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1、目 录1 绪论11.1无功补偿的意义11.2无功补偿国内外发展现状11.3本课题的意义31.4本文研究的内容32 分组投切无功补偿装置原理及功能42.1电容器无功补偿的原理42.1.1电容器无功补偿容量的确定62.1.2电容器的额定电压选择72.1.3电容器的接线方式72.1.4串联电抗器102.1.5接触器102.2无功补偿控制器功能设置112.3并联补偿电容器装置的分组132.3.1分组原则132.3.2分组方式143 无功补偿的测量算法及控制策略163.1 无功检测算法163.2 无功补偿控制策略173.2.1传统“九区图法”控制规则及不足183.2.2模糊控制原理193.2.3模糊控制
2、器的设计214 分组投切无功补偿控制器硬件设计244.1 CPU选型244.1.1存储电路264.1.2串行时钟274.1.3A/D转换器284.2采样测量电路的设计294.3人机接口及通讯部分354.3.1键盘354.3.2液晶显示器(LCD)364.3.3通讯接口374.4投切控制部分384.5看门狗395 分组投切无功补偿控制器软件设计405.1软件结构图405.2采集模块设计415.3电容器组投切部分425.4液晶显示模块436 抗干扰设计456.1硬件抗干扰设计456.2软件抗干扰设计467 结论48参考文献49附录一 控制、通讯及人机接口部分原理图51附录二 模拟量输入部分原理图5
3、2附录三 投切控制部分原理图53翻译部分54英文原文54中文译文66致 谢76第28页中国矿业大学2009届本科生毕业设计1 绪论1.1无功补偿的意义在电力系统中，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中会引起电能的损耗。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，测量仪表等规格，尺寸增大，因而会使初期投资费用增大。在传送同样的有功功率情况下，总电流
4、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耗增大。(2)电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压降低，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)降低了电网的功率因数造成大量电能损耗，当功率因数由0.8下降到0.6时，电能损耗提高了将近一倍。(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，会导致原动机效率的相对降低。目前，随着
5、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范围内波动，这不仅使电气设备得不到充分利用，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，因此，装设无功补偿装置是十分必要的123。1.2无功补偿国内外发展现状电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始发展到今天，历经了并联电容器、同步调相机、静止无功补偿装置（SVC），直到静止无功发生器（SVG）几个不同阶段：(1)并联电容器并联电容器是电网中用到的一种专用的无功补偿设备。它的特点是，价格便宜，易于安装维护
6、，主要作控制负荷功率因数，也可以作为无功功率补偿调节的手段。并联电容器补偿无功功率方式有三种：集中补偿电容器组集中装设在企业和地方总降压变电所的610kV母线上用来提高整个变电所的功率因数。它可以使该变电所在其供电范围内无功功率基本平衡，可以减少高压线路上的无功损耗，而且提高本变电所的供电电压的质量。分组补偿将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或农村变电所内，也称分散补偿。这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅无功补偿容量和范围相对小些。但是分组补偿效果比较明显，采用的较为普遍。就地补偿将电容器组装设在异步电动机旁或感性用电设备附近，就地进行无功补偿。这种方式既能提高负荷的功率因数，又能改善用
7、电质量，对中、小型设备十分适用。(2)同步调相机调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，调节其励磁，既可以发出无功功率，又可吸收无功功率，它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容得到很大采用后，它退到次居地位。其主要缺点是投资大，运行维护复杂。因此许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。同步调相机的优点是：在系统发生故障引起电压降低时，同步调相机可提供电压支持，还可在短时间内强行励磁，对提高电力系统的稳定性有很大好处。在接受远方大容量系统电源送电的弱系统中，可以在系统故障时提供电压支持，对于较弱的接受端系统，在传送大容量电力的超高压长距离电线的中途，装设同步调相机作为并联补偿，提供动
