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低压无功补偿系统研究
摘 要
本文主要介绍低压无功补偿装置的基本原理、控制方案以及硬件方面的选型和设计。
该补偿系统采用TI公司的定点TMS320LF2812系列DSP和MCU的双控制器进行控制，TMS320LF2812为补偿装置的总控制器，具有自动采样计算、无功自动调节、故障保护、数据存储等功能。
同时具备指令运算速度快（约100MIP）、运算量大的优点，同时MCU与外部设备进行通讯，互不干扰，更好的满足了实时性和精确性的要求。
采用晶闸管控制投切电容器、数字液晶实时显示系统补偿情况，可以实现快速、无弧、无冲击的电容器投切。
为了更详细的介绍该系统，在论文第四章设计了比较完整的各功能模块的硬件电路图，其中包括电源模块、信号变换及调理模块、AD采样模块、锁相同步采样模块、通讯模块等。
关键字：
低压无功补偿；晶闸管投切电容器；DSP
Abstract
Thispapermainlyintroducesthebasicprincipleoflow-voltagereactivepowercompensationdevice,controlschemeandhardwareselectionanddesign.
ThecompensationsystembyTIcompany'sfixed-pointtms320lf2812seriesDSPandMCUdualcontrollercontrol,tms320lf2812compensationdevicecontrollerwithautomaticsamplecalculation,automaticreactivepowerregulation,faultprotection,datastorageandotherfunctions.Atthesametimewiththeinstructionoperationspeed（about100MIP）,theadvantagesoflargeamountofcomputation.Atthesametime,MCUandperipheralequipmentcommunicationanddonotinterferewitheachother,bettermeettherequirementsofreal-timeandaccurate.Theuseofthyristorcontrolledswitchedcapacitor,digitalLCDdisplayreal-timecompensationsystemsituationcanachievefast,noarc,withouttheimpactofthecapacitorswitching.Inordertomoredetailedintroductiontothesystem.Inthefourthchapterofthethesisdesignthehardwarecircuitdiagramofeachfunctionmoduleofrelativelycomplete,includingpowermodule,signaltransformationandconditioningmodule,ADsamplingmodule,phaselockingsynchronoussamplingmodule,communicationmoduleblockandsoon.
KeyWords:
Lowvoltagereactivepowercompensation;Thyristorswitchedcapacitor;DSP
目 录
第一张 绪论
1.1选题的背景与意义
近年来，由于从电源电压的崩溃停运引起世界各国的国家强烈反应的大的面积。
美国8.14停电持续时间长达72小时，美国造成了非常显著的经济损失和社会影响，它深刻地意识到了事故应具备无功功率足够的电源容量，无功功率不能依靠远距离传输大环境下，市场的力量，必须制定统一的规定，以鼓励独立电力生产商和运营商能够从整个系统安全运行的备份提供足够的无功功率。
电压崩溃也出现在我们的失败多次，如1993年和1996年的几起事故南方电网，这些事件警示人们采取各种措施，以保持电网稳定。
早并联电容器和同步补偿器通常用作无功功率补偿装置，常在系统中补偿的高压侧。
由于在并行的广泛应用电容器，或作为补偿的重要途径。
