【文章內(nèi)容簡介】 補償?shù)囊葡嘌a償?shù)?。本設(shè)計我們將采用 并連電容器補償，主要應(yīng)用單片機技術(shù)，實現(xiàn)對低壓電力系統(tǒng)的監(jiān)控，完成功率因數(shù)的測量，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)進行電容組的投切，以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的功率因數(shù)的補償。 無功補償控制器是無功補償?shù)暮诵?,其性能直接影響補償?shù)男ЧＫ歉鶕?jù)檢測的功率因數(shù)或無功功率 ,按照一定的控制規(guī)則投入 /切除電容器 ,實現(xiàn)對線路進行 無功補償。 在低壓配電網(wǎng)中有相當一部分是感性負荷，它不僅要消 耗大量的有功功率，也要吸收很多的無功功率，從而使功率因數(shù)下降，導致無功電源不足，系統(tǒng)電壓降低，電能損耗增大，這大大影響了電網(wǎng)的供電能力。因此電力部門千方百計要提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，除本身采取相應(yīng)的措施外，更要求每個用戶在其母線上進行功率因數(shù)的補償。即借助于相關(guān)的無功功率補償設(shè)備，及時、正確、必要的提供無功功率補償。由于這個課題涉及面廣，且有較高的經(jīng)濟含量和技術(shù)附加量，因此無功功率補償設(shè)備的研究一直是國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)激烈競爭的項目之一。無功功率補償技術(shù)近年來己越來越引起人們的關(guān)注，它是涉及電力、電子技術(shù)、電氣自動 化技術(shù)和理論電子等領(lǐng)域的重大課題。本設(shè)計著重論述了單片機和計算機控制組成控制系統(tǒng)進行功率因數(shù)自動補償裝置。 我國電網(wǎng)曾在 20世紀 70年代由于缺乏無功功率補償設(shè)備而長期處于低電壓運行狀態(tài)。有些地方想用調(diào)節(jié)變壓器分接頭的辦法來解決本地區(qū)電壓低的問題。開始，這種辦法也有一些效果，某些供電點電壓升高了，但這是以降低別處電壓為代價的，因為總的無功電源不足，局部地區(qū)電壓升高無功負荷增大，必然使別處無功功率更少、電壓更低。各處普遍采用調(diào)節(jié)變壓器分接頭的結(jié)果，不僅沒能提高負荷的供電電壓，而是使得無功損耗加大，整個系 統(tǒng)低電壓問題更加嚴重。在這種情況下，首要的問題應(yīng)該是增加無功功率補償設(shè)備。低壓運行同時對電網(wǎng)安全帶來巨大危害，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，十分脆弱，經(jīng)受不起事故異常及負荷強烈變化對系統(tǒng)的沖擊、十分容易造成大面積的停電和系統(tǒng)瓦解的后果，國內(nèi)外均有此先例。由此可見，合理配置無功電源，進行無功補償是非常重要，我們進行無功補償研究是一個重要的課題。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 2 由于人工投切電容不能及時跟蹤無功負荷的變化，不能始終保持功率因數(shù)和電壓質(zhì)量在規(guī)定范圍，所以無功的自動控制是一個值得研究的課題 無功功率問題，根據(jù)世界各個地區(qū)電力系統(tǒng)近數(shù)十年來 的經(jīng)驗，積累了大量資料。我國電力系統(tǒng)亦同樣積累了很多寶貴的經(jīng)驗。廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中去是有一定重要價值的。 有效的無功補償有非常大的經(jīng)濟效益和社會效益，主要表現(xiàn)在： 1. 減少線路損耗。就全國講，線路損耗約占據(jù) 12%，其中主要是無功分量引起的損耗，若無功線損降低 50%~60%，一年便可節(jié)電 500億度左右，相當于半個三峽工程的發(fā)電量。這種不消耗一次能源，便可增大發(fā)電量的工程是絕好的綠色工程。且投資極小，見效快。 2. 避免罰款。