1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 集中式无功功率补偿器的软件设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 近年来，随着变配电网络的不断发展， 以及 用户对电网无功电源的要求的日益提高， 功率因数的提高正在逐渐成为一项重要的技术工作 。功率因数的高低，直接影响到用户的用电质量。 解决好电网的无功补偿问题，对社会、经济都有着极其重要的意义 。 本文介绍了一种基于单片机 AT89C52 的集中式无功功率补偿器。该补偿器采用三相平衡电路，通过检测 B、 C相的电压与 A相的电流来获得相位差，从而得到功率因数。采用型号为 MAX197 的 A
2、/D 转换器进行数据采集，通过 单片机AT89C52 实现数据处理以及输入、输出的控制， 通过 8255 接口芯片输出并显示功率因数及电容投切状态。经过本补偿器补偿后，系统的功率因数可达到 0.95以上。 本文主要侧重于介绍此功率补偿器的软 件部分，列出了详细的软件程序流程图，并给出了部分程序的代码。 关键词： 无功补偿，功率因数，软件设计 II The Design of Software of Centralized Reactive Power Compensator Abstract In recent years, with the continuous development of
3、 power distribution network, and the increasing requirement of reactive power, how to increase power factor is gradually becoming an important technical work. Power factor directly affects the quality of electricity using. It has a very important significance for our social and economic to solve the
4、 problem of reactive power compensation. This paper introduces a centralized SCM AT89C52 based reactive power compensation. The compensation circuit is a three-phase equilibrium, we obtain the phase difference by detecting the phase of BC voltage and A current, then get the power factor. We use the
5、A/D convert MAX197 to collect data, SCM AT89C52 for data processing , input and output control. Output and display the power factor and capacitance of switching state from 8255 parallel port. The systems power factor can reach 0.95, after the compensation of this compensator. This article mainly des
6、cribes the software part of this compensator, and detailed software program flow chart and some program code is listed here. Keywords: reactive power compensator , power factor, software design III 目录 摘 要 .I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源 . 1 1.2 课题的意义 . 1 1.3 无功补偿技术国内外发展现状 . 2 1.4 课题研究的主要内容 . 3 2
7、集中式 无功功率补偿器总体设计概述 . 5 2.1 总体设计方案 . 5 2.2 原理分析与参数计算 . 5 2.2.1 相位差的测量与计算 . 5 2.2.2 电容组数计算 . 7 2.3 算法说明及简化 . 8 3 硬件设计 . 9 3.1 单片机接口电路设计框图 . 9 3.2 硬件选择说明 . 9 3.3 芯片控制端 口地址分配 . 10 3.3.1 A/D 转换器 MAX197 控制端口地址 . 10 3.3.2 接口芯片 8255（ 1）控制端口地址 . 11 3.3.3 接口 芯片 8255（ 2）控制端口地址 . 11 3.3.3 数据存储器芯片 6264 地址范围 . 11
8、4 软件设计（主体部分） . 12 4.1 软件设计思路 . 12 4.2 程序流程图及说明 . 12 4.2.1 主程序 . 12 4.2.2 子程序 1：检测并确定电压过零点 . 14 4.2.3 子程序 2：确定功率因数、判断感容性 . 14 4.2.4 子程序 3：排序及数字滤波 . 15 4.2.5 子程序 4：控制电容投切 . 16 4.3 部分程序介绍 . 17 4.3.1 按键扫描程序 . 17 4.3.2 冒泡排序与数字滤波程序 . 22 4.3.3 查表程序 . 23 结论 . 24 IV 参考文献 . 25 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 27 附录 1 功率因
