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1、 本科生毕业设计 论文 题题 目 目 低压低压无功补偿器设计器设计 学生姓名 学生姓名 系系 别 别 专业年级 专业年级 指导教师 指导教师 2011 年 5 月 25 日 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 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5189CAT 压 高性能的 CMOS 8 位单片机 具有运算速度高
2、 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0809ADC 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 关键词关键词 无功补偿 单片机 低电压 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 1 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 Abstract What this article studies is based on the alteration of reactive power compensation of low
3、voltage then design an equipment for reactive power compensation of low voltage As a kind of reactive power compensation 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 react
4、ive power compensation for the power grids and introduded the hardware and software of the controller This device 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 p
5、erformance CMOS 8 monolithic integrated circuits The software uses the assembly language to carry on the translation The man machine 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 swit
6、ching device This equipment may track the electrical network reactive power the change and the automatic 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
7、 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 目录 摘 要 0 ABSTRACT 0 目录 0 第一章 绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 无功补偿装置的发展状况 2 1 3 本课题主要研究的内容 4 第二章 无功补偿的原理 5 2 1 无功补偿的原理 6 2 2 低压电网中的几种无功补偿的方式 9 2 3 确定补偿容量的几种方法 10 2 3 1 从提高功率因数需要确定补偿容量 10 2 3 2 从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量 10 2 3 3 从提高运行电压需要来确定补偿容量 11 2 4 本章小结 12 第三章 硬件设计 12 3 1 无功补偿装置的技术要求 12 3 1 1 补偿
8、控制应符合技术条件 12 3 1 2 测量精度 12 3 1 3 控制器原理 13 3 2 硬件介绍 13 3 2 1 CPU 14 3 2 2 A D 转换器选型 17 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 1 3 2 3 看门狗 18 3 2 4 LCD 显示 20 3 3 模拟信号调理电路 21 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 3 3 1 互感器信号转换及电流 电压转换电路 21 3 3 2 电压 电流采样及信号处理电路 23 3 4 输出控制电路 23 3 5 本章小结 24 第四章 软件设计 25 4 1 投切原则 25 4 2 功率因数计算 26 4 3 本章小结 28
9、第五章 总结与展望 29 参考文献 30 致谢 31 附录 1 硬件结构图 32 附录 2 软件程序 32 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 1 第一章 绪论 1 1 研究背景 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 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70 0 cos 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
10、 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
11、功率因数85 0 cos 采用无功功率补偿后 把电 力网总负荷的功率因数提高到95 0cos 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85 0 cos 提高到95 0 cos 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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 2 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
12、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 2 CO 2 SO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 近 20 年来 世界各地
13、 包括美国 法国 意大利 英国 俄罗斯 日本等国 发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了 各国的高度重视 持续了短短 72 小时的 8 14 美加大停电给美国造成了巨 大的经济损失和社会影响 这次事故提醒人们 电网运行要有足够的无 功备用容量 无功不能靠远距离传输 在电力市场环境下 必须制定统 一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安全性的角度提供 充足的无功备用 在我国也曾多次发生电压崩溃事故 如 1993 年和 1996 年南方电网的几次事故 这些事故都促使人们采取各种措施以维持电网 稳定 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
14、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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 3 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 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
15、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锲机 无功补偿技术和电力电子技术的结合主要有以下三方面 1 是作为投切电容器的开关 因为电力半导体开关的响应时间短 PS 级 所以能够选择电容的投切角度 实现零电压投切 避免了涌流的产 生 提高了电容器使用的可靠性和电力系统的稳定性 现代并联电容器 补偿装置中的输出回路就引进了该项技术 2 是作为无功输出的调节开关 由于电力电子器件的高开关频率 使其能够方便地控制电容器电流的导通角 从而实现无功的连续调节 快速跟踪负载无功的变化 静止型无功补偿器是
16、其中的代表 3 是引入电力电子变流技术 将变流器作为无功电源来调节无功的 输入和输出 起到补偿负载无功的作用 经常用的是静止调相机和有源 滤波器 由无功补偿源在主电路回路中连接方式的不同 无功补偿器可分为 并联型和串联型两种结构 依据电力电子技术在无功补偿中应用的方式 不同 现代无功补偿装置大致可分为以下几种类型 1 TSC Thyristor Switched Cpacitor 型无功补偿装置 它属于并联 型无功补偿装置 主回路如图 1 1 所示 是由多台电力电容器并联以及由 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 4 可控硅构成的执行机构组成 装置根据无功电流的大小来决定投入电容 组数 由此可见 TSC 的无功调节是有级的 它无法连续的输出无功 这 使其在使用中存在合理选择电容 适当分级的问题 但它的优点也明显 即结构简单 控制方便 电容器利用率高 使用中不存在谐波污染等 Ic U Ic1Ic2Ic3 C1 C2 C3 图 1 1 TSC 型无功补偿装置主回路 2 FC TCR Fixed capacitor Thyristor Controlled Reactor 型无功补 偿装
