1、安徽工程大学学士学位论文 摘要摘要电压是电能质量的重要指标之一，网损是电力企业的一项重要综合性技术经济指标。长期以来电力系统网络损耗问题比较突出，而无功补偿是降低线损的有效手段。随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。在电网中的适当位置装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。本文从无功补偿的现实意义出发，分析了无功补偿的必要性和经济效益。简单介绍了目前无功补偿研究的现状，探讨无功补偿的原理并对主要的几种无功补偿方式进行了简要的分析，给出本文设计用于并联电容器组补偿方式的智能低压无功补偿装置的研究任务。装置采用 ATT7022A 检测电网运行参数，减少了 CPU 运算量，提高
2、电网参数辨识的精度，并可以简化系统软件设计。系统以 Atlmega64 处理器为控制核心，采用功率因数控制和电压限制相结合的方式工作，并给出采用永磁真空开关在特定电压相角投切电容器的方法，有效解决了电容器投切过程中在线路上产生涌流的缺点，并设有多种保护措施，保护系统可靠、稳定运行。装置还设计了友好的人机接口和通讯接口，使用方便。关键词：无功补偿、并连电容器、ATT7022A、Atlnega64安徽工程大学学士学位论文 目录2ABSTRACTVoltage is one of important quality index of electric power system. Power loss
3、 is an important synthesis technical and economic index of power companies. In the past several years, the problem of power loss is very serious. However, reactive compensation is an effective method to save power loss .Due to increasing loads of electric power system, demand of reactive power was a
4、lso increasing. It became necessary means that reactive power compensation devices were installed in proper position of electric network. This thesis considers the significance of reactive Power compensation and analyses the indispensability and economic benefits of reactive Power compensation. The
5、development status of reactive power compensation is briefly introduced. Principles of reactive power compensation are explained. Several primary reactive power compensation solutions are discussed. This thesis proposed an intelligent low voltage reactive compensation control scheme and implemented
6、device for shunt capacitor compensation. An ATT7022A is adopted to detect the power grid operation information to reduce the calculation volume of CPU and enhance the precision of power grid parameter identification. This also simplifies design work of the software. ATMEGA64 is utilized as the main
7、process unit and method combining power factor control and voltage limitation is used as the system working mode. Specific voltage phase is determined to switching shunt capacitor via permanent magnetic vacuum synchronous switch. Thus the surge produced during the traditional 安徽工程大学学士学位论文 目录3capacit
