无功补偿智能控制器设计毕业设计.docx

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无功补偿智能控制器设计毕业设计

科技大学

本科毕业设计论文

题目无功补偿智能控制器设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

毕业设计（论文）任务书

学院信电学院专业电气工程及其自动化班级0—1班姓名

1、毕业设计（论文）题目：

无功补偿智能控制器设计

2、毕业设计专题：

基于CS5464的无功补偿控制器

3、毕业设计（论文）的主要原始资料：

（1）无功补偿器额定电压为380V

（2）无功补偿器最小补偿容量为50Var

（3）无功补偿器最大补偿容量为2kVar

4、毕业设计（论文）应解决的主要问题：

（1）三相电网各参数的采样与测量

（2）无功补偿装置电容器的投切策略

（3）电容器的无涌流投入

5、毕业设计（论文）附件（图纸、软件、译文等）：

（1）主控电路原理图等

（2）外文参考文献及翻译

（3）

6、任务发出时期：

2012.4.15毕业设计（论文）完成日期2012.6.10

指导教师签字：

系主任签字：

摘要

长期以来电力系统网络损耗问题比较突出，而无功补偿是降低线损的有效手段。

随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。

在电网中的适当位置装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。

本文在详细分析无功补偿的基本原理和控制方法的基础上，研究了一种基于CS5464的TSC型智能无功补偿控制器设计方案。

该无功补偿控制器在硬件上采用三片CS5464芯片测量三相电网的各参数，选用C8051F022单片机为主控制单元，完成数据的简单处理、无功自动调节、电压检测与控制、数据存储与显示等功能，投切装置采用过零触发可控硅控制器，以抑制投切涌流。

此外，还设计了一些外围辅助硬件，包括采样调理电路、人机界面（按键、液晶等）、光电隔离、数据存储以及电压报警等；采用了模块化的设计方法，由模块到整体构成了控制器稳健的软件体系。

在电网电压/无功功率复合控制策略的基础上，编写了简洁稳健的代码实现控制算法。

该方案设计的控制器最多能够控制16路电容器组，可以应用在电网三相共补、三相分补以及三相共补与分补相结合的电容器组等容量配置的无功补偿装置中。

关键词：

CS5464，TSC，C8051F022，无功补偿

Abstract

Inthepastseveralyears,theproblemofpowerlossisveryserious.However,reactivecompensationisaneffectivemethodtosavepowerloss.Duetoincreasingloadsofelectricpowersystem,demandofreactivepowerwasalsoincreasing.Itbecamenecessarymeansthatreactivepowercompensationdeviceswereinstalledinproperpositionofelectricnetwork.Onthebasisofanalyzingthebasictheoryandcontrolstrategy,adesignofanewkindofTSCsmartreactivepowercompensationcontrollerbasedonCS5464isstudied.

Inhardwaredesignofthiscontroller,threeCS5464sareusedformeasuringthree-phaseelectricalparametersrespectively,theSCMofC8051F022isusedasthemaincontrolunittocarryoutthefunctionssuchassimpledataprocessing,reactivepowerautomaticadjustment,voltagedetectionandcontrol,datastorageanddisplayandsoon,zerotriggeredtheSiliconControlRectifier（SCR）controllerisusedforcontrollingSCRinthecast-cutequipment,whichcanrestricttheinrushcurrenteffectively.Furthermore,someexternalsupporthardwareisdesignedinthiscontroller,includingsamplingandfilteringcircuit,human-machineinterface（keyboard,LCD,etc.）,photoelectricisolation,datastorage,voltagealarmandsoon.Modularizationdesignmethodisused.Stablesoftwaresystemofthiscontrollerisfinishedfromamoduletothewhole,Onthebasisofvoltage/reactivepowerofmultiplexcontrolstrategy,conciseandstableprocedurecodeiswritteninordertoachievecontrolalgorithms.Thiscontrollercancontrolupto16groupsofcapacitorandcanbeusedinthedeviceofthree-phasejointcompensation,thedeviceofthree-phaseseparatecompensationandthedeviceofcombinedthetwoundertheconditionofconfigurethesamecapacitor.

