基于单片机的无功补偿控制器设计本科毕业设计

引言

随着现阶段我国经济的发展状况和国际化能源紧张趋势的加剧，加强电能质量和节能降耗的影响已成为十分重要的工作。无功补偿作为一种电网节能的方式来提高功率因数是一种行之有效地措施。

现阶段我国采用的无功补偿措施主要有同步调相机、并联电容器和静止无功补偿等方式，但这些补偿方式普遍存在着电网冲击和无法实现实时补偿等问题，为了解决以上问题，本设计采用了一种新型的无功补偿技术，该技术利用与电网同频同相的可调电压源与电容并联的方式来实现对电网无功功率的补偿。

本毕业设计利用ATMEL生产的AT89C52单片机控制PWM信号的斩波频率，从而实现对可调电压源信号的控制，使可调电压源信号与电网电压信号同频同相，实现无功补偿。采用可调电源技术来实现新型的无功补偿主要能够改善以往所采用的无功补偿装置在电容投切过程中所存在的冲击现象和提高无功补偿的响应速度，实现实时补偿。

第1章绪论

随着我国经济发展和国际化能源紧张局势的加剧，加强电能质量和节能降耗的影响十分重要，这其中采取无功补偿方式提高功率因数是行之有效的措施。在电力供电系统中，功率因数的提高是一项重要的技术工作，直接关系到输电线路的电能损耗，供电的经济性，供电质量。功率因数的补偿措施一直为人们所重视。研制高性能的功率因数装置具有实际的社会、经济效益。而且在电力系统中，无功功率要保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时，会导致使被损坏，系统瓦解。此外，网络的功率因数和电压降低，使供电设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络补偿问题，对网络降损节能有着极其重要的意义。

1.1无功补偿的意义

按电网无功功率补偿方式可分为出串联补偿和并联补偿。并联补偿方式又可分为电容器组补偿，调电感补偿，调相机补偿的移相补偿等。本设计我们将采用并联电容器补偿，主要用用单片机技术，实现对低压电力系统的监控。完成功率因数的测量，并根据所测得数据进行可调电压源的控制，以实现对电力系统的功率因数的补偿。

无功补偿控制器是无功补偿的核心，其性能直接影响补偿的效果。它是根据检测的功率因数或无功功率，按照一定的控制规则投入或切除电容器，实现对线路进行无功补偿。在低压配电网中有相当一部分是感性负荷，它不仅要消耗大量的有功功率，也要吸收很多的无功功率，从而使功率因数

下降，导致无功电源不足，系统电压降低，电能损耗增大，这大大影响了电网的供电能力。因此电力部门千方百计要提高系统的功率因数，除本身采取相应的措施外，更要求每个用户在其母线上进行功率因数的补偿。即借助于相关的无功功率补偿设备，即使、正确、必要的提供无功功率补偿。由于这个课题涉及面光，切有较高的经济含量和技术附加量，因此无功功率补偿设备的研究一直是国内外相关企业激烈竞争的项目之一。无功功率补偿技术近年来越来越引起人们的关注，它是设计电力、电子技术、电气自动化技术和理论电子的领域的重大课题。

我国电网曾在20世纪70年代由于缺乏无功功率补偿设备而长期处于低电压运行状态。有些地方想有调节变压器分接头的办法来解决本地区电压低的问题。开始这种办法也有一些效果，某些供电点电压升高了，但是这是一降低别处的电压为代价的，因为总的无功电源不足，局部地区电压升高无功负荷增大，必然使别处无功功率更少、电压更低。各处普遍采用调节变压器分接头的结果，不仅没能提高负荷的供电电压，反而使得无功损耗加大，整个系统低电压问题更加严重。在这种情况下，首要的问题应该是增加无功补偿设备。低压运行同时对电网安全带来巨大危害，系统稳定性差，十分脆弱，经受不起事故异常及负荷强烈变化对系统的冲击，容易造成大面积的停电和系统瓦解的后果，国内外均有此先例。由此可见，合理配置无功电源，进行无功补偿是非常重要。由于人工投切电容不能及时跟踪无功负荷的变化，不能始终保持功率因数而后打压质量在规定范围，所以无功的自动控制是一个值得研究的课题。

