配电网智能无功补偿系统设计-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院 电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 配电网智能无功补偿系统设计指 导 教 师 :2013 年 3 月 5 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述1.1 课题的研究背景及意义随着电力系统的发展和电力用户自动化水平的提高，对电网供电质量的要求也越来越高。而电力系统参数变化及波动性负荷会造成局部电网电压不稳及功率因数恶化，影响电能质量和降低电器设备的寿命，制约企业生产效率的提高，同时企业还可能因为电能质量未达标而承受线损及电力部门罚款等经济损失。低压电容补偿装置作为解决此类问题的一种设备应运而生。然而在电力系统中 60%以上是电动机等感性负载，它们在系统运行中会消耗大量的无功功率。在有功功率保持一定的前提下，线路功率因数越小，在线路上流过的电流就越大，导致在线路上的压降以及损耗就越大。在严重情况下，会导致用户端电压达不到规定值。在电动机附近以及线路的适当位置并联安装适当容量的电容器，可以减少无功功率的输送，从而达到降低线损、提高负载端电压的目的。当然，并联电容的容量是有限制的，并联电容器容量过大，导致线路功率因数负值时，就会出现补偿点向电源端传送无功，这是不允许的。因此，应用在低压配电网中能根据负载中无功功率的变化自动投切补偿电容器、准确实现无功功率补偿的装置具有十分迫切的需求 2。实现无功功率补偿，提高功率因数对电力系统运行有重要的意义。(1)减少发配电设备容量。无功功率的增加，导致电流的增大和视在功率的增加，从而使发电机、变压器、起动及控制设备和导线等电气设备容量增加。同时，电力用户的起动、控制设备及测量仪表的尺寸和规格也要加大。因此对配电网络进行无功功率补偿可以提高设备利用率，减少发配电设备容量。(2)减少供电设备及线路损耗。无功功率的增加，使总电流增大，因而使供电设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。(3)降低变压器及线路的电压降。变压器及线路的电压降增大，使供电网电压产生波动。在电网中，有功功率的波动一般对电网电压的影响较小，电网电压的波动主要是无功功率的波动引起的。如果是冲击性无功功率负载，还会使电网产生剧烈的波动，甚至发生事故。毕 业 设 计 开 题 报 告1.2 无功补偿发展与现状早期的无功补偿主要由调相机和电力电容器实现。调相机本质上为空载运行的同步电动机，它属于有源补偿器，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，可以控制它从电网中吸收无功功率或者是输出无功功率。并联电容器组的补偿方式结构简单，经济方便。早期的并联电容器的补偿方式，由于技术的原因，不能动态地跟踪负荷无功功率的变化，不能实现对无功功率的动态补偿。电容器的投切主要是由人工手动完成的，电容器的投切实时性差，不能及时检测电网的运行状态，跟踪电网无功负荷的变化，无法平滑的对电网进行无功功率的补偿，使得电网的无功波动较大，甚至还有可能造成涌流，不能保证功率因数和电压质量在规定的范围内。随着计算机技术与电力电子技术的发展以及各学科的交叉影响，新型的电力电子器件在无功补偿领域的使用，无功补偿技术也得到了新的发展。现今所指的无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下二大类型:一类是具有饱和电抗器的无功补偿装置(Saturated Reactor,SR);第二类是晶闸管控制电抗器(Thyristor Control Reactor,TCR);第三类是晶闸管投切电容器(Thyristor Switch Capacitor,TSC)3。上述所举装置的综合统称为 SVC(Static Var Compensatory)，由十其技术比较成熟，在实际电力系统中得到了广泛应用。目前，在世界范围内，以 TCR和 TSC 为代表的静止无功补偿装置 SVC 已经占据了动态无功补偿领域的重要地位。