿装置的典型代表是同步调相机。同步调相机能进行动态的无功 补偿，至今在无功补偿领域中还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还 有所改善。但同步调相机是一种旋转的机械，其损耗、噪声都很大，它正被静止无 功补偿装置(SVC)所取代。静止无功补偿装置是以电力电子器件为无功器件的控 制或开关器件的动态无功补偿装置。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良 的性能，近年来发展很快，且采川并联电容器进行无功补偿有一系列的优点，因而 在电力系统的无功补偿中获得广泛应用。自20世纪80年代以来，在世界范围内其 市场一直在迅速而稳定地增长，已占据静止无功补偿装置的主导地位。SVC主要 有晶闸管控制电抗器TCR,晶闸管开关电容器TSC。比SVC更先进的无功补偿装 置是静止无功发生器。TSC是一种动态无功补偿装置，可解决电容器组频繁投切的问题，两个反并 联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，审联的小电抗器用于抑制电容 器投入电网运行时可能产生的冲击电流。TSC的关键技术问题是投切电容器时刻 的选取，TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得够细，可实现无级调节。电力负荷是随时变化的，所需要的无功功率也是随时变化的，为 了维持无功平衡，要求无功补偿设备实行动态补偿。所谓“动态”是指无功补偿装 置快速地跟综负荷变化，即当无功负荷增大时，将电容器投入，当无功负荷减小时,能立即切除部分电容器，以避免过补偿。本文设计了一种新型晶闸管投切电容器 TSC动态无功补偿装置，采用80196KB单片机系统作为控制器的核心，新颖的快 速无功功率检测方法和独特的晶闸管技术，实现了对多组电容器快速自动分级投 切，达到了对冲击负荷动态无功补偿的要求。晶闸管投切的技术难点是：在实现快速响应的同时保证投切无冲击。为了限制 投切时产生的冲击电流，大多在主回路中加装了限流电抗器，同时，为了实现所谓 的过零投切，需专门的放电电阻或对电容器预充电。第2章总体方案2.1 总体方案介绍2.1.1 主要技术要求设计的TSC无功补偿装置应达到以下要求：(1)采用更有效的，对用户和电网最有利的检测方法和控制方式；(2)设计一种经济有效可靠的防止电容器投入时电流冲击的电路，严格保证 在各种情况下都可以在晶闸管两端电压为零时才使之触发。(3)控制器除基本功能外，还应具有微机检测功能和通信功能。2.1.2 原理框图本设计原理示意图如下图2.1所示，其电容器分为6组，全部采川三角形接线，容量比采用二进制方案，控制电容器投切的无触点开关采用2只反并联的晶闸管,当向主回路施加正向电压且晶闸管的控制极有触发脉冲时，晶闸管导通，把电容器 投入电网；而当去掉触发脉冲后，电流过零或反相时，晶闸管截止，从电网上切除 电容器。电源图2.1原理框图2.1.3 概述系统本设计低压TSC无功补偿装置由主电路和控制器两部分组成。其工作原理是:控制器不断检测负荷的无功分量，判断是否要投切电容器并计算投切的容量，控制 器输出投切信号，触发相应的晶闸管以投入相应容量的电容器，或撤除相应的晶闸 管触发信号以切除相应的晶闸管触发信号以切除相应容量的电容器。TSC无功补偿装置的检测量与控制目标可以是：功率因数；无功功率；无功 电流。以往的无功补偿装置大都以功率因数作为控制量，这种控制方式的缺点是:在小负荷时容易出现投切振荡，干扰电网；而在大负荷时又不易达到充分补偿。本方案以无功功率为控制量。由检测到负荷电流和电压，计算出负荷的无功功 率Q。