可控硅动态无功功率补偿装置

-1-可控硅动态无功功率补偿装置(TSC型)技术报告山东科技大学2009年4月9日-2-按照山东科技大学与益和电气集团股份有限公司签订的《可控硅动态无功功率补偿装置(TSC型)》技术开发（委托）合同，山东科技大学项目组负责该项目装置中控制器部分的设计，并配合益和电气的产品设计、项目最终产品的型式试验工作。项目组在整个开发设计过程中，严格执行了新产品开发程序，在技术问题上及时与益和电气联系，确保达到预期的技术经济性指标。现就该项目整个开发过程的有关情况总结分析如下：第一章控制策略与控制算法设计1.1控制器的控制策略本设计的无功补偿控制器分为手动模式和自动模式。在手动模式下直接按照手动的设置投切即可，在自动模式下控制器根据控制策略和控制算法自动运行。本无功补偿控制器控制策略采用以电网电压、无功功率作为控制量的复合控制策略，控制算法采用的是传统的比较判断算法，实行三相共补与分补相结合的补偿方式。在以往的控制器设计中，多采用单纯的功率因数做为判据，在并联电容器投切的过程中容易产生投切振荡，会对电网造成不利影响，因此本次设计统筹考虑了无功及无功功率这两个因素，综合分析控制电容器组的投切，本控制器控制电容器组分为两方面内容：1、什么情况下对电容器组进行投切控制器首先检测电网中的无功功率，判断是进行三相共补还是各相分补，然后计算当前状态下按照刚才的判断进行控制后对电网电压造成的影响，如果超过了所设定的电压门限，并且投切间隔时间未到，则不发出控制信号，否则，发出控制信号。控制策略分区如图1.1所示，对应控制策略如表1.1所示。能共不分220+_10%+18V过压回差。投门限1.2Qc，切0.1Qc。QUU上极限U上限U下限12345689710Q上限Q下限-3-图1.1控制策略分区图表1.1分区控制策略表区号描述控制器执行的动作1区电压越上极限260V逐个切除补偿电容器（实际同时），并报警2区电压越上限242V，无功越下限（系统无功多）逐个切除补偿电容器，并报警3区电压越上限，无功在范围内报警4区电压越上限，无功越上限（系统无功少）报警5区电压在范围内，无功越下限逐个切除补偿电容器6区电压在范围内，无功在范围内无动作7区电压在范围内，无功越上限逐个投入补偿电容器8区电压越下限，无功越下限报警9区电压越下限，无功在范围内报警10区电压越下限，无功越上限报警2、怎样对电容器组进行投切此次设计的无功补偿控制器主要是适用于等容量的补偿控制器，即共补电容器组等容量，分补电容器组等容量，但两者可以不等。关于电容器组的使用上总的来说是采取“同相不同补、异相可同补、能共补不分补、循环使用”的原则，即对于同一相进行补偿时一次控制执行动作只能投入或切除一组电容器，所以共补和分补不会同时执行相同的动作，分相补偿时三相可进行同时补偿，但是每次动作每相最多只能控制一组电容器投切，除了当根据检测值没有共补需要投入，但各相补偿投入的容量足以用一组共补来替代的情况发生，此时足以用共补电容器替代的那些分补电容器切除掉，同时共补电容器投入一组，电容器的投切采用的是先投入先切除、先切除先投入的循环使用方法，循环的分配方法是共补电容器组一个循环，其他分相补偿电容器组各是一个循环，共补和分补的组数可以手动设定，当不需要分相补偿电容器组时，只需把分补的组数设置为0即可。1.2电容器组容量相关的计算在无功补偿控制器使用的过程中，需要手动设定所设计装置电容器组的参数，包括共补电容器的总组数、单个额定容量、额定电压以及分补电容器组的各相的总组数、单-4-个额定容量、额定电压。在实际补偿的过程中，由于电网电压的变动，必须依据检测的电压算出投入一组电容器组实际补偿的容量，本无功补偿控制器的设计适合应用于共补时采用三角形接线方式，各相分补时使用星形接线方式。由此可得出实际补偿时，共补和分补投入一个电容器组补偿的容量分别为22223()3()3ABCCNABCCCNCNCNUUUQUUUQQUU（1.1）22AACCNCNUQQU（1.2）22BBCCNCNUQQU（1.3）22CCCCNCNUQQU（1.4）其中，ACQ、BCQ、CCQ——分补时各相投入一组电容器组实际补偿的容量；AU、BU、CU——测量的三相相电压的有效值；CNQ、CNU——共补电容器组的额定容量、额定电压；CNQ、CNU——分补电容器组的额定容量、额定电压；CQ——共补时投入一组电容器组实际补偿的容量。1.3控制策略软件设计根据前面的介绍，在主程序中设计的自动模式下控制策略的软件流程示意图如下所示：-5-开始检测电网参数,完成需要的计算控制间隔时间到?依据各相无功功率参数判断需要的控制动作电压越下限?电压越上极限?电压越上限?切除该相一组分补电容器对应相有分补电容器投入?有共补电容器投入吗?切除一组共补电容器需要投入吗?某相需要分补吗?需要切除吗?计算假设投入一组共补电容器,电压变化计算假设某相投入一组共补电容器,电压变化需要共补吗?可以投入一组共补吗?投入一组共补电容器组可以投入一组分补吗?投入一组分补电容器组某相有分补投入吗?切除该相一组分补电容器有共补投入吗?切除一组共补电容器分补的电容器能用共补代替吗?投入一组共补电容器组,切除相应的分补电容器蜂鸣器报警,液晶显示,指示灯指示蜂鸣器报警,指示灯指示蜂鸣器报警,指示灯指示NYYNNYYNNYYYNYNYYYNYNNYNNYNYNN图1.2控制策略程序流程图-6-第二章控制器整体结构设计TSC型无功补偿控制器硬件主体部分一般包括检测、控制、执行以及电源四部分。本控制器中检测部分采用三片CS5463对三相电参数进行测量，并将其计算测量的结果存储到自身的数据寄存器中；控制单元采用单片机C8051F020通过对CS5463计算测量结果的读取，再根据设计控制策略，做出投切决策并输出投切信号；执行单元主要有可控触发器（或CF6G—3型可控硅控制器）和可控硅构成，实现合适时刻对电容器的投入或切除。控制器硬件结构框图如图2.1所示。