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1、福州大学至诚学院本科生毕业设计（论文）题 目： 电网电容式无功补偿器的系统设计 姓 名： 学 号： 系 别： 电气工程系 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 指导教师： 年 月 日独创性声明本毕业设计（论文）是我个人在导师指导下完成的。文中引用他人研究成果的部分已在标注中说明；其他同志对本设计（论文）的启发和贡献均已在谢辞中体现；其它内容及成果为本人独立完成。特此声明。论文作者签名： 日期： 关于论文使用授权的说明本人完全了解福州大学至诚学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学院有权保留送交论文的印刷本、复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅；学院可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印
2、、缩印、数字化或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 电网电容式无功补偿器的系统设计摘 要目前城镇用电增加的负载中多数为感性负载，因而功率因数比较低，在低压供电系统中安装电网电容式无功补偿器能够有效提高功率因数节约电能降低线路的损耗从而提高电网的供电质量。本文通过设计的无功补偿器是采用DSP的智能无功补偿装置，采用电力电子元件，采用双向晶闸管加接触器能够实现过零投切电容，能够避免在投切电容时产生很大的涌流。本文研究了无功补偿对电网性能的改善，无功补偿装置的控制方式及原理，和控制器的硬件设计。在投切原则上，传统的投切时仅用功率因数作为电容的
3、投切依据，这种投切方式无法保证投切的精确性，还可能出现重复投切的问题，本设计以系统以无功功率为投切依据，采用无功功率控制，避免了轻载振荡。为了实现装置应具有的功能，本文设计了较为完整的控制电路和其外围设备的硬件电路。其中包含触发电路、采样电路、显示电路及抗干扰等。同时也考虑了电网谐波对补偿装置的影响，以及在电网谐波含量超标时采取的相应保护措施。关键词：电容式无功补偿 ，无弧投切 ，谐波抑制The design of power grid capacitance reactive power compensator system AbstractAt present the load of th
4、e increase in electricity town for most perceptual load and power factor is lower, in low voltage power supply system of installation power grid capacitive reactive compensation device can effectively improve the power factor save electric energy losses of the lower line so as to improve the quality
5、 of power supply of power grid. This article through the design of the reactive power compensation device using DSP is intelligent reactive compensation devices, the electric power electronic components, the two-way thyristor and contactor can realize zero cast cut capacitance, can avoid the shots w
6、hen cut capacitance produce very big current. In this paper, the reactive power compensation to improve the performance of power grid, the reactive power compensation device and the principle of the control mode, and the hardware of the controller design. In the cast cut in principle, the traditiona
