《数字式电容投切无功补偿控制器设计报告》.docx

数字式电容投切无功补偿控制器设计目录摘要错误!未定义书签。Abstract 错误!未定义书签。1绪论11.1选题背景11. 2无功补偿器开展历程11.3 无功补偿装置的优缺点及现状31.4 本文主要内容与章节安排42数字式电容投切无功补偿控制器总体设计42.1无功补偿的基本原理42. 2无功补偿的意义62. 2.1无功补偿主要有以下作用： 72.3系统总体框图83系统硬件设计83.1硬件系统结构83. 2核心模块设计93. 2. 1 STC12C5A08S2 的引脚功能103.3采集模块设计113. 3. 1 LM324D 概述12置安装无功补偿装置，也可以提高输电系统的稳定性和输电能力。3在电气化铁路等三相负荷不平衡的情况下，可以通过适当的无功补偿来平衡三相 有功负荷和无功负荷。2. 3系统总体框图现有的低端控制器是基于功率因数进行控制的，虽然这种控制器价格廉价，性能很 差，已经被淘汰了，所以这里就不介绍了。现有的高端控制器都是基于无功功率进行控 制。负 栽负载电流检测电路电容器组电容器组控制电路图2. 3系统总体框图但除此之外，设计中往往注重文字显示和数据通信等方面。无功补偿控制是无功补 偿控制器的主要功能，实现无功补偿的完美控制实际上是相当复杂的。只有当主功能相 当完善时，才能考虑其他的功能的开展。3系统硬件设计3.1硬件系统结构图3.1硬件系统结构一般来说，可以对负载造成的武功电流使用电容器进行补偿，至此出现无功补偿。 简单来说就是，在电网运行的过程中将产生无功和有功功率，过大的无功功率会增加电 网线路的损耗，这就需要对电网进行无功补偿，以确保感性负载的水平。本设计主要使用的是STC12C5A08S2芯片，下面介绍其主要功能及cpu周边电路元 件线路原理，模块设计包括：采集模块设计、输出模块设计、通信模块设计、人机接口 模块设计、电源模块设计3. 2核心模块设计单片机是集成在单片机上的一个完整的计算机系统。虽然它的大局部功能都集成在 一个小芯片上，但是它拥有一台完整的计算机所需要的大局部组件:CPU、内存、内外总 线系统，而且大局部仍然有外部内存。同时集成了通讯接口、定时器、实时时钟等外围 设备。现在最强大的单芯片系统甚至可以将声音、图像、网络和复杂的输入输出系统集 成到一个单芯片中。STC12C5A08S2是具有1个时钟/机器周期，高速、高可靠，2路PWM, 8路10位高 速A/D转换，25万次/秒1T 8051带总线,无法解密,如图3. 2管脚直接兼容传统89C52 的新一代宏晶芯片。新一代宏晶芯片具有1个时钟/机器周期，快速、可靠，2路PWM, 8路10位高速A/D转换,25万次/秒1T 8051带总线，无法解密,管脚直接兼容传统89c52,有全球唯一 ID号可省复位电路,36-44个I/O内部R/C时钟的新一代宏晶芯片加密性强,解密难度非常高。XTAL1XTAL2P30 IQP31 1J itP I； DAT-il?RSTEATP PSEN ALEDAT21C DAT】l交 ：）ATC1 =4P20P3.0RxDP3 1 TxD P3.2fNTO P3 3INT1P3 4 ToP3 5 TlP3 6WFP3.7RDVSSVCCPO O ADO P0 1 ADI P0 2 ADZ P03 ADS P0 4 AD4 P0 5 ADS P0 6 AD6 P0 7 AD7P1.CXT2Pl 1 T2BXPl 2 Pl 3Pl.4 Pl.5Pl 6 PI 7pz.aASP2.1 APP2 2 A10P2 3 All P2 4 A12 P2.S/A13 P26 A14 P2.7A15401 ADCO2DATl° LDATPDATS 戋AT 了 "DAT6 7dats =I=-mmalnvmT李皿要BELL 有 Tdatii -1- STC12C5A0SS2图 3. 2 STC12C5A08S2 电路图3. 2. 1 STC12C5A08S2 的引脚功能VCC：供电电压;GND：接地：P0 口，P0 为一个8位漏级开路双向I/O 口，每个管 脚可吸收8TTL门电流。当P1端口的引脚写“1”时，定义为高电阻输入。P0可用于外 部程序数据存储，可定义为第八位数据/地址。在闪存编程中，P0端口是原始代码的输入端口。当检查闪存时，P0输出原始代码。 