【正文】 抗器的電流，從而調(diào)整無功功率的方式。當(dāng)以電壓零相位為基準(zhǔn)時(shí)，調(diào)節(jié)TCR中的可控硅的延遲角?？梢詮牡椒秶鷥?nèi)變化。補(bǔ)償器的電流，此電流可隨角的變化而變化為感性或容性，這樣就改變了FCTCR的無功功率，并可連續(xù)均勻的調(diào)節(jié)。由于TCR中除可控硅全導(dǎo)通或關(guān)斷之外器電流都是非正弦的，所以它是一個(gè)電流諧波源，對電網(wǎng)有一定的危害。該裝置在電容和電感之間形成無功損耗，電容利用率低并且電抗器體積較大，成本高。圖12 FCTCR型無功補(bǔ)償器的主回路3．靜止調(diào)相機(jī)ASVC (Advantage Static Var Compensator),屬于串聯(lián)型補(bǔ)償器。它由于輸出電壓可超前或滯后系統(tǒng)電壓，因此可以和系統(tǒng)進(jìn)行有功、無功之間的交換。它可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功，并且能夠抑制諧波，補(bǔ)償特性較好。但該系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，制造和維護(hù)都不便，成本高等問題，不便在全國推廣使用。1．3 本課題主要研究的內(nèi)容本文研究的主要有兩方面：一是無功補(bǔ)償?shù)幕纠碚摵碗娋W(wǎng)中最佳補(bǔ)償方式的探討。首先是對無功補(bǔ)償中一般問題進(jìn)行分析，其次是對無功補(bǔ)償計(jì)算方案的分析。二是在傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上，對其控制器和動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，從而開發(fā)出一種智能無功補(bǔ)償器。文中對這種補(bǔ)償器的控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)作了較詳盡的分析。 第二章 無功補(bǔ)償?shù)脑黼娏W(wǎng)中的變壓器和電動(dòng)機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工做的。磁場所具有的磁場能是由電源供給的。電動(dòng)機(jī)和變壓器在能量轉(zhuǎn)換過程中建立交變磁場，在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率稱為感性無功功率。接在交流電網(wǎng)中的電容器，在一個(gè)周期內(nèi)上半周的充電功率與下半周的放電功率相等，這種充電功率叫做容性無功功率。所以無功功率被使用于建立磁場和靜電場，它存儲(chǔ)于電感和電容中，通過電力網(wǎng)往返于電源和電感、電容之間。無功功率在電力網(wǎng)元件中流動(dòng)，將會(huì)在電力網(wǎng)元件中引起電壓損耗和功率損耗，降低電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，增加電網(wǎng)的線損率。 圖 2. 1 由局部電力網(wǎng)的等值電路圖由局部電力網(wǎng)的等效電路圖2．1可知，電力網(wǎng)中由于無功負(fù)荷而帶來的電壓損耗的計(jì)算公式為：式中：——電網(wǎng)的額定電壓 ——元件的末端電壓 ——電網(wǎng)中的電壓和電流的差角 R X——電網(wǎng)中元件的等效電阻和電抗 ——元件末端的有功負(fù)載和無功負(fù)載由上式可知由負(fù)荷的無功功率在元件引起的損耗的計(jì)算公式為： 而由負(fù)荷的有功功率在元件中引起的電壓損耗的計(jì)算公式為：?？梢姷脑娮栊∮陔娍沟碾娋W(wǎng)中，無功引起的電壓損耗占主要部分。 電網(wǎng)中的線損公式如下：式中：，其中有功線損的計(jì)算公式為： R這其中由于無功功率在電網(wǎng)中流動(dòng)而引起的有功線損的計(jì)算公式為： 由上述分析可見，要減少電力網(wǎng)中的電壓損耗和電網(wǎng)的線損率，提高用戶端的電壓質(zhì)量的重要措施之一，是減少電力網(wǎng)元件中的無功傳輸，可以從提高負(fù)荷的自然功率因數(shù)和進(jìn)行無功補(bǔ)償兩方面來解決這個(gè)問題。2．1 無功補(bǔ)償?shù)脑韺㈦娙萜骱碗姼胁⑦B在同一電路中，電感吸收能量時(shí)，正好電容器釋放能量，而電感放出能量時(shí)，電容器卻在吸收能量。能量就在它們之間交換，即感性負(fù)荷(電動(dòng)機(jī)、變壓器等)所吸收的無功功率，可由電容器所輸出的無功功率中得到補(bǔ)償。因此，把由電容器組成的裝置稱為無功補(bǔ)償裝置。此外，同步電動(dòng)機(jī)等也可以作為無功補(bǔ)償裝置。無功補(bǔ)償?shù)淖饔煤驮砜捎蓤D2．2來解釋：設(shè)電感性負(fù)荷需要從電源吸取的無功功率為，裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置后，補(bǔ)償無功功率為，使電源輸出的無功功率減少為，功率因數(shù)由提高到，視在功率減少到。 