毕业设计（论文）-无功功率补偿控制器的设计.docVIP

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计无功功率补偿控制器设计 the design of reactive power conmpensation学生姓名：学 号：200841914114年级专业及班级：2008级机械设计制造及其自动化（1）班指导老师及职称：学 部：理工学部湖南长沙提交日期：2012年5月湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日目 录 摘要1关键词11 前言12 系统功能说明2 2.1 功能特点 2 2.2 技术参数 33 系统硬件框图4 4 系统各模块工作原理与实现方法5 4.1 系统的供电5 4.2 按键扫描电路6 4.3 电流和电压相位差检测电路6 4.4 电流和电压的a/d转换电路9 4.5 八段数码管和led指示灯电路11 4.6 十路电力电容驱动电路12 4.7 eeprom的驱动电路155 软件设计与代码分析16 5.1 初始化、欠流判断和开机按键扫描程序16 5.2 检测电力电容容量程序18 5.3 检测功率因数程序19 5.4 参数设置程序226 结论25参考文献 25致谢26附录26附录126附录236无功功率补偿控制器的设计学 生： 指导老师： 摘 要：今年来，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，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通和家庭中的应用日益广泛。根据这种情况，设计出一种能在低压侧装设无功补偿的装置通过提高电能质量和功率因数，从而维护电力系统安全、稳定地运行。本系统能提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。关键词：无功功率补偿；过压；功率因数；供电效率the design of reactive power compensationstudent: yang yitutor: liu xu-hong(oriental science & technology college of hunan agricultural university,changsha 410128) abstract: in recent years,as chinese nationl gdp (gross domestic product) is growing,chinese prower industry has also been considerable development.while the reactive power grid problems have gradually attracted peoples attention, various power electronics devices in electric power systems,industrial,transportation and the family is used widely.according to this , a low-pressure side in the installation of reactive compensation devices is designed by improving the power quality and power factor,so as to maintain power system security and stable aperation. the system can not noly improve the electricity supply system and load power factor,but also reduce equipment capacity and power loss.it can receiving end and the stability of the grid voltage and improve the quality of power supply .key words: reactive power compensation; overvoltage;power factor;power efficiency1 前言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。随着电力电子技术的发展，近几年出现了多种电力系统无功补偿新技术。电力电子技术是无功补偿技术的基础，电力电子器件向快速、高电压、大功率发展，是采用电力电子器件的无功补偿从根本上改变了交流输电网过去基本只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制的局面，从而为交流输电网提供了空前快速、连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力。 