低压无功补偿器的设计-毕业论文

毕业设计说明书无功补偿器学生姓名班级学号院、系、部电力工程学院专业电气工程及其自动化指导教师合作指导教师低压无功补偿器的设计I摘摘摘摘要要要要本课题研究以低压电网无功补偿改造为背景，研制了一种低压无功功率补偿控制器。作为一种非实时的无功补偿装置，该装置以定时的电网监测数据为依据，以城镇低压网220V的无功补偿为对象。本文主要研究了无功补偿对电网性能的改善，以及控制器的软硬件的配置。系统采用5189CAT单片机，该单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机，具有运算速度高，实时性好的特点；软件则使用汇编语言进行编译；人机操作界面采用LCD显示,显示效果较好；A/D转换采用0809ADC，是一款比较实用的A/D转换装置。该装置可跟踪电网无功功率的变化并自动补偿,实现了无功补偿装置的优化运行,具有体积小、原理简单、智能投切等优点。关键词无功补偿,单片机,低电压ABSTRACTWHATTHISARTICLESTUDIESISBASEDONTHEALTERATIONOFREACTIVEPOWERCOMPENSATIONOFLOWVOLTAGE,THENDESIGNANEQUIPMENTFORREACTIVEPOWERCOMPENSATIONOFLOWVOLTAGEASAKINDOFREACTIVEPOWERCOMPENSATION,THISEQUIPMENTISBASISONTHEELECTRICALNETWORKMONITORDATA,ANDPROVIDESREACTIVEPOWERFORCITYSLOWVOLTAGEPOWERGRIDSTHISTHESISHASDISCUSSEDTHEIMPORTANCEOFTHEREACTIVEPOWERCOMPENSATIONFORTHEPOWERGRIDS,ANDINTRODUDEDTHEHARDWAREANDSOFTWAREOFTHECONTROLLERTHISDEVICESHARDWARECOREISAT89C51SCM,WHICHHASMANYMERITSSUCHASHIGHOPERATINGSPEEDTHISMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITISTHELOWVOLTAGEWHICHAMERICANATMELCORPORATIONPRODUCES,AHIGHPERFORMANCECMOS8MONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSTHESOFTWAREUSESTHEASSEMBLYLANGUAGETOCARRYONTHETRANSLATIONTHEMANMACHINEOPERATIONCONTACTSURFACEUSESTHELCDDEMONSTRATION,THEDEMONSTRATIONEFFECTISQUITEGOODA/DTRANSFORMATIONUSESADC0809,ITISASECTIONOFQUITEPRACTICALA/DSWITCHINGDEVICETHISEQUIPMENTMAYTRACKTHEELECTRICALNETWORKREACTIVE南京工程学院电力工程学院毕业设计论文IIPOWERTHECHANGEANDTHEAUTOMATICCOMPENSATION,ANDTHISINSTALLMENTHASTHEVOLUMETOBESMALL,THEPRECISIONISHIGH,THEPRICECOMPAREDTOTHEHIGHERMERITKEYWORDSREACTIVEPOWERCOMPENSATION,SCMSINGLECHIPMICYOCO,LOWVOLTAGE南京工程学院电力工程学院毕业设计论文II目录摘摘摘摘要要要要IABSTRACTI目录II第一章绪论111研究背景112无功补偿装置的发展状况213本课题主要研究的内容4第二章无功补偿的原理621无功补偿的原理722低压电网中的几种无功补偿的方式923确定补偿容量的几种方法1024本章小结12第三章第三章第三章第三章硬件设计硬件设计硬件设计硬件设计1331无功补偿装置的技术要求1332硬件介绍1433模拟信号调理电路2234输出控制电路2535本章小结26第四章软件设计2741投切原则2742功率因数计算2843本章小结30第五章总结与展望31致谢32参考文献32附录附录附录附录1外文翻译及资料外文翻译及资料外文翻译及资料外文翻译及资料34A11实际中的谐波和无功补偿34张海明低压无功补偿器设计IIIA12HARMONICSANDREACTIVEPOWERCOMPENSATIONINPRACTICE38附录附录附录附录2装置结构硬件图装置结构硬件图装置结构硬件图装置结构硬件图45附图145附录附录附录附录3软件程序软件程序软件程序软件程序46A31主程序46张海明低压无功补偿器设计1第一章绪论11研究背景目前，我国的电网，特别是广大的低压电网1，普遍存在功率因数较低、电网线损较大的情况。