毕业设计（论文）-变电站无功控制装置设计.docx

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 II 页编号： 毕业设计说明书题 目： 变电站无功控制装置设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2016 年 06月 03 日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 II 页摘 要随着我国经济、技术的发展，生产和生活越来越依赖于电力供给，大量电机和电力电子设备的应用极大促进了生产自动化水平的提高，但同时，大量变电设备和感应电机是电网无功损耗的主要来源，整流/逆变装置成为主要的谐波源，这些都成为影响供电质量的主要因素。提高供电网络的供电质量已成为一个亟待解决的课题。功率因数是输电线路中一个重要的技术参数，通过提高功率因数可以有效提高供电效率和一次设备的利用率，而利用无功补偿技术可以有效提高功率因数。本次设计主要是运用51单片机来实现无功控制装置的设计，该装置采用数字检测电路来获取电网电压和电流的相位差，单片机通过与LCD相连从而显示功率因数；控制开关采用接触器；电源电路的设计则为单片机和数字检测电路提供稳定的供电电压。该装置具有抗干扰强，精度高的特点。同时电网中谐波的存在也是不容忽视的问题，这里采用LC滤波器来滤除谐波。本文运用51单片机，对电力系统中无功功率进行监测和控制，使功率因数达到调整和优化，证明了本次设计的可行性，具有一定的实用价值。关键词：功率因数；谐波；无功控制；投切；51单片机全套设计加扣3012250582Abstract With the development of our countrys economy and technology, production and life become more and more dependent on the power supply. The application of a large number of motors and power electronic equipment greatly raise the level of production automation, but at the same time, a large number of substation equipment and induction motors are the main source of reactive power loss, rectifier / inverter device become the major source of harmonics, these have become the main factors affecting the quality of power supply. Improve the quality of power supply networks has become an urgent issue to be solved. Power factor is an important parameters for the transmission line. By increasing the power factor can improve the efficiency of power supply and utilization of primary equipment, and the technology of reactive power compensation can effectively improve the power factor.This design is mainly using 51 SCM to achieve the design of reactive power control device, the device uses digital circuit to obtain the phase difference of voltage and current. And the SCM connected with LCD to display power factor, the control switch adopts contactor. The power supply circuit is to provide a stable supply voltage for the single chip microcomputer and the digital detection circuit. The device