低壓無功補(bǔ)償系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、摘 要本文主要介紹低壓無功補(bǔ)償裝置的基本原理、控制方案以及硬件方面的選型和設(shè)計(jì)。該補(bǔ)償系統(tǒng)采用TI公司的定點(diǎn)TMS320LF2812系歹DSP和MCU的雙控制器進(jìn)行 控制，TMS320LF2812為補(bǔ)償裝置的總控制器，具有自動(dòng)采樣計(jì)算、無功自動(dòng)調(diào)節(jié)、故 障保護(hù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。同時(shí)具備指令運(yùn)算速度快（約100MIP ）、運(yùn)算量大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)MCU與外部設(shè)備進(jìn)行通訊，互不干擾，更好的滿足了實(shí)時(shí)性和精確性的要求。采 用品閘管控制投切電容器、數(shù)字液晶實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)補(bǔ)償情況，可以實(shí)現(xiàn)快速、無弧、無 沖擊的電容器投切。為了更詳細(xì)的介紹該系統(tǒng)，在論文第四章設(shè)計(jì)了比較完整的各功能 模塊的硬件電路圖，其中包括電

2、源模塊、信號(hào)變換及調(diào)理模塊、AD采樣模塊、鎖相同步采樣模塊、通訊模塊等。關(guān)鍵字：低壓無功補(bǔ)償；品閘管投切電容器；DSPAbstractThis paper mainly introduces the basic principle of low-voltage reactive power compensation device, control scheme and hardware selection and design.The compensation system by TI companys fixed-point tms320lf2812 seriesDSP and MCU du

3、al controller control, tms3201f2812 compensation device controller with automatic sample calculation, automatic reactive power regulation, fault protection, data storage and other functions. At the same timewith the instruction operation speed (about 100MIP), the advantages of large amount of comput

4、ation. At the same time, MCU and peripheral equipment communication and do not interfere with each other, better meet the requirements of real-time and accurate. The use of thyristor controlled switched capacitor, digital LCD display real-time compensation system situation can achieve fast, no arc ,

5、 without the impact of the capacitor switching. In order tomore detailed introduction to the system. In the fourth chapter of the thesis design the hardwarecircuit diagramof each function module of relativelycomplete, including power module, signal transformation and conditioning module, AD sampling

6、module, phase locking synchronous sampling module,communication module block and so on.Key Words: Low voltage reactive power compensation;Thyristor switched capacitor; DSP目 錄目 錄3第一張緒論11.1 選題的背景與意義1.1.2 低壓無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展?fàn)顩r 2.1.2.1 國外情況31.2.2 國內(nèi)情況3.1.3 本課題研究的主要內(nèi)容4.第二章TSC無功補(bǔ)償?shù)幕驹?2.1 無功補(bǔ)償?shù)幕驹?.2.2 低壓電網(wǎng)無功補(bǔ)償

7、的方式 9.2.3 晶閘管投切電容器的原理.1.1.2.3.1 晶閘管投切電容器的基本原理 1.1.2.3.2 補(bǔ)償回路的構(gòu)成及原理1.3.2.3.3 晶閘管觸發(fā)原則 1.6.2.3.4 電容器的分組方式 .1.8.第三章無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)203.1 系統(tǒng)的基本原理 2.0.3.2 主電路連接方式 2.0.3.3 無功補(bǔ)償算法的選擇22.3.3.1 積分法22.3.3.2 移相法23.3.3.3 公式法24.3.4 電容器補(bǔ)償容量計(jì)算 25.第四章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)29.4.1 系統(tǒng)硬件總框圖 2.9.4.2 系統(tǒng)各功能模塊 3.0.4.2.1 電源模塊30.4.2.2 電流、電壓信號(hào)調(diào)整

8、電路 32.4.2.3 AD 采樣模塊.3.3.4.2.4 鎖相同步采樣電路 3.5.4.2.5 FPGA 模塊3.5.4.2.6 通信模塊 36.4.2.7 人機(jī)對(duì)話模塊 .3.8.4.2.8 邏輯電平轉(zhuǎn)換電路3.9.4.2.9 可控硅驅(qū)動(dòng)模塊 39.4.2.10 補(bǔ)償電容器過載電流調(diào)理模塊 .4.0.4.2.11 其他輔助模塊 4.2.4.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路圖 43.參考文獻(xiàn)46.第一張緒論1.1 選題的背景與意義近年來，世界各國由于電壓崩潰引起的大面積停電故障引起了各地的強(qiáng)烈反響。8.14的美加大停電持續(xù)了長(zhǎng)達(dá)72小時(shí)，給美國造成了十分重大的經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)反響，這次事故人們深深意識(shí)到電

9、網(wǎng)運(yùn)行要有足夠的無功容量，無功不能靠遠(yuǎn)距離傳輸，在電力市 場(chǎng)大的環(huán)境下，必須要制定統(tǒng)一的規(guī)定來激勵(lì)獨(dú)立發(fā)電商和運(yùn)營商從整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行安全的情況下提供充足的無功備用。在我國也發(fā)生過多次電壓崩潰的故障，如1993年和1996年南方電網(wǎng)的幾次事故，這些事故都警示人們要采取各種措施來維持電網(wǎng)穩(wěn)定。早期常用并聯(lián)電容器和同步補(bǔ)償器作為無功補(bǔ)償裝置，經(jīng)常應(yīng)用于系統(tǒng)的高壓側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償。由于并聯(lián)電容器應(yīng)用范圍廣泛，至今仍作為一種重要的補(bǔ)償方式。同步補(bǔ)償器 的核心是同步電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電流發(fā)生改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)可隨之平滑的改變輸出無功電流的 大小和方向，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到舉足輕重的作用。但是同步補(bǔ)償器成本較高， 安裝復(fù)

10、雜，維護(hù)困難，使其在推廣和使用環(huán)節(jié)中受到制約。國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高帶來了電力負(fù)荷的高速增長(zhǎng)。同時(shí)電網(wǎng)中的無功問題也引起人們的廣泛關(guān)注。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電 子裝置在電力系統(tǒng)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，而大多數(shù)電力電子裝置的功率因數(shù) 很低，它們所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所輸送電量中占有很大的比例，無功功率增加 會(huì)導(dǎo)致電流的增大，設(shè)備及線路的損耗增加，導(dǎo)致大量有功電能損耗，同時(shí)使功率因數(shù) 偏低、系統(tǒng)電壓下降。低壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，它涉及控制信號(hào)的選取和采樣、控制規(guī)律的研究、控制器的軟件設(shè)計(jì)和硬件實(shí)現(xiàn)等許多方面，建立在對(duì)低壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝

