【基于单片机的电力系统无功补偿器设计14000字（论文）】

摘要：设计系统的介绍了现如今无功就地补偿技术的发展现状，详细的分析了无功补偿技术的相关原理。故在此基础上设计了一种以STC89C52为核心的电力系统无功补偿器，其主要硬件部分包括了信号采集与测量电路、控制投切电路、显示电路、独立按键电路设计等。设计采用的是电压和无功复合控制的方法，利用无功、电压两个判别量进行综合调节，以电压的检测结果作为无功调节的先决条件，并通过相应的判别元件，确定合理的电容投切方案，即超过或低于某一段安全设置区间就会投切相应的电容，实现最终的系统无功补偿。这一设计方案，不仅兼顾了电压质量，也降低了系统的损耗，实现双赢。设计要求具有精确的相位采样精度、快速的运算速度、合理的相位投切方案，同时需要兼具可靠性、安全性、经济性等特点。通过proteus8.6仿真，能够实现自动、快速、精准的无功补偿，有效地改变功率因数，从而减小电力输、配电的损耗，提高供电质量。1引言电力系统无功补偿器又叫电力系统无功就地补偿器，其名字来源于无功、电压调整的基本原则：分成分区调整，无功功率就地平衡。电力系统无功补偿装置是电力供电系统中重要的调节设备之一，在系统中它可以直接起到调节功率因数的作用，同时它也可以降低系统供电变压器和输送线路的损耗，提高系统的效率，改善系统运行状态。1.1研究背景电力能源是我国目前的主要二次能源，随着我国经济的快速发展，同时在国家可持续发展战略的实施以后等，节约电力能源，降低电力损耗、减少生产成本是目前所有企业共同追逐的目标。同时，在我们日常的用电负荷中，绝大部分都呈现出阻感性，这些负载在电力系统中所消耗的无功功率占比较大，这也是我们现如今需要解决的实际问题。在这半个多世纪以来的国际化快速发展中，电能市场化发展也在不断的加强，电力能源也逐渐成为了一种能够直接去反映电力行业经济效益的市场化商品[2]。现如今，我国的工业的发展基本都是多元化的，同时，人们的生活水平也在不断的提高，电力的需求更是无处不在。随之而来的，是给电力企业带来的多方面问题。对电能质量的研究不仅仅是解决电压、频率等简单问题，同时还关系到电网设备的安全、可靠运行等问题，这也被认为是我们整个社会和国民经济能否达到可持续发展的一项重大科学课题[2]。众所周知，在现如今的大电网中，存在着很多能够吸收无功功率的设备，例如变压器、异步电机等，它们在运行过程中都需要吸收大量的无功功率，在系统中如果出现了大量的无功功率或者是因为一些原因导致了无功功率不足，那么将会影响电力系统的安全、经济、可靠运行。其主要表现形式有：如果电网中出现无功功率不足的情况，那么就会使系统电压处在一个低于电网额定电压的水平下并达到平衡。但这种达到新平衡的情况会导致电网损耗掉大量的电能，而且还会引起输电线路末端电压降低，影响运行的安全性，严重时可能导致系统崩溃。如果电网中出现无功功率过剩的情况，那么将导致电力系统中大量设备的容量相应增加，并导致电网末端电压升高，此时并不满足电网要求的经济性[22]。综上，我们可以了解到，在电力系统中，无功补偿技术对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的潜力是有重要意义的，同时，它也关系到我们的国家经济健康发展。因此，对电力系统的无功补偿技术进行进一步的拓展研究是非常有必要的。1.2研究意义[3]众所周知，电力系统中的节点众多，网络结构极其复杂，负荷分布极不均匀，当系统中每个节点的负载随时间变动时，会使得电力线路产生相当大的电压波动，导致电压不稳定。同时，电力系统中要使得电压恒定不变是不可能的，因为负荷是时刻变化着的。所以，就需要对电网进行调压，改变功率因素，改变电压的大小，使它们在满足负荷需求的情况下，做到各个节点的电压偏移达到平衡。从而降低设备及线路的损耗，提高电网的供电效率，节约电力能源。在电力系统中，要保持电网电压能够在额定水平下运行，就必须保证在额定电压水平下的无功功率平衡。