7、l shots with only the cutting power factor as the capacitance for cutting basis, this way cant guarantee for cut for the accuracy of the cut, may also appear to repeat shots of the cut, the design for the system to reactive power cut basis for shots, the reactive power control, to avoid the light lo
8、ad oscillation. In order to realize the device should have the function, this paper designs a complete control circuit and its peripheral hardware circuit. Including trigger circuit, sampling circuit, show circuit and anti-jamming, etc. Also consider the harmonic wave in the power to compensate for
9、the device, and the influence of the harmonic content exceeds mark in the corresponding protection measures to be adopted.Key Words：Capacitance reactive compensation，No arc cast cut， Harmonic control目 录第1章 绪 论11.1 电网无功补偿的背景和意义11.2 电网无功补偿的发展趋势和国内外现状11.2.1 早期无功补偿方式21.3 电力系统无功补偿的新技术3第2章 无功补偿基本原理52.1 需要
10、进行无功补偿的原因52.1.1无功补偿的一般概念52.2 电力网络功率理论52.3 无功补偿的作用72.3.1 电网无功补偿的三种情况72.3.2 电网无功补偿效益82.4 并联电容器的投切方式82.5 并联电容器的三种接线方式92.6 电网无功补偿中谐波的抑制112.6.1 谐波的产生及其危害112.6.2 电网中谐波抑制的方法11第3章 无功补偿器硬件设计123.1 设计任务133.2 主电路设计143.3 控制器主控制芯片的选取153.4 电压电流、功率因数的采集与滤波173.4.1 模拟信号输入处理单元173.4.2 ALF低通滤波电路193.4.3 基准电压产生回路203.4.4 同
11、步方波产生回路203.4.5 模数转换器213.5 LF2407DSP系统模块213.6 电容的无弧投切243.6.1 晶闸管的选取253.7 显示通讯电路设计25第4章 无功补偿控制器软件设计294.1 主程序编写294.2 功率因数的计算314.3 电容投切的依据314.4 中断程序编写314.5 串行实时时钟电路读写程序33结论34参考文献35谢辞36第1章 绪 论1.1 电网无功补偿的背景和意义进入21世纪伴随着国家经济的高速发展，国家电力工业的任务也更加艰巨，伴随着经济的发展我国的电力行业也在与时俱进。由于工业的发展现代电网中的无功损耗也急剧增大，使电网电能质量恶化，同时也加重了线路
12、和变压器的负担和损耗。如今国家正在倡导节能减排，因此电网中的无功补偿问题越来越引起学者们的关注。无论是在工业负载还是生活负载中，阻感性负载都占有很大的比例，比如变压器、异步电动机和很多的家用电器都是阻感性负载。这些负荷的自然功率因数都比较小，它们所消耗的无功功率在电力系统传输的的电量中占有很高的比例。如果能够减小线路中的无功功率就能够提高电能的传输效率。线路中的无功功率的增加会导致功率因数偏低，导致电流的增大和系统电压的下降，从而增加了线路和设备的损耗，导致大量电能的损耗。因此需要对无功功率进行补偿，在电网中安装并联的电容器可以进行无功补偿，但对配电网来说，抑制谐波是很有必要的，对于并联的电容
13、组，我们抑制谐波的方法是使用串联电抗器，就是在电容旁边串联一个电抗器，使得补偿回路的阻抗在某次谐波相对于感性负载来说呈感性，从而消除由于电路呈容性带来的谐波震荡。无功补偿的方式有集中补偿、分散补偿、就地补偿等。其中就地补偿的效果是最明显的，装设在异步电动机或电感性设备附近，这种方式不仅提高了用电设备供电回路的功率因数，还能够改善用电设备的电压质量。无功补偿装置装在变压器低压侧，能对电压、电流、无功功率、有功功率、功率因数这些电力参数能够快速准确的检测和无功补偿。能够及时掌握设备和线路的运行状态，从而采取有效措施保证设备的正常运行。最后总结无功补偿作用：提高电压质量；提高变压器利用率，减少设备投