8、or switching method is greatly diminished. It provides diverse protect measures to ensure the stability and reliability. It bears friendly human machine interface and communication interface and is convenient for use.Key Words: Reactive Power Compensation, Shunt Capacitors, ATT7022A, Atmega64安徽工程大学学
9、士学位论文 目录目录1 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 课题研究的目的和意义 .11.3 无功补偿的历史与现状 .31.4 本文研究的主要内容 .52 无功补偿的基本理论 .62.1 交流电路的无功功率 .62.2 并联电容器补偿无功功率的原理 .82.4 无功补偿容量的确定 .132.5 无功补偿的经济效益 .143传统静止无功补偿装置 .163.1 具有饱和电抗器的无功补偿器（SR） .163.2 晶闸管控制电抗器(TCR) .173.3 晶闸管投切电容器(TSC) .183.4 静止无功发生器 SVG .193.5 小结 .194 无功补偿控 制器硬件电路设计 .214.1 At
10、mega64(L)微处理器简介 .224.2 电量信号采集和预处理 .244.3 A 相电压零点检测单元 .324.4 A 相电压信号调理单元 .334.5 电容状态检测单元 .344.6 数据存储单元 .354.7 实时时钟电路 .374.8 液晶显示和键盘电路 .384.9 温度检测部分 .404.10 通讯部分 .414.11 系统电源和电源监控电路 .424.12 继电器输出电路 .474.13 硬件电路抗干扰设计 .486 结论与展望 .60安徽工程大学学士学位论文 目录26.1论文总结 .606.2本文的不足及课题展望 .60参考文献 .62附录 .65附录一 英文资料 .65附录
11、二 中文翻译 .73安徽工程大学学士学位论文 绪论11 绪论1.1课题背景近 30 年来，由于超高压远距离输电系统的发展，电网中无功功率的消耗也日益增大。低压电网中，随着居民生活水平的提高和家用电器的普及，以及小工业用户的增多，电网的功率因数大都比较低，尤其是电力电子装置的应用日益广泛，而大多数电力电子装置的功率因素很低，造成电网供电质量下降，也给电网带来额外负担。因此，利用无功补偿技术正成为当前世界各国电力设计及决策人员的共识，无功补偿装置的投资己被列入电力投资的整体规划中，成为一个不可缺少的环节。现在，美国电力主网设备的功率因素已接近于 1，原苏联法律规定功率因素应大于 0.92，日本等国
12、还建立了全国性的无功管理委员会，研究无功补偿方面的技术经济政策。从实际情况看，世界上工业比较发达的国家，其电网功率因数都比较高。因此，大力提高电网功率因素，降低线损，节约能源，挖掘发电设备的潜力，是当前电力网发展的趋势。1.2课题研究的目的和意义有功功率与视在功率的比值称为功率因数，无功功率的存在使功率因数降低，造成如下影响：(1)当有功功率不变时，功率因数低，使发电机和变压器的容量增大，不能充分发挥原有供电设备的效率。安徽工程大学学士学位论文 无功补偿装控制器硬件电路设计2(2)在线路输送有功功率相同的情况下，功率因数低，使线路中的电流增加，电压损失增加，给感应电动机的启动、运行造成困难，导
13、致供电质量下降。若增大导线截面积，相应的增加了有色金属的消耗量。(3)当电网电压及有功功率不变时，功率因数低，使输电线路中的无功电流增大，功率损耗增加，引起发电机端电压的下降。具体说来提高功率因数有如下作用：提高电力网的传输能力减少电压损失，提高电压质量减少线路损失降低变压器的损耗增加变压器的输出功率目前，低压电网中的负荷大部分是感性负载，因此在电网中安装并联电容器可以供给感性电抗消耗的部分无功功率。并联电容器补偿简单经济，灵活方便。但当今电力系统中存在着大量如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等无功功率频繁变化的设备，这就要求补偿装置能够根据负荷的变化进行动态补偿。而并联电容器只能补偿固定无功，容易
14、造成过补或欠补，无法满足电力系统的实际需要，还有可能和系统发生并联谐振，导致谐波放大。因此，能根据负荷无功功率的变化对分组的补偿电容器组进行自动投切以实现对无功功率动态补偿的装置，目前在国内外得到广泛应用。解决电网中有功功率损耗大、压降大的最切实可行的办法就是采用高性能的无功功率补偿装置，就地补偿负载的感性无功功率。因此，寻求一种能综合现有多种补偿装置的优点，且成本较低的无功功率补偿装置，使其能实时检测供电系统需要补偿的无功功率，对系统进行跟踪补偿，是低压电网改造和建设中迫切需要解决的问题。本课题就是在此基础上提出的。安徽工程大学学士学位论文 无功补偿装控制器硬件电路设计31.3无功补偿的历史