圖2. 2 無功補(bǔ)償補(bǔ)償原理示意圖視在功率的減少可相應(yīng)減少供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設(shè)備的投資。例如一臺(tái)1000千伏安的變壓器， 時(shí)，可供700千瓦的有功負(fù)荷，可供900千瓦的有功功率。同一臺(tái)變壓器，因?yàn)樨?fù)荷的功率因數(shù)的提高而可多供200千瓦負(fù)荷，是相當(dāng)可觀的?？梢?，因采用無功補(bǔ)償措施后，電源輸送的無功功率減少了，相應(yīng)的也使電網(wǎng)和變壓器中的功率損耗的下降，從而提高了供電效率。由電壓損耗計(jì)算公式可知，采用無功補(bǔ)償措施后，因通過電力網(wǎng)無功功率的減少，降低了電力網(wǎng)中的電壓損耗，提高了用戶處的電壓質(zhì)量。并聯(lián)電容器的無功補(bǔ)償作用和原理， 加以說明。 并聯(lián)電容器的補(bǔ)償電流向量圖圖中的用電負(fù)荷總電流可以分解為有功電流分量，和無功電流分量(電感性的)。當(dāng)并聯(lián)電容器投入運(yùn)行時(shí)，流入電容器的容性電流與方向相反，故可抵消一部分使電感性電流分量降低為，總電流由降為，功率因數(shù)也由提高到。這時(shí)，負(fù)荷所需的無功功率全部由補(bǔ)償電容供給，電網(wǎng)只需供給有功功率。根據(jù)第一章的有功電流 與無功電流的定義。 電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償原理圖設(shè)負(fù)荷實(shí)際吸收的電流為，為了使輸電線路上流過純有功電流，則需要在負(fù)荷端接入一個(gè)無功補(bǔ)償器，補(bǔ)償器提供的電流為，則這里 的就是無功電流，這就是電力系統(tǒng)中進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)囊c(diǎn)。這是完全的補(bǔ)償，線路上的電流是為產(chǎn)生負(fù)載實(shí)際功率(平均功率)而攜帶能量最小的電流，因而在線路上造成的損失是最小的。此時(shí)，的波形和相同，即電壓和電流的相位相同。2．2 低壓電網(wǎng)中的幾種無功補(bǔ)償?shù)姆绞? 廣大市電低壓電網(wǎng)處于電網(wǎng)的最末端，因此補(bǔ)償?shù)蛪簾o功負(fù)荷是電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。搞好低壓補(bǔ)償，不但可以減輕上一級電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)膲毫Γ铱梢蕴岣哂脩襞潆娮儔浩鞯睦寐?，改善用戶功率因?shù)和電壓質(zhì)量，并有效降低電能損失。低壓補(bǔ)償對用戶及供電部門都有利。 低壓無功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是實(shí)現(xiàn)無功的就地平衡，通常采用地方式有三種： 隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償。 隨機(jī)補(bǔ)償就是將低壓電容器組與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)，通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)共同投切。隨機(jī)補(bǔ)償?shù)貎?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停止運(yùn)補(bǔ)償裝置也退出，不需要頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量。且具有投資少，配置靈活，維修簡單等優(yōu)點(diǎn)。為防止電機(jī)推出時(shí)產(chǎn)生自激過電壓，補(bǔ)償容量一般不大于電機(jī)的空載無功。隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓保險(xiǎn)接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無功的補(bǔ)償方式。有很多的低壓配電網(wǎng)中的變壓器，尤其是農(nóng)網(wǎng)配電變壓器，普遍存在負(fù)荷輕的現(xiàn)象。在負(fù)荷時(shí)接近空載，此時(shí)配電變壓器的空載無功是電網(wǎng)無功負(fù)荷的主要部分。隨器補(bǔ)償由于補(bǔ)在低壓側(cè)，可有效地補(bǔ)償配變空載無功， 且連線簡單， 做到無功地就地補(bǔ)償。跟蹤補(bǔ)償是指以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置。補(bǔ)償電容器組的固定連接可起到相當(dāng)于隨器補(bǔ)償?shù)淖饔?，補(bǔ)償用戶的固定無功基荷；可投電容器組用于補(bǔ)償無功峰荷部分。由于用戶負(fù)荷有一定的波動(dòng)性，故推薦選用自動(dòng)投切方式。