TSC低压动态无功补偿装置的设计与应用_楼晓春

动态无功补偿装置在低压配电系统中的应用摘要：随着我国经济的快速发展，部分中小型企业的发展，对供电可靠性、供电质量等方面的要求越来越高。

配电网的分布广泛，结构复杂，线路损耗高，负荷的周期变化不定，给电网的电压带来很大的波动。

在配电网中，常规并联电容器是一种以电容切换为主要手段的无功补偿方法，但在实际应用中，由于电容切换的原因，其无功补偿效果不佳。

即在较高的电压下，不能实现对配电网的无功补偿。

而并联电容仅能对无功功率进行静态综合补偿，无法实现无级智能切投运行，且无法满足系统需求。

关键词：可控硅 SVC ；谐波；低压配电系统由于配电网中采用了大容量、大功率的整流器，使得配电网中出现了许多具有非线性特性的电感器负荷。

在配电系统中，若不能针对用电负荷特性选择合适的无功补偿装置，势必会引起配电系统的电压波动。

在电网中，由于负荷的非线性变化，在电网中引起的各种谐波，会使电网的电力质量及功率因素大大下降。

这不但使配电网的供电可靠性和电能质量水平下降，而且还会使配系统的线路损耗增大，导致大量的能量浪费，给供电企业和电力消费者都带来了极大的经济损失。

为此，亟需研究一种基于负载特征及配网结构的、可满足实际应用需求的、可实时控制的、可对无功功率进行无级、可被广泛应用的低压配网无功补偿系统。

晶闸管是一种新型的动态无级调整式无功补偿装置。

对可控硅开关控制原理进行了详细的描述，并利用内部 DSP数据处理单元，对配电网的实际状况进行了动态分析。

之后，通过控制可控硅的开关状态，可以自动瞬间切换电容器和电感元件，从而完成对配电系统无功容量的动态补偿。

1配电网无功补偿的基本原则为了保证配电系统安全、可靠、高效、经济地运行，对电网进行了无功补偿。

无功补偿应遵循统筹规划，合理布局，综合补偿和局部均衡的原则。

既要保证整个配网的无功容量，同时要保证整个配网的无功平衡。

采取集中补偿和分散补偿两种方式的综合补偿方式，不但要以区域负载波动为基础，对配电网变电站的无功补偿容量进行合理的计算，还要选择一种行之有效的补偿方案，对其进行集中大容量的无功补偿。

低压动态无功补偿装置(TSC-Ⅱ)
设备概述
TSC-Ⅱ型动态无功补偿装置是传统无功补偿的升级产品，由多路电容器串联6﹪电抗器构成，从根本上解决了电容器过载问题，控制方式由传统的单级延时投切升级为20ms内实时投切，补偿效果更加明显。

随着电力电子装置在一般工业用户、大型商场、写字楼、智能大厦、居住小区等配电网中的广泛应用，非线性负载（如变流设备、日光灯、计算机、空调等）的大量使用，导致高次谐波的产生，如果直接投入电容器补偿功率因数，容易引起高次谐波放大，使电压和电流的畸变更加严重。

我公司针对这种情况推出TSC型动态无功补偿装置，是在TSC-I型动态无功补偿装置的基础上增加抑制谐波功能的产品，除具有TSC-I型动态无功补偿装置的全部优点外，还能可靠抑制电网内的高次谐波，防止谐波放大。

[TSC-II主要设备构成]
1.晶闸管(投切电容器)
2.电抗器(抑制谐波)
3.电容器(补偿功率因数)
[TSC无功补偿装置技术规范]
额定电压：400V
相数及频率：单相或三相
投切级数：3级，7级，10级（也可根据客户需要设计其它等级）额定容量：30-5000kVar并可根据用户需要定做，柱上式和柜机式两种机型可供选择
环境温度：-10°C~45°C
环境湿度：相对湿度不大于85%
海拔高度：不超过2000米。

