低压功率因数补偿系统设计

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1、毕业设计开题报告题目：低压功率因数补偿 学院：机械与电子工程学院 专业：电子信息工程 姓名：任 飞 学号：1020610205摘要在电力系统中，由于大量输变电设备的存在，其在使用过程中产生磁场，形 成感性负载。感性负载的存在导致电网功率因数的下降。为了改善和提高电力系 统的电压质量，充分发挥输变电设备的效能，就必须就地平衡无功。本装置设计 的目的正是利用控制投切电容组数来达到电感平衡。低压配电网功率因数补偿系统由控制核心电路和补偿执行机构组成。主控电 路主要完成采样和数据处理并输出控制信号，执行机构采用继电器控制电容组的 投切。其中CPU采用80C196KB作为主控芯片，控制电网无功功率、电压

2、、电流 等参数的实时监测；A/D转换采用12位的高性能A/D转换器MAX197；通过 MOC3083 来控制晶闸管的过零触发导通，从而投切电容器，达到了甚至消除了 合闸涌流的目的。显示部分为 DMLS 字符液晶显示模块。软件部分采用汇编语言 及 C 语言进行编程，主要包括主程序的设计、 A/D 转换、数据处理、电容器的投 切控制等几大部分。本装置具有响应快，性能稳定，操作方便等特点，具有广阔的应用前景。关键词：无功补偿；功率因数；晶闸管投切电容器；触发脉冲目录第 1 章 绪 论 41.1 并联补偿技术的历史与现状 41.2 功率因数补偿器的设计 7第 2 章 无功补偿装置的硬件电路设计 82.

3、1 主电路的设计 82.1.1工作原理 82.1.2电容投切 92.1.3 晶闸管介绍 92.2 控制器的硬件设计 112.2.1 控制器硬件结构及原理 112.2.2 控制器外部功能说明 12第 3 章 算 法 153.1 概 述 153.2 计算说明 153.3 采样点数的选择 163.4 电参数的计算 16参考文献 17第1章 绪 论由于我国一次能源地理分布不均，煤和水力资源主要在西部，为满足东部发 达地区的电力需求，大量的电能将通过长距离输电线送到东部的负荷中心（如北 京、上海和广东地区）。据预计，2020年我国西电东送电力将达到1.21.5亿kW, 要输送如此大的功率，需要建设多条远

4、距离电力输电网，但我国西部地形复杂， 到处是崇山峻岭，建设输电线造价高昂。另外现在申请输电走廊受到环境保护的 限制，因此建设过多的远距离输电线是不可行也是不现实的。为此有效的解决办 法是建立适当的输电线，利用各种技术尽可能提高输电线的输送容量。随着电力系统的发展，各种新型冲击性负荷（如工业电弧炉、电力机车、轧 钢机等）使低压配电网上电压波动频繁，大型半导体整流设备等在电网中造成谐 波，使电压质量变差，影响了原先设备的工作。同时新的敏感设备大量出现（如 半导体制造厂等），对电能质量提出了更高的要求，因此迫切需要改善电能质量的 控制设备。为了改善和提高电力系统电压质量，充分发挥输变电设备的效能，减

5、少电力 损失，就地平衡无功，确保电网安全经济运行，在电力系统中普遍采用并联电容 器来进行无功补偿。电网不同时刻所需要的无功是不同的，这就需要根据电网的 无功需求量来控制投入电网的电容组数，以达到电网的实时平衡。对于投切电容， 则采用晶闸管来控制。采用这种方法，具有成本低、结构简单、控制方便可靠性 高等特点。随着微电子技术的发展，用单片机构成的智能型功率因数补偿装置， 完全实现了在线测试、智能运算、跟踪调节、在线显示数据等功能，克服了传统 装置所存在的缺点。本文根据无功补偿原理，设计一种对低压配电网的智能控制 系统，利用 80C196KB 高性能 16 位单片机系统，该单片机具有片内可编程、可