无功功率问题，根据世界各个地区电力系统近数十年来的经验，积累了

大量资料。我国电力系统亦同样积累了很多宝贵的经验，广泛应用到生产实践中去世有一定重要价值的。有效的无功补偿有非常大的经济效益和社会效益，主要表现在：

1、减少线路损耗。就全国讲，线路损耗约占据12%，其中主要是无功分量引起的损耗，若无功损耗降低50%~60%，一年便可节约电500亿度左右，相当于半个三峡工程的发电量。这种不消耗一次能源，便可增大发电量的工程是绝好的绿色工程。且投资极小，见效快。

2、避免罚款。我国电力部据物价局“关于颁发《功率因数调整电费办法》通知”中规定，功率因数0.94时，减少电费1.1%功率应属0.6时增加电费15%。例如一个315KVA的变压器，功率因数从0.6提高到0,94以上，年奖罚差3~4万元。

3、不额外投资，便实现扩容。进行无功补偿后，便可提高电承载率，变压器可满负荷运行。例如一台315KVA的变压器， =0.6负荷的变压器只能提优质服务189KW的有功功率，不能承受300K左右的容量，需要购买一台500KVA的变压器替换，将功率因数由0.6提高到0.98，相当于扩大了63%，即有功由189KW高到309KW，可基本满足要求的容量，便节省了一台500KVA的变压器，经费约三四十万元。

4、改善电能质量，延长电气寿命，提高产品质量。电能质量用电压和频率两个指标衡量，电压的稳定性取决于无功的平衡。频率的稳定性取决于有功的平衡，而电压的稳定与否又直接影响电器寿命，影响机械加工精度。如果电压稳定性提高5%仅照明灯（寿命延长50%）全国一年可节约数亿元。至于因电压不稳、供电不足而造成废品、次品、设备减寿、停产、

停电损失更是难以统计的。

在电力系统中要设法减小相位差，提高值，称为提高功率因数，

以降低无功功率，减小电能损失。由=式看出，若能使

为零，则值为最小。功率因数最高，就是说如能使感抗和容抗最

大限度的相互抵消，则线路中功率因数最高。由容抗抵消感抗（反之亦然）从而减小的方法称为功率因数补偿。进行功率因数补偿可以：

1、降低无功电流，减小线路及变电设备的损耗。线路损耗的功率与负载电流平方成正比，功率因数提高了，我供电刘大大减小，则线路上的耗损也大大减小了。

2、可以改善供电电压质量。当功率因数提高后由于容性负载的加入，是线路末端的电压平滑，起到了稳定电压的作用。

3、提高系统的裕度。当系统的设备容量不变时，提高功率因数相当于增加负载的容量。

4、提高电路的功率因数不是负载本身的功率因数有什么改变而使负载本身的性能及指标将不受任何影响。

由此可见，提高功率因数，不但是当今能源形势的缓兵之策，也是关系到国计民生的长远政策。能源是有限的，既然是不可再生的，我们唯一能做的就是减少浪费，高效合理的利用它们，这才是明智之举，是我们除了寻找代替能源以外的最有价值的事情。

因此我们必须重视电能的高效利用，不光在传输过程中，在使用过程中也是一样。这不仅符合经济效率的规律，还是能源科学使用的具体表现。

既然我们不能给后代生产出不可再生能源，我们就要努力高效使用它们，减少无谓的消耗，这跟我们为后人创造能源是同出一辙的，具有相同深远的意义。

1.2 无功补偿技术现状

现阶段采用的无功补偿方式主要有同步调相机、并联电抗器、并联电容器、静止无功补偿补偿和静止无功功率发生器几种。

同步调相机（Synchronous Compensator ）运行于电动机状态，但不带机械负载，只向电力系统提供无功功率的同步电机。又称同步补偿机。用于改善电网功率因数，维持电网电压水平。

