基于单片机的无功补偿控制器(2)

刘德杰：基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计

A/DB相电流 AC相电压 电流取样 电压取样 转换可调电压源RS-232C串行通信 AT89C52 ~220V 电源 按键电路 显示电路

图1- 1 系统的硬件结构框图

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第2章 基于SLH的连续无功补偿装置机理

采用线性开关复合功率变换技术来实现新型的无功补偿主要能够该善以往所采用的无功补偿装置在电容投切过程中所存在的冲击现象和提高无功补偿的响应速度，实现实时补偿。

2.1 新型连续无功补偿装置的基本原理 2.1.1 基本原理

图2- 1 连续补偿的基本原理

如图2-1所示，

表示电网电压，

是一个和电网电压同频同相的可调电压源，

??C是作为补偿用的电容器。负载ZL一般是感性负载。于是有：

UW?UV

ZC （2-1）1ZC??j

?C则本拓扑中，电容支路所发出的容性无功功率为：

IC??Q?UW?IC?

由式（2-2）有，当UV=0和UV=UW时，则电容支路所发出的无功功率分别为：

2UW(UW?UV) （2-2）

ZC QUV?0U2?W?UW??C （2-3） ZC QUV?UW?0 （2-4）

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由（2-3）式可知，当电容支路的可调电压源UV=0时，本装置相当于电容直接与电网相并联，对于可调电压范围在0~UW的可调电压源来说，此时本装置发出的容性无功最大。当UV=UW时，本装置不发出容性无功功率，容性支路的电流IC=0。

本装置中所发出的无功功率由两部分组成：一部分是与可调电压源相连的电容发出的无功功率QC，另一部分是由可调电压源发出的无功功率QV。QC和QV的表达式如下：

(UW?UV)2 （2-5） QC?UCIC?ZCQV?UVIC?

令

UV?D 则QC和QV可分别表示为： UWUV(UW?UV) （2-6）

ZC

UQC?(1?D)?W （2-7）

ZC22141222

由式（2-8）可知，可调电压源发出的无功功率QV与D呈非线性的关系，当D=1/2也即可调电压源的电压QV是电网电压UW的一半时，可调电压源输出最大容性无功功率：

2UQV?[?(D?)]?W （2-8）

ZC1U QVmax??W （2-9）

4ZC

当D为0或者1（也即可调电压源的电压为0或者和电网电压一样大）时，可调电压源不发出无功功率。当D大于1或小于0（也即可调电压源的电压比电网电压高或电压极性反向）时，QV为负值；换言之，可调电压源不是输出容性无功功率而发出感性无功功率。图2-2表示整个装置发出的无功功率Q，电容器发出的无功功率QC，可调电压源发出的无功功率QV和它的电压UV之间的关系。

图2- 2 Q,QC,QV之间的关系

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2.1.2 同无功功率发生器SVG的比较

本方案与SVG同属于有源连续无功补偿方案，不同之处在于： SVG中的连接器件是电感，在一定的电压下，电感值越小， SVG发出的无功功率也就越大；本方案的连接器件是电容，在一定的电压下，电容越大，本装置发出的无功也就越大；由于电容的额定电流通常比电感小，考虑性价比， SVG适合进行大容量的连续无功补偿，而本装置适合于中小型容量的连续无功补偿； SVG中的电感是用来平滑注入电网的电流的，而本装置中的电容是作为补偿器件产生无功功率的； SVG所产生的无功功率基本上都由可调电压源提供，而本装置所产生的无功功率由两部分组成，一部分由电容器提供，另一部分则由可变电压源提供，所以在提供相同大小的无功功率时，本装置中可调电压源的容量可以比SVG中可调电压源的容量小得多。

本方案的优点是：

（1）既可连续提供容性无功又可连续提供感性无功，且不附加对电网的谐波污染；在容量需求较小时可由单级提供电网所需的无功功率。在容量需求较大时还可用与无源补偿混合的方式连续提供电网所需的无功，使功率因数接近1，从而保证得到最佳的补偿效果。

（2）可预置可变电压源电压

=

，使其在零电流下投入，大大减小对电网的冲击

和延长电容的使用寿命。

（3）由于可变电压源的容量仅为所需无功容量的1/4，且控制简单，故具有低成本的特点，有利于在扩展容量与电压等级时使用。

图2- 3 利用原装置扩容原理

（4）除增加一可变电压源外，这一方案可充分利用原有补偿装置的补偿电容。如图2-3所示，如果原多级无源装置发出的最大容性无功功率为Q，最大补偿无功将由N级实现，每级提供的最大无功功率为Q/N。第一级采用补偿电容与可调电压源相串的有源补偿，提供的无功功率为0~Q/N连续可调，而其他N-1级为固定值Q/N，则可通过第一级的连续调节与其它级的分级投切相配合达到无功功率Q的连续调节。例如，当需要切除一整级时，只要可变电压源电压置0v并与待切的开关同时动作就使切除后补偿的无功功率不变，从而实现连续调节。因此，这一方案极适合于对现有补偿装置的改造和技术提升。基于上述优点，这一方案具有广阔的应用前景，将为企业带来巨大的经济效益。

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2.2 SLH的基本原理

在共集（漏），共射（源），共基（栅）这三种基本放大电路中，共集（漏）极

放大电路是输入电阻最大，输出电阻最小的一种拓扑，它的电压放大倍数小于1但接近于1，且其频带在三种放大电路中也是较宽的，因而这种拓扑的输出电压能够忠实的反映输入的信号而被称作电压跟随器。把这一电压跟随器级联于开关型电源的滤波电路之后就形成开关线性（电压跟随器是线性电路）复合功率变换技术的基本结构。

图2-4为开关滤波电源输出正电压时的简单应用。当然，在开关电路之后增加一

图2- 4 SLH的简单应用

级线性电路必然会增加整个电路系统的功率损耗。但是这个增加的损耗是很小的，因为开关线性复合技术的线性电路与传统线性功放的不同之处在于它不像 B类，AB类功放电路那样由正负直流电源E供电而是由包络于输出电压的纹波电压Us供电；功率器件并不工作在大跨度纯线性区域，而是工作于临界饱和状态偏线性一侧的特殊状态。开关电源滤波之后的纹波电压Us是与基（栅）极输入信号Ui同步的，其幅值略高于Ui（如图2-5所示）。这样，使整个电路既具有线性放大电路才有的基本规律；又有开关电路才有的低通态损耗特性。

(a)B类功放功率器件的状态 （b）SLH功率器件的状态

图2- 5 两种功率因数状态的比较

图2-6是整个开关线性复合系统的原理框图。图中，参考信号是一个和期望输出电压在波形上相同或相近的信号。也就是说，输出电压在波形上要始终跟踪参考信号。参考信号一方面经过PWM斩波环节输出脉宽调制波以控制主电路的开关功率管，从而在主电路的开关滤波之后输出一个与参考信号在波形上相似、幅值不同，且叠加有纹波的前级输出波形Us。另一方面，参考信号经过一个前置放大单元得到开关线性复合系统线性部分栅极的高电压驱动信号Ui。前级的电压Us，和控制电路的驱动信号Ui分别加到后级功率管的集电极（漏极）与基极（栅极）。后级功率管的射极（源极）输出波形Uo跟踪栅极驱动信号Ui电压波形的幅频，幅值仅低一个阀值电压。

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