低压无功补偿控制器的设计.docx

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低压无功补偿控制器的设计

中工

信商

2013-JX16-

本科毕业论文（设计）

低压无功补偿控制器的设计

系（部）

信息工程系

专业

自动化

学号

201207022141

学生姓名

崔民正

指导教师

贺焕林

提交日期

2014年月日

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。

系统采用单片机，该单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS8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，是一款比较实用的A/D转换装置。

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，低电压

Designoflowvoltagereactivepowercompensationcontroller

Abstract

Whatthisarticlestudiesisbasedonthealterationofreactivepowercompensationoflowvoltage,thendesignanequipmentforreactivepowercompensationoflowvoltage.Asakindofreactivepowercompensation,thisequipmentisbasisontheelectricalnetworkmonitordata,andprovidesreactivepowerforcity’slowvoltagepowergrids.Thisthesishasdiscussedtheimportanceofthereactivepowercompensationforthepowergrids,andintrodudedthehardwareandsoftwareofthecontroller.

Thisdevice'shardwarecoreisAT89C51SCM,whichhasmanymeritssuchashighoperatingspeed.ThismonolithicintegratedcircuitisthelowvoltagewhichAmericanATMELCorporationproduces,ahighperformanceCMOS8monolithicintegratedcircuits;Onthesoftware，Usingassemblylanguagetocompile，Followtheprincipleofmodular，Toimprovethedegreeofversatilityandeasymaintenanceofthesystemdesign;Theman-machineoperationcontactsurfaceusestheLCDdemonstration,thedemonstrationeffectisquitegood;A/DtransformationusesADC0809,itisasectionofquitepracticalA/Dswitchingdevice.Thisequipmentmaytracktheelectricalnetworkreactivepowerthechangeandtheautomaticcompensation,andthisinstallmenthasthevolumetobesmall,theprecisionishigh,thepricecomparedtothehighermerit.

KeyWords:

ReactivepowercompensationSCM（SingleChipMicyoco）Lowvoltage

第一章

1．1研究背景

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。

在这种情况下，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。

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，采用无功功率补偿后，把电力网总负荷的功率因数提高到，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,提高到，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,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，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，延缓用户的增容改造等作用。

1．2无功补偿装置的发展状况

近20年来，世界各地（包括美国、法国、意大利、英国、俄罗斯、日本等国）发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了各国的高度重视。

持续了短短72 小时的8.14 美加大停电给美国造成了巨大的经济损失和社会影响，这次事故提醒人们，电网运行要有足够的无功备用容量，无功不能靠远距离传输，在电力市场环境下，必须制定统一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安全性的角度提供充足的无功备用。

在我国也曾多次发生电压崩溃事故，如1993 年和1996 年南方电网的几次事故，这些事故都促使人们采取各种措施以维持电网稳定。

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。

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锲机。

无功补偿技术和电力电子技术的结合主要有以下三方面：

1．是作为投切电容器的开关。

因为电力半导体开关的响应时间短（PS级），所以能够选择电容的投切角度，实现零电压投切，避免了涌流的产生，提高了电容器使用的可靠性和电力系统的稳定性。

现代并联电容器补偿装置中的输出回路就引进了该项技术。

2．是作为无功输出的调节开关。

由于电力电子器件的高开关频率，使其能够方便地控制电容器电流的导通角，从而实现无功的连续调节，快速跟踪负载无功的变化。

静止型无功补偿器是其中的代表。

3．是引入电力电子变流技术，将变流器作为无功电源来调节无功的输入和输出，起到补偿负载无功的作用。

经常用的是静止调相机和有源滤波器。

由无功补偿源在主电路回路中连接方式的不同，无功补偿器可分为并联型和串联型两种结构。

依据电力电子技术在无功补偿中应用的方式不同，现代无功补偿装置大致可分为以下几种类型：

1．TSC（ThyristorSwitchedCpacitor）型无功补偿装置，它属于并联型无功补偿装置。

主回路如图1-1所示，是由多台电力电容器并联以及由可控硅构成的执行机构组成。

装置根据无功电流的大小来决定投入电容组数。

由此可见TSC的无功调节是有级的，它无法连续的输出无功，这使其在使用中存在合理选择电容，适当分级的问题。

但它的优点也明显，即结构简单，控制方便，电容器利用率高，使用中不存在谐波污染等。

图1-1TSC型无功补偿装置主回路

2．FC-TCR（Fixedcapacitor-ThyristorControlledReactor）型无功补偿装置，它属于并联型无功补偿装置。

其主回路如图1-2所示。

FC-TCR方式是用双相可控硅的相位控制，调整电抗器的电流，从而调整无功功率的方式。

当以电压零相位为基准时，调节TCR中的可控硅的延迟角。

可以从到范围内变化。

补偿器的电流，此电流可随角的变化而变化为感性或容性，这样就改变了FC-TCR的无功功率，并可连续均匀的调节。

由于TCR中除可控硅全导通或关断之外器电流都是非正弦的，所以它是一个电流谐波源，对电网有一定的危害。

该装置在电容和电感之间形成无功损耗，电容利用率低并且电抗器体积较大，成本高。

图1-2FC-TCR型无功补偿器的主回路

3．静止调相机ASVC（AdvantageStaticVarCompensator）,属于串联型补偿器。

它由于输出电压可超前或滞后系统电压，因此可以和系统进行有功、无功之间的交换。

它可以连续调节无功，并且能够抑制谐波，补偿特性较好。

但该系统存在结构复杂，控制难度大，制造和维护都不便，成本高等问题，不便在全国推广使用。

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。

文中对这种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。

第二章无功补偿的原理

电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工做的。

磁场所具有的磁场能是由电源供给的。

电动