1、 本科毕业论文（设计）低压无功补偿控制器的设计 系 （部） 信息工程系专 业 自动化学 号 201207022141学生姓名 崔民正指导教师 贺焕林提交日期 2014年 月 日2013-JX16-中工信商中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）目录第一章 .111 研究背景 .112 无功补偿装置的发展状况 .113 本课题主要研究的内容 .4第二章 无功补偿的原理 .521 无功补偿的原理 .622 低压电网中的几种无功补偿的方式 .823 确定补偿容量的几种方法 .9231 从提高功率因数需要确定补偿容量 .9232 从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量 .9233 从提高运行电压需要来确定
2、补偿容量 .1024 本章小结 .10第三章 硬件设计 .1131 无功补偿装置的技术要求 .11311 补偿控制应符合技术条件 .113.1.2 测量精度 .113.1.3 控制器原理 .1132 硬件介绍 .12322 A/D 转换器选型 .14323 看门狗 .16324 LCD 显示 .1733 模拟信号调理电路 .19331 互感器信号转换及电流 电压转换电路 .19332 电压、电流采样及信号处理电路 .2034 输出控制电路 .2135 本章小结 .22第四章 软件设计 .2341 投切原则 .2342 功率因数计算 .2443 本章小结 .26第五章 总结与展望 .27参考文献
3、 .28致谢 .29附录 1：硬件结构图 .30附录 2 ：软件程序 .30中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）I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，以城镇低压网(220V)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 单片机，该单片机是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能5189CAT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
4、用 ，是一款比较089ADC实用的 A/D 转换装置。该装置可跟踪电网无功功率的变化并自动补偿,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，低电压中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）IIDesign of low voltage reactive power compensation controllerAbstractWhat this article studies is based on the alteration of reactive power compensation of low voltage, then design a
5、n 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 citys low voltage power grids. This thesis has discussed the importance of the reactive power compensa
6、tion for the power grids ,and introduded the hardware and software of the controller.This devices hardware core is AT89C51 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 CMO
7、S 8 monolithic integrated circuits;On the software，Using assembly language to compile，Follow the principle of modular ，To improve the degree of versatility and easy maintenance of the system design;The man-machine operation contact surface uses the LCD demonstration, the demonstration effect is quit
8、e 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 t
9、he higher merit.Key Words: Reactive power compensation SCM(Single Chip Micyoco) Low voltage中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）0第一章 11 研究背景目前，我国的电网，特别是广大的低压电网，普遍存在功率因数较低、电网线损较大的情况。导致此现象的主要原因是众多的感性负载用电设备设计落后，功率因数较低。比如我国的电动机消耗的电能占全部发电量的 70%，而由于设计和使用等方面的原因我国电动机的功率因数往往较低，一般约为 。70.cos在这种情况下，采用无功补偿节能技术，对提高电能质量和挖掘电网潜力是十分必要
