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。