低压无功补偿装置的设计毕业论文.doc

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1、 I 目 录 摘 要 Abstract 第第 1 章章 绪论绪论1 1.1 无功功率的危害1 第第 1 章章 绪论绪论2 1.1 无功功率的危害2 1.2 无功功率补偿的历史与现状3 1.2.1 无功功率补偿的分类3 1.2.2 无功功率补偿技术的现状和发展方向4 1.3 本文研究的主要内容4 第第 2 章章 无功功率理论无功功率理论5 2.1 无功补偿的作用5 2.2 功率因数的概念5 2.3 无功补偿的基本原理6 2.4 提高功率因素意义6 2.5 目前国内主要补偿方案简介8 2.6 目前主要的无功补偿装置存在的缺点10 第第 3 章章 低压无功补偿的关键技术低压无功补偿的关键技术11 3

2、.1 低压无功补偿的设计要求11 3.2 无触点投切和无级调节11 3.2.1 基本原理11 3.2.2 投入时刻的选取12 3.2.3 方案的改进13 3.2.4 触发电路14 3.2.5 无级调节16 1.2 无功功率补偿的历史与现状17 1.2.1 无功功率补偿的分类17 1.2.2 无功功率补偿技术的现状和发展方向18 1.3 本文研究的主要内容18 第第 2 章章 无功功率理论无功功率理论19 2.1 无功补偿的作用19 2.2 功率因数的概念19 2.3 无功补偿的基本原理20 2.4 提高功率因素意义20 2.5 目前国内主要补偿方案简介22 2.6 目前主要的无功补偿装置存在的

3、缺点24 第第 3 章章 低压无功补偿的关键技术低压无功补偿的关键技术25 3.1 低压无功补偿的设计要求25 3.2 无触点投切和无级调节25 3.2.1 基本原理25 3.2.2 投入时刻的选取26 3.2.3 方案的改进27 3.2.4 触发电路28 III 3.2.5 无级调节30 3.2.6 数据采样31 第第 5 章章 控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计33 5.1 系统硬件总体结构设计33 5.2 系统硬件的各部分组成及功能33 5.2.1中央控制单元33 5.2.2 模拟输入电路36 (1) 电压互感器电压互感器 SPT204A37 (2) 精密互感器精密互感器 SCT254

4、AK38 (3) 80C196KC 中的中的 A/D 转换器转换器40 5.2.3 程序存储单元44 5.2.4 输出单元46 结束语结束语49 参考文献参考文献50 I 低压无功补偿装置的设计低压无功补偿装置的设计 摘 要：随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。由于无功功率在电 网中传输会造成网络损耗以及受电端电压下降，因此大量的无功功率在电网中传输必 然使电能利用大大降低且严重影响供电质量。在电网中的适当位置装设无功补偿装置 成为满足电网无功需求的必要手段。本文研究一种适合于低压配电网进行集中无功补 偿的晶闸管投切电容器装置（Thyristor Switch Capacito

5、r-TSC） 。针对传统的有触点和 无触点的无功补偿装置的有级无功补偿的缺点，研究了采用光电双向可控硅驱动器 MOC3061 控制双向晶闸管来实现电容器无级投切的无功补偿方法。 本文采用 80C196KC 单片机芯片作为无功补偿装置的控制系统的核心，该装置是 以无功功率最小作为控制策略，以电压作为约束条件。该无功补偿装置是由主电路、 检测电路、控制电路、驱动电路四部分组成。装置能够实现无功功率的快速、准确补 偿，在低压城网和农网中具有较好的实用性以及广阔的应用前景。 关键词：无功补偿；晶闸管；80C196KC 单片机；电容器投切 II The design of lowvoltage reac

6、tive power compensator device Abstract: Due to increasing loads of electric power system, demand on reactivepower was also increasing. Because transmission of reactive power in electric network can lead to network loss and step-down voltage, transmission of a great deal of reactive power necessarily

7、 resulted in reduction of using efficiency of power energy and severely effected voltage quality. It became necessary means that reactive power compensation devices were installed in proper position of electric network. A TSC reactive power compensation device which was fit for low-voltage distribut

8、ion network was introduced in this paper. 80C196KC was a sort of cheap Single Chip Microcomputer and was applied to control system of reactive power compensation device which includes 4 main parts: main circuit, measuring circuit, control circuit and drive circuit. It processed preferably practicabi

9、lity and wide application foreground in low voltage city network and country network. Keywords：reactive compensation; Thyristor; 80C196KC Singlech; Switching of capacitor 1 第 1 章 绪论 1.1 无功功率的危害 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会引起电能的损耗，并使电网的视在