10、的，世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分。从我国电网功率因数和补偿深度来看，我国与世界发达国家有不小差距。因此大力推广无功补偿技术是非常必要的，并且从以下数据，我们也能看出发展无功补偿所能带来的巨大经济效益。2007 年 ，我国年总发电量为 32559 亿千瓦时，统计线损率为 8.77%，但是这个数字没有包含相当大的110 千伏、35 千伏、10 千伏的输电线损及 0.38 千伏的低压电网线损。据报道，估计实际的统计线损率约为 15%，即 2007 年全国年线损量约为 4800 亿千瓦时。设全国的理论线损与统计线损相一致，其中可变线损约占理论总线损的 80%，则年可变线损电量约为39
11、00 亿千瓦时。设当前全国电力网总负荷的当前功率因数 ，采用无功功率85.0cos补偿后，把电力网总负荷的功率因数提高到 ，则每年可以降低线损约为 39095.0cos亿千瓦时，按 0.5 元每千瓦时计，价值约为 185 亿元。设 2007 年全国电网的最大负荷利用小时数为 5000 小时，则电网的最大负荷约为 2 亿千瓦，当用无功功率补偿法把功率因数 ,提高到 ，全国电网需总补偿容量约为 0.58 亿千瓦。当前85.0cos95.0cos无功功率补偿装置设备主要为电力电容器，设无功补偿设备每千瓦的平均综合造价为 50元，则全国无功补偿装置的总投资约为 29 亿元。应当指出，节省 240 亿千
12、瓦时约相当于一座 400 万千瓦火电厂的年发电量，而建一座 400 万千瓦的火电厂需综合费用约为300 亿元，同时每年需燃烧煤约为 1200 万吨，每年产生 , 等有害物质约为 6002COS万吨。由此可见，产生相同的电力，无功补偿的费用约为新建电厂费用 10%，而且无功补偿设备的费用仅需两个月的无功功率补偿的将损节电费用即可全部收回。综上所述 ，无功补偿不仅具有如上所述的节省投资、节省电力、节省燃煤及污染等作用，同时还可以提高电力系统设备的供电能力，改善电压质量，减少用户电费开支，延缓用户的增容改造等作用。12 无功补偿装置的发展状况近 20 年来，世界各地（包括美国、法国、意大利、英国、俄
13、罗斯、日本等国）发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了各国的高度重视。持续了短短72 小时的 8.14 美加大停电给美国造成了巨大的经济损失和社会影响，这次事故提醒人中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）1们，电网运行要有足够的无功备用容量，无功不能靠远距离传输，在电力市场环境下，必须制定统一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安全性的角度提供充足的无功备用。在我国也曾多次发生电压崩溃事故，如 1993 年和 1996 年南方电网的几次事故，这些事故都促使人们采取各种措施以维持电网稳定。早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器，多用在系统的高压侧进行集中补偿。至今并联电
14、容器仍是一种主要补偿方式，应用范围广泛，只是控制器在不断的更新发展。同步补偿器的实质是同步电机，当励磁电流发生改变时，电动机可随之平滑的改变输出无功电流的大小和方向，对电力系统的稳定运行有好处。但同步补偿器成本高，安装复杂，维护困难，使其推广使用受到限制。随着近代电力电子技术的出现和发展，无功补偿技术也随之发展。在第一个工业用晶闸管出现之前，电子半导体由于功率过小，在直流传动，交流传动，电磁合闸，交流不间断电源和无功补偿等领域内一直没有得到应有的推广使用。晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生，并以此为起点，随着半导体制造技术和变流技术的发展，新型的电力电子器件不断问世，由此引发了众多行业的变革
15、，如交流变频调速技术的蓬勃发展。同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展锲机。无功补偿技术和电力电子技术的结合主要有以下三方面：1是作为投切电容器的开关。因为电力半导体开关的响应时间短(PS 级)，所以能够选择电容的投切角度，实现零电压投切，避免了涌流的产生，提高了电容器使用的可靠性和电力系统的稳定性。现代并联电容器补偿装置中的输出回路就引进了该项技术。2是作为无功输出的调节开关。由于电力电子器件的高开关频率，使其能够方便地控制电容器电流的导通角，从而实现无功的连续调节，快速跟踪负载无功的变化。静止型无功补偿器是其中的代表。3是引入电力电子变流技术，将变流器作为无功电源来调节无功的输入和
