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1、配电房无功补偿电容自动投切 系统皖西学院本科毕业论文（设计）配电房无功补偿电容自动投切系统设计论文题目姓名（学号）Mark ()院别机械与电子工程学院专业电气工程及其自动化导师姓名刘林皖西学院本科毕业论文（设计）配电房无功补偿电容自动投切系统设计作教师摘要:最近几年来，随着我国经济的发展，对电力的需 求,以及全球能源危机，加强电能的质量和能耗的降耗 变得很重要。电网中在传输电能时会产生的电能损耗，这是很大的浪费。=J严重的是中低压配电网中的电能耗损占了大部分。用晶闸管投切电容器来进行无功补偿来提高功率 因数，降低线损这些都是很有效的方法。在电网中安装的无功补偿设备有晶闸管控制电容器的投切、有固
2、定配置的并联电容器等。出于对电能质量 和经济运行的均衡考虑，用晶闸管控制电容器的投切在 近年来都是首选的方式。本文是使用的单片机是AT89C52，通过对单片机的编程来实现无功补偿系统的自能监测和自动控制，通过电 容器的投切来调整功率因数，使其得到优化，并提高电网供电能质量以及经济运行。l=JI关键词：配电网无功补偿 电容器AT89C52目录第一章绪论11.1 课题的研究背景11.2 目前无功补偿存在的缺陷 1第二章无功补偿原理和算法22.1 无功功率补偿的原理 22.2 无功功率补偿的方式 42.3 无功补偿投切的就地控制算法 4第三章系统硬件设计63.1 无功补偿电容自动投切系统总体框图 6
3、3.2 AT89C52单片机错误!未定义书签。3.2.1 AT89C52单片机的硬件结构错误!未定义书签。3.2.2 主要性能参数错误!未定义书签。3.2.3 AT89C52管脚说明错误!未定义书签。3.2.4 存储器结构错误!未定义书签。3.3 相位差检测单元电路的设计 83.3.1 相电压、相电流输入电路103.3.2 相位差的检测113.3.3 相位差的计算133.4 投切电容电路的设计 153.5 三相功率因数的显示电路设计18351 LED显示器.18352 8255A与LED显示器的接口193.6 电源电路设计22第四章 系统软件部分设计234.1主程序设计流程图 234.2 子程
4、序设计流程图 24结论25致谢25参考文献：28第一章 绪论1.1 课题的研究背景我们把完整的电力系统分为发电、高压输电和次高压输电、配电、负载四个部分。输电 和配电系统所输送的电能有功功率和无功功率两个部分。配电网的总负荷是有功电流和无功 电流在流经输电线路，配电设备时会产生的有功功率损耗和无功功率损耗，以及电力系统用 户消耗的无功功率和有功功率。在整个电网中，每个时刻，电网中的无功负荷和有功负荷都 一定和无功电源和有功电源相互平衡。有功电源是发电机，无功电源可以是发电机，也可以 是并联的电容器等无功补偿装置。随着我国经济的高速发展，对电力需求不停的增长，电网规模不停的增大，电力工业也 有相
5、应的发展，但于此同时供电的质量等问题也越来越严重。其中比较明显的是无功功率的 不足。在配电网中的配电线路、中低压变压器、异步电机等较多电感性负荷的存在都会产生 无功损耗。无功功率的不足造成了较多的无功电流在配电网络中传输，造成不良后果，第一，增加 了有功网损，而降低原配电网运行的经济性；其次，降低了供电电能质量以及供电的可靠性； 第三，降低了配电系统对有功功率输送的能力，因此电力系统的使用效率降低。实现就地无 功功率的平衡是解决无功功率的不足重点之处。对于中，低压配电网络和电力系统用户来说， 安装并联电容器是很经济实用的办法。1.2 目前无功补偿存在的缺陷数据表明，在中国国内城镇乡、村配电网无
6、功损耗数据如下：04kV级损耗占约51%左 右，0.4kV-10kV级损耗占约18%左右，35kV以上损耗占约31%左右。在农村电网中，较长距 离供电很普遍，10kV线路耗损很大；而在城市电网中，配点网络的耗损主要在04kV。由此 可见10kV等级电压以下的无功损耗占了很大的比例。因此，做好这部分的无功补偿很重要。最近几年，计算机技术的快速发展，无功补偿也己经得到了巨大的成就，无功补偿设备 已经进入一个崭新的阶段。但是，许多输电系统中依然会出现无功功率补偿不足。无功补偿主要有以下的问题：无功补偿容量不足，集中补偿居大多数皖西学院本科毕业论文(设计)第二章无功补偿原理和算法2.1无功功率补偿的原
7、理电力网络中的电动机，变压器的工作原理是法拉第的电磁感应原理。磁场所拥有的磁场 能均是由电源提供。电动机的线圈和变压器的线圈在能量转化过程就是交变磁场。在一个周 期内线圈吸收与释放的功率相等或者交流电网中的电容器充电与放电功率相等，它们被称为 无功功率。无功功率主要用来建立静电场和磁场，并且会在电力系统元件中流动，这就是无 功电流。无功电流的存在会引起电压损耗和功率损耗，降低电网供电能质量以及电网的经济 运行。通过对无功功率的补偿可以改变这一状况。无功补偿的原理就是在一个电路中通过电感与电容器的并联，即电感吸收(释放)电能, 而电容器可以释放(吸收)电能。电能在电感与电容之间相互转化，即无功补