此时，必须提高P0的外部电位;P1 : P1 是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1 口管脚写入“1”后，电位由内部上拉引 起，可作为输入，P1端口由外部下拉下拉至低电平，输出电流。这是由于内部上拉所 致。在闪存编程和验证中，P1端口作为第八个地址接收。P2端口： P2端口是一个8位双向I/O端口，具有内部上拉电阻。p2缓冲器可以接 收和输出四个TTL门电流，当p2端口写为“1”时，其引脚电位被内部上拉电阻升高, 用作输入。作为输入，P2端口的管脚电位从外部向下拉，输出电流从内部向上拉。当 使用P2端口访问外部程序存储器或16位地址外部数据存储器时，P2端口的输出地址 高于8位。当给定地址“1”时，它利用内部上拉的优点，在读写外部八位地址数据存 储器时，输出其专用功能寄存器的内容。P2 口接收闪存编程验证中的高8位地址信号 和控制信号。P3端口： P3脚为8个具有内拉电阻的双向I/O 口，可接收和输出4个TTL门电流。 当P3端口被写入“1”时，它们在内部被拉到较高的级别，用作输入。作为输入，P3 端口的输出电流（IH）是由外部电压下拉引起的，这也是由上拉引起的。P3端口也可 用作AT89c51的局部特殊功能端口。RST：复位输入。当振荡器重置设备时，有必要保持第一脚两个机器周期的高平均 时间；ALE/PROG：当访问外部存储器时，允许的地址锁存输出电平用于锁存低字节的地 址。在闪存编程过程中，该引脚用于输入编程脉冲。ALE通常在恒定频率周期内输出正 脉冲信号，即振荡器频率的1/6。因此，它可以用作外部输出脉冲或定时用途。然而， 应该注意的是，每当用作外部数据存储器时，ALE脉冲将被跳过。如果要禁用ALE输出, 可以在sfr8eh地址上设置0。此时，ALE仅在执行MOVX、M0VC指令时工作。此外，销稍微升高，如果微处理器 在外部执行状态ALE中被禁止，那么放置无效；PSEN：外部程序存储器的选定信号。在外 部程序存储器访问期间，PSEN每机器周期有效两次。然而，当访问内部数据存储时， 这两个有效的PSEN信号将不会出现。EA/VPP：当EA保持低电平时，访问外部ROM;注 意，在模式1中加密时，EA将内部锁定为重置。当EA保持高电平时，访问内部ROM, 在闪存编程期间，该引脚还用于应用12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的 输入和内部时钟工作电路的输入；XTAL2：反向振荡器输出。3. 3采集模块设计工业现场的温度信号、电流信号和电压信号都是工业声学生产中和和科学实验中 非常重要的参数，因此，实时采集这些参数非常重要，特别是在冶金、纺织、化工、电 力、交通建材、石油等领域，对它们的采集及控制更为频繁。为此本设计应用对电压, 电流，比拟器测频率找零点投切等进行实时采集的模块控制器芯片有16个高速A/D转换器，使用F2812 A/D转换器可以自由设置信道转 换顺序，并且能更快速提升硬件电路的抗信号干扰能力7-8。在该模块下，频率跟踪 电路的设计可以大大提高自动补偿系统的精度。设计结果如下列图所示。图频率跟踪电路 中显示的频率跟踪电路，输入信号为正弦信号，经A/D转换器转换成方波信号。图3. 3 A/D转换器电路图3. 3. 1 LM324D 概述通用型低功耗集成四运放LM324。LM324内含4个独立的高增益、频率补偿的运算 放大器，既可接单电源使用（330V）,也可接双电源使用（±1.5±15V）,驱动功耗低, 可与TTL逻辑电路相容。4. 3. 2 LM324D 特点1 .冲刺保护输出。2.真差分输入级。3.单电源：3V-32VO 4.低偏置电流：最大lOOnA （LM324A）。5.每个封装包含四个运算放大器。6.具有内部补偿的功能。7.共模范围扩 展到负电源。8.行业标准销排列。9.输入端具有静电保护功效。3.4输出模块设计把输入端信号耦合到输出端，来传输电信号的器件，通常将发光器件（红外LED）和 接收机（光敏半导体管）封装在同一管壳内，光路耦合在一起。当输入端添加电信号时,发光装置发出光，接收器接收光并产生光电流，从输出端输出，从而实现了“电一光 电”转换。输入和输出之间不共地，因此广泛地应用于需要信号隔离的电路中。