8、态无功支持，提高送电容量和系统的稳定性。(3)静止无功补偿器（SVC）所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收或发出无功电流的能力，用于提高系统的功率因数、稳定系统电压、抑制系统振荡等功能。可分为饱和电抗器型无功补偿装置(SR)、晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器（TSC）。(4)基于电力电子逆变技术的无功补偿装置SVG又称静止同步补偿器(STATCOM)，是采用GTO构成的自换相变流器，通过电压源逆变技术提供超前和滞后的无功，再到无功补偿领域。与SVC相比，其调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小，同容量占地面积小，在系统欠压条件下
9、无功调节能力强。不过由于控制复杂且全控器件价格昂贵还没有普及，但其优越性能必将使其成为未来谐波抑制和无功补偿设备的重要发展方向。1.3本课题的意义尽管SVG在理论上拥有无法比拟的优势，能达到快速、安全的补偿效果。但由于控制元件价格昂贵且控制系统较复杂，使得这种系统的可靠性差，容量产生误动作。根据我国目前的发展状况煤矿、农村等35KV变电站安装的大多数还是分组投切无功补偿装置，有的甚至是单组电容器自动投切。因此电容分组自动投切与主变压器有载调压相配合，能有效提高电压水平，提高供电企业的服务质量，满足负荷波动对无功补偿的需求同时也是变电站实现微机保护无人值守的需要。针对现有的无功补偿控制器本设计对
10、其进行提出改进。从无功功率的实时检测和电容器分组投切控制策略进行了研究。再加之单片机的高效处理从而有效地提高控制性能和缩减投资成本。因此采用分组投切无功补偿仍然具有广阔的发展前景234。1.4本文研究的内容本文主要是对分组投切无功补偿装置控制器的设计：（1）介绍了并联电容器无功补偿的原理，以及无功补偿容量的确定，对三种常用的接线方式进行比较最终选定为三角形接法。对无功补偿控制器所具备的功能进行了汇总，采用多种保护功能提高系统的安全稳定运行。（2）本控制器同时采集三相电压、三相电流，利用快速傅里叶变换(FFT)算法对电网中的电参数进行实时测量，提高数据采集的精度，采用先进的模糊控制理论解决了传统
11、无功补偿控制策略的不足。（3）硬件部分：设计了包括信号采样、采样保持及A/D转换电路，MSP430F149单片机最小部分、键盘显示电路、投切控制电路以及通信电路等。（4）软件部分：介绍控制器软件的整体结构流程图。对数据采集、投切控制以及显示单元进行简单分析。（5）从硬件和软件两方面介绍抗干扰的方法，提高其对恶劣环境的适应能力，保证控制器的正常稳定运行。2 分组投切无功补偿装置原理及功能2.1电容器无功补偿的原理电容器与感性负荷并联是传统补偿无功功率的方法，电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量同时电容器释放能量，反之电感放出能量时电容器却在吸收能量。能量就只在它们之间交换，即感性负荷(如电
12、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5。因此，把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。在实际电力系统中，包括异步电动机在内的绝大部分电气设备的等效电路可看作电阻R与电感L串联的电路，设： （2-1）式中。在电力网运行中，我们希望的是功率因数越大越好，如果能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，可以减少无功功率的消耗。（a） 电路 （b）相量图（欠补偿） （c）相量图（过补偿）图2.1 并联电容器补偿无功功率的电路和相量图如图2.1(a)所示，将RL电路并联电容C后，该电路电流为。由图2.1(b)相量图可知，并联电容器后电压和电流的相位差变小，即
13、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。由图2.1(c)相量图可知，若电容C的容量过大，使得供电电流的相位超前于电压，这种情况称为过补偿。通常不希望出现过补偿的情况，这样会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输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。电力网除了要负担用电负荷的有功功率，还要承担负荷的无功功率。有功功率与无功功率还有视在功率之间存在下述关系，即 (2-2)而功率因数还可以表示成 (2-3)可见在一定的电压和电流下，提高，其输出的有功功率增大。因此，改善功率因
14、数是充分发挥设备潜力，提高设备利用率的有效方法。无功补偿的目的就是提高电网的功率因数，即提高有用功在电网发出的功率中的比例。2.1.1电容器无功补偿容量的确定采用分组补偿时，补偿容量由式24和式25决定 (2-4)或 (2-5)式中：由变配电所供电的月最大有功计算负载，；月平均负载，一般可取0.70.8；补偿前的功率因数角，可取最大负载时的值；补偿后的功率因数角，参照电力部门的要求确定。电容器补偿率，即每千瓦有功负载需要补偿的无功功率，电容器接法不同时，每相电容器所需容量也是不一样的。(1)电容器组为星形连接时 (2-6)式中：装设地点电网线电压，；电容器组的线电流，；角速度，值为；每相电容器组成的电容量，。考虑到电网线电压的单位常用，的单位为,则星形连接时每相电容器组成的容量（单位：）为： (2-7)(2)电容器组为三角形连接时 (2-8)若线电压的单位为，则每相电容器的容量（单位:）为： (2-9)2.1.2电容器的额定电压选择在并联电容器装置设计
