无功补偿控制器设计研究Word文件下载.docx
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一绪论
一.1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。
一.2课题研究的目的和意义
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。
一.3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、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（StaticVarCompensatory）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荷功率因数的目的。
因此，该方法一提出就受到了普遍关注。
一.4国内外研究现状及趋势
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、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。
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。
一.5本文研究的主要内容
第一章绪论
对本文的研究背景和无功补偿技术的发展进行概述，并提出了本文的主要研究内容和各章的安排。
第二章无功补偿原理
对无功补偿原理进行分析的同时，也对无功补偿器带来的降损节能和经济效益等问题展开讨论。
第三章无功补偿控制器的硬件设计
对此无功补偿控制装置的硬件系统进行较详尽的解析
第四章控制器的软件设计
对控制器的几个主要功能模块进行分析，并作出程序流程图。
第五章结论
对全文的总结以及展望
二
无功功率补偿原理
电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工作的，磁场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。
接在电流电网中的电容器，在一个周期中上半周的充电功率和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，他存储于电感和电容只能感，通过电力网往返于电源饿电感，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。
二.1无功功率补偿原理
将电容器和电感并联在同一个电路中，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，能量在它们之间相互转换，即感性负荷所吸收的无功功率，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，调相机，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2.1来解释
设电感性负荷许要从电源吸收的无功功率为Q，装设无功补偿装置后，补偿的无功功率为Qe，使电源输出的无功功率减少为Q`=Q-Qe，功率因数由cosΦ提高到cosΦ`，视在功率S减少到S`。
图2.1无功补偿原理示意图
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，降低公用电设备的投资。
例如一台1000千伏安的变压器，当符合的功率因数为0.7时，可供700千瓦的有功负荷，当负荷的功率因数为0.9时，可供900千瓦的有功功率符合。
同一台变压器，因为负荷的功率因数的提供可供200千瓦负荷，是相当可观的。
（2-1）
可见，因采用无功补偿措施后，电源输送的无功功率减少了，相应的使电力网和变压器损耗下降，从而提高了供电效率。
由电压损耗计算公式：
（2-2）
可知，采用无功补偿措施后，因通过电力网功率的减少，减低了电力网中的电压损耗，提高了用户处的电压质量。
并联电容器的无功补偿作用和原理，也可以由图2.2加以说明。
图2.2并联电容器的补偿电流向量图
图中的用电负荷总电流I可以分解为有功电流分量ip和无功电流分量iq（电感性的）。
当并联电容器投入运行时，流入的容性电流为ic与iq的方向相反，故可抵消一部分iq，使电感性电流分量iq减少为iq’=iq-ic，总电流由由i减低为i’，功率因数也由
cosΦ提高到cosΦ’。
这时，负荷所需要的无功功率全部由补偿电容供给，电网只需要供给有功功率。
二.2低压网络的无功补偿控制的几种实用方法
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，通常采用的方式有三种：
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。
随机补偿的优点是：
用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停止运行时，补偿装置也退出，不需要频繁的调整补偿容量。