DATODAT1DAT2DATSDAT4R23A/v 1kR24-XAZ' IKR25A/A IKR26A/V IKR27A/A13511IK凶尔人A刈IK1KDAT7外人八DS15 9VDS14IK1KDAT9与"人人IK四:坎力1K四咬1KDS18DS17分 DSI9DS20图3. 4输出模块电路原理控制器的界线依据型号与取样信号的不同，接线方式稍有不同。装置工作电源为 AC220V;取样电压为AC380;输入电压信号为任意两相相电压信号（AC380V）,取样电流 信号为另外一相电流信号（AC0-5A）;途中，JI-J12接触器；GbG12为固态继电器或容 性无触点开关；当交流接触器额定电压为AC380V时P点接B相；为AC220V时接N5通信模块设计MAX485 接口芯片是 Maxim 公司的一种 RS-485 芯片。MAX485CPA、MAX485CPA、MAX485、MAX487-MAX491以及MAX1487是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器, 每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。图3. 5通讯接口电路图图3. 5采用单电源+5V工作，额定电流为300 U A,采用半双工通讯方式。完成了 TTL电平转换为RS-485电平的功能。MAX485芯片的结构和插脚非常简单，它包含一个 驱动程序和一个接收器。R0和DI端子分别是接收器的输出和驱动器的输入。与单片机 连接时，只需要单片机的RxD和TXD； RE和DE端分别为接收和发送的使能器，当/RE 为逻辑。时，设备处于接收状态；当DE为逻辑1时，设备处于发送状态，由于MAX485 工作在半双工模式，因此它只需要单片机的一个插脚来控制两个插脚；A端和B端分别 是差分信号的接收和发送。当A-Pin的级别高于B时，发送的数据为1；当A的级别低 于B的级别时，发送的数据为0。与单片机的连接非常简单。它只需要一个信号来控制 MAX485的收发。同时在A、B端子之间增加匹配电阻，一般选用100的电阻。3.5 . 1作用MAX485是一个用于RS-485和RS-422通信的低功耗收发器。MAX485驱动器的摆动 速率不受限制，最大传输速率可达2. 5Mbps。当驱动器在空载或满载状态下被禁用时， 这些收发器会产生120至500 11A的功率。所有器件均为单5V供电，驱动具有短路电流 限制，驱动输出可通过热关闭电路设置为高阻状态。接收器输入具有故障平安特性，确 保输入翻开时逻辑输出高。具有良好的抗干扰性能。3.6 人机接口模块设计vccvccvccvcc图3. 6人机接口控制电路图电容状态指示：12路电容之事，指示灯亮表示该电容处于投入状态，不亮表示未 投入按键：如上图3. 6所示本控制共有复位，返回，上翻，下翻，确定五个按键，和用户可通 过哲五个按键对控制器进行设置，使控制器能够正常工作。控制器状态指示：(1)电源：上电后此灯为常亮状态(2)参数设置：此指示灯亮，表示控制器进入了参数预置状态。(3)过压：此指示灯亮，表示控制器处于过压、欠压或欠流状态并以每间隔一秒的时 间逐步切除电容器组。(4)切除：切除指示灯：此指示灯亮，表示控制器过补偿需要切除电容器。(5)投入：此指示灯亮，表示控制器欠补偿需要投入电容器。(6)自动；此之声灯亮，表示控制器处于自动运行方式。（7）手动：此指示灯亮，表示控制器处于手动运行方式，操作上翻，下翻键将选择电 容，按确定键可投入或切除电容。3. 7电源模块设计图3. 7电源模快电路原理外部电源通过变压器传递到P1,再通过桥式整流把交流电变称直流电，然后通过 7805稳压芯片。4. 7.1桥式整流桥式整流器是二极管半波整流器的一种改进。它通过二极管的单向导连接进行整 流，通常用于将交流电转换成直流电。半波整流器采用二极管的单导通特性，当输入为 标准正弦波时，正弦波的正半局部得到，负半局部失去。整流器:将交流电转换成近似直流电的电路。原来的整流电路是半波整流电路，即 在交流电路中串联一个二极管。二极管的单向导电性切断了交流负半波，只保存了带半 波槽的正半波，由于没有负半波，只有正半波脉动电动势，所以半波整流器的较高水平 是全波整流器。