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摘要
Abstract .............................................................................................................................
第一章 绪论
第二章 全自动无功补偿装置的硬件构成
............................................................................................................................. 2
第三章 各测量量的测量原理、算法及硬件电路
3.1 电压和电流的采集.................................................................................. 3.2 电压、电流及功率因素和有功功率的计算..........................................
第四章 补偿电容量的计算及电容器的选择
4.1 总的补偿电容量的确定.......................................................................... 4.2 电容容量的选择......................................................................................
第五章 LED显示及键盘设计电路
5.1 LED 显示电路的设计............................................................................... 5.2 键盘电路的设计......................................................................................
第六章 电容投切装置的实现
6.1 电容投切原理.......................................................................................... 6.2 电容投切单元电路的实现......................................................................
第七章 全自动无功补偿装置的软件实现
第八章 结语
第九章 致谢
参考文献.. . .............................................................................................. 11
摘 要：设计了一种全自动无功补偿装置。此装置是在考察先前的手动或电磁式无功补偿装置的基础上由笔者自行设计的，主要采用AT89C51单片机作为微处理器实现全自动控制。系统对电网电压和电流进行采样、计算，从而获得COS ∮和有功功率。本装置可实现功率因素从COS ∮=0.6补偿到COS ∮=0.95，且能保证功率因素变化时电容的自动投切，能实时显示出当前功率因素、电流和有功功率，并能实现手动和自动控制。
关键字：无功补偿 AT89C51单片机 功率因素 自动控制
Abstract :device is in the power compensation devices based on self-designed by the author, mainly using AT89C51 single-chip microprocessor as the realization of automatic control.System to the power grid voltage and current sampling, computing, to gain COS ∮ and active. The device can be realized from the power factor COS ∮ = 0.6 compensation to the COS ∮ = 0.95, power factor and can ensure that changes in the automatic switching to real-time shows that the current power factor, current and active, and can achieve the manual and automatic control.
key words:reactive power compensation；AT89C51 single-chip microprocessor ；power factor；automatic control
第一章 绪论
在电力系统中，无功功率既有其有益的一面，也有其有害的一面。有益的是，电力网在运行时，电源供给的无功功率是电能转换为其它形式能量的前提，它为电能的输送、转换创造了条件。而有害的是，在电力系统输送电能的过程中，无功功率不足，将使系统中输送的总电流增加、使变压器的出力减少、供电线路及系统设备有功功率损耗增大、线路末端电压下降；同时，对于电力用户来说，过多地从电网中吸取无功，不仅使电网电能质量下降，也影响自身的用电和生产，使企业效益下降，甚至招致罚款。
因此，为了减少无功的损失和避免其在电网中的不当流动，必须进行无功补偿。而据统计，10 kV 以下电压等级的网损约占整个网损的50％以上，其中又以配电变压器和用户感性负荷所消耗的无功损耗为重点，所以，将无功补偿的重点放在380 V电压等级的配电变压器和低压用户处是行之有效的降损节能措施。故笔者特定针对单相电（电压：0—220V, 电流：0—100A ）设计了此全自动无功补偿装置。
此装置根据常规要求及具体情况设计了10组补偿电容，可把电网的功率因素从COS ∮=0.6补偿到COS ∮=0.95。同时，利用AT89C51单片机驱动SSR 固态继电器实现了功率因素变化时电容的自动投切，此外，也可以通过键盘进行手动控制，实现电容的投切，从而进行补偿。装置还可以实时采集到电网侧的电压和电流，通过微机计算、处理，同时利用8位LED 电路显示实时功率因素，电流及有功功率。最终实现全自动无功补偿。
第二章 全自动无功补偿装置的硬件构成
该装置核心硬件采用AT89C51单片机实现，AT89C51单片机是现在人们用的
最多的单片机种类之一，其结构简单、成本低廉、功能较全且便于扩展，虽然处ARM9等，但在
实时参数分别采集电网侧电压、电流，经过电压形成电路分别对电压电流进行变换。同时由CPU 中的定时器定时控制对经过低通滤波出来的信号进行采样并保持，再通过多路转换开关，分别经高速A ／D 转换单元进行模数转换，并最终进入CPU ，CPU 综合现场各种运行状态，进行运算、快速分析和智能决策，最后将各种数据实时显示在数码管上，同时根据储存在RAM 中的功率因素表判定该投切哪几组电容器，并最终通过CPU 驱动SSR 固态继电器实现电容器的自动投切。
装置硬件框图见图1
图1 全自动无功补偿装置的硬件框图
第三章 各测量量的测量原理、算法及硬件电路
3.1 电压和电流的采集
电网侧的电压和电流分别经电压互感器和电流互感器再到电压形成电路产生微机可以利用的信号。其中交流电压信号采用电压变换器即可满足要求，而交流电流信号可以采用电抗变换器和电流变换器，在此选用电流变换器对电流信号进行变换。此外，为保证后面的电路不受干扰，两个经变换器出来的信号还需经低通滤波环节进行滤波才允许输入到采样保持电路，供CPU 发出信号进行采样。
低通滤波环节可由电阻及电容组合构成一模拟低通滤波器。而采样保持环节则选择较常用的LF-398采样芯片。其逻辑输入端S/H由CPU 中的定时器按一定时序控制，从而控制何时采样、何时保持。当逻辑输入端即 S/H=1，即电平为高时，为采样功能；当逻辑输入端即 S/H=0，即电平为低时，为保持功能。
低通滤波及采样保持电路见图
2
图2 低通滤波及采样保持电路图
经采样保持电路出来的信号需通过多路选择开关（MPX ）来选择哪一个信号需要A/D转换。当电压信号需A/D转换时，MPX 选择到电压信号档进而通过A/D芯片进行模数转换，当电流信号需A/D转换时，MPX 选择到电流信号档进而通过A/D芯片进行模数转换。
在此设计中，MPX 选择CD4051，而A/D转换芯片则选择MAX521。二者与单片机连接的电路原理图如图3所示。
图3 A/D
转换电路接口图
3.2
当采集到电压和电流信号后，应立即对其进行处理、计算，以获取实时数据。在此设计中主要采用两点乘积算法对各信号进行计算。