第I页摘要随着经济建设的飞速发展，对电能供应提出了越来越高的要求。

面对日益紧张的能源形势，采取有效的节能措施，已成为我们全社会关注的重要课题。

而随着现代电力电子技术的发展，尤其是大功率变流、变频装置在电力系统中的广泛应用给工业和电力企业带来了巨大利益。

因此，如何提高电能质量就成为了输配电技术中最为迫切的问题之一。

当前我国主要利用无源滤波器治理电网谐波和补偿无功，同时已有少部分SVC投入在电网中应用。

因为以上治理方法简单、经济性良好，所以被广泛使用。

但由于其受科技含量低，治理效果不佳、不能实现实时治理等不利因素的制约，在今后的电能质量治理中必将逐渐被其他高效节能电能治理效果好的设备所替代。

本文主要介绍了SVC静止无功补偿装置中TSC型无功补偿装置的控制策略、设计方法、保护装置等核心技术，并对其发展前景以及趋势做了简单分析。

本文首先介绍了无功因数的基本概念及研究意义和无功补偿技术的现状以及治理的原则和目的，同时，也对瞬时无功功率理论做简要介绍，其次将动态无功功率补偿装置与静态补偿装置比较，从多个方面显示出了动态无功功率补偿装置的优越性，也是现代运用主流的原因。

同时，在本文中也对其中TSC型动态无功功率补偿装置的设计和保护做了一定说明。

我们主要从硬件设计上来更好掌握TSC技术，不管是在控制策略的选择，还是无功补偿容量确定上，都有必要把握这些细节。

在研究低压电网中无功补偿时，也对高压TSC 做了介绍，从两者区别中把握其各自特点，为以后设计上有十分重要的意义。

同时，对于低压时，TSC系统的保护系统也做了重点研究，这将是整个系统正常运行的基本前提。

在文章的最后，我们对TSC所具有的功能上的缺陷（放大谐波），通过将其与APF结合运用，同时实现无功补偿和抑制谐波的功能。

这对将来高性能补偿装置的设计思想有一定的指导性意义，起到抛砖引玉的作用。

关键字：无功功率；瞬时无功功率理论；动态补偿；TSC第II页AbstractWith the rapid development of economic construction, on the power supply is increasingly high demand. Faced with an increasingly tight energy situation, to take effective energy conservation measures, has become an important issue concerns the whole society. With the development of modern power electronics technology, especially high-power converter, inverter at power system widely used for industrial and power enterprises has brought enormous benefits. . Therefore, how to improve the power quality of the transmission and distribution technology has become the most pressing problems. At present, China mainly use passive filter harmonic control and reactive power, while a small part of the SVC has invested in grid applications. For the above control method is simple, economical well, they were widely used. However, because of its low-tech by the effect of governance and poor governance can not be achieved real-time negative factors, the quality of governance in the future power will gradually be in other energy-efficient power control equipment replaced with good effects. This paper introduces the SVC SVC device TSC reactive power compensation equipment control strategies, design methods, protective devices such as core technology, and its development prospects and trends are also analyzed.This paper introduces the basic concepts of non-power factor and study the meaning and the status of reactive power compensation and governance principles and purposes, the same time, the instantaneous reactive power theory are introduced briefly, followed by the dynamic reactive power compensation devices with static compensator comparison, in many ways shows the dynamic reactive power compensation device of the superiority of the reasons for the modern use of the mainstream. Meanwhile, in this article too, on which TSC Dynamic reactive power compensation device to do the design and protection of some description. We mainly come from the hardware design to better grasp the TSC technique, whether in the control strategy of choice or the capacity to determine the reactive power compensation, have the necessary grasp of these details. Low-voltage power network in the study of reactive power compensation, the TSC has also been described pressure from the difference between the two to grasp the characteristics of their own for the future of great significance to the design. Meanwhile, when the low pressure, TSC system protection system has done a research focus, this will be the basic prerequisite for the normal operation of the system. The article's conclusion, we have TSC as the functional defects (enlarged harmonic), by combining its use with the APF, while achieving reactive power compensation and harmonic suppression function. It will design high-performance compensation device has some guiding significance.Key Words: Reactive Power; Instantaneous Reactive Power Theory;Dynamic Compensation; TSC第III页目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 无功功率的基本概念及研究意义 (1)1.3 无功补偿技术的历史及现状 (2)1.4 无功功率补偿方式及特点 (3)1.5 瞬时无功功率理论 (6)1.6 本文所做的工作 (7)第二章低压电网中无功功率补偿 (8)2.1 动态无功补偿技术 (8)2.1.1 SVC技术 (8)2.1.2 STATCOM技术 (10)2.1.3 SVC技术未来发展分析 (10)2.2 SVC类型装置性能对比 (11)2.3 低压电网中动态无功补偿装置的技术特点 (12)第三章 TSC动态无功补偿控制装置的技术研究 (14)3.1 TSC基本原理 (14)3.2 主电路及容量设计 (15)3.2.1 连接方式 (15)3.2.2 补偿电容器的容量选择及相关因素 (17)3.3 控制电路及控制器选择 (18)3.3.2 控制器的确定 (19)3.3.3 TSC投切时刻设计 (20)3.4 动态无功补偿控制装置的技术研究 (21)3.4.1 控制设计思想 (21)3.4.2 控制系统结构 (22)3.5 动态补偿系统的应用软件概况 (23)3.5.1 主站监控软件实现功能介绍 (23)3.5.2 TSC下位机软件实现 (24)第四章系统的保护配备 (27)4.1 电网系统保护 (27)4.2 电容器组保护 (27)4.3 晶闸管阀保护 (29)4.4 控制系统保护 (30)第五章 TSC与APF的改进运用 (32)5.1 TSC与APF混合应用 (32)5.2、APF 与TSC 混合系统原理 (32)5.3 系统结构及控制方法 (33)第六章结论和展望 (36)参考文献 (36)致谢........................................................................................................... 错误！未定义书签。