四个背靠背二极管构成全波整流电路，将交流负半波倒过来，填入两个 正半波之间的时间槽内，使电源电流波形成为一个连续波动的近似直流电流。5. 7. 2 7805稳压器7805三端稳压IC内部电路具有过电压保护、过电流保护和过热保护功能，使其性 能非常稳定。可实现1A以上的输出电流，该装置具有良好的温度系数。因此，该产品 具有广阔的应用前景。局部平差可以消除噪声的影响，解决单点平差的散射问题，输出 电压误差精度分为土 3%和土 5%o三支脚二极管，防止高电压回到7805,如果输出意外连接到高于5伏的电压，此二极管可以防止7805输出电压高于输入电压，从而保护7805内部调节器的平安。但是这个二极管会使输出电压降低0. 6伏。采用两支脚二极管将7805基准端（两脚）的电位提高0. 6V,使7805输出5. 6V, 补偿了三脚二极管的电压降损失。7805有自己的短路保护，不需要专门的保护道路设 计。4系统软件设计电容投切器件开展历史电容投切器件由简单粗暴到理性精细经历了 2个开展阶段：1 .交流接触器:用于开关低压电容器的第一个开关是交流接触器，这是传统的电容 器开关方式，因为三相交流的相位角为120度，理论上没有交流接触器开关控制的最正确 工作相点（即瞬时非选择性），使得它投入或切除电网时，要产生一个暂态的过渡过程 但由于其投资低、控制简单，所以至今在不少技术要求低的地方仍在应用，然而，可以 预测，随着电容开关的开展，它们将逐渐被淘汰。2 .晶闸管开关：随着电力电子器件的开展和普及，人们后来开展了以晶闸管为核心 的晶闸管开关（固态继电器）。其原理是通过电压电流过零检测和控制，保证电容器组 在电压零区附近，从而防止了开关涌流的产生，而电流过零时发生切断，防止了瞬变过 电压的产生，满足要求。电容器功能过零切换的需求。自动开关电容装置主要实现电力系统的无功补偿，能够稳定电力系统电压，实现对 电力系统和电能质量的保护。本设计有自动循环切割和智能切割两种模式。6. 2无功补偿投切无功补偿装置:是指通过提高电网功率因数实现提高电能利用效率、降低电网损耗、 提升供电质量等功能的设备。电容器投切开关：是指无功补偿装置中，用于投切电容器 的开关设备。众所周知，通过改变并联电容器的容量来改变无功功率是无功补偿最基本、 最广泛使用的经济有效的方法。无功补偿装置的主要部件是电容器和电容开关，电容开3. 3. 2 LM324D 特点123.4输出模块设计123. 5通信模块设计133. 5. 1 作用143.6人机接口模块设计143. 7电源模块设计167. 1桥式整流163. 7. 2 7805 稳压器164系统软件设计174.1电容投切器件开展历史 174. 2无功补偿投切 172. 1自动循环投切 184. 2.2智能投切 181.1 3系统软件总体结构194.4 keil设计软件194.5 电容投切控制流程20结 论22致 谢错误!未定义书签。参考文献23关器件的性能直接影响电容器的使用寿命和补偿效果，因此其性能至关重要。4. 2.1自动循环投切open head图4.1自动投切原理图为了使每组电容器的输入时间与切片时间保持一致，控制器应按照先切换后切换的 原那么对电容器进行控制。由于队列受线性表的限制，因此只能在电容器的一端插入，另 一端删除。让删除的一端作为队列的头部，插入的一端作为队列的尾部。循环队列设计 如图4.1所示。图4.1循环队列设计由图4.1可知，l_real-l为电容器组号。使用 open_head保存队首位置，记录电容器切除组号；使用close_tail保存队尾位置，记 录电容器输入组号。重复切换步骤，直至队列为空或满，表示所有电容器均已开断，此 时低压电网无功自动补偿步骤完成。此种控制方式应用于各种电容补偿容量相同时，即先投入的电容先切除，可以科学 的利用各电路补偿电容，有效的防止了个别电容受损老化的现象，采用循环投切方法对 低压电网无功功率自动补偿系统进行设计，大大提高了系统整体性能。4. 2. 2智能投切智能电容补偿装置是以假设干丫型或三角型低压电容为主体，采用微电子技术、数字 通信技术、传感器技术、电力电子技术等技术结果，该系统集成智能，通过对系统运行 参数的实时监测，实现故障自诊断功能。采用低功率磁保持继电器实现复合开关，并根 据控制要求并联多个电容器，实现自动无功补偿，并具有三相欠压、过压、过流、欠等 保护。