1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 集中式无功功率补偿器的设计 软件设计 1 选题的背景、意义 在电力系统中，电网传输功率分有功功率和无功功率 。 电网的自然平均功率因数在 0.70 0.85 之间 。 企业消耗无功功率占总的无功功率的 60% 70%，约占有功功率的 60% 90%，若把功率因数提高到 0.95 左右，则无功消耗只占有功消耗的 30%左右 。 由于减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益 。 功率因数低带来的影响： （ 1）电源设备得不到充分利用 一般交流电源设备都是根据额定电压和额定电流来进行设计、制造和使用的。根据它能提供给负载的有功功率 P=UIcos 可知若功率因
2、数低，则电源供给负载的有功功率也低，这样电源设备的潜力得不到充分利用。 （ 2）增大电力电网中输电线路损耗和线路压降 当输电线输送功率一定时，线路中电流与功率因数成反比，当功率因数降低时，电流增大，输电线上的功率损耗为 Pl=I2Rl（ Rl为线路电阻），线路压降 Ul=IRl。由此可知，设备的功率因数低，必然要在输电线路中流过更大的电流，一方面使得供电系统中的电气元件，如变压 器、电气设备等容量增大，从而使工厂内部的启动控制设备、测量仪表等规格尺寸增大，增大了初投资费用。另一方面使输电线路上有功功率损耗增大，从而引起用电设备两端的电压下降，这可能会严重影响用电设备的正常运行，尤其在用电高峰，
3、功率因数过低，会出现大面积地区的电压偏低，势必将造成很大损失。 （ 3）使发电机转子温度升高，发电机达不到预期出力 对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，使发电机转子的去磁效应增加，电压降低，过度增大励磁电流，从而使转子绕组的温升超过允许范围，为保证转子绕组的正常工作，发电机就不能达到预定的 出力。 提高功率因数的意义 : (1) 提高功率因数可以使发电机尽量多出有功功率 ， 最大程度利用发电机的容量 ， 充分利用电力系统内各发电变电设备的容量 ， 增加其输电能力 。 (2) 提高功率因数可以使电力系统的各种设备得到充分利用 ， 并可提高企业用电设备的利用率和工作效率 ， 充分发挥企业的设
4、备潜能 ， 为企业本身节约电能 ， 降低生产成本 ， 减少电费支出 。 (3) 提高功率因数可以降低输电线路的功率损失和电压损失 ， 提高电网输电效率 ， 降低电压波动 ， 有效改善和提高用电质量 ， 从而保证设备的运行条件使其可以正常稳定工作 。 2 相关研 究的最新成果及动态 新型的智能化无功功率补偿方式正在逐步发展起来 ,研究的热点包括 :无涌流电容投切器、静止无功发生器、电力有源滤波器、综合潮流控制器等。这里主要介绍无涌流电容投切器和静止无功发生器。 2.1 无涌流电容投切器 无涌流电容投切器是一种采用智能控制策略的无功补偿装置。无涌流电容投切器的基本工作原理是将大功率双向可控硅与磁保
5、持继电器并联作为电容投切开关。投入时在电压过零瞬间控制可控硅先导通 ,稳定后再将磁保持继电器吸合导通；切除时是先将磁保持继电器断开 ,可控硅延时过零断开 ,从而实现电流过零切除。实现电 压过零导通和电流过零断开 ,使电容投切器在接通和断开的瞬间具有可控硅开关无涌流的优点 ,而在正常接通期间又具有物理开关无功耗的优点。因而投切电容时无涌流 ,运行时不发热 ,分断时不产生高压 ,无火花 ,故障率低 ,克服了采用固态继电器和复合开关投切电容器的不足。 采用单片机控制投切 ,同时智能监控可控硅、磁保持继电器以及输入电源和负载的运行状况 ,由它完成无功功率的测量及分析 ,进而控制无触点开关的投切 ,同时
