低壓無功補(bǔ)償器的設(shè)計

1、低壓無功補(bǔ)償器的設(shè)計-畢業(yè)論文 畢業(yè)設(shè)計說明書 低壓無功補(bǔ)償器的設(shè)計 學(xué)生姓名： 班級學(xué)號： 院、系、部 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師：合作指導(dǎo)教師： 2008年06月 南 京 Undergraduate Design (Thesis) THE DESIGN OF REACTIVE POWER COMPENSATION SYSTEM FOR LOW VOLTAGE BY ZHANG hai-ming Supervised by Lecturer LU Dan-Hong School of Electric Power Engineering Nanjing Institute of Technology

2、 June 2008 張海明：低壓無功補(bǔ)償器的設(shè)計 摘 要 本課題研究以低壓電網(wǎng)無功補(bǔ)償改造為背景，研制了一種低壓無功功率補(bǔ)償控制器。作為一種非實時的無功補(bǔ)償裝置，該裝置以定時的電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，以城鎮(zhèn)低壓網(wǎng)(220V)的無功補(bǔ)償為對象。本文主要研究了無功補(bǔ)償對電網(wǎng)性能的改善，以及控制器的軟硬件的配置。 系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)，該單片機(jī)是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的CMOS 8位單片機(jī)，具有運算速度高，實時性好的特點；軟件則使用匯編語言進(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ADC0809，是一款比較實用的A/D轉(zhuǎn)換裝置。該裝置可跟蹤電網(wǎng)無功功率的

3、變化并自動補(bǔ)償,實現(xiàn)了無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化運行,具有體積小、原理簡單、智能投切等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償,單片機(jī),低電壓 Abstract What this article studies is based on the alteration of reactive power compensation of low voltage, then design an equipment for reactive power compensation of low voltage. As a kind of reactive power compensation, this equipment i

4、s basis on the electrical network monitor data ,and provides reactive power for citys low voltage power grids. This thesis has discussed the importance of the reactive power compensation for the power grids ,and introduded the hardware and software of the controller. This device's hardware core

5、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;The software uses the assembly language to carry on the translation;The man-m

6、achine 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 I 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) power the change and the aut

7、omatic compensation, and this installment has the volume to be small, the precision is high, the price compared to the higher merit. Key Words: reactive power compensation, SCM(Single Chip Micyoco),low voltage II 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) 目錄 摘 要 . I ABSTRACT. I 目錄 . II 第一章 緒論 .- 1 - 11研究背景 .- 1 - 12無功補(bǔ)償裝

8、置的發(fā)展?fàn)顩r .- 2 - 13 本課題主要研究的內(nèi)容 .- 4 - 第二章 無功補(bǔ)償?shù)脑?.- 6 - 21 無功補(bǔ)償?shù)脑?.- 7 - 22 低壓電網(wǎng)中的幾種無功補(bǔ)償?shù)姆绞?.- 9 - 23確定補(bǔ)償容量的幾種方法 .- 10 - 24 本章小結(jié) .- 12 - 第三章 硬件設(shè)計 .- 13 - 31 無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)要求 .- 13 - 32硬件介紹 .- 14 - 33模擬信號調(diào)理電路 .- 22 - 34 輸出控制電路 .- 25 - 35 本章小結(jié) .- 26 - 第四章 軟件設(shè)計 .- 27 - 41 投切原則 .- 27 - 42功率因數(shù)計算 .- 28 - 43 本章小

9、結(jié) .- 30 - 第五章 總結(jié)與展望 .- 31 - 致謝 .- 32 - 參考文獻(xiàn)： .- 32 - 附錄1：外文翻譯及資料 .- 34 - A1.1實際中的諧波和無功補(bǔ)償 .- 34 - II 張海明：低壓無功補(bǔ)償器設(shè)計 A1.2 Harmonics and Reactive Power Compensation in Practice .- 38 - 附錄2： 裝置結(jié)構(gòu)硬件圖 .- 45 - 附圖1 .- 45 - 附錄3 ：軟件程序 .- 46 - A3.1 主程序 .- 46 - III 張海明：低壓無功補(bǔ)償器設(shè)計 第一章 緒論 11研究背景 目前，我國的電網(wǎng)，特別是廣大的低壓電網(wǎng)