它能满足现代低压配电网对无功补偿的需求。在规定的切除延时时间后，如果切除条件仍然成立，控制器立即对控制信号进行解码，当所需无功功率小于单组最小电容容量的0.6倍时，控制器拒绝将控制信号去除。 控制器的开、关采用自动优化的方式，即通过软件对单组电容器从大到小的顺序进行分 析，然后通过计算所需补偿或切除的无功功率，将其与最大的单组电容器比拟，假设最大 的单组电容器投入或切除条件成立时，控制器将放入或取出最大的电容器。如果最大的 单电容不投切，控制器将与较小的单电容比拟补偿或移除所需的无功功率，通过类比, 我们知道最小电容补偿或切除条件是无效的。4. 3系统软件总体结构为了满足硬件主控制器的高精度要求，需要对其软件功能进行设计，缩短程序的整 体运行时间，提高补偿精度。位操作，然后通过A/D变换器进行数据转换，最后根据实 际情况设置参数，切断控制电容组。初始化电压、电流信=开关电压过零点捕捉投切模块人机接口模块RS485通讯里 块图4.2软件设计流程图5. 4 kei1设计软件在单片机的开发中，除了必要的硬件外，软件也是必不可少的。有两种方法可以改 变汇编语言源程序，我们将其写入CPU可以执行的机器代码中。一个是手动装配，另一 个是机器装配。目前，人工装配很少使用。机器装配是通过装配软件将源程序转换成机 器代码。在MCS-51单片机中使用的汇编软件是早期的A51。随着单片机开发技术的不断开展，从通用汇编语言到逐步采用高级语言开发，单片 机开发软件也在不断开发，KEH软件是目前开发MCS-51系列单片机最流行的软件，可 以看出，近年来，各种仿真器制造商都宣布全力支持KEH。KEH提供了一个完整的开 发解决方案，包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和强大的模拟调试器，这些局部 通过集成开发环境(UVision)分组在一起。KEH软件需要Pentium以上的CPU、16MB 以上的RAM、20M以上的空闲硬盘空间、Win98、NT、Win2000. WinXP等操作系统。对 于使用51系列单片机的爱好者来说，掌握该软件的使用是非常必要的。如果您使用C 语言编程，那么keil几乎是您的最正确选择。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系 统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而 易学易用。使用汇编语言后用C语言进行开发将更加深刻。KEII C51软件提供丰富的 库功能和强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另一个重要的点是，如果您查看 编译后的汇编代码，您会发现由KEII C51生成的对象代码非常有效，并且大多数语句 生成的汇编代码是紧凑的，并且易于理解。在大型软件开发中，它能更好地表达高级语 言的优势。以下是对KEH C51开发系统各局部功能和使用的详细描述。4.5电容投切控制流程在用户定义的切割时间后，如果切割条件仍然存在，控制器将立即删除控制信号， 当要删除的无功功率小于单组最小电容容量的0. 6倍时，控制器将拒绝删除控制信号。采用自动优化的方法对控制器进行切断，自动优化思想是:控制器通过软件对单电 容由大到小的顺序进行分析，然后计算补偿或切断所需的无功功率，与最大的一组电容 器,电容器的最大或删除条件,控制器将投入或切除最大的电容器,如果其中一个最大和 成一个单一的组电容器或删除条件,控制器需要的无功功率补偿或删除一组电容器tk 相对小一点，以此类推，直到电容器组不能自动放入最小电容补偿或切除条件时，用户 才应考虑以下条件是否成立须全部满足。（ 号）采集测试数据V通过公式计算cosq）V显示功率因数Ncosq）<0,9?t>通过公式计算投切电容容量6、选择合适电容（结束）图4. 3投切控制原理图1当电容器组不能自动投入时用户应考虑以下条件是否成立：以下条件都为必要条件,都必须满足。<a）系统功率因数值低于目标功率因数值。（b）M压指示灯不充。以下表达式必须成立。(4. 1)单只电容器容量xO.65< QPx口公式（4.1）中P一当的电网的有功功率；Q当前电网的无功功率：coscp表示S 标功率因数。