芯同步补偿同步电动机，当励磁电流被改变，电动机可以顺利而不改变输出大小和工作的电流方向，则电力系统的稳定运行起着关键的作用。
但同步补偿器，安装复杂，难以维持的推广和使用其会话限制的成本。
快速增长经济的快速发展和人民生活水平的不断提高电力负荷带来的。
虽然电网无功功率的问题引起广泛关注。
随着电力电子技术，各种电力系统电力电子器件，运输和家庭的迅速发展，广泛使用，但大部分的功率因数的低功率电子器件，其在电力传输系统中占了无功功率消耗电力大的功率消耗，并增加而增加的设备和接线可能导致增加的无功电流，从而产生了大量的活性功率损耗，同时允许功率因数低，系统的压降。
低压动态无功补偿技术的设计是一个系统工程，它涉及到深低压动态无功补偿装置和系统理解的基础上选定的控制信号和抽样方法基于控制器的软件设计和硬件实现的许多方面。
主题无功控制的方法来探测和研究动态无功补偿装置的原理进行了研究，以确定其控制策略，设计主电路和控制电路，一个完整的动态无功补偿系统的硬件设计。
1.2低压无功补偿装置的发展状况
为了提高无功功率危险的问题与系统，人很早就掌握了各种无功补偿及电力系统，通常同步发电机，同步调相机，并联电容器和静态无功补偿装置等方式来控制使用的反应功率。
由于其技术和经济优势，这些设备仍然被广泛使用在我国和其他发展中国家。
无功功率主要由电容和电感系统，主要以第一人称的生产被动补偿法的形式。
该方法的核心是安装总线系统的一定体积串联或并联电容器或电抗器。
同步补偿属于有效的补偿，是一个同步机并联补偿装置，同步冷凝器是一个优点：
当系统电压下降时，功率因数得以提高，以维持电网电压平衡的功能，相当于同步冷凝器被拖动到一定的速度，并与电力系统同步机同步操作。
当电机是同步操作，根据人的需要控制它的磁场，以产生无功功率或从系统吸收无功功率。
该相机还具有一个同步相位调制功能，但是它的动态响应是缓慢的，这是考虑一定量的无功功率的功率消耗是大的，复杂的和快速变化的系统维护无法适应所有类型的非线性载荷。
晶闸管控制反应器（TCR），可控硅开关电容器（TSC）和两个固定装置（TCR+TSC）和其他形式的组合物无功补偿器（SVC）组合，事实上，可以看出是一个可调节的和UMC满意，其性能比并联电容器好得多。
SVC的最重要的特点是，它具有保持的端子电压稳定功能，所以它必须不断地调整功率和电力转换系统，它是第二自然响应速度敏感。
为了调整和完善国家权力系统的传统的静态无功补偿器的瞬态性能起着及其控制技术的重要作用已经比较成熟，所以它已在实际电力系统得到充分的应用。
但是他们有一个共同点，那就是，在逆变器时，有在使用可控硅晶闸管控制的没有变化，容易出现的现象，而且会需要大量的感性或容性产生大量感性无功和容性无功功率，这么多人，我们希望新的方式来改善上述缺陷补偿。
1.2.1国外情况
静态无功补偿装置SVC也被称为静止无功补偿系统是相对于反应器电容摄像头和无功补偿装置进行调整。
英国制造于1967年，是世界的强烈关注成功后，第一次的设备改造静止无功，苏联，美国，瑞士，瑞典，西德，比利时等国家已经制定并大力推广使用除冷凝器的静态补偿意味着有较大的影响，广泛应用于电力，铁路，科研，冶金，化工等部门。
成为无功补偿，电压调节，提高功率因数，过电压限制系统，提高设备的运行状况。
国际著名电气公司已经开发不同类型的静止无功补偿技术。
根据该设备和方法的反应性性质可分为填充固定静态电容，固定电感器，可变电容器，可变电感器，电容固定可变电感器的六个不同的组合，可变电容器情绪变化+我们通常称为补静态无功功率补偿装置是指固定+可变电容电感式，电容可变的变量+感。
对于可变感应场可以从饱和电抗器可分为直流饱和电抗器，上演的反应器和调节阀。
由于高压晶闸管开关触点出现连续调整，已逐渐取代可控的感性或容性无功功率提供了一个简单，可靠和灵活的技术支持。
目前国际几大产品形式是FC+TCR（固定+可变电容和电感）在80年代初逐步发展TSC+TCR技术，并在无功补偿系统的第一次。
在其他国家，无功补偿系统主要依赖于SVC和电容器，并积累了丰富的经验，并取得了预期的效果。
1.2.2国内情况
武汉钢铁公司70年代初以后，进口直流励磁饱和电抗器和电容器来自日本，比利时，静态无功补偿的形成，国内鱼粉不同的无功补偿问题予以关注。
平行非功能性的最高补偿电容器的方法。
在低电压（10KV以下）的供电网络，大量的并行电容，以满足监管机构的要求，成为无功补偿的问题是越来越多的关注，政府自1970年代以来，随着研究深化出现无静电的无功补偿技术。
经过20多年的发展技术，不断创新，不断完善。