11、置和系統(tǒng)深入了解的基礎(chǔ)上。課題以動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置為研究對(duì)象， 對(duì)無功檢測(cè)原理和控制方法進(jìn)行研究，確定其控制策略，設(shè)計(jì)主電路和控制系統(tǒng)電路， 完成動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)挠布到y(tǒng)設(shè)計(jì)。1.2 低壓無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展?fàn)顩r為了改善電力系統(tǒng)中無功功率有害性問題，人們?cè)诤茉缇驼莆樟烁鞣N無功補(bǔ)償技術(shù) 并應(yīng)用在電力系統(tǒng)當(dāng)中，通常采用同步發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器和靜止無功補(bǔ) 償裝置等很多方法來控制無功功率。由于它們?cè)诩夹g(shù)上及經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)，這些裝置在我 國及其他發(fā)展中國家仍然被廣泛的使用。無功功率主要是由系統(tǒng)中電容和電感產(chǎn)生，人們最初使用的補(bǔ)償方法以無源形式為 主。該方法的核心是在系統(tǒng)的母線中以串聯(lián)或并聯(lián)的方式安裝

12、一定容量的電容器或電抗 器。同步補(bǔ)償器屬于有源補(bǔ)償器，是并聯(lián)補(bǔ)償裝置的一種同步機(jī)，同步調(diào)相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是： 當(dāng)系統(tǒng)電壓降低時(shí)，可以改善電網(wǎng)功率因數(shù)，從而維持電網(wǎng)電壓平衡。從功能上講，同 步調(diào)相機(jī)相當(dāng)于一個(gè)被拖動(dòng)到某一轉(zhuǎn)速并與電力系統(tǒng)同步運(yùn)行的同步機(jī)。當(dāng)電機(jī)同步運(yùn) 行后，根據(jù)人們的需要控制其磁場(chǎng)，使之產(chǎn)生無功功率或者從系統(tǒng)中吸收無功功率。同 步調(diào)相機(jī)還具有調(diào)相的功能，但是其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，發(fā)出一定量無功功率的有功損 耗較大，系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜且不能適應(yīng)各類非線性負(fù)載的快速變化。由晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)以及二者的組合裝置 (TCR+TSC)等形式組成的靜止無功補(bǔ)償器(SVC

13、),實(shí)際上可看成一個(gè)可調(diào)節(jié)的并聯(lián)電納， 它的性能比并聯(lián)電容器要好很多。靜止無功補(bǔ)償器最重要的性質(zhì)是它具有維持端電壓穩(wěn) 定的功能，所以它要連續(xù)不斷地調(diào)節(jié)與電力系統(tǒng)變換功率，它第二個(gè)性質(zhì)是響應(yīng)速度靈 敏。傳統(tǒng)靜止無功補(bǔ)償器對(duì)電力系統(tǒng)狀況的調(diào)節(jié)和暫態(tài)性能的改善起到了重要的作用， 而且其控制技術(shù)也較為成熟，因此在實(shí)際電力系統(tǒng)中得到了充分的應(yīng)用?？墒撬鼈兊墓?同點(diǎn)都是利用可控硅晶閘管進(jìn)行換相控制，在無功變動(dòng)時(shí)容易發(fā)生逆變現(xiàn)象，并且都需 要大電感或大電容來產(chǎn)生感性無功和容性無功，因而人們更希望有新的補(bǔ)償方式改善以上缺陷。1.2.1 國外情況靜止無功補(bǔ)償裝置也稱SVC靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)，是相對(duì)于調(diào)相機(jī)來說的一

14、種利用電容器和電抗器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)难b置。第一批靜止無功補(bǔ)裝裝置于1967年在英國制成，成功后受到世界各國的強(qiáng)烈關(guān)注，蘇聯(lián)、美國、瑞士、瑞典、西德、比利時(shí)等國紛紛研 制成功并且大力推廣使用，使得靜止補(bǔ)償裝置比調(diào)相機(jī)具有更大的影響力，廣泛應(yīng)用于 電力、鐵道、科研、冶金、化工等部門。成為補(bǔ)償無功、電壓調(diào)整、提高功率因數(shù)、限制系統(tǒng)過電壓，有效改善運(yùn)行條件的設(shè)備。國際上知名的電氣公司均發(fā)展了不同類型的 靜止無功補(bǔ)償技術(shù)。根據(jù)無功的性質(zhì)和方式靜補(bǔ)裝置又可分為六種不同的組合，固定容性、固定感性、可變?nèi)菪?、可變感性、固定容?+可變感性、可變?nèi)菪?可變感性，通常 我們所指的靜補(bǔ)無功補(bǔ)償裝置是指固定容性 +可變

15、感性、可變?nèi)菪?可變感。對(duì)于可變感 性又可分為直流勵(lì)磁飽和電抗器、相控閥調(diào)節(jié)電抗器和自飽和電抗器。自高壓可控硅元件問世以后逐漸取代了有觸點(diǎn)開關(guān)，為實(shí)現(xiàn)感性或容性無功的連續(xù)可控調(diào)節(jié)提供了簡(jiǎn)單、 可靠、靈活的技術(shù)支持。目前國際上幾個(gè)主要的產(chǎn)品形式是FC+TCR（固定容性+可變感性），八十年代初TSC+TCR技術(shù)逐漸發(fā)展起來，并首先被應(yīng)用在電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償之 中。在國外，系統(tǒng)的無功補(bǔ)償主要依靠靜止補(bǔ)償裝置和電容器，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)， 同時(shí)取得了理想的效果。1.2.2 國內(nèi)情況武漢鋼鐵公司在70年代初從比利時(shí)進(jìn)口了直流勵(lì)磁飽和電抗器和日本的電容器組成了靜止補(bǔ)償裝置后，國內(nèi)才對(duì)可變無功補(bǔ)償?shù)膯栴}加以

16、關(guān)注。并聯(lián)電容器是國內(nèi)補(bǔ)償 無功用的最多的方法。在低壓（10kv以下）供電網(wǎng)絡(luò)中大量運(yùn)用并聯(lián)電容器組來滿足調(diào)壓 要求，關(guān)于可變無功補(bǔ)償?shù)膯栴}越來越受到有關(guān)部門的重視，20世紀(jì)70年代以來，隨著研究的不斷深入出現(xiàn)了靜止無功補(bǔ)償技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展不斷加以創(chuàng)新 和完善。靜止無功補(bǔ)償就是用不同的靜止開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā) 出無功電流的能力，具有維持電力系統(tǒng)的功率因數(shù)平衡、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、抑制系統(tǒng)振蕩 等功能。目前這種靜止開關(guān)主要分為斷路器和電力電子開關(guān)。由于用斷路器作為接觸器，其開關(guān)速度較慢，約為1030s,不可能快速跟蹤負(fù)載無功功率的變化，而且投切電容 器時(shí)常會(huì)引起較為