电力系统中的主要负载是异步电动机和变压器。这些设备均从电网汲取大量的无功功率以供其励磁之用。所以，电网担负着很大一部分电感性的无功电流，导致电网的功率因数降低，以致发电机和输配电设备的作用不能充分发挥，线路损耗和电压损失增大，输电质量变坏，甚至影响输电的稳定性。由于同步电机处在过励状态时，可以从电网汲取相位超前于电压的电流，从而改善电网的功率因数（见功率因数的提高，因此在过去的生产实际中，除选用一部分同步电动机外，还在电网的受电端装设一些同步调相机，用于改善电网的功率因数。根据电网负载情况的不同，适当调节调相机的励磁电流，可改变调相机汲取的无功功率，使电网的功率因数接近于1。此外,在长距离输电线路中，线路电压降随负载情况的不同而发生变化，如果在输电线的受电端装一同步调相机，

在电网负载重时，让其过励运行，减少输电线中滞后的无功电流分量，从而可减少线路压降；在输电线轻载的情况下，让其欠励运行，吸收滞后的无功电流，可防止电网电压上升，从而维持电网的电压在一定的水平上。同步调相机还有提高电力系统稳定性的作用。

同步调相机的结构基本上与同步电动机相同，只是由于它不带机械负载，转轴可以细些。如果它具有自起动能力,则其转子可以做成没有轴伸,便于密封。同步调相机经常运行在过励状态,励磁电流较大,损耗也比较大，发热比较严重。容量较大的同步调相机常采用氢气冷却。随着电力电子技术的发展和静止无功补偿器 (SVC)的推广使用，调相机现已很少使用。

并联电容器（Shunt Capacitor）原称移相电容器。主要用于补偿电力系统感性负荷的无功功率，以提高功率因数，改善电压质量，降低线路损耗.单相并联电容器主要由心子、外壳和出线结构等几部分组成。用金属箔（作为极板）与绝缘纸或塑料薄膜叠起来一起卷绕，由若干元件、绝缘件和紧固件经过压装而构成电容心子，并浸渍绝缘油。电容极板的引线经串、并联后引至出线瓷套管下端的出线连接片。电容器的金属外壳内充以绝缘介质油。

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的

电能损耗。

并联电抗器的作用主要有：

1、削弱空载或轻载时长线路的电容效应所引起的工频电压升高。

这种电压升高是由于空载或轻载时，线路的电容（对低电容和相间电容）电流在线路的电感上的压降所引起的。它将使线路电压高于电源电压。当愈严重，通常线路愈长，则电容效应愈大，工频电压升高也愈大。

对超高压远距离输电线路而言，空载或轻载时线路电容的充电功率是很大的，通常充电功率随电压的平方面急剧增加，巨大的充电功率除引起上述工频电压升高现象之外，还将增大线路的功率和电能损耗以及引起自励磁，同期困难等问题。装设并联电抗器可以补偿这部分充电功率。

2、改善沿线电压分布和轻载线路中的无功分布并降低线损。

当线路上传输的功率不等于自然功率时，则沿线各点电压将偏离额定值，有时甚至偏离较大，如依并联电抗器的补偿，则可以抑制线路电压的升高。

3、减少潜供电流，加速潜供电弧的熄灭，提高线路自动重合闸的成功率。

所谓潜供电流，是指当发生单相瞬时接地故障时，在故障相两侧断开后，故障点处弧光中所存在的残余电流。

静止补偿器的全称是静止无功功率补偿器（SVC，Static Var Compensator），有各种不同形式。目前常用的有晶闸管控制电抗器（TCR，Thyristor Controlled Resistance）、晶闸管投切电容器（TSC，Thyristor Switched Capacitor）和饱和电抗器（SR，Saturated

Resistance）三种。

静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置，电容器，电抗器，调相机是对电力系统静态无功电力的补偿，而静止补偿器主要是对电力系统中的动态冲击负荷的补偿。根据负荷变动的情况，静止补偿可以迅速改变所书车的无功功率的性质或保持母线电压的恒定。