由Q的大小决定投入电容器容量。目标是实现全补偿，但实际上做不到，因为电容器只能有级调节，投入多了又会过补偿，实际投入的电容器容量一般小于 无功负荷容量Q。2.2 系统主要特点本文根据TSC无功补偿原理，设计一种智能型动态无功补偿控制器的设计，其控制器采用80C196KB单片机为核心的新型实时无功功率控制器，性能稳定，功能设置简便，无需人工干预即可自动跟踪无功变化。主控制电路采用电力电子 器件可控交流电子开关技术和先进的过零检测技术，实现电容器组的过零平滑投 切、无合闸涌流冲击、无操作过电压、无电弧重燃，电容器无需放电即可重新投 入使用，并且不受投切次数的限制。该智能型动态无功补偿控制器的设计的技术特点如下：(1)通过只检测任意两相的线电压、相电流波形上任意时刻的瞬时值，不需要 检测无功功率因数角即可检测出无功功率的新方法，保障了响应的快速性。(2)利用单片机同步相位控制技术和自适应晶闸管技术，当实时检测到电容器 两断电压与电网电压的大小相等，极性一致时，瞬时投入电容器，电流过零时晶闸 管自然关断，从原理上实现了无过渡过程投切电容器。(3)可实现自动监控和通信功能，通过控制器的通信功能，可以将电容器补偿 设备与监控系统连接，实现遥测、遥信、遥控功能。2.3 系统关键问题低压TSC无功补偿技术是一个综合运用电力电子技术，微机控制技术，自动 控制技术的工程技术领域，它要解决无功量实时检测方法、大电流晶闸管开关技 术、零电压投入等关键技术，具体如下：(1)大电流晶闸管开关技术：触发，散热，可靠性，低成本。(2)零电压投切技术：要做到系统电压与电容器残压相等时投切，以避免涌 流，电容器上的残压无法计算，很难测量。(3)无功量实时检测技术：投切判据，如何做到最优化补偿，取决于控制方 法以何种参量作为投切判据。(4)操作界面：液晶显示；输入方式，如设计投切方式；RS-458审行通信接 o2.4系统关键技术2.4.1 无功补偿原理及无功检测2.4.1.1 无功补偿原理在三相电路口影响功率因数的因素除了电压和电流的相位差、波形畸变外，还有一个因素就是三相不对称。而三相不对称的功率因数至今没有统一的定义。因此,本文只考虑三相对称电路的功率因数及无功功率的计算。在三相对称电路中,各相电压、电流均为对称，功率因数也相同。三相电路总的功率因数就等于各相功 率因数。由于谐波分量的存在,和电压和和电流只能川各谐波分量的集合来定义，即：00ua=Z夜/sinncotn=1(2.1)00ia=Z Mia 次一n=l其中，有效值为00n=l(2.4)则三相有功率为00P=3Pa=3UnInCOS0n n=l(2.5)三相视在功率为p cosg=Sooyui cos/n N n=1(2.6)n=l含有谐波的非正弦电路中的无功功率情况比较复杂，至今还没有被广泛接受 的科学而权威的定义。这里，可以定义无功功率为Q=P2+Qs（2.7）上述只反映能量的流动和交换,并不反映能量在负载中的消耗。无功补偿的原 理就是准确检测三相电路的无功功率Q,然后根据Q值的大小进行最优投切电容 器,从而减小Q值达到最优状态。2.4.1,2无功功率检测许多无功补偿控制器是以功率因数作为投切判据，它以电网中反映电压与无 功相位差的功率因4作为控制信号来控制并联补偿电容器的投切状态。然而功率因 数2并不能准确反映电网中负荷的无功分量大小，如电网在重载时，负荷的无功分 量Q和大，点由于Q在负荷中所占的比例叫小，所测的功率因数角可能较小，甚 至低于系统补偿的只能整定值，使控制装置对电网不做补偿，的整定值，使控制 装置对电网不做补偿，无法做到跟踪调节，表现出控制系统的迟钝性，当电网轻 载时，功率因数角可能较大，但负荷的无功分量Q并不大，此时对电网进行补偿,很容易造成过补偿，补偿装置要切除电容，系统恢复到初态，如此反复，造成控 制系统的投切振荡。