低压自动无功补偿控制器Word文档格式.docx
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Reactivepowercompensation；
SCM；
Powerfactor；
Switchcapacitor
目录
引言3
第一章绪论4
1.1课题背景4
1.2当前国内外研究动态4
1.3本课题的主要研究内容5
1.4无功补偿的基本原理5
1.5几种无功补偿调压措施6
1.6低压电网中几种无功补偿的方式10
1.7无功补偿装置的选择11
1.7.1无功补偿控制器11
1.7.2滤波补偿系统12
1.7.3无功动态补偿装置工作原理与结构特点13
第二章控制器方案设计14
2.1设计要求14
2.2设计方案14
2.3设计重点与难点15
2.4主要部分电路及功能16
第三章芯片介绍17
3.1ATT702217
3.2ATmega1622
3.3LCD160225
第四章模块电路分析27
4.1电量信号采集电路27
4.2电量计算模块电路28
4.3AVR单片机处理电路30
4.4无功补偿模块电路31
4.5键盘模块电路32
4.6LCD液晶显示模块电路33
4.7控制器电源模块电路34
4.8硬件电路抗干扰设计35
第五章系统软件设计37
5.1系统功能要求37
5.2系统软件综述38
5.3软件显示模块39
5.4键盘模块40
5.5软件抗干扰设计41
第六章设计总结与展望43
具体的工作总结如下：
43
本装置的特点如下：
参考文献46
附录48
引言
近年来，随着电网的进一步完善，工农业生产用电规模不断扩大，用电量的日益增长和用电结构的变化，使得电力供需矛盾越来越突出无功补偿不仅能改善全国电网的功率因数和电压质量，而且可以使无功负荷就地平衡，提高全国电网的经济运行水平，同时降低电费支出，减轻工农业生产的负担，所以进行无功补偿是利国利民的好事，我们应努力攻克技术难关，真正让用户得到实惠确保补偿技术合理安全可靠，达到节约电能的目的。
本次系统的设计就是按照这个思路进行。
第一章绪论
1.1课题背景
目前，在国内的电力事业大力发展的时代背景下，我国的电网，特别是广大的低压电网，普遍的存在功率因数较低，电网线损较大的情况。
这不但使电网电能质量下降，而且造成了相当大的电能浪费。
功率因数较低，主要是产生大量无功功率。
无功功率的出现不仅导致发电机出力下降，降低了输配电设备效率，而且还增大了网损，严重影响供电质量。
在这种情况下，采用合理的无功补偿控制技术，对提高电网电能质量和挖掘电网潜力是十分必要并有着重大意义的。
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着不小差距。
因此大力推广无功补偿技术是十分必要的，并且从以下数据，我们也能看出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。
因此，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线损的80%。
如果采用无功功率补偿把功率因数cosφ=0.85提高到cosφ=0.95.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和设备主要是大容量电力电容器。
通过无功补偿设备提高电网功率因数可以节约大量的电能，实现节能环保的生产生活显示意义。
1.2当前国内外研究动态
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。
为了保证电力系统的正常运行，供电电压和频率必须在一定的范围之内。
频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压的控制的主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。
至今并联电容器还是一种主要的补偿方式，并且应用的领域相当广泛。
只是控制器的控制能力与精确度在不断的更新和发展。
同步补偿器的实质是同步电机。
当励磁电流发生改变的时候，电动机可以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很多优点，但是同步补偿器的投入成本过高，安装复杂，维护困难，使其推广使用受到了限制。
随着近代电力电子技术的出现和发展，无功补偿技术随之发展。
在第一个工业用的电力晶闸管出现以前，电子半导体器件由于功率过小，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一直没有得到运用和推广。
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，如电力电容器技术的蓬勃发展，同样给无功补偿技术的发展带来了新的契机。
1.3本课题的主要研究内容
