基于51单片机的无功功率补偿.docx

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基于51单片机的无功功率补偿

摘要

众所周知，在现在的电力系统中，由于低压电网中的电气设备多为感性负载,普遍存在功率因数低,电网线损大,电能质量差的情况,因此无功补偿得以广泛地应用。

但传统的检测与补偿装置体积大,精度低,投切方式不合理,易产生投切振荡,难以实现补偿的优化运行。

对于电力系统而言,无功功率的平衡不仅是维持电网正常运行的必需,同时也是电力系统经济运行的要求。

一般来讲,当电力系统正常运行时,如果不对电网的无功功率进行必要的补偿,电网将不得不提供大量的感性无功功率,这将导致电网电压损失的增大和线路损耗的增加。

从保证供电系统中无功功率的平衡以及经济运行的角度出发,一般要在电网中设置一些无功功率补偿装置进行无功补偿。

针对这种情况，本课题设计了一种全自动无功补偿装置。

此装置是在考察先前的手动或电磁式无功补偿装置的基础上由笔者自行设计的，主要采用AT89C52单片机作为微处理器实现全自动控制。

系统对电网电压和电流进行采样、计算，从而获得COS∮和有功功率。

本装置可实现功率因素从很低COS∮=0.95，且能保证功率因素变化时电容的自动投切，能实时显示出当前功率因素、电流和有功功率，并能实现手动和自动控制。

关键字：

无功补偿AT89C51单片机功率因素自动控制

Abstract

Asweallknow,Intheindustrialproductionprocess,Classificationandstatisticalworkofdifferentgoodsandcommoditiesinthepipelineisadauntingtask.Especiallyintheprocessofpackingshipmentofgoods.Intheeraofmanualprocessing.Itwillcostalotofmanpower.

Afullyautomaticreactivepowercompensationdevices.Thisdeviceisinthepreviousinspectionmanualorelectromagneticreactivepowercompensationdevicesbasedonself-designedbytheauthor,mainlyusingAT89C51single-chipmicroprocessorastherealizationofautomaticcontrol.Systemtothepowergridvoltageandcurrentsampling,computing,togainCOS∮andactive.ThedevicecanberealizedfromthepowerfactorCOS∮=0.6compensationtotheCOS∮=0.95,powerfactorandcanensurethatchangesintheautomaticswitchingtoreal-timeshowsthatthecurrentpowerfactor,currentandactive,andcanachievethemanualandautomaticcontrol.

Thesystemhardwarecircuitstructureissimple,includinglasersensormodule,shapingcircuitmodule,controlunitmodule,human-computerinteractionmodule,anddigitalcamerainterfacecircuitmodule.ThecontrolunitusesSTC89C52asthecorecontroller.Human-computerinteractionmoduleincludesaseparatekeyboardandLCD1602LCDdisplaycircuit.Throughthetestofthisdesignfullymeettherequirementsofthedesignrequirement.

Keywords:

Reactivepowercompensation;PowerFactor;Automaticcontrol;STC89C52

1引言

本章介绍了本研究课题的背景及意义，阐述了其发展状况。

对于当前电网中使用的无功补偿装置的常见方式，以及在无功补偿的原理进行了详细的了解。

目前市面上传统的无功补偿装置大多数是手动投切，体积大，精度低，不能合理的实现武功补偿，易产生震荡。

针对于现有装置的缺点，本文介绍的基于单片机的的无功检测与自动补偿装置克服了以上缺点，具有精度高，投切及时，对电网冲击小，投切及时，对电网冲击小，经济适用的优点。

在本章中还详细介绍了本课题的任务要求以及论文结构的安排。

1.1选题背景

近年来，随着我国国民经济GDP（国民生产总值）的不断增长，我国的电力工业也有了长足的发展。

同时电力网中的无功问题也已逐渐引起人们的广泛关注，这是由于随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛。

而大多数电力电子装置的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。

无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。

同时使功率因数偏低、系统电压下降。

无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。

供电系统常由于感性负载过重，造成感性无功过大，电能质量下降，功率因数过低。

为提高电能质量和功率因数，维护电力系统安全、稳定地运行，常需在低压侧装设无功补偿装置。

据报道，我国平均每年因为无功分量过大造成的线损高达15%左右，折算成线损电量约为1200亿千瓦时。

假设全国电力网负载总功率因数为0.85，采用无功补偿装置将功率因数从0.85提高到0.95时，则每年可以降低线损约240亿千瓦时。

近年来，随着电网负荷的增加，对无功功率的要求也与日俱增。

由于无功功率同有功功率一样，是保证电能质量不可分割的一部分。

所以在电力系统中需要进行无功功率补偿，这对电力系统安全、可靠运行有着很重要的意义。

电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的，因此，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。