10、1，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)計落后，功率因數(shù)較低。比如我國的電動機(jī)消耗的電能占全部發(fā)電量的70%，而由于設(shè)計和使用等方面的原因我國電動機(jī)的功率因數(shù)往往較低，一般約為cos?0.70。 在這種情況下，采用無功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)2，對提高電能質(zhì)量和挖掘電網(wǎng)潛力是十分必要的，世界各國都把無功補(bǔ)償作為電網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分。從我國電網(wǎng)功率因數(shù)和補(bǔ)償深度來看，我國與世界發(fā)達(dá)國家有不小差距。因此大力推廣無功補(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)展無功補(bǔ)償所能帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益。2007年 ，我國年總發(fā)電量為32559億千瓦時，統(tǒng)計線損

11、率為 8.77%，但是這個數(shù)字沒有包含相當(dāng)大的110千伏、35千伏、10千伏的輸電線損及0.38千伏的低壓電網(wǎng)線損。據(jù)報道，估計實際的統(tǒng)計線損率約為15%，即2007年全國年線損量約為4800億千瓦時。設(shè)全國的理論線損與統(tǒng)計線損相一致，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。設(shè)當(dāng)前全國電力網(wǎng)總負(fù)荷的當(dāng)前功率因數(shù)cos?0.85，采用無功功率補(bǔ)償后，把電力網(wǎng)總負(fù)荷的功率因數(shù)提高到cos?0.95，則每年可以降低線損約為390億千瓦時，按0.5元每千瓦時計，價值約為185億元。設(shè)2007年全國電網(wǎng)的最大負(fù)荷利用小時數(shù)為5000小時，則電網(wǎng)的最大負(fù)荷約為2億千瓦，當(dāng)

12、用無功功率補(bǔ)償法把功率因數(shù)cos?0.85,提高到cos?0.95，全國電網(wǎng)需總補(bǔ)償容量約為0.58億千瓦。當(dāng)前無功功率補(bǔ)償裝置設(shè)備主要為電力電容器，設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備每千瓦的平均綜合造價為50元，則全國無功補(bǔ)償裝置的總投資約為29億元。應(yīng)當(dāng)指出，節(jié)省240億千瓦時約相當(dāng)于一座400萬千瓦火電廠的年發(fā)電量，而建一座400萬千瓦的火電廠需綜合費用約為300億元，同時每年需燃燒煤約為1200萬噸，每年產(chǎn)生CO2,SO2等有害物質(zhì)約為600萬噸。由此可見，產(chǎn)生相同的電力，無功補(bǔ)償?shù)馁M 用約為新建電廠費用10%，而且無功補(bǔ)償設(shè)備的費用僅需兩個月的無功功率補(bǔ)償?shù)膶p節(jié)電費用即可全部收回。 - 1 - 南京工

13、程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) 綜上所述 ，無功補(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，減少用戶電費開支，延緩用戶的增容改造等作用。 12無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展?fàn)顩r 近20年來，世界各地（包括美國、法國、意大利、英國、俄羅斯、日本等國）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的高度重視。持續(xù)了短短72 小時的8.14 美加大停電給美國造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響，這次事故提醒人們，電網(wǎng)運行要有足夠的無功備用容量，無功不能靠遠(yuǎn)距離傳輸，在電力市場環(huán)境下，必須制定統(tǒng)一的法規(guī)以激勵獨立發(fā)電商和運營商從維護(hù)整

14、個系統(tǒng)安全性的角度提供充足的無功備用。在我國也曾多次發(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1。 早期的無功補(bǔ)償裝置為并聯(lián)電容器和同步補(bǔ)償器3，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)償器的實質(zhì)是同步電機(jī)，當(dāng)勵磁電流發(fā)生改變時，電動機(jī)可隨之平滑的改變輸出無功電流的大小和方向，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有好處。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3，無功補(bǔ)償技術(shù)也隨之發(fā)展。在第一個工業(yè)用晶閘管出現(xiàn)之