我國電力部及物價局“關(guān)于頒發(fā)《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》通知”中規(guī)定，功 率因數(shù) ，減少電費 %，功率因數(shù) 15%。例如一個315KVA的變壓器，功率因數(shù)從 ，年獎罰差 3~4萬元。 3. 不額外投資，便實現(xiàn)擴容。進行無功補償后，便可提高用電承載率，變壓器可滿負荷運行。例如一臺 315KVA的變壓器， COSф =務(wù) 189KW的有功功率，不能承受 300KW左右的容量，需購買一臺 500KVA的變壓器替換。將功率因數(shù)由 ，相當于擴大了 63%,既有功由 189KW提高到 309KW可基本滿足需 要的容量，便節(jié)省了一臺 500KVA的變壓器，經(jīng)費約三四十萬元。 4. 改善電能質(zhì)量，延長了電器壽命，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 電能質(zhì)量用電壓和頻率二個指標衡量，電壓的穩(wěn)定性取決于無功的平衡。頻率的穩(wěn)定性取決于有功的平衡，而電壓的穩(wěn)定與否又直接影響電器壽命，影響機械加工精度。如果電壓穩(wěn)定性提高 5%僅照明燈（壽命延長 50%）全國一年既可節(jié)約數(shù)億元。至于因電壓不穩(wěn)、供電不足而造成廢品、次品、設(shè)備減壽、停產(chǎn)、停電損失更是難以統(tǒng)計的。 在電網(wǎng)運行中，因大量非線性負載的運行，除了要消耗有功功率外，還要消 耗一定的無功功率。負荷電流在通過線路、變壓器時將會產(chǎn)生功率與電能損耗，由電能損耗公式可知，當線路或變壓器輸送的有功功率和電壓不變時，線損與功率因數(shù)的平方成反比。功率因數(shù)越低電網(wǎng)所需無功就越多，線損就越大。因此，在受電端安裝無功補償裝置，可減少負荷的無功功率損耗，提高功率因數(shù)，降低線損耗。 在電力系統(tǒng)中要設(shè)法減小相位差 ? ，提高 cos? 值，稱為提 高功率因數(shù)，以降低無功功率，減少電能損失。由 ? = 22a r c c o s ()LCRR X X? ??式 看 出， 若 能使(XLXC)為零，則 ? 值為最小，功率因數(shù)最高，就是說如能使感抗和容抗最大限度地相互抵消，則線路中功率因數(shù)為最高。由容抗抵消感抗 (反之亦然 )從而減小 ? 的方法稱為功率因數(shù)補償。進行功率因數(shù)補償可以： 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 3 1. 降低無功電流，減小線路及變電設(shè)備的損耗。線路損耗的功率與負載電流平方成正比，功率因數(shù)提高了，無功電流大大減小，則線路上的損耗也大大減小了。 2. 可以改善供電電壓質(zhì)量。當功率因數(shù)提高后由于容性負載的加入，使線路末端的電壓平滑，起到了穩(wěn)定電壓的作用。 3. 提高系統(tǒng)的裕度。當系統(tǒng)的設(shè)備容量不變時，提高功率因數(shù)，相當于增加負載的容量。 4. 提高電路的功率因數(shù)不是負載本身的功率因數(shù)有什么改變而是 負載本身的性能及指標將不受任何影響。 由此可見，提高功率因數(shù)，不但是當今能源形勢的緩兵之策，也是關(guān)系到國計民生的長遠政策。能源是有限的，既然是不可再生的，我們唯一能做的就是減少浪費，高效合理的利用它們，這才是明智之舉，是我們除了尋找代替能源以外的最有價值的事情。 因此我們必須重視電能的高效利用，不光在傳輸過程中，在使用過程中也是一樣。這不僅符合經(jīng)濟效率的規(guī)律，還是能源科學使用的具體表現(xiàn)。既然我們不能給后代生產(chǎn)出不可再生資源，但我們可以高效使用它們，減少無謂的消耗，這跟我們?yōu)楹笕藙?chuàng)造能源是同出 一轍的，具有相同的深遠意義。 單片機是此設(shè)計的核心所在。隨著我國科技的進步，自動控制術(shù)也與日俱進。而單片機的應(yīng)用也日益普遍化， 現(xiàn)在單片機的應(yīng)用日益廣泛深入，諸如在儀器儀表、家用電器和專用裝備的智能化以及過程控制等方面，單片機扮演著重要的角色。此外我們應(yīng)該認識到，單片機應(yīng)用的意義絕不僅限于它的廣闊范圍以及所帶來的經(jīng)濟效益上。