14、资；减少用户电费支出；提高电网传输能力。1.2 电网无功补偿的发展趋势和国内外现状由于我过国情我国对无功补偿的研究开发起步相对较晚，整体测量水平较低，其中存在实时性不强，检测指标少，效率低，无功补偿往往和电力参数检测设备分离等软肋。如今我国还在使用一些模拟式和数字式测量仪表，虽然近些年来一些先进的专门测量控制装置已经在一些部门投入了使用，但是多数都是进口的一些设备，国内对于这些设备的研发和生产的能力都还存在很多的不足。庆幸的是近年来，我国的不少厂家通过借鉴国外的设备或是通过与外国公司的合作，不断研制和推出了各种系列的高性能测量补偿仪器，还具有RS232，RS-485等通讯方式。但是都还存在例如
15、设备体积较大，功能不全面，功耗高，没有远程无线通信功能，仪器数据存储量较低，无友好液晶菜单界面和补偿效果较差等缺点。国外对电力测量补偿控制设备的研究和开发起步较早，设备仪器已经进入智能化时代，进入90年代来，计算机技术、微电子技术、控制技术特别是网络通讯技术的迅速发展，使得测量控制装置得到空前发展。国外各大公司把这些技术应用于测量控制装置上，研制推出了众多在世界范围内处于领先的设备仪器，如美国Fluke公司推出的F43B电能质量分析仪，瑞典UNIPOWER公司的LIP系列电能质量测量控制器等，可实时检测电力系统中的所有参数，计算高达51次的谐波，可以捕捉电压瞬变和骤升骤降及浪涌电流的显示，具有
16、强大的网络功能，还融合计算机控制、网络技术、总线技术和虚拟仪器相关技术，将测量、控制、分析集成于一体；这种装置体积小，测量精度较高，具有较强的网络化和自动化功能，可以测量电压、电流、功率因数、频率、无功功率、视在功率、谐波及其他电力参数值的测量，进行多条记录存储、可与计算机进行数据交换、可进行远程实时测量、控制。控制除补偿基波无功外，还具有平衡三相电压、抑制电压闪变等功能。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR 、GTR、GTO等的出现，将其作为投切开关速度可以提高500倍(约为10s)，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单向调节。现今所指
17、的无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型：一类是具有饱和电抗器的无功补偿装置(SR：Saturated Reactor)；第二类是晶闸管控制电抗器(TCR：Thyristor Control Reactor)；第三类是晶闸管投切电容器(TSC：Thyristor Switch Capacitor)，后两类装置统称为SVC( Static Var Compensator)。1.2.1 早期无功补偿方式早期无功补偿装置有同步调相机和并联电容器。（1）同步发电机同步发电机是通过调整励磁电流，使其在超前功率因数下运行，输出有功功率的同时输出无功功率。与同步调相机类似，目前不常
18、用。（2）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。并联电容器简单经济，灵活方便，但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。（3）同步调相机同步调相机可理解为专门用来产生无功功率的同步电机，可根据需要控制同步电机的励磁，使其工作在过励磁或欠励磁的状态下，从而发出大小不同的容性或感性无功功率，因此同步调相机可对系统无功进行动态补偿。但是它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，成本高，且响应速度慢，难以满
19、足快速动态补偿的要求。1.3 电力系统无功补偿的新技术随着电力电子技术的发展，近几年出现了多种电力系统无功补偿新技术。电力电子技术是现代无功补偿技术的基础，电力电子器件向快速、高电压、大功率发展，使采用电力电子器件的无功补偿从根本上改变了交流输电网过去基本只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制的局面，从而为交流输电网提供了空前快速、连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力。随着电力电子器件的发展，无功补偿控制器在其性能和功能上也出现不同的发展阶段。无功补偿控制器己由基于SCR的静止无功补偿器(StaticVarCompensator-SVC)、晶闸管控制串联电容补偿器(Thyristor Con