has the characteristics of strong anti-interference and high precision. At the same time, the existence of harmonics in the power grid can not be ignored, by using the LC filter can filter harmonic.In this article, by using 51 SCM can monitor and control the reactive power of power system. So that the power factor can be adjusted and optimized, it is proved that this design is feasible and has certain practical value.Key words： power factor；harmonic；reactive power control；switching；51SCM桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 研究背景、目的及意义11.2课题研究现状11.3 课题研究内容及目标21,4 本章小结22 功率因数与无功补偿32.1 功率因数与无功功率32.1.1功率因数与无功调节关系32.2 无功补偿42.2.1无功补偿要求42.2.2无功补偿的作用及意义42.3 补偿容量计算52.3.1补偿电容器的计算62.3.2补偿电容器的接线方式62.4 无功补偿装置72.4.1电容器无功补偿装置72.4.2同步调相机8 2.4.3静止无功功率补偿装置82.5 无功补偿投切方式92.6 本章小结113 谐波抑制123.1 谐波问题与现状123.2 谐波含义及产生原因123.3 谐波补偿原理123.4 滤除5,7次谐波的LC滤波器设计133.5 本章小结144 无功补偿控制器功能设计154.1 功率因数测量硬件电路154.1.1 互感器测量模块164.1.2 信号采样模块174.1.3 单片机模块184.1.4 测量原理194.1.5电源模块204.1.6 显示模块214.2 功率因数测量电路软件程序设计224.3 调试过程234.4 电容投切244.5 本章小结255 结论与建议265.1 课题总结265.2 建议265.3 本章小结26谢 辞27参考文献28附录一 功率因数测量电路PCB图29附录二 功率因数测量电路原理图30附录三 投切控制图31附录四 变电站主接线图33附录五 软件程序34 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 41 页 共37页1 绪论1.1 研究背景、目的及意义近三十年以来，我国经济高速发展，同时也带动了我国电力工业的蓬勃发展。随着电力需求的不断增加，对供电网络的供电质量也提出了更高的要求，为解决这一问题，国家上马建设了一大批电力工程项目，建设水电核电，特高压输电，油气管网，智能电网等。电力系统装机容量也是逐年攀升，截至2014年底，全国发电装机容量突破13亿千瓦大关。2014年全国全社会用电量达到历史峰值，高达5.52万亿千瓦时，同比增长3.8个百分点。超高压，远距离电力输送，智能电网广泛推行，这一切都是鼓舞人心的成就，通过这一系列举措，使得能源得到合理和高效的使用。但是电力行业也同样存在很多问题，由于现代输电网络都往远距离、高压输送方向发展，无功功率在输电网络中进行长距离传输行不通，会造成电压偏移，供电质量下降等不良影响。在低压网中，功率因数普遍比较低，造成一次设备不能得到有效利用，供电质量下降，对无功功率进行补偿是改善电能质量的必要手段。电力系统的无功控制主要是为了控制电压，满足输电系统尽可能大的传输能力的同时并保证电力系统运行的稳定性。电能质量的好坏取决于电压和频率，而这两者必须稳定在规定的范围内，其中电压又主要受到无功功率的影响，不合理的无功分配还会导致系统的电压质量不能达标，对无功的控制显得尤为重要。另外无功功率在电网中也会造成额外的损耗，所以，无功功率控制，对提升系统安全运行的稳定性，保障供电质量可靠安全具有很重要的意义。 1.2课题研究现状补偿无功功率的最基本的方法是构建并联补偿电路（在电路中加入电容器与感性负荷并联），这种方法具有结构清晰、投资少的优点，在早期无功补偿技术时代得到广泛应用。但是其缺点也很明显，由于其补偿容量往往是不变的，所以不能对实时的负荷无功需求做出响应，因而不能做到动态无功补偿。在现代工农业生产中，供电网络往往是复杂多样化的，对无功功率单纯的静态补偿已不能满足要求，必须对无功功率进行动态补偿，这时便诞生了同步调相机。