无功补偿器设计.docx
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无功补偿器设计
第I章绪论
第1章绪论
1.1课题背景
电力是我国的主要二次能源，随着国民经济的发展，节电降耗、减少生产
成本是企业追逐的目标。
在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例，
如异步电动机、变压器、异步电动机以及大多数家用电器等都是典型的阻感负
载。
这些负荷的自然功率因数约为0.6-0.8，阻感性负载所消耗的无功功率在
电力系统所输送的电量中占有很大的比例。
无功功率增加会导致电流的增大，
设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。
同时使功率因数偏低、系统
电压下降.无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、
配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低
发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造
成大面积停电事故。
据报道，我国平均每年因为无功分量过大造成的线损高达15%左右，折算
成线损电量约为1200亿千瓦时。
假设全国电力网负载总功率因数为0.85,采用
无功补偿装置将功率因数从0.85提高到0.95时，则每年可以降低线损约240亿千
瓦时。
近年来，随着电网负荷的增加，对无功功率的要求也与日俱增。
由于无
功功率同有功功率一样，是保证电能质量不可分割的一部分。
所以在电力系统
中要保持无功功率就地平衡，就需要装设无功补偿设备，这对电力系统安全、
可靠运行有着很重要的意义〔251。
无功补偿技术对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的潜力是十分必要
的。
其主要作用包括提高负载和系统的功率因数、减少设备容量和功率损耗、
稳定电压、提高供电质量、提高系统输电稳定性和输电能力、平衡三相负载的
功率等。
因此，无功功率补偿就成为保证电网高质量运行的重要手段之一，也
是电力系统研究领域的一个重大课题。
我国与世界上的发达国家相比，在功率
因数和补偿深度方面还有较大差距，因此在配电网改造中推广无功补偿技术是
一个值得关注的实际课题。
西北工业大学硕1研究生学位论文基于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设计
1.2无功补偿技术的发展现状
人们认识到电力系统中无功功率给电力设备运行所带来的弊端，很早就对
各种补偿技术进行研究。
伴随着电力设备的发展和各种新型控制方法的提出，
无功补偿装置经历了一个由无源到有源.由分级调节到平滑调节，由单纯补偿
无功到无功补偿和滤波相结合的发展道路，同时设备的体积和成本也不断降低。
早期使用机械开关的补偿装置不仅动作速度慢、寿命短，而且在操作时会
引起严重的冲击电流和操作过电压，造成设备的毁坏;随着电力电子技术的发
展及其在电力系统中的应用，给无功补偿设备的发展带来新的突破口，把使用
可控硅技术的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台，并逐渐占据了无功补
偿的主导地位，可控型电力电子器件大量应用到电力系统无功补偿中。
由于其
动作时间短且可快速跟踪电网变化，实现电网无功的动态调节，而且采用特定
的控制方法可以避免涌流和过电压，大大延长了设备的使用寿命;随着变流技
术和瞬时无功功率理论等新技术的发展，性能更加先进的无功发生器和有源滤
波器己成为研究的热点〔，’。
1.2.1早期的无功补偿技术
（1）同步调相机
早期无功补偿装置的代表是同步调相机。
同步调相机相当于空载运行的同
步电动机。
在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率，提高系统电压:
在
欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率，降低系统电压。
同步调相机不仅
能补偿固定的无功功率，对变换的无功功率也能进行动态补偿，至今在无功补
偿领域中还在使用，但运行维护比较复杂，而且技术上己显得落后。
随着控制
技术的进步，其控制性能还有所改善，但总体来说这种补偿方法己显得陈旧〔，，，。
（z）并联电容器
并联电容器可以改善线路参数，减少线路感性无功功率。
但它供给的无功
功率与节点电压的平方成正比，当节点电压下降时，其补偿能力反而降低，其
功率调节性能较差。
与同步调相机相比，其费用节省很多，且维护方便，即可
集中补偿，也可分散装设，所以还是我国目前主要的无功补偿方式。