20、trolled Series Compcnsator-TCSC)发展到基于GTO的静止无功发生器(Static Var Generator-SVG)、静止同步串联补偿器(StaticSynchoronous Series Compcnsator-SSSC)、统一潮流控制器(Unificd Power FlowController-UPFC)、可转换静止补偿器(Convcrtible Static Compensator-CSC)等。（1）静止无功补偿器（SVC）SVC是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输电系统的导纳。按控制对象和控制方式不同，分别称之为晶闸管
21、控制电抗器(Thyristor Control Reactor-TCR)，晶闸管投切电容器(ThyristorSwitchCapacitor-TSC)以及这两者的混合装置(TCR+TSC)，TCR与固定电容器(Fixed Capacitor-FC)配合使用的静止无功补偿器(TCR+FC)和TCR与机械投切电容器(Mechanically Switch Capacitor-MSC)配合使用的装置(TCR+MSC)。（2）静止无功发生器（SVG）静止无功发生器(SVG)也称为静止调相机(Static Condenser-STATCON)，静止同步补偿器(Static Synchronous Com
22、pensator-STATCOM)、新型静止无功发生器(Advanced Static Vat Generator-ASVG)。其分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。电压型桥式电路，其直流侧采用电容作为储能元件，交流侧通过串联电抗器并入电网；电流型桥式电路，直流侧采用电感作为储能元件，交流侧并联上电容器后接入电网。迄今投入实用的SVG大都采用电压型桥式电路，因此SVG往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。与SVC相比，SVG具有如下几个优点：调节速度快，运行范围宽，可以在从感性到容性的整个范围中进行连续的无功调节，SVG不需大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小。
23、（3）同一潮流控制器（UPFC）将SVG中与电网并联的电压器改为与电网串联的变压器，就成为静止同步串联补偿器(Static Synchoronous Series Compensator-SSSC)，它能实现对线路潮流的快速控制。把一台SVG与一台SSSC的直流侧通过直流电容耦合，就构成了统一潮流控制器UPFC，SVG与SSSC既可配合使用也可解耦独立运行。由于SVC，STATCOM只能控制无功功率以调节系统电压，如果系统某一局部同时有多种要求，就需要在该处设置几种装置。这增大了安装、调试的工作量，同时设备的投资也相当可观。UPFC的基本思想正是用一种统一的电力电子控制装置，仅通过控制规律的变
24、化，就能对线路电压、阻抗、相位等电力系统基本参数同时进行控制，从而能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相等几种不同的功能，与其它无功补偿装置相比，UPFC控制范围较大，控制方式更为灵活。（4）可转换静止补偿器（CSC）CSC被认为是最新一代的无功补偿装置，目前仅在美国Marcy变电站中安装了此装置。其中作为SVG运行的两台100Mvar并联部分己于2000年分别在两条线路上安装完毕，两台作为SSSC运行的串联部分目前尚未安装完毕。由于无功补偿技术及其控制器发展迅猛，一些新的装置不断被开发出来，使得无功补偿控制器中的新旧装置出现并存发展的局面，无功补偿控制器中的无功补偿装置SVC，SvG，UP
25、FC及CSC目前也处于这样一种发展情况。作为较早出现的无功补偿装置SvC，由于采用的是传统的半控型器件SCR成本低，且技术成熟，因此是目前越来越多使用的无功补偿装置。目前对SVC的研究主要集中在控制策略上。模糊控制、人工神经网络和专家系统等智能控制手段被引入SVC控制系统，使SVC系统的性能更加提高。而SVG，UPFC及CSC目前的应用仅局限于个别工程，尚无法大规模应用，一方面是由于这些无功补偿装置需大量借助于全控器件，而全控器件目前价格非常昂贵，使得目前该类无功补偿装置的工程造价比SVC高；另一方面，此类无功补偿装置的技术还不完善，有许多技术问题尚待解决。但大功率电力电子器件技术本身发展迅速