10、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、量测仪表等规格、尺寸增大，因而使初投 资费用增大。在传送同样的用功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增 加，使线路及变压器的电压损失增大。 （2）电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，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）电网的功率因数低会造成大量电能损耗，当功率因数由 0.8 下降到 0.6 时， 电能损耗将近提高了一倍。 （4）对电力系统的发电设备来说，无功

11、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，无功功率的增加，会导致原动机效率的相 对降低。 目前，随着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的范围内波动，这不仅使电气设备得 不到充分的利用，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。 在我国电力工业发展过程

12、中，因多年“重发电、轻供电”思想的影响，造成电网 建设落后，结构不合理，导致城市和农村配电网无功补偿不足，电能质量不高等。系 统无功对电压影响大。无功功率的不足或过大，将引起系统电压的下降或上升，从而 造成电能的损失和浪费十分严重。 从微观角度看，随着电网容量的扩增，用户家用电器感性负载的不断增加，使得 城市配电网公用变低压侧功率因数较低。以长沙市为例，统计表明，城网的公用变低 2 压侧功率因数均在 0.6-0.7 之间。过低的功率因数导致公用变低压侧线路损耗大，供电 电压指标不能满足用户要求。用电高峰期，用户末端电压远远低于国家标准，而用电 低谷期， 第 1 章 绪论 1.1 无功功率的危害

13、 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、量测仪表等规格、尺寸增大，因而使初投 资费用增大。在传送同样的用功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增 加，使线路及变压器的电压损失增大。 （2）电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，影响正常生产和生活用 电

14、；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）电网的功率因数低会造成大量电能损耗，当功率因数由 0.8 下降到 0.6 时， 电能损耗将近提高了一倍。 （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，无功功率的增加，会导致原动机效率的相 对降低。 目前，随着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

15、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的范围内波动，这不仅使电气设备得 不到充分的利用，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。 在我国电力工业发展过程中，因多年“重发电、轻供电”思想的影响，造成电网 建设落后，结构不合理，导致城市和农村配电网无功补偿不足，电能质量不高等。系 统无功对电压影响大。无功功率的不足或过大，将引起系统电压的下降或上升，从而 3 造成电能的损失和浪费十分严重。 从微观角度看，随着电网容量的扩增，用户家用电器感性负载的不断增加，使得 城市配电网公用变低压侧功率因数较低。以长沙市为例，统计表明，城网的公用变低

16、压侧功率因数均在 0.6-0.7 之间。过低的功率因数导致公用变低压侧线路损耗大，供电 电压指标不能满足用户要求。用电高峰期，用户末端电压远远低于国家标准，而用电 低谷期，末端电压又远远超过国家标准，不仅电能浪费十分严重，而且影响用电设备 的使用寿命。因此，在公用变低压侧进行无功功率补偿已成为目前提高供电水平、降 低无功损耗急需解决的问题13。 1.2 无功功率补偿的历史与现状 1.2.1 无功功率补偿的分类 无功补偿可以分为串联补偿和并联补偿，欧美一些国家普遍采用串联补偿来提高 输电线传输能力，但我国至今投入运行的串联补偿装置甚少，而是采取并联补偿的方 式。串联补偿的目的在于控制线路的阻抗参

17、数，并联补偿的目的在于控制线路的电压 参数。并联补偿按补偿对象不同可分为负荷补偿和系统补偿两类。 负荷补偿通常是指在靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿，其目的 是提高负荷的功率因数，改善电压质量，减少或消除由于冲击性负荷、不对称负荷和 非线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流波形畸变等 危害。负荷补偿可分为静态补偿和动态补偿9。 静态补偿即根据三相负荷的平衡化原理，通过在负荷点串、并入无功导纳网络， 把三相不对称负荷补偿成对于供电系统来说是三相对称的。该方法优点是结构和控制 简单、造价低，缺点是对于工业电弧炉、电焊机等动态负荷难以达到理想的补偿效果。 真正意义

18、上的不对称负荷动态补偿是从 1977 年 Grandpierre 提出分相控制的静止无功 补偿器（Static Var Compensator,SVC）的方法后开始的。分相控制的 SVC 能根据系统 的实际情况，通过调整可控硅触发角来改变 SVC 的各相补偿度，从而达到补偿负荷负 序分量和调整负荷功率因数的目的。因此，该方法一提出就受到了普遍关注1011。 系统补偿通常指对交流输配电系统进行补偿，目的是维持电网枢纽点处的电压稳 定，提高系统的稳定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流，降低线损等。 IEEE 定义了两个专门的术语来表达综合的并联无功补偿技术，其一是静止无功发 生器（Static

