基于AT89C52单片机控制的柔性低压无功功率补偿器的设计

第二章 功率因数补偿系统的设计概述2.1 功率因数的计算 在交流输电线路中，由于负载特性的影响，电路中相电压，相电流之间存在相位差，其角度大小取决于负载所呈现的感性或容性的程度。若以表示相位差，则：= (2-1) 式中：R为负载电阻； XL为负载电抗， XC为负载容抗。 负载中消耗的有功功率为P： (2-2)由(2-1) 式可得： p=UIco (2-3)如图2-1所示，表示有功功率、无功功率和及视在功率之间的关系。图 2-1 功率三角形图式（2-3）中：U,I分别为电力线路中母线上的相电压和相电流的有效值，若令S=UI,称S为视在功率（其中包括有功功率和无功功率），则(2-3)写作：p=Scos则：cos=若用Q表示补偿电容的容量，则Q=PK；其中P为有功功率；K=tan1-tan2； 1为改善前的功率因数角； 2为改善后的功率因数角； 在确定并联电容器的容量后，就可以选择并联电容器的型号和规格，并确定并联电容器数量。如果为单相补偿，还应取为3的倍数，以便三相均衡分配。2.2 三相不平衡功率补偿设备安装原则与方法 1. 在电力系统中，安装容性设备或装置以提高功率因数时，其安装位置应尽量靠近负载端，以增大补偿的效率。 2. 容性装置安装在低压侧时，对低压用电设备容量较大的电器(如：感应电动机、感应电炉、电焊机等)，可以采用个别装设的办法，以补偿局部无功功率消耗的情况；而对于低压小容量零星设备，则可以采用集中在低压配电柜母线侧加装低压电容器的办法集中补偿，既经济又方便维护。 3. 对低压侧电动机做个别补偿时，电容器的开关与电动机同时运行(见图2-2)，则效果最好。因为当电动机不工作时，则不必加装补偿电容，以避免由于补偿过度，而导致线路中的无功电流反向增大的现象。 4. 补偿电容器的容量以提高功率因数至90%为宜，不需要提高太多，以节约投资，同时避免由于补偿过度，而导致线路中过大的充放电电流。 图 2-2 电容器位置与开关同步操作2.2.1 电容器装置控制方式的选择 任何改善功率因数的装置，都是通过降低无功电流来达到减小总电流，但当电容量补偿过大时，又会形成部分无功电流过大而导致总电流反而增大的现象。如何才能达到最佳的补偿效果，这与用电设备的使用时间和连续性、非连续性有着很大的关系。根据用电设备的使用情况，将补偿电容器进行设计分组，采用不同的控制方式，以适应不同的电力设备，无功功率补偿装置在电子供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。表2-3、2-4是通过研究得出的电容器装置分组情况及控制方式。 表 2-3 补偿电容器装置分组情况用电设备运转特性电容器装置分组全部连续性部分连续运行型，部分为半连续型非连续运行型固定型补偿固定型补偿器一组，可切换补偿器一组固定型补偿器椅子，补偿器三组表 2-4 补偿电容器装置控制方式控制方式用电设备特性计算机自动控制计算机时间控制手动控制用电量较大，负载变动大，且各时段设备开关率都不同每日定时变化用电量（工作时段较固定）；每周设备的开关情况基本稳定24小时用电量差异不大，或偶尔变化量较大时，且可以方便手动操作的场合2.2.2 各种无功补偿设备及补偿方式 下面我们介绍各种无功功率补偿设备及补偿方式。 2.2.2.1 同步调相机 同步调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容器得到大量采用后，它退居次要地位。其主要缺点是投资大，运行维护复杂。因此，许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。但是同步调相机也有自身的优点： 1. 调相机可以随着系统负荷的变化，均匀调整电压，使电网电压保持规定的水平。电容器只能分成若干个小组，进行阶梯式的调压。 2. 调相机可以根据系统无功的需要，调节励磁运行，过励磁时可以做到发出其额定100%的无功功率，欠励磁时还可以吸收其额定的50%的无功功率。电容器只能发出无功，不能吸收无功。 3. 调相机可以安装强行励磁装置，当电网发生故障时，电压剧烈降低，调相机可以强行励磁，保持电网电压稳定，因而提高了系统运行的稳定性。电容器输出无功功率与运行电压的平方成正比，电压降低，输出的无功将急剧下降，比如，当电压下降10%，变为0.9Ue时，电容器输出的无功功率变为0.81Q，即其输出的无功功率将下降19%，所以，电容器此时不能起到稳定系统电压的作用。 2.2.2.2 并联电容器 作为无功补偿设备，电容器有以下显著优点： 1. 电容器是最经济的设备。它的一次性投资和运行费用都比较低，且安装调试简单。 2. 电容器的损耗低，效率高。现代电容器的损耗只有本身容量的0.02%左右。调相机除了本身的损耗外，其附属设备还需用一定的所用电，损耗2%30%，大大高于电容器。 3. 电容器是静止设备，运行维护简单，没有噪音。调相机为旋转电机，运行维护很复杂。 4. 电容器的应用范围广，可以集中安装在中心变电站，也可以分散安装在配电系统和厂矿用户。