本系统除包含上述主体功能的硬件组成部分外，还包括了完成其它辅助功能的硬件模块，主要包括人机界面、数据存储、实时时钟、串行通信、报警和指示等模块电路。电网信号采样与预处理CS5463C8051F020数据存储器实时时钟可控硅控制器可控硅人机界面(按键输入\液晶显示)串行通信AT89C2051温度测量风机控制系统电源指示与报警手动/自动切换图2.1控制器硬件结构图2.1电信号采样与测量电路模块本部分主要包括电网电压转换预处理电路（图2.2）、电流转换预处理电路（图2.3）和CS5463应用电路（图2.4）。-7-123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:13-Jun-2008SheetofFile:F:\功率因数补偿项目\研究生毕业论文相关\相关电路图\图2.2.DdbDrawnBy:PT1TRANS1R7220kV+V-2mA/2mAR8100R91kR101kR11300R12300C1218000pF220pF220pFVIN+VIN-图2.2电压信号转换预处理电路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:9-Jun-2008SheetofFile:F:\功率因数补偿项目\研究生毕业论文相关\相关电路图\图2.2.DdbDrawnBy:R261kR28300I+I-R271kR29300R2515C1518000pF220pF220pFIIN+IIN-CT1TRANS110A/10mA图2.3电流信号转换预处理电路在电压信号转换预处理（图2.2）过程中，首先经过100k的电阻把电网中的强电压信号转换为互感器能够接受的电流在2mA范围内的电流信号，经过2mA/2mA变比的电流型电压互感器转换为弱电侧的电流信号，再经过合适电阻R8转换为电能测量芯片CS5463电压量程范围内的电压信号，因为芯片CS5463本身带有数字滤波器，在这里仅对转换后的电压信号作简单的滤波处理，然后把预处理的信号接入到CS5463的电压输入通道VIN+，VIN-引脚端，这样就完成了一相电压信号的采集。在电流信号转换预处理（图2.3）过程中，首先经过变比为10A/10mA的电流互感器把电网中的大电流信号转换为小电流信号，在经过合适电阻R25转换为CS5463量程范围内的电压信号，经过简单滤波后接入到CS5463的电流通道IIN+、IIN-引脚端，完成一相电流信号的采集。本系统中测量的核心部分CS5463应用电路图，在本系统的设计中，采用了三片CS5463分别完成三相电参数的测量，其中一片通过4.096MHz的晶振提供时钟信号，后两片的时钟信号由第一片的CPUCLK管脚提供，这样可以使三片测量芯片工作同步。通过SPI串行通信总线与单片机C8051F020通信。CS5463是一个包含两个ΔΣ模-数转换-8-器（ADC）、功率计算功能、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片，管脚信息如图2.4所示，它具有以下特性：图2.4CS5463的引脚封装图电能数据线性度：在1000：1动态范围内线性度为±0.1%片内功能：——可以测量瞬时电压、电流、IRMS和、VRMS、视在功率、有功功率、无功功率、有功的基波和谐波功、无功的基波功率,、功率因数,、频率——具有电能-脉冲转换功能——具有系统校准和相位补偿——具有温度传感器两种无功计算方式符合IEC，ANSI,，JIS工业标准功耗12mW优化的分流器接口单电源地参考信号片内2.5V参考电压（最大温漂25ppm/℃）内带电源监视器简单的三线数字串行接口可以从串行EEPROM智能“自引导”，不需要微控制器电源配置VA+=+5V;AGND=0V；VD+=+3.3V～+5VCS5463电压通道的量程为250mV，有VoltageGain寄存器，允许一个附加可编程4倍放大器，电流通道的量程可以设置为250mV或者50mV，也有CurrentGain寄存器，允许一个附加可编程4倍放大器，芯片的采样周期和计算周期都可以根据需要灵活-9-设置，其本身又带有强大的数字滤波器，对数据进行低通滤波，以去除调制器输出的高频噪声。通道的低通滤波器由一个固定的Sinc3滤波器实现，通道的数据接下来通过一个可选IIR补偿滤波器，以补偿通过低通滤波器后产生的幅值损耗。两个通道都提供了一个可选的高通滤波器（用HPF表示），它可以加入信号通路，以在Vrms/Irms、有功功率、视在功率计算之前除去电流/电压信号中的直流成分。任意一个通道中的HPF如果不用，则这通道将启动全通滤波器（用APF表示），以保持电压和电流的传感信号之间的相位关系。可见，CS5463是一款功能强大、应用方便的专用电能测量芯片。2.2单片机C8051F020应用电路模块C8051F020单片机是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚，其主要特性有：高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）全速、非侵入式的在系统调试接口(片内）真正12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关两个12位DAC，具有可编程数据更新方式64k字节可在系统编程的FLASH存储器4352（4096+256）字节的片内RAM可寻址64k字节地址空间的外部数据存储器接口硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口5个通用的16位定时器具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器C8051F020具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。片内JTAG调试电