9、数查询表 . 27 附录 2 单片机接口电路图 . 32 集中式无功功率补偿器的软件设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 近年来，随着变配电网络的不断发展， 以及 用户对电网无功电源的要求的日益提高， 功率因数的提高正在逐渐成为一项重要的技术工作。 用户功率因数的高低 ， 直接关系到电网中的功率与电能的损耗 ， 关系到供电线路的电压损失和波动 ，而且关系到电能节约以及用户的用电质量。因此 ， 如何提高配电网络的功率因数 ，已经成为一个值得广大供电企业深入研究的重要课题。 电力系统中，电网的传输功率包括功功率和无功功率 。 在供电系统中 ， 大多数用电设备都具有电感特性 ， 这些设备不仅需要吸
10、收有功功率 ， 还需吸收无功功率来产生其正常工作 所必需的交变磁场 。 根据有功功率 =视在功率 功率因数 ，可知在一定的额定电压和额定电流下 ，电网的 功率因数越高 ， 有功功率所占的比重就越大 。 电网的自然平均功率因数一般在 0.70 0.85 之间 ， 企业消耗的无功功率占总功率的 60%-70%，约占有功功率的 60%-90%。若将功率因数提高到 0.95 以上，则无功消耗只占有功消耗的 30%左右 。 根据 全国供用电规则 的规定，一般工业用户的功率因数在 0.85 0.9 以上 ,凡功率因数不能达到指标的用户 ， 供电部门可终止或限制对其供电 。因此，对于工业用户来说， 提高功率
11、因数势在必行 。 提高功率因数的方法主要有 两种，即 提高自然功率因数法和无功补偿法 。 提高自然功率因数法，是指通过降低各变电 、 用电设备所需的无功功率来改善与提高其功率因数的方法 。这种方法 是最经济的提高功率因数的方法，因为它不需要增加投资 。 若工业用户采用提高自然功率因数法后，其功率因数仍没有达到 全国供用电规则 的要求 ，这时 就需要设置无功补偿装置来对功率因数进行人工补偿 。 无功补偿法， 是指采 用无功补偿设备来补偿用电设备的无功功率 ， 以达到提高功率因数的目的 。 本课题的思想就是采用无功补偿法，运用单片机实现无功功率因数的补偿，使系统 的功率因数达到 0.95以上。 1
12、.2 课题的意义 若 无功功率 太低 , 会对电网带来 许多 不利的影响 。 基本上的交流电源设备都是根据其额定电压和额定电流来进行设计、制造和使用的。若功率因数过低，电源提供给负载的有功功率就相对偏低，这样电源设备的潜力就无法得到充分利用。另一方面，设备的功率因数低，必然要求输电线路中的电流更大，这就促使工厂增大内部启动控制装置、测量仪表等设备的规格，增大了投资费用。集中式无功功率补偿器的软件设计 2 同时也会使得输电线路上得有功功率损耗增大，引起加在用电设备的电压下降，严重影响其正常运行。除此之外，对于发电设备来说，无功电 流的增大会增强发电机转子的去磁效应，使得励磁电流过度增大，进而造成
13、转子绕组的温度升高而超过允许范围。为了保证转子绕组的正常工作，发电机就不能达到预期设定的出力，影响机组的发电量。 电网中的大部分 用电设备， 如变压器 、 电动机 等 ， 都具有电感特性 ，在 工作 过程中 都 需 要吸收一定的 无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备，可以 补偿 感性负载所消耗的无功功率，减少电源向感性负 载 提供的无功功率 。对于供电系统来说， 提高功率因数可以使发电机有尽量多的有功功率 ，在最大程度上利用发电机的容量 ，以便 充分利用系统内各发电变电设备的容 量 ，增加其输电能力 。对于用电企业来说， 提高功率因数 可以提高企业各用电设备的利用率及其工作效率 ，
14、充分体现企业的设备潜在动力 ， 为企业节约电能 ， 减少电费支出，从而降低生产成本 。 总的来说，功率因数的提高 可以降低输电线路的功率和电压损失 ， 提高电网的输电效率 ， 减弱电压的波动 ， 保证各用电设备的运行条件，使其可以正常稳定地工作，从而有效改善和提高用电质量 。 因此，提高功率因数不仅对提高用户的用电质量有所帮助，更对整个供电系统节约电力资源有着重要意义。 1.3 无功补偿技术国内外发展现状 无功补偿技术的发展经历了从同步调相机 到 开关投切固定电容 ，到 静止无功补偿器 （ SVC） ， 直到今天的 静止无功发生器 （ SVG）等 几个不同 的 阶段。 其中，同步调相机响应速度
15、慢，损耗大，噪音大， 且 技术陈旧， 已是 淘汰技术；开关投切固定电容 属于 慢响应补偿方式， 其 连续 性及 可控能力差 ，也已逐渐淘汰 ；静止无功补偿器 SVC 是 目前相对先进 的 实用 无功补偿 技术， 并且已 在电力系统中广泛应用；静止无功发生器 SVG是一种更为先进的新型静止型无功补偿装置，是灵活柔性交流输电系统（ FACTS）技术和定制电力（ CP）技术的重要组成部分，已成为 现代无功功率补偿装置的发展方向。 静止无功发 生器 （ SVG） 是出现 于 20世纪 80年代的 相对 先进的静止无功补偿装置 ，又 被称为静止同步补偿器 （ STATCOM） 。日本、美国、德国 等国家
16、的 政府 及 科研单位一开始就 相当 重视 SVG 装置 的研制 。 1980 年 ， 第一台 20Mvar 的SVG 由 日本研制 成功。 90 年代 ， 研究 出现了 突破性的进展，日 本 和美国 分别于1991年和 1994年成功研制 出 一套 80Mvar和一套 100Mvar的采用 GTO晶闸管的SVG装置，并 且均 成功投入商业运行。 1998年 ， 德国西门子公司单机容量为 8Mvar的 SVG装置也 顺利 投入 使用 。 目前，我国普遍采用的无功 补偿装置是并联电容器 、 晶闸管控制电抗器 (TCR)集中式无功功率补偿器的软件设计 3 和 晶闸管投切电容器 (TSC)。 199
