【正文】 些設(shè)施不會完全有效的工作 ,惡化了電網(wǎng)供電質(zhì)量 ,在嚴(yán)重的情況下可能會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓完全的崩潰 ,造成了大面積停電的情況 。 電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗元件主要是電感性的，因?yàn)殡姼行缘谋旧硖匦?，所以，為了提供有效的有功功率，就會需要傳輸端和電氣終端的電壓有一個相位差，它可以實(shí)現(xiàn)在較寬的范圍里面，為了提供無功功率，則需要它們兩端的電壓有 1 個幅值差，但是這只可以實(shí)現(xiàn)在一個非常窄的范圍里面。并且不止大多數(shù)的元件需要消耗無功功率，大多數(shù)的負(fù)載同樣也需要消耗無功功率，因此，最大的不合理的地方就是這么多的無功功率如果都讓發(fā)電設(shè)備供給并讓它長距離的輸送，而且通常這種情況也不大可能。 很多人都知道以前的無功功率補(bǔ)償裝置為并聯(lián)電容 器和同步調(diào)相機(jī)。而同步調(diào)相機(jī)的原理可以認(rèn)為是產(chǎn)生無功功率的同步電動機(jī)。在實(shí)際的工作中，如果我們需要一些大小不同的感性或者容性的無功功率的時候，我們可以通過這個同步電動機(jī)的勵磁來調(diào)節(jié)，這個調(diào)節(jié)并不難，只要讓它工作在欠勵磁或者過勵磁的狀態(tài)就可以了。所以同步調(diào)相機(jī)是個不錯的工具，但是同步調(diào)相機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)類的設(shè)備 ,它的噪音和損耗在運(yùn)行中都是比較大 第 6 頁 共 65 頁 的 ,并且運(yùn)行和維護(hù)復(fù)雜 ,而且反應(yīng)慢 ,很難滿足要求的快速動態(tài)補(bǔ)償。但并聯(lián)電容器就簡單多了，它的經(jīng)濟(jì)性、靈活性、方便性都是不錯的 ,唯一的有點(diǎn)不好的地方是它的阻抗是一定的 ,不能夠按 照負(fù)載無功功率需求變化 ,也就是說無法實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功功率補(bǔ)償。 隨著電力電子器件快速的發(fā)展，無功補(bǔ)償控制器在也在某種意義上體現(xiàn)了不同的發(fā) 展 階 段 。 無 功補(bǔ) 償 控 制器 己 由 基 于 SCR 的 靜 止 無功 補(bǔ) 償 器（ Static Var CompensatorSVC）、晶閘管控制串聯(lián)電容補(bǔ)償器（ Thyristor Controlled Series CompensatorTCSC）發(fā)展到基于 GTO 的靜止無功發(fā)生器（ Static Var GeneratorSVG）、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（ StaticSynchoronous Series CompensatorSSSC）。 針對以上背景，以及現(xiàn)有產(chǎn)品的一些缺陷，本文提出一種新型簡單的技術(shù)方案以實(shí)現(xiàn)基于 51 單片機(jī)無功功率補(bǔ)償裝置，以 51 單片機(jī)為主控芯片，控制繼電器組控制補(bǔ)償電容的大小，然后通過功率因數(shù)檢測電路，電壓電流檢測模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，液晶顯示電路，鍵盤控制電路，數(shù)據(jù)儲存電路構(gòu)成的補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的功率因數(shù)補(bǔ)償，這種補(bǔ)償具有簡單，靈活，不容易引起電網(wǎng)的震蕩。 本設(shè)計的要求 本次設(shè)計所需要做的工作是：在無功功率補(bǔ)償裝置要求和電網(wǎng)（ 220,100A）情況下， 設(shè)計了基于 51 單片機(jī)的無功功率補(bǔ)償裝置。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計內(nèi)容包括：功率因數(shù)檢測電路，電容自動投切電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，控制電路單元和人機(jī)交互單元的設(shè)計六個部分。其中控制系統(tǒng)采用 STC89C52 作為核心控制器。軟件系統(tǒng)包括人機(jī)交互界面設(shè)計以及功率因數(shù)檢測，電容投切等設(shè)計三大部分程序設(shè)計。最后，通過系統(tǒng)仿真測試系統(tǒng)的使用性。 