导致此现象的主要原因是众多的感性负载用电设备设计落后，功率因数较低。比如我国的电动机消耗的电能占全部发电量的70，而由于设计和使用等方面的原因我国电动机的功率因数往往较低，一般约为700COS。在这种情况下，采用无功补偿节能技术2，对提高电能质量和挖掘电网潜力是十分必要的，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不小差距。因此大力推广无功补偿技术是非常必要的，并且从以下数据，我们也能看出发展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877，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038千伏的低压电网线损。据报道，估计实际的统计线损率约为15，即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总线损的80，则年可变线损电量约为3900亿千瓦时。设当前全国电力网总负荷的当前功率因数850COS，采用无功功率补偿后，把电力网总负荷的功率因数提高到950COS，则每年可以降低线损约为390亿千瓦时，按05元每千瓦时计，价值约为185亿元。设2007年全国电网的最大负荷利用小时数为5000小时，则电网的最大负荷约为2亿千瓦，当用无功功率补偿法把功率因数850COS,提高到950COS，全国电网需总补偿容量约为058亿千瓦。当前无功功率补偿装置设备主要为电力电容器，设无功补偿设备每千瓦的平均综合造价为50元，则全国无功补偿装置的总投资约为29亿元。应当指出，节省240亿千瓦时约相当于一座400万千瓦火电厂的年发电量，而建一座400万千瓦的火电厂需综合费用约为300亿元，同时每年需燃烧煤约为1200万吨，每年产生2CO,2SO等有害物质约为600万吨。由此可见，产生相同的电力，无功补偿的费用约为新建电厂费用10，而且无功补偿设备的费用仅需两个月的无功功率补偿的将损节电费用即可全部收回。南京工程学院电力工程学院毕业设计论文2综上所述，无功补偿不仅具有如上所述的节省投资、节省电力、节省燃煤及污染等作用，同时还可以提高电力系统设备的供电能力，改善电压质量，减少用户电费开支，延缓用户的增容改造等作用。12无功补偿装置的发展状况近20年来，世界各地（包括美国、法国、意大利、英国、俄罗斯、日本等国）发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了各国的高度重视。持续了短短72小时的814美加大停电给美国造成了巨大的经济损失和社会影响，这次事故提醒人们，电网运行要有足够的无功备用容量，无功不能靠远距离传输，在电力市场环境下，必须制定统一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安全性的角度提供充足的无功备用。在我国也曾多次发生电压崩溃事故，如1993年和1996年南方电网的几次事故，这些事故都促使人们采取各种措施以维持电网稳定1。早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器3，多用在系统的高压侧进行集中补偿。至今并联电容器仍是一种主要补偿方式，应用范围广泛，只是控制器在不断的更新发展。同步补偿器的实质是同步电机，当励磁电流发生改变时，电动机可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好处。但同步补偿器成本高，安装复杂，维护困难，使其推广使用受到限制。随着近代电力电子技术的出现和发展3，无功补偿技术也随之发展。在第一个工业用晶闸管出现之前，电子半导体由于功率过小，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内一直没有得到应有的推广使用。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，如交流变频调速技术的蓬勃发展。同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展锲机。无功补偿技术和电力电子技术的结合主要有以下三方面31是作为投切电容器的开关。