17、嚴(yán)重的沖擊涌流和操縱過電壓，這樣不但容易造成接觸點(diǎn)松動(dòng)，而且 還會(huì)將補(bǔ)償電容器內(nèi)部擊穿，維修量大。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，隨后又出現(xiàn)交流無觸點(diǎn)開關(guān) GTR、SCR、GTO等作為投切開關(guān)，開關(guān)速度大幅提升（約為 10 g）,對(duì)各種系統(tǒng)參數(shù) 無功補(bǔ)償都可以在一個(gè)周期內(nèi)完成，而且可以進(jìn)行單相調(diào)節(jié)。目前所指的靜止無功補(bǔ)償 裝置一般專指使用晶閘管的無功補(bǔ)償設(shè)備，主要有以下三大類型，一類是具有飽和電抗 器的靜止無功補(bǔ)償裝置（SR）、第二類是晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）,這兩種裝置統(tǒng)稱為 SVC,第三類是高級(jí)靜止無功發(fā)生器（ASVG）,采用自換 相變流技術(shù)的靜

18、止無功補(bǔ)償裝置。1.3 本課題研究的主要內(nèi)容本文研究關(guān)于設(shè)計(jì)一種基于 DSP做為主控制器的TCR型低壓無功補(bǔ)償裝置。如表 1.1所示，比較來看TSC具有響應(yīng)時(shí)間短、運(yùn)行穩(wěn)定、分相調(diào)節(jié)、適用范圍廣、能平衡有功功率等優(yōu)點(diǎn)，而且TSC具有較好的靈活性、占地面積較小、產(chǎn)生的噪聲和高次諧波較小，與無功發(fā)生器SVG比較具有控制簡(jiǎn)單、開發(fā)時(shí)間短、成本低的優(yōu)點(diǎn)。表1.1各種無功功率補(bǔ)償裝置的性能對(duì)比Table 1.1 performance comparison of various reactive power compensation devicesTSCTCR 型 SVCMCR 型 SVCSVG吸收無功

19、分級(jí)連續(xù)連續(xù)連續(xù)響應(yīng)時(shí)間20ms20ms100ms10ms運(yùn)行范圍容性感性到容性感性到容性感性到容性諧波受系統(tǒng)諧波影受系統(tǒng)諧波影受系統(tǒng)諧波影受系統(tǒng)諧波影響大，自身不響大，自身產(chǎn)響大，自身產(chǎn)響小，可抑制產(chǎn)生諧波生大量諧波生大量諧波系統(tǒng)諧波諧波受系統(tǒng)阻影響大大大大損耗小大較大小分相調(diào)節(jié)能力有限可以/、可以可以噪聲較小小較小小體積大大較大小第二章TSC無功補(bǔ)償?shù)幕驹鞸VC是當(dāng)前應(yīng)用最廣的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。而且 TSC又是SVC的一種形式，TSC 又稱晶閘管投切電容器。本章介紹了無功補(bǔ)償?shù)幕驹硪约皩?duì)TSC無功補(bǔ)償當(dāng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。2.1 無功補(bǔ)償?shù)幕驹? .功率因數(shù)：電網(wǎng)中負(fù)載的電壓

20、和電流的相位存在一定差異，相位差的余弦值 cos(I) 就是功率因數(shù)。功率因數(shù)在數(shù)值上等于有功功率和視在功率的比值，即 ：P/S=cos 小(2.1)在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，我們希望功率因數(shù)越大越好，若想要滿足功率因數(shù)變大，則電路中的視在功率將充分轉(zhuǎn)化為有功功率，來減少無功功率的消耗。2 .有功功率、無功功率、視在功率：有功功率是指負(fù)載直接消耗的功率。對(duì)于有功 功率有：P=U xixcos 小(2.2)磁場(chǎng)的能量由電網(wǎng)供給，在這些電器的運(yùn)行中，上半周期為吸收功率，下半周期為釋放功率，功率只在電器和電網(wǎng)中相互變換，并沒有真正作為熱量或者功率作用出去，簡(jiǎn)而言之就是能量并沒有被消耗掉。這樣的功率稱為無功功

21、率。無功功率可以分為感性無功功率和容性無功功率。感性無功功率表示電壓超前電流，那么相位角差值小為正。容性無功功率則表示電壓滯后電流，相位角差值小為負(fù)。在同一個(gè)端口之中感性無功功率和容性無功功率可以相互抵消。這是因?yàn)楫?dāng)前電網(wǎng)大部分負(fù)載均為感性，容性負(fù)荷將抵消掉電網(wǎng)中的感性無功功率，所以看起來就是感性無功功率是 從電網(wǎng)中獲得的，而容性無功功率是設(shè)備自己發(fā)出來的。無功功率有Q=U xixsin 小視在功率有:S=Jp2 Q2=U XI(2.3)(2.4)所以有功功率、無功功率和視在功率可以滿足直角三角形勾股定理的關(guān)系，又稱功 率三角形，如圖2.1所示:圖2.1功率三角形的關(guān)系Fig.2.1 rela

22、tion of power triangle由功率三角形可以清楚的得出：在有功功率一定的情況下，功率因數(shù)角小越大，功率 因數(shù)cos小越小，所需的無功功率Q越大，那么視在功率S也就越大。2.2低壓電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)姆绞揭驗(yàn)樵跓o功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)中，電容器的補(bǔ)償容量不僅與未補(bǔ)償時(shí)的負(fù)載情況、電 容器的接線方法，而且與采用的補(bǔ)償方法有關(guān)。根據(jù)補(bǔ)償裝置安裝位置的不同，可以將低壓網(wǎng)無功補(bǔ)償分為個(gè)別補(bǔ)償（隨機(jī)補(bǔ)償或就地補(bǔ)償）、集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償（分散補(bǔ)償）。三種補(bǔ)償方式如圖2.2所示:C1C2圖2.2低壓無功補(bǔ)償方式C3Fig.2.8 low voltage reactive power compensatio