8、偿。无功补偿 的原理可由图2-1来说明：设负载需从电源吸收的无功功率为“Q”装设无功补偿装置后，无功补偿功率为“Q ”C这样电源输出的无功功率为“Q=QQ ”功率因数从“ cos申”升高到“cos申”在功率 从“S ”降低到“S”由电力系统功率损耗的计算公式：S = P + jaQ = (R + jX)卩2 +(Q Qc)(2-1)U 2使用无功补偿设备进行无功补偿后，电源输送的总功率减少。皖西学院本科毕业论文(设计)由电压损耗计算公式(22)aU = PR+(Q + QS xU使用无功补偿设备进行无功补偿后，电力网无功功率的减少，提高了电网供电能质量以 及电网的经济运行。在输电网络中，电器设
9、备的线圈可以等效看做电感L与电阻R串联的电路，设cos 申=RR 2 + XL2(23)式中：XL =加0我们把cos P被定义为电力网的功率因数。在电力系统运行中，cos P越大越好，这样可以降低无功功率的损耗。将R，L电路并联电容C后，电路如图2-2 (1)所示，该电路的总电流是流经电容C的 电流和流经R, L的电流之和。由图2-2 (2)的相量图可知，并联电容器后，cos申的值提高了，电流I的相位滞后于电压U，这种情况称为欠补偿。(1)电路图(2)向量图(欠补偿)(3)向量图(过补偿)图2-2无功补偿功率的电路和向量由电容C提供的电流过大，电压U的相位滞后于电流I，这种情况称为过补偿，其
10、向量 图如图3-2 (3)所示。(2-4)电力系统中的无功功率Q,有功功率P，还有视在功率S之间有以下关系，即S = JP2 + Q2而晳=cos CP皖西学院本科毕业论文(设计)PS因此功率因数可以用以下公式表示cos申(2-5)式中：U表示线电压I表示线电流可见在电压、电流一定的情况下，提高cos申，可增大输出的有功功率。2.2 无功功率补偿的方式低压配电网是处于电力系统的尾端，因此电网补偿的重点在低压配电网。作好低压无功 补偿有以下好处，减轻上一级电力系统无功补偿的压力，提高低压配电变压器的使用效率， 提高供电电压质量，减少电能损耗。无功补偿的目标，是实现无功功率的就地平衡，我们一 般采
11、用以下三种方式：跟踪补偿、变压器侧补偿、随机补偿。2.3 无功补偿投切的就地控制算法由于各个补偿点现场调压、调相设备以及调控目标的不同，目前并无统一的标准进行补 偿电容器的就地自动控制投切。一般按以下三种方式进行投切操作。(1) 功率因数。电力系统中按功率因数的大小进行补偿电容器的投切是传统的方法，但这样容易在有功 负荷轻载的时候形成投切振荡。(2) 电压和功率因数控制投切。电压和功率因数控制投切由电压和功率因数共同决定、判断进行无功补偿电容器的投切 采用电压和功率因数控制投切方式经常使无功补偿电容器出现投切振荡。(3) 电压和无功功率控制投切。与电压和功率因数控制投切方法相比，电压和无功功率
12、控制投切的方法有以下优点；能 准却地跟踪无功功率，能准却的进行补偿电容器的投切。九区图控制法是目前使用最为广泛的控制方式，由电压、无功功率两个因数共同决定，电压、无功功率的上下限如下图2-3所示。Q下限Q上限81J越上限Q越下限匸正常Q越下限6I：越下限Q越下限I：越上限Q正常匕越上限U正常Q正常5I越下限Q正常U正常Q越下限 匕下限V越下限Q越二限图2-3电压无功功率复合控制九区图1区域；U越上限、Q正常。控制策略是切电容器。2区域；U越上限、Q越上限。控制策略是切电容器。3区域；U正常、Q越上限。控制策略是投电容器。3区域；U正常偏高、Q越上限。若入电容器则可能会跳到区域1,所以控制策略是
13、电 容器保持不动。4区域；U越下限、Q越上限。控制策略是投电容器。5区域；U越下限、Q正常。制控策略为投是电投容电器容。6区域；U越下限、。Q越下限。控制策略是投电容器。7区域；U正常、Q越下限。控制策略是切电容器。7区域；U正常偏低、Q越下限。若入电容器则可能会跳到区域5,所以控制策略为电 容器保持不动。8区域；U越上限、Q越下限。控制策略是切电容器。9区域；U正常、Q正常。控制策略是电容器保持不动第三章 系统硬件设计3.1 无功补偿电容自动投切系统总体框图该系统硬件结构框图如图3-1所示，主要由单片机AT89C52来进行数据处理、输入、输 出控制。补偿电路的功率因数由计数器8031计算，并
14、由LED进行显示，通过单片机将8031 计算出的功率因数进行判断，当功率因数小于0.9时，则由单片机控制固态继器来控制补偿 电容器的投入，对补偿电路进行补偿。无功补偿电容自动投切系统有五大部分组成；相位差 检测模块，功率因数显示模块，补偿电容器投切模块，电源模块和单片机系统。图 3-1系统硬件结构框图N W117=O-.-EI-. Pul T 厂4 0 Z0 TT L、0t.ktk!SEffiSffiOS s rd s * . 宵dIr4m ss.R- 一更1 ET 目赛m一B$0閒L-一亠 pa 一QLNAM 一 mg 口-i_El-I-91S1图3-2系统原理图3.2 AT89C52AT89C52其特点:CPU：拥有八位寻址空间（用户）：拥有128个振荡器（片内）：1.212 MHZ数据存储器（片内）：128B程序存储器（片内）：4KB特殊功能寄存器：21 个字符并行I/O接口：PO, P1， P2， P3定