此法對電容器的保護(hù)比前二種要更可靠。上述三種補(bǔ)償方式均可對特定種類無功負(fù)荷實(shí)現(xiàn)“就地平衡”的無功補(bǔ)償，降損節(jié)能效果好。2．3 確定補(bǔ)償容量的幾種方法 2．3．1 從提高功率因數(shù)需要確定補(bǔ)償容量設(shè)電網(wǎng)的最大負(fù)荷月的平均有功功率為，補(bǔ)償前的功率因數(shù)為，補(bǔ)償后的功率因數(shù)為，則所需要的補(bǔ)償容量的計(jì)算公式為若要求將功率因數(shù)由提高的而小于，則補(bǔ)償容量計(jì)算為 2．3．2 從降低線路有功損耗需要來確定補(bǔ)償容量 設(shè)補(bǔ)償前線路中的電流為，相應(yīng)的有功電流為，無功電流為，補(bǔ)償無功后線路中的電流為，相應(yīng)的有功電流為，無功電流為，則 補(bǔ)償前的線路損耗為： 補(bǔ)償后的線路損耗為： 則補(bǔ)償后線損降低的百分值為： 若根據(jù)要求已經(jīng)確定，則可求得： 則補(bǔ)償容量可以按來計(jì)算 2．3．3 從提高運(yùn)行電壓需要來確定補(bǔ)償容量 配電線路末端電壓較低，通常是通過無功補(bǔ)償來提高供電電壓的，因此，有時(shí)要從提高線路電壓來確定補(bǔ)償容量。 設(shè)補(bǔ)償前線路電源電壓為，線路末端電壓為，線路輸送的有功功率為，無功功率為，電阻為，電抗為，則 補(bǔ)償無功后，線路末端電壓升為則 所以投入無功補(bǔ)償后末端電壓增量為 故補(bǔ)償容量 若為三相線路，則所需的補(bǔ)償容量為 式中 ——三相線路的線電壓增量，KV ——三相線路的線電壓，KV2．4 本章小結(jié) 本章主要介紹了無功補(bǔ)償?shù)幕驹?，本次設(shè)計(jì)的裝置主要是面向低壓電網(wǎng)的，可以采用從提高功率因數(shù)需要來確定無功補(bǔ)償，同時(shí)又可取標(biāo)準(zhǔn)電壓作為電容器切除標(biāo)準(zhǔn)，這樣既考慮到功率因數(shù)的需要，又考慮到穩(wěn)定電網(wǎng)電壓質(zhì)量的要求。 第三章 硬件設(shè)計(jì)在一系列的理論分析之后，本次設(shè)計(jì)將采用根據(jù)功率因數(shù)來確定補(bǔ)償容量的方法，再根據(jù)當(dāng)前無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，我們采用TSC并聯(lián)電容器型的無功補(bǔ)償裝置。它具有連線和控制方式簡單，電容使用效率高及不產(chǎn)生諧波污染等優(yōu)點(diǎn)。3．1 無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)要求 3．1．1 補(bǔ)償控制應(yīng)符合技術(shù)條件 控制方式：可控硅與接觸器聯(lián)合控制，即在投切時(shí)采用可控硅，正常運(yùn)行時(shí)采用接觸器的方式。 工作方式：動(dòng)態(tài)跟蹤，邏輯判斷，自動(dòng)及時(shí)補(bǔ)償容量。 控制物理量：以無功功率電容器的投切。 補(bǔ)償方式：采用三相共補(bǔ) 自動(dòng)延時(shí)功能：電容器投切延時(shí)至少10秒，同組電容器的投切間隔時(shí)間大于5分鐘 。 保護(hù)功能： 過電壓快速切斷功能：當(dāng)電網(wǎng)電壓大于高壓保護(hù)值時(shí)，自動(dòng)切除全部電容器。. 現(xiàn)場參數(shù)顯示：可現(xiàn)場顯示電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，比如電壓、電流、功率因數(shù)。 測量精度 電壓、電流： 有功功率、無功功率、功率因數(shù)： 控制器原理由以上功能，可得到控制器的機(jī)構(gòu)圖如下 控制器結(jié)構(gòu)原理圖3．2 硬件介紹 AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)（PEROM）和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS—51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元。 主要性能參數(shù)：n 與MCS—51產(chǎn)品指令系統(tǒng)兼容n 4K字節(jié)可重復(fù)擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器n 1000次擦寫周期n 全靜態(tài)操作：0Hz—24MHzn 三級加密程序存儲(chǔ)器n 1288字節(jié)內(nèi)部RAMn 32個(gè)可編程I/O口線n 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器n 6個(gè)中斷源n 可編程竄行UARTn 低功耗空閑和掉電模式 管腳說明： VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流，當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外