【正文】 中工信商2013JX16 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì) 系 （部）信息工程系專 業(yè)自動(dòng)化學(xué) 號(hào)201207022141學(xué)生姓名崔民正指導(dǎo)教師賀煥林提交日期2014年 月 日中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）目錄第一章 11．1 研究背景 11．2 無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展?fàn)顩r 11．3 本課題主要研究的內(nèi)容 4第二章 無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑?52．1 無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑?62．2 低壓電網(wǎng)中的幾種無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?82．3 確定補(bǔ)償容量的幾種方法 92．3．1 從提高功率因數(shù)需要確定補(bǔ)償容量 92．3．2 從降低線路有功損耗需要來(lái)確定補(bǔ)償容量 92．3．3 從提高運(yùn)行電壓需要來(lái)確定補(bǔ)償容量 102．4 本章小結(jié) 10第三章 硬件設(shè)計(jì) 113．1 無(wú)功補(bǔ)償裝置的技術(shù)要求 113．1．1 補(bǔ)償控制應(yīng)符合技術(shù)條件 11 測(cè)量精度 11 控制器原理 113．2 硬件介紹 123．2．2 A/D轉(zhuǎn)換器選型 143．2．3 看門狗 163．2．4 LCD顯示 173．3 模擬信號(hào)調(diào)理電路 193．3．1 互感器信號(hào)轉(zhuǎn)換及電流—電壓轉(zhuǎn)換電路 193．3．2 電壓、電流采樣及信號(hào)處理電路 203．4 輸出控制電路 213．5 本章小結(jié) 22第四章 軟件設(shè)計(jì) 234．1 投切原則 234．2 功率因數(shù)計(jì)算 244．3 本章小結(jié) 26第五章 總結(jié)與展望 27參考文獻(xiàn) 28致謝 29附錄1：硬件結(jié)構(gòu)圖 30附錄2 ：軟件程序 30摘 要 本課題研究以低壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償改造為背景，研制了一種低壓無(wú)功功率補(bǔ)償控制器。作為一種非實(shí)時(shí)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，該裝置以定時(shí)的電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，以城鎮(zhèn)低壓網(wǎng)(220V)的無(wú)功補(bǔ)償為對(duì)象。本文主要研究了無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)性能的改善，以及控制器的軟硬件的配置。 系統(tǒng)采用單片機(jī)，該單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的CMOS 8位單片機(jī)，具有運(yùn)算速度高，實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)；軟件則使用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編譯；人機(jī)操作界面采用LCD顯示,顯示效果較好；A/D轉(zhuǎn)換采用，是一款比較實(shí)用的A/D轉(zhuǎn)換裝置。該裝置可跟蹤電網(wǎng)無(wú)功功率的變化并自動(dòng)補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化運(yùn)行,具有體積小、原理簡(jiǎn)單、智能投切等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償，單片機(jī)，低電壓Design of low voltage reactive power pensation controllerAbstractWhat this article studies is based on the alteration of reactive power pensation of low voltage, then design an equipment for reactive power pensation of low voltage. As a kind of reactive power pensation, this equipment is basis on the electrical network monitor data ,and provides reactive power for city’s low voltage power grids. This thesis has discussed the importance of the reactive power pensation for the power grids ,and introduded the hardware and software of the controller. This device39。s hardware core is AT89C51 SCM , which has many merits such as high operating speed. This monolithic integrated circuit is the low voltage which American ATMEL Corporation produces, a high performance CMOS 8 monolithic integrated circuits。On the software，Using assembly language to pile，F(xiàn)ollow the principle of modular ，To improve the degree of versatility and easy maintenance of the system design。