SVC 虽然能对系统无功进行有效的补偿，但是由于换流元件没有断流能力，使其容易对电网产生较多的谐波电流，而且对电网电压波动的调节能力不够理想。随着大功率全控型晶闸管 GTO 及 IGB T 的出现，以此为基础的 STATCOM 也成为研究的热点。两者都是并联在电网中，起无功支撑的作用，但从性能上讲，STATCOM 要优于SVC。STATCOM 与 SVC 相比具有以下一些突出的优势，SVC 是由无源器件(电感，电容)产生无功功率，当 SVC 运行于电压调节范围以外时，输出电流与电压成比例，即电压降低时，输出无功电流(补偿容量)也小，这点是不希望的，也是 SVC 特性不如同步调相机(输出电流与电压无关)的最重要之处。而 STATCOM_是有源结构，由 GTO 逆变器和直流电容构成，通过控制 GTO 的通断在三相之间实现能量交换，从而产生所需的无功电流。当电压降低时，STATCOM 仍然可以产生较大的电容性电流。而与电压无关。可控性能好，其电压幅值和相位可快速调节，典型值为几个毫秒。它的端电压对外部系统毕 业 设 计 开 题 报 告的运行条件和结构变化不敏感。因此，STATCOM 不仅可以得到较好的静一态稳定性能，而且可得到较好的大干扰故障下的暂态稳定性能。由于 STATCOM 中电容器容量较小，在电网内普遍使用也不会产生低频谐振。SVC 是由电容、电抗和晶闸管组成，而STATCOM 和其他 FACTS 设备相同，都采用大功率电力电子器件。前者是用传统材料组成，价格随时间推移上升，后者用的是正在迅速发展的新型半导体材料，价格随时间推移而下降。而过去几年 GTO 的价格以每年 10%递减，最近出现的 IGCT 和电子注入增强栅晶体管（Injection Enhanced Gate Transistor, IEGT)在价格上要比 GTO 便宜百分之几十，而性能和可靠性还优于 GTO，而且随着使用规模的扩大比起传统材料降价有更大的空间。尽管 STATCOM 装置性能优良，其与 SVC 装置相比还存在如下几个因素制约其大规模的应用。第一，由于高压大容量可关断器件的单管容量还比不上普通晶闸管的单管容量，因此 STATCOM 装置与 SVC 装置相比还较小。目前主要通过单相桥的串联或是并联，以及可关断器件的串并联来扩大容量，另外 STATCOM 采用的可关断器件多，保护系统复杂，控制和触发回路要求高，因此设计，安装、维护难度较大，这增加了 STATCOM 装置的复杂性和造价。第二，STATCOM 装置与 SVC 装置相比，单位容量造价一相对较高，在许多对无功功率补偿要求不是很高的场合，用户更愿意采用价格相对较低的 SVC 装置。配电网先进无功补偿装置及其协调运行研究第三，由于线路频率变压器的存在，给 STATCOM 增加了损耗、造价以及在控制上的复杂性，而 SVC 则不存在这方面问题。其次，SVC 装置应用时间较长，已经非常成熟，因此用户对 SVC 装置认可度更高。以上儿个因素决定了，今后一段时间内负荷补偿依然是以 SVC 装置为主。毕 业 设 计 开 题 报 告参考文献：1 方向晖中低压配电网规划与设计基础M 北京：中国水利水电出版社，2004：56892 刘黎明，刘涤尘，史进智能式动态无功补偿装置的研究J电力情报，1998，22(3)：4589.3 南余荣，李刚，鲁聪达基于单片机的复合开关及其在低压无功补偿中的应用J现代电子技术 2004，28(15)：1567.4 吴启富，王主丁配电网无功综合优化的补偿模型及其应用J四川电力技术, 1994：1061105 刘凤君市电电能质量补偿技术M 北京：科学出版社，2005：691116 胡秀娟浅议低压电网无功补偿的几种方法J电力与能源2007 年 35 期7 梅丽凤，王艳秋单片机原理及接口技术M北京：清华大学出版社，2004：551028 刘焕平，韩树新ADC0809 和 AT89C51 的一种接口方法J石家庄师范专 科学校学报2002-69 丁毓山单片机与无功补偿M南京：南京大学出版社，2006：8612110 康华光，陈大钦电子技术基础M 高等教育出版社，2004：101511 彭沛夫，张桂芳微机控制技术与实验指导M北京：清华大学出版社.