本設(shè)計的詳細(xì)任務(wù)要求是： （ 1）了解 51 單片機(jī)的特點(diǎn)，使用方法以及相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)； （ 2）掌握無功補(bǔ)償裝置的工作原理 ； （ 3）設(shè)計出基于單片機(jī)的無功功率補(bǔ)償電路，設(shè)計出裝置的總體方案； （ 4）該電路能實(shí)現(xiàn)對電路的功率因數(shù)檢測，控制電容組投切功能； （ 5）該電路能實(shí)現(xiàn)對電路的電壓電流測量，測量數(shù)據(jù)存儲功能 （ 6）該電路要求有友好的人機(jī)交互界面，能方便顯示當(dāng)前電路的電壓電流值，以及當(dāng)前的無功功率因數(shù)值，以及需要補(bǔ)償電容值和實(shí)際補(bǔ)償電容值。 （ 7）完成該電路的系統(tǒng)仿真已驗(yàn)證所設(shè)計產(chǎn)品是否滿足以上要求 第 7 頁 共 65 頁 論文的內(nèi)容和論文的結(jié)構(gòu)安排 1）通過任務(wù)要求分析，本文主要完成如下幾個設(shè)計內(nèi)容： A 設(shè)計出基于電壓電流互感器的功率因數(shù)測量電路； B 設(shè)計出信號調(diào)理電路以及 AD 轉(zhuǎn)換電路； C 設(shè)計 出電容組投切控制電路以及控制電路； D 設(shè)計出人機(jī)交互電路； E 設(shè)計出滿足整個任務(wù)要求的系統(tǒng)的軟件開發(fā)； F 設(shè)計出基于 PROTUSE 的控制系統(tǒng)仿真電路。 2） 論文結(jié)構(gòu)安排如下： 第一部分，介紹本設(shè)計的背景，分析無功功率補(bǔ)償裝置電路背景及實(shí)用意義，同時闡明本文的機(jī)構(gòu)安排。 第二部分，分析基于單片機(jī)無功功率補(bǔ)償?shù)脑?，并對所用控制器芯片進(jìn)行介紹。 第三部分，完成整個系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。 第四部分，完成系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計。 第五部分，完成本設(shè)計的系統(tǒng)調(diào)試，并分析解決調(diào)試中遇到的問題。 最后，對文章進(jìn)行了總結(jié)與展望 第 8 頁 共 65 頁 2 系統(tǒng)方案總體設(shè)計 系統(tǒng)需求分析 根據(jù)任務(wù)書要求：本文要設(shè)計出一套基于單片機(jī)的無功功率補(bǔ)償裝置。并完成對系統(tǒng)電路的仿真。該系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為： 1） 該電路能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓電流測量； 2） 該電路能實(shí)現(xiàn)無功功率因數(shù)檢測，電容組自動投切功能； 3） 該電路要求有友好的人機(jī)交互界面，能方便顯示當(dāng)前電路的電壓電流值，以及當(dāng)前的無功功率因數(shù)值，以及需要補(bǔ)償電容值和實(shí)際補(bǔ)償電容值。 通過建模仿真驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。 無功功率裝置原理 電網(wǎng)的輸出功率由兩部分組成；一個是有功功率 ,一 個是無功功率。在同一個電路里面，電容和電感中的電流矢量的方向是完全相反的，基本是一個向東一個向西。所以在電路中可以使電感和電容的電流相互抵消，使電壓和電流的矢量之間的夾角縮小，要實(shí)現(xiàn)這些就可以在電路中安裝一些電容元件進(jìn)行投切到電網(wǎng)中。 無功補(bǔ)償?shù)氖马椃绞绞?，將感性元器件電感和容性元器件電容并?lián)在一起，使他們之間的能量進(jìn)行互換，可以使他們之間的能量相互補(bǔ)充。 無功補(bǔ)償?shù)囊饬x ⑴補(bǔ)償無功功率，可以增加電網(wǎng)中有功功率的比例常數(shù)。 ⑵可以減少設(shè)計發(fā)電機(jī)的運(yùn)行中需要的最大容量，并且消減制作的成本，當(dāng)功率因數(shù)從低向高增加的時候，如果要節(jié)約設(shè)計中的設(shè)備容量，只要裝設(shè)容性的器件就可以了，基本上相當(dāng)與 的設(shè)備容量等于 1Kvar 的容性器件的容量，相反的，增加了發(fā)供電的容量，對原來設(shè)備就是增加了 的設(shè)備容量。 ⑶還可以降低線路損耗，由公式 %100)c o s/c o s1( 21 ???? ??P 得出前后的功率因數(shù)， 1cos? 為補(bǔ)償前的系統(tǒng)的原有功率因數(shù)，而 2cos? 