15、前，電子半導(dǎo)體由于功率過小，在直流傳動，交流傳動，電磁合閘，交流不間斷電源和無功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域內(nèi)一直沒有得到應(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，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)對無功補(bǔ)償技術(shù)也帶來了新的發(fā)展鍥機(jī)。 無功補(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3： 1是作為投切電容器的開關(guān)。因為電力半導(dǎo)體開關(guān)的響應(yīng)時間短(PS級)，所以能夠選擇電容的投切角度，實現(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

16、輸出回路就引進(jìn)了該項技術(shù)。 2是作為無功輸出的調(diào)節(jié)開關(guān)。由于電力電子器件的高開關(guān)頻率，使其能夠 - 2 - 張海明：低壓無功補(bǔ)償器設(shè)計 方便地控制電容器電流的導(dǎo)通角，從而實現(xiàn)無功的連續(xù)調(diào)節(jié)，快速跟蹤負(fù)載無功的變化。靜止型無功補(bǔ)償器是其中的代表。 3是引入電力電子變流技術(shù)，將變流器作為無功電源來調(diào)節(jié)無功的輸入和輸出，起到補(bǔ)償負(fù)載無功的作用。經(jīng)常用的是靜止調(diào)相機(jī)和有源濾波器。 由無功補(bǔ)償源在主電路回路中連接方式的不同，無功補(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)在無功補(bǔ)償中應(yīng)用的方式不同，現(xiàn)代無功補(bǔ)償裝置4大致可分為以下幾種類型： 1 TSC (Thyristor Switched C

17、pacitor)型無功補(bǔ)償裝置，它屬于并聯(lián)型無功補(bǔ)償裝置。主回路如圖1-1所示，是由多臺電力電容器并聯(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)無功電流的大小來決定投入電容組數(shù)。由此可見TSC的無功調(diào)節(jié)是有級的，它無法連續(xù)的輸出無功，這使其在使用中存在合理選擇電容，適當(dāng)分級的問題。但它的優(yōu)點也明顯，即結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，電容器利用率高，使用中不存在諧波污染等。 Ic C3 圖 1-1 TSC 型無功補(bǔ)償裝置主回路 2 FC - TCR( Fixed capacitor-Thyristor Controlled Reactor)型無功補(bǔ)償裝置，它屬于并聯(lián)型無功補(bǔ)償裝置。其主回路如圖1-2所示。FC

18、-TCR方式是用雙相可控硅的相位控制，調(diào)整電抗器的電流，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，調(diào)節(jié)TCR中的可控硅的引燃角?。?可以從900到1800范圍內(nèi)變化。補(bǔ)償器的電流i?iC?iL，此電流可隨?角的變化而變化為感性或容性，這樣就改 變了FC-TCR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。 - 3 - 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) I ILL 圖1-2 FC-TCR型無功補(bǔ)償器的主回路 3靜止調(diào)相機(jī)A

19、SVC (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。 13 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

20、制器的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計作了較詳盡的分析。 本文的章節(jié)安排： 第一章緒論 對本文的研究背景和無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行概述，并提出本文的主要研究內(nèi)容和各章的內(nèi)容安排。 第二章無功補(bǔ)償理論的分析 對無功補(bǔ)償理論中的基本理論進(jìn)行分析，對無功補(bǔ)償帶來的降損節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益等問題展開討論。 第三章控制器的硬件設(shè)計 對此無功補(bǔ)償控制器的硬件系統(tǒng)進(jìn)行較詳盡的解析。 第四章控制器的軟件設(shè)計 - 4 - 張海明：低壓無功補(bǔ)償器設(shè)計 對控制器的幾個主要功能模塊進(jìn)行分析，并畫出程序流程圖。 - 5 - 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) 第二章 無功補(bǔ)償?shù)脑?電力網(wǎng)中的變壓器和電動機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工做的。磁