静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用。电容器可发出无功功率，可控电抗器可吸收无功功率。其控制系统由可控的电子器件来实现，响应速度远远高于调相机，一般只有20MS。他主要用于冲击负荷如大型电炉炼钢、大型轧机以及大型整流设备等。另外，在电力系统的电压枢纽点、支撑点也可用静止补偿器拉提高系统的稳定性，同时，静止补偿器还可以抑制谐波对电力系统的危害。

比SVC更为先进的现代补偿装置时静止无功发生器（SVG，Static Var Generator）。SVG也是一种电力电子装置。其最基本的电路仍是三相桥式电压型或电流型变流电路。目前使用的主要是电压型。SVG和SVC 不同，SVC需要大容量的电抗器、电容器等储能元件，而SVG在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可。SVG通过不同的控制，既可使其发出无功功率，呈电容性，也可使其吸收无功功率、呈电感性。采用PWM控制，即可使其输入电流接近正弦波。

1.3 本毕业设计概述

用投切电容方式进行无功补偿,由于电容的投切是分级进行的,故产生的补偿电流也是阶跃式的,一段运行期内(例如白天和夜间)不是过补

偿就是补偿,无法使电网无功功率得到恰当的补偿。另外,目前电容的投切多采用MSC(Mechanically Switched Capacitor),开关是机械式交流接触器,其接点间容易拉弧粘连,工作寿命短,响应速度慢,且投切过程还对系统产生冲击电流和冲击电压。一些电容投切装置改用无触点的固态继电器,但它成本高,在流过大补偿电流时将产生较大的额外损耗。晶闸管控制电抗器与固定电容的组合TCR+FC虽然可以达到连续补偿的目的,使电网无功功率得到完全补偿,但它同时也向电网引入谐波,与电源交换无功,而且体积大成本高。

考虑上述两种装置的缺点,我们使用了一种新的思路,采用可调电压源技术来实现新型的无功补偿工作，可调电压源的实现主要运用了开关线性复合技术来实现。该无功补偿装置的原理框图如图1-1所示，系统以单片机AT89C52为核心，对所采集到的电网信号进行分析，并根据所采集的信号实现对可调电压源的调节，使其于电网电压同频同相，以实现对无功功率的补偿。

图1- 1 系统的硬件结构框图

第2章基于SLH的连续无功补偿装置机理

采用线性开关复合功率变换技术来实现新型的无功补偿主要能够该善以往所采用的无功补偿装置在电容投切过程中所存在的冲击现象和提高无功补偿的响应速度，实现实时补偿。

2.1 新型连续无功补偿装置的基本原理

2.1.1 基本原理

图2- 1 连续补偿的基本原理

如图2-1所示，表示电网电压，是一个和电网电压同频同相的可调电压源，C是作为补偿用的电容器。负载Z L一般是感性负载。于是有：

C V W C Z U U I ?

??-= （2-1） C j Z C ω1-= 则本拓扑中，电容支路所发出的容性无功功率为： C

V W W C W Z U U U I U Q )(-=

?= （2-2）

由式（2-2）有，当U V =0和U V =U W 时，则电容支路所发出的无功功率分别为： C U Z U Q W C

W U V ω?===22

0 （2-3） 0==W V U U Q

（2-4）

由（2-3）式可知，当电容支路的可调电压源U V =0时，本装置相当于电容直接与电网相并联，对于可调电压范围在0~U W 的可调电压源来说，此时本装置发出的容性无功最大。当U V =U W 时，本装置不发出容性无功功率，容性支路的电流I C =0。

本装置中所发出的无功功率由两部分组成：一部分是与可调电压源相连的电容发出的无功功率Q C ，另一部分是由可调电压源发出的无功功率Q V 。Q C 和Q V 的表达式如下：