為補(bǔ)償后的系統(tǒng)功率。則：12 coscos ?? ? ，所以只要將功率因數(shù)提升后，不止能減少容量大小的設(shè)計，減少了花費(fèi)，在同時還能減少它的線路損耗，這樣就可以提高電網(wǎng)中發(fā) 電設(shè)備對負(fù)荷輸送的有功功率比例。還有供電行業(yè)的運(yùn)行效益主要是被線路損耗的大小所影響著。所以，考核運(yùn)行效益的 第 9 頁 共 65 頁 其中一個重要指標(biāo)就是功率因素，那么，無功補(bǔ)償?shù)挠媱澓瓦M(jìn)行在當(dāng)前情況下是一定要進(jìn)行的 系統(tǒng)方案選擇 基于任務(wù)需求，無功功率補(bǔ)償裝置檢測中的各種電路有很多方案，下面將分析各方案優(yōu)缺點(diǎn)。 基于單片機(jī)的功率因數(shù)檢測方案選擇 方案一：利用單片機(jī)外部中斷測量。利用電壓電流互感器將電網(wǎng)中的電壓電流轉(zhuǎn)換成信號調(diào)理電路可以處理的電壓電流值，利用比較器構(gòu)成的過零比較電路將正弦波轉(zhuǎn)換成同相位的電路，將兩個方 波信號分別接入到單片機(jī)的外部中斷中，通過測量相位差 ? ，來測量該電路的功率因數(shù)為 ?cos 。 該方案實(shí)用性和可靠性強(qiáng)，能夠簡單的實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)測量，同時便于安裝。本方案實(shí)現(xiàn)起來硬件簡單，軟件比較容易實(shí)現(xiàn)，并且軟件計算比較簡單，對于處理器的要求不高，在實(shí)際應(yīng)用中可以選用比較便宜的單片機(jī)來處理，可以很大程度上降低成本以及難度，然而精度不是很高。 方案二：利用 AD0809 測量方案。該方案中利用 AD0809 多通道并行采樣的特點(diǎn)，測量采集實(shí)時 電壓電流的信號，采用兩點(diǎn)乘積算法對各信號進(jìn)行計算。具體方法是用電氣角度2/? 為采樣間隔的樣本去采集一個周期循環(huán)內(nèi)的兩個數(shù)據(jù)，所以它所要求的數(shù)據(jù)窗寬度是四分之一個周期。對于 50Hz 的工頻來說就是 5ms。在一個周期內(nèi)所采集的兩個數(shù)據(jù)需要保證在 5ms 的間隔。這個時間一般由單片機(jī)的定時器來實(shí)現(xiàn)。按照這個方法來計算電壓電流的有效值和電路的有效值 U 和阻抗 XRZ j?? ，則 ZR/cos ?? 。 該方案電路結(jié)構(gòu)簡單，可以同時測量電網(wǎng)的電壓電流值以及功率因數(shù)。但是由于在電路中擁有大量的計算，包括平方運(yùn)算，開方運(yùn)算以及復(fù)數(shù)運(yùn)算，對于單片機(jī)的要求比較高，并且擁有大量的要數(shù)據(jù)存儲，明顯提升了電路成本以及軟件開發(fā)難度。 方案三：專業(yè)的芯片 ADE7763 測量方案。利用多功能計量芯片 ADE7763 來實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的測量。該芯片將 AD 轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理功能集成到單個芯片內(nèi)，能能夠完成有功電能，視在電能等菜蔬的準(zhǔn)確測量，依據(jù)有功電能和視在電能，就可以有微控制器計算出功率因數(shù) SP/cos ?? 。 第 10 頁 共 65 頁 該方案結(jié)構(gòu)簡單，測量精度很高。然而，由于使用專業(yè)的測量芯片，在電路中與微控制器連接起來比較簡單，但是電路成本比較高，并且在控制過程中，對于微控制器要求也比較高，數(shù)據(jù)量存儲要求也比較多，在實(shí)際中使用成本較高，軟件難度也比較大。 綜合以上方案對比分析，本設(shè)計功率因數(shù)測量選用方案一。 無功功率補(bǔ)償方案選擇 在測量功率因數(shù)方案確定為基于單片機(jī)的中斷法測量后，確定利用測量的功率因數(shù)來進(jìn)行無功功率補(bǔ)償方案如下。 方案一：并聯(lián)電容器進(jìn)行無功功率補(bǔ)償方案。靜止電容器供給的無功 功率 fQ 與所在借點(diǎn)的電壓 V的平方成正比。 靜止電容器的的結(jié)構(gòu)還是比較簡單的，因?yàn)樗褪怯蓭讉€部件組成的，而裝機(jī)的體積可以大點(diǎn)也可以根據(jù)情況搞小一點(diǎn)，而且又可以一起使用或者分開裝來實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償無功功率。