6、还可完成过压、欠压保护和功率因数等参数的存贮和显示。因此 ,与断路器操作的电容器装置相比 ,尽管单台无触点开关的造价比交流接 触器高 ,但该装置特点 :(1)无涌流 ,允许频繁操作； (2)跟踪响应时间快 ,动态跟踪时间 0.02 2s(可调 )； (3)采用编码循环方式投切电容器 ,可均匀使用电容器 ,从而延长整个装置的使用寿命； (4)具有过压保护、缺相保护及谐波分量超限保护等多种保护功能。(5)由于采用了磁保持继电器 ,控制装置只在投切动作瞬间耗电 ,平时不耗电；且由于磁保持继电器的接触电阻小 ,因而不发热 ,这样就不用外加散热片或风扇 ,降低了成本。真正达到了节能降耗的目的。无涌流电容
7、投切技术因为诸多的优点 ,正成为低压供电系统无功功率补偿领域的重要途径之 一。 2.2 静止无功发生器 静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置，电容器、电抗器、调相机是对电力系统静态无功电力的补偿，而静止补偿器主要是对电力系统中的动态冲击负荷的补偿。根据负荷变动情况，静止补偿可以迅速改变所输出无功功率的性质或保持母线电压恒定。 静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用。电容器可发出无功功率，可控电抗器可吸收无功功率。其控制系统由可控的电子器件来实现，响应速度远远高于调相机，一般只有 20ms。它主要用于冲击负荷如大型电炉炼钢、大型轧机以及大型整 流设备等。另外，在电力系统的
8、电压枢纽点、支撑点也可以用静止补偿器来提高系统的稳定性，同时，静止补偿器还可以抑制谐波对电力系统的危害。在我国湖南、湖北、广东、河南等多个 500kV枢纽变电站都采用了这种装置。 在装了静止补偿装置后，供电质量显著改善，电压波动很小，完全在允许范围内，谐波干扰明显降低。在周围广大用户普遍受益的同时，该厂也降低了线损，减少了电费支出，提高了产品的产量和质量，获得了良好的经济效益。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 3.1 课题研究内容 1.补偿 器的总体方案 按电力系统要求功率因数补偿应达到使功率因数大于 0.95。采用单片机控制需考虑包括电流电压检测电
9、路、输出驱动控制电路、显示电路、键盘输入及其电路等 。 2.单片机 及 接口电路 主要显示电路接口电路、键盘输入接口电路、输出驱动接口电路。 3.部分主要程序的设计 完成系统程序设计、部分模块设计，软件设计是设计重点。 3.2 拟采取的研究方法（技术路线） 3.2.1 集中式功率补偿 本次设计拟采用集中式的功率补偿方法。集中补偿指把静电电容器组集中安装在总降压变电所二次侧或变配电所的一或二次侧 。 在实际中会将电容器接在变电所的高压或低压母线上 ， 电容器组的容量按配电所的总无功负荷来选择 。 3.2.2 AT89C52 单片机 AT89C52单片机主要性能参数： 与 MCS-51产品指令和引
10、脚完全兼容 8K字节可编程 /擦写 Flash闪速存储器 1000次擦写周期 全静态操作： 0Hz 24MHz 三级加密程序存储器 256 8字节内部 RAM 32个可编程 I/O口线 3个 16位定时 /计数器 8个中断源 可编程串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 3.2.3 功率因数的计算 在交流输电线路中， 由于负载特性的影响，电路中相电压，相电流之间存在相位差，其角度大小取决于负载所呈现的感性或容性的程度。若以 表示相位差，则： = 22a rc c o s ()LCRR X X (1) 式中： R为负载电阻； XL为负载电抗； XC为负载容抗。 负载中消耗的有 功功率为 P：
11、 35( ) ( )22c o s sin( ) ( )2 2 3 ! 5 !xxx x x (2) 由 （ 1） 式可得： p=UI cos (3) 如图 1 所示，表示有功功率、无功功率和及视在功率之间的关系。 SPQ图 1 功率三角形图 式（ 3）中： U、 I分别为电力线路中母线上的相电压和相电流的有效值，若令 S=UI，称 S为视在功率（其中包括有功功率和无功功率），则 (3)写作： p=Scos 即 cos =pS 若用 Q 表示补偿电容的容量，则 Q=P K；其中 P 为有功功率；K=tan 1-tan 2； 1 为改善前的功率因数角； 2为改善后的功率因数角。 3.2.4 显示