21、場所具有的磁場能是由電源供給的。電動機(jī)和變壓器在能量轉(zhuǎn)換過程中建立交變磁場，在一個周期內(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，將會在電力網(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5，增加電網(wǎng)的線損率。 I1 I2 X S2 U1 U2 S1 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21可知，電力網(wǎng)中由于無功負(fù)荷而帶來的

22、電 壓損耗?U的計算公式為： ?U?U1?U2?I2cos?R?I2sin?X?式中：UC電網(wǎng)的額定電壓 U2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 P2 Q2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Q2在元件引起的損耗?UX的計算公式為： - 6 - RP2?Q2X U 2 ? P2R?Q2X UC 張海明：低壓無功補(bǔ)償器設(shè)計 ?UX?Q2XUC。 P2R UC而由負(fù)荷的有功功率P2在元件中引起的電壓損耗的計算公式為：?UR? 見的元件電阻小于電抗的電網(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： 2?？??S?S1?S2?

23、3I(R?jX)?p2?Q2UC222(R?jX) 式中：S1?P1?jQ，S2?P2?jQ2 其中有功線損?P的計算公式為： ?P?P1?P2?P2?Q2UC222R， 這其中由于無功功率在電網(wǎng)中流動而引起的有功線損?PQ的計算公式為： ?PQ?Q2UC22R 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問題。 21 無功補(bǔ)償?shù)脑?將電容器和電感并連在同一電路中，電感吸收能量時，正好電容器釋放能量，而電感放出能量時，電容器卻在吸收能量。能量就在它們之間交換

24、，即感性負(fù)荷(電動機(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?可由圖22來解釋： 設(shè)電感性負(fù)荷需要從電源吸取的無功功率為Q，裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置后，補(bǔ)償無功功率為QC，使電源輸出的無功功率減少為Q?Q?QC，功率因數(shù)由cos?提高到cos?，視在功率S減少到S?。 - 7 - 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) s s Q1Q p ? 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

25、的投資。例如一臺1000千伏安的變壓器，當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)為0.7 時，可供700千瓦的有功負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)提高到0.9時，可供900千瓦的有功功率。同一臺變壓器，因為負(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。 ?S?P?j?Q?P?(Q?QC) U222(R?jX) 可見，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。 由電壓損耗計算公式 ?U?PR?(Q?QC)X U 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，也

26、可以用圖2.3 加以說明。 I?UI? - 8 - 張海明：低壓無功補(bǔ)償器設(shè)計 圖2.3 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I可以分解為有功電流分量IP，和無功電流分量IQ(電感性的)。當(dāng)并聯(lián)電容器投入運行時，流入電容器的容性電流IC與IQ方向相反，故可抵消一部分IQ使電感性電流分量IQ降低為IQ?IQ?IC，總電流由I降為I?，功率因數(shù)也由cos?提高到cos?。這時，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IR(t) 與無功電流IX(t)的定義，還可以用圖2.4理解電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償?shù)淖饔门c原理。 U(t) I(t) ? IC(t)

27、圖2.4 電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償原理圖 設(shè)負(fù)荷實際吸收的電流為I(t)，為了使輸電線路上流過純有功電流Ir(t)，則需要在負(fù)荷端接入一個無功補(bǔ)償器，補(bǔ)償器提供的電流為IC(t)，則 I(t)?Ir(t)?Ic(t) 這里 的Ic(t)就是無功電流IX(t)，這就是電力系統(tǒng)中進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)囊c。這是完全的補(bǔ)償，線路上的電流Ir(t)是為產(chǎn)生負(fù)載實際功率(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，Ir(t)的波形和U(t)相同，即電壓和電流的相位相同。 22 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