因为电力半导体开关的响应时间短PS级，所以能够选择电容的投切角度，实现零电压投切，避免了涌流的产生，提高了电容器使用的可靠性和电力系统的稳定性。现代并联电容器补偿装置中的输出回路就引进了该项技术。2是作为无功输出的调节开关。由于电力电子器件的高开关频率，使其能够张海明低压无功补偿器设计3方便地控制电容器电流的导通角，从而实现无功的连续调节，快速跟踪负载无功的变化。静止型无功补偿器是其中的代表。3是引入电力电子变流技术，将变流器作为无功电源来调节无功的输入和输出，起到补偿负载无功的作用。经常用的是静止调相机和有源滤波器。由无功补偿源在主电路回路中连接方式的不同，无功补偿器可分为并联型和串联型两种结构。依据电力电子技术在无功补偿中应用的方式不同，现代无功补偿装置4大致可分为以下几种类型1TSCTHYRISTORSWITCHEDCPACITOR型无功补偿装置，它属于并联型无功补偿装置。主回路如图11所示，是由多台电力电容器并联以及由可控硅构成的执行机构组成。装置根据无功电流的大小来决定投入电容组数。由此可见TSC的无功调节是有级的，它无法连续的输出无功，这使其在使用中存在合理选择电容，适当分级的问题。但它的优点也明显，即结构简单，控制方便，电容器利用率高，使用中不存在谐波污染等。图11TSC型无功补偿装置主回路2FCTCRFIXEDCAPACITORTHYRISTORCONTROLLEDREACTOR型无功补偿装置，它属于并联型无功补偿装置。其主回路如图12所示。FCTCR方式是用双相可控硅的相位控制，调整电抗器的电流，从而调整无功功率的方式。当以电压零相位为基准时，调节TCR中的可控硅的引燃角。可以从090到0180范围内变化。补偿器的电流LCIII，此电流可随角的变化而变化为感性或容性，这样就改变了FCTCR的无功功率，并可连续均匀的调节。由于TCR中除可控硅全导通或关断之外器电流都是非正弦的，所以它是一个电流谐波源，对电网有一定的危害。该装置在电容和电感之间形成无功损耗，电容利用率低并且电抗器体积较大，成本高。南京工程学院电力工程学院毕业设计论文4图12FCTCR型无功补偿器的主回路3静止调相机ASVCADVANTAGESTATICVARCOMPENSATOR,属于串联型补偿器。它由于输出电压可超前或滞后系统电压，因此可以和系统进行有功、无功之间的交换。它可以连续调节无功，并且能够抑制谐波，补偿特性较好。但该系统存在结构复杂，控制难度大，制造和维护都不便，成本高等问题，不便在全国推广使用。13本课题主要研究的内容本文研究的主要有两方面一是无功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上，对其控制器和动作执行机构进行改进，从而开发出一种智能无功补偿器。文中对这种补偿器的控制器的硬件设计和软件设计作了较详尽的分析。本文的章节安排第一章绪论对本文的研究背景和无功补偿技术的发展进行概述，并提出本文的主要研究内容和各章的内容安排。第二章无功补偿理论的分析对无功补偿理论中的基本理论进行分析，对无功补偿带来的降损节能和经济效益等问题展开讨论。第三章控制器的硬件设计对此无功补偿控制器的硬件系统进行较详尽的解析。第四章控制器的软件设计张海明低压无功补偿器设计5对控制器的几个主要功能模块进行分析，并画出程序流程图。南京工程学院电力工程学院毕业设计论文6第二章无功补偿的原理电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工做的。磁场所具有的磁场能是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。无功功率在电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电网的电压质量5，增加电网的线损率。图21由局部电力网的等值电路图由局部电力网的等效电路图21可知，电力网中由于无功负荷而带来的电压损耗U的计算公式为CUXQRPUXQRPXIRIUUU222222221SINCOS式中CU电网的额定电压2U元件的末端电压电网中的电压和电流的差角RX电网中元件的等效电阻和电抗2P2Q元件末端的有功负载和无功负载由上式可知由负荷的无功功率2Q在元件引起的损耗XU的计算公式为张海明低压无功补偿器设计7CXUXQU2。而由负荷的有功功率2P在元件中引起的电压损耗的计算公式为CRURPU2。可见的元件电阻小于电抗的电网中，无功引起的电压损耗占主要部分。电网中的线损公式如下322222221JXRUQPJXRISSSC式中JQPS11，222JQPS其中有功线损P的计算公式为2222221CUQPPPPR，这其中由于无功功率在电网中流动而引起的有功线损QP的计算公式为RUQPCQ222由上述分析可见，要减少电力网中的电压损耗和电网的线损率，提高用户端的电压质量的重要措施之一，是减少电力网元件中的无功传输，可以从提高负荷的自然功率因数和进行无功补偿两方面来解决这个问题。