基于51单片机的全自动无功补偿装置的设计_secret

目录

摘要 (2)

Abstract (2)

第一章绪论

第二章全自动无功补偿装置的硬件构成

第三章各测量量的测量原理、算法及硬件电路

3.1 电压和电流的采集 (4)

3.2 电压、电流及功率因素和有功功率的计算 (5)

第四章补偿电容量的计算及电容器的选择

4.1 总的补偿电容量的确定 (6)

4.2 电容容量的选择 (7)

第五章 LED显示及键盘设计电路

5.1 LED显示电路的设计 (8)

5.2 键盘电路的设计 (8)

第六章电容投切装置的实现

6.1 电容投切原理 (9)

6.2 电容投切单元电路的实现 (9)

第七章全自动无功补偿装置的软件实现

第八章结语

第九章致谢

参考文献.. (11)

摘要：设计了一种全自动无功补偿装置。此装置是在考察先前的手动或电磁式无功补偿装置的基础上由笔者自行设计的，主要采用AT89C51单片机作为微处理器实现全自动控制。系统对电网电压和电流进行采样、计算，从而获得COS∮和有功功率。本装置可实现功率因素从COS∮=0.6补偿到COS∮=0.95，且能保证功率因素变化时电容的自动投切，能实时显示出当前功率因素、电流和有功功率，并能实现手动和自动控制。

关键字：无功补偿 AT89C51单片机功率因素自动控制

Abstract: A fully automatic reactive power compensation devices.This device is in the previous inspection manual or electromagnetic reactive power compensation devices based on self-designed by the author, mainly using AT89C51 single-chip microprocessor as the realization of automatic control.System to the power grid voltage and current sampling, computing, to gain COS ∮ and active. The device can be realized from the power factor COS ∮ = 0.6 compensation to the COS ∮ = 0.95, power factor and can ensure that changes in the automatic switching to real-time shows that the current power factor, current and active, and can achieve the manual and automatic control.

key words:reactive power compensation；AT89C51 single-chip microprocessor；power factor；automatic control

第一章绪论

在电力系统中，无功功率既有其有益的一面，也有其有害的一面。有益的是，电力网在运行时，电源供给的无功功率是电能转换为其它形式能量的前提，它为电能的输送、转换创造了条件。而有害的是，在电力系统输送电能的过程中，无功功率不足，将使系统中输送的总电流增加、使变压器的出力减少、供电线路及系统设备有功功率损耗增大、线路末端电压下降；同时，对于电力用户来说，过多地从电网中吸取无功，不仅使电网电能质量下降，也影响自身的用电和生产，使企业效益下降，甚至招致罚款。

因此，为了减少无功的损失和避免其在电网中的不当流动，必须进行无功补偿。而据统计，10 kV以下电压等级的网损约占整个网损的50％以上，其中又以配电变压器和用户感性负荷所消耗的无功损耗为重点，所以，将无功补偿的重点放在380 V电压等级的配电变压器和低压用户处是行之有效的降损节能措施。故笔者特定针对单相电（电压：0—220V,电流：0—100A）设计了此全自动无功补偿装置。

此装置根据常规要求及具体情况设计了10组补偿电容，可把电网的功率因素从COS ∮=0.6补偿到COS ∮=0.95。同时，利用AT89C51单片机驱动SSR 固态继电器实现了功率因素变化时电容的自动投切，此外，也可以通过键盘进行手动控制，实现电容的投切，从而进行补偿。装置还可以实时采集到电网侧的电压和电流，通过微机计算、处理，同时利用8位LED 电路显示实时功率因素，电流及有功功率。最终实现全自动无功补偿。

第二章 全自动无功补偿装置的硬件构成

该装置核心硬件采用AT89C51单片机实现，AT89C51单片机是现在人们用的

最多的单片机种类之一，其结构简单、成本低廉、功能较全且便于扩展，虽然处理速度赶不上现在大多数的微处理器，如DSP 、嵌入式微处理器ARM9等，但在此设计中完全可以满足和实现全自动无功补偿装置的要求。

实时参数分别采集电网侧电压、电流，经过电压形成电路分别对电压电流进行变换。同时由CPU 中的定时器定时控制对经过低通滤波出来的信号进行采样并保持，再通过多路转换开关，分别经高速A ／D 转换单元进行模数转换，并最终进入CPU ，CPU 综合现场各种运行状态，进行运算、快速分析和智能决策，最后将各种数据实时显示在数码管上，同时根据储存在RAM 中的功率因素表判定该投切哪几组电容器，并最终通过CPU 驱动SSR 固态继电器实现电容器的自动投切。