更重要的意義還在于，單片機的應(yīng)用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能使用單片機通過軟件方法實現(xiàn)了。這種以軟件取代 硬件并提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)，稱之為微控制技術(shù)。微控制技術(shù)標志著一種全心概念的出現(xiàn)是對傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。隨著單片機應(yīng)用的推廣普及，微控制技術(shù)必將不斷發(fā)展，日益完善，更加充實。 普遍來講可以將單片機分為通用型和專用型兩種類型。通用型單片機是一種基本芯片，它的內(nèi)部資源比較豐富，性能全面而且適用性強，能覆蓋多種應(yīng)用需求。用戶可以根據(jù)需要設(shè)計成各種不同應(yīng)用的控制系統(tǒng)，即通用單片機有一個再設(shè)計的過程，通過用戶的進一步設(shè)計才能組成一個通用單片機芯片為核心再配以其他外圍電路的應(yīng)用控制系統(tǒng)。今后隨著單片機應(yīng)用的廣泛和深 入，各種專用單片機芯片將會越來越多，并且必將成為今后單片機發(fā)展的重要方向。但是應(yīng)當說明，無論專用單片機在應(yīng)用上多么專，其原理和結(jié)構(gòu)是建立在通用單片機的基礎(chǔ)之上。可以說單片機在控制領(lǐng)域是功不可沒的，我們要把它應(yīng)用到工業(yè)，國防業(yè)等國民經(jīng)濟行業(yè)，提高我們自動化水平，提高我們的科技競爭力，顯然這將是一件具有巨大意義的事。 本次設(shè)計中采用了分相補償?shù)姆椒ǎ?三相電容自動補償適用于三相負載平衡的供配電系統(tǒng)。因三相回路平衡，回路中無功電流相同，所以在補償時，調(diào)節(jié)無功功率參數(shù)的信號取自三相中的任意一相，根據(jù)檢測結(jié)果， 三相同時投切可保證三相電壓的質(zhì)量。三相電容自動補償適用于有大量的三相用電設(shè)備的廠礦企業(yè)中。在民用建筑中大量使用的是單相負荷，照明、空調(diào)等由于負荷變化的隨機性大，容易造成畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 4 三相負載的嚴重不平衡，尤其是住宅樓在運行中三相不平衡更為嚴重。由于調(diào)節(jié)補償無功功率的采樣信號取自三相中的任意一相，造成未檢測的兩相要么過補償，要么欠補償。如果過補償，則過補償相的電壓升高，造成控制、保護元件等用電設(shè)備因過電壓而損壞；如果欠補償，則補償相的回路電流增大，線路及斷路器等設(shè)備由于電流的增加而導致發(fā)熱被燒壞。這種情況下用傳統(tǒng)的三相無功 補償方式，不但不節(jié)能，反而浪費資源，難以對系統(tǒng)的無功補償進行有效補償，補償過程中所產(chǎn)生的過、欠補償?shù)缺锥烁菍φ麄€電網(wǎng)的正常運行帶來了嚴重的危害。 對于三相不平衡及單相配電系統(tǒng)采用分相電容自動補償是解決上述問題的一種較好的辦法，其原理是通過調(diào)節(jié)無功功率參數(shù)的信號取自三相中的每一相，根據(jù)每相感性負載的大小和功率因數(shù)的高低進行相應(yīng)的補償，對其它相不產(chǎn)生相互影響，故不會產(chǎn)生欠補償和過補償?shù)那闆r 。 本次設(shè)計主要是運用單片機技術(shù)實現(xiàn)電力系統(tǒng)的功率因數(shù)進行補償，以實現(xiàn)電力系統(tǒng)最優(yōu)控制。其中包括數(shù)據(jù)的采集，電容組的 投切控制、電力系統(tǒng)功率因數(shù)的顯示、看門狗設(shè)計等一系列環(huán)節(jié)，并采用了過零固態(tài)繼電器以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的柔性投切。應(yīng)用 51系列單片機實現(xiàn)對開關(guān)組電容模塊的控制，達到調(diào)整功率因數(shù)的目的。通過研究單片機在自動控制中的用途，熟悉它的引腳功能，會用單片機來滿足實際中的具體需要。