21无功补偿的原理将电容器和电感并连在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器释放能量，而电感放出能量时，电容器却在吸收能量。能量就在它们之间交换，即感性负荷电动机、变压器等所吸收的无功功率，可由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。此外，同步电动机等也可以作为无功补偿装置。无功补偿的作用和原理5可由图22来解释设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为CQ，使电源输出的无功功率减少为CQQQ，功率因数由COS提高到COS，视在功率S减少到S。南京工程学院电力工程学院毕业设计论文8图22无功补偿补偿原理示意图视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。例如一台1000千伏安的变压器，当负荷的功率因数为07时，可供700千瓦的有功负荷，当负荷的功率因数提高到09时，可供900千瓦的有功功率。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦负荷，是相当可观的。222JXRUQQPQJPSC可见，因采用无功补偿措施后，电源输送的无功功率减少了，相应的也使电网和变压器中的功率损耗的下降，从而提高了供电效率。由电压损耗计算公式UXQQPRUC可知，采用无功补偿措施后，因通过电力网无功功率的减少，降低了电力网中的电压损耗，提高了用户处的电压质量。并联电容器的无功补偿作用和原理，也可以用图23加以说明。I主程序地址入口LJMPMAINCOL1EQUP25COL2EQUP26COL3EQUP27/分时采样程序/MAINCLRP21CLRP22CLRP20欲选IN0通道SETBP22ALE出现上升沿，选中IN0通道SETBP22START出现上升沿，ADC0809复位NOPNOPNOPNOPNOPJNBP23,沿时10US后，检测EOCMOVA,P0EOC1时，读取A/D转换结果MOVR7,AIN0的A/D转换结果存于R7SETBP20欲选IN1通道SETBP21NOPNOPNOPNOPNOPJNBP23,MOVA,P0MOVR6,AIN1的A/D转换结果存与R6CJNER7,04H,LR大于04H，则LRJMPNEXT1LRMOVCOL1,0BMOVCOL2,0BMOVCOL3,0BJMPMAIN跳转到开始指令/运算主程序/NEXT1MOVA,R7电压扩大10倍MOVB,10HMULAB相乘MOV08H,A电压存入08H中MOVA，08HMOVB,A张海明低压无功补偿器设计47MULAB相乘得到积BAMOV10H,00HADDB,10H相加并存入BMOV10H,BMOV11H,00HADDA,11H相加并存入AINCNEXT2无进位则NEXT2INCAA加1MOV11H,A电压平方放到10H11H中NEXT2MOVA，R6MOV09H，A电流存09HMOVB,AMULAB得到积BAMOV12H,00HADDB,12H相加并存入BMOV12H,BMOV13H,00H13H清0ADDA,13H相加并存入AINCNEXT3无进位则NEXT3INCAA加1MOV13H,A电流平方放到12H13H中NEXT3MOVA,08HMOVB,09HMULAB相乘MOV14H,00HADDB,14H相加存入BMOV15H,00HADDA,15H相加存入AINCNEXT4INCAMOV15H,A有功功率放到14H15H中NEXT4MOVA,00HINCAMOV18H,00HADDA,18H相加存入AMOV18H,A/延时子程序/DELAYMOVR5,1H延迟1MS子程序Y3MOVR5,0FFHY4NOPDJNER5,Y4DJNZR4,Y3RETCHECKCJNE18H,63H,START采样小于100次，则继续采样/除法子程序/CF1MOVA,10H电压平方/100MOVB,11HMOVR5,BMOVR4,AMOVR7,64HD457CLRCMOVA,R4SUBBA,R7南京工程学院电力工程学院毕业设计论文48JCDV50SETBOV商溢出RETDV50MOVR6,08H求平均值（R4R5R7R3）DV51MOVA,R5RLCAMOVR5,AMOVA,R4RLCAMOVR4,AMOVF0,CCLRCSUBBA,R7ANLC,/F0JCDV52MOVR4,ADV52CPLCMOVA,R3RLCAMOVR3,ADJNZR6,DV51MOVA,R4四舍五入ADDA,R4JCDV53SUBBA,R7JCDV54DV53INCR3DV54CLROVRETMOVR2，00HPF1MOVA,R2对商开平方ORLA,R3JNZSH20RET被开方数为零，不必运算SH20MOVR7,00H左规次数初始化MOVA,R2SH22ANLA,0C0H被开方数高字节小于否JNZSQRH不小于，左规格化完成，转开方过程CLRC每左规一次，被开方数左移两位MOVA,R3RLCAOVF0,CCLRCRLCAMOVR3,AMOVA,R2MOVACC7,CMOVC,F0RLCARLCAMOVR2,AINCR7左规次数加一SJMPSH22继续左规ZY1MOV10H,00H电压有效值存入10H11H中MOV11H,00HMOVA,R2MOV10H,AMOVB,R3MOV11H,B张海明低压无功补偿器设计49CF2MOVA12H电流平方/100MOVB13HMOVR5,BMOVR4,AMOVR7,64HD457CLRCMOVA,R4SUBBA,R7JCDV50SETBOV商溢出RETDV50MOVR6,8求平均值（R4R5R7R3）DV51MOVA,R5RLCAMOVR5,AMOVA,R4RLCAMOVR4,AMOVF0,CCLRCSUBBA,R7ANLC,/F0JCDV52MOVR4,ADV52CPLCMOVA,R3RLCAMOVR3,ADJNZR6,DV51MOVA,R4四舍五入ADDA,R4JCDV53SUBBA,R7JCDV54DV53INCR3DV54CLROVRETMOVR2,00H/开平方子程序/PF2MOVA,R2对商开平方ORLA,R3JNZSH20RET被开方数为零，不必运算SH20MOVR7,00H左规次数初始化MOVA,R2SH22ANLA,0C0H被开方数高字节小于否JNZSQRH不小于，左规格化完成，转开方过程CLRC每左规一次，被开方数左移两位MOVA,R3RLCAOVF0,CCLRCRLCAMOVR3,AMOVA,R2MOVACC7,CMOVC,F0RLCA南京工程学院电力工程学院毕业设计论文50RLCAMOVR2,AINCR7左规次数加一SJMPSH22继续左规ZY2MOV12H,00HMOV13H,00HMOVA,R2MOV12H,AMOVB,R3MOV13H,B电流有效值存入12H13H中MOVA,12H取电流整数部分MOVB,10H取电压整数部分MULABMOVR6,BMOVR7,7MOVR2,00HMOVR3,00HMOVA,14HMOVR4,AMOVA,15HMOVR5,ADIVDCLRC比较被除数和除数CF3MOVA,R3SUBBA,R7MOVA,R2SUBBA,R6JCDVD1SETBOV溢出RETDVD1MOVB,10H计算双字节商DVD2CLRC部分商和余数同时左移一位MOVA,R5RLCAMOVR5,AMOVA,R4RLCAMOVR4,AMOVA,R3RLCAMOVR3,AXCHA,R2RLCAXCHA,R2MOVF0,C保存溢出位CLRCSUBBA,R7计算（R2R3R6R7）MOVR1,AMOVA,R2SUBBA,R6ANLC,/F0结果判断JCDVD3MOVR2,A够减，存放新的余数MOVA,R1MOVR3,AINCR5商的低位置一DVD3DJNZB,DVD2计算完十六位商（R4R5）MOVA,R4将商移到R2R3中张海明低压无功补偿器设计51MOVR2,AMOVA,R5MOVR3,ACLROV设立成功标志RETPD1CJNER2,5FH,COMP不等于95则COMP，并产生CYCOMPJNCJSCY1则JS，CY0,则下一步程序ZYMOVA,10HMOVR3,AMOVA,11HMOVR4,A/进制转换程序/ZHSHORT_ASCPROCFAR进制转换USESAX,BX,CX,DX,MOVBX,10C0MOVDX,0MOVAX,R3CMPAX,0JEC1DIVBXMOVERSLTHI,AXMOVAX,R4DIVBXMOVR4,AXORDL,30HMOVDI,DLDECDIJMPCHAR,C0C1MOVAX,R4C2CMPAX,0JZC3MOVDX,0DIVBXORDL,30HMOVDL,DLDECDIJMPCHARC2C3RETSHORT_ASCENDPCODEENDSENDMAINMOVA，00HINCAA累加1MOVR0，AXZ1CJNER0,01H,XZ2不等于1则，即为2，进行XZ2MOVA,R4MOVR5,AMOVA,12HMOVR3,AMOVA,13HMOVR4,AJMPZH南京工程学院电力工程学院毕业设计论文52XZ2CJNER0,02H,WAIT不等于2则，即为3，进行WAITMOVA,R4MOVR6,AMOVA,R2MOVR4,