19、 Var Generator,SVG）,定义为能向电网提供可控的容性和/或感性电流从而 发出或吸收无功功率的静止电力设备、装置或系统；其二是“静止无功补偿系统” （Static Var System,SVS）定义为不同的静止补偿器以及机械投切电容器/电抗器相结合 4 并可协调操作的综合体。静止无功补偿器 SVC 和静止同步补偿器 STATCOM 都属于 SVG，SVS 的范围更广，不但包括了具有良好可控性的 SVG，还包括了机械开关切换 的电容器和电抗器24。 1.2.2 无功功率补偿技术的现状和发展方向 目前，电力系统和工业企业中应用最多的无功补偿设备是 SVC。截止到 2000 年， 全世

20、界已有超过 400 套、总容量约为 60Gvar 的 SVC 在输配电系统中运行；全世界已 有超过 600 套、总容量约为 40Gvar 的 SVC 在工业部门使用。我国的输电系统中有 6 套容量为 105170Mvar 的 SVC 安装在 5 个 500KV 变电站，均为进口；工业用户安装 了 100 多套 SVC，约有 1/5 是进口的。从 2001 年起中国电力科学研究院已为工业用户 提供了 26 套 1035KV TCR 型 SVC 新平台，10KV TSC 型 SVC 装置于 2001 年、 2003 年在变电站分别投入运行，填补了 SVC 国内工程化应用的空白12。 而 STATC

21、OM 装置是基于交流器的无功功率补偿装置，其技术是所有基于变流器 的 FACTS 装置的基础，已经获得了广泛的重视。世界上各大著名的电气设备制造商 （如西门子公司、ABB 公司、阿尔斯通公司、GE 公司、三菱公司等）都开发了 STATCOM 工业装置产品。1999 年我国清华大学也开发了20Mvar STATCOM 装置， 且在河南电网成功投入运行。STATCOM 装置在国际上已有几十套示范工程投入使用， 单套容量已达到 200Mvar , 该技术正在逐渐成熟。 从无功功率补偿装置的应用来看，SVC 装置因为控制简单、价格低、能满足大多 数用户对于无功功率补偿的需要，因此应用最为普遍，目前在电

22、力系统和工矿企业用 户中拥有广大的市场，是并联无功补偿的主要应用装置。国内外对 SVC 的研究仍在继 续，研究的重点集中在控制策略上，试图借助于人工智能提高 SVC 的性能。而采用可 关断器件的 STATCOM 装置，由于历史和价格的原因，目前在国内外应用并不多。然 而 STATCOM 是性能最优的无功补偿装置，是 FACTS 的核心，值得加强研究和推广 使用1314。 1.3 本文研究的主要内容 本课题研究用的 TSC 型低压动态无功补偿装置，采用 80196KC 单片机系统作为控 制器的核心，新颖的快速无功功率检测方法和独特的晶闸管技术，实现了对多组电容 器快速自动分级投切，达到了对冲击负

23、荷动态无功补偿的要求。 5 第 2 章 无功功率理论 2.1 无功补偿的作用 采用无功补偿可以收到以下效果： （1）减少电力损失，一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情况，其电力损耗 约 2%-3%左右，使用电容提高功率因数后，总电流降低，可降低供电端与用电端的电 力损失。 （2）改善供电品质，提高功率因数，减少负载总电流及电压降。于变压器二次侧 加装电容可改善功率因数提高二次侧电压。 （3）延长设备寿命。 改善功率因数后线路总电流减少，使接近或已经饱和的变 压器、开关等机器设备和线路容量负荷降低，因此可以降低温升增加寿命（温度每降 低 10C，寿命可延长 1 倍） （4）最终满足电力系统对无

24、功补偿的监测要求，消除因为功率因数过低而产生的 罚款。 2.2 功率因数的概念 功率因数 cos 是电网有功功率 P 与视在功率 S 的比值，记为 （2.1） UI P S P 3 cos 式中 U线电压，k V I线电流，A 其物理意义是线路的视在功率 S 供给有功功率的消耗所占百分数。功率因数的大 小代表着电源被利用的程度，它的最大值为 1，这时 P=S，电源利用率最高；同时，由 于 （U 为电网相电压） ， cosU P I 因此在同一电压下要输送一定的功率，功率因数越大，线路中的电流越小，故线 6 路中的损耗也越小。功率因数最小值为零，这时 P=0，表示负载和电源之间只有往返 的无功功率在交换。因此，在电力系统中力求功率因数接近于 1。 在电力网的运行中，为了合理利用资源，充分发挥设备的能力，我们希望功率因 数越大越好。上式说明，在电压和电流一定的条件下，功率因数cos越高，其有功功 率P越大，电网发挥的视在功率S中用来做有功功率的比重越大。因此，改善cos可以 充分发挥设备的潜力，提高设备的利用率。提高功率因数，不但可以充分发挥发、供 电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量，而且可以通过设备的工作效率和