供电系统通常由于感性负载过重，造成感性无功功率过大，电能质量下降，功率因数过低，为了达到提高电能质量和提高功率因数的目的，保证电力系统高效安全稳定的运行，常常需要在低压侧装设无功功率补偿装置。
本文主要的研究一下两方面内容：
一是无功功率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的一般问题进行分析，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中，对其控制器的硬件设计和软件设计进行较详细的分析。
1.4无功补偿的基本原理
将电容器与阻感性负荷并联是补偿无功功率的传统方法。
电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器释放能量，而电感释放能量时，电容器却在吸收能量。
能量就只在它们之间交换，即阻感性负荷（异步电动机、变压器等）所吸收的无功功率，可从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。
电网以及用电设备中大多数为阻感性负载，可用电阻R和电感L的串联电路来等效。
设
（1.1）
式中：
切被定义为功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率尸占线路视在功率S的百分数。
在电力网运行中，我们希望功率因数越大越好，如果能做到
这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，可以减少无功功率的消耗。
将R、L串联电路并联电容C后，电路如图1.1a所示。
当开关断开，即没有并联电容器时，负载两端电压为U、功率因数为
切，、
电流为I、及无功功率为q。
其相量图如图1.1b所示。
当开关闭合，即投入适当电容时，整个电路的相量图如图1.1c所示。
图1.1功率因数原理图
1.5几种无功补偿调压措施
几种无功补偿调压措施
无功电源有发电机、调相机、并联电容器或并联电抗器（吸收无功），近年来出现了静止无功补偿装置SVC或称静止无功系统SVS，简称静补。
具体介绍几种常用的无功补偿调压措施:
（l）发电机除作为有功电源外，还供应一定的无功功率，所以可用它来进行调压。
发电机在系统低谷负荷运行时有可能要用进相运行调压，即欠励磁运行。
此时发电机向系统发出有功而吸收无功。
尤其是在节假日、午夜等低负荷情况下，由线路引起的剩余无功功率，就会使系统的电压上升，以致超过容许的范围。
实践证明，进相运行不需要额外增加设备投资，就可吸收无功功率，进行电压调整，但由于进相运行对系统的静态稳定和端部发热有不良影响，所以运行中对其限制较严，要求在具有自动励磁调节装置
时，可允许短时C口夕甲在0.95~I的进相范围内运行。
（2）调相机是一种专门设计的无功功率发电机。
确切的说，是一种不带机械负载的
可以过励磁（经常的运行状态）或欠励磁（较少的运行状态）运行的同步电机。
在系统电压偏低时，过励磁运行供给无功功率而将系统电压调高。
在系统电压偏高时，欠励磁运行吸收系统多余的无功而将电压调低。
一般，它与静电电容器一样设置在枢纽变电站，它比并联电容器有以下优点:
可双向、连续调节;
缺点是:
设备投资高;
起动、运行、维修复杂;
动态调节响应慢;
不适应太大或太小的补偿:
只能用于三相平衡的补偿:
增加系统短路容量等。
（3）并联电容补偿是目前应用最广泛的一种调压方式。
当系统无功不足时，补偿装
置要尽量装在无功负荷的中心，做到无功功率就地平衡。
通常小容量的、分散的、或用户的无功补偿采用并联电容器;
而大容量的、系统中枢点的无功补偿则采用调相机或兼用调相机和电容器。
电容器与调相机相比，其优点是:
投资省:
运行经济:
结构简单，维护方便:
容量可任意选择;
适用性强。
不能连续调节:
负荷的调节特性较差，这是由于当无功负荷增加，电容器的补偿容量Qc=。
’w。
，因电压下降而减小，故调压效果下降;
对系统中的高次谐波有放大现象，在谐波电流过大时，可能引起爆炸。
（4）并联电抗器调压主要用在超高压（330KV及以上）系统的线路上，将它并联
在线路末端或中间，吸收线路上的充电功率，以防止超高压系统长线路在空载充电或轻负荷时的末端电压升高。
（5）静补装置（SVC）
SVC工作原理
SVC技术是灵活交流输电（FACTS）技术之一，根据结构原理的不同，SVC技术又分为：
自饱和电抗器型（SSR－Self－saturableReactor）、晶闸管相控电抗器型（TCR－ThyristorControlledReactor）、晶闸管投切电容器型（TSC–ThyristorSwitchedCapcitor）、高阻抗变压器型（TCT）和励磁控制的电抗器型（AR）等。
随着大功率电力电子器件制造技术的发展，SVC从早期的SSR过渡到TCR/TSC方式，并成为SVC的主流实用技术。
国外TCR/TSC型的SVC装置从上世纪70年代投入商业运行以来，其装置集成技术、控制原理、设备制造技术已趋于成熟，是目前仍广泛使用的动态无功补偿设备。