其缺点是
第1章绪论
电容器只能补偿固定的无功功率，且容易发生并联谐振而烧坏电容器【旧。
1.2.2静止无功补偿技术
20世纪70年代以来，出现了静止无功补偿（StaticVarCompensator-SVC）
技术，所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具
有吸收或发出无功电流的能力，用于提高系统的功率因数、稳定系统电压、抑
制系统振荡等功能。
（1）饱和电抗器型无功补偿装W（SR）
饱和电抗器（SaturatedReactor-SR）分为自饱和电抗器和可控饱和电抗
器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。
具有自饱和电抗器的无功补偿装
置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发
出或吸收无功功率的大小。
可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来
控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。
SR型静止无功补偿装置属于第一代静止补偿器，它具有快速、可靠、过载
能力强、产生谐波小和一定的抑制三相不平衡的能力等优点。
但是由于这种装
置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4倍，并且电抗器的硅钢片长期
处于饱和状态，铁心损耗比并联电抗器大2-3倍，另外这种装置还有振动和噪
声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器
的静止无功补偿器目前应用的较少，一般只在高压输电线路才有使用「141
（2）晶闸管控制电抗器（TCR）
晶闸管控制电抗器（ThyristorControlledReactor-TCR）的基本结构就
是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，三相多采用三角形结构。
这样的
电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路。
由分析可知，晶闸管
的触发延迟角a的有效移相范围为90'-180'。
电抗器的电流可以从额定值到0
连续变换，其基波电流都是无功电流。
a=90'时，晶闸管完全导通，导通角为
180，与晶闸管串联的电抗器相当于直接接到电网上，这时其吸收的基波电流
和无功功率最大;当触发角在901-180之间时，晶闸管部分区间导通，导通
角小于180'.增大触发延迟角的效果就是减小电流中的基波分量，相当于增大
补偿器的等效感抗，因此减小了其吸收的无功功率‘”’。
由于单独的TCR只能吸
西北工业人学硕上研究生学位论文基于嵌入式操作系统的无功补偿控制A设汁
收感性无功功率，可以将固定的并联电容器（FixedCapacitor-FO与TCR配
合使用，如图1.1所示。
并联上电容器后，使得总的无功功率为TCR与并联电
容器无功功率抵消后的净无功功率。
并联电容器串联上小的调谐电抗器还可兼
作高次谐波滤波器，以吸收TCR产生的谐波。
固定电容器可
兼作泣波器
图1.1与FC配合使用的TCR
TCR型的补偿器反应时间短，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用
广泛.但该补偿装置输出电流中含有较多的高次谐波，而且电抗器体积大，成
本也较高。
（3）晶闸管投切电容器川（TSC）
晶h}管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitor-TSC）型补偿器由一
组并联的电容器组成，每一台电容器都与双向晶闸管串联，其主回路如图1.2
所示。
两个反并联的晶闸管只起开关的作用，将电容器并入电网或从电网中断
开，以替代常规投切装置使用的机械式开关。
TSC用于三相电网中可以是三角形
连接也可以是星型连接。
一般负荷对称网络采用星型连接，负荷不对称网络采
用三角形连接。
无论星型还是三角形连接都采用电容器分组投切.在运行时，
根据所需补偿容量的大小，决定投入电容的组数。
由于电容是按组投切的，所
以会在电网中产生冲击电流。
为了实现无功功率尽可能的平滑调节，可以增加
电容的组数，组数越多，级差就越小，但这也会增加运行成本。
考虑到系统的
复杂性及经济性，一般用K个电容值为C的电容和K个电容值为C/2的电容组
成2K级的电容组数。
第I章绪论
vimw/本-
土土土
毛一一耳=一J
土
图1.2TSC单相分组投切简图
TSC的关键技术问题是投切电容时刻的选取。
经过理论计算和实验研究表
明，其最佳投切时机是晶闸管两端的电压相等的时刻，即电容器两端电压等于