The manmachine operation contact surface uses the LCD demonstration, the demonstration effect is quite good。 A/D transformation uses ADC0809 , it is a section of quite practical A/D switching device. This equipment may track the electrical network reactive power the change and the automatic pensation, and this installment has the volume to be small, the precision is high, the price pared to the higher merit.Key Words: Reactive power pensation SCM(Single Chip Micyoco) Low voltage45第一章 1．1 研究背景 目前，我國(guó)的電網(wǎng)，特別是廣大的低壓電網(wǎng)，普遍存在功率因數(shù)較低、電網(wǎng)線損較大的情況。導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因是眾多的感性負(fù)載用電設(shè)備設(shè)計(jì)落后，功率因數(shù)較低。比如我國(guó)的電動(dòng)機(jī)消耗的電能占全部發(fā)電量的70%，而由于設(shè)計(jì)和使用等方面的原因我國(guó)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)往往較低，一般約為。在這種情況下，采用無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)，對(duì)提高電能質(zhì)量和挖掘電網(wǎng)潛力是十分必要的，世界各國(guó)都把無(wú)功補(bǔ)償作為電網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分。從我國(guó)電網(wǎng)功率因數(shù)和補(bǔ)償深度來(lái)看，我國(guó)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家有不小差距。因此大力推廣無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)是非常必要的，并且從以下數(shù)據(jù)，我們也能看出發(fā)展無(wú)功補(bǔ)償所能帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)效益。2007年 ，我國(guó)年總發(fā)電量為32559億千瓦時(shí)，%，但是這個(gè)數(shù)字沒(méi)有包含相當(dāng)大的110千伏、35千伏、。據(jù)報(bào)道，估計(jì)實(shí)際的統(tǒng)計(jì)線損率約為15%，即2007年全國(guó)年線損量約為4800億千瓦時(shí)。設(shè)全國(guó)的理論線損與統(tǒng)計(jì)線損相一致，其中可變線損約占理論總線損的80%，則年可變線損電量約為3900億千瓦時(shí)。設(shè)當(dāng)前全國(guó)電力網(wǎng)總負(fù)荷的當(dāng)前功率因數(shù)，采用無(wú)功功率補(bǔ)償后，把電力網(wǎng)總負(fù)荷的功率因數(shù)提高到，則每年可以降低線損約為390億千瓦時(shí)，價(jià)值約為185億元。設(shè)2007年全國(guó)電網(wǎng)的最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為5000小時(shí)，則電網(wǎng)的最大負(fù)荷約為2億千瓦，當(dāng)用無(wú)功功率補(bǔ)償法把功率因數(shù),提高到。當(dāng)前無(wú)功功率補(bǔ)償裝置設(shè)備主要為電力電容器，設(shè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備每千瓦的平均綜合造價(jià)為50元，則全國(guó)無(wú)功補(bǔ)償裝置的總投資約為29億元。應(yīng)當(dāng)指出，節(jié)省240億千瓦時(shí)約相當(dāng)于一座400萬(wàn)千瓦火電廠的年發(fā)電量，而建一座400萬(wàn)千瓦的火電廠需綜合費(fèi)用約為300億元，同時(shí)每年需燃燒煤約為1200萬(wàn)噸，每年產(chǎn)生,等有害物質(zhì)約為600萬(wàn)噸。由此可見(jiàn)，產(chǎn)生相同的電力，無(wú)功補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用約為新建電廠費(fèi)用10%，而且無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的費(fèi)用僅需兩個(gè)月的無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)膶p節(jié)電費(fèi)用即可全部收回。綜上所述 ，無(wú)功補(bǔ)償不僅具有如上所述的節(jié)省投資、節(jié)省電力、節(jié)省燃煤及污染等作用，同時(shí)還可以提高電力系統(tǒng)設(shè)備的供電能力，改善電壓質(zhì)量，減少用戶電費(fèi)開(kāi)支，延緩用戶的增容改造等作用。1．2 無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展?fàn)顩r 近20年來(lái)，世界各地（包括美國(guó)、法國(guó)、意大利、英國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)）發(fā)生的由電壓穩(wěn)定和電壓崩潰引發(fā)的大面積停電事故引起了各國(guó)的高度重視。