低压动态无功功率补偿装置方案设计与实现方法1 无功功率补偿原理与实现方法为提高供电设备效率，减少供电线路电能损失，国内外自上世纪50 年代初就开始进行无功功率补偿装置的研究工作，其方法主要有两种：一种是在电网上并联电容器，通过提高电网的功率因数达到减少线路电压损耗，提高供电设备利用率的目的;另外一种是在电网上并入同步电动机，通过改变同步电动机励磁电流的方法来改变电路负载特性。

其中前一种方法适用于居民、商业及小型工厂的低压供电系统，而后一种方法适用于大型工厂中的无功功率补偿。

在实际应用中，由于电路特性是随时变化的，为了达到较好的补偿效果，就必须动态跟踪电路特性的变化，实时监测电路中U 与I 的相位差角，根据角的大小决定并联电容器的值。

基本的功率因数cosφ补偿电路如图1 所示。

电路中的K1～Kn在自动动态补偿装置中可采用双向可控硅，在电路工作时，一般保证cosφ< 0.95，避免电路出现谐振现象，损坏电网供电设备和用电器。

具体的方法是通过对电压U和电流I的相位检测来判断是否并入补偿电容器，并入几个，这些都是通过控制装置自动完成的，这就是动态无功功率补偿装置的工作原理。

2 现有补偿装置存在的问题及解决方法上面所述的方法只局限于某一段电路，并没有从整个电力网的角度来分析。

为了弥补这一缺陷，就有必要对整个供电系统中的各段电路功率因数补偿装置进行集中调控，使整个系统处于协调工作状态。

由于现有的动态功率因数补偿装置还没有实现整网连调，所以，有必要增加动态功率因数补偿装置的数据通讯功能，将其工作状态及相关的电流、电压、功率因数、工作温度、环境状态等参数发送到总调室，总调室中的主控微机则根据前端工作状态实时调整控制参数达到整网均衡运行的目的。

另外，在分析补偿过程中所提到的电容器，是按理想电容器来分析计算的，实际的电容器可等效为电阻R与电容器C并联电路，如图2所示，电路的矢量图如图3所示。

由矢量图可列（式1）式中：tgδ———为介质损耗系数；δ———为介质损耗角由式可见：电阻R 减小，电容器介质损耗增加，电容器发热，电解液易枯竭使电容量减小，补偿不足。