静补装置是相对于调相机而言的一种利用电容器和各种类型的电抗器组成的无功补偿（提供可变动的容性和感性无功）装置，是70年代初期发展起来的新技术，它利用先进技术，不依靠断路器（或其它有触点开关）能平滑控制动态无功功率，限制无功向系统倒送，减少无功流动引起的损耗，稳定和平衡系统电压，消除流向系统的高次谐波电流，减少配电网对通信线的干扰都有独特的作用，但是投资很高。
因此采用此补偿方式必须考虑其投资与带来的经济效益。
目前国际上几个主要的产品型式有FC一TCR，另一种是TSC一TCR。
由于本装置的快速响应，所以将它接在配电网上用以抑制冲击负荷（如轧钢机、电弧炉、电焊机等）引起的电压闪变，具有独特的功能。
通过以上的比较，针对本设计用于电网末端的无功补偿，只向系统提供无功功率，属于就地补偿。
根据其特点，我们采用了并联电容器的补偿方式。
图1.2低压无功补偿控制器
图1.3投切电容器组
1.6低压电网中几种无功补偿的方式
低压无功补偿的目标是实现无功功率的就地平衡，通常采用的方式有三种：
随机补偿，随器补偿，跟踪补偿。
随机补偿就是讲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，用电设备停止运转时补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量。
且具有投资少，配置灵活，维修简单等特点。
为防止电机推出时产生过激电压，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，尤其是农村电网中的配电变压器，普遍存在负荷较轻的情况。
在符合接近空载的时候，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，可以有效的补偿变空载无功功率，还具有连线简易，做到就地进行无功补偿
1.7无功补偿装置的选择
选择哪一种补偿方式，还要依电网的状况而定，首先对所补偿的线路要有所了解，对于负荷较大且变化较快的工况，电焊机、电动机的线路采用动态补偿，节能效果明显。
对于负荷相对平稳的线路应采用静态补偿方式，也可使用动态补偿装置。
一般电焊工作时间均在几秒钟以上，电动机启动也在几秒钟以上，而动态补偿的响应时间在几十毫秒，按40毫秒考虑则从40毫秒到5秒钟之内是一个相对的稳态过程，动态补偿装置能完成这个过程。
1.7.1无功补偿控制器
无功功率补偿控制器有三种采样方式，功率因数型、无功功率型、无功电流型。
选择那一种物理控制方式实际上就是对无功功率补偿控制器的选择。
控制器是无功补偿装置的指挥系统，采样、运算、发出投切信号，参数设定、测量、元件保护等功能均由补偿控制器完成。
十几年来经历了由分立元件--集成线路--单片机--DSP芯片一个快速发展的过程，其功能也愈加完善。
就国内的总体状况，由于市场的需求量很大，生产厂家也愈来愈多，其性能及内在质量差异很大，很多产品名不符实，在选用时需认真对待。
在选用时需要注意的另一个问题就是国内生产的控制器其名称均为"
XXX无功功率补偿控制器"
，名称里出现的"
无功功率"
的含义不是这台控制器的采样物理量。
采样物理量取决于产品的型号，而不是产品的名称。
1.功率因数型控制器
功率因数用cosΦ表示，它表示有功功率在线路中所占的比例。
当cosΦ=1时，线路中没有无功损耗。
提高功率因数以减少无功损耗是这类控制器的最终目标。
这种控制方式也是很传统的方式，采样、控制也都较容易实现。
*"
延时"
整定，投切的延时时间，应在10s-120s范围内调节"
灵敏度"
整定，电流灵敏度，不大于0-2A。
*投入及切除门限整定，其功率因数应能在0.85（滞后）-0.95（超前）范围内整定。
*过压保护设量
*显示设置、循环投切等功能
这种采样方式在运行中既要保证线路系统稳定、无振荡现象出现，又要兼顾补偿效果，这是一对矛盾，只能在现场视具体情况将参数整定在较好的状态下工作。
即使调整的较好，也无法祢补这种方式本身的缺陷，尤其是在线路重负荷时。
举例说明：
设定投入门限；
cosΦ=0.95（滞后）此时线路重载荷，即使此时的无功损耗已很大，再投电容器组也不会出现过补偿，但cosΦ只要不小于0.95，控制器就不会再有补偿指令，也就不会有电容器组投入，所以这种控制方式建议不做为推荐的方式。
2.无功功率（无功电流）型控制器
无功功率（无功电流）型的控制器较完善的解决了功率因数型的缺陷。
一个设计良好的无功型控制器是智能化的，有很强的适应能力，能兼顾线路的稳定性及检测及补偿效果，并能对补偿装置进行完善的保护及检测，这类控制器一般都具有以下功能：
四象限操作、自动、手动切换、自识别各路电容器组的功率、根据负载自动调节切换时间、谐波过压报警及保护、线路谐振报警、过电压保护、线路低电流报警、电压、电流畸变率测量、显示电容器功率、显示cosΦ、U、I、S、P、Q及频率。