因此，现目前大大小小的电力网络都设置了无功调压设备。电力系统运行过程中对无功的需求是动态变化的，这种特点在局部电力系统中最为明显，尤其是在末端供电线路中，负载对无功的需求变化一般成倍数变化，并且变化包含突变、缓慢变化，其中包含可预测和不可预测的变化趋势，使得无功的就地补偿对精度、速度要求较高。因此,为解决电力系统中的以上问题，一种性能优良的电力系统无功就地补偿器亟待研究。1.3当前无功补偿研究现状[2]近几年来，我们国家的经济得到了飞速的发展，国内形成了巨大的电力系统网络，只需要简单的控制能耗的损失，就能够提高巨大的经济收益。由此，当电力系统无功功率的补偿原理被提出后，便得到了众多学者的关注。例如，在1977年，黄琳等人通过实验研究得出的静止无功补偿器SVC（StaticVarCompensatory），且分析了无功功率的研究动态及现状；在1995年，曾纪天团队探究了电力系统无功电压控制问题，并分析了它未来的发展的方向；在2007年，朱鹰等人分析了电压稳定性的本质，并对无功功率控制策略在电压稳定性方面进行了阐述；2017年，苏小叶等人以湖北遂州220KV变电所为例，分析并提出了一种更佳精细的电力系统无功补偿方式，并发表相关论文做出设计说明等。同时，随着时间的推移，无功功率补偿装置也越来越多。为了克服无功补偿过程中的种种问题，出现了一些先进的静止同步补偿器和统一潮流控制器等。1.4本论文拟解决的主要问题本文通过对目前无功补偿技术的研究发展现状的分析，了解到现如今世界常见的无功补偿控制方法在实际应用中存在的优缺点。着重在理论、技术等多个方面，对无功补偿进行分析与研究。并利用proteus8.6仿真系统对实验进行模拟证实，结合到当前无功补偿的发展实际，设计出一种基于单片机的电力系统无功就地补偿器。本设计拟解决的主要问题有：根据对现如今的无功补偿发展现状的认识与了解，在分析其设计理论、想法等方面的优缺点后，提出本设计采用STC89C52为核心控制器的方案，使电力系统某处运行处于合理区间，实现自动、快速、精准的对电力系统中的无功功率进行补偿。针对系统无功功率不平衡的相关情况，多方面采取措施，利用多方面查找分析特殊情况为出发点，提出采用三相共同补偿和单项分开补偿相结合的调节措施。为解决无功不平衡投入困难的问题。本设计提出改变电压相位来模拟电力系统中无功不平衡的情况，做到简单易懂。设计信号采集与测量电路设计、控制投切电路设计、独立按键电路设计、LED显示设计电路等，同时兼顾高精度，高速度，实时显示数据。设计开发配合硬件设施所需要的软件程序编译，确保达到预期的结果。

2无功补偿技术相关理论2.1无功补偿方面的基本理论提到无功补偿，我们都会想起无功功率。那么什么是无功功率啦？无功功率可以分为感性无功功率和容性无功功率，其中前者是电感线圈中潜藏磁场能的元件，当这种元件的线圈上加上交流电以后，磁场能源就会随着交流电的交变而发生改变。但是这种改变不会产生电路功率消耗，在电路中只存在能量的往返交换。而对于后者来说，它是电力系统电容器存储的电场能元件，当这种原件的极板间加上交变电以后，电场能源也会随着交流电的改变而改变，此种电路中也只存在电源能量和电容电场能量之间的往返转换，不存在能量的损耗。但是如果存在电感中的能源与电容中的能源往返转换，那么就会导致电路产生损耗，从而影响电网的可靠性。介绍了无功功率，我们就会想到与其相关的“功率因数cosφ”，那么什么是功率因数啦？功率因数cosφ是有功功率P与视在功率S的比值，即cosφ=PS。在电力系统的对称电路中，其三相总功率因数等于每一相的单独功率因数。而且我们通过学习已经知道：功率因数cos我们都知道，电路一旦确定下来，那么电路中的电感元件和电容元件就存在时时刻刻的能量交换。即电感元件释放出一定的能量，电容元件吸收相同的能量，达到确定的动态平衡。