16、输出，起到补偿负载无功的作用。经常用的是静止调相机和有源滤波器。由无功补偿源在主电路回路中连接方式的不同，无功补偿器可分为并联型和串联型两种结构。依据电力电子技术在无功补偿中应用的方式不同，现代无功补偿装置大致可分为以下几种类型：1 TSC (Thyristor Switched Cpacitor)型无功补偿装置，它属于并联型无功补偿装置。主回路如图 1-1 所示，是由多台电力电容器并联以及由可控硅构成的执行机构组成。装置根据无功电流的大小来决定投入电容组数。由此可见 TSC 的无功调节是有级的，它无法连续的输出无功，这使其在使用中存在合理选择电容，适当分级的问题。但中原工学院信息商务学院毕业
17、论文（设计）2它的优点也明显，即结构简单，控制方便，电容器利用率高，使用中不存在谐波污染等。I cUI c 1 I c 2 I c 3C 1C 2C 3图 1-1 TSC 型无功补偿装置主回路2 FC - TCR( Fixed capacitor-Thyristor Controlled Reactor)型无功补偿装置，它属于并联型无功补偿装置。其主回路如图 1-2 所示。FC-TCR 方式是用双相可控硅的相位控制，调整电抗器的电流，从而调整无功功率的方式。当以电压零相位为基准时，调节 TCR 中的可控硅的延迟角 。 可以从 到 范围内变化。补偿器的电流0918，此电流可随 角的变化而变化为感
18、性或容性，这样就改变了 FC-TCR 的无功LCii功率，并可连续均匀的调节。由于 TCR 中除可控硅全导通或关断之外器电流都是非正弦的，所以它是一个电流谐波源，对电网有一定的危害。该装置在电容和电感之间形成无功损耗，电容利用率低并且电抗器体积较大，成本高。LUI cII L图 1-2 FC-TCR 型无功补偿器的主回路3静止调相机ASVC (Advantage Static Var Compensator),属于串联型补偿器。中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）3它由于输出电压可超前或滞后系统电压，因此可以和系统进行有功、无功之间的交换。它可以连续调节无功，并且能够抑制谐波，补偿特性较好。
19、但该系统存在结构复杂，控制难度大，制造和维护都不便，成本高等问题，不便在全国推广使用。13 本课题主要研究的内容本文研究的主要有两方面：一是无功补偿的基本理论和电网中最佳补偿方式的探讨。首先是对无功补偿中一般问题进行分析，其次是对无功补偿计算方案的分析。二是在传统的无功补偿装置的基础上，对其控制器和动作执行机构进行改进，从而开发出一种智能无功补偿器。文中对这种补偿器的控制器的硬件设计和软件设计作了较详尽的分析。中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）4第二章 无功补偿的原理电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工做的。磁场所具有的磁场能是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁
20、场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。无功功率在电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电网的电压质量，增加电网的线损率。I 1S 1RXI 2S 2U 2U 1图 2. 1 由局部电力网的等值电路图由局部电力网的等效电路图21可知，电力网中由于无功负荷而带来的电压损耗 的计算公式为：U CUXQRPRXIRI 22221 sincos
21、式中： 电网的额定电压C元件的末端电压2电网中的电压和电流的差角R X电网中元件的等效电阻和电抗元件末端的有功负载和无功负载2PQ由上式可知由负荷的无功功率 在元件引起的损耗 的计算公式为：2QXUCX2中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）5而由负荷的有功功率 在元件中引起的电压损耗的计算公式为： 。可见的元2P CRUP2件电阻小于电抗的电网中，无功引起的电压损耗占主要部分。电网中的线损公式如下： )()(3221 jXUQpjXRISC式中： ，jQPS122j其中有功线损 的计算公式为： R这其中由于无功功率在电网中流动而引起的有功线损 的计算公式为：QPRUPCQ2由上述分析可见，要
22、减少电力网中的电压损耗和电网的线损率，提高用户端的电压质量的重要措施之一，是减少电力网元件中的无功传输，可以从提高负荷的自然功率因数和进行无功补偿两方面来解决这个问题。21 无功补偿的原理将电容器和电感并连在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器释放能量，而电感放出能量时，电容器却在吸收能量。能量就在它们之间交换，即感性负荷(电动机、变压器等)所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。因此，把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。此外，同步电动机等也可以作为无功补偿装置。无功补偿的作用和原理可由图22来解释：设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为 ，装设无功补偿装置后，补偿无功功Q率为 ，使电源输出的无功功率减少为 ，功率因数由 提高到 ，CQC coscs视在功率 减少到 。SS SpQQc Q 221C