系统功能说明无功补偿的功能方框如图所示。. 功能特点(1)以无功功率为控制物理量，控制精度高，且无投切震荡。(2)控制参数全数字操作，使用方便，一步到位，停电数据不丢失。(3)数码显示电网功率因数、电压、电流（二次侧）和控制参数。(4)具有手动运行和自动运行两种工作方式，方便用户的安装调试。(5)具有过压判断显示并快速切除电容器组的功能，防止电容器组在过电压条件下运行。(6)具有欠流判断显示并禁止投入电容。(7)电流取样信号的输入电阻小于.5 可直接从计量回路中取出。(8)输出路数110路。电力电容组1电力电容组10 图1 无功功率的功能方框图 fig 1 functional block diagram of reactive power compensationay图17 检测功率因数程序流程图fig 17 power factor testing program flow chartn图 16 检测电力电容容量程序流程图fig16 electric capacitance detection flowchartyc2.2 技能参数2.2.1 基本参数额定电压：ac380/ac220v10额定电流：ac05a额定频率：50hz5%2.2.2 控制参数目标预置：0.70 0.99；步长0.01投切延时：1255s过压保护：240v,用户可以自行设定欠流禁止启动：200ma,用户可以自行设定3 系统硬件框图控制器采用高价比的pic16f73单片机为基本硬件，由于充分利用了计算机的高速运算力和逻辑判断力，使得本系列控制器真正做到了智能化。采用3个8段数码管作为数据显示，用来显示电压、电流、功率因数等；采用8个发光二极管（led）指示8段数码管显示的数据的具体含义和系统运行的状态；分别指示：cos 、滞后、超前、延时、超压、欠流、手动、自动。采用10个led指示10路电力电容的投切状况。点亮为投入，熄灭为切除。采用24c01作为系统的数据掉电存储器。系统硬件方框如图2所示。 pic16f738段数码管和led显示10路电力电容投切 按键输入 u 、ia/d 电流和电压的相角检测 eeprom 图 2 硬件方框图 fig 2 hardware block diagram4 系统各模块工作原理与实现方法4.1 系统的供电系统需要+5v 和+12v两组直流电源。从外部引进的一路220vj交流电压经过变压器tf3变换成ac9v电压，桥整bridge1整流成+12v10的直流电压，稳压块7805将12v稳压到+5v输出，供mcu等需要+5v的器件使用。系统的供电电源原理图如图3所示。+5v在原理图中标注为vcc。从外部引进的另一路220v交流电压经过变压器tf4变换成ac9v电压，桥整bridge2整流成+12v10的直流电压，经过电解电容c7滤波后输出，供继电器等需要+12v的器件使用，+12v在原理图中标注为vdd。tf3trans24139v/acbridge1220v/acc4104c5104c3470uf/25vc61000uf/16vvin1gnd2vout3u27805vcc+5v 图3a 系统的供电电源原理图fig 3a schematic power supply system图3b 系统的供电电源原理图fig 3b schematic power supply system4.2 按键扫描电路该系统中有3个按键，分别是：（1）功能键（altkey）,接到mcu的rc5；（2）加键（addkey）,接到mcu的rc4；（3）减键（subkey）,接到mcu的rc3；如果功能键被按下，系统就进入参数设置和手动投切，用户可以使用功能键来切换要设置的参数类型，使用加键或减键对相应的参数值进行修改，每一个参数类型都有相应的led指示灯与之对应，在设置该参数时，相应的led点亮，以便提示用户在修改何种类型参数，例如设置欠流时，欠流指示灯就点亮。当手动指示灯点亮时，就可以对10路电力电容进行手动投入或切除操作，按加键可以从第1路依次投入10路电力电容；按减键可以从第1路依次切除10路电力电容。按键扫描电路原理如图4所示。图4 按键扫描电路原理图 fig 4 key scan circuit diagram4.3 电流和电压相位差检测电路当电流和电压的波形一致，即电流和电压的相位差为零时，此时的功率因数最高，无功功率为零。当电流和电压的波形不一致时，存在两种情况：一种是电流的波形在电压的波形之前到达，这种情况称为电流超前于电压；另一种是电流的波形在电压波形之后到达，这种情况称为电流滞后于电压。电压与电流的相位差的余弦称为功率因数。相位差检测电路就是要检测到电流和电压的相位差，并且要检测电流是超前还是滞后。只要检测到这两个数据即可控制电力电容的投入或切除。根据检测的相位差余弦表来求得当前的功率因数，再根据当前功率因数与设定的功率因数比较，如果当前的功率因数大于设定的功率因数，并且为滞后或者功率因数等于1.00，则不进行投入，如果为超前，则切除电力电容；如果当前的功率因数小于设定的功率因数，则进行电容补偿容量的判断是否投入电容来提高功率因数，减小无功功率。电流和电压的相位差检测电路原理图如图5所示。