此种情况的发生是必然的，导致线路中的能量损耗也是必然的，所以，我们应该利用投入电容或电感的方式来补偿或者降低电网功率的变化，现目前出现的补偿方式也是多种多样，但都以电容补偿为主。此外，调整同步电动机的输入和改变变压器变比等方式也可以调整无功功率，进而达到改变电压的目的。下面结合公式对无功补偿的作用做简要的分析阐述：首先，我们知道无功功率对应的是电网中的电压质量，对于输电线路来说，线路末端一般都存在着电压降低的情况，那么改变电力线路的无功功率是改变电压质量的重要手段。在现如今的电路网络中，这样的电压调整也是十分常见的，在某些特定的地区，它的地位甚至是必须的。那么假定的去把线路中的电流设置为有功电流Ia和无功电流I∆U=3(IaR+式（2-1）中：R表示线路总电阻，单位：ΩP表示有功功率，单位：KWQ表示无功功率，单位：KvarU表示线路的额定电压，单位：KVXl表示线路的总电抗，单位：由此可见，想要提高功率因数，可以减少线路中的流动的无功功率Q。同时，我们也能看出当系统中有功功率不发生变化，且线路中的R和均为一个额定值时，减小无功功率Q，将会使得电网的电压损失减小，也就是说，通过这个办法能够提高电压的质量。下面我在结合图1来分析下电力系统中无功补偿的理论过程：同样，我们假定电网在正常情况下运行，并设定电网的感性无功功率为Q，而无功补偿设备补偿的无功功率为QC，那么此时负载从电网中吸取的无功为Q'=Q−QC，此时，通过对电网的无功进行补偿以后，电网的功率因数就会发生改变，利用前面的公式可以计算得到电网的功率因数由cosφ调整到cosφ＇，那么改变了电网的功率因数以后就会使得电网的损耗降低，也会降低电网的投资水平，同时也会使得电力系统的视在功率S减小。举个变压器的例子来说：假设一台变压器的额定容量为Sb=1000kVA，且变压器的功率因数cosφ由0.65图1无功补偿原理图∆S=∆P+j∆Q=P2由以上说明可知，在使用了无功补偿装置对电网的无功功率进行调整以后，输电网络传输的无功功率随之降低，由于此时电网传输的基本都是有功功率了，所以输电线路的电能损耗也就相应的降低了[5]。根据电压损耗计算：∆U=PR+(Q−Qc)XU根据式2-3可知，当我们利用无功补偿装置对电网采取无功补偿以后，减小了线路的无功功率Q，使得电网输电过程中，线路电压变化量△U降低，这样就使得电网在传输过程中线路上的电压损耗降低，提高电路电压的供电质量。根据功率三角形我们能够得到有功功率P和视在功率S的关系式为：P=Scosφ由上式公式可见，在电力系统中，假设电网输出的有功功率是一个定值P，那么功率因数高的输电线路中，需要电网传输的功率就会越小。接下来，我们分析一下并联电容器无功补偿的作用和基本原理。其实，在实际的电力系统中，我们遇到的负载大部分都是感性负载，例如变压器和异步电动机等，其中主要以异步电动机为主导。那么我们就对含有异步电动机的等效电路做简化得到一个只含有电阻R和电感L串联的电路，则根据电力系统相关公式可以得到：cosφ=R如果在R、L串联电路中进行并联电容补偿的话，那么就会改变电网的电网的功率因数，提高供电质量。下面我通过图2来简要说明一下，如图，根据电路KCL定律可以得到I=Ic+IRL图2并联电容补偿示意图图3欠补偿情况图4过补偿情况对于电压补偿可分为过补偿、欠补偿。如图2.3所示是电力系统欠补偿情况，此时并联电容U和电流I的相位差减小了，也就是说二者之间的家教变小了，这种情况导致功率因数cosφ提高，从而改变电力系统中的电压质量。如图2.4所示是电力系统过补偿情况，此时并联的电容过大，导致了并联电容U和电流I的相位差变大了，使得电流I超前电压U，使得电网中个设备电压升高，超过额定值，同时这种情况的无功功率过高，也会引起电网的损耗增加，导致变压器线圈等的温度提升严重，使得用电设备的寿命降低。根据有功电流与无功电流的相关定义，结合图5可知，电力系统中并联电容补偿器对电网的感性负载提供所需要的无功功率。