6、擦除的存贮器（flashmemory）,最大可擦写1000次。它不仅具有MCS-51系列单 片机所具有的特性，而且还有完善的兼容性和价格低廉的特点，此外它还可加密， 用其对电网中的无功功率进行快速检测，判断并通过控制晶闸管开关执行投切多 级电容组数，来实现低压配电网的无功功率的补偿。1.1 并联补偿技术的历史与现状在厂矿用电企业中，用电的设备主要是电动机、电磁线圈、变压器等，这些 负载电感量很大，因而造成供电线路功率因数不高，电能线路损耗大，经济效益 低，浪费电能的缺点。因此，电力部门采用在用户供电变压器的出口母线上并联 电容器的补偿措施，以抵消电感来提高功率因数。传统的功率因数补偿装置可靠

7、性差，不具备智能运算、有级切换，开关动作频繁，触点易被电弧烧蚀，精度不 高，不能连续平滑调节，因而效果不理想。多年来，电力工作者已达成共识：提高电网的安全运行水平和电能质量，除 电网结构本身要合理外，还必须要有先进的调节控制手段。电网的安全运行、经 济运行在很大程度上取决于其“可控度”。为此，人们不断地研制一些新设备来解 决上述问题。并联补偿提供的有功或无功补偿能在增强电力系统安全稳定性方面发挥不可 替代的重要做用，因此从电力系统的诞生开始，并联补偿技术就开始在电力系统 中应用。同步发电机接于电网作为同步补偿机，可以看作是最早的并联补偿装置。 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和

8、可旋转的转子两大部分 组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。这时电机不带任何机械负载， 靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善 电网功率因数或者调节电网电压的目的。随着电力系统的发展，各种补偿并联装 置不断出现，如早期采用机械投切的电容器和电抗器对系统进行无功功率补偿。 在输电线出现故障时，投入电阻吸收有功功率，改善系统的电压水平；尽量维持 发电机输出的电磁功率与原动机功率的平衡，提高电力系统的暂态稳定性。由于 机械投切电容或电抗器会造成较大的冲击，人们开始在负荷中心安装同步调相机， 调相机可以平滑无功功率，而且既可以吸收也可以发出无功功率，因此具有较强

9、 的补偿控制功能，对调节负荷中心的无功补偿平衡和维持负荷中心的电压水平有 重要的作用。但是，由于电力系统发电、输电、配电和用电必须同时完成，系统 始终要处于动态的平衡状态，电力系统瞬时的不平衡可能导致安全稳定问题，因 此要求并联补偿装置具有快速的响应，如达到周波级的响应速度，才能用于处理 系统的问题。由于机械投切装置惯性大，动作时间在秒级，满足不了电力系统对 快速性的要求。此外，许多控制问题要求补偿装置能频繁动作，而机械开关如动 作过频则易损坏、可靠性差。因此，传统的系统动态稳定问题通常是针对一些预 想的系统紧急状态，通过保守的设计，留出较大的稳定储备来加快解决。这就使 输电系统的能力没有被充

10、分利用，经济性差。而随着大功率的电力电子技术的发展，采用高压大容量的电子开关替代机械 开关已成为趋势。因此在 20 世纪 70 年代，出现了一系列的晶闸管投切的或控制 的并联补偿装置，如TSC、TSR、TCR及综合补偿装置SVC,这些并联装置不仅 可以快速投切（响应时间在几十毫秒），而且TCR还可以快速平滑调节无功功率， 使电力系统的并联补偿进入了一个新的阶段。而传统的机械投切的并联补偿装置 逐渐被晶闸管投切的装置所替代。传统的同步调相机，由于是旋转设备，运行维 护都很复杂，响应速度也较慢，且随着负荷中心地区对环境要求的提高，旋转设 备带来的噪声等问题也使居民越来越不满意，因此同步调相机也足见

11、被 SVC 等并 联补偿装置所替代。晶闸管投切的或控制的并联补偿装置彻底改变了机械投切装 置或旋转装置速度慢的缺点，控制速度快，维护简单，成本较低，因此在电力系 统中获得了大量的应用。但这些并联装置本身也存在一些问题，如晶闸管控制的 装置只能以斩波方式工作，因此会产生较大的谐波，其次这些装置并联接入系统 后会改变系统的阻抗特性，过多安装这些设备可能导致出现振荡，而且正式由于 这些设备还保留了阻抗型装置的一些特性，因此在系统电压偏低或偏高时，阻抗 型装置的缺点（如电压低时电流也减小，导致补偿容量与电压平方成比例下降） 影响了并联补偿装置的补偿效果。由于晶闸管的关断不能控制，因此开关频率低， 对配