不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。

显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。

早期的无功补偿装置为同步调相机和并联电容器。

同步调相机可理解为专门用来产生无功功率的同步电机，可根据需要控制同步电机的励磁，使其工作在过励磁或欠励磁的状态下，从而发出大小不同的容性或感性无功功率，因此同步调相机可对系统无功进行动态补偿。

但是它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，成本高，且响应速度慢，难以满足快速动态补偿的要求。

并联电容器简单经济，灵活方便，但其阻抗固定，不能跟踪负荷无功需求的变化即不能实现对无功功率的动态补偿。

随着技术的发展，近几年出现很多很多的无功补偿的相关技术。

电力电子广泛应用与无功补偿领域内，电力电子器件向快速、高电压、大功率发展，使用电力电子器件与无功补偿领域中，使人们意识到电力电子器件的重要性，它可以很大程度上避免传统无功补偿装置的各种缺陷，利于动作慢，不精确的局面，也为电网的无功补偿提供了很大发展空间，使无功补偿空前发展，想快速，精确的方向发展。

随着电力电子器件快速的发展，无功补偿控制器在也在某种意义上体现了不同的发展阶段。

无功补偿控制器己由基于SCR的静止无功补偿器（StaticVarCompensator-SVC）、晶闸管控制串联电容补偿器（ThyristorControlledSeriesCompensator-TCSC）发展到基于GTO的静止无功发生器（StaticVarGenerator-SVG）、静止同步串联补偿器（StaticSynchoronousSeriesCompensator-SSSC）。

针对以上背景，以及现有产品的一些缺陷，本文提出一种新型简单的技术方案以实现基于51单片机无功功率补偿装置，以51单片机为主控芯片，控制继电器组控制补偿电容的大小，然后通过功率因数检测电路，电压电流检测模数转换电路，液晶显示电路，键盘控制电路，数据储存电路构成的补偿装置，实现电网的功率因数补偿，这种补偿具有简单，灵活，不容易引起电网的震荡。

1.2本文主要任务要求

本文所做的工作是：

针对当前的电网无功功率补偿装置要求，设计了基于51单片机的无功功率因数补偿装置。

在分析系统设计要求后，本设计采用电压电流互感器构成的功率因数检测电路以及电压电流检测模数转换电路以及用继电器构成的电容补偿组电路。

本系统的硬件设计内容包括：

功率因数检测电路，电容自动投切电路，模数转换电路，控制电路单元和人机交互单元的设计六个部分。

其中控制系统采用STC89C52作为核心控制器。

软件系统包括人机交互界面设计以及功率因数检测，电容投切等设计三大部分程序设计。

最后，通过系统仿真测试系统的使用性。

本设计的详细任务要求是：

1）了解51单片机的特点，使用方法以及相关应用系统开发技术；

2）掌握无功补偿装置的工作原理；

3）设计出基于单片机的无功功率补偿电路，设计出装置的总体方案；

4）该电路能实现对电路的功率因数检测，控制电容组投切功能；

5）该电路能实现对电路的电压电流测量，测量数据存储功能

6）该电路要求有友好的人机交互界面，能方便显示当前电路的电压电流值，以及当前的无功功率因数值，以及需要补偿电容值和实际补偿电容值。

7）完成该电路的系统仿真已验证所设计产品是否满足以上要求。

1.3设计内容和论文结构安排

1）通过任务要求分析，本文主要完成如下几个设计内容：

A设计出基于电压电流互感器的功率因数测量电路；

B设计出信号调理电路以及AD转换电路；

C设计出电容组投切控制电路以及控制电路；

D设计出人机交互电路；

E设计出满足整个任务要求的系统的软件开发；

F设计出基于PROTUSE的控制系统仿真电路。

2）论文结构安排如下：

第一部分，介绍本设计的背景，分析无功功率补偿装置电路背景及实用意义，同时阐明本文的机构安排。

第二部分，分析基于单片机无功功率补偿的原理，并对所用控制器芯片进行介绍。

第三部分，完成整个系统的硬件电路设计。

第四部分，完成系统的软件系统设计。

第五部分，完成本设计的系统调试，并分析解决调试中遇到的问题。

最后，对文章进行了总结与展望

2系统方案总体设计

2.1系统需求分析

根据任务书要求：

本文要设计出一套基于单片机的无功功率补偿电路和电压电流测量电路，数据存储电路以及人及交互电路。

并完成对系统电路的仿真。

该系统的技术指标为：

1）该电路能实现电网电压电流测量；

2）该电路能实现无功功率因数检测，电容组自动投切功能；

3）该电路要求有友好的人机交互界面，能方便显示当前电路的电压电流值，以及当前