图5无功功率装置工作原理图如上图5所示，在电力系统中，用电负荷所需要的电流为I(t)，当我们在用电负荷侧采用无功补偿装置后，我们可以看到补偿后电流发生变化，假设补偿的电流为II(t)=其中：Ic(t)等于无功电流线路上仅流过有功电流I综上，电力系统无功补偿的基本原理介绍完毕，且能够达到电网经济性要求。2.2无功补偿技术的安排方式在电力系统中，无功补偿技术的安排方式多种多样，每一种安排方式都会对应一直设备投切模式。接下来就电网中按照安装位置的不同对电网中的无功补偿方式进行一一介绍。集中补偿方式：这种补偿方式一般用于电压等级属于中等的情况，即6～10KV，它是在中压母线上直接并联容性补偿器的电压补偿方式。这种补偿方式适用于某些企业用电和某些地方性变电所，它可以减少线路的无功损耗，降低电网投入成本，提高经济性，提高电网供电质量。但该种补偿方式有存在一些缺点，它没办法去补偿用户方配电线路的无功功率。分散补偿方式：这种补偿方式一般可以装设在电网功率因数比较低的地方，例如一些企业生产车间或者是现目前的农村变电站、配电所等地方。相对于集中补偿方式来说，它不但有相同的优点，而且其设备补偿的效果更佳的明显。就地补偿方式：这种补偿方式也是我们电网现在最常用的补偿方式，我们都知道电网电压的补偿基本原则是：分成分区调整，无功功率就地补偿。同时，该种补偿方式主要适用于补偿单个设备所需要的的无功功率。对于装设地点，它一般装设在有电感性的用电设备旁边，实现实时补偿。这种补偿方式兼顾前面两周补偿方式的优点，同时，它还能改变设备的电压质量。综上所述，虽然无功补偿能够减少线路的损耗，提高电压质量，但是这种节能模式只是减小了电压功率补偿点到发电机这一段线路的输电损耗，而不会改变补偿点相对于发电机方向的供电损耗，因此若想要使得电网的损耗降到最低，结合三种补偿方式的研究，根据最佳的补偿理论选择，就地补偿的节能效果是最佳，最为显著的。当然，在不同的场合和不同的电网调节地点，我们对电网的要求并不是一样的，因此我们采用了多种补偿方式相结合的方式对电网进行无功功率调整，达到更好的调节效果,对于以上的每一种电力系统无功补偿方式来说，它们都有自己的优缺点。2.3无功补偿方法的相关研究2.3.1无功补偿容量的确定在电力系统中，根据不同的电力需求，我们可采用不同的方法来确定电容补偿的容量大小，大致可以分为：系统功率因数cosφ的提高、电力线路损耗的降低、系统运行电压的提高等方面[16]。（1）系统功率因数cosφ的提高首先，设电力系统中设备所需的有功为Ppj，补偿前功率因数为cosφ1、补偿后的功率因数为cosφ2，则根据电力系统中的功率三角形公式，用电设备的补偿容量QQc在经过三角函数变换公式对上述公式进行变形得到：Qc根据公式2-8利用MATLAB仿真出曲线如图6所示图6MATLAB补偿仿真图根据上图很明显能够看出，补偿容量Qc与功率因数cosφ之间存在一种曲面关系，可以看出在Qc逐渐增大的过程中，功率因数cosφ是逐渐变慢的。故当功率因数增加的过多的时候是不利于设备正常工作的，因此，我们在调节功率因数时应该不超过某一数值cosP（2）电力线路损耗的降低对于线路损耗，设补偿前的总电流为I1，补偿后的总电流为I2；设电力系统中有功电流补偿前为Ir1，补偿后的有功电流为∆P1则经过无功补偿后线路损耗为：∆P2则补偿后线损降低的百分值为：∆P%=∆P系统运行电压的提高由于电力线路中电压降落的存在，电力线路的末端电压会降低，造成损耗。那么设无功补偿前，线路首、末段电压为别为U1、U2则有：U2=U对线路进行无功补偿后，无功功率改变量为QC，线路的末端电压升高为UU2根据以上两个式子可以得出线路末端电压变化量U为：∆U=U则无功补偿容量为：QC=在以上所以式子中：P表示的是有功功率Q表示的是无功功率R表示的是为线路电阻X表示的是线路电抗2.3.2并联电容器组的接线方式电容器的接线方式主要有△接线盒Y接线方式两种，其他接线形式还有双△接线、双Y接线和Y、△结合接线等方式。