具有投资少，配置灵活，维护简单等优点。
为防止电机推出是产生自激过电压，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发方式。
有很多的低压配电网中的变压器，尤其是农网配电变压器，普遍存在于负荷轻的现象。
在负荷接近空载时，配电变压器的空载无功是电网无功负荷的在主要部分。
随器补偿由于是在低压侧进行补偿，可有效地补偿配电变压器空载无功，且连线简单，做到无功功率的就地补偿
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0.4v母线上的补偿方式。
补偿电容器组的固定连接组可起到相当于随器补偿的作用，补偿用户的固定无功负荷；
可投电容器组用于补偿无功负荷部分。
由于用户负荷有一定的波动性，故推荐选用自动投切方式，此法对电容器的保护比前俩种更可靠。
上述三种补偿控制方式均可对特定种类无功负荷实现“就地平衡”的无功补偿，降低损节能效果好。
二.3确定无功补偿器容量的一般方法
1．从功率因数的需要确定补偿容量
如果电力网最大负荷平均有功功率为
，补偿前的功率因数为cosΦ，补偿后的功率因数为cosΦ’，则补偿容量可用下述公式计算：
（2-3）
或写成
式中Qc—所需补偿容量
Qpj—最大负荷平均无功功率
Ppj—最大负荷平均有功功率
cosΦ应采用最大负荷平均功率因数，cosΦ’确定必须适当。
通常将功率因数从0.9提高到1所需要的补偿容量，与将功率因数从0.72提高到0.9所需要的补偿容量相当。
因此，在高功率因数下进行补偿其效益将显著下降。
这是因为在功率因数下，
cosΦ曲线的上升率变小，因此，提高功率因数所需要的补偿容量将要响应的增加。
2．从提高运行电压需要来确定补偿容量
在配电线路的末端，运行电压较低，特别在重负载，细导线的线路。
加装补偿电容后，可以提高运行电压，这就产生了按提高电压的要求，选择多大的补偿电容是合理的问题。
此外，在网络电压正常的线路中，装设补偿电容时，网络电压的压升不能越限，为了满足这一约束条件，也必须求出补偿容量Qc和网络电压增量之间的关系。
在装设补偿电容以前，网络电压可用下述表达式计算
（2-4）
装设补偿电容后，电源电压U1不变，变电所母线电压U2升到U2`，且
所以
式中U2`——投入电容后母线的电压值（KV）
ΔU——投入电容后母线电压的增量。
三相所需要总电容
（2-5）
此时的电压和电压的增量是针对线电压而言，而单相补偿容量的表达式是针对相电压而言。
二.4电网参数的测量
电压，电流有效值的测量
在电网中，由于负荷的影响，电流I的波形可能含有高次谐波而发生畸变，此时电流的有效值难于由最大值和平均值测取。
电压，电流有效值的定义为：
（2-6）
根据此得到由一周期内的采样值计算电压，电流有效值的公式为：
（2-7）
式中N为每周期T的采样点数，且N=1+T/ΔT，ΔT为采样时间间隔。
三无功补偿控制器的硬件设计
在一系列的理论分析后，以下将对本次课题的重点：
以8098单片机为核心的无功补偿控制器的硬件设计进行阐述。
依据国家对无功补偿装置的规定和当前无功补偿技术的发展状况，在研制无功补偿控制器时，采用改进型的并联电容器型无功补偿装置。
其系统框图如图3.1
图3.1系统框图
本章将把整个装置分成三部分来描述：
检测电路，显示电路，主控制电路,并相应的介绍一些重要元件（互感器，电容和CPU）。
三.1无功自动补偿控制器的技术
1）控制方式：
采用电气自动控制方式；
2）工作方式：
动态跟踪，逻辑判断，自动及时补偿容量；
3）控制物理量：
以无功功率和电网电压综合控制电容器的投切；
4）补偿方式：
采用8级电容对三相同时补偿；
5）过电压保护功能：
当电网电压高于一定值时，自动切除全部电容器。
6）谐波保护功能：
串联电抗器，用以消除谐波。
7）失灵保护：
控制电路中装有自动和手动切换开关，以解决控制失灵情况
现场参数的调整和显示：
显示电网电压，电流，功率因数，电容器的投切状态（数码管显示）。
三.2互感器
1．电压互感器
测量高压线路的电压，如果用电压表直接测量，不仅对工作人员很不安全，而且仪表的绝缘需要大大的加强，这样会给仪表的制造带来困难。
故需要用一定电压比的电压互感器将高压变成低压。
互感器必须考虑误差问题。
因为电压互感器内部总存在励磁阻抗和漏抗这些参数，从而造成了电压比误差和相位误差。
按照电压比的误差的相对值，电压互感器的精度可分为0.5,1.0,3.0等三级。
本次设计采用的电压互感器为SPT204型，额定输出电压为-20~20V。
2．电流互感器
测量高压线路的电流，或测量大电流不宜将仪表直接接入电路，而用一台有一定的电压比的升压变压器，即电流互感器将高压线路隔开。
电流互感器的一次侧额定电流的范围可为5~25000，而次侧的电流均为5A或1A。
电流互感器存在变流比和相位俩种误差。
这些误差也是由电流互感器本身的励磁电流和漏阻抗及仪表的阻抗等一些因数引起的，也是从设计和材料俩方面着眼去减小这些误差。
本次设计采用的电流互感器型号为LMZ1-0.66。
其技术参数为：
额定一次侧电流为150~400A；
额定二次侧电流为5A或1A。
；
额定电压0.66KV.
