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智能低压无功补偿系统的设计

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楼主: wangjiahao88
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:05 | 显示全部楼层
2.3.3
从运行电压确定补偿容量
在配电网末端,运行的电压比较低,补偿电容后,可以提高运行电压。但是电压不能无
限扩大,需要设定电压上限,因此必须知道补偿电容量和电压增长量之间的关系。在装置补
偿前,网络的电压值如式(2. 9所示,补偿电容后,电压值如式(2.10)所示。


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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:05 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:05 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:06 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:06 | 显示全部楼层
    当无功缺额落在S2时,投入一组电容器,则无功缺额落在S1范围内,需要切除一组电
容器;当切除一组电容器后,无功缺额又落到S2处。如此反复投切便出现了投切振荡。解决
的方法是设置补偿的上下限范围大于基本电容组的容量,就可以避免“投切振荡”现象的出
现。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:06 | 显示全部楼层
2.4.3电压控制方式
    电压控制方式是当无功负荷增大时,根据母线电压下降的特点,以保持安装点电压在一
定范围内。控制器计算出电网母线电压,当超过电压上限时切除电容器;当低于电压下限时,
则投入电容器。这种方法多用于对集中负荷点的电压调整,但是由于电容器只能发出容性无
功功率提高电压,而不能发出感性无功降低电压,因此只在重负荷时效果比较明显,当轻负
荷时比较少用。
2.4.4复合控制方式
    复合控制方式是指以某一物理量作为主判据,另一物理量作为辅助判据。例如以功率因
数控制,按电压校正;以无功功率控制,电压校正等等。这样既考虑到了功率的补偿,又考
虑到了实际电网中电压的运行水平,便可以最大限度的提高功率因数。
2.5本章小结
    本章首先对无功补偿的原理进行了介绍,然后针对不同的无功补偿方式进行分析,比较
它们的优缺点,得出无功补偿应当遵循“分级补偿,就地平衡”的原则;之后从功率因数、
线损率以及电压的角度来介绍如何确定所需投入电网的无功量,最后分析了各种不同的无功
补偿策略以及它们存在的缺点。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:07 | 显示全部楼层
3.1智能无功补偿系统的设计需求
    本无功补偿系统主要完成的功能是通过投入电容,将电网的功率因数控制在目标范围内,
使电网质量得到提升。具体的功能包括:
    (1>采样电压电流、有功功率、无功功率、功率因数、电网频率、电容器温度等网络状
况及电容器运行数据,并实时显示;
    (2)用户能够设置相关参数,并具有设置参数断电**功能,停电后数据不丢失;
    (3)具有自动识别编码方式,既能进行循环投切,也能进行优化投切;
    (4)过零投切低压电力电容器,做到无涌流、无过压、投切速度快;
    (5)具有电容器切除后再投入的放电延时时间锁定功能;
    C6)抗干扰能力强,具有过温度保护、缺相保护、过电压保护、过谐波保护、过电流保
护等保护功能。当出现以上几种情况时具有led灯报警功能,并自动切除电容器;
    (7)控制器和综合模块之间利用RS485能够准确传达投切信息,确定各组电容器的投切
状态。
    本无功补偿系统在控制精度方面的主要指标为:
      C1)电压精度士0.2% ;
      }2)电流精度士0.5 % ;
      (3)有功功率精度士1.0%;
      (4)无功功率精度士1.0%;
      (5)功率因数精度士1.0%0
3 .2智能无功补偿系统的标准架构
    智能无功补偿系统(标准架构)由无功补偿控制器和智能补偿电容器综合模块这两部分
组成,两部分模块之间由RS485进行通信,如图3.1所示。无功补偿控制器实时精确地采集
和显示电网参数,存储用户设置的参数值,计算得到需要补偿的无功量,通过RS485向智能
补偿电容器综合模块传递投切电容器的指令;智能补偿电容器综合模块根据得到的指令信息,
在电网电压电流过零点投切电容器。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:07 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:07 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:08 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:08 | 显示全部楼层
    在设计无功补偿控制器PCB时,为了使220V高压部分和低压部分分开,将无功补偿控
制器PCB板设计成两块板子:底层板用来对电压电流进行采样以及通过变压器转换得到芯片
供电电压,主要放置采样电路(通过电压电流互感器对电网进行采集)以及通过变压器获得
9V供电电压的电源电路;上层板主要放置液晶显示、按键处理、数据存储、报警、485通信
等电路。这样做的优点是既隔离了220V高压交流电和SV低压直流电,防止它们之间的干扰
影响,又缩小了控制器的占地面积。
4.2无功补偿控制器硬件组成模块的设计
4.2.1主控芯片和计量芯片
    .主控芯片
    控制器主控芯片采用意法半导体(ST)的一款常用的增强型系列控制器
S TM32F 103 TRC6,在电动驱动、医疗设备、视频对讲、扫描仪、GPS平台以及工业控制和应
用控制等方面都有广泛应用。作为主控制芯片,它的主要特点有:

