无功补偿装置的研究与设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇无功补偿装置的研究与设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：无功补偿对电力质量起着重要作用，本文通过对无功补偿原理的分析，针对晶闸管控制投切的无功补偿装置技术进行了分析，设计了针对晶闸管投切的无功控制器，进行了硬件和软件设计。最后，并进行了投切实验，结果表明取得了较为良好的效果。

关键词：无功补偿 设计 装置

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0133-02

电压是衡量电能质量的一个重要指标。电压质量对电网稳定运行，降低线路损耗，保证工农业安全生产，提高产品质量，降低用电损耗等都有直接影响。因此，必须对系统各节点进行监视和控制，使电压水平维持在一个正常范围内。

电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备，如：轧钢机、电弧炉、电气化铁路等；同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备[1]，如：计算机，医用设备等。因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。

1 无功补偿原理

无功功率补偿的基本原理是：把具有容性负荷的装置与感性负荷并联接在同一电路中，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量，能量在两种负荷之间相互交换。

图1中，Q为感性负荷从电源吸收的无功功率，QC为无功功率补偿装置的补偿无功功率，电源输出的无功功率减少为Q，=Q-QC，功率因数由cosφ提高到cosφ，视在功率S减少到S。

由电工学可知，S2=P2+Q2，P=Scosφ，Q=Ssinφ，cosφ=P/S

其中，cosφ为功率因数，即有功功率和视在功率的比值，其大小代表着电源被利用的程度。它的最大值为1，这时P=S，电源利用率最高；最小值为0，这时P=0，表示负载和电源之间只有往返的无功功率交换。同时，I=P/（Ucosφ）（U为电网相电压），因此，如果电气设备发送的功率一定，功率因数越小，线路中的电流则越大，功耗和发热温升越严重；相同电压条件下发送一定的功率，功率因数越大，线路中的电流越小，线路中的损耗也越小。因此，在电力系统中力求功率因数接近于1。

2 控制器系统设计

从控制投切装置的不同来看可以分为两类：一类是采用断路器开关来控制；一类是采用晶闸管控制。这两类无功补偿装置的特点在上一节中也有所介绍，总起来说采用晶闸管控制投切的无功补偿装置在性能上比采用断路器开关的无功补偿装置好，它动作时间短，通常能在一个周波内动作；动作时无火花，更安全可靠，寿命长。因此，本文以晶闸管控制投切进行控制器设计[2-5]。

3 硬件设计

CPU板作为最核心的板卡，实现了与控制单元、VBE单元或同步单元的所有数据处理与通信功能。CPU板上的处理芯片选用的是TI公司的TMS320F2812芯片。TMS320F2812频率可达150MHz，且内部有18K的SRAM和128K的片内FLASH[20]，外加eCAN控制接口、事件管理单元EVA和EVB、3个定时器和串行通信接口（SCI）等丰富外设。

如图2所示，CPU板以DSP TMS320F2812和Cyclone系列FPGA芯片EP1C6Q240C8为核心，周围外扩有两片FLASH和一片SDRAM[22]，并配有光以太网、电以太网，总线控制器74LVC16245等。与FPGA相连的还有3片AD7656，一片MAX II系列芯片EPM3256等。

4 软件构架

由于可控高压电抗器控制系统较为复杂，所以在系统软件设计时嵌入了实时操作系统。操作系统能够有效管理系统资源，能够把硬件虚拟化，使得开发人员可以从繁忙的驱动移植和维护中解脱出来，从而专心于工程应用软件的设计，可以大大地降低开发难度，提高开发效率。

控制系统软件采用分层、分功能块的设计思想，主要包括：硬件抽象层、中间层和应用层。硬件抽象层主要指，CPU内部资源的调用接口函数、外设控制器的驱动程序和一些控制模块的可操作接口函数。中间层主要包括，实时操作系统、以太网协议栈和文件系统等。应用层主要指面向工程应用的用户代码，在本文中，主要指操作系统的各个任务。

在算法模块中，输入的电压电流指的是电力系统一次侧的电压电流，所以不光要计算出采样电压的有效值，还要将其换算到一次侧。这分为两步进行，一是由采样电压电流有效值，得到进入控制单元的电压电流有效值；二是根据变压器系数换算到一次侧，得到一次侧的电压电流有效值，如图5所示。

在数据处理结束后，就可以开始算法实现部分运行。首先，比较电压有效值与设定的电压阈值的大小。其次，由DI通道获取当前旁路断路器的位置，从而确定当前电抗器的投入容量。紧接着，根据调节算法，确定是否需要修改电容器容量，及应该投入多少容量。本文提出来两种可行性算法，均可用于确定电容器容量的改变。实际使用时，根据工程实际情况决定。算法模块的流程如图4所示：

5 实验结果和分析

验证晶闸管在不同角度下能否可靠触发，从而验证TE板电压取能和阀组电流取能回路是否工作正常。通过操作台加压，调整触发脉冲角度，用示波器观察晶闸管导通情况。在不同角度下，晶闸管阀组导通的结果如图6所示，晶闸管阀组可以在接近90度时导通。

6 结语

随着居民生活水平的不断提高和大量家用电器的普及，以及小工业用户的增多，导致电网中无功功率的消耗日益增大、功率因数大都比较低。尤其是电力电子装置的应用日益广泛，而大多数电力电子装置的功率因数很低，造成电网供电质量下降，也给电网带来额外负担并影响供电效益。因此，利用无功补偿技术正成为当前世界各国电力设计及决策人员的共识，无功补偿装置的投资已被列入电力投资的整体规划中，成为一个不可缺少的环节。本文设计的无功补偿控制器将会起到重要作用。

参考文献

[1]张卫宁.TMS320C280X系列DSP的CPU与外设（下）[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]Texas Instruments Incorporated.TMS320F28x System Control and Interrupts Peripheral Reference Guide[DB].2002.

[3]Texas Instruments Incorporated. TMS320F28x Boot ROM Peripheral Reference Guide [DB].2002.

[4]EDA先锋工作室.Altera FPGA/CPLD设计（基础篇）[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[5]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.