无功功率补偿控制器设计.doc

1、 无功功率补偿控制器设计 无功功率补偿控制器设计 - 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 AT89C51单片机，该单片机是美国 ATMEL公司生产的低电压，高性能的 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转换采用 ADC0809，是一款比较实用的 A/D转换装

2、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 功率因数 无功功率补偿控制器设计 - II - 目 录 摘 要 . I Abstract . 错误 !未定义书签。 1 绪论 . 1 1.1 课题的应用背景 . 1 1.2 国内研究动态 . 2 1.3 本课题主要研究的内容 . 2 1.4 无功补偿的原理 . 2 1.5 低压电网中的几种无功补偿的方式 . 3 2 芯片简介 . 5 2.1 51 系列单片机简介 . 5 2.2 51 系列单片机的特点 . 5 2.3 AT89C51 单片 机 .

3、 5 2.3.1 AT89C51 特性 . 5 2.3.2 AT89C51 的功能 . 6 2.4 MAX813L 芯片 . 8 2.5 LCD1602 芯片 . 9 2.6 74HC595 . 10 3 系统硬件电路的设计 . 12 3.1 电源电路 . 12 3.2 A/D 转换电路 . 13 3.3 看门狗电路 . 15 3.4 LCD 显示 . 16 3.5 模拟信号处理电路 . 18 3.5.1 电流和电压相位检测电路 . 18 3.5.2 D 触发器控制电路 . 19 3.5.2 电流和电压信号采集电路 . 20 3.6 电容补偿控制电路 . 22 4 系统软件的设计 . 24 4

4、.1 主程序设计 . 24 4.2 中 A/D 转换软件设计 . 24 4.3 电容补偿控制电路软件设计 . 25 无功功率补偿控制器设计 - III - 结 论 . 27 参 考 文 献 . 28 附录 系统硬件原理图 . 29 致 谢 . 30 无功功率补偿控制器设计 1 1 绪论 1.1 课题的应用背景 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 7.0cos 。 在

5、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的，世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分 1。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

6、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 3900 亿千瓦时。设当前全国电力网总负荷的当前功率因数 85.0cos ，采用无功功率补偿后，把电力网总负荷的功率因数提高到 95.0cos ，则每年可以降低线损约为 390 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 85.0cos ， 提高到 95.0cos ，全国电网 需总补偿容量约为 0.58 亿千瓦。当前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

7、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 2CO ， 2SO 等有害物质约为 600 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 2，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

8、户的增容改造等作用。 无功功率补偿控制器设计 2 1.2 国内研究动态 在电力系统中 ， 电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标。为确保电力系统的正常运行 ， 供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。频率的控制与有功功率的控制密切相关 ， 而电压控制的重要方法之一是对电力系统的无功功率进行控制。 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

9、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 3。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，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契机。 1.3 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

10、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。 1.4 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 4。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 1.1解释： 设电

11、感性负荷需要从电源吸取的无功功率为 Q ，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为 CQ ，使电源输出的无功功率减少为 CQQQ ，功率因数由 cos 提高到 cos ，视在功率 S 减少到 S 。 无功功率补偿控制器设计 3 sspQ 1Q cQ图 1.1无功补偿 补偿原理示意图 视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。例如一台 1000 千伏安的变压器，当负荷的功率因数为 0.7 时，可供 700 千瓦的有功负荷，当负荷的功率因数提高到 0.9时，可供 900千瓦的有功功率 5。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供 200千瓦负荷，是相当可观的。 1

12、.5 低压电网中的几种无功补偿的方式 广大市电低压电网处于电网的最末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键。搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高用户配电变压器的利用 率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低电能损失。低压补偿对用户及供电部门都有利。 低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡，通常采用地方式有三种： 随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。 随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护装置与电机共同投切。随机补偿地优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停止运补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量 6。且具有投资少，配置灵活，维修简单等优点。为防止

13、电机推出时产生自激过电压，补偿容量一般不大于电机的空载无功。 随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在 配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。有很多的低压配电网中的变压器，尤其是农网配电变压器，普遍存在负荷轻的现象 7。在负荷时接近空载，此时配电变压器的空载无功是电网无功负荷的主要部分。随器补偿由于补在低压侧，可有效地补偿配变空载无功， 且连线简单， 做到无功地就地补偿。 跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户 0.4kV母线上的补偿方式。补偿电容器组的固定连接可起到相当于随器补偿的作用，无功功率补偿控制器设计 4 补偿用户的固定无功基荷；可

14、投电容器组用于补偿无功峰荷部分。由于用户负荷 有一定的波动性，故推荐选用自动投切方式 8。此法对电容器的保护比前二种要更可靠。 上述三种补偿方式均可对特定种类无功负荷实现“就地平衡”的无功补偿，降损节能效果好。本次设计使用第一种补偿方式。 无功功率补偿控制器设计 5 2 芯片简介 2.1 51 系列单片机简介 51 单片机是对目前所有兼容 Intel 8031 指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是 Intel 的 8031 单片机 ， 后来随着 Flash rom 技术的发展， 8031 单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的 8位单片机之一，其代表型号是 ATMEL 公司的 A

15、T89系列， 它广泛应用于工业测控系统之中 9。目前很多公司都有 51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。 51 单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是 51 系列的单片机一般不具备自编程能力。 2.2 51 系列单片机的特点 （ 1） 51 片内存储容量较小 ： 原因是受集成度的限制 。 ROM 一般小 于 8KB， RAM 一般小于 256B， 但可以在外部扩展 。 通常 ROM， RAM 可分别扩展至 64KB。 （ 2） 可靠性高 ： 因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于 PC 机。 系统软 件 (如 :程序指令

16、，常数，表格 )固化在 ROM 中 ， 不易受病毒破坏。 许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。 （ 3） 便于扩展 ： 片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并行和串行的输入 /输 出 )管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。 （ 4） 控制功能强 ： 具有丰富的控制指令 ： 如条件分支转移指令 ， I/O 口的逻辑操作指令，位处理指令。 （ 5） 实用性好 ： 体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。 2.3 AT89C51 单片机 2.3.1 AT89C51 特性 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能的 CMOS 8 位单

17、片机，片内含 4K bytes的可反复擦写的只读程序存储（ PEROM）和 128bytes的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS 51指令系统，片内置通用 8位中央处理器（ CPU）和 Flash存储单元 10。 AT89C51 引脚图 图 2.1 为 AT89C51 的 40 根接脚图。每根接脚都有其特定功能，而有些接脚有两种甚至三种以上功能，也可经由程序规划为数字输出输入接脚。 无功功率补偿控制器设计 6 图 2.1 AT89C51 引脚图 2.3.2 AT89C51 的功能 AT89C51 属于内嵌功能较多的单 片 机，包括以下各种功能 。 简介如下： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流 ， 当 P1 口的管脚第一次写 1时，被定义为高阻输入。 P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH进行校验时， P0输出原码，此时 P0外部必须被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为