低压无功补偿器.docx

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低压无功补偿器

摘要

本课题研究以低压电网无功补偿改造为背景，研制了一种低压无功功率补偿控制器。

作为一种非实时的无功补偿装置，该装置以定时的电网监测数据为依据，以城镇低压网（220V）的无功补偿为对象。

本文主要研究了无功补偿对电网性能的改善，以及控制器的软硬件的配置。

系统采用

单片机，该单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机，具有运算速度高，实时性好的特点；软件则使用汇编语言进行编译；人机操作界面采用LCD显示,显示效果较好；A/D转换采用

，是一款比较实用的A/D转换装置。

该装置可跟踪电网无功功率的变化并自动补偿,实现了无功补偿装置的优化运行,具有体积小、原理简单、智能投切等优点。

关键词：

低压，无功补偿，功率因数，单片机控制。

Abstract

Whatthisarticlestudiesisbasedonthealterationofreactivepowercompensationoflowvoltage,thendesignanequipmentforreactivepowercompensationoflowvoltage.Asakindofreactivepowercompensation,thisequipmentisbasisontheelectricalnetworkmonitordata,andprovidesreactivepowerforcity’slowvoltagepowergrids.Thisthesishasdiscussedtheimportanceofthereactivepowercompensationforthepowergrids,andintrodudedthehardwareandsoftwareofthecontroller.

Thisdevice'shardwarecoreisAT89C51SCM,whichhasmanymeritssuchashighoperatingspeed.ThismonolithicintegratedcircuitisthelowvoltagewhichAmericanATMELCorporationproduces,ahighperformanceCMOS8monolithicintegratedcircuits;Thesoftwareusestheassemblylanguagetocarryonthetranslation;Theman-machineoperationcontactsurfaceusestheLCDdemonstration,thedemonstrationeffectisquitegood;A/DtransformationusesADC0809,itisasectionofquitepracticalA/Dswitchingdevice.Thisequipmentmaytracktheelectricalnetworkreactivepowerthechangeandtheautomaticcompensation,andthisinstallmenthasthevolumetobesmall,theprecisionishigh,thepricecomparedtothehighermerit.

KeyWords:

lowvoltage,reactivepowercompensation,powerfactor,SCM（SingleChipMicyoco）.

第1章绪论

无功功率补偿装置在电力供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。

所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置，有重要的实际意义。

1.1课题背景

目前，我国的电网，特别是广大的低压电网，普遍存在功率因数较低、电网线损较大的情况[1]。

导致此现象的主要原因是众多的感性负载用电设备设计落后，功率因数较低。

比如我国的电动机消耗的电能占全部发电量的70%，而由于设计和使用等方面的原因我国电动机的功率因数往往较低，一般约为

。

在这种情况下，采用无功补偿节能技术，对提高电能质量和挖掘电网潜力是十分必要的，世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分。

从我国电网功率因数和补偿深度来看，我国与世界发达国家有不小差距。

因此大力推广无功补偿技术是非常必要的，并且从以下数据，我们也能看出发展无功补偿所能带来的巨大经济效益。

2007年，我国年总发电量为32559亿千瓦时，统计线损率为8.77%，但是这个数字没有包含相当大的110千伏、35千伏、10千伏的输电线损及0.38千伏的低压电网线损。

据报道，估计实际的统计线损率约为15%，即2007年全国年线损量约为4800亿千瓦时。

设全国的理论线损与统计线损相一致，其中可变线损约占理论总线损的80%，则年可变线损电量约为3900亿千瓦时。

设当前全国电力网总负荷的当前功率因数

，采用无功功率补偿后，把电力网总负荷的功率因数提高到

，则每年可以降低线损约为390亿千瓦时，按0.5元每千瓦时计，价值约为185亿元。

设2007年全国电网的最大负荷利用小时数为5000小时，则电网的最大负荷约为2亿千瓦，当用无功功率补偿法把功率因数

提高到

，全国电网需总补偿容量约为0.58亿千瓦。

当前无功功率补偿装置设备主要为电力电容器，设无功补偿设备每千瓦的平均综合造价为50元，则全国无功补偿装置的总投资约为29亿元。

应当指出，节省240亿千瓦时约相当于一座400万千瓦火电厂的年发电量，而建一座400万千瓦的火电厂需综合费用约为300亿元，同时每年需燃烧煤约为1200万吨，每年产生