28、，不但可以減輕上一級電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)膲毫?，而且可以提高用戶配電變壓器的利用率，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。 - 9 - 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) 低壓無功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是實現(xiàn)無功的就地平衡，通常采用地方式有三種： 隨機(jī)隨機(jī)補(bǔ)償就是將低壓電容器組與電動機(jī)并聯(lián)，通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)共同補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償1。 投切。隨機(jī)補(bǔ)償?shù)貎?yōu)點是：用電設(shè)備運行時，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停止運補(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。為防止電機(jī)推出時產(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

29、指將低壓電容器通過低壓保險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)荷時接近空載，此時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，將低壓電容器組補(bǔ)償在大用戶0.4kV母線上的補(bǔ)償方式。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)荷有一定的波動性，故推薦選用自動投切方式。此法對電容器的保護(hù)比前二

30、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)荷實現(xiàn)“就地平衡”的無功補(bǔ)償，降損節(jié)能效果好。 23確定補(bǔ)償容量的幾種方法 231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Ppj，補(bǔ)償前的功率因數(shù)為cos?1，補(bǔ)償后的功率因數(shù)為cos?2，則所需要的補(bǔ)償容量Qc的計算公式為 Qc?Ppj(tg?1?tg?2) 若要求將功率因數(shù)由cos?1提高的cos?2而小于cos?3，則補(bǔ)償容量Qc計算為 Ppj(tg?1?tg?2)?Qc?Ppj(tg?1?tg?3) - 10 - 張海明：低壓無功補(bǔ)償器設(shè)計 232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I1

31、，相應(yīng)的有功電流為Ir1，無功電流為Ix1，補(bǔ)償無功Q后線路中的電流為I2，相應(yīng)的有功電流為Ir2，無功電流為Ix2，則 補(bǔ)償前的線路損耗為： Ir1cos?1 )R 2 ?P1?3I12R?3( 補(bǔ)償后的線路損耗為： ?P2?3I2R?3( 2 Ir2cos?2 )R 2 則補(bǔ)償后線損降低的百分值為： ?P%? ?Pl1?Pl2 ?Pl2 ?100%?1?( cos?1cos?2 )?100% 2 若根據(jù)要求?P%已經(jīng)確定，則可求得： cos?2? cos?1?P 則補(bǔ)償容量可以按Qc?Ppj(tg?1?tg?2)來計算 233從提高運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

32、過無功補(bǔ)償來提高供電電壓的，因此，有時 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U1，線路末端電壓為U2，線路輸送的有功功率為P，無功功率為Q，電阻為R，電抗為X，則 U2?U1? PR?QXU2 ?則 補(bǔ)償無功Qc后，線路末端電壓升為U2 ?U1?U2 PR?(Q?Qc)X ?U2QcX?U2 所以投入無功補(bǔ)償后末端電壓增量?U為 ?U2?U?U2 故補(bǔ)償容量 - 11 - 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) Qc?UU2X 若為三相線路，則所需的補(bǔ)償容量為 Qc?l?UlU2X 式中 ?Ul三相線路的線電壓增量，KV ?l三相線路的線電壓，KV U2 24 本章小結(jié)

33、本章主要介紹了無功補(bǔ)償?shù)幕驹?，本次設(shè)計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。 - 12 - 張海明：低壓無功補(bǔ)償器設(shè)計 第三章 硬件設(shè)計 在一系列的理論分析之后，本次設(shè)計將采用根據(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。 31 無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)要求 311 補(bǔ)償控制應(yīng)符合技術(shù)條件： 本次裝置設(shè)計的基本技術(shù)條件6： 1、 控制方式：可

34、控硅與接觸器聯(lián)合控制，即在投切時采用可控硅，正常運行2、 工作方式：動態(tài)跟蹤，邏輯判斷，自動及時補(bǔ)償容量。 3、 控制物理量：以無功功率電容器的投切。 4、 補(bǔ)償方式：采用三相共補(bǔ) 5、 自動延時功能：電容器投切延時至少10秒，同組電容器的投切間隔時間大6、 保護(hù)功能： 器。 短路保護(hù)：由快速熔斷器和空氣開關(guān)雙重保護(hù)。 7、 現(xiàn)場參數(shù)顯示：可現(xiàn)場顯示電網(wǎng)運行參數(shù)，比如電壓、電流、功率因數(shù)。 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，自動切除全部電容時采用接觸器的方式。 于5分鐘 。 - 13 - 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) 312 測量精度 313 控制器原理 由以上功能，