两点乘积算法主要是以电气角度π/2为采样间隔而采集一个周期内的两个数据，因而算法本身所要求的数据窗长度为1/4周期。所以对50Hz 的工频来说就是5ms 。即在一个周期内所采集的两个数据需保证在5ms 的间隔。这5ms 的定时间隔由CPU 的定时器0来实现。
若在两个采样时刻n 1和n 2分别采集到两个电流信号分别为i 1和i 2。则有 w (n 1T s -n 2T S )=根据上式有
i 1=i （n 1T s ）=2I sin (w n 1T S +α0I )= i 2=i ( n 2T S ) =
=
2I cos
⎛
2I sin w
⎝π2
（1-1）
2I sin α1I
π⎫
⎪=2⎭
（1-2）
+π2）
n T
1
S
+α
0I
+2I （sin
α
1I
α
1I
（1-3）
错误！未指定书签。
其中上面两式中的∂1I 为n 1采样时刻电流的相角，可能为任意值。
将上面（1-2）式和（1-3）式平方后相加，即得
2I 2=i 12+i 2
（1-4） 2将其开方就可以得到电流的有效值I 。
同理，可以按照同样的方法获得u1和u2。并最终得到电压的有效值U 。 同时，又可以根据电压和电流的有效值求出阻抗的模值，为 Z =
U I =
u 1+u 2i 1+i 2
2
2
2
2
（1-5）
此外，若将电压和电流写成复数形式
U =U cos α1U +j U sin α1U （1-6） I =I cos α1I +j I sin α1I （1-7） 最终可得
。
。
。
U
。
=
I
i
22
+j 1+j i 1
（1-8）
将式（1-8 R =
+112
1
2
2
i +i
22
（1-9）
则可得功率因素角cos ∮。即由（1-5）和（1-9）式可得出： cos∮=
R Z
（1-10）
最后，由电压U 、电流I 以及功率因素cos ∮可求得有功功率P ：
P =UI cos∮ （1-11）
第四章 补偿电容量的计算及电容器的选择
4.1 总的补偿电容量的确定
根据常规电压220V 及电流100A ，当需要把功率因素从确定的最小值cos φ
1
=
0.6补偿到cos φ
2
=
0.95时，应该补偿的电容量为：
-tan φ
Q =P tan φ-tan φ
1
(
2
)=UI cos φ(tan φ
1
12
)=13.2Kvar
4.2 电容容量的选择
根据如上的计算结果及常规要求，此设计选择了10组电容的组合作为投切装置。
下表提供了每千瓦有功功率所需补偿的电容值及此设计中所需电容补偿电容的参考：
因此这10组电容的容量分别选择为0.1Kvar 、0.2 Kvar 、0.3 Kvar 、0.5 Kvar 、1.0 Kvar、2.0 Kvar、3.0 Kvar、5.0 Kvar、10.0 Kvar。
投切中为保证各电容的平均寿命，采取循环投切的方式。
第五章 LED显示及键盘设计电路
5.1 LED显示电路的设计
由于AT89C51单片机的I/O口数目不够，故LED 显示电路需要扩展一片8255才能实现。AT89C51单片机可以通过P2.7口与8255的片选引脚CS 连在一起，即可保证8255的正常工作。
此外，由于8255的驱动能力不够，故还需通过74LS245及7407分别作为8
个数码管段口和位口的驱动。
电路原理图如图
5.2 键盘电路的设计
此装置的设计既可以自动投切，又可以手动投切。而手动投切的实现就需通过键盘来实现。根据LED 上的数据显示，可以手动投切哪一组或哪几组电容。
键盘设计为4 x 4键盘，也通过8255与单片机相连，完全可以满足设计的需要。同时，键盘消抖采用软件实现，因此键盘只需通过上拉电阻与单片机相连即可。电路原理图如图4所示。
___
图4 LED显示及键盘控制电路图
第六章 电容投切装置的实现
6.1 电容投切原理
根据设计的要求每次投切都需保证功率因素cos ∮能达到0.95
左右，所以此装置设计了几乎每种可能的需要无功补偿的情况。把功率因素从0.6到0.95的所有情况都整理成一个表，将其存在外扩的RAM 中。装置先通过采集电路采集电压电流信号，再经过CPU 的计算得到当前的功率因素，将其送至前面列出的表中与里面的值比较，根据比较值再由CPU 确定需要投切哪几组电容器。 6.2 电容投切单元电路的实现
切开关。
SSR 固态继电器以触发形式, 可分为零压型(Z)和调相型(P)两种。在输入端施加合适的控制信号VIN 时,P 型SSR 立即导通。当VIN 撤销后, 负载电流低于双向可控硅维持电流时(交流换向),SSR 关断。而SSR-50DA 固态继电器为双向可控硅输出，零电压开启，零电流关断；输入回路与输出回路之间有光电隔离很好的保证了抗干扰性。
SSR-50DA 固态继电器的控制电压为3-32VDC, 所以它的输入端需要加上一TTL 电平，用一电阻上拉。同时为满足驱动要求，由CPU 输出的触发信号经过与非门7406连接一三极管，通过控制三极管的通断来控制SSR-50DA 固态继电器的通断。负载电压能达到24-380VAC ，完全满足设计的要求。
单元电路原理图如图5所示。
图4 SSR固态继电器及驱动电路图
第七章 全自动无功补偿装置的软件实现
下面是整个装置的软件流程图：
整个装置一上电，先需要将所有的硬件或本身的软件部分初始化，CPU 中
的定时器定时控制对经过低通滤波出来的信号进行采样并保持，再通过多路转换开关，分别经高速A ／D 转换单元进行模数转换，并最终进入CPU ，CPU 综合现场各种运行状态，进行运算、快速分析和智能决策，最后将各种数据实时显示在数码管上，同时根据储存在RAM 中的功率因素表判定该投切哪几组电容器，并最终通过CPU 驱动SSR 固态继电器实现电容器的自动投切。
对50Hz 的工频来说，电气角度为π/2的采样间隔就是5ms 。即在一个周期内所采集的两个数据需保证在5ms 的间隔。这5ms 的定时间隔由CPU 的定时器0来实现，所以CPU 需保证每间隔5ms 采样一次。
CPU在工作时也需在定时的时间内查询键盘的状态，以判定是否需要进行
手动调整
第八章 结语
全自动无功补偿装置的设计运用了目前比较先进的技术去完成了电力系统中的无功补偿问题，且弥补了传统的手动投切装置的不足和缺陷。能很好地实现功率因素从确定的最小值cos φ
1
=
0.6补偿到cos φ
2
=
0.95，同时，此装置中SSR
固态继电器的运用也解决了常规装置中的抗干扰和不稳定性的现象。当然，由于时间方面的原因，次装置的设计还有一些考虑不全的地方，有待进一部研究与开发。
第九章 致谢
此装置的设计得到了老师的热情指导与耐心讲解，张老师渊博的学识和严谨的教风让我受益匪浅，在此，特地对张老师表示深情的感谢。同时，也感谢参考书上的编者和网络上一些知名的和不知名的热心人提供的帮助。
参考文献：
[1]杨奇逊 黄少锋. 微型机继电保护基础 中国电力出版社，2007.8 [2]靳龙章 丁毓山. 电网无功补偿实用技术 中国水利水电出版社，1997.8 [3]粟时平 刘桂英. 静止无功功率补偿技术 中国电力出版社，2005.11
[4]姜齐荣 谢小荣 陈建业. 电力系统并联补偿——结构、原理、控制与应用 机械工业出版社，2004.8
[5]傅知兰. 电力系统电气设备选择与实用计算 中国电力出版社，2004.3
动态无功补偿技术探讨
摘要：随着大量电力电子设备在电网中的广泛使用，使得系统中常常会出现含有谐波，且负荷变化较大的工况，传统的静态无功补偿及静态无源滤波装置无法满足这一需求。动态无功补偿技术的应用为这一问题的解决提供了可行的途径。该文阐述了动态无功补偿的意义和基本原理，并对动态无功补偿与其它无功补偿装置及滤波装置作了比较。
关键词：动态无功功率；滤波；补偿装置
中图分类号：714.1文献标志码：B 文章编号：1003-0867(2007)04-0044-02 电力电子设备在电网中广泛使用，使得动态无功补偿（快速跟踪无功补偿）与谐波治理的问题日益突出，系统中常常会出现含有谐波，且负荷变化较大的工况，传统的静态无功补偿及静态无源滤波装置无法满足这一需求。动态无功补偿技术的应用为这一问题的解决提供了可行的途径。动态无功补偿装置可根据系统的负荷情况实时在线投切L-C 滤波器组，实现实时快速跟踪补偿系统基波无功，同时滤除谐波无功。 1动态无功补偿的意义
动态无功补偿的意义主要体现在以下四个方面：降低供配电系统的损耗；提高供配电系统的利用率（增容）；可以通过对功率因数的调整实现对供配电系统网络电压幅值的控制，从而稳定供配电系统的网络电压，可以降低谐波电流对供电系统的破坏作用。
2动态无功补偿的基本原理 2.1系统中基波感性无功的去除
利用同等电压的感性电流与容性电流方向相反进行抵消，如果实现全补偿，则系统无功电流等于零。即 IC=IZ×(1-cos2j)1/2 式中Ic ——容性补偿电流； Iz ——负载电流； cosj ——功率因数。
基波感性无功补偿示意图见图1。
图1基波感性无功补偿示意图 工程方案可分为两大类：