等有害物质约为600万吨。

由此可见，产生相同的电力，无功补偿的费用约为新建电厂费用10%，而且无功补偿设备的费用仅需两个月的无功功率补偿的将损节电费用即可全部收回。

综上所述，无功补偿不仅具有如上所述的节省投资、节省电力、节省燃煤及污染等作用，同时还可以提高电力系统设备的供电能力，改善电压质量，减少用户电费开支，延缓用户的增容改造等作用。

1.2无功补偿装置的发展状况

在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标。

为确保电力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。

频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一是对电力系统的无功功率进行控制。

早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器，多用在系统的高压侧进行集中补偿。

至今并联电容器仍是一种主要补偿方式，应用范围广泛，只是控制器在不断的更新发展。

同步补偿器的实质是同步电机，当励磁电流发生改变时，电动机可随之平滑的改变输出无功电流的大小和方向，对电力系统的稳定运行有好处。

但同步补偿器成本高，安装复杂，维护困难，使其推广使用受到限制。

随着近代电力电子技术的出现和发展，无功补偿技术也随之发展。

在第一个工业用晶闸管出现之前，电子半导体由于功率过小，在直流传动，交流传动，电磁合闸，交流不间断电源和无功补偿等领域内一直没有得到应有的推广使用[2]。

晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生，并以此为起点，随着半导体制造技术和变流技术的发展，新型的电力电子器件不断问世，由此引发了众多行业的变革，如交流变频调速技术的蓬勃发展。

同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展契机。

1.3无功补偿的原理

电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工作的。

磁场所具有的磁场能是由电源供给的。

电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率[3]。

接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。

所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。

无功功率在电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电网的电压质量，增加电网的线损率。

将电容器和电感并连在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器释放能量，而电感放出能量时，电容器却在吸收能量。

能量就在它们之间交换，即感性负荷（如电动机、变压器等）所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿[4]。

因此，把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。

此外，同步电动机等也可以作为无功补偿装置。

无功补偿的作用和原理可由图2.1解释：

设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为

，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为

，使电源输出的无功功率减少为

，功率因数由

提高到

，视在功率

减少到

。

视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。

例如一台1000千伏安的变压器，当负荷的功率因数为0.7时，可供700千瓦的有功负荷，当负荷的功率因数提高到0.9时，可供900千瓦的有功功率。

同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦负荷，是相当可观的。

1.4本课题主要研究的内容

本文研究的主要有两方面：

一是无功补偿的基本理论和电网中最佳补偿方式的探讨。

首先是对无功补偿中一般问题进行分析，其次是对无功补偿计算方案的分析。

二是在传统的无功补偿装置的基础上，对其控制器和动作执行机构进行改进，从而开发出一种智能无功补偿器。

文中对这种补偿器的控制器的硬件设计和软件设计作了较详尽的分析。

第2章低压无功补偿设计方案

广大市电低压电网处于电网的最末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键。

搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低电能损失。

低压补偿对用户及供电部门都有利。

2.1低压电网中的几种无功补偿的方式

低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡，通常采用地方式有三种：

随机补偿、随器补偿、跟踪补偿[4]。

随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护装置与电机共同投切。

随机补偿地优点是：

用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停止运补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量。