电源电压的时刻。
此时投切电容器，电路的冲击电流为零。
这种补偿装置为了
保证更好的投切电容器，必须对晶闸管触发电路进行很好的设计.TSC补偿器可
以很好的补偿系统所需的无功功率，如果分级分得足够细，基本上可以实现平
滑调节。
1.2.3基于电力电子逆变技术的无功补偿装置
静止无功补偿器（SVC）虽然能对系统无功功率进行有效的补偿，但是由于换
流元件没有断流能力，使其容易对电网产生较多的谐波电流，而且对电网电压
波动的调节能力不够理想。
随着大功率全控型晶闸管GTO及IGBT的出现，特别
是相控技术、脉宽调制技术（PWM）、四象限变流技术、瞬时无功功率理论等的提
出使得电力电子逆变技术得到快速发展，以此为基础的无功补偿技术也正成为
研究的热点川。
（1）静止无功发生器（SVG）
静止无功发生器（StaticVarGenerator-SVG）也是一种电力电子装置，
其基本结构如图1.3所示，其最基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流器
直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网上来实现无功补偿的.目前使用
的主要是电压型。
SVG正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压
转换成交流侧与电网同频率的输出电压，因此SVG可以看作是幅值和相位均可
控制的一个与电网同频率的交流电压源。
西:
1r工业大学硕_tr研究生学位论文基于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设计
图1.3电压型SVG基本结构
与SVC装置相比，SVG装置不需要大容量的电容器等储能元件，只需要维持
直流侧电压的较小容量的电容器，大大减小了装置的体积和成本;而且调节速
度更快、运行范围宽;在采用桥式整流电路的多重化技术或PWM技术后，则可
以大大减少补偿电流中的谐波含量。
所以SVG具有非常优越的性能，是目前无
功补偿装置的主要发展方向川。
但该系统存在结构复杂，控制难度大，制造和
维护都不便，成本高等问题，不便在全国推广使用。
（2）有源电力滤波器（APF）
随着上世纪80年代三相电路瞬时无功功率理论的提出，出现了一种用于动
态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置—有源电力滤波器（ActivePower
Filter-APF）。
其主电路原理图如图1.4所示，实际上是采用了PWM技术的逆
变器，在其直流侧有一个维持直流电压的电容器，经过逆变器产生交流电与系
统相连，电容上的电压由逆变器从系统取得。
APF可在消去谐波的同时补偿无功，
可实现实时无功补偿。
图1.4电压型AFP原理图
其优点是对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率同时进行补偿，
对补偿对象的变化有极快的响应:
可连续调节且响应迅速，无功补偿时不需储
第I章绪论
能元件;即使补偿对象电流过大也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用:
不
会发生谐振问题;能跟踪电网频率的变化:
既可对一个谐波和无功源单独补偿，
也可对多个谐波和无功源集中补偿‘’”。
APF是20世纪80年代以来电力电子技
术应用于电力系统进行谐波抑制和无功补偿的一个研究热点，但目前仍存在如:
实现复杂、成本较高、单台补偿容量低、不易消除高次谐波、在实现上仍需LC
滤波器的辅助等问题。
1.3论文的研究内容
当前，在农网、城网改造建设中都需要无功补偿装置，无功补偿更广泛地
应用于工矿、医疗、科研、企业、油田、煤矿、港口、居民小区、公用设施等
需要低压无功快速补偿的电力用户。
采用电力电容器进行无功补偿是节能降损、
改善电网电压质量最方便、最经济有效的方法之一，这种方法安装方便、建设
周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小。
随着电网自动化的发展，国家
电力公司要求推广无人值守的变电站，因此需要装设电压、无功补偿综合自动
调节的装置，真正实现变电站的自动化和无人值班。
本文正是基于目前国内电力市场的需求现状，考虑到以上几种无功补偿方
式的实现条件和功能的优缺点，设计一种TSC型低压智能无功补偿控制器，该
控制器具有较高的经济适用性。
1.3.1论文的结构安排
本文着眼于从工程实用的角度，由理论到实践，对无功补偿控制器的设计
和功能实现作详细的叙述，论文的主要结构如下:
第二章从无功补偿控制的基本理论出发，对无功补偿中所遇到的最佳补偿
容量和控制策略问题进行了分析和探讨，讨论了无功补偿的几种基本方式，阐