每种接线方式都有各自的优缺点，应针对不同的场合和不同的电力规划采用不同的电容补偿接线方式。这里主要介绍△接线和Y接线方式。△接线方式此种接线方式使得补偿电容器直接承受相间电压，若在某一时刻发生单相电容器击穿故障时，会导致电网形成两相短路，产生较大的短路电流，严重时会导致电力系统瘫痪、设备损坏等情况。因此，它一般只被用于380V的配电系统中，其接线方式如图7所示。图7△接线方式Y形接线方式：此种接线方式使得补偿电容器组的结构相对简单且经济，同时这种接线方法由于没有中性点，投入电容承受的电压就是相电压，且它避免了△接线方式所存在的缺点。故在电力系统的各电压登记中普遍采用的是Y形接线方式进行电容补偿，其接线方式如图8所示。图8Y形接线方式2.4小结本段主要讲解了电力系统中无功补偿方面的基本原理及作用，分析并设计了一种基于STC89C52单片机的电力系统无功补偿器，介绍了电力系统无功补偿的安排方式，提及了无功补偿技术的相关研究方法等，电容器在电力系统中的补偿接线方式，普遍采用Y形接法，供三相分补使用等情况。3无功补偿控制器的硬件设计3.1总体硬件结构在电网设备选择上，合理的选择无功补偿装置，能够做到最大限度的减少网损，提高电网运行质量，增加设备的利用率，这也是电网建设中的必备考虑装置。在电力系统正常运行的过程中，一般情况下对无功的需求都是动态变化的，这种变化特点在一些局部电力系统中最为明显，尤其是在电网末端供电线路中，负载对无功的需求变化一般都会成倍数的变化，并且其变化趋势也包含快速的突变和缓慢的变化，其中突变包含了可预测的和各种不可预测的变化趋势，使得电力系统无功补偿对于精度、速度的要求都比较高。为解决以上难题，我们设计了一种基于单片机的电力系统无功就地补偿器，系统框图如图9所示，包括STC89C52控制芯片、相位差检测电路、模拟电容投切电路、采样电路等。此外还有相位显示电路。其中，散热器用于对主控芯片进行散热处理；互感器是将电压电流信号输送到检测电路中；自动投切控制器是用来对电网做出电容补偿；相位显示器是对参数的快速显示。除此之外，还有备用电源模块，熔断器模块等。图9系统结构框图3.2硬件设计3.2.1CPU主控模块设计采用了STC公司生产的STC89C52作为主控芯片，它是一种高速、高可靠、低功耗、能在线编程的CMOS8控制器。它在空闲模式下，CPU能够自动的停止工作，且同时允许定时器/计数器和中断继续工作。在掉电保护方式下，RAM内容被保存起来。此控制芯片最高运行频率为35MHz（本设计采用的是11.092MHz）。在本设计中，主要是通过接收检测电路采集到的各种参数信息，并对其进行合理分析、计算，使测量计算结果通过OLED显示器进行实时显示。同时，按照所初始设定的控制策略进行判断分析，最终得出各组电容投切的数据。设计采用的是内部时钟方式，片内XTAL1，XTAL2接口外接晶振电路。其振荡控制器的频率主要取决于晶体的振荡频率，此处采用的晶振频率是11.092MHz，其晶振低电路电容C8、C9理论可以在4～59pf之间进行选择（此处C8、C9均采用47pf），同时C8、C9的大小对振荡器的频率有细小的影响，可以起到细小调节晶振的作用。其中各个端口用于什么地方请查看附件一。本设计控制芯片CPU电路如图10所示。图10单片机最小系统电路3.2.2相位差检测电路如图11所示，在系统三相交流电中，各相交流电压相位对称，即各相电压大小相等，相位角的角度互差120°，若在输电线路等其他情况中发生相位角的变化较大时，则将导致供电系统中的电压波动，谐波增大等诸多因素。对此，本设计对其进行相位角偏差的检测，并用检测的结果与人为最初设定的上下限值进行比较，从而使输电达到理想的运行状态。对于电压的检测，采用了电压互感器对其做出了精准的电压采集，他的实质是采用大电阻分压电路设计，检测出较小的电流，将该电流转化为设备测量范围内的电压信号。采用电流互感器对电流信号进行采集，它的实质是将接入的电流通转化为设备测量范围的小电流信号，这样就完成了数据信号采集。