低压无功补偿装置的设计本科毕业设计论文.docx
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低压无功补偿装置的设计本科毕业设计论文
毕业论文
低压无功补偿装置的设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
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年月日
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涉密论文按学校规定处理。
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日期：
年月日
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日期：
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注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
低压无功补偿装置的设计
摘要：
随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。
由于无功功率在电网中传输会造成网络损耗以及受电端电压下降，因此大量的无功功率在电网中传输必然使电能利用大大降低且严重影响供电质量。
在电网中的适当位置装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。
本文研究一种适合于低压配电网进行集中无功补偿的晶闸管投切电容器装置（ThyristorSwitchCapacitor----TSC）。
针对传统的有触点和无触点的无功补偿装置的有级无功补偿的缺点，研究了采用光电双向可控硅驱动器MOC3061控制双向晶闸管来实现电容器无级投切的无功补偿方法。
本文采用80C196KC单片机芯片作为无功补偿装置的控制系统的核心，该装置是以无功功率最小作为控制策略，以电压作为约束条件。
该无功补偿装置是由主电路、检测电路、控制电路、驱动电路四部分组成。
装置能够实现无功功率的快速、准确补偿，在低压城网和农网中具有较好的实用性以及广阔的应用前景。
关键词：
无功补偿；晶闸管；80C196KC单片机；电容器投切
Thedesignoflow—voltagereactivepowercompensatordevice
Abstract:
Duetoincreasingloadsofelectricpowersystem,demandonreactivepowerwasalsoincreasing.Becausetransmissionofreactivepowerinelectricnetworkcanleadtonetworklossandstep-downvoltage,transmissionofagreatdealofreactivepowernecessarilyresultedinreductionofusingefficiencyofpowerenergyandseverelyeffectedvoltagequality.Itbecamenecessarymeansthatreactivepowercompensationdeviceswereinstalledinproperpositionofelectricnetwork.
ATSCreactivepowercompensationdevicewhichwasfitforlow-voltagedistributionnetworkwasintroducedinthispaper.
80C196KCwasasortofcheapSingleChipMicrocomputerandwasappliedtocontrolsystemofreactivepowercompensationdevicewhichincludes4mainparts:
maincircuit,measuringcircuit,controlcircuitanddrivecircuit.Itprocessedpreferablypracticabilityandwideapplicationforegroundinlowvoltagecitynetworkandcountrynetwork.
Keywords：
reactivecompensation;Thyristor;80C196KCSinglech;Switchingofcapacitor
第1章绪论
1.1无功功率的危害
在电力系统中，由于电感、电容元件的存在，不仅系统中存在着有功功率，而且存在无功功率。
虽然无功功率本身不消耗能量，它的能量只是在电源及负载间进行传输交换，但是在这种能量交换的过程会引起电能的损耗，并使电网的视在功率增大，这将对系统产生以下一系列负面影响：
（1）电网总电流增加，从而会使电力系统中的元件，如变压器、电器设备、导线等容量增大，使用户内部的起动控制设备、量测仪表等规格、尺寸增大，因而使初投资费用增大。
在传送同样的用功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增加，使线路及变压器的电压损失增大。
（2）电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，影响正常生产和生活用电；反之，无功容量过剩，会造成电网的运行电压过高，电压波动率过大。
（3）电网的功率因数低会造成大量电能损耗，当功率因数由0.8下降到0.6时，电能损耗将近提高了一倍。
（4）对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升。
为了保证转子绕组正常工作，发电机就不允许达到预定的出力。
此外，原动机的效率是按照有功功率衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。