不仅影响控制系统的可靠性和使用性，也将影响电网和川户 设备的安全运行。本文采用了检测无功功率作为电容器投切的判据，通过只检测任意两相的 线电压、相电流波形上任意时刻的瞬时值，不需要检测无功功率因数角即可检测 出无功功率的新方法，保障了响应的快速性。在三相对称电路中，取任意两相电压（本文取Uab）和另一相电流（本文取Ia），就可测量无功功率。相量图如图2.2所示。图2.2相量图由相量图推出：PAB=UABIAsin0，sin0=PAB/UABIA(2.8)X=cos8=Jl sir?*l-(-)2(2.9)由于b为线电压，因此三相视在功率为:S=43UabIa(2.10)三相有功功率为:尸=scose=43UABIA 3-（广）2 三相无功功率为：Q=s2-p2=43Pab(2.12)由公式（2.9）（2.11）可知,如何由信号Uab和Ia得到Uab,L和P是进行 无功检测的关键。2.4.1.3检测点的选择控制器中检测点放置有两种选择方案：（1）控制器输入电压和电流信号的检测 点放在补偿器的前端，如图2.3中的A点处；（2）控制器输入电压和电流信号的 检测点放在补偿器的后端，如图2.3中的B点处。A B三相电网三相负载C-电容器组图2.3检测点的选择检测点A由于不能直接检测负载的无功功率，不易实现多组电容器的一次快速 投切，通常采川逐级渐进的投切方式，较满的达到应补补偿值，依次仅适川于负载 运行较平稳，无大容量的冲击电流，不需要快速动态补偿的场合，如接于检测点B,其优点是仅根据静态补偿的精度较差。该无功功率动态补偿装置兼顾两者的优点的 闭和控制，方式，即检测点放点B处，检测补偿后的无功功率AQ,检测补偿后的 无功功率AQ,又通过AQ求得负载的全部无功功率Q,完全补偿时所需投入的全 部电容器的无功功率，这种由变动量求总和的设想，可通过单片机来实现，又因可 一次投入应投的全部电容器，获得快速的动态补偿特性，是目前公认比较理想的方 案。2.4.2零电压投入2.4.2.1零电压投入的必要性在电容重投时,需要考虑电容器的剩余电压,当系统电压和电容器残压相等时,就是晶闸管无触点开关投入的触发点。否则由于电容器两端电压不能突变，系统电 压和电容残压的差值较大时触发SCR会产生很大的冲击，这一冲击会直接损坏晶闸 管。电流冲击主要体现在开关投入时的电流突变率和冲击电流最大值上。冲击电流 最大值可能达到正常工作电流的几十倍,晶闸管具有短时承受8-10倍过电流的能 力，但是难以承受这样大的过电流。增大串联电抗器和选择大的晶闸管可以降低电 流冲击，但都需要增加投资。因此只有在控制上设法解决问题。为了使补偿电容器的投入与切除过程不引发主电路的涌流冲击，即在这一过程中 当电容器上的电流始终保持整周期流动而没有过度过程，必须满足以下3个条件:(1)即保持准备投入的电容器上的电压为电网线电压的正或负峰值；(2)投入选择在电网线电压和电容器上的电压极性相同、峰值相等的时刻；(3)切除时只要撤消触发信号即可，开关在电流过零之后会自行关断。2.4.2.2零电压投入的方法为了确定触发的合适时刻,需要预先测知电容器的残压，这通常不太容易做到,为解决这一问题，只能考虑以下方案：(1)电容器预充电：投入电容器之前对其预充电，充电到系统电压的峰值，当系统电压为最大值时触发晶闸管。这种方法将使主电路变得很复杂，并且延长了 电容器的投入时间。(2)加放电电阻：每次切除电容器后，通过专门的放电电阻对电容器放电，使电容器残压接近为零，晶闸管在电压过零时投入，这种方法将增大装置的成本。