35、可得到控制器的機(jī)構(gòu)圖如下 圖3.1 控制器結(jié)構(gòu)原理圖 32硬件介紹 321 CPU AT89C517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（PEROM）和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容 - 14 - 張海明：低壓無功補(bǔ)償器設(shè)計 標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元。 主要性能參數(shù)： ? 與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)兼容 ? 4K字節(jié)可重復(fù)擦寫Flash閃速存儲器 ? 1000次擦寫周期 ? 全靜態(tài)操作：0Hz

36、24MHz ? 三級加密程序存儲器 ? 128?8字節(jié)內(nèi)部RAM ? 32個可編程I/O口線 ? 2個16位定時/計數(shù)器 ? 6個中斷源 ? 可編程竄行UART ? 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，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接

37、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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(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TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，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，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特

38、殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸 - 15 - 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) 入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外

39、部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地電平時間。 址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在S

40、FR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器 （0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 X

41、TAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置振蕩器特性: 為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， - 16 - 張海明：低壓無功補(bǔ)償器設(shè)計 XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 322 A/D轉(zhuǎn)換器選型 ADC08098是一種8路模擬輸入逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，由于價格適中，與單片機(jī)的接口、軟件操作均比較簡單，目前在8位單片機(jī)系統(tǒng)中有著廣泛的使用

42、。 ADC0809由8路模擬開頭、地址鎖存與譯碼器、8位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出鎖存緩沖器組成。 ADC0809芯片可以分時處理8路模擬量輸入信號，使用模擬開關(guān)切換。在某一時刻，模擬開關(guān)只能與一路模擬量通道接通，對該通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。表1中C、B、A是三條通道的地址線。當(dāng)?shù)刂匪嫘盘朅LE為高電平時，C、B、A 三條線上的數(shù)據(jù)送入ADC0809內(nèi)部的地址鎖存器中，經(jīng)過譯碼器譯碼后選中某一通道。當(dāng)ALE=0時，地址鎖存器處于鎖存狀態(tài)，模擬開關(guān)始終與剛才選中的輸入通道接通。 選中通道的模擬量到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器時，A/D轉(zhuǎn)換器并未對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。只有當(dāng)轉(zhuǎn)換啟動信號端START出現(xiàn)下降沿并延遲Teo

43、c(?8c1?2uS)后，才啟動芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，START的上升沿復(fù)位ADC0809。 ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換過程是在時鐘信號的協(xié)調(diào)下進(jìn)行的，ADC0809的時鐘信號由CLOCK端送入，其最高頻率為640MHz，在這個最高頻率下ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換時間為100uS左右。當(dāng)ADC0809用于AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)時，若AT89C51采用6MHz的晶振，則ADC0809的時鐘信號可以由AT89C51的ALE經(jīng)過一個二分頻電路獲取。這時ADC0809的時鐘頻率為500KHz，A/D轉(zhuǎn)換時間為130uS。ADC0809常用的時鐘電路如圖 ： - 17 - 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文) 圖3.2 ADC0809常用的時鐘電路圖 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果(8位數(shù)字量)送到三態(tài)鎖存輸出緩沖器，此時A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果還沒有現(xiàn)在DB0-DB7八條數(shù)字量輸出線上，單片機(jī)不能獲取之。單片機(jī)要想讀到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須使ADC0809的允許輸出控制端OE為高電平，打開三態(tài)輸了鎖存器，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)在DB0-DB7上。 單片機(jī)讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的方法有三種 (1)延遲法單片機(jī)啟動ADC0809后，延時130uS以上，可以讀到正確的A/D轉(zhuǎn)換(2)查詢法EOC必須接到AT89C51的一條I/O線上。單片機(jī)啟動ADC0809后，延結(jié)果。 遲10uS，檢測E