26、，未来的功率器件开关容量会逐步增大，价格则相应下降，此类以GTO等新型全控器件为核心的无功补偿装置的造价会逐步降低。国际大电网会议曾展开有关SVC与SVG的性价比的讨论，不少专家认为，由于SVG不需采用大量的电容器就可以实现无功的快速调节，而电容器的价格多年来比较稳定，不可能大幅度下降；相反，电力电子器件的价格会不断下降，故预计SVG会比SVC更有竞争力，由此可见，随着造价的降低和技术的完善，在不远的将来SVG，UPFC及CSC将成为无功补偿技术的发展方向。第2章 无功补偿基本原理2.1 需要进行无功补偿的原因在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率
27、是保持用电设备正常运行所需的电功率，是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。无功功率比较抽象，它是电路内电场与磁场的交换，在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。在正常情况下，用电设备不但
28、要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。但是从发电机和高压输电线供给的无功功率远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。无功补偿是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。2.1.1无功补偿的一般概念将电容器与电感并联
29、在同一电路中，电感吸收能力时，电容器正好释放能量。而电感放出能量时，电容器却在吸收能量。能量就这样在它们之间交换。即感性负荷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作为无功补偿装置。此外，同步发电机、调相机等也可作为无功补偿装置。2.2 电力网络功率理论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S之间存在功率三角形关系，如图2-1所示图2-1功率三角形公式如下： (2-1) (2-2) (2-3)其中U为电压有效值，I为电流有效值。cos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
30、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。（1）自然功率因数自然功率因数是指供用电设备在没有采取任何补偿手段的情况下，设备本身固有的功率因数，称自然功率因数，也就是说在投入无功补偿装置前设备本身有功功率与视在功率的比值。没各自然功率因数的高低取决于负荷性质和负荷状态。对于电阻性负荷，其功率因数较高，而对于电感性负荷，其功率因数就较低。另外在设备负荷很低的时候，其自然功率因数也就低。（2）经济功率因数经济功率因数是指客户的节能效益和电能质量最佳，支付电费最少的功率因数。用户安装一定
31、容量的无功补偿装置可提高用户的功率因数，就减少了无功功率和有功功率损失，用户功率因数提高到何值最为经济，应综合考虑两个方面：一是为了保证系统正常的运行电压水平，无功电源和无功负荷必须保持平稳并留有一定的余量；二是按运行费用最小的原则决定用户的经济功率因数。2.3 无功补偿的作用无功补偿的主要作用是为了提高功率因数，在用户端采用无功补偿装置，达到我国电力设备的有关规定，即在电力用户变压器的高压侧功率因数不低于0.9，低压侧功率因数不低于0.85，目前国内低压无功补偿装置一般都是在用户端并联电容器。并联电容器可提供超前的无功功率以补偿感性负荷，多装于降压变电所，还可就地补偿。补偿前后的功率三角形如
32、图2-2所示，功率因数角由1降到2。从功率三角形可得所需补偿的无功容量为： (2-4)补偿前后的功率三角形如图2-2所示。图2-2 补偿前后功率三角形目前大多数补偿装置采用并联电力电容器方法，但电容一旦投入后，它不随感性负载的变化而变化，因为当负载发生变化时，电网上可能出现超前的或滞后的无功，即所谓过补偿和欠补偿问题。2.3.1 电网无功补偿的三种情况（1）无功功率滞后欠补偿由于补偿的电容量C不足，使k较小，系统中的容性电流不足以补偿感性电路中电流的无功分量，使负载仍得向电网索取一定数量的无功功率，未达到补偿要求。（2）无功功率超前过补偿由于投入的电容器容量C较大，使Ic较大，系统中容性电流大
33、于感性负载中的无功分量，这时从无功电表上看要倒转，整个负载成容性，这时要向电网倒送无功功率。另外，从经济的角度看，电容器的容量越大，成本也越大。（3）全补偿要做到全补偿一般比较困难，另外如实现全补偿的话，将会出现谐振现象，就会出现谐波放大，损坏电器设备。总之，在感性负载端并入适当大小的电容器进行补偿，必须从经济、节能的角度综合考虑，确定最优补偿容量和补偿容量的最优分布。2.3.2 电网无功补偿效益在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于电力系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。如自然平均功率因数在0.700.85之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60