(3)晶闸管电压过零触发：由于电容器剩余电压的变化，晶闸管上的电压是 一个不能根据电源电压计算的值，但可通过检测晶闸管两端(阳极和阴极)的电压 来确定系统电压与电容器残压是否相等。在本设计中，采用晶闸管零电压触发电路，来解决零电压投入的方法。第3章主电路设计与元器件选择3.1主电路设计3.1.1 投切元件选择投切元件是无功功率补偿装置的核心，因此选择也就至关重要，通常可采用的 投切元件有以下4种：(1)采用接触器采川接触器投切补偿电容器，它是一种最简单经济和常川的投切元件，由于其 投切冲击电流大，响成速度慢，不适用于自动频繁投切，不能有效、随机补偿系统 负荷的无功功率；(2)采用可控硅反并联或双向可控硅采用可控硅反并联或双向可控硅投切补偿电容器，它虽然可以做到无冲击投 切，但触发控制电路比较复杂，可靠性好；(3)采用可控硅与二极管反并联采用可控硅与二极管反并联投切补偿电容，它与采用可控硅反并联或双向可控 硅投切补偿电容器相似，只是成本稍低，触发控制电路稍简单；(4)采用SSR固态继电器采川SSR固态继电器投切电容器，SSR三相固态继电器有调相型和过零型两 种。调相型可以在任意时刻投切补偿电容器，但必须有高性能高精度触发控制器与 之配合。过零型是在电网电压过零时闭合，这样投切补偿电容器不会出现较大冲击。根据上面分析，本文设计的装置中采用晶闸管反并联作为投切元件的开关。3.1.2 电容器接线方式的选择电容器无功补偿分为对称补偿和分相补偿，对称补偿适用于对称负载,且采用 三角型接法。而分相补偿适川于不对称负载，且采川Y接线，分相检测与控制。本 课题研究的是三相负载，因此只能采川对称补偿方式。图3.1、图3.2给出了低压 TSC无功补偿装置常见的主电路方案，依次(A),(B),(C),(D)方案。(A)-(D)方案为三角形连接，其中(A),(B)方案的电容单相电容器；(C),(D)为三相电容器（内部已接成三角形）。（A）方案中的无触点投切开关有2只反并联的晶闸管构成的，当主回路施加正 向电压，且晶闸管的控制极有触发脉冲时，晶闸管导通，把电容器投入；而当去掉触 发脉冲后，电流过零时自然关断，从电网上切除电容器，所以断开的电容器上的电 压一般处于最大值（或正或负）。（B）方案采用二极管代替部分晶闸管组成的半控开关式接线方式，其特点是每 次切除电容（晶闸管阻断）时，电容器总保持一定的电压（正的最大值），这样晶闸管 开关投入时只要脉冲列从系统电压最大值开始触发就可以保证平稳过渡,而且可以 少川晶闸管以降低成本,控制也可简单些。其缺点响应速度不快，因为在切除电容器 时，从切除指令的输出到第一个电力电子器件截止，方案（A）在半个周波内完成，即不大于10ms；方案（B）由于二极管的不可控性，通常要大于半个周波才能被切 除。（D）方案干脆省了一相的晶闸管，同样可以控制三相电容器的投切。据分析，本设 计的方案采取图（A）的接线方式。(A)图3.1采用单相电容器接成上上上 一(c)图3.2采用三相电容器43.1.3 主电路选择问题(1)晶闸管上并联有RC阻容吸收电路，由于吸收开关过程中的瞬变电流，保 护晶闸管模块。在主回路上要装一组氧化锌避雷器，用以吸收操作过电压和雷击过 电压等，在每一相中都审接快速熔断器，作为快速过流保护。(2)回路是否要装限流电抗器？如果能做到零电压投入电容器，则限制了冲 击电流，就可省去限流电抗器，使整套装置的成本降低。若电容器审联限流电抗器，虽然对50Hz的基波来说，审联电抗器L后，L、C审联回路的总电阻比不审L时C 的阻抗小，因而电流会增大。但对谐波来说，容抗降低，感抗增大，L、C审联后 的总阻抗可以呈现感性，避免了发生和某次谐波谐振的现象。(3)为避免频繁投切电容器，要设定一个功率因数范围，如0.95-lo也就 是说，如果无功负荷容量Q增大了，只要功率因素三0.95,也不投入电容器。