C V W C C C Z U U I U Q 2)(-== （2-5）

C

V W V C V V Z U U U I U Q )(-== （2-6）

令D U U W

V = 则Q C 和Q V 可分别表示为： C

W C Z U D Q 2

2

)1(?-= （2-7） C

W V Z U D Q 2

2

2141])([?--= （2-8）

由式（2-8）可知，可调电压源发出的无功功率Q V 与D 呈非线性的关系，当D=1/2也即可调电压源的电压Q V 是电网电压U W 的一半时，可调电压源输出最大容性无功功率： C

W V Z U Q 2

max 41?= （2-9）

当D 为0或者1（也即可调电压源的电压为0或者和电网电压一样大）时，可调电压源不发出无功功率。当D 大于1或小于0（也即可调电压源的电压比电网电压高或电压极性反向）时，Q V 为负值；换言之，可调电压源不是输出容性无功功率而发出感性无功功率。图2-2表示整个装置发出的无功功率Q ，电容器发出的无功功率Q C ，可调电压源发出的无功功率Q V 和它的电压U V 之间的关系。

图2- 2 Q,Q C,Q V之间的关系

2.1.2 同无功功率发生器SVG的比较

本方案与SVG同属于有源连续无功补偿方案，不同之处在于： SVG中的连接器件是电感，在一定的电压下，电感值越小， SVG发出的无功功率也就越大；本方案的连接器件是电容，在一定的电压下，电容越大，本装置发出的无功也就越大；由于电容的额定电流通常比电感小，考虑性价比，SVG适合进行大容量的连续无功补偿，而本装置适合于中小型容量的连续无功补偿； SVG中的电感是用来平滑注入电网的电流的，而本装置中的电容是作为补偿器件产生无功功率的； SVG所产生的无功功率基本上都由可调电压源提供，而本装置所产生的无功功率由两部分组成，一部分由电容器提供，另一部分则由可变电压源提供，所以在提供相同大小的无功功率时，本装置中可调电压源的容量可以比SVG中可调电压源的容量小得多。

本方案的优点是：

（1）既可连续提供容性无功又可连续提供感性无功，且不附加对电网的谐波污染；在容量需求较小时可由单级提供电网所需的无功功率。在容量

需求较大时还可用与无源补偿混合的方式连续提供电网所需的无功，使功率因数接近1，从而保证得到最佳的补偿效果。

（2）可预置可变电压源电压=，使其在零电流下投入，大大减小对

电网的冲击和延长电容的使用寿命。

（3）由于可变电压源的容量仅为所需无功容量的1/4，且控制简单，故具有低成本的特点，有利于在扩展容量与电压等级时使用。

图2- 3 利用原装置扩容原理

（4）除增加一可变电压源外，这一方案可充分利用原有补偿装置的补偿电容。如图2-3所示，如果原多级无源装置发出的最大容性无功功率为Q，最大补偿无功将由N级实现，每级提供的最大无功功率为Q/N。第一级采用补偿电容与可调电压源相串的有源补偿，提供的无功功率为0~Q/N连续可调，而其他N-1级为固定值Q/N，则可通过第一级的连续调节与其它级的分级投切相配合达到无功功率Q的连续调节。例如，当需要切除一整级时，只要可变电压源电压置0v并与待切的开关同时动作就使切除后补偿的无功功率不变，从而实现连续调节。因此，这一方案极适合于对现有补偿装置的改造和技术提升。基于上述优点，这一方案具有广阔的应用前景，将为企业带来巨大的经济效益。

2.2 SLH的基本原理

在共集（漏），共射（源），共基（栅）这三种基本放大电路中，共集（漏）极放大电路是输入电阻最大，输出电阻最小的一种拓扑，它的电压放大倍数小于1但接近于1，且其频带在三种放大电路中也是较宽的，因而这种拓扑的输出电压能够忠实的反映输入的信号而被称作电压跟随器。把这一电压跟随器级联于开关型电源的滤波电路之后就形成开关线性（电压跟随器是线性电路）复合功率变换技术的基本结构。