34、%90%,如果把功率因数提高到0.95左右，则无功消耗只占有功消耗的30%左右。由于减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。（1）节省企业电费开支。提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。可见，提高功率因数对企业有着重要的经济意义。（2）提高设备的利用率。对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减少，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要；如果原网络
35、已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不致于过载运行，从而发挥原有设备的潜力；对尚处于设计阶段的新建企业来说则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，改善后的功率因数可以使所选变压器容量降低。因此，使用无功补偿不但减少初次投资费用，而且减少了运行后的基本电费。（3）降低系统的能耗。补偿前后线路传送的有功功率不变，P= UICOS，由于COS提高，补偿后的电压U2稍大于补偿前电压U1,当功率因数从0.700.85提高到0.95时，有功损耗将可以降低20%45%。（4）改善电压质量。无功补偿能改善电压质量（一般电压稳定不宜超过3%）。对于无功补偿应用的主要目的是改善功率因数
36、，减少线损，稳定电压。（5）三相异步电动机通过就地补偿后，由于电流的下降，功率因数的提高，从而增加了变压器的容量。2.4 并联电容器的投切方式等电压投零电流切的新型无触点开关电路的接线如图2-3所示，图中J为交流接触器的触点。其运行操作顺序说明如下：当投入电容器时，先由微电脑控制器发出信号给晶闸管开关电路，使之在等电压时投入电容器，微电脑的控制器紧接着又发信号给接触器J，使其触点也闭合，将晶闸管开关电路短路，由于接触器J闭合后的接触电阻远小于开关电路导通时的电阻，达到了节能和延长开关电路使用寿命的目的。当需要切除电容器时控制器先发信号给接触器，使接触器触点J断开，此时开关电路处于导通状态，并由
37、开关电路在电流过零时，将电容器切除。本方案的优点是：运行功耗低、涌流小、谐波影响小，制造成本低，开关电路和接触器的使用寿命长。图2-3等电压投零电路切电路2.5 并联电容器的三种接线方式（1）三相共补接线方式这种接线方式是传统低压补偿所采取的方式，据控制器统一取样，三相投入相同的补偿量，此种接线方式适用于三相负载较为平衡且各相功率因素相近的网络，其接线图如图2-4所示。图2-4并联电容器接三相共补接线（2）三相分补接线三相分补接线就是各相分别取样，各相分别投入不同的补偿容量，这种接线方式适用于各相负载相差较大且功率因数的值也相差较大的场合。与三相公布的不同是它采用的是Y型接法，器接线图如图2-
38、5所示。图2-5并联电容器Y接三相分别接线（3）三相共补与分补结合的接线方法为了能够更加合理节能，我们也可以采用三相共补与三相分补相结合的方式即-Y接线。这种接线方式运行方式灵活，且能够节约投资成本。其接线图如图2-6所示。图2-6三相共补与分补结合2.6 电网无功补偿中谐波的抑制2.6.1 谐波的产生及其危害电力电子技术的应用推动了近代电力系统的发展，但同时也给电力系统带来了严重的谐波污染问题。高次谐波已成为电力系统的一大“公害”，必须采取有效的措施来加以抑制。随着电力电子器件及微电子技术的迅速发展，大量的非线性用电设备广泛应用于冶金、钢铁、能源、交通、化工等工业领域，如电解装置、电气机车、
39、轧钢机械和高频设备等接入电力网，是电网的谐波污染状况日益严重，降低了系统的电能质量。谐波是由谐波电流产生的，当正弦电压施加在非线性负荷上时，电流变为非正弦波，由于负荷与电网相连，非正弦电流就会注入电网，在电网阻抗上产生压降形成非正弦波，使电压或电流畸变，所以非线性负荷就是电网的谐波源。谐波为电网的公害，因为谐波电流的存在不单会引起电压波形的畸变而且还会对电网和电气设备产生多方面的危害，因此在配电网中对谐波进行抑制是必须的。大量谐波电流流入电网后，由电网阻抗产生谐波压降，叠加在电网基波上，引起电网的电压畸变，致使电能质量变差。当注入公用电网的谐波超过一定值时，会对电网自身及用电设备的正常运行造成