17、4 年，为了 适应无功补偿技术新的发展趋势，电力部 将 研制大容量 SVG列为重点科研攻关项目 。 1999年 3月 ， 河南电力局 和清华大学 FATCS 研究所 共同 研制的用于 220kV 电网的 20Mar SVG 在河南电网成功投入 使用 。 很快， 国家电力公司电力自动化研究院 研发的 2OOkvar SVG也 于 2001年 2月 正常 投入运行。在理论 水平 显著 提高的基础上 ， 加上 通过 之前诸多 研究 所 获得 的 实践经验， SVG的 应用规划仿真研究也 在各相关部门 相继展开。清华 大学 FACTS 研究 充分 所 利用 河南 20Mvar SVG的 研制经验，继续
18、 对 上海西郊变 电站 5OMvar SVG的关键技术 展开研究，以较快的速度研制成功，并于 2006 年 2 月 28 日在上海黄渡分区西郊变电站 进行 试运行。 此 5OMvar SVG装置在建模、主电路设计及参数 设定 、系统控制策略等方面 的研究上 取得 了 重大突破， 其 核心技术 更是 达到了国际 先进 水平 ，标志着我国无功补偿技术的进一步成熟。 目前生产制造 SVG 并市场化的厂家仅有少数家，厂家 大多通过 技术合作或技术引进的方式 ， 采用清华 大学 FACTS研究所的 SVG技术 。我国 生 产 SVG的 主要 厂家有：辽宁鞍山荣信，上海思源清能（四方清能），许继集团，南车
19、株洲时代，天津先导倍尔，山东新风光电子 和 山大华天等。目前 这些 厂家 对 SVG 的生产制造均处于小批量生产试制 及 推广阶段， 尚未 形成 一定的 规模化 及 产业化。但 可以肯定的说， 随着电力电子技术的进步发展和 SVG技术的改进 与 完善， SVG必将成为电 力 系统无功补偿装置的 重要组成部分 。 在国外， SVG 的 理论研究起步 较 早，目前已 进 入工业化应用阶段 ，而 SVG的工业化应用对 其 理论研究 又 起 到极 大的 推动 作用， 促进 新的理论研究成果不断 出现 。 与之相比， 我国在 SVG 方面 的 研究起步 相对 较晚，直到 20 世纪 90 年代以后， 才
20、有 一些高等院校和科研机构 陆续 开始研究 SVG。经过各方面的努力，理论和 实际 应用都 已 取得了 较 大 的进步。到 目前 为止， SVG的研究 依 然是 FACTS领域 中的 一个重要课题， 我国仍需在这方面投入大量的人才资源，进一步深入其研究以达到更高水平。 1.4 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容包括集中式无功功率补偿器 的总体方案 设计、 单片机接口电路 设计以及 部分主要程序的设计 。 总体方案 设计思路是， 通过检测三相电路中 B、 C相的电压与 A相的电流获得相位差来得到系统的功率因数，并通过 判断系统负载特性来确定电容投切状态。采用 12位并行 A/D转换器 MA
21、X197进行电压、电流的数据采集，用 单片机 AT89C52实现数据处理、输入输出控制以及电容投切控制等功能， 通过 8255并行接口芯片输出后，显示功率因数值和电容的投切状态。 集中式无功功率补偿器的软件设计 4 单片机接口电路主要包括单片机 AT89C52 与 A/D 转换器 MAX197 的接口电路、单片机 AT89C52 与并行接口芯片 8255的接口电路和单片机 AT89C52 与数据存储器芯片 6264的接口电路。用一片 74LS373 地址锁存器芯片及 74HC138 译码器来对 MAX197、两片 8255芯片和数据存储器芯片 6264进行线选。键盘与驱动结合用于控制电容组的投
22、切。两片 8255并行接口芯片分别接发光二极管和 7段数码管，分别用来显示电容投切状态和功率因数值。 软件设计是在总体设计与硬件设计的基础上，分析具体算法，确定地址分配。根据具体算法思路，列出详细的软件主程序流程图及各模块程序流程图。最终结合流程图，有选择性地编写主要模块的程序代码。 集中式无功功率补偿器的软件设计 5 2 集中式 无功功率补偿器总体设计概述 总体设计是整个设计的基础，有了总体的设计方案，才能进一步展开硬件与软件的设计。总体设计主要包括总体方案的设计、原理分析及 参数计算、算法说明及简化。 2.1 总体设计方案 集中式无功功率补偿器的系统框图如图 2-1所示。 图 2-1 系统
23、框图 电压互感器与电流互感器分别用于产生电压、电流信号；用 A/D 转换器将采集到的电压、电流模拟信号转换为数字信号输入到单片机；单片机从 A/D 转换器中读取转化后的数字量，根据算法对数据进行分析、计算及处理，并其输出到接口芯片，同时控制电容的投切；键盘输入投切信息，与驱动结合控制电容投切；接口芯片与 LED 指示灯、数码管等显示器件结合，显示电容投切状态及功率因数值。 2.2 原理分析与参数计算 2.2.1 相位差的测量与计算 本课题是针对三相电路进行研究的，检测 B、 C 相的电压与 A 相的电流，通过电压的相位来检测电流的相位，从而获得两者的相位差。 电压与电流的关系如图 2-2 所示。由图 2-2（ b）可知， -90 ，根据所测得 值的不同，系统负载特性及功率因数存在以下三种情况： 若 0 0 ， 功率因数为电压互感器电流互感器模数转换单片机AT 89 C 52接口芯片8255接口芯片8255电容投切显示功率因数显示显示驱动 电容组键盘外部数据存储器