图2- 4 SLH的简单应用

图2-4为开关滤波电源输出正电压时的简单应用。当然，在开关电路之后增加一级线性电路必然会增加整个电路系统的功率损耗。但是这个增加的损耗是很小的，因为开关线性复合技术的线性电路与传统线性功放的不同之处在于它不像 B类，AB类功放电路那样由正负直流电源E供电而是由包络于输出电压的纹波电压Us供电；功率器件并不工作在大跨度纯线性区域，而是工作于临界饱和状态偏线性一侧的特殊状态。开关电源滤波之后的纹波电压Us是与基（栅）极输入信号Ui同步的，其幅值略高于Ui（如图2-5所示）。这样，使整个电路既具有线性放大电路才有的基本规律；又有开关电路才有的低通态损耗特性。

(a)B类功放功率器件的状态（b）SLH功率器件的状态

图2- 5 两种功率因数状态的比较

图2-6是整个开关线性复合系统的原理框图。图中，参考信号是一个和期望输出电压在波形上相同或相近的信号。也就是说，输出电压在波形上要始终跟踪参考信号。参考信号一方面经过PWM斩波环节输出脉宽调制波以控制主电路的开关功率管，从而在主电路的开关滤波之后输出一个与参考信号在波形上相似、幅值不同，且叠加有纹波的前级输出波形Us。另一方面，参考信号经过一个前置放大单元得到开关线性复合系统线性部分栅极的高电压驱动信号Ui。前级的电压Us，和控制电路的驱动信号Ui分别加到后级功率管的集电极（漏极）与基极（栅极）。后级功率管的射极（源极）输出波形Uo跟踪栅极驱动信号Ui电压波形的幅频，幅值仅低一个阀

值电压。

由于Ui 与Uo 几乎相同，而Us 和 Ui 波形如图2-5 所示，因此开关线性复合系统的线性部分事实上具有滤波的作用。Us 与Uo 相比多出的纹波电

压都加在了功率管上，被功率管所消耗，从而滤波电路的电感电容可以大大减小以节省系统的成本。另一方面看，在获得相同的输出电压波形THD 指标时，开关线性复合型电源采用的开关频率要比开关滤波型电源采用的开关频率低很多。开关频率降低必然使开关损耗也随之降低。因而，虽然开关线性复合系统在线性部分表面上好象增加了两个功率管的损耗2Pt 。事实上如果配置适当的参数，在相同的输出电压THD 指标下，开关线性复合系统的损耗不一定比传统的开关滤波型系统高，也就是说开关线性复合电源系统的效率并不降低。

2.3 系统的构成

考虑到可调电压源在发出无功补偿电流时不应附加对电网的谐波污

图2- 6 开关线性复合功率变换原理图

染，因此采用具有低阻输出特性的开关线性复合功率变换技术（SLH）加以实现，如图2-7所示。SLH由开关滤波单元与线性单元构成。开关滤波单元为线性单元提供纹波电压，控制单元检测电网的电压电流相位差，然后根据这个相位差分别同步控制可调电压源主电路中交流斩波调压单元的功率开关管占空比，以及线性部分的栅极驱动信号幅值。线性单元实现

图2- 7 系统结构图

高鲁棒性的电压跟踪。为满足可调电压源电压与电网电压同相位的基本要求，选择交—交斩波调压单元作为开关级。

当要求无功补偿装置发出感性无功功率时，要求可调电压源输出电压Uv大于电网电压，因此可调电压源的输出可通过升压变压器耦合串入并联电容支路中。

由于本连续无功补偿思路的核心问题是高性能SLH可调电压源，其重要组成部分—线性单元已在前面进行了分析，本章后几节着重点讨论用SLH 可调电压源线性单元供电的交流斩波调压滤波单元主电路。

2.4 交流斩波调压技术

当用户需要可调的交流电压时，曾广泛使用饱和电抗器、自耦调压器和感应调压器等电磁式调压装置。晶闸管调压技术的出现也曾因其廉价、体积小和容易控制的特点部分地取代了笨重、体积大和耗费铜铁材料的电磁式调压装置。然而，由于它对电网和负载的严重谐波污染在中小容量领