在運(yùn)行中，如果我們要實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償，我們可以調(diào)節(jié)電容器的功率，方法有很多種，常見的是可以將電容器組合成幾組，分成不同的大小組，然后可以根據(jù)負(fù)荷和電路中的變化，按需求分組切除或者投入各組，那樣，通過繼電器投切電容器就可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功率的調(diào)節(jié)了。我們可以根據(jù)這 個原理來簡單的實(shí)現(xiàn)我們這個設(shè)計的需求。 該方法很有經(jīng)濟(jì)性和靈活性，而且它的損耗低，并且安裝和維護(hù)都很方便，所以，在實(shí)際中我們也經(jīng)常用到。 方案二：同步調(diào)相機(jī)無功補(bǔ)償方案。該方案下，調(diào)相機(jī)就相當(dāng)于一臺不帶載運(yùn)行的電動機(jī)。在過勵磁運(yùn)行時，它想讓系統(tǒng)供給感性無功功率而起無功電源作用，能夠提供系統(tǒng)電壓；在欠勵運(yùn)行時，它想讓系統(tǒng)提供感性無功功率而用來起到無功負(fù)荷作用，可降低系統(tǒng)電壓。 在本次設(shè)計中，在欠勵運(yùn)行的時候，系統(tǒng)發(fā)出感性的無功功率給它吸收而起到了無功負(fù)荷的作用，可降低系統(tǒng)電壓。該方案因?yàn)樵谶\(yùn)行中的實(shí)際需要還有 穩(wěn)定性的要求，過勵磁的最大容量的一半左右才是欠勵磁的最大容量。 綜合以上方案的優(yōu)缺點(diǎn)，聯(lián)系本課題研究的對象，基于 51 單片機(jī)的無功補(bǔ)償裝置設(shè)計，結(jié)合實(shí)際情況，選擇方案一為無功功率補(bǔ)償方案。 第 11 頁 共 65 頁 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成 51單片機(jī)液 晶 顯 示器鍵 盤電 壓 互 感器 電 路電 流 互 感器 電 路過 零 比 較器 電 路過 零 比 較器 電 路電 網(wǎng) 電 壓電 流 信 號信 號 調(diào) 理電 路 電 路A D 模 數(shù) 轉(zhuǎn)換 電 路電 容 投 切 電 路數(shù) 據(jù) 存 儲 電 路功 率 因 數(shù) 測 量電 壓 電 流 測 量人 及 交 互 電 路中 斷 0中 斷 1 圖 1 系統(tǒng)框圖 通過 節(jié)方案選擇，本文已經(jīng)確定了系統(tǒng)總體的方案設(shè)計。如圖 1 所示為系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)硬件電路系統(tǒng)硬件電路包括功率因數(shù)測量電路，信號調(diào)理電路， AD 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，電容投切電路，液晶顯示器 （ lcd1602 字符型液晶），數(shù)據(jù)存儲電路 6大部分。 系統(tǒng)原理 系統(tǒng)原理，系統(tǒng)是基于 51 單片機(jī)的無功功率補(bǔ)償裝置設(shè)計，在系統(tǒng)中，利用 51單片機(jī)作為主控制器，利用電壓電流互感器將電網(wǎng)上的電壓電流變換成在 V5? 以內(nèi)的小信號，經(jīng)過過零比較電路將信號轉(zhuǎn)換成與原信號正弦波同相位的方波，然后分別將這兩個方波信號輸送給 51 單片機(jī)兩個外部中斷，分別利用著兩個外部中斷控制 51 單片機(jī)的定時器 /計數(shù)器 1的啟動和停止，利用兩個方波的下降沿來測量兩個方波的之間的時間差 t? ，通過時間差就可以求出相位差 ? ，功率因數(shù)就是 ?cos ；測量出功率應(yīng)屬后通過利用單片機(jī)的內(nèi)部運(yùn)算計算出需要補(bǔ)償?shù)碾娙葜担ㄟ^單片機(jī)驅(qū)動繼電器來控制并聯(lián)電容的投切，從而使電網(wǎng)的功率因數(shù)達(dá)到 以上。 第 12 頁 共 65 頁 另外在系統(tǒng)中，還對系統(tǒng)的電壓電流進(jìn)行了測量，利用幅值檢測電路將正弦波信號幅值檢測出來，通過利用 AD0832 分別測量電網(wǎng)電壓以及電流值，并且計算出當(dāng)前電網(wǎng)的有功功率和武功功率。 系統(tǒng)還設(shè)置了包括以液晶 LCD1602 和鍵盤構(gòu)成的人及交互電路，在人機(jī)交互電路中，利用指示燈指示系統(tǒng)功率因數(shù)的測量是否在正確的運(yùn)行，利用液晶 1602 來顯示電網(wǎng)的電壓，電流以及功率因數(shù)等參數(shù)，也可以顯示對比補(bǔ)償前后的功率因數(shù)的變化，用于這些測量可以方便的得出補(bǔ)償前后系統(tǒng)的特性。 第 13 頁 共 65 頁 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 如圖 1所示中，本設(shè)計硬件電路設(shè)計