利用單片機控制系統(tǒng)，實時采集電力系統(tǒng)的電力相關(guān)參數(shù)，計算功率因數(shù)，并結(jié)合所學專業(yè)，依據(jù)電力系統(tǒng)要求進行功率因數(shù)補償。其中主要涉及美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8位單片機 AT89C52。簡單的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計使得整個系統(tǒng)的工作可靠性的抗干 擾能力均大為提高。 根據(jù)設(shè)計要求，用單片機實現(xiàn)對電容組的投切，用以調(diào)整功率因數(shù)，使電力系統(tǒng)的功率因數(shù)大于 ，這就是本次論文要實現(xiàn)的預(yù)期目標。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 5 第二章 功率因數(shù)補償系統(tǒng)的設(shè)計概述 功率因數(shù)的計算 在交流輸電線路中，由于負載特性的影響，電路中相電壓，相電流之間存在相位差，其角度大小取決于負載所呈現(xiàn)的感性或容性的程度。若以 ? 表示相位差，則： ? = 22a r c c o s ()LCRR X X? ?? (21) 式中： R為負載電阻； XL為負載電抗， XC為負載容抗。 負載中消耗的有功功率為 P： 35( ) ( )22c os si n( ) ( )2 2 3! 5 !xxx x x ???? ??? ? ? ? ? ??? (22) 由 (21) 式可得 ： p=UIcoφ (23) 如 圖 21所示，表示有功功率、無功功率和及視在功率之間的關(guān)系。 φSPQ 圖 21 功率三角形圖 式 （ 23） 中： U,I 分別為電力線路中母線上的相電壓和相電流的有效值，若令S=UI,稱 S 為視在功率（其中包括有功功率和無功功率），則 (23)寫作： p=Scos? 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 6 則： cos? =pS 若用△ Q表示補償電容的容量，則△ Q=P?K；其中 P為有功功率； K=tan? 1tan? 2； ? 1為改善前的功率因數(shù)角； ? 2為改善后的功率因數(shù)角； 在確定并聯(lián)電容器的容量后，就可以選擇并聯(lián)電容器的型號和規(guī)格，并確定并聯(lián)電容器數(shù)量。如果為單相補償，還應(yīng)取為 3 的倍數(shù)，以便三相均衡分配。 低壓無功功率補償設(shè)備安裝原則與方法 1. 在電力系統(tǒng)中，安裝容性設(shè)備或裝置以提高功率因數(shù)時 ，其安裝位置應(yīng)盡量靠近負載端，以增大補償?shù)男省? 2. 容性裝置安裝在低壓側(cè)時，對低壓用電設(shè)備容量較大的電器 (如：感應(yīng)電動機、感應(yīng)電爐、電焊機等 )，可以采用個別裝設(shè)的辦法，以補償局部無功功率消耗的情況；而對于低壓小容量零星設(shè)備，則可以采用集中在低壓配電柜母線側(cè)加裝低壓電容器的辦法集中補償，既經(jīng)濟又方便維護。 3. 對低壓側(cè)電動機做個別補償時，電容器的開關(guān)與電動機同時運行 (見圖22)，則效果最好。因為當電動機不工作時，則不必加裝補償電容，以避免由于補償過度，而導致線路中的無功電流反向增大的現(xiàn) 象。 4. 補償電容器的容量以提高功率因數(shù)至 90%為宜，不需要提高太多，以節(jié)約投資，同時避免由于補償過度，而導致線路中過大的充放電電流。 電源空氣開關(guān)融絲操作器過載保護電容器電動機 電動機 圖 22 電容器位置與開關(guān)同步操作 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 7 電容器裝置控制方式的選擇 任何改善功率因數(shù)的裝置，都是通過降低無功電流來達到減小總電流，但當電容量補償過大時，又會形成部分無功電流過大而導致總電流反而增大的現(xiàn)象。如何才能達到最佳的補償效果，這與用電設(shè)備的使用時間和連續(xù)性、非連續(xù)性有著很大的關(guān)系。