，2005：152 15712 胡汉才单片机原理及其接口技术M 清华大学出版社，2004：15515913 Kundur，TomPower system stability and controlMNew York, USAMcGraw-Hill, 1994：12424114冯志宏.低压无功功率补偿控制器的研制.浙江电力，2001(4): 59-6115尹辉燕.无功补偿自动控制器的研究:山东科技大学硕士学位论文.山东:山东科毕 业 设 计 开 题 报 告技大学，2004: 20-6916 Motorola,Inc. 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M68HC12B Family TechnicalData, Rev4,2002.4,p1-32毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1 课题研究所需解决的问题针对 380/22V 低压网，采用分散自动无功补偿方式，设计以单片机为核心的单点智能无功优化控制器，包括控制器硬件结构设计，控制软件设计。1，利用投切电容器组将功率因数可控制到 0.950.98。2，用多组并联电容器组的不同组合实现无极投切的效果。3，利用无源低通滤波器实现电流高次谐波抑制。4，熟悉并掌握基于 Proteus 等仿真工具的使用方法，熟悉电动机仿真的基本模块。5，解决采集电流电压和功率因数等模拟量与数字量之间的转换问题。2.2 解决课题的研究手段2.2.1 硬件结构硬件电路采用模块化设计，大致可分为:测量模块、存储模块、投切控制模块和电源模块等。主控芯片采用 AT89C51，控制整个系统的运行，这种芯片包含有与计量芯片相连接的 SPI 总线和与铁电存储器连接的 IIC 总线，测量模块包括图电压互感器、电流互感器，其主要功能是采集线路电压与线路电流，数据经过单片机处理后控制晶闸管的开通与关断。投切控制模块采用驱动模块结合并联电容器组，通过通断率控制实现电容器组的无级投切，控制器系统的电源取自配电变压器低压侧线路，经变压、整流、稳压后给整个系统提供电源。2.2.2 系统软件结构系统软件设计既要有各种计算程序设计，还要结合具体的硬件电路进行各种输入输出程序设计。软件设计必须在硬件、软件功能划分的基础上进行。 在单片机自动装置的开发中，模块化结构设计的编程思想是最流行的，既可满足快速、灵活、可靠的设计要求，又便于自动装置的维护和软件升级。在程序结构安排上，采用了“主程序+中断”的结构，软件系统包括主程序模块、电容器投切中断模块，开入和开出中断模块。仿真在 Proteus 下进行。在软件的编程语言的选择上，由于考虑到程序的可移植性我们考虑 C 语言和汇编语言，极大的提高了单片机的开发效率。毕 业 设 计 开 题 报 告2.2.3 设计中的模块的实现。控制器采用 AT89C51 单片机为主控芯片，采集用 ADC0809，准确测量并计算出电网的电压、电流、无功功率等电参数，实现故障判断和无功功率自动补偿，并可以实时将电网数据传送至上位机，实现远程监控。通过对无功补偿原理及补偿方式等相关知识的学习及深入了解，并阅读了电力系统对电力仪表的性能要求及相关要求，从多方面初步制定了上述这套低压无功补偿控制器方案。(1)在系统分析无功功率补偿原理的基础上，利用并联电容器组的不同组合投切实现无级投切的效果。(2)综合考虑通讯、计量等方面的要求，选用一款有 SPI 口、1IC 总线、多个通讯口的 AT89C51 主控芯片，以满足控制器的需要。(3)结合系统的控制要求，并从成本上考虑，要选用 C 语言或汇编语言。(4)考虑到电力仪表应用环境的特殊性，对控制器的抗干扰能力及性能要求在设计上要比较严格，加装低通滤波器。(5)在分析三相电能计量原理基础上，运用瞬时功率法实现三相电压电流和无功分量检测，用微积分法计算算出功率因数、无功功率等参数，并将这些参数信号转换成主控单元能接收的信号，传送给主控单元，由主控单元作出投切决策。主控单元接收到检测信号后，将其和设定值进行比较，并根据比较结果发出命令，送给执行单元。执行单元