且具有投资少，配置灵活，维修简单等优点。

为防止电机推出时产生自激过电压，补偿容量一般不大于电机的空载无功。

随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。

有很多的低压配电网中的变压器，尤其是农网配电变压器，普遍存在负荷轻的现象。

在负荷时接近空载，此时配电变压器的空载无功是电网无功负荷的主要部分。

随器补偿由于补在低压侧，可有效地补偿配变空载无功，且连线简单，做到无功地就地补偿。

跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kV母线上的补偿方式。

补偿电容器组的固定连接可起到相当于随器补偿的作用，补偿用户的固定无功基荷；可投电容器组用于补偿无功峰荷部分。

由于用户负荷有一定的波动性，故推荐选用自动投切方式。

此法对电容器的保护比前二种要更可靠。

上述三种补偿方式均可对特定种类无功负荷实现“就地平衡”的无功补偿，降损节能效果好。

本次设计使用第一种补偿方式。

2.2确定补偿容量的几种方法

2.2.1从提高功率因数需要确定补偿容量

设电网的最大负荷月的平均有功功率为

，补偿前的功率因数为

，补偿后的功率因数为

，则所需要的补偿容量

的计算公式为

（2-1）

若要求将功率因数由

提高的

而小于

，则补偿容量

计算为

（2-2）

2.2.2从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量

设补偿前线路中的电流为

，相应的有功电流为

，无功电流为

，补偿无功

后线路中的电流为

，相应的有功电流为

，无功电流为

，则

补偿前的线路损耗为：

（2-3）

补偿后的线路损耗为：

（2-4）

则补偿后线损降低的百分值为：

（2-5）

若根据要求

已经确定，则可求得：

（2-6）

则补偿容量可以按

来计算

2.2.3从提高运行电压需要来确定补偿容量

配电线路末端电压较低，通常是通过无功补偿来提高供电电压的，因此，有时要从提高线路电压来确定补偿容量。

设补偿前线路电源电压为

，线路末端电压为

，线路输送的有功功率为

，无功功率为

，电阻为

，电抗为

，则

（2-7）

补偿无功

后，线路末端电压升为

则

（2-8）

所以投入无功补偿后末端电压增量

为

（2-9）

故补偿容量

（2-10）

若为三相线路，则所需的补偿容量为

（2-11）

式中

——三相线路的线电压增量，KV

——三相线路的线电压，KV

2.3本章小结

本次设计的装置主要是面向低压电网的，可以采用从提高功率因数需要来确定无功补偿，同时又可取标准电压作为电容器切除标准，这样既考虑到功率因数的需要，又考虑到稳定电网电压质量的要求。

第3章低压无功补偿器硬件设计

在一系列的理论分析之后，本次设计将采用根据功率因数来确定补偿容量的方法，再根据当前无功补偿技术的发展状况，我们采用TSC并联电容器型的无功补偿装置。

它具有连线和控制方式简单，电容使用效率高及不产生谐波污染等优点。

3.1控制器原理

3.2硬件介绍

3.2.1AT89C51

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS—51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元[6]。

主要性能参数：

⏹与MCS—51产品指令系统兼容

⏹4K字节可重复擦写Flash闪速存储器

⏹1000次擦写周期

⏹全静态操作：

0Hz—24MHz

⏹三级加密程序存储器

⏹128

8字节内部RAM

⏹32个可编程I/O口线

⏹2个16位定时/计数器

⏹6个中断源

⏹可编程窜行UART

⏹低功耗空闲和掉电模式

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流，当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。