述了TSC型无功补偿的控制方法。
第三章给出了无功补偿控制器基于DSP的整体硬件设计方案，并根据设计
规范对控制器的各个外围模块所需实现的功能、硬件电路设计和通信方案作了
1羊细地叙述。
西北工业大学硕士研究生学位论文基于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设计
第四章叙述了基于嵌入式实时操作系统的软件总体设计方案，介绍了实时
操作系统NC/OS-II的移植和各个软件模块的功能流程和具体实现，最后详细叙
述了任务单元的划分和调度。
第五章对课题工作进行了总结，并对本文提出的无功补偿控制器设计方案
的改进提出作者的意见。
1.3.2关键技术
在本文提出的无功补偿控制系统的设计过程中，主要需解决以下关键技术:
1.基于嵌入式操作系统的系统软件设计与实现
在控制系统中嵌入实时多任务操作系统可以提高系统的效率，缩短开发周
期，方便程序的维护和升级。
实时多任务操作系统提供的基于优先级的抢占式
任务调度方案，可满足无功补偿对实时性要求较高的特点。
使用实时操作系统
必需仔细进行任务规划和调度，保证控制器能够长期运行而不出现资源死锁或
系统崩溃。
2.无线通信电路的设计
本系统采用手持PDA和移动短消息配合的通信方式，其中手持PDA主要用
作在控制器现场对历史数据的采集;GSM（GlobalSystemforMobile
communication）短消息用于实时数据读取、动作执行、参数设置等其它数据量
较小的实时通信任务。
如何解决无线通信中的数据可靠性以及如何保持发送和
接收的同步，是通信模块设计时需要解决的一个突出问题。
本课题在TSC型无功补偿装置的基础上设计了一种新型的低压智能无功补
偿装置，系统使用集成度高的DSP作为主处理器，手动和自动投切相结合，采
用过零触发电路来投切电容器，具有故障报瞥和数据存储等功能。
软件基于源
代码公开的嵌入式实时操作系统PC/OS-II来实现，通过移动GSM短消息实现数
据无线实时远传功能。
第2章无功补偿的旅本理论
第2章无功补偿的基本理论
本章主要介绍无功补偿的基本概念，讨论低压无功补偿容量和补偿方法，
分析本系统采用的无功补偿的控制策略，最后对晶闸管投切电容器的原理作了
简要的介绍。
2.1无功补偿的概念和意义
将电容器与感性负荷并联是补偿无功功率的传统方法，电容器和电感并联
在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器释放能量，而电感放出能量时，
电容器却在吸收能量。
能量就只在它们之间交换，即感性负荷（电动机、变压
器等）所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。
因此，
把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。
在实际电力系统中，包括异步电动机在内的绝大部分电气设备的等效电路
可看作电阻R与电感L串联的电路，设
Cos4p飞;扮而，式中XL一呱（2一1）
Cosq?
被定义为电力网的功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率P占
线路视在功率S的百分数。
在电力网运行中，我们希望的是功率因数越大越好，
如果能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，可以减
少无功功率的消耗。
、41
图2.1并联电容器补偿无功功率的电路和相量图
（a）电路（h）相量图（欠补偿）（c）相最图（过补偿）
西北工业人学硕_日Of究生学位论文链于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设计
将R.L电路并联电容C后，电路如图2.1（a）所示，该电路电流方程为
l=!
+瓜。
由图2.1（b）的相量图可知，并联电容器后电压fl和电流I的相位
差变小了，即供电回路的功率因数提高了，此时供电电流1的相位滞后于电压
U，这种情况称为欠补偿。
若电容C的容量过大，使得供电电流j的相位超前于电压II，这种情况称
为过补偿，其相量图如图2.1（c）所示。
通常不希望出现过补偿的情况，因为这
样会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会
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。
电力网除了要负担用电负荷的有功功率P，还要承担负荷的无功功率Q。
有
功功率P与无功功率Q还有视在功率5之间存在下述关系，即
S二廿尸z十Qz（2一2）
P二
S
cos中（2一3）
功率因数还可以表示成下述形式
Cos甲.P
S
尸
’,而（2一4）
其中U为线电压，单位KV;I为线电流，单位A。