而调相机则只能固定安装在中心变电站，应用有较大的局限。 2.2.2.3 并联电抗器 并联电抗器是一种感性无功补偿设备，它可以吸收系统中过剩的无功功率，避免电网运行电压过高。为了防止超高压线路空载或轻负荷运行时，线路的充电功率造成线路电压升高，一般装设并联电抗器吸收线路的充电功率，同时，并联电抗器也用来限制由于突然甩负荷或接地故障引起的过电压从而危及系统的绝缘。 并联电抗器可以直接接到超高压(275kV及以上)线路上，其优点是：可以限制高压线路的过电压，与中性点小电抗配合，有利于超高压长距离输电线路单相重合闸过程中故障相的消弧，从而提高单相重合闸的成功率。高压电抗器本身损耗小，但造价较高。并联电抗器也可以接到低压侧或变压器三次侧，有干式的和油浸的两种，这种方式的优点是造价较低，操作方便。从发展趋势看，更多的将采用高压电抗器。大型并联电抗器的技术、结构和标准与大型电力变压器类似，也有单相和三相，心式和壳式之分，心式还可以分为带间隙柱的和空心式的，目前我国制造的高压大容量并联电抗器只采用心式结构。心式电抗器的结构与心式变压器类似，但是只有一个绕组，在磁路中加入间隙以保证不饱和，维持线性。 2.2.2.4 静止补偿器 静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置，电容器、电抗器、调相机是对电力系统静态无功电力的补偿，而静止补偿器主要是对电力系统中的动态冲击负荷的补偿。根据负荷变动情况，静止补偿可以迅速改变所输出无功功率的性质或保持母线电压恒定。 静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用。电容器可发出无功功率，可控电抗器可吸收无功功率。其控制系统由可控的电子器件来实现，响应速度远远高于调相机，一般只有20ms。它主要用于冲击负荷如大型电炉炼钢、大型轧机以及大型整流设备等。另外，在电力系统的电压枢纽点、支撑点也可以用静止补偿器来提高系统的稳定性，同时，静止补偿器还可以抑制谐波对电力系统的危害。在我国湖南、湖北、广东、河南等多个500kV枢纽变电站都采用了这种装置。 例如我国某大型炼钢厂使用电弧炉炼钢，严重影响供电质量，电弧炉运行时使电压下降15%20%，谐波的干扰使众多用户的电视不能收看，电器设备不能正常使用，群众反应强烈。 在装了静止补偿装置后，供电质量显著改善，电压波动很小，完全在允许范围内，谐波干扰明显降低。在周围广大用户普遍受益的同时，该厂也降低了线损，减少了电费支出，提高了产品的产量和质量，获得了良好的经济效益。 静止补偿器的最大特点是调节快速。为了充分发挥它在需要无功功率时的快速调节能力，在正常情况下应经常运行在接近零功率的状态。但因正常负荷变动引起的电压变化过程缓慢，用一般价格比较便宜的电容器与电抗器等投切配合，完全可以满足要求，没有必要选用这种设备。 本次设计主要采用并连电容器的方法来实现对功率因数的补偿。并联电容器是电网中用得最多的一种无功功率补偿设备，目前国内外电力系统中90%的无功补偿设备是并联电容器。2.3 投切方式分类2.3.1 延时投切方式 延时投切方式即人们熟称的静态补偿方式。这种投切依靠于传统的接触器的动作，当然用于投切电容的接触器专用的，它具有抑制电容的涌流作用，延时投切的目的在于防止接触器过于频繁的动作时，电容器造成损坏，更重要的是防备电容不停的投切导致供电系统振荡，这是很危险的。当电网的负荷呈感性时，如电动机、电焊机等负载，这时电网的电流滞带后电压一个角度，当负荷呈容性时，如过量的补偿装置的控制器，这是电网的电流超前于电压的一个角度，即功率因数超前或滞后是指电流与电压的相位关系。通过补偿装置的控制器检测供电系统的物理量，来决定电容器的投切，这个物理量可以是功率因数或无功电流或无功功率。 下面就功率因数型举例说明。当这个物理量满足要求时，如cos超前且0.98，滞后且0.95，在这个范围内，此时控制器没有控制信号发出，这时已投入的电容器组不退出，没投入的电容器组也不投入。当检测到cos不满足要求时，如cos滞后且0.95，那么将一组电容器投入，并继续监测cos如还不满足要求，控制器则延时一段时间（延时时间可整定），再投入一组电容器，直到全部投入为止。当检测到超前信号如cosCE的置数只置一次，当减计数到0时，并不重复置入，且输出OUT保持为高。只有再一次写入一个计数值时，才开始新的计数。 在写计数值命令后经过一个输入脉冲，才将计数值装入计数单元CE，下一个脉冲才开始计数。因此，如果设置计数初值为 N，则输出信号OUT是在N+1个CLK脉冲之后才变高的。这个特点在方式1、方式2、方式4和方式5时也是同样的。 在计数过程中，可由门控信号GATE控制暂停。当测得GATE=0时，计数暂停，当GATE变高后就接着计数。 在计数过程中可改变计数值。若是8位计数，在写入新的计数值后，计数器将按新的计数值重新开始计数。如果是16位计数，在写入第一个字节后，计数器停止计数，在写入第二个字节后，计数器按照新的数值开始计数。即改变计数值是立即有效的。 