在图11中，TLC5618是一个双波形发生模组，用于本设计电压、电流波形的模拟。引脚10用于模拟波形A，引脚9用于模拟波形B，然后采用二极管和电阻对波形进行稳定调整。由于调整前后的波形较小，因此采用了LM358对波形进行发大处理，方便编程参数设计和加快芯片处理速度。波形被放大后输出到双上升沿触发器74HC74，保证检测到正确的波形变化，确认在同一时刻不同波形的检测点相同，达到脉宽检测的必备效果。图11相位检测电路3.2.3模拟电容投切电路电压（U）、电流（I）作为电力系统中的两个重要衡量指标，其中电压更是与无功就地补偿有着密切的关系，它也影响着电能质量和功率因素的变化，因此，本系统的设计采用了三相电压中各相相位差的变化来制作，当各相位角发生偏差变化时，ADC采样模块会自动得到一个反馈回来的检测信号，同时控制器还会将该检测信号与最初设定的信号进行比较。若不满足初始设定条件，自动投切控制器就将会动作，从而自动调整电网的相位差，改变电网的功率因素。在模拟投切设备中，设置了五种投切电容的模式：（1）若相位脉宽整定值小于10000，电容全部投切；（2）若相位脉宽整定值大于10000而小于20000，电容一、二进入投切模式；（3）若相位脉宽整定值大于20000而小于30000，投切设备不动作；（4）若相位脉宽整定值大于30000而小于40000，电容二、三进入投切模式。（5）若脉宽整定值大于40000，则会实现电容无极调节，使备用电容设备做到最大化投切。模拟电容投切电路如图12所示，波形说明如图13所示：在两波形交叉的地方会出现一个脉宽，若某一时刻相位角发生变化时，此脉宽也会发生相应的改变，因此检测脉宽的大小变化就能够确定相位是否发生改变，从而确定电容投切模式。图12模拟投切电路3.2.4LCD显示电路如图13所示，由于LCD显示器制作的显示面板广泛应用于各种电气设备中，为了实现相位差的及时显示，使我们能够及时了解到电力系统的运行情况。本设计采用了LCD1602作为硬件仿真设备（实物采用OLED显示器），它能够很好的显示程序中预设的功能。该显示器是一种专门用于字母、数字、符号等功能显示的点阵式设备，同时它具有功耗低下，重量较轻，机身较薄等优良的特点，在运行过程中表现出不产生高温，极其省电的性质。如图14所示，LCD显示器在本设计中它实现了：（1）相位角偏差大小显示。（2）自动投切装置运行模式显示。（3）相位差变化大小所在阈值区域显示。图13脉宽说明图图14LCD显示电路3.2.5控制器电源模块如图15所示，在控制器的电源模块设计中，采取了开关电源的设计想法，这种设计能够实现整体投电，对电力的稳压处理等。此设计利用了LED灯对电源的投入进行可观察的判断是否投入成功，并对利用PIN-8对电源进行简要处理，达到较好的效果。图15控制器电源模块电路3.3小结本段主要介绍了电力系统无功补偿器的硬件设计部分，总体对每个模块部分的功能进行了细节讲解，使设计更佳的浅显易懂，介绍了电力系统无功补偿装置各个模块之间的链接方式，提及了每个模块的功能和实现的过程等。4无功补偿控制策略及其软件设计4.1无功补偿控制策略设计也可称为电力系统无功就地补偿器，此处根据系统的实际运行情况，研究出一种基于单片机的电力系统无功补偿器，它在保证电力系统稳定运行的前提下，对系统无功配置进行分层分区控制[6]。4.1.1无功补偿控制策略现目前对于无功补偿装置的研究进展，主要有以下几种补偿控制策略：按电压高低投切策略：在电力系统无功补偿方面，当电压低于下限值Umin时，会使得电容投切装置进行无功投入；当电压高于上限值Umax时，会使得系统切除无功补偿的电容。同时，这两种情况的发生都体现出电网的电压不稳定，长时间处在此种情况下，可能导致事故发生。因此，在我们需要根据电力系统的实际运行情况，设置出电压的保护范围，一般保证Umax按照功率因数及无功控制策略：此种补偿控制是电力系统中传统控制策略之一，它主要是根据功率因数的高低来判断如何投切电容器，当系统的功率因数低于设定范围时就会投入补偿，当系统的功率因数高于设定范围时就会切除补偿。