目前，随着电力电子技术的迅速发展，工厂大量使用大功率开关器件组成的设备对大型、冲击型负载供电，这使电能质量问题日益严重。
如果，不进行无功补偿，在正常运行时，会反复地使负载的无功功率在很大的范围内波动，这不仅使电气设备得不到充分的利用，网络传输能力下降，损耗增加，甚至还会导致设备损坏、系统瘫痪。
在我国电力工业发展过程中，因多年“重发电、轻供电”思想的影响，造成电网建设落后，结构不合理，导致城市和农村配电网无功补偿不足，电能质量不高等。
系统无功对电压影响大。
无功功率的不足或过大，将引起系统电压的下降或上升，从而造成电能的损失和浪费十分严重。
从微观角度看，随着电网容量的扩增，用户家用电器感性负载的不断增加，使得城市配电网公用变低压侧功率因数较低。
以长沙市为例，统计表明，城网的公用变低压侧功率因数均在0.6-0.7之间。
过低的功率因数导致公用变低压侧线路损耗大，供电电压指标不能满足用户要求。
用电高峰期，用户末端电压远远低于国家标准，而用电低谷期，
第1章绪论
1.1无功功率的危害
在电力系统中，由于电感、电容元件的存在，不仅系统中存在着有功功率，而且存在无功功率。
虽然无功功率本身不消耗能量，它的能量只是在电源及负载间进行传输交换，但是在这种能量交换的过程会引起电能的损耗，并使电网的视在功率增大，这将对系统产生以下一系列负面影响：
（1）电网总电流增加，从而会使电力系统中的元件，如变压器、电器设备、导线等容量增大，使用户内部的起动控制设备、量测仪表等规格、尺寸增大，因而使初投资费用增大。
在传送同样的用功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增加，使线路及变压器的电压损失增大。
（2）电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，影响正常生产和生活用电；反之，无功容量过剩，会造成电网的运行电压过高，电压波动率过大。
（3）电网的功率因数低会造成大量电能损耗，当功率因数由0.8下降到0.6时，电能损耗将近提高了一倍。
（4）对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升。
为了保证转子绕组正常工作，发电机就不允许达到预定的出力。
此外，原动机的效率是按照有功功率衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。
目前，随着电力电子技术的迅速发展，工厂大量使用大功率开关器件组成的设备对大型、冲击型负载供电，这使电能质量问题日益严重。
如果，不进行无功补偿，在正常运行时，会反复地使负载的无功功率在很大的范围内波动，这不仅使电气设备得不到充分的利用，网络传输能力下降，损耗增加，甚至还会导致设备损坏、系统瘫痪。
在我国电力工业发展过程中，因多年“重发电、轻供电”思想的影响，造成电网建设落后，结构不合理，导致城市和农村配电网无功补偿不足，电能质量不高等。
系统无功对电压影响大。
无功功率的不足或过大，将引起系统电压的下降或上升，从而造成电能的损失和浪费十分严重。
从微观角度看，随着电网容量的扩增，用户家用电器感性负载的不断增加，使得城市配电网公用变低压侧功率因数较低。
以长沙市为例，统计表明，城网的公用变低压侧功率因数均在0.6-0.7之间。
过低的功率因数导致公用变低压侧线路损耗大，供电电压指标不能满足用户要求。
用电高峰期，用户末端电压远远低于国家标准，而用电低谷期，末端电压又远远超过国家标准，不仅电能浪费十分严重，而且影响用电设备的使用寿命。
因此，在公用变低压侧进行无功功率补偿已成为目前提高供电水平、降低无功损耗急需解决的问题[1][3]。
1.2无功功率补偿的历史与现状
1.2.1无功功率补偿的分类
无功补偿可以分为串联补偿和并联补偿，欧美一些国家普遍采用串联补偿来提高输电线传输能力，但我国至今投入运行的串联补偿装置甚少，而是采取并联补偿的方式。
串联补偿的目的在于控制线路的阻抗参数，并联补偿的目的在于控制线路的电压参数。
并联补偿按补偿对象不同可分为负荷补偿和系统补偿两类。
负荷补偿通常是指在靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿，其目的是提高负荷的功率因数，改善电压质量，减少或消除由于冲击性负荷、不对称负荷和非线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流波形畸变等危害。
负荷补偿可分为静态补偿和动态补偿[9]。
静态补偿即根据三相负荷的平衡化原理，通过在负荷点串、并入无功导纳网络，把三相不对称负荷补偿成对于供电系统来说是三相对称的。
该方法优点是结构和控制简单、造价低，缺点是对于工业电弧炉、电焊机等动态负荷难以达到理想的补偿效果。
真正意义上的不对称负荷动态补偿是从1977年Grandpierre提出分相控制的静止无功补偿器（StaticVarCompensator,SVC）的方法后开始的。
分相控制的SVC能根据系统的实际情况，通过调整可控硅触发角来改变SVC的各相补偿度，从而达到补偿负荷负序分量和调整负荷功率因数的目的。
因此，该方法一提出就受到了普遍关注[10][11]。
系统补偿通常指对交流输配电系统进行补偿，目的是维持电网枢纽点处的电压稳定，提高系统的稳定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流，降低线损等。
IEEE定义了两个专门的术语来表达综合的并联无功补偿技术，其一是静止无功发生器（StaticVarGenerator,SVG）,定义为能向电网提供可控的容性和/或感性电流从而发出或吸收无功功率的静止电力设备、装置或系统；其二是“静止无功补偿系统”（StaticVarSystem,SVS）定义为不同的静止补偿器以及机械投切电容器/电抗器相结合并可协调操作的综合体。
静止无功补偿器SVC和静止同步补偿器STATCOM都属于SVG，SVS的范围更广，不但包括了具有良好可控性的SVG，还包括了机械开关切换的电容器和电抗器[2][4]。
1.2.2无功功率补偿技术的现状和发展方向