3. 8253计数启动方法 8253计数器的计数过程，可以由程序指令启动，称为软件启动；也可由电路信号启动，称为硬件启动。本设计主要用到软件启动。 软件启动就是CPU用输出指令想计数器写入初值后就启动计数。写入初值后的第一个CLK信号将初值积存器中内容送到计数器中，而从第二个CLK脉冲的下降沿开始，计数器才真正进行减1计数。之后每来一个CLK脉冲都会使计数器减1。4. 相位差检测电路图 3-12 相位差检测电路图8253共占用了4个接口地址，地址范围由高位地址信号决定，高位地址的译码输出接到片选信号，A0和A1分别接到74LS373上，用来寻址芯片内部的3个计数器及控制寄存器。信号、A0、A1与读信号、写信号配合，可以实现对8253的各种读写操作。U0通过与门加到8253的计数器0的门控信号GATE0上，当GATE0为高电平时，计数器计数；GATE0为低电平时，计数器停止计数。门控信号同时还受,AT89C52的P1.2控制，P1.2为高电平时禁止计数，只有当P1.2为低电平时才允许计数，AT89C52的P3.2检测到计数结束信号后，通过总线从8253读出计数值，供单片机处理。5. 计数器8253初始化程序8253计数器的0计数器地址为0800H；1计数器地址为0801H；2计数器地址为0802H；2计数器控制寄存器地址为0803H。0计数器初始化：MOV DPTR , # 0803H ；MOV A,#30H ；MOVX DPTR,A ；MOV DPTR , # 0800H ；MOV A, # 0FFH ；MOVX DPTR, A ；MOVX DPTR, A ；1计数器初始化：MOV DPTR ，#0803H ；MOV A, #70H ；MOVX DPTR, A ；MOV DPTR ,#0801H ；MOV A,#0FFH ；MOVX DPTR, A ；MOVX DPTR, A ；2计数器初始化：MOV DPTR , # 0803H ；MOV A ,#B0H ；MOVX DPTR, A ；MOV DPTR , #0802H ；MOV A, #0FFH ；MOVX DPTR, A ；MOVX DPTR, A ；3.3 投切电容电路的设计 电容器的投切控制元件采用大功率的过零型固态继电器SSR，由于该元件本身封装有过零触发模块且自行工作不需CPU控制，既满足了补偿电容无冲击电流投切的要求，同时也有效地克服了执行元件采用晶闸管控制模块所带来的控制复杂及易受干扰而产生误动作的弊端，提高了系统的可靠性。3.3.1 8255A 8255A是Intel公司生产的为X86系列CPU配套的可编程并行接口芯片。8255A的通用性较强，使用灵活，是一种典型的可编程并行接口。 3.3.1.1 8255A内部结构和工作原理 8255A内部结构包括三个并行数据输入/输出端口，两个工作方式控制电路，一个读/写控制电路和8位总线缓冲器。 1. 8255端口 8255A具有3个8位并行I/O口，称为PA口，PB口和PC口。其中PC口又分为高四位和低四位 A口：是一个数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。 B口：是一个数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器。 C口：是一个数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器。 通常，A口，B口作为数据输入/输出端口，C口作为控制/状态信息端口。C口内部又分为两个4位端口，每一个端口有一个4位锁存器，分别与A口和B口配合使用，作为控制信号输出或状态信息输入端口。 2. 工作方式控制通过控制字设定可以选择三种工作方式：基本输入/输出、选通输入/输出、PA口为双向总线。工作方式控制电路有两个，一个A组控制电路，另一个是B组控制电路。这两组控制电路共有一个控制命令寄存器，用来接收中央处理器发来的控制字。A组控制电路用来控制A口和C口的上半部分。B组控制电路用来控制B口和C口的下半部分。 3. 总线数据缓冲器 总线数据缓冲器是一个三态双向8位缓冲器，作为8255A与系统总线之间的接口，用来传送数据，指令，控制命令以及外部状态信息。 4. 读/写控制逻辑电路读/写控制逻辑电路接收CPU发来的控制信号、RESET、地址信号、等,然后根据控制信号的要求,将端口数据读出,送往CPU或将CPU送来的数据写入端口.5. 各端口的工作状态表 3.8 各端口工作状态端口地址选择操作选择所选端口CPU操作功能0（选中）00A口01读A口内容01B口01读B口内容10C口01读C口内容00A口10写入A 口01B口10写入B口10C口10写入C口11控制寄存器10写入控制字1未选中3.3.1.2 8255A的引脚及引脚功能 8255A共有40个引脚,采用双列直插式封装,如图3-14。图 3-14 8255A的引脚图 ：三态双向数据线 ：A口输入/输出线 ：B口输入/输出线 ：C口输入/输出线 ：片选信号线 ：读信号线 ：写