对于功率因数较低的情况，此时系统缺少的无功很大，投入一点点无功功率就会使得系统的功率因数发生大的波动，严重时可能使得无功补偿投切产生振荡过程。因此，我们在设置无功补偿控制时需要采用功率因数与无功的结合来控制，具体控制策略如下：无功功率为负时，切除补偿器；功率因数大于上限值时，切除补偿器；无功功率大于上限值且低于功率因数小于下限值时，投入补偿器；除以上策略外，其他情况补偿器均不动作。（3）按时间顺序控制策略：在电力系统中，负荷是随着时间的变化而时刻发生变化的。所以我们可以根据系统实际运行情况，利用日负荷曲线，分时分段进行无功补偿控制。该控制策略的缺点有控制策略繁琐、适应性差、适用面窄、随时间变化控制相对难度大。（4）按电压和无功功率进行综合控制：此种控制策略可以采用九区图进行标示，它是将电网运行状态中的多种情况按照电压和无功功率进行平面划分，当系统运行状态处在九区图的任何一个位置时，都有相应的控制策略来应对并做出调整。在综合考虑以上几种无功控制策略以后，本设计选用第4种无功补偿策略。其控制策略图如图16所示图16基于九分区的控制策略简图在图16中：UmaxUminQmaxQmin表4-1电压补偿九区表[16]分区电压功率因数控制方法0区1区2区3区4区5区6区7区8区正常正常偏高偏高偏高正常偏低偏低偏低正常偏高偏高正常偏低偏低偏低正常偏高投切不动作切除电容，必要时降低输出电压切除电容，必要时降低输出电压降低输出电压降低输出电压且投入电容投切动作升高输出电压且投入电容升高电压，必要时投入电容升高电压且切除电容根据电压补偿九区表可知，当电网电压和功率因数处在九区图的任何一个位置时，都能够采取相应的措施来对电网进行降耗调整，同时采用以上补偿控制策略，能够起到消除补偿器投切振荡的麻烦，也提高了无功补偿的判断投切能力，在电网补偿的过程中起到了更好的稳定性和准确性。4.1.2补偿器参数设置要想保证在电网中无功补偿控制器的正常运行，需对其中的参数进行合理的设置，包括无功的投切上下限值、功率因数范围、延时时间长短、保护参数设置等，需根据电网实际的运行情况进行计算得出，设计主要是设置简单模拟，因此参数大部分都是简要设置[6]。4.2系统软件设计设计在软件方面采用了C语言作为程序编译语言，并利用keilC4软件进行编写，整体程序设计采用的是模块化的思路，即根据设计的相关要求，将设计划分为多个功能模块分别进行调试，最后采用接口程序进行连接。设计按照无功补偿原理可以分为以下几个模块：（1）相位检测模块：此模块主要是对电力系统中的电压U、电流I等交流量进行初步采集，并利用ADC0832芯片对采集到的数据进行分析、计算，最后把数据传输到控制中心。（2）模拟投切模块：此模块主要是根据相位检测模块传输到控制中心的数据进行判断，若判断结果在设定范围内，则会按照设定好的控制方案，对判断的结果进行及时的动作；若判断结果不在设定范围内，则电容投切模块判断为不动作。（3）OLED显示界面：此模块主要是利用OLED显示器与按键之间的联系，通过按键的调节改变设计变量，从而在显示器上实时的显示出数据的变化，同时可以很好的给到我们一个及时的数据读取。主要模块及各模块间的关系如图17所示。图17主程序模块图根据以上程序流程图，可以很清晰的分析得到，当系统上电后首先是对控制芯片STC89C52进行初始化，其目的是让内部的数据清零，确保设计的准确性。主要包括片内各个寄存器位置的设置，键盘数据初始化，中断初始化，检测软件初始化，模拟电容投切模块初始化等。当初始化结束后，程序会进入到一个无限循环当中，在该循环中根据各设定的程序来执行各相应模块。例如键盘数据处理过程中，判断是否有按键按下，若有按键按下，则会启动键盘处理函数对数据进行分析；若没有按键按下，则会直接进入下一个循环阶段。