可见在一定的电压和电流
下，提高COST，其输出的有功功率增大。
因此，改善功率因数是充汾发挥设备
潜力，提高设备利用率的有效方法。
由上述可知，无功补偿的目的就是提高电网的功率因数，即提高有用功在
电网发出的功率中的比例。
l.减少线路损耗
当线路流过电流l时，线路的有功损耗
OP二31Rx10-'（KW）
第2童无功补偿的基本理论
_，尸、，_
ar.s（--）一代x1u-
U,cosT
_P2+‘Q二R二10一」
UQ-
尸'R.1、___，-一
一J-t‘es，尸es）x1U一吸KW）
Ue`cos“（p
（2一5）
其中无功功率在电网中流动而引起的有功线损OPQ的计算公式为:
‘_QZ_
么.分兮二式
U,
（2一6）
由（2-6）式可知，线路的有功损失OP与cost29成反比，cos（D越高OP越小。
.提高电力网的传输能力
视在功率与有功功率存在下述关系:
\户1。
1…
P·Scosry（2一7）
如图2.2所示，当供电设备的视在功率S一定
时，如果功率因数cosq>提高，即功率因数角由图
中921变为972，则设备可以提供的有功功率也随之
增大到p+pp，可见，设备的有功出力提高了。
Q2
图2.2功率变化图
.降低电压损耗
线路的电压损耗计算公式为
△。
一而（Rcos，十Xsin9p）x1。
一，一塑舟望}x1。
一，卿）（2一8）
U,
当线路加装补偿电容后，其电压损耗减少值为
Da二△U,一△U
一，PR+QX
U}
PR+（Q一Q,）X
U,
卜10-'（2一9）
x10-;（KV）
电压损耗率的减小值为
西北工业大学硕卜研究生学位论文爷于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设计
a%二△矶%一△U,%=
Q。
10,}3U.I_
而x_
—%
Ue
（2一10）
。
夕三竺Y%
lose
二夕￡竺Y%
1000
可见，当增加补偿容量时，电压损耗△。
和电压损耗率△。
%与补常容量忿
成正比。
由上述分析可见，要减少电力网中的电压损耗和电网的线损率，提高用户
端的电压质量的重要措施之一就是减少电力网元件中的无功传输，可以从提高
负荷的自然功率因数和进行无功补偿两方面来解决这个问题。
2.2无功补偿容量确定的方法
2.2.1从提高功率因数需要确定补偿容量‘171
如果电力网最大负荷平均有功功率为凡，补偿前的功率因数为CosTI，补
偿后的功率因数为COST2，则补偿容量可用下述公式计算
Qc二PP（t9、一tgT2）一Ql;（1一婴）（2一11）
rg码
或写成
Q。
一Pp,
COs'码
一1一
COs'T2
（2一12）
有时需要将COST提高到大于COST2，小于COST3，则补偿容量应满足不等
COs'妈
一1一
Cos'叭一11、sPR1,Iz一1一、I1-11
1LrCosg,yCos9}]
（2-13）
Q。
—所需补偿容量WA）;
﹄...........‘:
耳中
式式
一一最大负荷平均无功功率（kVA）;
一一最大负荷平均有功功率（kW）.
鸟几
第2章无功补偿的基本理论
cos97,应采用最大负荷日平均功率因数。
通常，将功率因数从0.9提高到1
所需的补偿容量与将功率因数从0.72提高到0.9所需的补偿容量相当。
在高功率因数下进行补偿其效益将显著下降。
这是因为在高功率因数下，
因此，
cos切
曲线的上升率变小，因此，提高功率因数所需的补偿容量将要相应的增加。
2.2.2从降低线损需要确定补偿容量1A
线损是电力网经济运行一项重要指标，在网络参数一定的条件下，
过导线的电流平方成正比。
设补偿前流经电力网的电流为I，其有功、
其与通
无功分
量为I，和IQ，如图2.3所示·则I一1，一ille
若补偿后，流经网络的电流为I'，其有功、无
功分量为I，和IQ则I'·I，一11Q·
但是，加装电容后，将不会改变补偿前的有功分
量，故有Ip-Ipn
:
一ftpi
图2，3向量图
补偿前的线路损耗为:
AP二31'R一3（竺匕）2R（2一14）
cosrp
补偿后的线路损耗为:
N''一31'ZR一3（卫乞;）'R（2一15）
cos华
补偿后线损降低的百分值为:
OP,%一AP-AP:
二100%一fl一（cos".）Zix100%（2-I6）
OP'cos厂’-
而补偿容量为:
Q一f3UDIQ-V3ij（Isin;一I'singp）一,A3Ulp（tg，一t8q}）-P（tgry-t%T）（2一17）
因此，该补偿容量公式与提高功率因数确定补偿容量的公式相同。
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2.2.3从提高运行电压需要确定补偿容量
在配电线路的末端，运行电压较低，特别在重
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