      (1>工作频率最高可达72MHZ,处理器运行速度快;
    C2)内核为ARM32位的Cortex-M3 CPU,响应速度快,处理数据精确度高;
      (3)具有256K字节的闪存存储器和高达64K的SRAM,存储容量大;
    (4)双通道12位的A/D转换口,高速,高精度;
    (5)有12通道DMA控制器,支持定时器、ADC, DAC, I2S, SPI, I2C, USART等外
设,传输数据快,效率高;
    C6)多达13个通信接口,分别为2个I2C、5个USART接口、3个SPI接口(两个复
用IZS ) 1个CAN接口、1个USB和1个SDIO接口,多个通信接口使得其应用广泛,适合
各种通信模式;
      C7)能够工作在一40 0C至1 OS 0C的温度范围,供电电压为2.0至3.6V,一系列省电模式
保证了低功耗的要求;
    (8)价格低廉,节省成本开资;
      C9)具有自己的库函数,不需要用户写驱动函数,直接调用库函数更为方便。
    与单片机相比,S TM32F 103 TRC6芯片具有较强的优势:片内多条数据、地址总线;单
周期乘法和硬件除法;具有待机、停机、睡眠等低功耗模式;具有丰富的RAM, ROM, Flash
等存储设备和定时器、同步/异步串口、通用I/O , A心等片上外设。


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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:08 | 显示全部楼层
    .计量芯片
    为了提高电压、电流、有功功率、无功功率和频率的采样精度,使用一款计量芯片
ADE7878对电压电流进行采样,将计算的参数值通过SPI口传递给STM32控制芯片,既不
需要进行繁琐的计算,又提高了采样速率和数据精度。
    ADE7878是一个高精度,三相电子式电能测量IC,具有串行接口和灵活的脉冲输出。
ADE7878集成了二阶艺一△模一数转换器(ADCs,数字积分器,参考电源和实现总的(基波
和谐波)有功,无功和视在电能测量和有效值计算,其中基波仅用于电能测量和有效值计算
的信号处理。
    ADE7878可使用于测量各种三相系统的有功,无功和视在电能,如星型接法或角型、三
线和四线制接法。能够提供应用到各相的系统校表,如有效值偏移校正,相位校准和增益校
准。CF 1,  CF2和CF3逻辑输出提供宽范围选择的功率信息:总的有功,无功和视在功率,
或电流有效值、基波的有功和无功功率。
    ADE7878包含波形样本寄存器,允许访问所有ADC输出。芯片也集成了电源质量测量,
如短时欠电压或过电压检测,短时过电流变化,电网电压周期测量,电压与电流间相角测量。
两个串口SPI和I2C可用作对ADE7878的通讯。一个专用的高速数据捕获接口(HSDC),
连同I2C提供ADC输出和实时功率信息。ADE7878还具有两个中断管脚/IRQO和/IRQ 1,用
于指出发生了使能的中断。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:09 | 显示全部楼层
    ADE7878总过有四种供电模式,如图4.2所示。将PM1和PMO管脚连接到STM32外部
的两个I/O管脚,STM32启动后将其配置为正常供电模式。在PSMO模式,ADE7878具有全
部功能。


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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:09 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:10 | 显示全部楼层
4.2.2电压电流采样电路的设计
    输入为三路电压,六路电流。输入的三路电压经过SmA/SmA的电流型电压互感器,通过
互感器前一级和后一级之间的电阻比来对电压进行处理,此处电压缩小100倍;输入的三路
电流通过SA/SmA的电流互感器之后将其转化成电压值,输入到ADE7878进行采样。如图
4.4所示为单相电压电流采样的电路原理图。
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:10 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:10 | 显示全部楼层
4.2.4液晶显示和按键处理电路的设计
    液晶显示电路采用了ST7920点矩阵LCD控制驱动器,这是一款低功耗LCD控制器,
能够显示字母、数字符号、中文字型等。此外还具有中文和图形混合现实、画面清除、光标
显示/隐藏、光标移位、反白显示、体眠模式等功能。具有编程简单,访问速度快等优点,因
此适合于小型控制器上界面显示。
    液晶显示电路原理图如图4.6所示,STM32通过对输出口SPI SCK进行时序控制,将
数据和控制命令从输出口SPI SI通道传入到LCD液晶显示界面,此处使用串行方法进行传
输。另外通过一个输出口BACKLIGHT用来控制液晶背景的亮暗。



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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:12 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:12 | 显示全部楼层
4.2.5数据存储电路的设计
    由于需要保存用户设置的参数和历史故障记录,为了方便数据存储和读取,无功补偿控
制器外扩一块EEPROM用于数据存储。
    无功补偿控制器将人工设置的界面参数和系统的故障记录存储在EEPROM中,STM32
通过I2C口与EEPROM进行通信存储数据。每次一上电后首先从EEPROM中读取上一次设
置的参数,因此不需要对参数进行重复设置。EEPROM选用存储空间为1K大小的24C01,
数据存储电路原理图如图4.8所示,C SCL和S SDA两个口为I2C通信端口,C WP为硬件
数据写保护端口,当它接GND时EEPROM能够正常读写,当引脚接VCC时,芯片启动写
保护功能。
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-14 16:13 | 显示全部楼层
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