同步调相机本质是一个电源，它控制电压变化的效果很显著，由于它可以在很短的时间内提供较大的无功功率，即使当电力系统出现电压调节大幅度降低的情况时，也可以使系统电压很快复原，保证了系统供电电压的质量。上世纪70年代以来，静止型无功补偿装置因其饱和电抗器静止，响应速度快的优点得到广泛认可，已逐渐取代了同步调相机。它通过电力电子器件的高频开关实现供电网络的动态无功补偿，它可以起到提高功率因数，改善电压质量，平衡不对称负荷的作用，在中高压电力系统中的动态无功补偿得到广泛应用。随着新技术的革新与发展，由晶闸管控制的新型无功补偿装置应运而生，即静止无功补偿装置SVC，静止无功发生器SVG比静止无功补偿装置SVC更为先进，它改变电力系统的电流相位以实现无功补偿的目的，而不是将容性无功和感性无功进行相互抵消。1992年又提出了一种统一潮流控制器的概念，这种装置的控制范围很大，而且可以同时实现并联补偿或者移相等多种功能，早在1998年美国就有变电站安装上了这种无功补偿装置。我国正在加紧实际装置的研究，目前绝大多数还处于理论研究或者数字仿真的阶段。可转换静止补偿器则是目前最新一代的无功补偿装置，目前仅在美国有实际投入使用这种装置，它实质是统一潮流控制器的多重组合，可以实现线路间功率转换，并能同时控制两条以上线路的电压和阻抗等。在供电网络中，电压和频率决定了供电质量的好坏，而电压的控制是通过无功功率的调节来实现的，目前无功功率调节主要还是应用无功补偿技术，而随着现代电子技术的飞速发展，静止无功补偿的发展呈现如下几点：（1） 以往的无功补偿都是单一的无功功率补偿，即只是进行无功补偿，现在为了满足抑制谐波的需求，已逐步发展为具备无功补偿和抑制谐波功能的静止无功补偿技术，随着电力电子技术的飞速发展，在供电系统或者负荷中含有大量的谐波，抑制谐波是无功补偿技术中必不可少的环节。（2）测量功率因数更为快速准确，动态响应时间缩短，能够实时跟踪负荷的无功需求并快速地投切电容器，结合计算机的数字控制技术，在无功补偿中引入模糊控制等新的控制方式。（3）扩大无功补偿技术的使用范围，无功补偿目前主要还是应用在低压系统中，受限于晶闸管的耐压水平，高压系统还不能广泛应用无功补偿技术，因此，研发高压动态无功补偿技术具有很重要的实用价值，解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压成为此技术的突破口。 1.3 课题研究内容及目标以测量功率因数为基础，设计一套采用静电电容器与电抗器组对10kV/380V变电站系统进行无功补偿调节的控制装置，了解功率因数的定义，无功补偿和谐波补偿原理以及基本要求，并针对需要的补偿容量设计投切策略，提出具体的滤波方法。通过以上的对比分析研究，得出一套具体的测量功率因数的方案，并印证出无功调节和功率因数的关系。1,4 本章小结这一章节是本课题的开题描述，主要介绍当前无功控制的研究背景和意义，阐明对变电站无功控制的必要性，为本课题的继续研究做了开头介绍。2 功率因数与无功补偿2.1 功率因数与无功功率在供电系统中，纯感性或纯容性的负载一般都是不存在的，都是电感、电容和电阻混合的混合型负载，这种负载的电流和电压之间存在一定的相位差，这种相位角的余弦值就是功率因数。功率因数是指有功功率与总耗电量（视在功率）的比值，一般用cos表示，它用来衡量供电系统中电力被有效利用的程度，功率因数值越大，代表其电力利用效率越高。电路中负荷的类型也与功率因数的大小有关，电阻性负荷功率因数一般都是1，如白炽灯泡、电阻炉等，而容性负荷和感性负荷由于要做无用功，视在功率不能完全提供给有功功率，所以除了阻性负载，任何感性和容性负载的功率因数不可能大于或者等于1。凡是根据电磁感应原理工作的或者是带有电磁线圈的电气设备，都要建立磁场，由于建立磁场而需要的电功率我们称之为无功功率。无功功率并不是做无用功，它是产生有功功率的必要条件，有功功率和无功功率是相互依存的，对于电力系统而言，两者是缺一不可的。当电力系统出现无功功率不足时，带有电磁线圈的电气设备无法建立正常的电磁场，那么这些电气设备就不能在额定工况下工作，端电压就会下降，供电质量必然下降。2.1.1功率因数与无功调节关系在电力系统中，存在视在功率S，无功功率Q，有功功率P，他们保证了电力系统的有功功率平衡和无功功率平衡，他们之间构成一个如图2-1所示的功率三角形关系。图 2-1功率三角形 其中 P=Scos （kW） （2-1） Q=Ssin （kvar） （2-2）S=P2+Q2 （kva） （2-3）由图可分析得，在保持有功功率P不变的前提下，当无功功率Q增大时，系统视在功率S也相应增大，意味着为该系统供电的变压器容量相应增大，则该供电系统的一次设备投资也将大大增加，一次设备的利用率下降，线损也增加。