持續(xù)了短短72美加大停電給美國(guó)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，這次事故提醒人們，電網(wǎng)運(yùn)行要有足夠的無(wú)功備用容量，無(wú)功不能靠遠(yuǎn)距離傳輸，在電力市場(chǎng)環(huán)境下，必須制定統(tǒng)一的法規(guī)以激勵(lì)獨(dú)立發(fā)電商和運(yùn)營(yíng)商從維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)安全性的角度提供充足的無(wú)功備用。在我國(guó)也曾多次發(fā)生電壓崩潰事故，如1993年和1996年南方電網(wǎng)的幾次事故，這些事故都促使人們采取各種措施以維持電網(wǎng)穩(wěn)定。 早期的無(wú)功補(bǔ)償裝置為并聯(lián)電容器和同步補(bǔ)償器，多用在系統(tǒng)的高壓側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償。至今并聯(lián)電容器仍是一種主要補(bǔ)償方式，應(yīng)用范圍廣泛，只是控制器在不斷的更新發(fā)展。同步補(bǔ)償器的實(shí)質(zhì)是同步電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電流發(fā)生改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)可隨之平滑的改變輸出無(wú)功電流的大小和方向，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有好處。但同步補(bǔ)償器成本高，安裝復(fù)雜，維護(hù)困難，使其推廣使用受到限制。 隨著近代電力電子技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也隨之發(fā)展。在第一個(gè)工業(yè)用晶閘管出現(xiàn)之前，電子半導(dǎo)體由于功率過(guò)小，在直流傳動(dòng)，交流傳動(dòng)，電磁合閘，交流不間斷電源和無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域內(nèi)一直沒(méi)有得到應(yīng)有的推廣使用。晶閘管的出現(xiàn)標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生，并以此為起點(diǎn)，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，新型的電力電子器件不斷問(wèn)世，由此引發(fā)了眾多行業(yè)的變革，如交流變頻調(diào)速技術(shù)的蓬勃發(fā)展。同樣電力電子技術(shù)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也帶來(lái)了新的發(fā)展鍥機(jī)。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)和電力電子技術(shù)的結(jié)合主要有以下三方面：1．是作為投切電容器的開(kāi)關(guān)。因?yàn)殡娏Π雽?dǎo)體開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間短(PS級(jí))，所以能夠選擇電容的投切角度，實(shí)現(xiàn)零電壓投切，避免了涌流的產(chǎn)生，提高了電容器使用的可靠性和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)代并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置中的輸出回路就引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)。2．是作為無(wú)功輸出的調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)。由于電力電子器件的高開(kāi)關(guān)頻率，使其能夠方便地控制電容器電流的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功的連續(xù)調(diào)節(jié)，快速跟蹤負(fù)載無(wú)功的變化。靜止型無(wú)功補(bǔ)償器是其中的代表。3．是引入電力電子變流技術(shù)，將變流器作為無(wú)功電源來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功的輸入和輸出，起到補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功的作用。經(jīng)常用的是靜止調(diào)相機(jī)和有源濾波器。由無(wú)功補(bǔ)償源在主電路回路中連接方式的不同，無(wú)功補(bǔ)償器可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)。依據(jù)電力電子技術(shù)在無(wú)功補(bǔ)償中應(yīng)用的方式不同，現(xiàn)代無(wú)功補(bǔ)償裝置大致可分為以下幾種類型： 1． TSC (Thyristor Switched Cpacitor)型無(wú)功補(bǔ)償裝置，它屬于并聯(lián)型無(wú)功補(bǔ)償裝置。主回路如圖11所示，是由多臺(tái)電力電容器并聯(lián)以及由可控硅構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。裝置根據(jù)無(wú)功電流的大小來(lái)決定投入電容組數(shù)。由此可見(jiàn)TSC的無(wú)功調(diào)節(jié)是有級(jí)的，它無(wú)法連續(xù)的輸出無(wú)功，這使其在使用中存在合理選擇電容，適當(dāng)分級(jí)的問(wèn)題。但它的優(yōu)點(diǎn)也明顯，即結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，電容器利用率高，使用中不存在諧波污染等。 圖 11 TSC 型無(wú)功補(bǔ)償裝置主回路2． FC TCR( Fixed capacitorThyristor Controlled Reactor)型無(wú)功補(bǔ)償裝置，它屬于并聯(lián)型無(wú)功補(bǔ)償裝置。其主回路如圖12所示。FCTCR方式是用雙相可控硅的相位控制，調(diào)整電