TSC 方案，对感性负载系统配置可补偿电容器，使总电流中无功电流等于零。通过调节补偿电容器, 使补偿容性电流为：IC=IZ×(1-cos2j)1/2，见图2。
图2TSC 方案示意图
TCR 方案，对感性负载系统配置固定补偿电容器，使系统呈容性，再配置可调补偿电抗器，使总电流中无功电流等于零。通过调节补偿电抗器，使补偿容性电流为
IC=IZ+IZ×(1-cos2j)1/2，见图3。
图3TCR 方案示意图
2.2系统中谐波感性无功的去除
例如：5次谐波滤波器，LC 谐振频率低于250Hz 为236Hz ，此时LC 阻抗Z 对250Hz 呈微感性，而对50Hz 呈容性，谐波滤波原理实际上变为分流原理。按照分流公式得知：当Z=Zb时谐波电流50%流入电网，其余50%流入LC 滤波器支路；当Z=25%Zb时，谐波电流20%流入电网。流入电网的谐波电流与流入LC 滤波器的谐波电流之和等于负载谐波电流，不产生谐波放大现象。如果谐波滤波器的谐振点为270Hz ，对5次谐波呈容性，将出现谐波放大现象。电网谐波电流等于负载谐波电流加上滤波器电流，所以工程上谐波滤波器的谐振点应设计在低于所要滤除的谐波频率。
2.3三相不平衡负载的平衡化
在无零序电流的情况下，可采用分相补偿计算法，使各相无功电流为零。使三相系统平衡化。
Iab=(Iaq+Ibq-Icq)×1/31/2 Ibc=(Ibq+Icq-Iaq)×1/31/2 Ica=(Icq+Iaq-Ibq)×1/31/2
其中：电流Iaq 、Ibq 、Icq 分别为电流Iab 、Ibc 、Ica 中的无功电流，Zab 、Zbc 、Zca 为无功元件，见图4。
图4三相不平衡负载平衡化示意图
当电流Iab 为正值时，Zab 为容性元件；反之，Zab 为感性元件。当电流Ibc 为正值时，Zbc 为容性元件；反之，Zbc 为感性元件。当电流Ica 为正值时，Zca 为容性元件；反之，Zca 为感性元件。
有零序电流时，可采用加装感性元器件的方法，进行平衡化。 3动态无功补偿与其它无功补偿装置及滤波装置的比较 3.1SC 静态无功补偿装置（见图5）
图5SC 静态无功功率补偿装置示意图 优点： 造价低。 缺点：
不适合负载急剧变化的工况；
对谐波电流产生放大，增加电网负担； 电容器容易损坏。
3.2SVC 静止无功补偿装置（见图6）
图6SVC 静止无功补偿装置示意图 优点：
调节电感，电流变化平滑； RLC 滤波器，滤波效果好； 无功补偿调节速度快。 缺点：
造价昂贵，不适合应用在低压系统； 产生高次谐波，增加了谐波滤波器的负担； 不能解决低压用户负载不对称的问题； 自身损耗大，大约为5%～8%； 系统有谐振问题； 高压阀串维护较为困难。 3.3APF 有源滤波器（见图7）
图7APF 有源滤波器示意图 优点：
高速动态响应； 不会与系统发生谐振； 节约能源；
滤波效果不受电流方向、系统阻抗、电压等的影响。 缺点： 价格昂贵；
目前在试验阶段，容量较小，不适宜大范围推广。 3.4动态无功补偿滤波装置（见图8）
图8动态无功补偿滤波装置示意图 优点：
快速投切，无电流冲击，达到TCR 同等补偿速率；
造价同高压TCR 相比，比较经济，低压操作安全，维护方便； 装置不产生谐波，无射频干扰； 可以有效减少供配电系统损耗； 可以解决低压用户的增容问题； 定点投切，不会产生振荡现象。 缺点： 有级投切。
低压配电系统智能无功补偿控制器设计
? 0 引 言
《民用建筑电气设计规范》规定：对配电容量小于250 kW或变压器容量小于160 kVA 的建筑由低压配电系统配电，不要求单独设置变配电站，故对无功缺失情况就没有进行补偿。而10 kV 变配电站低压侧母线上的集中无功补偿装置不能对低压端进行有效的补偿; 低压配电系统配电半径长，电压降落大，电压不稳定状况严重; 在这些民用建筑场所内使用的多为单相电感性负荷，因其自身功率因数较低，在电网中滞后无功功率的比重较大，也造成了低压端功率因数偏低。为了降低电网中的无功功率，提高功率因数，保证有功功率的充分利用，提高系统的供电效率和电压质量，减少线路损耗，降低配电线路成本，节约电能，需要在低压供配电系统中装设电容器无功补偿装置。
本实验室开发的应用于此类建筑的嵌入式系统可取代工控和现场CAN 总线的楼宇设备监控系统，解决了基于工控机的楼宇监控相对此类建筑系统过于庞大复杂、成本高的问题。本文仅介绍底层基于PIC18F458的无功补偿控制部分。
1 电容器接线方式
电容器组有三角型和星型接线两种方式，它们适合于三相负载比较平衡的状况，不会对系统产生三次谐波干扰。但是，在民用建筑中大量使用的是单相负荷，照明、空调等负荷随机变化大，容易造成三相负载严重不平衡，尤其是住宅楼在运行中三相不平衡更为严重。调节补偿无功功率的采样信号取自三相中的任意一相，造成未检测的两相要么过补偿，要么欠补偿。若过补偿，则过补偿相的电压升高，造成控制和保护元件等用电设备因过电压而损坏; 若欠补偿，则补偿相的回路电流增大，线路及断路器等设备因电流增加而发热甚至被烧坏。这种情况下，用传统的三相无功补偿方式不但不节能，反而浪费资源，难以对系统的无功进行有效补偿，补偿过程中所产生的过、欠补偿等弊端更是对整个电网的正常运行带来严重危害。采用如图1所示三相星型带中性线方式进行分相电容自动补偿是解决上述问题的一
种较好的办法。其原理是通过调节取自三相中的每一相的无功功率因数的信号，根据每相感性负载的大小和功率因数的高低进行相应的补偿，对其他相不产生影响，故不会产生欠补偿和过补偿情况。
但是，三相带中性线会对系统产生大量的三次谐波污染。400 V配电系统多采用“零地合一”的三相四线制供电方式，如果因为某种原因引起接地电阻不为零，将使电网电压中性点发生偏移，严重时有可能危害人身和设备安全，需要在中性线上加装电抗器抑制谐波。按照国家标准规定，标称电压为380 V 、基准短路容量为10 MV A 的系统三次谐波的含量不超过5% ，本文以5% 的谐波含量进行讨论。
三相基波电压完全对称，故三相基波电流合成值为零; 而三相电压的三次谐波大小相等、方向相同，故三相三次谐波电流也大小相等、方向相同，汇合后由中性线回流到系统，中性线电流 为
所以，只要适当调整L 的值，就可以减少三次谐波的干扰，达到理想值。
2 零电压投切电路
如果使用接触器投切电容，必须使用专用的接触器。用接触器投切无功补偿电容器时，会产生很大的冲击电流，不仅对电网造成干扰，且会影响电容器使用寿命。另外，电容器从电网切除时产生拉弧现象，经常导致接触器触头烧损，影响无功补偿装置的正常运行。所以，必须加入电抗器限制涌流。
电容投切分两种情况进行分析：
(1)单个电容投入时，涌流分析建立原理如图2所示。
(2)在系统已经投入运行后，基本运行情况是，已经有 一1个电容的情况下再投入第 个电容组。因为电容组之间的线路很短，电感约为几微亨，与母线电感相比很小，此时第 个电容不但要承受电源造成的电流冲击，其他已经充电的电容也会对新投入的电容充电， 21
涌流情况比第一种情况严重得多。依上述方法计算可得
零电压触发电路很好地消除了涌流。在TSC 为零电压的情况下触发晶闸管，投入选择在电网线电压和电容器上的电压极性相同、峰值相等的时刻，切除时只要撤销触发信号即可，开关在电流过零之后会自行关断。由于触发电路中使用的光耦双向晶闸管的内部带有过零检测电路，控制器输出的控制信号和过零检测信号相与后输出，控制晶闸管，故由它组成的SCR 触发电路能够在不附加同步电路的情况下实现上述补偿电容器的无过渡过程投切，避免了涌流，并且晶闸管在电流为零时自动关断，改进了以前加放电电阻和电容预充电等抑止涌流的方式，简化了线路。
3 投切判据和控制策略
投切判据有：无功功率、功率因数和电压。设计中不以功率因数为判据，因实际补偿是通过无功功率的投入实现的，故以无功功率为判据进行补偿更科学。为了使控制更合理，实际采用无功、电压综合判据作为投切电容器组的依据。为了避免电容器组的投切震荡，考虑系统容许一定的过补，引入无功上下限的概念。在实际投切控制中，同组电容器的动作时间间隔大于300 S ，同容量的电容器循环投切。为了防止瞬时干扰，投切算法并不以一次计算立即决定投切，而是连续几十秒均为同一组合时才实际投切电容器，避免了投切震荡和干扰的影响。
传统的无功控制产品控制策略大多采用9区图法。它按照电压和无功上下限(或者功率因数) ，把电压无功平面分成9个区间，理想的考虑是在系统无功和电压非正常状态时，将系统调节到正常态的9区中运行。但是，9区图没有考虑无功调节对电压的影响和电压调节对无功输出的影响，实际上它是电压和无功没有解耦的产物，在使用时出现振荡和频繁动作的情况。
本应用对象是低压配电系统，不存在使用调节变压器分接头调节电压，无功调节即是电压调节，无功和电压的耦合关系在此不存在，所以参照了此控制策略，采用了无功功率与母线电压的投切判据，如图3所示
22