如果使功率因数cos变大时，维持有功功率P不变，供电系统的视在功率S降低，在不用增加有功功率的前提下达到了提升系统视在功率的目的，明显提高了企业的经济效益，同时也减少了线路的供电损失。2.2 无功补偿把感性负载和容性负载并联接在电路中，再接入一个电容与感性负载、容性负载并联，组成并联补偿电路。在有容性负荷的电路中，电流相位超前电压90，在有感性负荷的电路中，电流相位滞后电压90，而且在同一电路中，流经电感的电流方向与流经电容的电流方向相反，正好相差180，我们可以通过在补偿电路中安装电容元件，使得流经电感与电容的电流相互抵消，这样电流矢量和电压矢量的夹角就会变小，达到提高功率因数的目的，这就是无功补偿的原理。无功补偿的关键是要把感性负荷和容性负荷并联接在电路中，使得能量在两者之间来回切换。2.2.1无功补偿要求（1）能够根据电网无功功率大小变化和电压质量要求自动投切与调节，保证系统功率因数保持在一个较高的水平（农业用电，功率因数在0.8以上；中大型电力用户要在0.85以上等），使系统无功损耗处在最小的状态。（2）调节过程全程智能化，采用全智能数字控制系统，能够联网查看每段线路的电压，电流以及功率因数，实现智能化。（3）根据降低线损的原则，优先就地补偿，提升供电质量。（4）能快速跟踪系统无功功率的动态变化，保证投切策略及时有效并能频繁操作，避免投切过程中出现过电压和涌流。（5）配置无功补偿设备要合理布局，相比高压配电网，无功功率在低压配电网中占有的比重更高，所以要以低压补偿为主，但是也不能不补偿高压，应做到高压补偿和低压补偿相结合。（6）供电系统中负荷分配往往是复杂多样化的，既有集中在一起的，如变电站中集中装设的大容量电气设备，也有分散在不同区域的，如配电线路和用户的电气设备等等，现实中往往分散的情况比较多，所以要以分散补偿为主，同时兼顾集中补偿，做到分散补偿与集中补偿结合。这样做的目的就是为了减低线损，尽量做到哪里产生的无功功率，就在哪里补偿。（7）无功补偿过程中，不仅要降低损耗，也要保证节点电压稳定，保证系统可以平稳运行。2.2.2无功补偿的作用及意义无功功率是电气设备在电路中建立和维护磁场的功率，无功功率并不是无用功，它只是不直接参与将电能转化为机械能、热能等。变压器运行需要磁场，而磁场的建立及维护离不开无功功率，因此电气设备除了需要有功功率之外，还需要无功功率，两者缺一不可。在正常情况下，电力系统供给的无功功率远远达不到负载的需求，所以需要在电力系统中加装一些无功补偿装置以供给更多的无功功率，这样电气设备才能在额定电压下平稳运行。无功补偿的意义：（1）可以减少由于无功功率在电网中流动造成的损耗，功率因数得到提高，从而使得负载的电压更加稳定，电压损失也更加少了。（2）稳定电力系统的电压，在长距离运输的输电线路中设置合适的动态无功补偿装置还可以起到稳定输电系统的作用，提高输电能力。（3）假设当原始功率因数cos10.7，功率因数理想值cos20.9，对于1000kVA的变压器，补偿前它承担的负载为10000.8=800kW,补偿后它承担的负载为10000.92=920kW可以发现，无功补偿后，功率因数提升的同时，也使得变压器可以多承担120kW的负载，显著地挖掘了发供电设备端的潜力，所以可以着眼于在维持现有设备容量不变的情况下，如何通过无功补偿提升功率因数。（4）延长电气设备的寿命，提升功率因数可以使得总电流减小，可以使得本已饱和或者将近饱和的设备负荷降低，可以降低设备的温升从而达到增加寿命的目的。（5）发电机的有功输出得到提高。（6）供电企业的经济效益得到了提高，由于改善了功率因数，减少了很多线路中的电气元件，投资减少。2.3 补偿容量计算电力系统进行无功补偿总是想把原有的功率因数提升到一个更高的理想期待值，然后根据要实现的目标来确定使用并联补偿电路还是串联补偿电路。现代工农业生产设备繁多，用电情况较为复杂，并联补偿电路能够满足不同生产情况的用电需求，90%以上的无功补偿电路都是采用并联补偿电路（即在负载端并联接入一个电容）。根据要达到的理想期待值，通过计算公式来计算出系统需要补偿的电容量，由于补偿的是无功功率，所以有功功率在补偿前后都是一个固定值，保持不变。通过如下公式计算可知：=Q1-Q2=Ptan1-Ptan2=P（tan1-tan2）=qcP （2-4）其中： Q1为补偿前系统无功功率，单位：kvar；Q2 为补偿后系统无功功率，单位：kvar；Qc为无功补偿系数，单位：kvarkW；P供电系统的有功功率，单位：kW；1补偿前功率因数角；2补偿后功率因数角；因系统容量为800kVA，10kV/380V一次系统，系统自然功率因数为0.7，系统功率因数期待值是0.92则无功补偿的容量：Q=Q1-Q2=P(tan1-tan2)=8000.7（1.02-0.426）332.64（kW）（2-5）2.3.1补偿电容器的计算根据理想功率因数以及供电系统运行指标，可由上述公式计算出供电系统所需的无功功率大小，进而可计算出要取得该补偿的无功功率值所需的无功补偿电容。 