目前，电力系统和工业企业中应用最多的无功补偿设备是SVC。
截止到2000年，全世界已有超过400套、总容量约为60Gvar的SVC在输配电系统中运行；全世界已有超过600套、总容量约为40Gvar的SVC在工业部门使用。
我国的输电系统中有6套容量为105～170Mvar的SVC安装在5个500KV变电站，均为进口；工业用户安装了100多套SVC，约有1/5是进口的。
从2001年起中国电力科学研究院已为工业用户提供了26套10～35KVTCR型SVC新平台，10KVTSC型SVC装置于2001年、2003年在变电站分别投入运行，填补了SVC国内工程化应用的空白[12]。
而STATCOM装置是基于交流器的无功功率补偿装置，其技术是所有基于变流器的FACTS装置的基础，已经获得了广泛的重视。
世界上各大著名的电气设备制造商（如西门子公司、ABB公司、阿尔斯通公司、GE公司、三菱公司等）都开发了STATCOM工业装置产品。
1999年我国清华大学也开发了
20MvarSTATCOM装置，且在河南电网成功投入运行。
STATCOM装置在国际上已有几十套示范工程投入使用，单套容量已达到200Mvar,该技术正在逐渐成熟。
从无功功率补偿装置的应用来看，SVC装置因为控制简单、价格低、能满足大多数用户对于无功功率补偿的需要，因此应用最为普遍，目前在电力系统和工矿企业用户中拥有广大的市场，是并联无功补偿的主要应用装置。
国内外对SVC的研究仍在继续，研究的重点集中在控制策略上，试图借助于人工智能提高SVC的性能。
而采用可关断器件的STATCOM装置，由于历史和价格的原因，目前在国内外应用并不多。
然而STATCOM是性能最优的无功补偿装置，是FACTS的核心，值得加强研究和推广使用[13][14]。
1.3本文研究的主要内容
本课题研究用的TSC型低压动态无功补偿装置，采用80196KC单片机系统作为控制器的核心，新颖的快速无功功率检测方法和独特的晶闸管技术，实现了对多组电容器快速自动分级投切，达到了对冲击负荷动态无功补偿的要求。
第2章无功功率理论
2.1无功补偿的作用
采用无功补偿可以收到以下效果：
（1）减少电力损失，一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情况，其电力损耗约2%--3%左右，使用电容提高功率因数后，总电流降低，可降低供电端与用电端的电力损失。
（2）改善供电品质，提高功率因数，减少负载总电流及电压降。
于变压器二次侧加装电容可改善功率因数提高二次侧电压。
（3）延长设备寿命。
改善功率因数后线路总电流减少，使接近或已经饱和的变压器、开关等机器设备和线路容量负荷降低，因此可以降低温升增加寿命（温度每降低10°C，寿命可延长1倍）
（4）最终满足电力系统对无功补偿的监测要求，消除因为功率因数过低而产生的罚款。
2.2功率因数的概念
功率因数cosφ是电网有功功率P与视在功率S的比值，记为
（2.1）
式中U——线电压，kV
I——线电流，A
其物理意义是线路的视在功率S供给有功功率的消耗所占百分数。
功率因数的大小代表着电源被利用的程度，它的最大值为1，这时P=S，电源利用率最高；同时，由于
（U为电网相电压），
因此在同一电压下要输送一定的功率，功率因数越大，线路中的电流越小，故线路中的损耗也越小。
功率因数最小值为零，这时P=0，表示负载和电源之间只有往返的无功功率在交换。
因此，在电力系统中力求功率因数接近于1。
在电力网的运行中，为了合理利用资源，充分发挥设备的能力，我们希望功率因数越大越好。
上式说明，在电压和电流一定的条件下，功率因数cosφ越高，其有功功率P越大，电网发挥的视在功率S中用来做有功功率的比重越大。
因此，改善cosφ可以充分发挥设备的潜力，提高设备的利用率。
提高功率因数，不但可以充分发挥发、供电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量，而且可以通过设备的工作效率和节约电能。
2.3无功补偿的基本原理
无功功率补偿的原理如图2.1所示，在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例：
异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。
异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比重。
电力系统的电抗器和架空线等也要消耗一些无功功率；同时，各种谐波源也要消耗一定的无功功率。
阻感负载可看作电阻R与电感L串联的电路，其功率因数为
（2.2）
式中
，将R、L电路并联接入C之后，电路如图2.1a所示。
该电路的电流方程为
（2.3）
由图2.1b的相量图可知，并联电容后电压
与
的相位变小了，即供电回路的功率因数提高了。
此时供电电流
的相位滞后于电压
，这种情况称为欠补偿。
若电容C的容量过大，使供电电流
的相位超前于电压
这种情况称为过补偿，其相量图如图2.1c所示。
通常不希望出现过补偿的情况，因为这会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率同样会增加电能损耗。
如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器的寿命。
图2.1无功功率补偿的原理框图
2.4提高功率因素意义
（1）减少线路的电压损失
电力网的电压损失可以表示为：
（2.4）
可看出，影响ΔU的因数四个：
线路的有功功率P、无功功率Q、电阻R和电抗x。
如果采用容抗为xc的电容来补偿，则电压损失为：
（2.5）
故采用补偿电容提高功率因数后，电压损失ΔU减小，改善了电压质量。
（2）减少线路的电能损耗
当线路通过电流I时，其有功损耗为：
（2.6）
或
（2.7）
可见，线路有功损耗ΔP与cos2φ成反比，cosφ越高，ΔP越小。
对全网线路有功损耗的降低值，应按线路节点间电阻以及所通过的无功负荷分段求出，再将各段的
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