图5a 电流和电压的相位差检测电路原理图fig 5a plase current and voltage detection circuit schematic图5b 电流和电压的相位差检测电路原理图 fig 5b phase current and voltage detection circuit schematic从图5中可以看到，电压不波形的采样是采用一个变压器tf1，tf1把交流220v电压变换成12v的交流电压，经过r27限流以及d4和d5的嵌位送到lm393的第6脚负输入端。lm393的第5脚正输入端接地。需要注意的是，此时 lm393是一个电压比较器。因为 lm393的第5脚正输入端接地，所以它是一个过零比较器，当电压波形过零时， lm393的第7脚输出端电平反转。 lm393的第7脚输出端接到mcu的rao，此时只需检测到mcu的rao由高到低跳变即可检测到电压的过零信号。图6 过零比较器的输入输出波形图fig 6 zero-crossing comparator input and output waveformstu/i 0 0t相位差i0tu0t图7 电流滞后电压的波形图fig 7 current lags the voltage waveform u 0 i 0 t t相位差图8 电流超前电压的波形图 fig 8 current leads the voltage waveform电流的波形的采样通过一个电流互感器把0到5a的交流信号变换成0到50ma的交流小信号，再经过r19限流以及d2和d3的嵌位送过lm393的第2脚负输入端。lm393 的第3脚正输入端接地。lm393在这里是一个电压比较器，因为 lm393的第3脚正输入端接地，即它是一个过零比较器，当电流波形过零时， lm393的第1脚输出端电平反转。lm393的第1脚输出端到mcu的ra1，只要检测到mcu的rai由高到低跳变就可以检测到电压的过零信号。过零比较器的输入输出波形图如图6所示。当检测到电压波形由高到低调变即过零时，启动定时器t1，并检测电流的波形。如果电流的波形为高，则说明电流滞后欲电压；如果电流波形为低，则说明电流超前欲电压。等到电流的波形过零调变时，停止定时器t1。定时器t1的值就代表了电流与电压的相位的差的时间值，把时间值通过公式转换成角度值，查表得到功率因数。时间值转换角度值的公式为:=（t1250090）=(t19250) ,其中t1为相位差的时间值，为相位差的角度值，2500为90对应的时间值（定时器每2s加1）.电流滞后电压的波形图如图1-7所示。电流超前电压的波形图如图8所示。4.4 电流和电压的a/d转换电路电流和电压的a/d转换电路原理图如图9所示。 图9a 电流和电压的a/d转换电路原理图 fig 9a current and voltage of the a/d converter circuit diagram图9b 电流和电压的a/d转换电路原理图 fig 9b current and voltage of the a/d converter circuit diagram由于pic16f73本身带有5路8位的a/d转换电路，能满足系统的要求，所以此时不需要外扩a/d转换电路。电流互感器把0到5a的交流信号变换成0到50ma的小信号，此处r21是假负载，0.05a100=5v。经过d1的整流，c20和c21的滤波，以及r20和r22的分压后，再送到mcu的a/d转换通道2进行电流值的a/d转换。电压变压器把交流220v变成为交流9v的小信号电压，经过bridgei的桥整，c23的滤波，以及r25和r24的分压后，再送到mcu的a/d转换通道3进行电压值的a/d转换。4.5 八段数码管和led指示灯电路图10 八段数码管和led指示灯的驱动电路原理图 fig 10 ba duan and led indicator led driver circuit diagram系统的显示部分采用3个八段共阳数码管来显示系统的功率因数等各种数据，8个led指示数码管显示内容的类型和系统和运行状态，另外，还有10个led指示十路电力电容的投切情况。八段数码管采用3片74ls164来静态驱动，这样可以节约i/o口，只需要两个i/o口即可实现数据的显示。8个led灯也采用一片74ls164来驱动，把8个led的负端依次接到74ls16的qa到qh，然后把8个led灯的正端连接到一起并接+5v，这样就相当于一个共阳的八段数码管。八段数码管和led指示灯的驱动电路原理图如图10所示。46 十路电力电容驱动电路图11 十路电力电容驱动电路原理图 fig 11 ten road power capacitor drive circuit schematic图 12 十路继电器的电路原理图（前五路） fig 12 ten relay circuit schematic diagram(front rd)图 13 十路继电器的电路原理图（后五路） fig 13 ten relay circuit schematic diagram(after rd)十路电力电容通过交流接触器与三线电压母线相连，其原理图如图11所示。