23、n1 .個(gè)別補(bǔ)償：又稱為就地補(bǔ)償或隨機(jī)補(bǔ)償。它是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對(duì)無功功率的需 求量，將低壓電容器組分散的與用電設(shè)備供電回路相并聯(lián)，通常與用電設(shè)備共用一組開 關(guān)，如圖2.2中C1所示。低壓電容器組隨電動(dòng)機(jī)同時(shí)投入或退出運(yùn)行， 使電動(dòng)機(jī)消耗的 無功功率部分得到就地補(bǔ)償，從而使裝設(shè)點(diǎn)以上輸配電線路輸送的無功功率減少，能明 顯降低損耗。個(gè)別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：當(dāng)大中型異步電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，個(gè)別補(bǔ)償方式的降損節(jié)電 效果明顯。但也有缺點(diǎn)：比如對(duì)一些運(yùn)行時(shí)間少或利用率低的設(shè)備，補(bǔ)償電容器的利用 率就不高，又因?yàn)槭侵鹋_(tái)補(bǔ)償，會(huì)使補(bǔ)償容量增大，從而使補(bǔ)償裝置的總投入增大。2 .集中補(bǔ)償：是指將低壓無功功率補(bǔ)償裝置

24、通過低壓開關(guān)接在用戶專用的變電所或 配電室的低壓母線側(cè)，如圖2.2中C2所示。用以補(bǔ)償配電變壓器的無功功率損耗和變電 所以上輸電線路的損耗，還可以就近供應(yīng) 380V配電線路的前段部分及所帶用電設(shè)備的 無功功率損耗。適用于低壓供電半徑短、 負(fù)荷集中的地方或不適宜就地補(bǔ)償?shù)挠秒娫O(shè)備， 利用補(bǔ)償電容器的分組投切，還能進(jìn)行調(diào)壓，改善電壓質(zhì)量。低壓集中補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：接線簡(jiǎn)單，便于維護(hù)和控制，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前 無功功率補(bǔ)償中常用的手段之一。但也存在缺點(diǎn)：第一，節(jié)能效果差，它只能減少裝設(shè) 點(diǎn)以上線路和變壓器因輸送無功功率所造成的損耗，而不能減少用戶內(nèi)部配電網(wǎng)絡(luò)的無 功負(fù)荷所引起的損耗，從而降低了補(bǔ)償

25、設(shè)備投入使用的價(jià)值。第二，降低電容器的壽命。 由于集中補(bǔ)償裝置安裝于配電室內(nèi)，電容器柜緊靠配變，其承受的輸出電壓一般在400V 以上，電網(wǎng)低谷時(shí)，電壓往往會(huì)超過 430V,當(dāng)自動(dòng)補(bǔ)償裝置失控時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電容器過壓 運(yùn)行、發(fā)熱、變形、擊穿等現(xiàn)象的發(fā)生。3 .分組補(bǔ)償，又稱分散補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方式是將電容器組按低壓配電網(wǎng)無功負(fù)荷的 分布分組裝設(shè)在相應(yīng)的母線上，或者直接與低壓干線相連接，形成低壓電網(wǎng)內(nèi)部的多組 分散補(bǔ)償方式，如圖2.2中C3所示。該方式使被補(bǔ)償?shù)臒o功功率不再通過主干線以上線 路輸送，從而使變壓器和配電主干線路的無功功率損耗相應(yīng)地減少。分組補(bǔ)償與集中補(bǔ)償相比降損節(jié)電效益顯著，尤其當(dāng)用電負(fù)荷

26、點(diǎn)較多且距離較遠(yuǎn)時(shí)，補(bǔ)償效率更高。分組補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：有利于對(duì)配電變壓器所帶的無功進(jìn)行分區(qū)控制，實(shí)現(xiàn)無 功負(fù)荷就地平衡，減少無功功率在變配電所以下配電線路中的流動(dòng)，使線損顯著降低； 分組電容器的投切隨總的負(fù)荷水平而變化，其利用率比單臺(tái)補(bǔ)償高，分組補(bǔ)償雖然不如 集中補(bǔ)償管理方便，但比單臺(tái)電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償易于控制。缺點(diǎn)是：如果裝設(shè)的電容器無法分 組，則補(bǔ)償容量無法調(diào)整，運(yùn)行中可能出現(xiàn)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償；分組補(bǔ)償方式的一次性投資 大于集中補(bǔ)償方式，操作控制上也比集中補(bǔ)償復(fù)雜。2.3晶閘管投切電容器的原理2.3.1 晶閘管投切電容器的基本原理TSC ( Thyristor Switched Capacitor) 又稱

27、晶閘管投切電容器，是一個(gè)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)波 動(dòng)無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)南鄬?duì)獨(dú)立系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償。與機(jī)械投切電容器相比，晶閘管的開、關(guān)無觸點(diǎn)，其操作壽命幾乎是無限的，而且品閘 管的投切時(shí)刻可以精確控制，可以快速無沖擊地將電容器接入電網(wǎng)，大大減少了投切時(shí) 的沖擊電流和操作困難，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)靈敏。TSC的基本原理如圖2.3所示。圖2.3 (a)是單相電路圖，其中的2個(gè)反并聯(lián)晶閘 管只是起將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用，而串聯(lián)的小電感只是用來抑制電容器 投入電網(wǎng)時(shí)可能造成的沖擊電流，在很多情況下，這個(gè)電感往往不畫出來。因此，當(dāng)電容器投入時(shí)，TSC的電壓一電流特性就是該電容器的伏安特

28、性，即如圖(c)中OA所示。在實(shí)際工程中，一般將電容器分成幾組，如圖 2.3 (b)所示，每組都可由晶閘管投切。 這樣，可根據(jù)電網(wǎng)的無功需求投切這些電容器，TSC實(shí)際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收感性無功功率的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器，其電壓-電流特性按照投入電容器組數(shù)的不同可以是圖2.3 (c)中的OA, OB或OC。當(dāng)TSC用于三相電路時(shí)，可以是三角形連接，也可以是星形連接， 每一相都設(shè)計(jì)成圖2.3 (b)所示的分組投切。晶閘管投切電容器采用整數(shù)半周控制，可 以根據(jù)電網(wǎng)對(duì)無功功率的需求改變投入電容器的容量，使晶閘管投切電容器成為分級(jí)可 調(diào)的動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置。如果級(jí)數(shù)分得足夠細(xì)化，基本可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)。AB