当电W功率因数高于目标功率因数而电容器组不能自动切除时用户应考虑 以下表达式是否满足公式（4.2）(4.2)第22页结 论随着电力电子技术的飞速开展和各学科的交叉影响，静态无功补偿的开展趋势主要 包括以下几个方面：（1）在城市电网改造中，运行单位经常需要在配电变压器低压侧安装无功补偿控 制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器与配电一体化的问题。（2）快速准确地检测系统无功功率参数，提高动态响应时间，快速切换和切断电 容器，减少恶劣工况（如冲击负荷大或负荷波动频繁）。随着计算机数字控制技术和智能 控制理论的开展，一些先进的控制方法，如模糊控制和微机控制，可以引入无功补偿。（3）目前，无功补偿技术主要应用于低压系统。由于晶闸管电平的限制，高压系 统由变压器降压连接，如电气化铁路牵引变电所。研制高压动态无功补偿装置具有重要 的意义，关键是解决补偿装置中晶闸管和二极管的耐压问题，即串联多个晶闸管元件的 同步、电压均衡和触发控制。总结本设计研究的一些工作，但是仍存在一些问题有待于进一步的完善与改进。总 之，提高我国电力系统测量技术水平，加强电能治理还是电力行业一项重要工作。随着 信号处理理论和技术的开展，以及微电子与计算机技术的开展，把电子信息的一些新成 果用到电力系统测控装置将对电力系统自动化水平的提高起到推进作用。第23页参考文献1杨惠.无功补偿技术对低压电网功率因数的影响J.继电器,2007, 35(3) ： 20.2高晶晶，赵玉林.电网无功补偿技术现状及开展趋势J.东北农业大学学报，2004, 35 (5) : 639-644.3罗邵屏，罗安.一种改进的Ip-Iq谐波与无功电流检测方法J.微电机，2007, 40(8): 40-45.4周林，孟靖，刘强等.基于瞬时无功理论的谐波和无功电流检测方法J.高电压技术，2 009, (2):186-193.5巩庆.晶闸管投切电容器动态无功补偿技术及应用J.电网技术，2007, ,37(2):118-1 22.6刑洲.低压电容补偿智能控制装置D.太原：太原理工大学，2005.7谷永刚，肖国春，王兆安.晶闸管投切电容器技术的进展J.高压电器，2003, (2):51 -54.8L. Gyugyi, R. A. Otto, T. H. Putman. Principles and application of Static Thyristo r-Controlled Shunt CompensationsJ. IEEE TransPower Appar Syet,1978, (97):1935- 1945.9Bor-Ren Lin,Yung-Chuan Lee. Three-phase Power Quality Compensator Under the Unbalanced Sources and Nonlinear LoadsJ. IEEE Trans Power Deliver,2004, 19(3): 965-972.10郝瑞祥，傅仲文，程志光.用于谐波电流检测的新型同步检测法J.电气传动，2005, (1) : 31-34.n田小林，王建华.无功补偿控制器中数据采集及FFT算法处理J .仪表技术与传感 器，2004(4) : 34-36.12佚名.投切电容器时的电网谐波阻抗测量方法J.高电压技术，2009, 35(7):1780- 1784.13Akagi H, Kanazawa Y, Nabae A. Instantaneous reactive power compensators compr ising switching devices without energy storage componentsJ. IEEE Trans Ind A ppi, 1984, 20(3) : 625-630.14T. Sato, Y. Mori, Y. Matsushita, S, et al. Study on the System Analysis Method ofSTATCOM based on Ten Years' Field ExperienceJ. Proceedings of 2002, 1:336-3 41,6-10.15Liu Wenhua, Liang Xu, Lin Feng, et al. Development of 2OMVA Static Synchronou s Compensator Employing GTO Inverters J.Proceedings of 2000 IEEE Power Engine ering Society Winter Meeting, 2000, 4:2648-2653.1绪论1.1 选题背景目前，随着我国电力系统的不断开展和电力用户自动化水平的提高，电力系统对电 子设备的需求越来越普遍。