图3中：Q 为系统的实际无功功率;“一”号为过补;Q 为其中一个欲控制电容器组的容量; 为系统正常电压的下限;Ui 为下极限;Uh 为上限;Uh 为上极限，电压上下限可根据用户当地实际情况设置：1区为电压越下极限，不论无功功率大小，全部切除电容器组;2区为电压越上极限，逐级切除电容器组;3区为无功越上限、电压不越上限，投入电容器组;4区为无功越上限、电压越上限，为了防止电压越上极限，闭锁投入电容器，即该投入的时候不投入;5区为无功越下限、电压不越下限，切除电容组;6区为无功越下限、电压越下限，为了防止电压越下极限，闭锁切除电容器组，即该切除的时候不切除。7区为无功不越上下限、电压不越上下极限，不动作，维持原状态。
4 硬件测频
在监控系统中，硬件设计的重点是采样电路和信号触发电路。如果采用固定采样问隔进行采样，当输入信号频率偏离固定频率(如工频50nz) 时，计算出的参数有效值会存在较大误差，频率偏离越大，测量值的误差也就越大。在采样电路中，为了保证对周波精确的取样，需要实时测量周波频率，作为取样依据。
在单片机装置中，一般采用过零触发电路和单片机的外部中断检测电量周期的开始和结束时间，再利用内部定时器计算周期和采样间隔，在采样间隔定时中断程序中启动一次采样。这种方案有两个缺点：① 电路实现复杂; ② 精度不高，因为要考虑中断能否实现响应，过零触发电路产生的中断响应具有不确定性。
本设计采用了硬件测频方式(见图4) ，其电路由5O Hz 带通滤波器、方波形成器、单稳电路和计数器组成。为了使频率测量达到一定准确度，输入电压(一般是相问电压) 经变换、隔离后通过5O Hz带通滤波器获得平滑的正弦波电压信号，经方波形成器后整形为上升沿陡峭的方波，单稳电路将方波上升沿展开成一个4—5 s的脉冲，该脉冲的周期与输入电压的周期相同。输入电压的每一周期开始时，计数器清零，这样计数器的计数值Ⅳ即是输入电压一周期内石英振荡器(. ≥200 kHz)的时钟脉冲 。的个数，于是输入电压的频率厂=，c 。/N。设计中以4相电压信号的频率为基准，检测A 相电压信号的频率，并根据该频率确定A/D的采样间隔。频率检测电路就是把提升滤波后0—3 V的 相电压信号通过比较电路转换为方波 23
信号脉冲。利用PIC18F458的捕捉单元CAP 捕捉方波信号脉冲的上升沿或下降沿，以此确定电压的频率。
5 软件设计
本设计遵循结构化程序设计，它采用自顶向下逐步求精的设计方法和单人口单出口控制结构，将一个复杂的系统按功能划分为几个独立的模块，模块划分遵循“功能独立”原则，每个模块的功能分配明确，有利于软件的调试、修改和维护。
本程序中主要的程序模块有数据采集模块、白检测模块、数据计算模块、控制模块、数据显示发送模块，其程序流程如图5所示。
在参数采样中，使用6路PIC18F458的1O bitA/D对 、 、 、 、 、 进行采样。对A/D采样结果的读取在由A/D采样完成发出的中断信号产生的中断子程序中处理。因为采样不是同步进行的，所以在程序设计中，要对因采样时间差造成的同相电压电流相位偏差进行补偿。数据通信中，使用了PIC 18F458的CAN 接口，构建了CAN 局域网。数据被上传存储，实现了设备的现场总线控制。
PIc18F458有2个中断入口，位于000008H 的高优先级的中断向量和位于O00018H 的低优先级的中断向量，低优先级的中断可以被高优先级中断抢断。在程序设计中，根据任务的重要性，综合考虑中断的分配。
本设计使用SPI 接口和串行转并行芯片控制输出，在控制完成后，给CAN 通信标志位置位，主程序检测标志位，完成数据的实时发送。
6 结束语
低压配电系统的特点要求采取有针对性的接线和补偿控制策略。本设计针对三相负荷不平衡的特点，实现了无功功率的分相补偿; 零电压投切方式的采用消除了涌流; 硬件测频方式对周波信号精确采样提供了保证。经模拟实验证明，本装置达到了控制要求。CAN 通信的应用，使之实现了配电设备的监控和联网，为构建基于现场总线的监控系统预留了接口。
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[原创]变压器有载调压和无功补偿在配电网中的
作用及合理调控的分析
变压器有载调压和无功补偿在配电网中的作用及合理调控的分析
经过农村电网建设与改造及农村电气化建设，铜鼓县输电网骨架及10KV 配电网更加坚强和完善, 大部分变电站都是设计为两台有载调压主变并列运行，10KV 母线一般都装设无功集中补偿装置，其容量按主变容量的10%～15%设计。由于农村用电负荷的提高以及用电性质的复杂化，致使电网的无功功率不足和无功分布不尽合理，从而造成系统电压下降。电压的波动和无功负荷的变化直接影响电网电能质量，因此而涉及到电压如何调整，无功补偿装置的投入，无功电压与优化等方面的技术问题。变电站的主要调压手段就是通过调节有载调压变压器分接头的位置和控制无功补偿电容器来达到无功优化、提高电网电压和降低线损的目的。为此，我们通过对变压器有载调压和无功补偿在配电网中的作用的初探，掌握如何通过
两者的合理调控来提高电网电能质量，确保电网安全、稳定、经济运行。
一、变压器有载调压在配电网中的作用
1、保持电压稳定：变压器存在阻抗，在功率传输中，将产生电压降，并随着用户侧负荷的变化而变化。系统电压的波动加上用户侧负荷的变化将引起电压较大的变动。在实现无功功率就地平衡的前提下，当电压变动超过定值时，有载调压变压器通过调节分接头，对电压进
行调整，并保持电压的稳定。
2、保证电压质量：供电变压器的任务是直接向负荷中心供应电力，一次侧直接接到地区供电网35KV 或110KV 。这类变压器不但向负荷提供有功功率，也往往同时提供无功功率，而且一般短路阻抗也较大。随着地区负荷变化，如果没有配置有载调压变压器，供电母线电压将随之变化。因此，我国《电力系统技术导则(试行) 》规定了“对110 kV及以下变压器，宜 25
考虑至少有一级电压的变压器采用带负载调压方式”。所以，对直接向供电中心供电的有载调压变压器，在实现无功功率分区就地平衡的前提下，随着地区负荷增减变化，配合无功补偿设备并联电容器及低压电抗器的投切，调整分接头，以便随时保证对用户的供电电压质量。
有载调压变压器可以保持电网运行在较高的电压水平，优化了无功功率，从而降低了线损，提高了电网经济效益。变压器有载调压虽然在一定的程度上能改变电网电压，但无法改变无功需求平衡状态：当系统无功功率不足时，负荷的电压特性可以使系统在较低电压下保持稳定运行，但如果无功功率严重缺乏时，为保持电压水平而调节有载调压变压器分接头，电压暂时上升，将无功功率缺额全部转移至主网，从而使主网电压逐渐下降，严重时可能引发系
统电压崩溃。
二、无功补偿装置在配电网中的作用
1、功率因数补偿， 提高电压质量：随着工农业生产的不断发展，加工生产服务行业用电设备多为电磁结构，需要大量的励磁功率，致使用户的功率因数滞相且较低，一般都会低于0.7以下，滞相的无功功率在配电网中流动不仅占用配电网容量，造成不必要的损耗，而且导致电网电压降低。加装并联电容器补偿装置就近供给用户或配电网所需要的滞相无功功率，减少在配电网中流失的无功功率，降低网损，从而改善电压质量。
2、无功补偿调压：变电站10KV 母线无功集中补偿，其装置主要包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要是平衡输电网的无功功率，提高系统终端变电站的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。
变电站10KV 母线无功集中补偿容量和投切控制方式应考虑到满足主变压器自身的无功损耗和就近向配电线路前端输送无功，以满足配电线路前端（变电站附近）的无功负荷，为主变有载调压维持系统电压稳定提供保障。
三、变压器有载调压和无功补偿装置的合理调控
有载调压变压器可以带负荷的情况下切换分接头位置，从而改变变压器的变比，起到调整电压和降低损耗的作用。控制无功补偿电容器的投切，可改变网络中无功功率的分布，改善功率因数，减少网损和电压损耗，改善用户的电压质量。以上两种调节和控制的措施，都有调整电压和改变无功分布的作用，但它们的作用原理和后果不同。利用改变有载调压变压器的分接头位置进行调压时，调压措施本身不产生无功功率，但系统消耗的无功功率与电压水平有关，因此在系统无功功率不足的情况下，不能用改变变比的办法来提高系统的电压水平，否则电压水平调得越高，该地区的无功功率越不足，反而导致恶性循环。所以在系统缺乏无 26
功的情况下，必须利用补偿电容器进行调压。投补偿电容器既能补充系统的无功功率，又可改变系统中的无功分布，从而有利于系统电压水平的提高。因此必须把调节变压器的分接头与控制电容器组的投、切两者结合起来，进行合理调控，才能起到既改善电压水平，又降低网损的效果。
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目录
摘要
Abstract .............................................................................................................................