29、C(a)單相結(jié)構(gòu)圖(b)分組投切的TSC單相圖(c)電壓-電流特性圖2.3 TSC的基本原理Fig.2.3 basic principles of TSC品閘管閥通常有2種接線方式：2個(gè)晶閘管反并聯(lián)和1個(gè)晶閘管與1個(gè)二極管反并聯(lián)。兩者都是投切電容器的開關(guān)，不同的是前者品閘管閥承受最大反向電壓低，為電源電壓峰值，控制較復(fù)雜；后者投資小、控制簡(jiǎn)單、但品閘管閥承受最大反向電壓高，為 電源電壓峰值的2倍，所以在選擇使用哪種連接方式時(shí)，應(yīng)根據(jù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較來確定電容器的投切是根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷變化情況來決定的，當(dāng)電網(wǎng)無功功率增加，電壓下降時(shí)，投入電容器，反之，切除電容器。電容器分組有等容分組和不等容分組2種。

30、前者易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但補(bǔ)償級(jí)差大，后者利用較少的分組就可獲得較小的補(bǔ)償級(jí)差，但 不易控制?？紤]系統(tǒng)的復(fù)雜性以及經(jīng)濟(jì)性問題，實(shí)際中可采用所謂二進(jìn)制的方案，即采 用k-1個(gè)電容值均為C的電容，和一個(gè)電容值為C/2的電容，這樣系統(tǒng)從零到最大補(bǔ)償 量的調(diào)節(jié)則有2k級(jí)。最小電容量那一路作為單位電容量，它的大小決定了補(bǔ)償精度。2.3.2補(bǔ)償回路的構(gòu)成及原理交流電路中，純電阻負(fù)載的電流Ir與電壓U同相位；純電感負(fù)載的電流II比電壓U 滯后90。；純電容負(fù)載的電流Ic比電壓U超前90。如圖2.4所示：木I CI RUIl圖2.4電流相位圖Fig.2.4 current phase diagram電網(wǎng)中用電設(shè)

31、備一般是電感性負(fù)載，因此負(fù)荷回路模型可采用R, L串聯(lián)電路表示。圖2.5 (a)為補(bǔ)償回路模型，M為補(bǔ)償點(diǎn)，Q為負(fù)載所需的無功負(fù)荷，如果沒有補(bǔ)償裝置，則負(fù)載將從電源側(cè)取得無功功率 Q。，即Qo=Ql當(dāng)設(shè)置補(bǔ)償裝置后，由于補(bǔ)償電容器提供引前無功功率Qc,那么電源所提供的無功功率減少為Q=Q l-Qc,如圖2.5 (b)所功率因數(shù)由cos小提高到cos小，視在功率由S減少到S，。0(a)補(bǔ)償回路模型(b)補(bǔ)償原理示意圖Q M ?圖2.5補(bǔ)償原理Fig.2.5 compensation principle視在功率的減少可降低供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設(shè)備的投資。例如一臺(tái)1000 kVA

32、的變壓器，當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)為 0.7時(shí)，可供700kW的有功負(fù)荷, 當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)提高到0.9時(shí)，可供900 kW的有功功率。同一臺(tái)變壓器，因?yàn)樨?fù)荷 的功率因數(shù)的提高而可多供200 kW負(fù)荷，是相當(dāng)可觀的。_ 2_2P2 (Q Qc)2(2.5)(2.6)P j Q (U2 C) (R jX)可見，因采用無功補(bǔ)償裝置后，電源輸送的無功功率減少了，相應(yīng)的使電力網(wǎng)和變 壓器中的功率損耗降低，從而提高了供電效率。又由電壓損耗計(jì)算公式PR (Q Qc)X可知，采用無功補(bǔ)償措施后，因通過電力網(wǎng)無功功率減少，降低了電力網(wǎng)中的電壓 損耗，提高了用戶處的電壓質(zhì)量(b)過補(bǔ)償補(bǔ)償回路的工作原理如圖2.6,其中

33、U為端電壓，Il為補(bǔ)償前的線路電流，當(dāng)設(shè)置補(bǔ) 償裝置后，將有電流Ic流過電容，此時(shí)流過R, L串聯(lián)支路的電流仍為Il,但并聯(lián)點(diǎn)M 之前的電流則為Il和Ic的向量和，即I=Il+Ic。一般情況下IlWc,這時(shí)有兩種情況：若電 容器的電容較小，負(fù)荷中的感性無功電流沒有被完全補(bǔ)償，這時(shí)電源的I滯后U,即如圖2.6 (a)所示，該補(bǔ)償稱為欠補(bǔ)償；若電容器的電容較大，會(huì)出現(xiàn)圖 2.6 (b)所示的 情況，這時(shí)負(fù)荷中的感性無功電流被完全補(bǔ)償之后還有剩余容性電流，電源的 I超前U, 這種補(bǔ)償稱為過補(bǔ)償。通常不希望出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)那闆r，因?yàn)檫@樣會(huì)引起變壓器二次側(cè)電 壓的升高，且容性無功功率在線路上傳輸同樣會(huì)增加電

34、能損耗，還會(huì)增加電容器自身的 損耗，影響電容器的壽命。U4 I 1 CIl(a)欠補(bǔ)圖2.6補(bǔ)償回路工作原理2.3.3晶閘管觸發(fā)原則一般品閘管投入時(shí)刻總的原則是，TSC投入電容的時(shí)刻，也就是品閘管開通的時(shí)刻， 必須是電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時(shí)刻。因?yàn)楦鶕?jù)電容器的特性，當(dāng)加在電 容上的電壓有階躍變化時(shí)，將產(chǎn)生沖擊電流，很可能破壞晶閘管或給電源帶來高頻振蕩 等不利影響。假如在導(dǎo)通前電容器充電電壓剛好等于電源電壓峰值，則在電源峰值點(diǎn)投入電容時(shí)，由于在這一點(diǎn)電源電壓的變化率（時(shí)間導(dǎo)數(shù)）為零，因此，電流Ic即為零，隨后電源電壓 的變化率才會(huì)按照正弦規(guī)律上升，電流 Ic即按正弦規(guī)律上升。這樣，整

35、個(gè)投入過程不但 不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，而且電流也沒有階躍變化。這就是所謂的理想投入時(shí)刻。圖2.7為電路原理圖。選取合適的觸發(fā)時(shí)刻總的原則是：TSC投入電容時(shí)，也就是品閘管開通的時(shí)刻，必 須是電源電壓與電容器殘壓的幅值和相位相同。但是無論投入前電容器充電電壓是多少 都是不易測(cè)量的，所以必須通過其他一些方法來解決電容器殘壓測(cè)量的難題。1.過零觸發(fā)電路品閘管電壓過零觸發(fā)電路如圖 2.8所示。當(dāng)電源電壓與電容器的殘壓相等時(shí)，品閘管上電壓為零，光電耦合器就會(huì)輸出一個(gè)負(fù)脈沖，如果此時(shí)投入指令存在，此脈沖就會(huì)經(jīng)過一系列環(huán)節(jié)，產(chǎn)生脈沖用去觸發(fā)品閘管，保證品閘管的平穩(wěn)導(dǎo)通。當(dāng)TSC投入指令撤銷時(shí)，品閘管在電流過零時(shí)