40、损害：在某些时段会使注入到电网的谐波电流对公用电网造成的谐波问题特别突出，这不但使接入该电网的设备无法正常工作，甚至造成故障，而且还会使供电系统中性线承受的电流超载，影响供电系统的电力输送。因此谐波问题得到各有关方面的高度重视。2.6.2 电网中谐波抑制的方法（1）减少谐波源整流源是电网谐波的主要来源之一，对谐波源采取有效的措施是减少谐波源的有效方法。如在三相整流变压器中采用Dy或Yd接线，由于三次及其整数倍的谐波电流在三角形连接绕组内形成环流，但不会在星形连接的绕阻内出现三次及其整数倍的谐波电流，所以采用Dy或Yd接线的三相整流变压器能够有效抑制三次谐波及其整数倍次的谐波电流注入电网中。另外
41、增加整流装置的脉冲数也能够减少谐波，整流装置的脉冲数越多其次数高的谐波被消去的也越多。（2）装设滤波器在产生谐波源的设备处安装滤波装置，吸收谐波电流，是防止谐波电流注入电网的有效方法，是电网谐波抑制的关键技术。交流滤波器 在大容量静止谐波源和电网的连接处装设无源交流滤波器，利用R、L、C电路串联谐振的原理，使得滤波器的各组调谐回路分别对特定谐波进行调谐发生串联谐振，即对特定频率谐波呈现零阻抗，从而吸收谐波电流阻止该次谐波注入电网。谐振次数n= (2-5)谐振频率 （2-6）n次谐波阻抗Z (2-7)（3）有源电力滤波器（APF），是一种新型谐波抑制和无功补偿装置，它不同于传统的LC无源滤波器（
42、只吸收固定频率的谐波），它能对电流和频率都在变化的无功进行补偿，可以实现动态补偿。有源滤波器按其接入电网的方式，可分为串联有源滤波器和并联有源滤波器两大类。目前实际应用的AFP装置中，90以上是采用电压逆变器的并联型结构。近年来，为了发挥有源滤波器的优势，提高性能，减少容量，降低成本，增强适用性，又设计出了串、并联混合型的有源滤波器。第3章 无功补偿器硬件设计硬件设计主要包括参数的采样、信号滤波、电容器的投切与人机界面设计。然而，传统的单片机作为控制器的系统由于受硬件资源与速度的限制，采样精度不高，每周波的采样点少，只自出选择计算量小的算法，结果限制了测量的精度。故本系统采用DSP TMS32
43、0LF2407作为总控制器，指令速度很决，达30MIPS,更加适合于处理多数据、运算量大的系统。同时具有强大的控制功能，因此使用TMS320LF2407作内核带电力监测的低压智能无功补偿装置能更好的满足实时性和精确性的要求。传统的就地无功补偿装置是通过单片机进行控制实现电容器组的投切。但是，电网中存在谐波时，投切电容有可能发生电容把高次谐波量放大，更为严重的是如果电容与电网中的感性负载在某次谐波恰好发生谐振，电网电压、电流有可能被无限放大，造成的后果不堪设想。因此，在无功补偿的同时，对电网中的谐波量进行测量和消除是非常重要的，且对系统的无功进行准确补偿也建立在对系统各项参数进行准确测量的基础上
44、。3.1 设计任务1.输入模拟量(1) 工作电压及输入电压模拟量额定工作电源电压及额定电压模拟量220V或380V 20%，电源正弦波形，总畸变率不大于5%。(2) 输入电流模拟量额定输入电流模拟量： 5A 50Hz 输入端输入阻抗:不大于0.2 2. 测量及显示精度(1)电压 各相电压 0.5%(2)电流 各相电流 0.5%(3)有功功率 各相及总和 1.0%(4)无功功率 各相及总和 1.0%(5)视在功率 各相及总和 1.0%(6)频率 1.0%(7)功率因数 1.0%3. 控制要求(1)控制灵敏度 不大于0.2A(2)过电压保护 应在105%120%之间可调，动作回差6-12V(3)延
45、时时间 10120s可调(4)过电压分段总时限 不大于60s(5)投切动作时间间隔 不小于300s4.功能要求(1) 功能设置要求1)能实现三线对称补偿和分相补偿组合2)投入、切除门限设定值3)延时设定值4)过压保护设定值5)谐波超值保护设定值(2) 显示功能1)工作电源工作显示2)超前、滞后显示 3)输出回路工作状态显示4)过压保护动作显示5)控制器应具有电网即时运行参数及设定值调显功能 (3) 延时及加速功能:输出回路动作应具有延时及过电压加速动作功能。(4) 程序投切功能:手动或自动投切选择，自动状态时应具有自动循环投切。(5) 自检复归功能:控制器每次接通电源应进行自检并复归输出回路(即输出回路处在断开状态)。(6) 投切振荡闭锁:在轻负荷时，控制器应有防止投切振荡的措施。(7) 闭锁报警:当系统电压大于或等于一定值(该值可调)，闭锁控制器投入回路；投切器内部发生故障时，闭锁输出回路并报警；执行回路发生异常时，闭锁输出回路并报警。3.2 主电路设计装置上电后经过一定延时后控制器再开始工作，通过对系统三相电压、三相电流采样。根据电压、电流的值计算系统无功功率，并与参数设定的投入门限、切除门限相比较，然后根据系统电压幅值情况确定电容器组的投切。投切命令输入到触发电路，并由触发电路控制晶闸管在电压正向峰值时投入电容器，按照“在保证电压不越