第一章 绪论
第二章 全自动无功补偿装置的硬件构成
............................................................................................................................. 2
第三章 各测量量的测量原理、算法及硬件电路
3.1 电压和电流的采集.................................................................................. 3.2 电压、电流及功率因素和有功功率的计算..........................................
第四章 补偿电容量的计算及电容器的选择
4.1 总的补偿电容量的确定.......................................................................... 4.2 电容容量的选择......................................................................................
第五章 LED显示及键盘设计电路
5.1 LED 显示电路的设计............................................................................... 5.2 键盘电路的设计......................................................................................
第六章 电容投切装置的实现
6.1 电容投切原理.......................................................................................... 6.2 电容投切单元电路的实现......................................................................
第七章 全自动无功补偿装置的软件实现
第八章 结语
第九章 致谢
参考文献.. . .............................................................................................. 11
摘 要：设计了一种全自动无功补偿装置。此装置是在考察先前的手动或电磁式无功补偿装置的基础上由笔者自行设计的，主要采用AT89C51单片机作为微处理器实现全自动控制。系统对电网电压和电流进行采样、计算，从而获得COS ∮和有功功率。本装置可实现功率因素从COS ∮=0.6补偿到COS ∮=0.95，且能保证功率因素变化时电容的自动投切，能实时显示出当前功率因素、电流和有功功率，并能实现手动和自动控制。
关键字：无功补偿 AT89C51单片机 功率因素 自动控制
Abstract :device is in the power compensation devices based on self-designed by the author, mainly using AT89C51 single-chip microprocessor as the realization of automatic control.System to the power grid voltage and current sampling, computing, to gain COS ∮ and active. The device can be realized from the power factor COS ∮ = 0.6 compensation to the COS ∮ = 0.95, power factor and can ensure that changes in the automatic switching to real-time shows that the current power factor, current and active, and can achieve the manual and automatic control.
key words:reactive power compensation；AT89C51 single-chip microprocessor ；power factor；automatic control
第一章 绪论
在电力系统中，无功功率既有其有益的一面，也有其有害的一面。有益的是，电力网在运行时，电源供给的无功功率是电能转换为其它形式能量的前提，它为电能的输送、转换创造了条件。而有害的是，在电力系统输送电能的过程中，无功功率不足，将使系统中输送的总电流增加、使变压器的出力减少、供电线路及系统设备有功功率损耗增大、线路末端电压下降；同时，对于电力用户来说，过多地从电网中吸取无功，不仅使电网电能质量下降，也影响自身的用电和生产，使企业效益下降，甚至招致罚款。
因此，为了减少无功的损失和避免其在电网中的不当流动，必须进行无功补偿。而据统计，10 kV 以下电压等级的网损约占整个网损的50％以上，其中又以配电变压器和用户感性负荷所消耗的无功损耗为重点，所以，将无功补偿的重点放在380 V电压等级的配电变压器和低压用户处是行之有效的降损节能措施。故笔者特定针对单相电（电压：0—220V, 电流：0—100A ）设计了此全自动无功补偿装置。
此装置根据常规要求及具体情况设计了10组补偿电容，可把电网的功率因素从COS ∮=0.6补偿到COS ∮=0.95。同时，利用AT89C51单片机驱动SSR 固态继电器实现了功率因素变化时电容的自动投切，此外，也可以通过键盘进行手动控制，实现电容的投切，从而进行补偿。装置还可以实时采集到电网侧的电压和电流，通过微机计算、处理，同时利用8位LED 电路显示实时功率因素，电流及有功功率。最终实现全自动无功补偿。
第二章 全自动无功补偿装置的硬件构成
该装置核心硬件采用AT89C51单片机实现，AT89C51单片机是现在人们用的
最多的单片机种类之一，其结构简单、成本低廉、功能较全且便于扩展，虽然处ARM9等，但在
实时参数分别采集电网侧电压、电流，经过电压形成电路分别对电压电流进行变换。同时由CPU 中的定时器定时控制对经过低通滤波出来的信号进行采样并保持，再通过多路转换开关，分别经高速A ／D 转换单元进行模数转换，并最终进入CPU ，CPU 综合现场各种运行状态，进行运算、快速分析和智能决策，最后将各种数据实时显示在数码管上，同时根据储存在RAM 中的功率因素表判定该投切哪几组电容器，并最终通过CPU 驱动SSR 固态继电器实现电容器的自动投切。
装置硬件框图见图1
图1 全自动无功补偿装置的硬件框图
第三章 各测量量的测量原理、算法及硬件电路
3.1 电压和电流的采集
电网侧的电压和电流分别经电压互感器和电流互感器再到电压形成电路产生微机可以利用的信号。其中交流电压信号采用电压变换器即可满足要求，而交流电流信号可以采用电抗变换器和电流变换器，在此选用电流变换器对电流信号进行变换。此外，为保证后面的电路不受干扰，两个经变换器出来的信号还需经低通滤波环节进行滤波才允许输入到采样保持电路，供CPU 发出信号进行采样。
低通滤波环节可由电阻及电容组合构成一模拟低通滤波器。而采样保持环节则选择较常用的LF-398采样芯片。其逻辑输入端S/H由CPU 中的定时器按一定时序控制，从而控制何时采样、何时保持。当逻辑输入端即 S/H=1，即电平为高时，为采样功能；当逻辑输入端即 S/H=0，即电平为低时，为保持功能。
低通滤波及采样保持电路见图
2
图2 低通滤波及采样保持电路图
经采样保持电路出来的信号需通过多路选择开关（MPX ）来选择哪一个信号需要A/D转换。当电压信号需A/D转换时，MPX 选择到电压信号档进而通过A/D芯片进行模数转换，当电流信号需A/D转换时，MPX 选择到电流信号档进而通过A/D芯片进行模数转换。
在此设计中，MPX 选择CD4051，而A/D转换芯片则选择MAX521。二者与单片机连接的电路原理图如图3所示。
图3 A/D
转换电路接口图
3.2
当采集到电压和电流信号后，应立即对其进行处理、计算，以获取实时数据。在此设计中主要采用两点乘积算法对各信号进行计算。
两点乘积算法主要是以电气角度π/2为采样间隔而采集一个周期内的两个数据，因而算法本身所要求的数据窗长度为1/4周期。所以对50Hz 的工频来说就是5ms 。即在一个周期内所采集的两个数据需保证在5ms 的间隔。这5ms 的定时间隔由CPU 的定时器0来实现。