由以上功能就可以看出其控制功能的完备，由于是无功型的控制器，也就将补偿装置的效果发挥得淋漓尽致。
如线路在重负荷时，那怕cosΦ已达到0.99（滞后），只要再投一组电容器不发生过补，也还会再投入一组电容器，使补偿效果达到最佳的状态。
采用DSP芯片的控制器，运算速度大幅度提高，使得富里叶变换得到实现。
当然，不是所有的无功型控制器都有这么完备的功能。
国内的产品相对于国外的产品还存在一定的差距。
3.用于动态补偿的控制器
对于这种控制器要求就更高了，一般是与触发脉冲形成电路一并考虑的，要求控制器抗干扰能力强，运算速度快，更重要的是有很好的完成动态补偿功能。
由于这类控制器也都基于无功型，所以它具备静态无功型的特点。
目前，国内用于动态补偿的控制器，与国外同类产品相比有较大的差距，一是在动态响应时间上较慢，动态响应时间重复性不好；
二是补偿功率不能一步到位，冲击电流过大，系统特性容易漂移，维护成本高、造成设备整体投资费用高。
另外，相应的国家标准也尚未见到，这方面落后于发展。
1.7.2滤波补偿系统
由于现代半导体器件应用愈来愈普遍，功率也更大，但它的负面影响就是产生很大的非正弦电流。
使电网的谐波电压升高，畸变率增大，电网供电质量变坏。
如果供电线路上有较大的谐波电压，尤其5次以上，这些谐波将被补偿装置放大。
电容器组与线路串联谐振，使线路上的电压、电流畸变率增大，还有可能造成设备损坏，再这种情况下补偿装置是不可使用的。
最好的解决方法就是在电容器组串接电抗器来组成谐波滤波器。
滤波器的设计要使在工频情况下呈容性，以对线路进行无功补偿，对于谐波则为感性负载，以吸收部分谐波电流，改善线路的畸变率。
增加电抗器后，要考虑电容端电压升高的问题。
滤波补偿装置即补偿了无功损耗又改善了线路质量，虽然成本提高较多，但对于谐波成分较大的线路还是应尽量考虑采用，不能认为装置一时不出问题就认为没有问题存在。
很多情况下，采用五次、七次、十一次或高通滤波器可以在补偿无功功率的同时，对系统中的谐波进行消除。
1.7.3无功动态补偿装置工作原理与结构特点
一般无功动态补偿装置由控制器、晶闸管、并联电容器、电抗器、过零触发模块、放电保护器件等组成。
装置实时跟踪测量负荷的电压、电流、无功功率和功率因数，通过微机进行分析，计算出无功功率并与预先设定的数值进行比较，自动选择能达到最佳补偿效果的补偿容量并发出指令，由过零触发模块判断双向可控硅的导通时刻，实现快速、无冲击地投入并联电容器组。
第二章控制器方案设计
设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。
硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。
并且把这些元器件焊接在一块电路板上。
它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。
软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。
2.1设计要求
配电系统中负荷的无功功率变化较大，自然功率因数较低，需要合理控制无功功率以维持电压水平、降低线路损耗、提高线路输送能力。
在10kV变电站处进行无功补偿时一般采用低压补偿，采取自动补偿方式。
设计任务是根据低压配电系统的基本运行情况，设计一套功率因数控制装置，通过了解目前进行无功调节的主要技术手段及当前的技术应用和发展情况，学习和分析无功功率调节的主要原理和实现途径。
要求先提出一套10kV变电站的一次系统，并在此基础上选择无功补偿的容量、补偿方式、控制手段，设计控制器的结构、原理、功能、硬件电路及其软件，选择设计中的典型模块制作出具体的试验装置并进行演示。
具体要实现如下功能：
（1）通过方案比较选择适当的元器件，设计的功率因数控制器能实现功率因数实时测量和显示；
（2）选择适当的无功补偿方案（静电电容补偿或静止补偿器），计算所需的补偿容量，选择调节范围，设计调节策略，实现无功功率自动调节；
（3）设计无功补偿方案的系统图和控制电路原理图；
（4）设计实现无功自动调控的控制流程，使系统功率因数维持0.9左右。
2.2设计方案
在低压无功功率补偿控制器的设计中，主要分为几个单元：
1.检测单元2.主控单元3.执行单元
设计总体思路：
本次设计根据要求。
1，先采用电压互感器和电流互感器把一次侧的电压电流转化为二次侧的电信
2，2采用ATT7022电能计量芯片测量电网中的功率因素和电压电流。
3，把ATT7022测量出来的功率因数及电压电流值送入单片机
4，由单片机控制投切电容，判断其是否投切5投切电容并入电网，改善功率因数
2.3设计重点与难点
（1）根据先有的条件及实际情况选择合适的电能计量芯片对电网及负载的三相电进行电压，电流和功率因数的测量。
（2）通过较复杂的计算确定投切电容的大小，选择合适容量投切电容
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