在这种情况下，电力设备对供电电压的质量也有较高的要求。 在电力系统中，参数的变化和负荷的波动会影响到相关自动化设备的电能质量和使用寿 命，最终影响到相关电力企业的经济效益。这使得电力企业更加重视系统电压的稳定和 系统无功补偿。众所周知，电能质量是评价电力系统性能的重要指标，电压是衡量电能质量的重要 指标。因此可以看出，电压的稳定性对电力整个系统的运行性能是非常重要的，无功功 率的平衡控制着系统中的稳定电压。当电力负荷无功需求波动较大，电网无功功率的来 源和分布不能及时调节时，线路电压将超过允许的限值。此外，在负荷侧，电力系统主 要由输配电线路、变压器、发电机等组成，其内部阻抗主要为感应阻抗。负荷无功功率 的变化对电网电压稳定有着非常不利的负面影响。无功补偿是电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电工等领域的重要研 究目的。随着电力电子技术装置在生产、生活等各个领域的应用越来越广泛，无功补偿 越来越受到人们的重视。据有关科学统计，在总投资不变的情况下，如果全国通过优化 配置计算安装无功补偿装置，预计每年可节约大概3亿千瓦时的电力。因此，电压调节和无功补偿是保证电网平安、质量和经济运行的重要手段之一。目 前，由于电力电子技术的讯速开展，无功补偿也取得了十分重大的突破。自动投切电容 器装置作为一种电气设备，也是一种优良的无功补偿装置。本文设计了自动投切电容器 装置的技术，为相关领域的研究提供帮助。1.2 无功补偿器开展历程旋转无功补偿装置用同步相位调制器来表示，同步调相机实际上是一台同步电动 机，在励磁或过励磁下运行，它能产生电容无功和感性无功。因此，同步相位调制器可以动态补偿变化的无功功率。自20世纪70年代以来，由于旋转无功补偿存在诸多缺点, 逐渐被静态无功补偿器所取代。图1.1无功补偿装置开展进化流程静止无功补偿技术经历了图L1所示的三代开展。第I代是一种慢速无功补偿装置，在电力系统中应用较早，并且目前仍在被使用。第n代是20世纪70年代出现的一种无源、快速、动态无功补偿装置。它在国外得 到了广泛的应用，但目前在中国也有一些应用。它主要用于配电系统，但很少用于输电 网络。SVC是一种可以通过电纳值进行调节的无功功率元件。它依靠电力电子设备实现 无功调节。第III代属快速的动态无功补偿装置，自20世纪80年代以来，在国外得到了广泛的 研究和应用。随着大功率的出现完全控制电力电子器件GTO、IGBT和IGCT,尤其是相位 控制技术的开展,脉冲宽度调制(PWM)技术和四象限变频器技术，电力电子变频技术已迅 速开展,基于这种技术和无功补偿技术已广泛应用并迅速开展。静止同步补偿器作为 FACTS系统的重要组成局部，已在美国、德国、日本和中国得到了成功的应用。除此之 外，与SVG和SVC相比，SVG具有调节速度快、调节范围宽、欠压无功调节能力强等优 势。同时，大大降低了谐波含量和占用空间。1.3 无功补偿装置的优缺点及现状表1.1各种无功功率动态补偿装置简要比照工程 '装置同步调 相机 (SC)饱和电抗 器(SR)晶闸管控 制电抗器(TCR 或 TCR+FC)晶闸管投 切电容器 (TSC)混合型静 止补偿器 TCR+TCR 或 TCR+MSC静止无功 发生器 (SVG)响应速度慢较快较快较快较快快吸收功率连续连续连续分级连续连续控制简单不控较简单较简单较简单复杂谐波电流无大大无大小分相调节有限不口可以有限可以可以损耗大较大中小小小随着无功补偿器的开展不同装置的优缺点慢慢显现出来如表1.1,对于噪音污染很 多工厂企业已经做出了重要决策，对于设备噪音指标也是判断产品质量好坏的重要参 数，同步调相机(SC)、饱和电抗器(SR)的噪声就相比照拟大，晶闸管控制电抗器(TCR 或TCR+FC)、混合型静止补偿器(TCR+TSC或TCR+MSC)、静止无功发生器SVG相对来 说噪音较小。