根據(jù) 用電設(shè)備的使用情況，將補償電容器進行設(shè)計分組，采用不同的控制方式，以適應(yīng)不同的電力設(shè)備，無功功率補償裝置在電子供電系統(tǒng)中所承擔的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無功功率補償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補償裝置，可以做到最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。反之，如選擇或使用不當，可能造成供電系統(tǒng)，電壓波動，諧波增大等諸多因素。 表 2 24是通過研究得出的電容器裝置分組情況及控制方式。 表 23 補 償電容器裝置分組情況 用電設(shè)備運轉(zhuǎn)特性 電容器裝置分組 全部連續(xù)性 部分連續(xù)運行型，部分為半連續(xù)型 非連續(xù)運行型 固定型補償 固定型補償器一組，可切換補償器一組 固定型補償器椅子，補償器三組 表 24 補償電容器裝置控制方式 控制方式 用電設(shè)備特性 計算機自動控制 計算機時間控制 手動控制 用電量較大，負載變動大，且各時段設(shè)備開關(guān)率都不同 每日定時變化用電量（工作時段較固定）；每周設(shè)備的開關(guān)情況基本穩(wěn)定 24小時用電量差異不大，或偶爾變化量較大時，且可以方便手動操作的場合 各種無功補償設(shè)備及補償方式 下面我們介紹各種無功功率補償設(shè)備及補償方式。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 8 同步調(diào)相機 同步調(diào)相機實質(zhì)上是一種不帶機械負載的同步電動機，它是最早采用的一種無功補 償設(shè)備， 在并聯(lián)電容器得到大量采用后，它退居次要地位。其主要缺點是投資大，運行維護復雜。因此，許多國家不再新增同步調(diào)相機作為無功補償設(shè)備。但是同步調(diào)相機也有自身的優(yōu)點： 1. 調(diào)相機可以隨著系統(tǒng)負荷的變化，均勻調(diào)整電壓，使電網(wǎng)電壓保持規(guī)定的水平。電容器只能分成若干個小組，進行階梯式的調(diào)壓。 2. 調(diào)相機可以根據(jù)系統(tǒng)無功的需要，調(diào)節(jié)勵磁運行，過勵磁時可以做到發(fā)出其額定 100%的無功功率，欠勵磁時還可以吸收其額定的 50%的無功功率。電容器只能發(fā)出無功，不能吸收無功。 3. 調(diào)相機可以安裝強行勵磁裝置，當電網(wǎng)發(fā)生故障時，電壓劇烈降低，調(diào)相機可以強行勵磁，保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，因而提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。電容器輸出無功功率與運行電壓的平方成正比，電壓降低，輸出的無功將急劇下降，比如，當電壓下降 10%，變?yōu)? 時，電容器輸出的無功功率變?yōu)?，即其輸出的無功功率將下降 19%，所以，電容器 此時不能起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的作用。 并聯(lián)電容器 作為無功補償設(shè)備，電容器有以下顯著優(yōu)點： 1. 電容器是最經(jīng)濟的設(shè)備。它的一次性投資和運行費用都比較低，且安裝調(diào)試簡單。 2. 電容器的損耗低，效率高?，F(xiàn)代電容器的損耗只有本身容量的 %左右。調(diào)相機除了本身的損耗外，其附屬設(shè)備還需用一定的所用電，損耗 2%～ 30%，大大高于電容器。 3. 電容器是靜止設(shè)備，運行維護簡單，沒有噪音。調(diào)相機為旋轉(zhuǎn)電機，運行維護很復雜。 4. 電容器的應(yīng)用范圍廣， 可以集中安裝在中心變電站，也可以分散安裝在配電系統(tǒng)和廠礦用戶。而調(diào)相機則只能固定安裝在中心變電站，應(yīng)用有較大的局限。 并聯(lián)電抗器 并聯(lián)電抗器是一種感性無功補償設(shè)備，它可以吸收系統(tǒng)中過剩的無功功率，避免電網(wǎng)運行電壓過高。為了防止超高壓線路空載或輕負荷運行時，線路的充電功率造成線路電壓升高，一般裝設(shè)并聯(lián)電抗器吸收線路的充電功率，同