静止无功补偿器是不同的静态开关电容器或电抗器，它具有吸收和无功电流的发射，一直保持平衡，稳定系统电压振荡抑制系统的功能，如功率系统的功率因数。
仍然分为电流切换功率的电子断路器和开关。
因为作为接触断路器，开关速度慢，约10〜30秒后，不快速跟踪无功功率的负载变化，并且开关电容器常常引起更严重的浪涌电流和过电压操作，所以可能不仅会导致接触点松动，和内部补偿电容故障维修。
用在发展和电力电子技术，电力系统，交流和随后的无触点开关GTR，SCR，GTO等应用作为开关，开关速度提升（约10毫秒），适用于各种无功补偿系统参数可以在一个周期内完成，并且可以调节单相。
或者一般称作无功功率补偿装置特别是指使用的可控硅无功功率补偿设备，主要有三种类型，一种仍未饱和电抗器的无功功率补偿装置（SR），第二类是可控电抗器装置（TCR），可控硅开关电容器（TSC），这两个装置都统称为在SVC，第三类是利用自变换变换器技术静止无功发生器（ASVG），静态无功功率补偿装置。
1.3本课题研究的主要内容
本文研究关于设计一种基于DSP做为主控制器的TCR型低压无功补偿装置。
如表1.1所示，比较来看TSC具有响应时间短、运行稳定、分相调节、适用范围广、能平衡有功功率等优点，而且TSC具有较好的灵活性、占地面积较小、产生的噪声和高次谐波较小，与无功发生器SVG比较具有控制简单、开发时间短、成本低的优点。
表1.1各种无功功率补偿装置的性能对比
Table1.1performancecomparisonofvariousreactivepowercompensationdevices
TSC
TCR型SVC
MCR型SVC
SVG
吸收无功
分级
连续
连续
连续
响应时间
20ms
20ms
100ms
10ms
运行范围
容性
感性到容性
感性到容性
感性到容性
谐波
受系统谐波影响大，自身不产生谐波
受系统谐波影响大，自身产生大量谐波
受系统谐波影响大，自身产生大量谐波
受系统谐波影响小，可抑制系统谐波谐波
受系统阻影响
大
大
大
大
损耗
小
大
较大
小
分相调节能力
有限
可以
不可以
可以
噪声
较小
小
较小
小
体积
大
大
较大
小
第二章 TSC无功补偿的基本原理
SVC是当前应用最广的动态无功补偿装置。
而且TSC又是SVC的一种形式，TSC又称晶闸管投切电容器。
本章介绍了无功补偿的基本原理以及对TSC无功补偿当中的关键技术进行分析。
2.1无功补偿的基本原理
1.功率因数：
电网中负载的电压和电流的相位存在一定差异，相位差的余弦值cosφ就是功率因数。
功率因数在数值上等于有功功率和视在功率的比值，即:
P/S=cosφ（2.1）
在电力网的运行中，我们希望功率因数越大越好，若想要满足功率因数变大，则电路中的视在功率将充分转化为有功功率，来减少无功功率的消耗。
2.有功功率、无功功率、视在功率：
有功功率是指负载直接消耗的功率。
对于有功功率有:
P=U×I×cosφ（2.2）
磁场的能量由电网供给，在这些电器的运行中，上半周期为吸收功率，下半周期为释放功率，功率只在电器和电网中相互变换，并没有真正作为热量或者功率作用出去，简而言之就是能量并没有被消耗掉。
这样的功率称为无功功率。
无功功率可以分为感性无功功率和容性无功功率。
感性无功功率表示电压超前电流，那么相位角差值φ为正。
容性无功功率则表示电压滞后电流，相位角差值φ为负。
在同一个端口之中感性无功功率和容性无功功率可以相互抵消。
这是因为当前电网大部分负载均为感性，容性负荷将抵消掉电网中的感性无功功率，所以看起来就是感性无功功率是从电网中获得的，而容性无功功率是设备自己发出来的。
无功功率有:
Q=U×I×sinφ（2.3）
视在功率有:
S=
=U×I（2.4）
所以有功功率、无功功率和视在功率可以满足直角三角形勾股定理的关系，又称功率三角形，如图2.1所示：
S
Q
φ
P
图2.1功率三角形的关系
Fig.2.1relationofpowertriangle
由功率三角形可以清楚的得出：
在有功功率一定的情况下，功率因数角φ越大，功率因数cosφ越小，所需的无功功率Q越大，那么视在功率S也就越大。
2.2低压电网无功补偿的方式
因为无功功率补偿装置的设计，电容器补偿的负载电容不仅未补偿时间，电容器布线，以及相关的补偿方法中。
根据不同的安装位置补偿装置，低压网络可分为无功补偿（随机补偿或就地补偿）个人赔偿，集中补偿，补偿组（色散补偿）。
三补偿如图2.2:
T
M
C1C2
C3
图2.2低压无功补偿方式