交流接触器的线圈由12v继电器的常开触点控制，继电器的线圈由mcu的i/o口经过光耦tlp521隔离后送2003驱动来控制。十路电力电容的驱动电路原理图如图11所示。十路继电器电路前（后）五路原理图如图12（13）所示。 由图11可见，mcu的rb7rb0分别控制前八路，rc7控制第九路，rc6控制第十路。举例说明：例如要投入第一路，mcu把rb7变为低电平，vcc通过r6限流后送到光耦u7tlp521的输入端的正端，光耦输入端的负端经过led9接到mcu的rb7，由于rb7变为低电平，所以光耦得电导通，vdd通过光耦的输出端送到u11ds2003的输入端1b，u11ds2003的输出端1c变为低，继电器j1的线圈得电，常开触点闭合，接触器线圈得电，接触器的常开触点闭合，电力电容便接入到线路中。同时led9点亮，指示第一路电力电容投入到线路中。切除的工作流程与投入的相反。图12中的c9、r9和图13中的c14、r14等是放电回路。当接触器线圈失电时，提供放电回路，消除火花。4.7 eeprom的驱动电路图14 eeprom的驱动电路原理图 fig 14 eeprom driver circuit diagram该系统采用一块24c01b作为系统的后备存储器，系统重要参数设置完成后保存到24c01b中，掉电后数据不会丢失。当下次系统重新上电后读出相应的参数，从而保证了系统的数据安全。eeprom的驱动电路原理图如图14所示。5 软件设计与代码分析程序设计采用模块化设计，主程序根据按下键的种类跳转相应的按键处理入口并进行相应的处理。若没有使用中断，则a/d转换采用查询的方法来实现。 当开机按下加键 （addkey）时，进行电容补偿容量的测试，测试完成后转到功率因数检测程序入口。当按下功能键时，进行参数设置，设置完成后，保存数据，然后转main循环入口复位，最终转到功率因数检测入口。这样，其实就是一个大循环，依次执行每一个操作。程序大部分时间是在运行功率因数检测循环中，只有在按键按下时才转按键处理，处理完成后又开始功率因数检测循环。下面参程序中的主要代码进行分析。5.1 初始化、欠流判断和开机按键扫描程序初始化、欠流判断和开机按键扫描程序的流程图如图15所示。该程序主要完成以下功能：(1) i/o口初始化，设置i/o口的输入、输出方向，a/d转换相关寄存器初始化等。(2)定时器1初始化。(3)内部ram初始化。(4)读eeprom的数据到内部ram .(5)功能键（altkey）扫描。(6)欠流判断。(7)如果加键按下转检测电容补偿容量，否则转主程序即转功率因数检测 关中断 i/o口初始化定时器1初始化内部ram初始化led显示 “999”读预设定的参数到相应的ram 功能键按下？显示功率因素 、过压值等数据当前电流大于最小启动电流加键按下？读取参数显示欠流y转参数设置入口转功率因素检测入口转检测电力电容容量入口ynn start0入口图15 初始化、欠流判断和开机按键扫描程序流程图fig15 initialization,under current and power key scan to determiane flow chart开始5.2 检测电力电容容量程序检测电力电容容量程序的流程图如图16所示。检测电力电容容量程序主要完成以下功能：(1) 检测电力电容补偿无功功率的值。(2) 把10路的电力电容容量送eeprom保存。是第一次？ 切除所有的电容 计算无功电流保存到相应的eeprom中投入第一路电容计算与第一次无功电流的差值保存10路的电容补偿容量到相应eeprom中显示功率因数显示过压值显示延时值 显示最小启动电流值检测电力电容容量入转功率因数检测入口图 16 检测电力电容容量程序流程图fig 16 electric capacitance detection flowchart5.3 检测功率因数程序（主程序）检测功率因数程序的流程图如图17所示。检测功率因数程序是该系统软件的主循环程序即主程序。其主要实现以下功能：(1) 电流和电容的相位差的检测。(2) 电流滞后或超前于电压的检测。(3) 计算功率因数。(4) 电流滞后于电压时，根据功率因数和电力电容容量判断是否投入。(5) 电流超前于电压时，切除电容。(6) 电压过压检测，如果电压过压，则切除电容；封锁系统，直到电压小于等于过压值为止。(7) 电流欠流检测，如果电流欠流，则切除电容；封锁系统，直到电流大于欠流值。(8) 功能键（altkey）检测，如果功能键按下，转参数设置，否则转功率因数检测。电压波形由高到低跳变？启动定时器1等待电流的小型为高电流与电压角度差小于90电流的波形为高？电流的波形为低？电流与电压角度差小于90设置滞后标志计算设置超前标志当前电压超过过压值？设置超前标志设置滞后标志功率因数检测入口nyynnyyyyn当前电流大于最小启动电流？根据电容补偿容量投入电容功能alt按键按下滞后标志为1？超前标志为1切除 电容容错处理两次的功率因数差度大于5？本次的功率因数大于上次的功率？转参数设置入口转功率因数检测入口续图n转start0入口ynyynynyn图17 检测功率因数程序流程图fig 17 power factor testing program flow chartyn5.4 参数设置程序参数设置程序的流程图如图18所示。