(4)为避免电压偏高，应把电压作为参考控制量，如果电压超过规定值了，即使负荷要求投入电容器也不能投入。3.1.4 主电路概述无功功率动态补偿装置电容器分为3组，全部采用三角形接线，容量采用二进 制方案。控制电容器投切的无触点投切开关有2只反并联的品闸管构成的，当主回 路施加正向电压,且晶闸管的控制极有触发脉冲时，晶闸管导通，把电容器投入；而 当去掉触发脉冲后，电流过零时自然关断，从电网上切除电容器，每个电容器支路 上有快速熔断器作为短路保护。在谐波含量较大的场合中，由于谐波的影响，电容 器支路上要审联电抗器，限制突变电流，否则马德里在谐震时产生比平时大几倍甚 至几时倍的过电流，使晶闸管烧毁。晶闸管上并联有阻容吸收回路，吸收浪涌电压 和抑制过电压，装置的输入端装有断路器，以使回路短路时能迅速跳槽。3.1.5主电路图(见附录A)3.2元器件的选择3.2.1电容器组的确定考虑到设计的是实验性装置，为降低成本，减少电容器个数，采用最小容量系 统，选择三相电容器，型号规格为：BZMJO.4-5-3,容量5kvar,额定电压400V,电 容量99.9|J f,其内部已接成三角形。电力电容器参数如下：表3.1电力电容器参数型号额定电压(V)额定容量(Kvar)标称电容(uF)LHDBZMJO.4-5-3400599.517810040按下面公式计算，可按7级容量投入，把电容器组将要分级投入的电容容量列 出一个表，以便于知道无功功率动态补偿时具体所投入的电容容量。公式如下：1=Qc 43UV3*400=7.2A(3.1)电容器的组数：3组，总容量为35kvar。而容量比采用二进制方案，按4：2：1 分组，即第一组：5kvarX4=20kvar,Cl=99.5X4=398p F第二组：5kvarX2=10kvar,Cl=99.5X2=199|J F第三组：5kvarXl=20kvar,Cl=99.5X1=99.5p F具体如下表3.2：表3.2电容器组分级投入容量分配编号二进制代码投入容量/kvar工作电流/A0000010015第三组7.2201010第二组14.4301015410120第一组28.85101256110307111353.2.2晶闸管的选择晶闸管电压值Uscr的选择要考虑电力电容器上充电电压，可按（3.2）式选择:U=2KR/Ui（3.2）式中K1电压裕度，取1.1；K2电网电压波动系数，取1.1；U1为电网的额定电 压，按此计算，USCr=1300V,可选1500V的SCR。晶闸管电流值Iscr可按式（3.3）选择：IscR=2.54/CxlO-6（3.3）式中f为50Hz,C为电容（微法）。按（3.3）式计算得到三组电容器（单台 BZMJ0.4-5-3,容量为 5kvar,电容量 99.9uF）中的 SCR 应分别为 15A,30A,60A。如表3.3表示：表3.3晶闸管参数品闸管额定电流额定电压T115A1500VT230A1500VT360A1500V3.2.3快速熔断器选择由于每个电容器组的支路上都有快速熔断器作为短路保护，其熔体电流 FC 按下式选择：In.fc=KIn.c(3.4)式中，4.C为电容器额定电流；片为计算系数，对单台电容器，取1.5 2；对电容器 组，取1.3 1.8。