若在两个采样时刻n 1和n 2分别采集到两个电流信号分别为i 1和i 2。则有 w (n 1T s -n 2T S )=根据上式有
i 1=i （n 1T s ）=2I sin (w n 1T S +α0I )= i 2=i ( n 2T S ) =
=
2I cos
⎛
2I sin w
⎝π2
（1-1）
2I sin α1I
π⎫
⎪=2⎭
（1-2）
+π2）
n T
1
S
+α
0I
+2I （sin
α
1I
α
1I
（1-3）
错误！未指定书签。
其中上面两式中的∂1I 为n 1采样时刻电流的相角，可能为任意值。
将上面（1-2）式和（1-3）式平方后相加，即得
2I 2=i 12+i 2
（1-4） 2将其开方就可以得到电流的有效值I 。
同理，可以按照同样的方法获得u1和u2。并最终得到电压的有效值U 。 同时，又可以根据电压和电流的有效值求出阻抗的模值，为 Z =
U I =
u 1+u 2i 1+i 2
2
2
2
2
（1-5）
此外，若将电压和电流写成复数形式
U =U cos α1U +j U sin α1U （1-6） I =I cos α1I +j I sin α1I （1-7） 最终可得
。
。
。
U
。
=
I
i
22
+j 1+j i 1
（1-8）
将式（1-8 R =
+112
1
2
2
i +i
22
（1-9）
则可得功率因素角cos ∮。即由（1-5）和（1-9）式可得出： cos∮=
R Z
（1-10）
最后，由电压U 、电流I 以及功率因素cos ∮可求得有功功率P ：
P =UI cos∮ （1-11）
第四章 补偿电容量的计算及电容器的选择
4.1 总的补偿电容量的确定
根据常规电压220V 及电流100A ，当需要把功率因素从确定的最小值cos φ
1
=
0.6补偿到cos φ
2
=
0.95时，应该补偿的电容量为：
-tan φ
Q =P tan φ-tan φ
1
(
2
)=UI cos φ(tan φ
1
12
)=13.2Kvar
4.2 电容容量的选择
根据如上的计算结果及常规要求，此设计选择了10组电容的组合作为投切装置。
下表提供了每千瓦有功功率所需补偿的电容值及此设计中所需电容补偿电容的参考：
因此这10组电容的容量分别选择为0.1Kvar 、0.2 Kvar 、0.3 Kvar 、0.5 Kvar 、1.0 Kvar、2.0 Kvar、3.0 Kvar、5.0 Kvar、10.0 Kvar。
投切中为保证各电容的平均寿命，采取循环投切的方式。
第五章 LED显示及键盘设计电路
5.1 LED显示电路的设计
由于AT89C51单片机的I/O口数目不够，故LED 显示电路需要扩展一片8255才能实现。AT89C51单片机可以通过P2.7口与8255的片选引脚CS 连在一起，即可保证8255的正常工作。
此外，由于8255的驱动能力不够，故还需通过74LS245及7407分别作为8
个数码管段口和位口的驱动。
电路原理图如图
5.2 键盘电路的设计
此装置的设计既可以自动投切，又可以手动投切。而手动投切的实现就需通过键盘来实现。根据LED 上的数据显示，可以手动投切哪一组或哪几组电容。
键盘设计为4 x 4键盘，也通过8255与单片机相连，完全可以满足设计的需要。同时，键盘消抖采用软件实现，因此键盘只需通过上拉电阻与单片机相连即可。电路原理图如图4所示。
___
图4 LED显示及键盘控制电路图
第六章 电容投切装置的实现
6.1 电容投切原理
根据设计的要求每次投切都需保证功率因素cos ∮能达到0.95
左右，所以此装置设计了几乎每种可能的需要无功补偿的情况。把功率因素从0.6到0.95的所有情况都整理成一个表，将其存在外扩的RAM 中。装置先通过采集电路采集电压电流信号，再经过CPU 的计算得到当前的功率因素，将其送至前面列出的表中与里面的值比较，根据比较值再由CPU 确定需要投切哪几组电容器。 6.2 电容投切单元电路的实现
切开关。
SSR 固态继电器以触发形式, 可分为零压型(Z)和调相型(P)两种。在输入端施加合适的控制信号VIN 时,P 型SSR 立即导通。当VIN 撤销后, 负载电流低于双向可控硅维持电流时(交流换向),SSR 关断。而SSR-50DA 固态继电器为双向可控硅输出，零电压开启，零电流关断；输入回路与输出回路之间有光电隔离很好的保证了抗干扰性。
SSR-50DA 固态继电器的控制电压为3-32VDC, 所以它的输入端需要加上一TTL 电平，用一电阻上拉。同时为满足驱动要求，由CPU 输出的触发信号经过与非门7406连接一三极管，通过控制三极管的通断来控制SSR-50DA 固态继电器的通断。负载电压能达到24-380VAC ，完全满足设计的要求。
单元电路原理图如图5所示。
图4 SSR固态继电器及驱动电路图
第七章 全自动无功补偿装置的软件实现
下面是整个装置的软件流程图：
整个装置一上电，先需要将所有的硬件或本身的软件部分初始化，CPU 中
的定时器定时控制对经过低通滤波出来的信号进行采样并保持，再通过多路转换开关，分别经高速A ／D 转换单元进行模数转换，并最终进入CPU ，CPU 综合现场各种运行状态，进行运算、快速分析和智能决策，最后将各种数据实时显示在数码管上，同时根据储存在RAM 中的功率因素表判定该投切哪几组电容器，并最终通过CPU 驱动SSR 固态继电器实现电容器的自动投切。
对50Hz 的工频来说，电气角度为π/2的采样间隔就是5ms 。即在一个周期内所采集的两个数据需保证在5ms 的间隔。这5ms 的定时间隔由CPU 的定时器0来实现，所以CPU 需保证每间隔5ms 采样一次。
CPU在工作时也需在定时的时间内查询键盘的状态，以判定是否需要进行
手动调整
第八章 结语
全自动无功补偿装置的设计运用了目前比较先进的技术去完成了电力系统中的无功补偿问题，且弥补了传统的手动投切装置的不足和缺陷。能很好地实现功率因素从确定的最小值cos φ
1
=
0.6补偿到cos φ
2
=
0.95，同时，此装置中SSR
固态继电器的运用也解决了常规装置中的抗干扰和不稳定性的现象。当然，由于时间方面的原因，次装置的设计还有一些考虑不全的地方，有待进一部研究与开发。
第九章 致谢
此装置的设计得到了老师的热情指导与耐心讲解，张老师渊博的学识和严谨的教风让我受益匪浅，在此，特地对张老师表示深情的感谢。同时，也感谢参考书上的编者和网络上一些知名的和不知名的热心人提供的帮助。
参考文献：
[1]杨奇逊 黄少锋. 微型机继电保护基础 中国电力出版社，2007.8 [2]靳龙章 丁毓山. 电网无功补偿实用技术 中国水利水电出版社，1997.8 [3]粟时平 刘桂英. 静止无功功率补偿技术 中国电力出版社，2005.11
[4]姜齐荣 谢小荣 陈建业. 电力系统并联补偿——结构、原理、控制与应用 机械工业出版社，2004.8
[5]傅知兰. 电力系统电气设备选择与实用计算 中国电力出版社，2004.3
动态无功补偿技术探讨
摘要：随着大量电力电子设备在电网中的广泛使用，使得系统中常常会出现含有谐波，且负荷变化较大的工况，传统的静态无功补偿及静态无源滤波装置无法满足这一需求。动态无功补偿技术的应用为这一问题的解决提供了可行的途径。该文阐述了动态无功补偿的意义和基本原理，并对动态无功补偿与其它无功补偿装置及滤波装置作了比较。
关键词：动态无功功率；滤波；补偿装置
中图分类号：714.1文献标志码：B 文章编号：1003-0867(2007)04-0044-02 电力电子设备在电网中广泛使用，使得动态无功补偿（快速跟踪无功补偿）与谐波治理的问题日益突出，系统中常常会出现含有谐波，且负荷变化较大的工况，传统的静态无功补偿及静态无源滤波装置无法满足这一需求。动态无功补偿技术的应用为这一问题的解决提供了可行的途径。动态无功补偿装置可根据系统的负荷情况实时在线投切L-C 滤波器组，实现实时快速跟踪补偿系统基波无功，同时滤除谐波无功。 1动态无功补偿的意义
动态无功补偿的意义主要体现在以下四个方面：降低供配电系统的损耗；提高供配电系统的利用率（增容）；可以通过对功率因数的调整实现对供配电系统网络电压幅值的控制，从而稳定供配电系统的网络电压，可以降低谐波电流对供电系统的破坏作用。
2动态无功补偿的基本原理 2.1系统中基波感性无功的去除
利用同等电压的感性电流与容性电流方向相反进行抵消，如果实现全补偿，则系统无功电流等于零。即 IC=IZ×(1-cos2j)1/2 式中Ic ——容性补偿电流； Iz ——负载电流； cosj ——功率因数。
基波感性无功补偿示意图见图1。
图1基波感性无功补偿示意图 工程方案可分为两大类：
TSC 方案，对感性负载系统配置可补偿电容器，使总电流中无功电流等于零。通过调节补偿电容器, 使补偿容性电流为：IC=IZ×(1-cos2j)1/2，见图2。