Keywords:

CS5464,TSC,C8051F022，reactivepowercompensation

6仿真实验及结果分析62

1绪论

1.1论文选题的背景及意义

随着国民经济的迅速发展，用电量的增加，电网的经济运行日益受到重视。

近年来，随着现代工业和电力工业的不断发展，电能传输的距离和容量日益增大，工业用户对电能质量的要求越来越高。

然而，企业广泛采用异步电动机和变压器，特别是近年来大型可控硅装置[1]的应用和大功率冲击性负荷[2]的存在，使得系统无功因数变低，电压波动加大。

降低网损，提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统运行部门面临的实际问题，也是电力系统研究的主要方向之一，特别是随着电力市场的实行，输电公司（电网公司）通过有效的手段，降低网损[3]，提高系统运行的经济性，可给输电公司带来更高的效益和利润。

电力系统无功功率优化和无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分。

通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿，不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性,而且可以降低有功网损和无功网损，使电力系统能够安全经济运行。

因此，无论从提高输电网的传输能力，降低损耗，提高系统稳定性，还是从提高供电质量的角度，都需要大量的无功补偿装置。

无功优化计算[4]是在系统网络结构和系统负荷给定的情况下，通过调节控制变量（发电机的无功出力和机端电压水平、电容器组的安装及投切和变压器分接头的调节）使系统在满足各种约束条件下网损达到最小。

通过无功优化不仅使全网电压在额定值附近运行，而且能取得可观的经济效益，使电能质量、系统运行的安全性和经济性完美的结合在一起，因而无功优化的前景十分广阔。

无功补偿可看作是无功优化的一个子部分，即它通过调节电容器的安装位置和电容器的容量，使系统在满足各种约束条件下网损达到最小。

进行功率因数补偿可以：

（1）降低无功电流，减小线路及变电设备的损耗。

线路损耗的功率与负载电流平方成正比，功率因数提高了，无功电流大大减小，则线路上的损耗也大大减小了。

（2）可以改善供电电压质量。

当功率因数提高后由于容性负载[5]的加入，使线路末端的电压平滑，起到了稳定电压的作用。

（3）提高系统的裕度。

当系统的设备容量不变时，提高功率因数，相当于增加负载的容量。

（4）提高电路的功率因数不是负载本身的功率因数有什么改变而是负载本身的性能及指标将不受任何影响。

由此可见，提高功率因数[6]，不但是当今能源形势的缓兵之策，也是关系到国计民生的长远政策。

我们必须重视电能的高效利用，不光在传输过程中，在使用过程中也是一样。

这不仅符合经济效率的规律，还是能源科学使用的具体表现。

既然我们不能给后代生产出不可再生资源，但我们可以高效使用它们，减少无谓的消耗，这跟我们为后人创造能源是同出一辙的，具有相同的深远意义。

1.2国内外研究现状

从电力系统的诞生开始，并联补偿技术就开始在电力系统中应用，同步调相机可以看作是最早的并联补偿装置[7][8][9]。

它是专门用来产生无功功率的同步电机。

在过励磁和欠励磁的情况下，可以分别发出不同大小的容性和感性无功功率。

在很长一段时间内，同步调相机在电力系统无功补偿中一度发挥主要作用。

然而，由于它是旋转电机，运行维护复杂，响应速度较慢，随着负荷中心地区对环境要求的提高，旋转设备带来的噪声等问题使居民越来越不满意，目前有些国家甚至已经不再使用同步调相机。

电力系统发电、输电、配电与用电必须同时完成，系统始终要处于动态的平衡状态，电力系统瞬时的不平衡可能导致安全稳定问题，因此要求并联补偿装置具有快速的响应，如达到周波级的响应速度，才能用于处理系统的问题。