15、与现状1.3.1无功补偿的分类无功补偿可以分为串联补偿和并联补偿。串联补偿的目的在于控制线路的阻抗参数，欧美一些国家普遍采用串联补偿来提高输电线的传输能力。而我国大多采取并联补偿的方式来补偿系统无功，并联补偿的目的在于控制线路的电压参数。并联补偿按补偿对象不同可分为系统补偿和负荷补偿两大类。系统补偿通常指对交流输配电系统进行补偿，目的是维持电网枢纽点处的电压稳定，提高系统的稳定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流、降低线损等。负荷补偿通常是指在靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿，目的是提高负荷的功率因数，改善电压质量，减少或消除由冲击性负荷、不对称负荷、非线性负荷等引起的电压波动、
16、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流波形畸变等危害。负荷补偿可分为静态补偿和动态补偿。静态补偿是根据三相负荷的平衡化原理，通过在负荷点串、并入无功导纳网络，把三相不对称负荷补偿成对供电系统来说是三相对称的。该方法优点是结构和控制简单、造价低，缺点是对工业电弧炉、电焊机等动态负荷难以达到理想的补偿效果。真正意义上的不对称负荷动态补偿是从 1977 年 Grandpierre 提出分相控制的静止无功补偿器 SVC(Static Var Compensatory)的方法后开始的。分相控制的 SVC 能根据系统的实际情况，通过调整可控硅触发角来改变 SVC的各相补偿度，从而达到补偿负荷负序分量和调整负
17、荷功率因数的目的。安徽工程大学学士学位论文 无功补偿装控制器硬件电路设计4因此，该方法一提出就受到了普遍关注。1.3.2 国内外研究现状及趋势电力系统是一个典型的非线性大系统，随着社会的进步，经济的发展，社会对电力的需求不断增加，使现代电力系统发展迅速，系统日趋复杂。大机组、重负荷、超高压远距离输电，大型互联网络的发展，以及对电力系统安全性、经济性及电能质量的高要求，使柔性输电系统（FACTS）技术成为目前电力系统的一个重要的研究领域。传统的无功补偿设备可满足一定范围内的无功补偿要求，但存在响应的速度慢，故障维护困难等缺点。静止无功补偿器（SVC）近年来获得了很大发展，已被广泛用于输电系统波阻
18、抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。其典型代表是固定电容器+晶闸管控制电抗器（TCR ） 。晶闸管投切电容器也获得了广泛的应用。除了在控制器件方面的改进，随着人工智能技术的不断发展，在控制方法上也有很大的进步。采用模糊神经网络、自适应控制等智能型控制方法，研制能同时对电压、无功功率、三相不平衡、谐波等进行综合调节和补偿控制的装置已经成为大家的共识。目前，在城市配电网公用变压器低压侧，由于用户家用电器感性负载的不断增加，使得其功率因数较低，导致公用变压器低压侧线路损耗大，供电电压指标不能满足用户要求。因此，在公用变压器低压侧进行无功功率补偿已成为目前研究的另一个热门。国外，城市
19、、农村电网是否安装户外无功补偿已成为衡量配电网性能的主要指标之一。在日本，配电网系统户外补偿电容器的自动投切率已达86.4%；在美国，许多城市道路旁的电线杆上装有并联电容器组，并采用自动装置控制。安徽工程大学学士学位论文 无功补偿装控制器硬件电路设计5国内，无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式。据统计，当前，国内典型城乡配电网无功损耗情况如下：按电压等级划分，0.4k 级损耗占 50%，10kV 级占 30%，35kV 以上占 20%。在农村，长距离供电较为普遍，10kV 线路损耗较大；在城网中，配网损耗主要在 0.4kV侧，因此，做好 10kV 等级电压以下的无功补偿具有重要
20、意义。近年来，由于计算机技术的发展，无功补偿技术已得到很大的改进，无功补偿装置的发展已进入一个新的阶段。然而，许多电网仍存在补偿不足，调节手段落后，电压偏低，损耗增大等问题。1.4 本文研究的主要内容本文首先分析无功补偿的重要意义，以无功补偿技术的原理为基础，研制真空开关投切电容器组的无涌流低压无功补偿装置，分析和探讨如何设计多功能、智能化的能够更加合理的进行电容器组投切的无功补偿装置。主要包括以下几个方面:分析无功功率补偿的基本原理和方法分析无功功率补偿的容量确定根据要求设计用于三相四线制低压电网的无功补偿装置，完成控制器 的硬件设计。控制器的设计需要着重考虑以下几个方面:电网运行参数的准确获得，为后续计算提供可靠数据根据补偿要求确定无功补偿容量确定电容器组的投切。采用合理的控制策略避免投切电容时造成涌流，避免产生电容器组的投切振荡等问题。