Q=U2XC=2fCU210-3=0.314 CU2 （2-6）其中：C为补偿电容值，单位：uF；U为电容两端电压，单位：V；可得系统需补偿电容值为： C=Q0.314U2 （2-7）2.3.2补偿电容器的接线方式在电力系统中，三角形接线和星形接线是电容器组最为常见的接线方式，不同的接线则电容器两端承受的电压不同。（1）星形接线当补偿电容器采用星形接线时，电容器两端承受的是电网相电压，星形接线最大的优点是可以选择多种保护，少数电容器发生故障后，故障可被快速切除，安全隐患较小。接线图如图2-2所示，接入电路后应补偿的电容量Ql：Q1=0.314CUAN2=13314CUAB2 （2-8）图2-2 星形接线（2）三角形接线当补偿电容器采用三角形接线时，电容器两端承受的是电网的线电压，电容器两端的电压是星形接法的3倍。任何一台电容器发生故障，流经电容器的电流都较大，而且不能快速将故障切除掉，安全隐患较大，接线图如图2-3所示，接入电路后应补偿的电容量Q2：Q2=314CUAB2 （2-9）通过以上对比分析可知：要想取得相同的补偿容量，星形接法的的电容值必须是三角形接法的三倍，但是三角形接法安全性没星形的好，星形结构简单清晰，建设费用少，在补偿系统中，宜采用三角形接法。图2-3 三角形接线2.4 无功补偿装置在电力系统中，我们可以简单地把无功补偿装置划分为两种，一种是传统无功补偿装置，另一种是现代无功补偿装置，顾名思义，就是以出现的时间顺序进行划分的。传统无功补偿装置有电容器补偿装置（电容器补偿装置可组成串联或者并联补偿电路）和同步调相机；现代无功补偿装置主要是静态无功补偿装置（SVC）,这种装置利用反应快速的晶闸管进行控制，如晶闸管控制器（TCR），晶闸管投切电容器（TSC）等。2.4.1电容器无功补偿装置电容器补偿装置可组成串联或者并联补偿电路，主要用于补偿供电网络中的感性负荷。其中并联电容补偿装置是供电系统中应用最为广泛的无功补偿设备，虽然串联电容补偿装置也可以提高功率因数，但是由于其不能跟踪补偿，而且补偿容量往往又是固定的，所以一般不推荐使用串联补偿装置，这里只介绍并联电容补偿装置，并联补偿电路如下图2-4所示，并联电容器无功补偿装置矢量图如图2-5所示。图2-4并联补偿电路可列出电流矢量方程 I = IC+Ir （2-10）图2-5 并联电容器无功补偿装置矢量图由图可以知道，由于加装了电容器，电压与电流的相位差由补偿前的A1减小到A2，所以功率因数得到提升，无功补偿过程完成。并联电容补偿装置有如下优点：（1）并联电容补偿装置设备投资少，运行费用较低，结构清晰明了，易于安装。（2）并联电容补偿装置运行过程中无噪声，易于维护。（3） 并联电容补偿装置运行效率普遍较高，相比同步调相机等其他补偿设备损耗更低。（4）并联电容补偿装置相比同步调相机可以满足不同安装条件的地区，既可以安装在变电站，也可以安装在大型工厂和配电系统，而同步调相机往往只能安装在变电站中心站。2.4.2同步调相机同步调相机是另一种传统无功补偿装置，它本质就是向供电网络吸收或者提供无功功率的同步电机，它有两种运行方式，过励磁运行和欠励磁运行。在长距离输电线路中，可以在线路的受电端加装一个同步调相机，当输电线负载较重时，让同步调相机过励磁运行，这样可以提高输电线路中滞后的无功电流分量；当输电线负载较轻时，让同步调相机欠励磁运行，这样可以减少滞后的无功电流分。通过这一措施，可以使得供电网络的电压维持在稳定的水平，功率因数也得以接近于1，提高了系统的稳定性。2.4.3静止无功功率补偿装置静止无功功率补偿装置是目前较为广泛应用的无功补偿装置，它可以连续而快速地控制无功功率，调节性能非常好，调节时间也短。依托晶闸管的快速反应特性，可以频繁地进行投切和调节，并且相对于传统的机械式无功补偿装置，它的电容器投切过程中不会有操作过电压和合闸涌流的影响，所以使用寿命也比机械式无功补偿装置要高，响应灵敏。因为静止无功功率补偿装置并没有旋转的部件，所以完全没有噪声。但是它的补偿过程却是动态的，可以实时地跟踪无功功率的需求或者电压的变化情况而动作。与传统无功补偿相比，它的缺点就是制造相对复杂，投资成本较高。静止无功功率补偿装置的核心部件就是晶闸管控制部分，利用晶闸管的快速动作特性来实线快速投切，当下运用最为广泛的晶闸管控制部件有晶闸管控制电抗器（TCR），晶闸管投切电容器（TSC）。2.5 无功补偿投切方式目前广泛应用的电容投切装置有三种，一是接触器电容投切装置，二是晶闸管投切电容装置，三是复合开关投切电容装置,下面主要针对这三种装置原理进行分析。