12、电系统电能质量补偿能力弱。随着高压大容量可关断器件的发展，如IGBT、GTO等器件的发展，20世纪 80年代出现了基于可判断期间的电压源或电流源变流器的并联补偿装置，这种并 联补偿装置完全脱离了阻抗型装置的特性，成为了完全可靠的电压源或电流源， 使得并联补偿的性能得到了较大的提升。由于可关断开关器件工作频率较高，交 流输出的谐波小，变流器工作范围大，输出电流独立于电压，因此在系统电压低 时这种补偿装置具有较好的特性。而且基于变流器的装置不需要体积大的电力电 容器与电力电抗器，体积小，调节速度快（可达到10ms级），因此可以作成模块 式结构，可根据需要像搭积木一样进行组装也可以建成可移动式结构，

13、根据电力 系统需要灵活配置。基于交流器并联补偿装置的典型代表是STATCOM装置和配 电系统的APF装置。STATCOM装置在输电系统中或负荷中心可以快速平滑调节 无功功率，APF装置在配电系统可以补偿负荷不平衡或快速补偿负荷谐波。基于 变流器的并联补偿装置如果在直流侧加上储能器件，还可以快速平滑地控制有功 功率，可以成为快速可控的“景致发电机和电动机”，可以逐渐代替抽水蓄能电站， 其典型代表为SMES装置和BESS装置等。20世纪90年代以来，基于变流器的 并联补偿装置在输电系统和配电系统中获得了越来越广泛的应用。2003年8月14日在美国东部大停电造成的损失高达300亿美元，其后英国 伦敦

14、、瑞典等大停电，使人们进一步认识到电力系统安全稳定的重要性及我国京 沪穗负荷中心潜在的安全稳定隐患，并联补偿提供的有功或无功补偿将在增强电 力系统安全稳定性方面发挥不可替代的重要作用。因此用于输电和配电系统的并 联补偿装置（如SVC、STATCOM装置）将获得广泛的应用，这是并联补偿装置 大量应用新的契机。此外，随着人民生活水平的日益提高，在中低压配电系统中应用并联补偿装 置（如APF、DSTATCOM及配电系统SVC）以提高电能质量问题也日益受到重 视。而出于环保和可持续发展战略考虑，基于新能源（如风力发电、太阳能发电、 燃气轮机发电、燃料电池发电的技术）正在得到广泛的关注和逐步得到应用；而

15、 此类新型的分发布电系统同样需利用上述并联补偿装置进行电能变换，并以其作 为和大型互联电力系统的接口。因此STATCON装置、APF装置、分布式发电系 统、超导储能系统等基于自换相变流器的并联交换技术正成为目前大功率电力电 子技术在电力系统中应用研究的重点。1.2 功率因数补偿器的设计研究低压配电网智能功率因数补偿器的意义在于通过对无功功率的补偿，来 改善和提高电力系统电压质量，充分发挥输变电设备的效能，减少电力损失，保 证电网安全经济的运行。其主要设计包括以下几个方面：1. 补偿器的主电路图的设计：主要包括电容器的分组，每组由晶闸管控制， 根据电网的无功需求并且在最佳时刻来进行投切。2. 系

16、统的硬件电路图的设计：补偿器的控制芯片采用 MCS-96 系列单片机 80C196KB； A/D转换采用12位的高性能A/D转换器MAX197；通过MOC3083 来控制晶闸管的过零触发导通，从而投切电容器；并用时钟芯片DS12887来记录 时间并具有掉电保护的功能。3. 系统的软件设计：数据采集及计算部分采用快速傅立叶算法，对一系列的电参量进行分析计算，以及显示电参量。系统的编程采用汇编语言及C语言。第2章 无功补偿装置的硬件电路设计由于电力网中接入了大量的感性负载，因此，为提高功率因数普遍采用并联 电容器方式进行无功补偿。通过对并联电容器的投切控制就能实现对受电测量无 功功率的局部补偿，减少电网输送无功功率的负担，降低电力损失，改善电网供 电质量。对电容器的补偿有很多方法，本设计采用晶闸管控制投切电容。由于单 片机本身没有晶闸管的门级电压，