4.3小结本段介绍了《基于单片机的电力系统无功补偿器》中所设计到的控制策略和程序软件部分的设计，其采用了九区图法的方式来实现电容器的实时投切。同时设计采用了ADC0832芯片来对电力系统中的各项参数进行测量、分析和计算处理，从而起到了减轻CPU运算负担的作用，这不仅简化了电路的设计，也精简了软件的编写，同时也保证了系统在运行过程中的稳定性。5性能测试与结果分析5.1无功补偿器的检测方案首先采用proteus8.6仿真进行模拟检测，根据自己的简要构想设计出如图18所示的实物仿真图，经过程序的编写和大量的调试以后，成功模拟出电力系统中电压、电流相位差变化以后电容的正确投切。由于制作的是简易的实验功能模拟作品，故我们采用了自制的外加三相低压电源作为我们检测调试对象，具体操作如下：改变电源输出的电压相位，观察系统是否以最初设定的理想变化形式而发生变化。图18无功补偿proteus8仿真图5.2测试数据及分析通对波形图脉宽可以观察到相位变化，对比测试结果发现，若相位角发生了改变，波形的脉宽也会发生相应的改变，若超过最初理想的工作值，则就会使得自动投切装置动作，补偿相应的电容使功率因素恢复。如图19、图20所示，当相位角相差110°时，脉宽整定值为31207，电容投切进入模式三。当相位角相差120°（正常）时，脉宽整定值为20799，自动投切装置进入模式二。图19相位角相差110°图20相位角相差120°5.3设计实物系统调试根据设计仿真实验，实物采用了TCL5618双波形发生器来模拟相位差的改变，并在电容投切装置处设置了LED指示灯进行成功性判断。当接入5V电压源以后，OLED显示器就会实时显示当前的相位差数据，我们利用按键来调整TLC5618双波形的之间的相位关系，当相位差超过16°时就会使得继电器一接通，且旁边的LED灯被点亮，OLED显示器显示相位变化16°和继电器TJ1投入；当相位差超过32°时就会使得继电器一、二都接通，且旁边的LED等均被点亮，OLED显示器显示相位变化32°和继电器TJ1、TJ2投入，如图21所示；若相位角相差较大就会使得补偿器报警（蜂鸣器发出有规律的间断响声），且波形发生器傍边的LED会跟随蜂鸣器的响声不断闪烁，如图22所示。图21相位差32°投切图图22相位差128°报警图结论本文主要是在无功补偿技术理论分析的基础上，充分挖掘国内外的电力能源发展现状，从而设计出一种基于STC89C52单片机的电力系统无功补偿器，它是通过对电力线路的电流电压的检测，判断出三相交流电的各相相位差，可以实现对电力系统中的功率因素进行补偿和修正，从而提高电力系统的电能质量及利用率。正常运行时的功率因素为0.95，这能够更好的发展电力，更有助于提高发电厂的工作效率，其主要特点为：本文设计的基于STC89C52单片机做的一个电力系统无功补偿器。它在维护、操作方面表现良好，并能够对电网中的无功调节实现快速的投切控制，并能够满足电力系统中的无功补偿要求，给予很好的电网电压质量。（2）该装置采用了高可靠性、高稳定性的ADC0832芯片作为电压相位测量单元。同时，在电路设计方面该设备起到了简化外围电路设计的作用，这减少了因元器件太多带来的经济性较高的问题，也解决了电路设计复杂的情况，故它具有较好的推广价值。（3）能够提高电网电路中控制器的可靠性。由于无功补偿装置直接应用于电网中，电网系统对补偿装置的干扰十分严重。因此要合理设计电网补偿控制电路，保证装置能够在严重干扰环境下，精确的测量出补偿所需要的相关电路参量，做到准确对电力电容进行实时投切。（4）能够提高电网电路控制的快速性。本设计在芯片的选用和电路连接方面采用精细化选用设计，这在动态性能方面起到了快速响应的效果，做到实时投切。总之，无功补偿技术的研究具有广阔的应用前景，其控制策略、控制方法有待于进一步的研究和探讨。参考文献[1]黎春荣,王澳,陈浩,刘开瑞.基于单片机的电力系统无功就地补偿器设计[J].科技资讯,2020,18(25):59-6