（1）接触器电容投切装置当装置收到由控制器发来的投入电容器信号时，电阻切合电路触头闭合，提前接通，此时电流经过电阻向电容充电。由于电阻的阻流作用，线路不会有大的合闸涌流，然后主触头再闭合，短接电阻，电容器充电过程结束，电容器开始正常工作，电容器投入过程结束。当装置收到来自控制器发来的切除电容器的信号时，主触头先断开，经过一段时间的延时作用，电阻切合电路再断开，这样可以防止切断过程中出现操作过电压的作用，电容器切除过程结束。接触器投切电容装置原理图如下图2-6。特点：该装置不适合需要频繁投切的无功补偿场合，并且投切过程中会出现合闸涌流和操作过电压，为了减少涌流和过电压的情况发生，投切过程中电容器都要经过一段时间的放电过程。但是由于频繁地投切，电容器要承受操作过电压，合闸涌流，电容器的使用寿命大大缩短，接触器也易被损坏。图2-6接触器投切电容装置原理示意图（2）晶闸管投切电容装置TSC晶闸管投切电容装置由两个反并联晶闸管串联电容器构成。晶闸管投切电容装置要把握好投切时机，当晶闸管两端的电压为零的时候，即电源电压压降全部在电容上，此时才投入电容器，这样可以避免冲击电流的出现。一般会采用过零检测电路来保证当晶闸管两端电压为零时触发晶闸管，而过零检测电路靠光电耦合器完成这一过程，其中图2-7为晶闸管电压过零触发电路原理图。图2-7 晶闸管电压过零触发电路当晶闸管两端电压为零，光电耦合器会发出一个脉冲信号，这时候会与投入指令做逻辑与运算来决定是否去触发晶闸管，如果无功补偿控制器发来投入指令，则晶闸管平稳导通，无功补偿控制器撤销投入指令，晶闸管在零电流时自然关断，下回再接收到投入指令时，TSC在电压过零时再次投入。但是不同于接触器投切电容装置的是，由于晶闸管导通的时候，其两端电压正好等于电源两端电压，所以就无合闸涌流现象出现，TSC原理图如下图2-8。特点：该装置在需要频繁地投切电容器的场合有使用价值，利用晶闸管的快速响应特性,投切快速,并且相对于接触器电容投切装置，它的使用寿命更长，投切过程无涌流，无过电压，但是相对的，它的造价也相对较高，在使用的时候要考虑投资预算的因素。另外晶闸管投切电容装置不能连续地调节无功功率，不过可以通过对电容器分组解决这一问题，并且在运行过程中不会有谐波产生，损耗也较少。如果电容器预先充电电压不等于电源电压时就投入电容，此时会产生很大的冲击电流，严重损害晶闸管，因此电容投入时机一定要把握好。图2-8晶闸管投切电容装置原理示意图（3）复合开关投切电容装置复合投切开关结合了接触器电容投切装置与晶闸管投切电容装置的特点，由双向反并联晶闸管及交流接触器构成。首先控制器发来的投入电容器信号会使得该装置等电压，此时晶闸管投入电容器，由于晶闸管的特性，该投切过程无涌流现象出现，电容器投入之后，该装置紧接（100ms以内）着又发出一个指令使接触器闭合，短接晶闸管，保证电容器正常工作，投入电容器过程完成。当接收到电容器切除信号，接触器触点先行断开，电流尚未为零，晶闸管仍然导通，晶闸管在零电流时自然关断，切除电容器过程完成。复合开关投切电容装置原理图如下图2-9所示。图2-9 复合开关投切电容装置原理示意图结合本课题的研究需求，再对比以上方案，本设计采用结构简单的接触器投切电容装置。2.6 本章小结本章针对无功控制过程中的重要知识点进行了介绍，包括功率因数，无功功率的定义，以及无功补偿的原理与要求、作用与意义。并具体地描述了现代典型的无功补偿装置及其原理，无功补偿过程中的补偿容量计算，电容器投切策略等。为接下来的硬件电路设计打下扎实的基础。3 谐波抑制3.1 谐波问题与现状随着现代工业的发展，电力电子设备得到广泛应用，电力电子设备是谐波的主要产生源，谐波所造成的危害也日益严重。首先，谐波使得供电质量下降，输电线路的传输效率下降，电气设备经常过热，并有振荡和噪声，寿命大大缩短；谐波还可引起供电系统串联或者局部并联谐振，造成电气设备损毁。降低谐波对供电系统的影响在现代工农业生产中有着很重要的意义，这也是电工科学领域必须解的问题。3.2 谐波含义及产生原因目前电力系统广泛存在各种非线性负载，如整流器、逆变器、变频器等，当电源在标准额定频率下供电时，工频电压或电流施加在这些非线性负载会产生与工频不同的其他频率的正弦电压或电流，这些正弦电压或电流用傅里叶级数分解，就是谐波。谐波产生的根本原因还是供电系统中电气设备的的非线性特性，当正弦电压加在非线性负载中，电压和所产生的电流就不成线性关系造成波形畸变，谐波就是这样产生的。谐波的存在降低了供电系统的供电质量，使得损耗增加的同时发热也更加显著，因此有必要抑制谐波。