机械开关并联电容器组是我国电网中应用最广泛的补偿装置。为满足调压需要，低 压电网中安装了大量并联电容器组，并且在中压配电网中安装了少量并联电容器组。牡 丹江科海电气设备设计生产的G (X) JF1型电容器跟踪投切柜(箱)采用了 K H- ZK电容器智能投切开关；G (X) JK1型接触器式电容器跟踪投切柜(箱)投切电容 过程涌流小，使用寿命长，维护小，无功补偿响应快，开关频繁，多级补偿到位。其中 G (X)JK1电容开关产品是补偿装置的逐步开展。目前，我国输电系统共有5处6台大容量无功补偿装置，分别安装在江门、云天、 凤凰山、河南小柳、辽宁沙岭500千伏变电站。这些SVC大局部是进口的，其中三台是 ABB公司的产品。目前，SVC和SVG在世界范围内得到了广泛的应用，SVC出现较早， 使用时间较长,主要用于20世纪的示范工程。1999年3月，中国第一个工业化的STATCO 成功地与河南省洛阳市朝阳变电站相连接。说明我国已掌握了 FACTS高压大容量设备的 设计制造技术。1.4 本文主要内容与章节安排本论文设计了一种数字式电容投切无功补偿控制器，它是基于STC12C5A08S2这块 主要芯片进行设计研究，在设计控制器的过程对系统硬件和软件也进行了设计。首先第一章主要介绍了一下选题背景及研究意义，讲述了无功补偿器的开展历程以 及每一代补偿器的优缺点，在比照各个无功补偿装置基础上，明确了国内外电网动态无 功补偿的现状。第二章讲述了无功补偿的基本原理以及一些电参数的重要计算公式，明确了无功补 偿的意义,说明了无功补偿器对于一些电气设备有哪些作用并对本数字式电容投切无功 补偿器设计简单描绘了总体框图。第三章重点介绍了核心模块STC12C5A08S2功能及原理图，讲述了它的引脚功能还 包括采集模块LM324D、A/D转换模块设计、输出模块设计、通信模块MAX485、人机接 口模块设计、L源模块设计等外围L路对于本数字式也容投切无功补偿器的作用及影 响。第四章首先描绘了系统软件的总体结构，简单介绍了系统的重要设计软件keil, 电容投切是无功补偿的重要局部，讲述了电容投切器件的开展历史，分别阐述了自动循 环投切和自动投切的工作原理，最后写出了电容投切控制流程。最后第五章是对本论文的设计总结和无功补偿装置的展望。2数字式电容投切无功补偿控制器总体设计2.1无功补偿的基本原理如无功功率补偿原理图2： 1:设电感性负荷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,使电源输出的无功功率减少为Q=QQc,功率因 数从cosfO提高到cosfl。，视在功率从S减小到S 视在功率的降低可相应地减少 供电线路的截面和变压器的容量，减少供电设备的投资。图2. 1无功补偿原理图电网输出的电能由两局部组成:第一局部是有功电能:直接消耗电能，电能转化为机 械能、热能、化学能或声能，利用这些能量做功，这局部电能称为有功电能；第二种是 无功电能:它不消耗电能，而是将电能转化为电能的另一种形式，这是电力设备工作所 必需的，并且，这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这局部功率称为无功电能（如 电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能）。当电网电压波形为正弦波，电压与电流处于同一相位时，白炽灯、电加热器等电阻 性电气设备从电网获得的功率P等于电压U与电流I的乘积，即：P=UXI。感应式电气 设备，如电动机、变压器等，称为无功功率Q,因为它在运行过程中需要建立磁场，所 消耗的能量不能转化为有功功率。变压器和配电设备的选型是基于视功率S,即有功功 率和无功功率的矢量和。无功功率为:有功功率与视在功率之比为功率因数:cos f=P/S无功功率的传输加 重了网络的负荷，增加了网络的损耗，降低了系统电压，因此，需要在附近和当地进行 补偿。当电容式无功功率QC等于感应式无功功率QL时，电网中只传输有功功率P。根 据国家有关规定，高压用户的功率因数应在0.9以上，低压用户的功率因数应在0.85 以上。如果选择电容器功率为Q c,那么功率因数为