由于机械投切装置惯性大，动作时间在秒级，满足不了电力系统对快速性的要求，而随着大功率电力电子技术的发展，采用高压大容量快速的电子开关代替机械开关已经成为趋势。

因此在20世纪70年代，出现了一系列的晶闸管投切的并联补偿装置和晶闸管控制的并联补偿装置，使电力系统的并联补偿进入了一个新的阶段。

TSC（ThyristorSwitchedCapacitor）型SVC（StaticVarCompensator）由电容器和双向导通晶闸管组成[10]，其装置图如图1.1a）所示。

这里的晶闸管仅起开关的作用，TSC只能提供容性电流，将多组TSC并联使用，根据容量需要逐个投入可以获得近似连续的容抗。

TSC虽然不会产生谐波且损耗较小，但它对于冲击性负荷引起的电压闪变不能进行很好的抑制。

FC+TCR（FixedCapacitor+ThyristorControlledCapacitor）型SVC由TCR和若干组不可控电容器并联而成，图1.1b）为其装置图。

其中，电容器为固定连接，TCR支路采用触发延迟控制，形成连续可控的感性电流，TCR的容量大于FC的容量，以保证既能输出容性无功功率也能输出感性无功功率。

FC+TCR型SVC虽响应速度快，但由于TCR在工作中产生的感性无功电流会被固定电容中的容性无功电流平衡，所以容易造成器件和容量的浪费，造成很大经济损失。

TSC+TCR型SVC一般使用n组电容器和一组晶闸管相控电抗器，图1.1c）为其装置图。

它的无功输出可在容性和感性范围内调节，在电力系统大扰动期间或扰动过后，因其电容器和电抗器可分别切除和投入，因此可将瞬间过电压降到最低。

由于基于晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能[11]，所以，近10年以来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定的增长，已占据了静止无功补偿装置的主导地位。

晶闸管投切的或控制的并联补偿装置彻底改变了机械投切装置或旋转装置速度慢的缺点，控制速度快，维护简单，成本较低，因此在电力系统中获得了大量的应用。

但这些并联补偿装置本身也存在一定的问题，如晶闸管控制的装置只能以斩波方式工作，因此会产生较大的谐波[12]，其次这些装置并联接入电力系统后会改变系统的阻抗特性，过多安装这些设备可能导致系统振荡，而且正是由于这些设备还保留了阻抗型装置的一些特性，因此在系统电压偏低或偏高时，阻抗型装置的缺点（如电压低时电流也减小，导致补偿容量与电压平方成正比下降）影响了并联补偿装置的补偿效果。

由于晶闸管的关断不能控制，因此开关频率低，对配电系统电能质量补偿能力弱。

图1.1SVC装置图

随着高压大容量可关断器件，如IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）、GTO（GateTurn-offThristor）、IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor）器件的发展，20世纪80年代出现了基于可关断器件的电压源或电流源变流器的并联补偿装置，这种并联补偿装置的特性完全脱离了阻抗型装置的特性，成为完全可控的电压源或电流源，使得并联补偿装置的性能得到较大的提升。

由于可关断器件工作频率较高，变流器输出的谐波小，变流器工作范围大，输出电流独立于电压，因此在系统电压低时这种补偿装置具有很好的特性。

而且基于变流器的并联补偿装置不需要大体积的电力电容器与电力电抗器，体积小，调节速度快，根据电力系统需要灵活配置。

基于变流器并联补偿装置的典型代表是静止同步补偿器（STATCOM，StaticSynchronousCompensation）装置[13]，如图1.2所示。

20世纪90年代以来，基于变流器的并联补偿装置在输电系统和配电系统中获得了越来越广泛的应用。

它在电网中吸收和发送无功，使传输容量更接近热稳极限，调节电压，以及抑制电压闪变提高系统的暂态稳定水平，而在配电网中主要起补偿交流负载所需的无功分量，维持节点电压稳定，以及补偿可能出现的谐波这些作用。

图1.2STATCOM装置图

图1.3描述了无功补偿装置的发展情况概括。

各种分立式的无功补偿装置有各自的特点和优势，在实际系统中，为了满足并联无功补偿各方面的要求，通常将它们结合起来使用。

目前主要的组合方式有下面几种:

（1）固定电容+晶闸管控制电抗器型（FC+TCR），实际应用中，常用一个滤波网络来取代单纯的电容支路，能对TCR产生的谐波分量起着滤波的作用。

（2）晶闸管投切电容+晶闸管控制电抗型（TSC+TCR），由于TCR工作中产生的感性无功电流需要固定电容中的容性无功电流来平衡，因此在需要实现输出从额定感性无功到容性无功的调节时，TCR的容量则是额定容量的2倍，从而导致器件和容量上的浪费。

TSC+TCR型可以克服上述缺点。

（3）机械式投切电容+晶闸管控制电抗器型（MSC+TCR），在一些要求不高、电容器投切不频繁的应用场合，可以采用机械式开关代替TSC支路的晶闸管，有利于降低成本和损耗。

图1.3无功补偿装置发展框图

（4）STATCOM+SVC，STATCOM的容性和感性无功容量的可控范围对称，但实际应用中对感性和容性无功容量的需求是不同的，因此将STATCOM与其它无功补偿设备结合起来可以解决这个问题，并降低整体成本。

1.3课题研究的目的

随着国民经济的迅速发展，用电量的增加，电网的经济运行日益受到重视。

近年来，随着现代工业和电力工业的不断发展，电能传输的距离和容量日益增大，工业用户对电能质量的要求越来越高。

然而，企业广泛采用异步电动机和变压器，特别是近年来大型可控硅装置的应用和大功率冲击性负荷的存在，使得系统无功因数变低，电压波动加大。

降低网损，提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统运行部门面临的实际问题，也是电力系统研究的主要方向之一。

特别是随着电力市场的实行，输电公司（电网公司）通过有效的手段，降低网损，提高系统运行的经济性，可给输电公司带来更高的效益和利润。

电力系统无功功率优化和无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分。

通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿，不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性,而且可以降低有功网损和无功网损，使电力系统能够安全经济运行。

因此，无论从提高输电网的传输能力，降低损耗，提高系统稳定性，还是从提高供电质量的角度，都需要大量的无功补偿装置。

目前，国内虽有上百家企业生产无功补偿控制器，但其中多数存在测量精度低、控制可靠性低、人机界面不友好、功能单一、控制简单等问题。

本课题研究的目的就是研制一种可靠的低成本、多功能的无功补偿控制器。

该控制器能够根据测量的电网参数在低压侧自动调节供给电网无功功率的大小；测量的参数范围广，包括：

电压、电流、功率因数、有功及无功功率等；具有功能强大的人机界面，选用的点阵液晶显示器可以显示当前电网的各种参数，按键可以设置控制器运行需要的各种参数，包括：

电压报警上极限/上限、电压报警下极限/下限、所用电容器的额定容量/额定电压、电容器共补和分补分配情况、投切电容器的时间间隔等参数；还具有数据存储等功能。

该控制器应用灵活方便，适合安装于多种无功补偿场所，并且补偿速度快，效果好，成本低，便于推广利用。

1.4本文的主要工作

本文主要从系统设计、控制器的软硬件设计和控制策略等几个方面讨论了基于CS5464芯片的无功补偿控制器设计方案，并对系统设计中的几个关键性问题进行了详细的论述，本文完成的主要工作有：

（1）介绍了无功补偿的国内外发展的现状及趋势，分析了各种类型的无功补偿装置的特点；详细介绍了无功补偿的概念及原理，以及本文所采用的TSC型无功补偿的原理及分类，然后介绍了TSC型无功补偿装置的主电路设计以及并联电容器投切开关类型及特点。

（2）对晶闸管的串联特性进行研究，分析了晶闸管静态特性、动态特性和应用中的相关特性对器件串联使用的影响。

根据理论公式及经验值设计器件串联使用的均压电路。

通过Pspice软件仿真，修改器件模型中的关键参数，模拟实际应用中器件特性的分散性，通过大量的仿真分析比较，验证了均压电路的作用。

（3）电容器无涌流投入是TSC关键技术之一，本文通过理论及Matlab建模仿真分析各种情况下电容器投入的浪涌电流，确定了在晶闸管两端电压过零时刻投切电容器，简化了电路设计，可以达到很好的效果。