因此，对 FU1,Tn.FC=28.8X(1.3-1.8)=37.4451.84A对 FU2,TN.FC=14.4X(1.3-1.8)=18.7225.92A对 FU3,TN.FC=7.2X(1.5-2.0)=10.814.4A根据上面计算所得到的额定电流选择三组RS3(500V)快速熔断器的型号分别 为：(1)FU1:RS3-50/50,(2)FU2:RS3-50/25,(3)FU2:RS3-50/15o3.2.4氧化锌避雷器选择为了吸收操作过电压和雷击过电压等，须装一组氧化锌避雷器，该避雷器的型 号为：Y3W2-0.5/2.6o有关参数如下:避雷器额定电压(KV)：0.5系统标称电压(KV)：0.38持续运行电压(KV)：0.42直流1mA参考电压(KV)：1.2标称放电流下残压(KV)：2.62ms操作能通流容量2ms(A)：753.2.5断路器选择在主电路中装有断路器，以便于回路短路时能够迅速跳闸，电容器柜最大工作 电流为50.4A,空气开关的额定电流可选50A；其短路保护脱扣电流(瞬时动作)可定为(22.5)义50.4=100125A。选DZ型断路器，型号为：DZ20-50/3o3.2.6刀开关选择而且还要装一个刀开关，用于维护检修时隔离电源，该刀开关的型号为：HD13-100/30o3.2.7电抗器的选择3.2.7.1电抗器的作用电抗器与电容器并联，可抑制投切时过大的冲击电流，抑制谐波。由于本设计 采用零电压投入方法限制了冲击电流，所以这里的电抗器主要川来抑制谐波。如 果电网含有谐波，它流入电容器时会使电容器过负荷甚至破坏，对50HZ的基波来 说，串联电抗器以后，L、C串联回路的总阻抗比不串L时C的阻抗小，因而电流 会增大，但对谐波来说，容抗降低，感抗增大，L、C可串联后的总阻抗，可呈 现感性，避免了发生和某次谐波谐振的现象。3.2.7.2电抗器的选择XD1型限流电抗器是采用不饱和聚酯树脂浇注成型的干式电抗器，可作为低压 无功功率自动补偿屏作限制电容器投入涌流之用。技术参数如下：表3.4电抗器技术参数型号规格所配电容器容量(KVAR)额定工作电压(V)额定电流(A)限流倍数XD1-121240022.8叁50XD1-141440026叁50XD1-151540028叁50XD1-161640030叁50电源中的的5次谐波和7次谐波分量较大，电抗器的选择主要是防止5次谐 波，Xl可取容抗Xc的0.060.07,如取Xl=0.07Xc,若C的单位为pF,贝UI 700/s(3.5)据计算，可选XD1 12 3只；XD-25 3只;3.2.8互感器选择选择GYV-7微型电压互感器和电流互感器（详见章节432）。第4章控制系统硬件部分设计4.1 控制电路总体设计本无功补偿装置的控制器采用Intel公司的80cl96KB作为单片机的基本系统,由控制器部分，数据采集部分，晶闸管触发电路部分组成。包括单片机系统、键盘 与液晶显示屏(LED)、信号检测与预处理电路、晶闸管触发电路、数据存储器、同步电压检测、电压电流频率检测、RS-485通信接口电路等几个部分电路。6164RAM存放系统的中间处理数据，8279作为键盘显示接口电路，连接了 6 位液晶显示和7只按键，实现人机对话。在单片机快速检测无功Q以后，即可实 时决定应投入的电容级数，再由单片机通过输出HIS.。HIS.5发出相应的触发脉 冲信号，实现无功自动补偿，总之80C196KB负责实现设备的智能控制功能，其硬 件机构紧凑、功能性强、软件编程化、可靠性高、抗干扰能力强。该控制器硬件的原理方框图如图4.1所示。其中晶闸管零电压检测电路的原理 见(2.4.2)o图4.1 控制器原理方框图4.2控制器设计随着微机控制技术和功率半导体器件的发展，用微机进行实时检测、跟踪负荷的无功功率 的变化并自动控制补偿电路的投切，可以实现准确，快速的动态无功补偿，从而达到降低配电 线路的线损、改善电网供电质量的目的。低压动态无功补偿装置将极大的提高了电网的经 济效益，为改善人民物质生活都起着极为重要的作用。4.2.1 单片机的选择单片机是整个装置控制器的核心，因此它的选择是