12、和投切子程序 先确定某相为控制对象，然后从线路上采集所需要的数据，单片机通过对数据进行的分析后确定其功率因数。接 下来判断该相的功率因数是否大于 0.95如果大于 0.95不进行补偿，如果小于 0.95再进行补偿。 3.3 研究难点 （ 1）从总体上把握整个系统的设计思想， 扩充设计所需的专业知识，为设计做好知识储备。 （ 2）硬件设计时，应当充分考虑环境的影响，采取一定的抗干扰措施，抑制干扰产生或在干扰产生后进行有效地滤波等。 （ 3）软件设计时，必须清楚了解功率补偿的各个环节，并相应地进行程序设计。要保证数据采集的准确性，计算的正确性，并能清楚地显示数据。 3.4 预期达到的目标 根据设计
13、要求，用单片机实现对电容组的投切，用以 调整功率因数，使电力系统的功率因数大于 0.95，这就是本次设计要实现的预期目标。 4 研究工作详细进度和安排 2010.12.1 2011.1.10 外文翻译、文献综述 2010.2.25 2010.3.14 完成开题报告 2010.3.15 2010.4.15 完成方案设计、完成主电路的设计 2010.4.16 2010.5.20 完成控制电路的设计、完成总体合成 2010.5.20 2010.5.26 总结、撰写论文、准备毕业答辩 2010.5.27 2010.5.29 毕业答辩 5 参考文献 1N Celanovic, D Voroyevich.
14、 A comprehensive study of neutral- point voltage balancing problem in three-level neutral-point-clamped voltage source PWM inverters.IEEE Trans.Power.Electron,2000,vo.l 15, no.2:242-249. 2Ramasamy Natarajan（美） .Power System Capacitors， Taylor&Francis Group.LLC, 2005. 3陈国发 .单片机功率因数补偿控制器 J.电力电子技术， 199
15、0， 1： 23-25. 4程启明 .8098 单片机控制的功率因数自动补偿器 J.电工技术杂志， 1996，32(2)： 23-26. 5薄新全 .人工补偿无功功率方法探讨 J.煤矿机械， 2000，（ 12）： 26-27. 6王守权，张薇 .单片机控制功率因数自动补偿器 N.长春邮电学院学报， 1998，16(3)： 18-22. 7 姚孟君 .基于 MATLAB 仿真的无功补偿电容器投切控制研究 J.煤矿机电，2003. 8王兆安 .谐波抑制和无功功率补偿 M.北京 .机械工业出版社， 1998. 9罗安 .电网谐波治理和无功补偿技术及装备 J.中国电力出版社 ,2006,(1). 1
16、0冯冰艳 .提高功率因数的意义和方法 J.煤炭技术 ,2009,28(11):34-35. 11潘磊 .无功补偿的意义 J.中国新技术新产品 ,2009,23:162-163. 12王鹏涛 .探讨功率因数及功率因数的 提高 M. 科技信息 ,2010,9:511、 484. 13张建军 .浅谈如何提高功率因数和减少无功功率 M.科技情报开发与经济 ,2005,15(10):273-275. 14蔡夏 ,邢骏 .电网功率因数的提高方法和意义 M.信息化研究 ,2010,36（ 7）：10-13. 15孙宇 .单片机智能无功补偿仪的设计 M. 自动化与仪表 ,2002(2)： 13-15. 16陈玉燕 ,范国伟 ,刘一帆 ,曹治敏 .基于单片机控制的智能动态无功补偿装置设计 M.安徽工业大学学报 (自然科学版 ),2005,22（ 1） ： 53-55、 67. 17刘志壮 .用 89C51 对电力系统的功率因数进行实时控制 N.零陵学院学报，2003， 24(2)： 58-60. 18邱昌军 .单片机在功率因数监控系统中的应用 M.煤炭技术 ,2009,28（ 7） ：31-32.