3.3 谐波补偿原理目前抑制谐波的方式主要两种：一是装设LC滤波器这类的谐波补偿装置来补偿谐波，这种滤波器除了可以补偿谐波之外，还可以补偿无功功率，不过它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也就没有那么显著，这种方式对于任意一种谐波源都是通用的。二是改造谐波源，使其本身就不产生谐波源，不过这种方式带有一定的局限性，只适用于电力电子装置。这里根据课题的需要，采用LC滤波器来补偿谐波，LC滤波器也分为几种类型，包括利用串联LC谐振原理构成的单调谐滤波器，可滤除比较高频率谐波（12次，13次以上的谐波）的高通滤波器等，因为只需滤除5、7次谐波，所以这里采用单调谐滤波器。当单调谐滤波器发生串联谐振时，有n=1/(LC)，Zfn=Rfn，其中n为谐振次数，为基波角频率，Zfn为滤波器对n次谐波的阻抗， Rfn为第n次单调谐滤波器的电阻值，Rfn的值是很小的，此时n次谐波的电流都主要往Rfn流了，绝大部分都不流入电网了。对于那些不会引发串联谐振的其他次数的谐波，则有ZfnRfn，此时绝大部分电流都流入电网，流入滤波器的电流很少，此时便没有起到滤波的作用。所以，如果要滤除某n次谐波，只要将滤波器的谐振次数与该谐波次数相同就行，即可达到滤除该次谐波的目的。3.4 滤除5,7次谐波的LC滤波器设计LC滤波器不仅要滤掉谐波，同时也要有无功补偿的作用，我们根据无功功率分配的原则以及需要达到的理想功率因数值可得LC滤波器各参数值的公式。并依据国家的谐波治理标准GB/T 1454993 电能质量 公用电网谐波,可初步确定滤波器各参数的值，当发生串联谐振时，有 QF2UF2XC-XL （3-1） nXL=XCn （3-2） 把（3-2）式代入(3-1)得 QFn2n2-1UF2C （3-3） 由（3-3）可推导得 C=n2-1n2UF2QF （3-4）式中：QF 单调谐滤波器无功功率； n 谐波次数； UF 单调谐滤波器两端电压； XC 电容器电抗； XL 电感器电抗； 基波角频率；联合（3-4）式和（3-2）式可得 L= 1n22C = UF2(n2-1)QF （3-5）根据调谐锐度Q的定义，一般我们需要求得一个最佳的Q值，以获取更好的滤波效果，一般Q取30Q1VCnM3（n2n2-1VFM+n1ZsnZn+ZsnIn1nc） （3-7）式中： VCN 电容器额定电压； VCM 电容两端基波峰值电压； VCnM 电容器两端谐波峰值电压； VFM 单调谐滤波器两端基波峰值电压； Zn 单调谐滤波器n次谐波阻抗； In 单调谐滤波器n次谐波电流；根据公式（3-4）、（3-5）、（3-6）和（3-7），可确定单调谐滤波器元件的参数和电容器额定电压，并且谐波电流等参数值必须满足国家谐波治理标准。国家谐波治理标准谐波电压限值表3-1公用电网谐波电压（相电压）电网标称电压kV电压总畸变率%各次谐波电压含有率%奇次偶次0.38542643.21.6103532.41.26611021.60.8国家谐波治理标准谐波电流允许值表3-2谐波电流允许值标称电压kV基准短路容量MVA谐波次数及电流值570.381062446100342410100201535250128.866500139.31107509.66.8国家谐波治理标准注入系统电流值表3-3注入系统谐波电流值谐波频率（HZ）1502503505506501150谐波电流标准值（A）1818138.474.1根据以上的思路，公式，可计算得如下表3-4主要参数值 表3-4 LC滤波器各参数值滤除谐波次数57电容器额定电压（kV）2222电容器（uF）2.211.116电感器（mH）190.91192.87电阻器（）4.997.13.5 本章小结本章主要从如何抑制谐波的角度出发，详细介绍了什么是谐波，谐波怎么产生的，谐波的危害，LC滤波器等。本章采用单调谐滤波器对5次和7次谐波进行滤波补偿，并结合具体的要求和谐波国家标准初步地确定单调谐滤波器的各参数值。4 无功补偿控制器功能设计无功补偿控制器首先测量功率因数，如果功率因数值尚未达到期待值（这里设定为0.92），则投切电容器，使得功率因数大于等于0.92，其中无功补偿控制器的流程图如下图4-1所示图4-1无功补偿控制器流程图无功补偿控制器主要完成两个部分：测量功率因数部分，本设计是运用单片机来测量功率因数值；电容投切部分，其中电容投切部分根据需要达到的功率因数值投切电容，投切开关为接触器；从而完成整个无功补偿部分，本设计选择功率因数测量部分做硬件功能演示。4.1 功率因数测量硬件电路在硬件电路中，我们从电网取得信号经电压互感器和电流互感器获得低压交流信号，然后通过整形电路将交流信号转换为TTL方波脉冲。利用通过电压互感器和电流互感器输入的两路信号过零点时间差，和信号的频率来计算这两路信号的相角差。