该程序完成以下主要功能：(1) 在参数设置时扫描3个按键。(2) 根据功能键按下次数的不同，进行相应参数的设置。(3) 功能键数值等于0，设置目标功率因数值。(4) 功能键数值等于1，设置过压值。(5) 功能键数值等于2，设置欠流值。(6) 功能键数值等于3，设置延时值。(7) 功能键数值等于4，按下加键，手动投入电力电容；按下减键，手动切除电力电容。(8) 功能键数值等于5，保存设定数据后，退后参数设置。点亮cos led 指示灯 调用按键扫描 修改 cosalt功能键按下下次数为1？alt功能键按下下次数为2？点亮欠流led指示调用按键扫描修改欠流值alt功能键按下下次数为3？修改欠流值调用按键扫描修改超压值调用按键扫描点亮欠流led指示灯点亮超压led 指示灯参数设置入口ynnyyalt功能键按下次数为4？手动切除 手动投入 手动led指示灯点亮 调用按键扫描 手动投入电容将设定值保存到eeprom中手动led指示灯点亮调用按键扫描手动切除电容续图nynynn转到main入口图18 参数设置程序流程图fig 18 parameter setting process flow chart6 结论由于性价比较高，目前我国广泛使用的还是静止补偿（svc）。其中，能够进行无功功率的基于智能控制策略的tsc仍然需要大力推广。实际上，国内外对svc的研究仍在继续，研究的重点集中在控制策略上，试图借助于人工智能提高svc的性能。随着大功率电力电子器件技术的高速发展，未来的功率器件容量将逐步提高，应用有源滤波器进行谐波抑制，以及应该柔性交流输电系统技术进行无功功率补偿，必将成为今后电力自动化系统的发展方向。参考文献1 budeanu c i. puissances et ficitives. bucharest, roman is：inst. romain de 1energie,1927（3）：2322522高晶晶,赵玉林.电网无功补偿技术现状及发展趋势.东北农业大学学报.2004,35(5)：6396443查丛梅,杨兆华,秦忆.现代无功功率补偿技术发展研究.河南科学.2001 (3)：2892924何大愚.柔性交流输电系统概念研究的新进展.电网技术.1997(2)：9145bis warupdas.suitable configuration of asvc for power transmission application.electric power systems research.1999,49（6）：6006576姜齐荣,王强,韩英铎.新型静止无功发生器（asvg）装置的建模及控制.清华大学学报（自然科学版）,1997(7)：21257白恺,李隆平.asvg几种典型回路结构的谐波分析及比较，清华大学学报（自然科学版）,1997(7)：30348姜强,刘强.新型静止无功发生器装置的建模及控制.清华大学学报（自然科学版），1998(7)：26299钱可，李常青.电力系统微机保护算法综合性能研究.电力自动化设备，2005,25(5) 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0fhticon equ 10haltkey equ 5; rcaddkey equ 4; rcsubkey equ 3; rcdissck equ 2; rcdissda equ 1; rcyilu equ 0; rcerlu equ 1;rbsanlu equ 2;rbsilu equ 3;rbwulu equ 4;rbliulu equ 5;rb qilu equ 6;rb balu equ 7;rb jiulu equ 7;rc shilu equ 6;rc ctrlrelay1 equ 0;rb ctrlrelay2 equ 1;rb ctrlrelay3 equ 2;rb ctrlrelay4 equ 3;rb ctrlrelay5 equ 4;rb ctrlrelay6 equ 5;rb ctrlrelay7 equ 6;rb ctrlrelay8 equ 7;rb ctrlrelay9 equ 7;rc ctrlrelay9 equ 6;rc uw equ 0;ra iw equ 1;raun equ 2；rain equ 3；raeepronsda equ 4；raeepronscl equ 5；raeepronwp equ 0；rcsdain equ ox01sadout equ oxfeflago equ ox20firbit equ 0zhibit equ 1chbit equ 2keybit equ 3stoubit equ 4sqiebit equ 5 toubit equ 6decbit equ 7flag1 equ ox21yibit equ 0erbit equ 1sanbit equ 2sibit equ 3wubit equ 4liubit equ 5qibit equ 6babit equ 7falg2 equ ox22jiubit equ 0shibit equ 1altbit equ 2ad