36、斷開，直到微控制器下次發(fā)出投入指令，TSC才會(huì)在零電壓時(shí)重新投入。圖2.8晶閘管電壓過零觸發(fā)電路Fig.2.8 thyristor voltage zero crossing trigger circuit2.反壓觸發(fā)一般來講，無論電容器殘壓多高，它總是小于等于電源電壓幅值，則在一個(gè)周期內(nèi)，品閘管總有處于零壓或反壓的時(shí)刻。利用這一點(diǎn)，在品閘管承受反壓時(shí)，觸發(fā)脈沖序列開始，這樣當(dāng)品閘管由反向轉(zhuǎn)為正向偏置時(shí)就自動(dòng)進(jìn)入平穩(wěn)導(dǎo)通狀態(tài)。在兩種觸發(fā)電路中，晶閘管電壓過零觸發(fā)的使用范圍最為廣泛，無論電容殘壓出于何種狀態(tài)，具都適用。反壓觸發(fā)的成功率和電容器殘壓密切相關(guān)，只適用于電容器殘壓 小于電源峰值的情況。

37、2.3.4電容器的分組方式當(dāng)采用TSC補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，由于其輸出不能連續(xù)調(diào)節(jié)，電容器分組對(duì)補(bǔ)償效果構(gòu)成明顯影響。為了延長(zhǎng)電容器壽命，各組電容器投切頻度應(yīng)盡可能降低，且各組投切次數(shù)基本相當(dāng)。為了達(dá)到較高補(bǔ)償度，同時(shí)避免過補(bǔ)償，分組容量應(yīng)盡可能地小。二者之間存 在一定矛盾，提出合理的分組策略也是一個(gè)研究?jī)?nèi)容。電容器的分組方式有等容分組方式和不等容分組方式。所謂等容分組方式，是指各組電容器的容量相等，其優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，缺點(diǎn)是補(bǔ)償級(jí)差大，要想獲得較小 的補(bǔ)償級(jí)差，必須增加分組組數(shù)，相應(yīng)的控制設(shè)備及所占空間也需要增加。所謂不等容分組方式，就是指各分組電容器的容量不相等，具優(yōu)點(diǎn)是利用較少的分組就可獲得

38、較小的補(bǔ)償級(jí)差。例如 150kvar電容，按照8:4:2:1原則進(jìn)行分組可實(shí)現(xiàn)16級(jí)組合，各組容量分別是10kvar, 20kvar, 40kvar, 80kvar ，只需4組就可以達(dá)到10kvar的補(bǔ)償級(jí)差，若按等分方式，必須分成 15組才能達(dá)到10kvar的補(bǔ)償級(jí)差。本文采用了按照8:4:2:1原則分組的不等容分組方式，雖然軟件控制比較復(fù)雜，但卻 大大節(jié)省了電容器所占用的空間，也大大節(jié)約了電容器投切開關(guān)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了較高的 補(bǔ)償精度的同時(shí)也大大節(jié)約了補(bǔ)償裝置的成本。第三章無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的基本原理TSC的設(shè)計(jì)包括電壓、電流采樣、控制物理量的計(jì)算、指令計(jì)算與投切動(dòng)作的執(zhí)行

39、,完整系統(tǒng)工作流程如圖3.1所示圖3.1 TSC系統(tǒng)工作流程圖Fig.3.1 working flow chart of TSC system3.2主電路連接方式TSC的主電路按照品閘管和電容器的連接方式大致可以分為4種類型:星形有中線、星形無中線、角外接法、角內(nèi)接法。其中前兩者統(tǒng)稱為星形接法，見圖 3.2 o并聯(lián)電容器與電力網(wǎng)的連接，其額定電壓應(yīng)與電網(wǎng)相符。在三相供電系統(tǒng)中，單相 電容器的額定電壓與電網(wǎng)的電壓相同時(shí)，在正常情況下，將其接成三角形可以獲得較大 的補(bǔ)償效果，這是因?yàn)槿绻挠眯切谓臃ㄆ湎嚯妷簽榫€電壓的 1/瓷倍，又因Q=U 2/Xc, 所以其無功功率將為三角形接法的1/3倍。本次設(shè)

40、計(jì)使用三角形接法。按照品閘管所處 的位置，三角形接法又分為角外接法、角內(nèi)接法。1 .角外接法品閘管處于電容器三角形的外部。按照“一 Y”的變換原理，在電容器總?cè)萘肯嗟?的情況下，角外接法和星形無中線對(duì)外電路所表現(xiàn)的特性都是一樣的。與角內(nèi)接法相比 體積小，但是不容易控制、投切時(shí)暫態(tài)過程較長(zhǎng)，適合于三相平衡負(fù)載。2 .角內(nèi)接法品閘管處于電容器三角形的內(nèi)部。相對(duì)另外 3種接法，品閘管電流定額電流小，只 有相電流的58% ,但品閘管額定電壓定額較大，當(dāng)有較大不平衡負(fù)載時(shí)，三角形接法的 電容器組也可令各相電容值不等，根據(jù)各相負(fù)荷大小作分相補(bǔ)償。三相不平衡負(fù)荷的補(bǔ) 償裝置就是使用角內(nèi)接法的TSC+TCR的

41、形式。(a)內(nèi)接三角形(b)外接三角形(c)星形連接圖3.2主電路接線方式Fig.3.2 main circuit connection mode3.3無功補(bǔ)償算法的選擇傳統(tǒng)的無功定義前提是電壓電流不含諧波，因此只有在諧波干擾比較小的情況下才有較高的精確度。這里先討論電力系統(tǒng)中電壓電流都是正弦波的理想情況。無功功率的定義如下：Q=U 0X|0Xsin ?。?.（1）式中：Q為無功功率、U。、I0分別為電壓和電流的有效值、小為電壓和電流相位差?；?于這種定義，常用的測(cè)量方法有積分法、移相法和公式法。1.3.1 積分法積分法的理論基礎(chǔ)是：sin（）= Jcos（|）d小。積分法能實(shí)現(xiàn)余弦和正弦之間