变电站无功控制装置设计是基于测量功率因数来实现的，功率因数是本课题的主要参数，只有完成功率因数的测量才能根据实际电容投切的需要来完成电容的投切，达到无功控制的目的。在电网中，当负荷是感性负荷时，电流相位滞后于电压相位，此时090，也称有滞后的cos；当负荷是容性负荷时，其电流相位超前电压相位，此时-900，也称有超前的cos。功率因数测量电路主要分为分为五个模块，分别为：互感器测量模块、信号采样模块、单片机模块、电源模块、显示模块；整体硬件设计框架如下图4-2，下面具体分析每一个模块具体工作原理。图4-2硬件工作流程图4.1.1 互感器测量模块本课题从电网采集的测量信号（即电路中的电压和电流信号）进行处理，但是这里是采用弱电电路来模拟某些功能，所以不能直接使用电网采集的电压和电流，它们都太大，无法在实验室的测量仪器直接测量。这时可以采用电压互感器和电流互感器对线路电压和电流进行处理，以便后续的分析研究，由于单片机只能读取电压信号，为了可以让电压和电流信号进行比对分析，线路电流信号先经电流互感器处理再经I/U变换变成Ui信号。用如下图4-3,图4-4可完成互感器测量部分。图4-3 电压互感器测量电路图4-4 电流互感器测量电路4.1.2 信号采样模块（1）波形转换将得到的两组信号U和Ui输入LM393电压比较器，这时候可以得到两组方波信号A1和A2，但是这两组方波信号是有抖动且不清晰的。其中，LM393的工作原理是将模拟量电压信号和参考固定电压进行比较，在两者幅度差不多的附近，输出电压将产生跃变，就输出高电平或者低电平，就完成了从正弦波转化为方波的过程。LM393双电压比较器有两个输入端，同相输入端与反相输入端，分别用“”、“”来表示。任意一个输入端需要作为参考电压来使用，这样才可以进行电压比较，这里两个比较器的反相输入端都接地，保证了他们两个有共同的参考电压，这样才能进行电压比较，这里的同相输入端则都接入待比较电压信号。在LM393输入端加入两个稳压二极管使得输入信号控制在正负0.7伏之间。波形转化电路如图4-5所示图4-5波形转化电路（2）波形整形电压互感器和电流互感器结构上存在差异，所以电压电流分别通过这两个互感器时，它们的的输出电压和电流会有附加移相角的存在，会得到抖动且不清晰的畸变波形，为了保证相角差的实时测量精度，有必要进行整形。整形电路主要负责完成信号的隔离，波形变换和相角修正。将从LM393出来的两组电压信号A1和A2输入六反相触发器74HC14中，这样就可以得到两组清晰无抖动的理想方波了。电压互感器端的方波信号从引脚1进去，引脚2出来再接入引脚3，从引脚4出来接入到单片机的P32口，电流互感器端的方波信号亦是如此，将引脚5和引脚6连接，再从引脚9出来，接入引脚10，再接入单片机的P33口，通过两个非门串联即可完成波形的整形。波形整形电路原理图如图4-6所示：图4-6波形整形电路原理图4.1.3 单片机模块（1）单片机基本介绍单片机又称为微控制器，在现代科技生活中有着广泛的应用，由于其结构、功能和体积的特点，也被称为嵌入式微控制器。单片机由硬件和软件部分构成，分别对应单片机的芯片和软件程序，单片机最核心的部件是CPU。8051是最为典型的单片机产品，本课题也是基于这个产品进行研究的。在这里可以利用两个外部中断INT0、INT1和一个定时器来测量相位角。本课题单片机的中断触发方式为脉冲下降沿触发，并且外部中断0的优先级要比外部中断1高，当中断响应时，定时器就开始工作，当中断响应后，定时器就停止工作。（2）单片机接口简要介绍：VCC：供电端口，这里施加+5V电压；GND：接地端口；RST：复位键；P0口第一功能是数据接口，第二功能是地址低八位，由于P0口内部没有上拉电阻，所以在做通用输入输出端口时需要外接一个阻值为10K的上拉电阻，P1，P2，P3内部都有上拉电阻，所以不用外接上拉电阻；P1没什么特别的功能，就是个准双向I/0口，P2口第二功能是地址高八位，本课题最重要的是P3口。P3 ： P3口(P3.0P3.7)是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行 I/O 口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其中P3.2、P3.3分别为电压、电流的方波信输入口，其特殊功能引脚分配如下表4-1。表4-1 P3口特殊功能分配表P3.0RXD串行口输入端P3.1TXD串行口输出端P3.2INT0外部中断0，低电平有效P3.3INT1外部中断1，低电平有效P3.4T0定时器0外部输入P3.5T1定时器1外部输入P3.6WR外部数据存储器写选通P3.7RD外部数据存储器读选通（3）单片机晶振电路要保证单片机工作，就必须要有晶振电路，没有晶振就没有时钟周期，继而无法执行程序代码，晶振电路如图4-7，这里晶振频率选