低压动态无功补偿装置的设计作者：鲁晓枫来源：《科技资讯》2011年第07期摘要:设计了一种适合于冲击性负荷及频繁波动性负荷场所的低压动态无功补偿装置,重点阐述了该装置STC主电路及DSP+FPGA控制系统的设计。

装置对提高低压配电系统的功率因数,改善电能质量,降低能耗,具有重要的作用。

关键词:无功补偿晶闸管投切电容器数字信号处理器现场可编程门阵列中图分类号:TM62 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)03(a)-0126-02现代低压电网中,感性负荷和冲击性负荷占相当大的比重,造成电网功率因数降低,电能质量严重恶化。

究其根本原因是用电负荷工作中无功功率需求量的急剧变化。

因此,急需开发一种能快速响应电网无功需求,进行实时跟踪补偿的无功补偿装置。

目前无功补偿装置中,采用机械开关(接触器或断路器)或复合开关投切电容器的装置,其响应速度慢,不能实现对无功功率的动态补偿;而采用晶闸管投切电容器的装置,其控制器多为单CPU结构,控制精度和速度难以同时保证。

本文介绍的快速型低压动态无功补偿装置针对电网负荷的快速变化,以DSP芯片作为核心控制器,配合FPGA驱动大功率晶闸管投切电容器。

由于采用了无触点开关过零投切技术,电容器的投切均可实现无过渡过程的平稳投入和退出。

因此,本装置控制精度高(无功功率2级,功率因数0.5级),响应速度快,响应时间不大于13ms,而且可以频繁地投切动作,能有效地跟踪补偿快速变化的负载,改善电能质量。

1 主电路设计本装置的电容器按照8:4:2:1原则分成四组,可实现15级组合,这种不等容分组方式的优点是利用较少的分组可以得到较小的补偿级差。

控制电容器投切的无触点开关由两只单向晶闸管反向并联构成。

当晶闸管施加正向电压,且门极有脉冲触发信号时,晶闸管导通,电容器投入电网。

当触发脉冲信号去掉后,电流过零或反压时,晶闸管截止,电容器从电网上切除。

这种两只晶闸管反向并联结构与一只晶闸管和一只二极管反并联结构相比,具有投切速度快,晶闸管承受电压低的优点。

低压无功补偿装置技术改造及应用摘要：当今企业用电中，都存在功率因素偏低的现象，导致用电设备利用率较低，电能损耗大成本增加，尤其大量使用电动机、整流装置、变频器等用电设备，对低压配电系统造成损耗及污染极大。

基于电网无功消耗及配电系统污染的状况，在低压配电系统中广泛采用并联电容器对其进行无功补偿。

关键词：无功补偿装置电容器电抗器功率因素1、改造前的介绍公司改造前的配电系统及无功补偿方法。

公司由不同的两路电源分别供给一号变（容量为400KV A）、二号变（容量为250KV A）。

一号变压器给环保车间、动力车间、一车间、三车间等区域供电；二号变压器单独给二车间供电。

无功补偿装置均采用接触器手动补偿，补偿方式均采用集中补偿，电容器容量分别为132Kvar、80Kvar，功率因素0.78左右。

2、改造方案制定2.1 电容器的补偿方法的制定根据配电室的位置，制定一号变压器及二号变压器的总配电室采用集中自动补偿，另外三车间配电室距总配电室较远在三车间增加一面无功补偿配电柜。

随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，配电系统结构日益复杂，对电网污染越来越严重，谐波对电容器使用寿命影响较为严重，将配电系统进行简化，将配电系统简化容量简化为变压器容量Sn，所有非线性负载容量Gh，将Gh/Sn 的比值，即非线性负载占总容量的比例作为补偿类型的选型依据。