42、的轉(zhuǎn)換。下面是積分法測(cè)量原理，令 ：U （t）= V2 Uosin（ wt）（3.2）I（t） = v2 Iosin （ wt-?。?.3）TtM= i（t） u d dt（3.4）00如果把式（3.4）的M為中間變量，把式（3.2）和式（3.3）分別代入式（3.4）化 簡(jiǎn)后可以得到:M= Uobsin()= T Q M 2 一Q= =)MT T2求出M后就可以求出Q值。下面對(duì)式(3.5)做離散化處理，設(shè)在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)電 壓和電流都采樣N次，用I(k)表示第k次電流采樣值，U(k)表示第k次電壓的采樣值, U(k)，表示u(t)的積分量。則有：2T t2 Nq= M= F i(t) u( )

43、d dt=-T I(k) U(k)(T T o oN k i(3.6)2 Nki I(k) U kN k 1j 13.3.2移相法移相法測(cè)量無功功率與積分法相似，理論基礎(chǔ)是sin(Hcos (/90。)|,通過移相來實(shí)現(xiàn)正余弦之間的轉(zhuǎn)換，基本原理如下)dt=u(t)i(t T)dt2 T 04Q=U 0I0sin =-T2U0I0Sin( t)sin( tT0(3.(7)式中：角速度，T為電網(wǎng)周期，t為時(shí)間具體的測(cè)量步驟為：先通過采樣和A/D轉(zhuǎn)換將電網(wǎng)的模擬電壓和電流信號(hào)采集到微處理器，然后進(jìn)行離散化處理。這里假設(shè)對(duì)每個(gè)周期的電壓和電流采樣 N次，則式(3.7)離散化得：k1UkikN4(3.

44、(8)式中：Uk是第k個(gè)電壓采樣值，ik+N/4是第k+N/4個(gè)電流采樣值，這樣只要對(duì)電流和電 壓進(jìn)行較高頻率的采樣，就能根據(jù)式(3.8)求得無功功率移相法的精度易受非同步采用影響，主要通過圖 3.3的頻率鎖相裝置來解決圖3.3頻率同步數(shù)字鎖相裝置框圖Fig.3.3 the block diagram of frequency synchronization digital phase lock device3.3.3公式法直接根據(jù)無功功率公式 Q= U0I0Sin（I）,求出三個(gè)未知量U。、Io和小。分別在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)電壓和電流采樣N次。則根據(jù)有效值的定義進(jìn)行離散化得：NUo= . u2 N

45、(3.(9)N(3.10)Io= .ik N；k 1式中:uk是電壓的采樣值；iK是第k次電流。電壓電流相位差小可以通過檢測(cè)電壓和電流的過零點(diǎn)來檢測(cè)。當(dāng)電壓和電流由負(fù)向正上升突變時(shí)，分別在t (0)、t (1)產(chǎn)生中斷，并在兩個(gè)中斷期間用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到相 位差小二tJ(0) 2 ，得到小后，sin小可以通過軟件查表法求出。3.4電容器補(bǔ)償容量計(jì)算電容器補(bǔ)償容量的科學(xué)計(jì)算是無功補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)重要環(huán)節(jié)，補(bǔ)償容量的精確性直接關(guān) 系到補(bǔ)償?shù)男Ч?。而不同的補(bǔ)償方式，計(jì)算補(bǔ)償容量的方法也不盡相同。容量補(bǔ)償?shù)姆?法有三種方式，即分散補(bǔ)償、集中補(bǔ)償和就地補(bǔ)償，下面就對(duì)這幾種方式的補(bǔ)償容量計(jì) 算進(jìn)行說明。1 .集中

46、補(bǔ)償與分組補(bǔ)償容量的計(jì)算。通常來說，集中補(bǔ)償和分組補(bǔ)償容量的計(jì)算方 法是一樣的，一般按提高功率因數(shù)的需要確定補(bǔ)償容量。方法是：先根據(jù)各用戶所有設(shè)備計(jì)算出總平均功率PMAX及總平均功率因數(shù)cos(K 再確定補(bǔ)償后的功率因數(shù)cosM,則 補(bǔ)償容量可由下述公式計(jì)算：11Qc= PavPmax (tg (|)1-tg 心尸 BavPmax -1 1C cos 小 1 C cos 小 2(3.11 )式中：Qc為需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率(kvar)；fkv為月平均負(fù)載率；Pmax為由變電所供電的月最大有功功率計(jì)算負(fù)載(kW);3為補(bǔ)償前的功率因數(shù)角，可取最大負(fù)載時(shí)的值；采用公式(3.11 )時(shí)，一般都將負(fù)載率

47、取為 70%80% 。在此還要注意，采用公式(3.11)來計(jì)算補(bǔ)償容量時(shí)，通常并不把補(bǔ)償后希望達(dá)到的功率因數(shù)cosg設(shè)置為1。因?yàn)楣β室驍?shù)越高，補(bǔ)償容量減少損耗的作用將越小。功率因數(shù)與補(bǔ)償容量的關(guān)系曲線如圖3.4所示，圖中Q0K=(3.12)PMAX 虱從功率因數(shù)與補(bǔ)償容量的關(guān)系曲線可以看出，功率因數(shù)值越接近1,需要投入的電容器比例越大，投資效益比越小，因此再增加補(bǔ)償容量也是不經(jīng)濟(jì)的。通常情況下，將功率因數(shù)提高到0.95就是合理補(bǔ)償。COS 2 .1.00 0.95 0.9。 0.85 0 80 0.75 0.70 0.65 0.60 0,55 0.50圖3.4補(bǔ)償容量與功率因數(shù)的關(guān)系曲線Fi

48、g.3.4 relation curve of compensation capacity and power factor對(duì)于以上兩種補(bǔ)償方式，也可采取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法來計(jì)算補(bǔ)償容量，即式中：仆為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Wh為配變?nèi)萘俊?yīng)用公式（3.13）計(jì)算補(bǔ)償電容器容量時(shí)，通常 K眼為變壓器容量的1/3左右。2.個(gè)別補(bǔ)償容量的計(jì)算。對(duì)單臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)個(gè)別補(bǔ)償時(shí)，若電動(dòng)機(jī)與電源突然斷開，電容將對(duì)電動(dòng)機(jī)放電，易造成過電壓，損壞電動(dòng)機(jī)。為防止這種情況出現(xiàn)，補(bǔ)償電容不宜過大，應(yīng)以電容器在此時(shí)的放電電流不大于電動(dòng)機(jī)的空載電流I0為限，因此，單臺(tái)電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償容量按下式計(jì)算：QcUe|0（3.（14）式中：Qc為補(bǔ)償電容器容