：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.2.2A/D转换器选型

ADC0809是一种8路模拟输入逐次比较型A/D转换器，由于价格适中，与单片机的接口、软件操作均比较简单，目前在8位单片机系统中有着广泛的使用[7]。

ADC0809由8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成。

表3-18路模拟开关与输入通道的关系表

同入通道

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

ADC0809芯片可以分时处理8路模拟量输入信号，使用模拟开关切换。

在某一时刻，模拟开关只能与一路模拟量通道接通，对该通道进行A/D转换。

表1中C、B、A是三条通道的地址线。

当地址所存信号ALE为高电平时，C、B、A三条线上的数据送入ADC0809内部的地址锁存器中，经过译码器译码后选中某一通道。

当ALE=0时，地址锁存器处于锁存状态，模拟开关始终与刚才选中的输入通道接通。

选中通道的模拟量到达A/D转换器时，A/D转换器并未对其进行A/D转换。

只有当转换启动信号端START出现下降沿并延迟

后，才启动芯片进行A/D转换，START的上升沿复位ADC0809。

ADC0809的A/D转换过程是在时钟信号的协调下进行的，ADC0809的时钟信号由CLOCK端送入，其最高频率为640MHz，在这个最高频率下ADC0809的A/D转换时间为100uS左右。

当ADC0809用于AT89C51单片机系统时，若AT89C51采用6MHz的晶振，则ADC0809的时钟信号可以由AT89C51的ALE经过一个二分频电路获取。

这时ADC0809的时钟频率为500KHz，A/D转换时间为130uS。

ADC0809常用的时钟电路如图：

A/D转换结束后，A/D转换的结果（8位数字量）送到三态锁存输出缓冲器，此时A/D转换结果还没有现在DB0-DB7八条数字量输出线上，单片机不能获取之。

单片机要想读到A/D转换结果，必须使ADC0809的允许输出控制端OE为高电平，打开三态输了锁存器，A/D转换结果出现在DB0-DB7上。

单片机读取A／D转换结果的方法有三种

（1）延迟法单片机启动ADC0809后，延时130uS以上，可以读到正确的A/D转换结果。

（2）查询法EOC必须接到AT89C51的一条I/O线上。

单片机启动ADC0809后，延迟10uS，检测EOC，若EOC=0则A/D转换没有结束，继续检测EOC直到EOC=1。

当EOC=1时，A/D转换已经结束，单片机读取A/D转换结果。

（3）中断法EOC必须经过非门接到AT89C51的中断请求输入线INT0或INT1上，AT89C51的中断触发方式为下降沿触发。

单片机启动A/D转换后可以做其它工作，当A/D转换结束时，EOC由0—1经过非门传到INT端，AT89C51收到中断请求信号，若AT89C51开着中断，则进入中断服务程序，在中断服务程序中单片机读取A/D转换的结果。

3.2.3看门狗

本系统采用MAXIM公司的低成本微处理器监控芯片MAX813L构成硬件狗，与AT89C51的接口电路如图3.3所示。

MR与WDO经过一个二极管连接起来，WDI接单片机的P2.7口，RESET接单片机的复位输入脚RESET，MR经过一个复位按钮接地[8]。

该监控电路的主要功能如下：

（1）系统正常上电复位：

电源上电时，当电源电压超过复位门限电压4.65V，RESET端输出200ms的复位信号，使系统复位。

（2）对+5V电源进行监视：

当+5V电源正常时，RESET为低电平，单片机正常工作；当+5V电源电压降至+4.65V以下时，RESET输出高电平，对单片机进行复位。

（3）看门狗定时器被清零，WDO维持高电平；当程序跑飞或死机时，CPU不能在1.6s内给出“喂狗”信号，WDO跳变为低电平，由于MR端有一个内部250mA的上拉电流，D导通MR获得有效低电平，RESET端输出复位脉冲，单片机复位，看门狗定时器清零，WDO又恢复成高电平。

（4）手动复位：

如果需要对系统进行手动复位，只要按下手动复位按钮，就能对系统进行有效的复位。

3.2.4LCD显示

本次设计采用1602型LCD显示，现在的字符型液晶模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。

1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点[9]。

1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0~D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。

1．外型尺寸：

80X36X13（LXWXH）

2．接口信号说明

1602型LCD的接口信号说明如表3.2所示：

表3-21602型LCD接口信号说明

编号

符号

引脚说明

编号

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