（1）当Gh/Sn25%时，表示系统谐波污染非常严重，应采用调谐型无功功率补偿装置。

调谐型无功功率补偿方案由调谐电抗器和耐谐型电容器组成。

柜，也采用就地自动补偿方式；二车间采用集中自动补偿方式。

2.2 电容器容量的计算根据供电营销规定，功率因素为0.9的标准，经过查阅资料功率补偿设计一般为0.95，经过完全退出无功补偿装置观察了一周，拟定补偿前按照0.76进行确定电容器的容量，经查阅资料从0.76补偿到0.96时，每千瓦需要0.56千乏，经过计算一号变、二号变安装的电容器的容量应分别为224Kvar、140Kvar。

摘要本课题研究以低压电网无功补偿改造为背景，研制了一种低压无功功率补偿控制器。

作为一种非实时的无功补偿装置，该装置以定时的电网监测数据为依据，以低压电网的无功补偿为对象。

本文主要研究了无功补偿对电网性能的改善，以及控制器的软硬件的配置。

系统采用52AT单片机，该单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高89C性能的CMOS 8位单片机，具有运算速度高，实时性好的特点；软件则使用汇编语言进行编译；人机操作界面采用LCD显示,显示效果较好；A/D转换采用ADC，是一款比较实用的A/D转换装置。

该装置可跟踪电网无功功率的变0809化并自动补偿,实现了无功补偿装置的优化运行,具有体积小、原理简单、智能投切等优点。

关键词：无功补偿,单片机,低电压ABSTRACTWhat this article studies is based on the alteration of reactive power compensation of low voltage, then design an equipment for reactive power compensation of low voltage. As a kind of reactive power compensation, this equipment is basis on the electrical network monitor data ，and provides reactive power for city‟s low voltage power grids. This thesis has discussed the importance of the reactive power compensation for the power grids ，and introduced the hardware and software of the controller.This device‟s hardware core is AT89C52 SCM ，which has many merits such as high operating speed. This monolithic integrated circuit is the low voltage which American ATMEL Corporation produces, a high performance CMOS 8 monolithic integrated circuits；The software uses the assembly language to carry on the translation；The man-machine operation contact surface uses the LCD demonstration, the demonstration effect is quite good; A/D transformation uses ADC0809 ，it is a section of quite practical A/D switching device. This equipment may track the electrical network reactive power the change and the automatic compensation, and this installment has the volume to be small, the precision is high, the price compared to the higher merit.KEY WORDS:reactive power compensation，SCM(Single Chip Micyoco)，low voltage目录摘要 (I)ABSTRACT (II)目录............................................................................................................................ I II 第1章前言 (1)1．1无功补偿装置必要性 (1)1．2无功补偿装置的发展史 (2)1．3设计提要 (4)第2章无功补偿的理论分析 (5)2．1无功补偿的原理 (6)2．2低压电网中的几种无功补偿的方式 (8)2．3确定补偿容量的几种方法 (9)2．3．1 从提高功率因数需要确定补偿容量 (9)2．3．2 从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量 (9)2．3．3 从提高运行电压需要来确定补偿容量 (10)第3章硬件设计 (12)3．1无功补偿装置的技术要求 (12)3．1．1 补偿控制应符合技术条件 (12)3．1．2 测量精度 (12)3．1．3 控制器原理 (12)3．2硬件介绍 (13)3．2．1 微处理器 (13)3．2．2 A/D转换器选型 (17)3．2．3 看门狗 (20)3．2．4 LCD显示 (21)3．3模拟信号调理电路 (23)3．3．1 电流电压互感器 (23)3．3．2 电压、电流采样及信号处理电路 (24)3．4输出控制电路 (25)3．4．1 控制电路 (25)3．4．2 固态继电器 (26)第4章软件设计 (27)4．1功率因数计算 (27)4．2投切原则 (29)第5章结论与展望 (31)致谢 (32)参考文献 (33)附录1：硬件结构图 (34)附图 (34)附录2：软件程序 (35)第1章前言1．1 无功补偿装置必要性目前，我国输配电网无功缺乏，备用容量严重不足，无功补偿装置缺少灵活的调节能力，其中由于无功不足原因而产生电压降落、电能传输损耗大、线路输送容量降低和网络稳定性下降等问题表现尤为突出[1]。