图2TSC 方案示意图
TCR 方案，对感性负载系统配置固定补偿电容器，使系统呈容性，再配置可调补偿电抗器，使总电流中无功电流等于零。通过调节补偿电抗器，使补偿容性电流为
IC=IZ+IZ×(1-cos2j)1/2，见图3。
图3TCR 方案示意图
2.2系统中谐波感性无功的去除
例如：5次谐波滤波器，LC 谐振频率低于250Hz 为236Hz ，此时LC 阻抗Z 对250Hz 呈微感性，而对50Hz 呈容性，谐波滤波原理实际上变为分流原理。按照分流公式得知：当Z=Zb时谐波电流50%流入电网，其余50%流入LC 滤波器支路；当Z=25%Zb时，谐波电流20%流入电网。流入电网的谐波电流与流入LC 滤波器的谐波电流之和等于负载谐波电流，不产生谐波放大现象。如果谐波滤波器的谐振点为270Hz ，对5次谐波呈容性，将出现谐波放大现象。电网谐波电流等于负载谐波电流加上滤波器电流，所以工程上谐波滤波器的谐振点应设计在低于所要滤除的谐波频率。
2.3三相不平衡负载的平衡化
在无零序电流的情况下，可采用分相补偿计算法，使各相无功电流为零。使三相系统平衡化。
Iab=(Iaq+Ibq-Icq)×1/31/2 Ibc=(Ibq+Icq-Iaq)×1/31/2 Ica=(Icq+Iaq-Ibq)×1/31/2
其中：电流Iaq 、Ibq 、Icq 分别为电流Iab 、Ibc 、Ica 中的无功电流，Zab 、Zbc 、Zca 为无功元件，见图4。
图4三相不平衡负载平衡化示意图
当电流Iab 为正值时，Zab 为容性元件；反之，Zab 为感性元件。当电流Ibc 为正值时，Zbc 为容性元件；反之，Zbc 为感性元件。当电流Ica 为正值时，Zca 为容性元件；反之，Zca 为感性元件。
有零序电流时，可采用加装感性元器件的方法，进行平衡化。 3动态无功补偿与其它无功补偿装置及滤波装置的比较 3.1SC 静态无功补偿装置（见图5）
图5SC 静态无功功率补偿装置示意图 优点： 造价低。 缺点：
不适合负载急剧变化的工况；
对谐波电流产生放大，增加电网负担； 电容器容易损坏。
3.2SVC 静止无功补偿装置（见图6）
图6SVC 静止无功补偿装置示意图 优点：
调节电感，电流变化平滑； RLC 滤波器，滤波效果好； 无功补偿调节速度快。 缺点：
造价昂贵，不适合应用在低压系统； 产生高次谐波，增加了谐波滤波器的负担； 不能解决低压用户负载不对称的问题； 自身损耗大，大约为5%～8%； 系统有谐振问题； 高压阀串维护较为困难。 3.3APF 有源滤波器（见图7）
图7APF 有源滤波器示意图 优点：
高速动态响应； 不会与系统发生谐振； 节约能源；
滤波效果不受电流方向、系统阻抗、电压等的影响。 缺点： 价格昂贵；
目前在试验阶段，容量较小，不适宜大范围推广。 3.4动态无功补偿滤波装置（见图8）
图8动态无功补偿滤波装置示意图 优点：
快速投切，无电流冲击，达到TCR 同等补偿速率；
造价同高压TCR 相比，比较经济，低压操作安全，维护方便； 装置不产生谐波，无射频干扰； 可以有效减少供配电系统损耗； 可以解决低压用户的增容问题； 定点投切，不会产生振荡现象。 缺点： 有级投切。
低压配电系统智能无功补偿控制器设计
? 0 引 言
《民用建筑电气设计规范》规定：对配电容量小于250 kW或变压器容量小于160 kVA 的建筑由低压配电系统配电，不要求单独设置变配电站，故对无功缺失情况就没有进行补偿。而10 kV 变配电站低压侧母线上的集中无功补偿装置不能对低压端进行有效的补偿; 低压配电系统配电半径长，电压降落大，电压不稳定状况严重; 在这些民用建筑场所内使用的多为单相电感性负荷，因其自身功率因数较低，在电网中滞后无功功率的比重较大，也造成了低压端功率因数偏低。为了降低电网中的无功功率，提高功率因数，保证有功功率的充分利用，提高系统的供电效率和电压质量，减少线路损耗，降低配电线路成本，节约电能，需要在低压供配电系统中装设电容器无功补偿装置。
本实验室开发的应用于此类建筑的嵌入式系统可取代工控和现场CAN 总线的楼宇设备监控系统，解决了基于工控机的楼宇监控相对此类建筑系统过于庞大复杂、成本高的问题。本文仅介绍底层基于PIC18F458的无功补偿控制部分。
1 电容器接线方式
电容器组有三角型和星型接线两种方式，它们适合于三相负载比较平衡的状况，不会对系统产生三次谐波干扰。但是，在民用建筑中大量使用的是单相负荷，照明、空调等负荷随机变化大，容易造成三相负载严重不平衡，尤其是住宅楼在运行中三相不平衡更为严重。调节补偿无功功率的采样信号取自三相中的任意一相，造成未检测的两相要么过补偿，要么欠补偿。若过补偿，则过补偿相的电压升高，造成控制和保护元件等用电设备因过电压而损坏; 若欠补偿，则补偿相的回路电流增大，线路及断路器等设备因电流增加而发热甚至被烧坏。这种情况下，用传统的三相无功补偿方式不但不节能，反而浪费资源，难以对系统的无功进行有效补偿，补偿过程中所产生的过、欠补偿等弊端更是对整个电网的正常运行带来严重危害。采用如图1所示三相星型带中性线方式进行分相电容自动补偿是解决上述问题的一
种较好的办法。其原理是通过调节取自三相中的每一相的无功功率因数的信号，根据每相感性负载的大小和功率因数的高低进行相应的补偿，对其他相不产生影响，故不会产生欠补偿和过补偿情况。
但是，三相带中性线会对系统产生大量的三次谐波污染。400 V配电系统多采用“零地合一”的三相四线制供电方式，如果因为某种原因引起接地电阻不为零，将使电网电压中性点发生偏移，严重时有可能危害人身和设备安全，需要在中性线上加装电抗器抑制谐波。按照国家标准规定，标称电压为380 V 、基准短路容量为10 MV A 的系统三次谐波的含量不超过5% ，本文以5% 的谐波含量进行讨论。
三相基波电压完全对称，故三相基波电流合成值为零; 而三相电压的三次谐波大小相等、方向相同，故三相三次谐波电流也大小相等、方向相同，汇合后由中性线回流到系统，中性线电流 为
所以，只要适当调整L 的值，就可以减少三次谐波的干扰，达到理想值。
2 零电压投切电路
如果使用接触器投切电容，必须使用专用的接触器。用接触器投切无功补偿电容器时，会产生很大的冲击电流，不仅对电网造成干扰，且会影响电容器使用寿命。另外，电容器从电网切除时产生拉弧现象，经常导致接触器触头烧损，影响无功补偿装置的正常运行。所以，必须加入电抗器限制涌流。
电容投切分两种情况进行分析：
(1)单个电容投入时，涌流分析建立原理如图2所示。
(2)在系统已经投入运行后，基本运行情况是，已经有 一1个电容的情况下再投入第 个电容组。因为电容组之间的线路很短，电感约为几微亨，与母线电感相比很小，此时第 个电容不但要承受电源造成的电流冲击，其他已经充电的电容也会对新投入的电容充电， 21
涌流情况比第一种情况严重得多。依上述方法计算可得
零电压触发电路很好地消除了涌流。在TSC 为零电压的情况下触发晶闸管，投入选择在电网线电压和电容器上的电压极性相同、峰值相等的时刻，切除时只要撤销触发信号即可，开关在电流过零之后会自行关断。由于触发电路中使用的光耦双向晶闸管的内部带有过零检测电路，控制器输出的控制信号和过零检测信号相与后输出，控制晶闸管，故由它组成的SCR 触发电路能够在不附加同步电路的情况下实现上述补偿电容器的无过渡过程投切，避免了涌流，并且晶闸管在电流为零时自动关断，改进了以前加放电电阻和电容预充电等抑止涌流的方式，简化了线路。
3 投切判据和控制策略
投切判据有：无功功率、功率因数和电压。设计中不以功率因数为判据，因实际补偿是通过无功功率的投入实现的，故以无功功率为判据进行补偿更科学。为了使控制更合理，实际采用无功、电压综合判据作为投切电容器组的依据。为了避免电容器组的投切震荡，考虑系统容许一定的过补，引入无功上下限的概念。在实际投切控制中，同组电容器的动作时间间隔大于300 S ，同容量的电容器循环投切。为了防止瞬时干扰，投切算法并不以一次计算立即决定投切，而是连续几十秒均为同一组合时才实际投切电容器，避免了投切震荡和干扰的影响。
传统的无功控制产品控制策略大多采用9区图法。它按照电压和无功上下限(或者功率因数) ，把电压无功平面分成9个区间，理想的考虑是在系统无功和电压非正常状态时，将系统调节到正常态的9区中运行。但是，9区图没有考虑无功调节对电压的影响和电压调节对无功输出的影响，实际上它是电压和无功没有解耦的产物，在使用时出现振荡和频繁动作的情况。
本应用对象是低压配电系统，不存在使用调节变压器分接头调节电压，无功调节即是电压调节，无功和电压的耦合关系在此不存在，所以参照了此控制策略，采用了无功功率与母线电压的投切判据，如图3所示