Fig.2.8lowvoltagereactivepowercompensation
1.个别补偿：
补偿也被称为随机点。
它是基于从个人电子设备的无功功率需求，分布式和并行低压电容器的电气设备的电源电路基团一般共享一组开关和电器设备的，如图2.2C1中。
同时与电机或低压电容器组放出操作，由电动机，以便消耗掉，以获得无功补偿当场的部分，以使输入无功功率分配线路运送的安装点被减少，可以显著减少损失。
个人赔偿的优点是：
长期和中小型异步电动机时工作时间，减少损失和对个人的节能效果补偿显着。
但也有缺点：
例如，在某些时候或更少的低位运行设备的利用率，补偿电容的利用率不高，而且还因为它是一个接一个补偿，补偿容量会增加，使总投资增加补偿装置。
2.集中补偿：
通过图1中的低压开关或专用变电站低压配电房母线侧到用户，2.2C2低压无功补偿设备连接。
为了弥补的配电变压器及以上输电线路和变电站的无功功率损耗的损失，但也可以是接近的380V配电线路供给的前部和由电气设备的无功功率消耗进行。
对于低压供电半径短，集中载荷或不合适的地方，发现电气设备，采用补偿电容补偿分组交换，还能调节，改善电压质量。
低压集中补偿的优点是：
布线简单，易于维护和控制，具有很高的经济性，是无功补偿使用最常用的手段之一。
但是也有缺点：
首先，节能效果较差，它只能被安装，以减少由于由在传输点线路和变压器无功功率损耗，但不能减少无功负载用户的内部分布的损失网络造成从而降低使用中的补偿装置的值。
第二，减少了电容器的寿命。
自安装在配电室的聚焦补偿装置，靠近电容器柜配电变压器，它的输出电压通常是承受比低电压430V400V或以上，更经常，更失控时自动补偿装置，将导致在过电压电容运转，发热，变形，裂纹等缺陷。
3.补偿方案，也被称为色散补偿。
以这种方式补偿是由无功负载分配分组中设置在每个总线安装电容器低电压配电网络，也可以直接连接到低电压线，形成了多组的低压电网内部色散补偿的，如图图2.2C3。
无功功率补偿不再通过上述主干线输送，使无功功率分配主变压器和功率损耗模式相应减少。
丢包补偿，并能效焦点被显著相比下降到补偿，特别是在电力负荷更远点，更高的补偿的效率。
优点补偿方案：
进行反应区控制，原位反应负载均衡配电变压器，减少无功潮流配电线路，变电站所以在这显著降低线路损耗;分组交换电容负载的变化，比个人赔偿的效率，组补偿较高的整体水平虽然不如便于集中管理的补偿，但补偿多单电机很容易控制。
缺点是：
如果你不能安装电容器组，无法调节，可根据补偿或赔偿的补偿容量出现操作;上述一次性投资补偿分组集中补偿，运行控制较集中补偿更加复杂。
2.3晶闸管投切电容器的原理
2.3.1晶闸管投切电容器的基本原理
TSC，也被称为TSC系统是相对独立的动态无功补偿，广泛用于供电网络中的波动的配电网络动态无功补偿。
机械开关电容器，晶闸管开和关相对于非接触，其工作寿命几乎是无限的，并且晶闸管开关时间可以精确控制，它能快速而不会影响连接到电网的电容器，大大减少了投资，同时切割电流和经营困难，敏感的动态响应。
的基本原理示于TSC的图2.3。
图2.3（一个），这是仅有的两个反并联晶闸管电容器或断开从电网网状的效果，但只用于抑制浪涌电流可能会导致电容器的单相电路示意图，示出，在许多情况下，一个小的串联电感器，网络格鲁吉亚，这往往是不绘制电感。
因此，当输入电容，电流-电压特性的伏安特性示于图TSC电容器，该OA。
（C）。
在实际工程中，电容器通常被分成若干组，如图2.3（b）中，各组的投票可以由晶闸管进行切割。
根据输入电容器的数目可以是不同的基团的电流特性图-在这种方式下，根据需要无功功率电网切换这些电容器，TSC是实际吸收动态无功功率补偿器，所述电压调节器间歇感性无功功率在OA，OB或2.3（C）的业主立案法团。
当TSC三相电路中，可以是三角形连接，它可以是一个星形连接，各相被设计为示出的图分组交换2.3
（二）英寸使用整数个半周TSC控制，输入电容可以根据电网的无功功率需求而改变，TSC分类调整成为动态无功功率补偿装置。
如果串联分享足够的细化，实现无级调节。
（a）单相结构图（b）分组投切的TSC单相图（c）电压-电流特性
图2.3TSC的基本原理
Fig.2.3basicprinciplesofTSC
通常有两种晶闸管阀布线：
两个反并联晶闸管和晶闸管反并联二极管。
两个电容器开关，不同之处在于前者晶闸管阀承受较低的最大反向电压时，电源的峰值电压，控制比较复杂;后者投资小，简单的控制，但晶闸管阀承受的最高反式电压，二次电源的电压尖峰，所以我选择使用它的连接，它应根据技术经济比较。