三.3CPU的选择
本系统的CPU选择8098单片机。
8098是MCS-96系列一种很实用的单片微型计算机。
目前，在我过市场较为流行。
。
由于它有很高的性价比和良好的工业应用特性，越来越受到广大微机用户的重视。
8098单片机作为本设计的核心组成元件，对该系统的可靠性，稳定性等各项性能都起着非常重要的作用。
8098单片机主要由以下个部分组成：
1）中央处理单元CPU
2）地址寄存器单元
3）特殊功能寄存器地址译码器
4）存储器控制器MCR和程序计数器SPC
5）端口3（P3）端口4（P4）
6）定时器单元
7）高速输入/输出通道（HSI0-HSI3）
8）中断控制单元
9）串行接口单元
10）10）D/A转换单元
11）端口0（P0）和端口2（P2）
12）多路转换器
13）A/D转换单元
14）时钟发生器
上述14个单元都有明确分工，但它们又是一个有机的整体。
在时钟的指挥下，8098单片机既能对数字/模拟信号进行处理，又可以和外部世界交换信息。
8098单片机是位准16为单片机，与MCS-51系列的单片机相比而言，其优点是：
高效的指令系统：
8098可进行高速算术运算，16位加法只需1us就可完成。
16位乘法和32位对16为的除法也只不过用6.25us。
这是MCS-51无法与之相比的。
自带4通道10位A/D转换器，当晶振为12MHz时，A/D转换时间为22us。
可编程高速输入机构HIS，可用内部定时器为时钟来控制记录外部时间发生的信号，一共可记录8个事件。
三.4电压和电流检测电路
检测电路主要检测电网的电压，电流，相位差，并将其值送入8098单片机，以用来进行下一不的计算。
1．电流检测电路
如图3.2所示，输入电流i是由电流互感器检测得到的。
电流i经过I/V变换，变化成为电压信号。
由于8098单片机对输入的电压信号有一定的范围要求（0~5V）所以要将通过I/V变换得
图3.2电流检测电路
来的电压信号进行调理。
假定电流i经过I/V变换后得到的电压为-10~10V，因此，调理规则如下：
ui=-10V时，Uo=0V
ui=0V时，Uo=2.5V
ui=10V时，Uo=5V
并计算各电阻值：
①当ui=0时，u+=u-=0若要使得输出电压uo=2.5V,
令（R5+R61`）/（R6+R62`）=5/6
R61`和R62`分别是电位器R6`的俩侧电阻值。
则R6`滑头电压为-10V。
再者：
（2.5-u-）/R3=（u-+10）/R4
得到R3/R4=1/4。
所以可令：
R6=1K，R5=8K，R6`=3K（滑头处于1/3的位置）
R3=1K，R4=4K。
②当ui=10V时，uo=5V。
则有：
（uo-u-）/R3=（u-+10）/R4。
得到u-=u+=2V。
因此（R2+R22`）/（R1+R2+R2`）=1/5。
③当ui=-10V时，uo=0
得到u-=u+=-2V。
结论与②相符。
因此可令：
R1=6K，R2=1K，R2`=3K（滑头处于1/3处）。
在本次设计中电流互感器的额定输出电流为1A，所以R0=10。
因此电流信号经过I/V变换，和电压调理电路后，就变成了0~5V的电压信号，满足了8098单片机的要求
2．电压检测电路
如图3.3所示，电压互感器输出电压为ui经过差动放大器放大后得到-10~10的电压，和电流检测电路一样，经过电压调理电路后得到0~5V的电压，再输入到8098的模拟量输入口。
图3.3电压检测电路
R12=6K，R14=1K，R13=3K（滑头处于1/3位置）
R15=1K，R16=4K，R18=3K（滑头处于1/3位置）
R17=8K，R19=1K。
电压互感器使用SPT204型，额定输出电压为-20~20V。
所以在差动放大器中，则可令R9=4K，R11=2K，R10=4K。
电流和电压信号在处理的前后波形图下3.4所示。
图3.4电流和电压的波形图
电流和电压信号经过A/D转换后，输入单片机8098的模拟输入口。
3．A/D转换器
8098单片机内部的A/D转换器有三部分组成：
多路转换器，采样保持器和10位ADC，其结构图如图3.5。
图3.5A/D转换器结构图
（1）多路转换器
8098芯片的引脚ACH7/P0.7~ACH4/P0.4可以同时引如四个不同的模拟量，而单片机内部只有一个保持器和一个10位ADC，它们在某一时刻只能接待一种模拟信号，为此，需要多路转换开关把关，因为多路转换开关具有“多中选一”的功能。
多路转换开关受A/D命令寄存器控制。
在8098单片机中，有俩个专用寄存器与A/D转换器的工作情况直接相关，它们是A/D命令寄存器（AD_COMMAND,8位，地址=02H）和A/D结果寄存器（AD_RESULT，16位，地址=02H，03H）。
AD_COMMAND的数据格式如图3.6。
在使用AD_COMMAND时应注意以下问题：
①向02H单元写入一条命令仅能进行一个通道的A/D转换，若需要多通道工作，必须分时多次写入命令。
但应该注意，当某次转换正在进行时，若启动另一次新的转换，将会使正在进行的转换被取消。
由于AD_COMMAND为双缓冲结构，当第一个命令启动的A/D转换正在进行时，第二个命令照样可以写入到该寄存器中，但此命令必须是由HSO所规定的时刻启动，保证上一次的转换结束后在开始转换过程。
②只要启动一次A/D转换，A/D结果寄存器便被清零。
鉴于此，存放于A/D结果寄存器中的某一次转换结果必须及时转移，不然，上一次结果未取走，后一次转换过程又开始，势必造成原来的结果无效。
图3.6A/D命令寄存器
AD_RESUL的数据格式如图3.7所示。
该寄存器不能按字而只能按字节分俩次读取。
通常，可以采用查询方式或中断方式来判断A/D转换是否已经结束，但是由于8098中的A/
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