49、量（kvar）；Ue為電動(dòng)機(jī)的額定電壓（kV）；I。為電動(dòng)機(jī)的空載電流（A）;電動(dòng)機(jī)空載電流I。可以按電機(jī)型號(hào)在電工手冊(cè)中查到，也可以在額定電壓Ue下實(shí)測(cè) 或估算得到。由于本研究是以線路傳輸?shù)臒o功功率最小為控制目標(biāo)，因此根據(jù)最大有功功率和補(bǔ) 償前功率因數(shù)最低值計(jì)算出由系統(tǒng)供給的無功功率，即最大補(bǔ)償容量。Qc=Pmaxtg（|）i（3.（15）式中：Pmax為最大有功功率；第四章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件上采用TI公司的32位定點(diǎn)TMS320LF2812DSP 進(jìn)行控制，具有運(yùn)算速 度高、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，采用晶閘管投切電容器，全數(shù)字化控制，液晶顯示，界面實(shí)時(shí) 顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)電容器快速、無弧、

50、無沖擊投切，具有優(yōu)良的性能。投切原則 上采用綜合無功功率控制，避免輕載震蕩，TSC無功補(bǔ)償控制器裝置的硬件電路主要由檢測(cè)、控制、執(zhí)行和電源四個(gè)部分組成，檢測(cè)部分主要是對(duì)負(fù)載的電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)， 并將其參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制單元所能接受的信號(hào)；控制單元由DSP完成電壓和電流值的計(jì)算，再根據(jù)控制補(bǔ)償規(guī)則，做出投切決策并輸出投切指令；執(zhí)行單元接到命令后，通 過品閘管控制補(bǔ)償電容器的投切。4.1系統(tǒng)硬件總框圖如圖4.1 ,電網(wǎng)的電壓直接接入控制器（輸入線電壓0 660V ）,電流經(jīng)電流互感器（輸入電流0 5A）接入控制器，信號(hào)調(diào)理部分將它們轉(zhuǎn)變?yōu)樾》档碾妷盒盘?hào)（3.3V）接到DSP的ADC,經(jīng)過DSP

51、的采樣、分析、計(jì)算，并根據(jù)結(jié)果，結(jié)合投切策略，自動(dòng)控制FPGA進(jìn)行晶閘管投切電容器組，再將計(jì)算結(jié)果送到雙口RAM ,同時(shí)DSP還負(fù)責(zé)電容器的保護(hù)電路控制。MCU負(fù)責(zé)將計(jì)算結(jié)果送到液晶顯示，同時(shí)掃描鍵盤。EEPROM記錄控制器重要參數(shù)的變動(dòng)。兩個(gè) CPU之間通過雙口 RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。復(fù)位電路=s EEPROMDSP邏輯電平轉(zhuǎn)換RAM8051單片機(jī)電流信號(hào)*3 復(fù)位電路電壓信號(hào),指小燈串口通訊模塊圖4.1系統(tǒng)硬件總框圖Fig.4.1 General block diagram of system hardware4.2系統(tǒng)各功能模塊控制器的硬件按完成的功能主要由電源模塊、信號(hào)變換及調(diào)理模塊、

52、AD采樣模塊、鎖相同步采樣模塊、通訊模塊、可控硅驅(qū)動(dòng)模塊、補(bǔ)償電容器過載電流調(diào)理模塊組成。4.2.1 電源模塊低壓無功補(bǔ)償控制器的整個(gè)系統(tǒng)工作在直流電源為+12V , - 12V , +5V和+3.3V的環(huán)境下，電網(wǎng)中220V或者380V的電壓若想要直接接入低壓無功補(bǔ)償控制器，那么 就需要變壓。+12V電源和-12V電源不但是繼電器工作的驅(qū)動(dòng)電壓，而且又起到維持整個(gè)控制系 統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的作用。+5V電源既是DSP和液晶的輸入電源，同時(shí)也是MCU及各邏輯芯片的供電電源。+3.3V電源則是為FPGA和DSP提供電能。所以需要將電網(wǎng)中的電能轉(zhuǎn) 換為低壓無功補(bǔ)償控制器需要的+12V , - 12V, +

53、5V和+3.3V的直流電。如圖4.2,電網(wǎng)中220V的電壓通過變壓器輸出+12V , - 12V和+5V三種不同的電 壓信號(hào)。+12V的電壓是通過電源穩(wěn)壓塊 7812獲得的，+5V的電壓是通過電源穩(wěn)壓塊 7805獲得的。如圖4.3, +3.3V電壓是通過TI公司的TPS767將+5V的電壓轉(zhuǎn)化為+3.3V 。圖4.2 +12V和+5V電源廣生模塊Fig.4.2 +12V and +5V power generation module如圖4.3 +3.3V 電源產(chǎn)生模塊Fig.4.3 +3.3V power generation module4.2.2電流、電壓信號(hào)調(diào)整電路信號(hào)分為電壓信號(hào)和電流

54、信號(hào)，如圖 4.4,電網(wǎng)中的電流信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過了一次 LMA1_0.5型電流互感器，此時(shí)的電流信號(hào)小于 5A,但是此時(shí)的電流信號(hào)并不能直接被 AD采樣采集，因?yàn)锳D只能接收一定范圍的模擬信號(hào)，所以需利用 0.1級(jí)的TA-200將 小于5A的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為毫安級(jí)別的信號(hào)，并利用電阻得到小電壓信號(hào)，冉將這個(gè)電 壓信號(hào)經(jīng)過跟隨、放大、上拉等操作調(diào)節(jié)成AD可以直接采樣的-2.5V2.5V的電壓信號(hào)。 第一級(jí)運(yùn)算放大器起到電壓跟隨的作用。第二級(jí)運(yùn)算放大器將雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性信號(hào)，起到極性變換的作用。第三級(jí)運(yùn)算放大器將信號(hào)中的高頻干擾過濾，起到低通濾波的作用。電壓信號(hào)的調(diào)整與電流信號(hào)基本一致， 如圖4.

55、5,電網(wǎng)中的電壓信號(hào)通過電壓互感器 NDK (BK) -50和電壓信號(hào)調(diào)整電路后變成 03.3V的電壓并傳送至AD進(jìn)行采樣。圖4.4電流信號(hào)調(diào)理電路Fig.4.4 current signal conditioning circuitFig.4.5 voltage signal conditioning circuit4.2.3AD采樣模塊在TSC低壓無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，采用美國德州儀器（TI）公司的TMS320系列DSP, TI公司的TMS320系列是目前世界上最具有影響力的的主流 DSP產(chǎn)品，并 占據(jù)著世界上DSP市場(chǎng)的最大份額。TMS320F2812 是TMS320C28x系列的代表產(chǎn)品，是32位定點(diǎn)DSP, 32位定時(shí)器，具有158MIPS、片