开关式电容器负载变化是基于网格来决定当电网的无功功率的增大，电压降，输入电容器，相反，以除去电容器。
电容器组等距包，数据分组从两种内容。
前者是容易实现自动化控制，但较大的差异补偿，这可以用更少的数据包，以补偿小的差异，但不容易得到控制。
考虑了系统的复杂性，以及经济问题，在实践中可以是它使用了一个电容器k-1个电容值的所谓的二元容量，并且系统是C，和C是电容值/2，从零最大调整赔偿金额，有2K级别。
的方式在一个单元的最小电容，从而决定尺寸精度的补偿。
2.3.2补偿回路的构成及原理
交流电路中，纯电阻负载的电流IR与电压U同相位；纯电感负载的电流IL比电压U滞后90。
；纯电容负载的电流IC比电压U超前90。
。
如图2.4所示:
IC
IR
U
IL
图2.4电流相位图
Fig.2.4currentphasediagram
网格设备通常是电感性电负载，使得该模型可以是负载电路的R，L表示的串联电路。
图2.5（A）中作为补偿循环模式中，M是一个补偿点中，Q是必需的无功负载的负载，如果没有补偿装置，从所述负载侧的电源来实现无功功率Q0，它被设置时Q0=QL补偿装置中，由于无功补偿电容器提供之前流血QC，然后由Q=QL-QC减少无功功率供应的，如图2.5（b）该功率因数从COSφCOSφ'，视在功率选自S降低至S增加。
（a）补偿回路模型（b）补偿原理示意图
图2.5补偿原理
Fig.2.5compensationprinciple
可以减小视在功率降低变压器部分和电源线的能力，降低了电气设备投资的供应。
例如，1000千伏安变压器时的0.7的负载功率因数，为有源负载700KW，当负载功率因数高达0.9，为900千瓦有功功率。
相同的变压器作为负载功率因数得以改善，并更加为200千瓦负荷，这是相当大的。
（2.5）
可见，因采用无功补偿装置后，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降低，从而提高了供电效率。
又由电压损耗计算公式:
（2.6）
我们可以看到，使用的无功功率补偿的措施，由于电网通过降低无功功率，减少电网电压损失，提高在用户电压质量。
在图2.6，其中U是电压工作补偿电路，IL的一第一线电流补偿，将补偿装置，一个电流将流过该电容器的IC，然后流过R，L系列分支仍然存在于IL，但比电流矢量IL平行点M和IC和我之前=IL+IC。
在正常情况下的IL≠-IC，则存在两种情况：
如果电容器的电容量小，感性无功负载电流是不完全的补偿，当我滞后ü功率，如图2.6（a）该节目的赔偿的索赔提起赔偿;如果电容器的电容很大，在如图2.6出现的情况（B）中，然后加载感性无功电流之后还有剩余电容电流被完全补偿，我推动U中的功率，这种补偿是公知的作为过补偿。
通常不希望过补偿的情况下，因为这将导致增加在变压器次级电压，并且电力传输线也将增加电容无功功率，这无疑增加了电容器本身的损失，影响的生命电容。
ICIC
φ’
φ’
I
φ
U0U
φIIC
IL
IL
（a）欠补（b）过补偿
图2.6补偿回路工作原理
Fig.2.6workingprincipleofcompensationcircuit
2.3.3晶闸管触发原则
电压晶闸管晶闸管一般原则通常进入时间，输入的TSC的时间，电容器必须是预充电电源电压等于开口时间。
因为根据电容器的特性时，电容器电压被施加到步进变化会产生影响的电流，因而有可能破坏或不利地影响功率晶闸管频率振荡。
如果该电容器充电电压仅等于峰值电源电压的输入电容前峰值功率点在这一点上被接通时，由于电源电压（时间微分）变化率是零，因此，目前的集成电路的，但零，电源电压变化率将按照一个正弦电流IC正弦上升而增加。
因此，整个投资过程中不会产生影响，不仅电流，但在当前的步骤没有变化。
这就是所谓理想的投资时间。
图2.7是一个电路图。
图2.7功率补偿电路图
Fig.2.7powercompensationcircuit
为了触发的一般原则选择合适的时间是：
当TSC的输入电容，它是开放的晶闸管的时刻必须在电源电压和所述电容器的相同幅度和相位的残余电压。
但是在电容器放电的充电电压之前，无论是难以测量它多少是要解决由剩余电压问题的一些其他方法测量的电容器。
1.过零触发电路
2.8零电压晶闸管触发电路在图所示。
当电容器的剩余电压等于电源电压，电压晶闸管零，光耦合器输出到
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