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图3中：Q 为系统的实际无功功率;“一”号为过补;Q 为其中一个欲控制电容器组的容量; 为系统正常电压的下限;Ui 为下极限;Uh 为上限;Uh 为上极限，电压上下限可根据用户当地实际情况设置：1区为电压越下极限，不论无功功率大小，全部切除电容器组;2区为电压越上极限，逐级切除电容器组;3区为无功越上限、电压不越上限，投入电容器组;4区为无功越上限、电压越上限，为了防止电压越上极限，闭锁投入电容器，即该投入的时候不投入;5区为无功越下限、电压不越下限，切除电容组;6区为无功越下限、电压越下限，为了防止电压越下极限，闭锁切除电容器组，即该切除的时候不切除。7区为无功不越上下限、电压不越上下极限，不动作，维持原状态。
4 硬件测频
在监控系统中，硬件设计的重点是采样电路和信号触发电路。如果采用固定采样问隔进行采样，当输入信号频率偏离固定频率(如工频50nz) 时，计算出的参数有效值会存在较大误差，频率偏离越大，测量值的误差也就越大。在采样电路中，为了保证对周波精确的取样，需要实时测量周波频率，作为取样依据。
在单片机装置中，一般采用过零触发电路和单片机的外部中断检测电量周期的开始和结束时间，再利用内部定时器计算周期和采样间隔，在采样间隔定时中断程序中启动一次采样。这种方案有两个缺点：① 电路实现复杂; ② 精度不高，因为要考虑中断能否实现响应，过零触发电路产生的中断响应具有不确定性。
本设计采用了硬件测频方式(见图4) ，其电路由5O Hz 带通滤波器、方波形成器、单稳电路和计数器组成。为了使频率测量达到一定准确度，输入电压(一般是相问电压) 经变换、隔离后通过5O Hz带通滤波器获得平滑的正弦波电压信号，经方波形成器后整形为上升沿陡峭的方波，单稳电路将方波上升沿展开成一个4—5 s的脉冲，该脉冲的周期与输入电压的周期相同。输入电压的每一周期开始时，计数器清零，这样计数器的计数值Ⅳ即是输入电压一周期内石英振荡器(. ≥200 kHz)的时钟脉冲 。的个数，于是输入电压的频率厂=，c 。/N。设计中以4相电压信号的频率为基准，检测A 相电压信号的频率，并根据该频率确定A/D的采样间隔。频率检测电路就是把提升滤波后0—3 V的 相电压信号通过比较电路转换为方波 23
信号脉冲。利用PIC18F458的捕捉单元CAP 捕捉方波信号脉冲的上升沿或下降沿，以此确定电压的频率。
5 软件设计
本设计遵循结构化程序设计，它采用自顶向下逐步求精的设计方法和单人口单出口控制结构，将一个复杂的系统按功能划分为几个独立的模块，模块划分遵循“功能独立”原则，每个模块的功能分配明确，有利于软件的调试、修改和维护。
本程序中主要的程序模块有数据采集模块、白检测模块、数据计算模块、控制模块、数据显示发送模块，其程序流程如图5所示。
在参数采样中，使用6路PIC18F458的1O bitA/D对 、 、 、 、 、 进行采样。对A/D采样结果的读取在由A/D采样完成发出的中断信号产生的中断子程序中处理。因为采样不是同步进行的，所以在程序设计中，要对因采样时间差造成的同相电压电流相位偏差进行补偿。数据通信中，使用了PIC 18F458的CAN 接口，构建了CAN 局域网。数据被上传存储，实现了设备的现场总线控制。
PIc18F458有2个中断入口，位于000008H 的高优先级的中断向量和位于O00018H 的低优先级的中断向量，低优先级的中断可以被高优先级中断抢断。在程序设计中，根据任务的重要性，综合考虑中断的分配。
本设计使用SPI 接口和串行转并行芯片控制输出，在控制完成后，给CAN 通信标志位置位，主程序检测标志位，完成数据的实时发送。
6 结束语
低压配电系统的特点要求采取有针对性的接线和补偿控制策略。本设计针对三相负荷不平衡的特点，实现了无功功率的分相补偿; 零电压投切方式的采用消除了涌流; 硬件测频方式对周波信号精确采样提供了保证。经模拟实验证明，本装置达到了控制要求。CAN 通信的应用，使之实现了配电设备的监控和联网，为构建基于现场总线的监控系统预留了接口。
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[原创]变压器有载调压和无功补偿在配电网中的
作用及合理调控的分析
变压器有载调压和无功补偿在配电网中的作用及合理调控的分析
经过农村电网建设与改造及农村电气化建设，铜鼓县输电网骨架及10KV 配电网更加坚强和完善, 大部分变电站都是设计为两台有载调压主变并列运行，10KV 母线一般都装设无功集中补偿装置，其容量按主变容量的10%～15%设计。由于农村用电负荷的提高以及用电性质的复杂化，致使电网的无功功率不足和无功分布不尽合理，从而造成系统电压下降。电压的波动和无功负荷的变化直接影响电网电能质量，因此而涉及到电压如何调整，无功补偿装置的投入，无功电压与优化等方面的技术问题。变电站的主要调压手段就是通过调节有载调压变压器分接头的位置和控制无功补偿电容器来达到无功优化、提高电网电压和降低线损的目的。为此，我们通过对变压器有载调压和无功补偿在配电网中的作用的初探，掌握如何通过
两者的合理调控来提高电网电能质量，确保电网安全、稳定、经济运行。
一、变压器有载调压在配电网中的作用
1、保持电压稳定：变压器存在阻抗，在功率传输中，将产生电压降，并随着用户侧负荷的变化而变化。系统电压的波动加上用户侧负荷的变化将引起电压较大的变动。在实现无功功率就地平衡的前提下，当电压变动超过定值时，有载调压变压器通过调节分接头，对电压进
行调整，并保持电压的稳定。
2、保证电压质量：供电变压器的任务是直接向负荷中心供应电力，一次侧直接接到地区供电网35KV 或110KV 。这类变压器不但向负荷提供有功功率，也往往同时提供无功功率，而且一般短路阻抗也较大。随着地区负荷变化，如果没有配置有载调压变压器，供电母线电压将随之变化。因此，我国《电力系统技术导则(试行) 》规定了“对110 kV及以下变压器，宜 25
考虑至少有一级电压的变压器采用带负载调压方式”。所以，对直接向供电中心供电的有载调压变压器，在实现无功功率分区就地平衡的前提下，随着地区负荷增减变化，配合无功补偿设备并联电容器及低压电抗器的投切，调整分接头，以便随时保证对用户的供电电压质量。
有载调压变压器可以保持电网运行在较高的电压水平，优化了无功功率，从而降低了线损，提高了电网经济效益。变压器有载调压虽然在一定的程度上能改变电网电压，但无法改变无功需求平衡状态：当系统无功功率不足时，负荷的电压特性可以使系统在较低电压下保持稳定运行，但如果无功功率严重缺乏时，为保持电压水平而调节有载调压变压器分接头，电压暂时上升，将无功功率缺额全部转移至主网，从而使主网电压逐渐下降，严重时可能引发系
统电压崩溃。
二、无功补偿装置在配电网中的作用
1、功率因数补偿， 提高电压质量：随着工农业生产的不断发展，加工生产服务行业用电设备多为电磁结构，需要大量的励磁功率，致使用户的功率因数滞相且较低，一般都会低于0.7以下，滞相的无功功率在配电网中流动不仅占用配电网容量，造成不必要的损耗，而且导致电网电压降低。加装并联电容器补偿装置就近供给用户或配电网所需要的滞相无功功率，减少在配电网中流失的无功功率，降低网损，从而改善电压质量。
2、无功补偿调压：变电站10KV 母线无功集中补偿，其装置主要包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要是平衡输电网的无功功率，提高系统终端变电站的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。
变电站10KV 母线无功集中补偿容量和投切控制方式应考虑到满足主变压器自身的无功损耗和就近向配电线路前端输送无功，以满足配电线路前端（变电站附近）的无功负荷，为主变有载调压维持系统电压稳定提供保障。
三、变压器有载调压和无功补偿装置的合理调控
有载调压变压器可以带负荷的情况下切换分接头位置，从而改变变压器的变比，起到调整电压和降低损耗的作用。控制无功补偿电容器的投切，可改变网络中无功功率的分布，改善功率因数，减少网损和电压损耗，改善用户的电压质量。以上两种调节和控制的措施，都有调整电压和改变无功分布的作用，但它们的作用原理和后果不同。利用改变有载调压变压器的分接头位置进行调压时，调压措施本身不产生无功功率，但系统消耗的无功功率与电压水平有关，因此在系统无功功率不足的情况下，不能用改变变比的办法来提高系统的电压水平，否则电压水平调得越高，该地区的无功功率越不足，反而导致恶性循环。所以在系统缺乏无 26
功的情况下，必须利用补偿电容器进行调压。投补偿电容器既能补充系统的无功功率，又可改变系统中的无功分布，从而有利于系统电压水平的提高。因此必须把调节变压器的分接头与控制电容器组的投、切两者结合起来，进行合理调控，才能起到既改善电压水平，又降低网损的效果。
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