为此选用了专门的具有过零检测电路的晶闸管，确保投入时刻的准确。

针对目前无功补偿控制器多采用单片机作为主处理器，测量精度、控制精度和控制策略有限制，本控制器采用CIRRUSLOGIC公司的电能测量芯片CS5464测量电力系统参数，新华龙公司单片机C8051F022为主控制CPU，围绕它们设计无功补偿控制器，包括系统的硬件设计和软件设计的智能型无功补偿控制器。

（4）针对以往的无功补偿控制器仅以电力网中功率因数为投切电容器判据的问题，介绍了目前应用较多的几种控制策略以及它们的实现方法和特点，并详细介绍了本控制器所采用的复合控制策略以及具体的软件实现。

（5）本装置设计了友好的人机界面，只需按键稍许的设置，该控制器就可以方便的在多种无功补偿场合使用，应用灵活方便，并实现了数据存储等功能。

2无功补偿的相关理论

2.1无功补偿的一般概念

2.1.1无功补偿的原理分析

提高系统功率因数的途径一般有：

提高系统自然功率因数；安装无功补偿装置。

无功补偿的原理简单来说，就是提供负载所需要的无功功率，将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，电容器释放能量，而电感放出能量时，电容器在吸收能量，能量就在它们之间交换，即阻感性负载需要的无功功率可由电容器提供，反之，阻容性负载需要的无功功率可由电抗器提供，因此，按照负载的性质安装不同的设备可以提供负载所需要的无功功率而不再需要从电源获得，减轻了电力系统的压力，补偿原理如图2.1所示。

图2.1无功补偿原理示意图

负载需要的无功功率Q，装设无功补偿装置后，补偿的无功为QC，这样电源输出的无功减少了QC，功率因数由原来的

提高到补偿后的

，视在功率由原来的

减少到

，但有功功率并没有变化。

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。

由功率损耗公式（2.1）和电压损耗公式（2.2）可见电源输送的无功功率的减小，使电力网和变压器的功率损耗下降，提高了供电效率，并且降低了电力网中的电压损耗，提高了供电质量[14][15]。

（2.1）

（2.2）

如前所述，工农业及家用等用电设备大部分是阻感负载，可看作电阻

与电感

串联的电路，其功率因数为

（2.3）

图2.2并联电容器无功补偿电路图

将

、

串联电路并联接入电容C后，电路如图2.2所示。

该电路的电流方程为

（2.4）

由补偿相量示意图2.3可知，并联电容后电压

与

的相位变小了，即供电回路功率因数提高了，根据补偿后的电流与电压的相位关系，分为电流滞后电压的欠补偿和电流超前电压的过补偿，过补偿的情况，会引起变压器二次电压的升高，而且阻容性无功功率同样会增加电能损耗。

如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器的寿命。

图2.3并联电容补偿相量示意图

2.1.2无功补偿的方式

无功补偿可以改善电压质量，提高功率因数，是电网采用的节能措施之一。

配电网中常用的无功补偿方式为：

在系统的部分变、配电所中，在各个用户中安装无功补偿装置；在高低压配电线路中分散安装并联电容机组；在配电变压器低压侧和车间配电屏间安装并联电容器以及在单台电动机附近安装并联电容器，进行集中或分散的就地补偿。

1．就地补偿

对于大型电机或者大功率用电设备宜装设就地补偿装置[14]。

就地补偿是最经济、最简单以及最见效的补偿方式。

在就地补偿方式中，把电容器直接接在用电设备上，中间只加串联熔断器保护，用电设备投入时电容器跟着一起投入，切除时一块切除，实现了最方便的无功自动补偿，切除时用电设备的线圈就是电容器的放电线圈。

2．分散补偿

当各用户终端距主变较远时，宜在供电末端装设分散补偿装置，结合用户端的低压补偿，可以使线损大大降低，同时可以兼顾提升末端电压的作用。

3．集中补偿

变电站内的无功补偿，主要是补偿主变对无功容量的需求，结合考虑供电压区内的无功潮流及配电线路和用户的无功补