装置硬件框图见图1

图1 全自动无功补偿装置的硬件框图

第三章各测量量的测量原理、算法及硬件电路

3.1 电压和电流的采集

电网侧的电压和电流分别经电压互感器和电流互感器再到电压形成电路产生微机可以利用的信号。其中交流电压信号采用电压变换器即可满足要求，而交流电流信号可以采用电抗变换器和电流变换器，在此选用电流变换器对电流信号进行变换。此外，为保证后面的电路不受干扰，两个经变换器出来的信号还需经低通滤波环节进行滤波才允许输入到采样保持电路，供CPU发出信号进行采样。

低通滤波环节可由电阻及电容组合构成一模拟低通滤波器。而采样保持环节则选择较常用的LF-398采样芯片。其逻辑输入端S/H由CPU中的定时器按一定时序控制，从而控制何时采样、何时保持。当逻辑输入端即 S/H=1，即电平为高时，为采样功能；当逻辑输入端即 S/H=0，即电平为低时，为保持功能。

低通滤波及采样保持电路见图2

图2 低通滤波及采样保持电路图

经采样保持电路出来的信号需通过多路选择开关（MPX）来选择哪一个信号需要A/D转换。当电压信号需A/D转换时，MPX选择到电压信号档进而通过A/D 芯片进行模数转换，当电流信号需A/D转换时，MPX选择到电流信号档进而通过A/D芯片进行模数转换。

在此设计中，MPX选择CD4051，而A/D转换芯片则选择MAX521。二者与单片机连接的电路原理图如图3所示。

图3 多路选择及A/D 转换电路接口图

这样就完成了电压和电流信号的采样。 3.2 电压、电流及功率因素和有功功率的计算

当采集到电压和电流信号后，应立即对其进行处理、计算，以获取实时数据。在此设计中主要采用两点乘积算法对各信号进行计算。

两点乘积算法主要是以电气角度π/2为采样间隔而采集一个周期内的两个数据，因而算法本身所要求的数据窗长度为1/4周期。所以对50Hz 的工频来说就是5ms 。即在一个周期内所采集的两个数据需保证在5ms 的间隔。这5ms 的定时间隔由CPU 的定时器0来实现。

若在两个采样时刻n 1和n 2分别采集到两个电流信号分别为i 1和i 2。则有 ()2

w T n T n S 2s 1π=- （1-1）

根据上式有

=i 1i （T n s 1）=()ααI

I S I I T 101sin 2w sin 2n =+ （1-2）

()T n i S 22 i = =

??

?

??

++2w

sin 201

n πα

I

S

T

I =）π（2sin

21+α

I

I

=

α

I

I 1cos

2 （1-3）

错误！未指定书签。

其中上面两式中的?I 1为n 1采样时刻电流的相角，可能为任意值。

将上面（1-2）式和（1-3）式平方后相加，即得

22212i i 2+=I

（1-4） 将其开方就可以得到电流的有效值I 。

同理，可以按照同样的方法获得u1和u2。并最终得到电压的有效值U 。 同时，又可以根据电压和电流的有效值求出阻抗的模值，为 2

2

2

12

22

1i i u u ++=

=

I U Z （1-5）

此外，若将电压和电流写成复数形式

ααU U U U U 11sin j cos +=。

（1-6） ααI I I I I 11sin j cos +=。

（1-7） 最终可得

i i

u u

1

2

12j j ++=

。

。

I

U

（1-8）

将式（1-8）的实部和虚部分开，实部即为R ，虚部即为X 。则R 为 22

2

1

2

2

11i

i i

u i u ++=

R （1-9）

则可得功率因素角cos ∮。即由（1-5）和（1-9）式可得出： cos ∮=

Z

R （1-10）

最后，由电压U 、电流I 以及功率因素cos ∮可求得有功功率P ：

UI P = cos ∮ （1-11）

第四章 补偿电容量的计算及电容器的选择

4.1 总的补偿电容量的确定

根据常规电压220V 及电流100A ，当需要把功率因素从确定的最小值cos =

φ

1

0.6补偿到cos =

φ

2

0.95时，应该补偿的电容量为：

(

)φ

φ2

1

tan tan -=P Q ()φ

φ

φ2

11

tan tan cos -=UI =13.2Kvar

4.2 电容容量的选择

根据如上的计算结果及常规要求，此设计选择了10组电容的组合作为投切装置。

下表提供了每千瓦有功功率所需补偿的电容值及此设计中所需电容补偿电容的参考：

补偿前cos φ1

为得到所需的cos =

φ

2

0.95每千瓦有功功率所需的补偿电容值（单位：Kvar ）

在此设计中（x 13KW 后）的补偿电容值（单位：Kvar ） 0.60 1.04 13.52 0.62 0.97 12.56 0.64 0.91 11.83 0.66 0.85 11.05 0.68 0.79 10.27 0.70 0.73 9.49 0.72 0.67 8.71 0.74 0.62 8.06 0.76 0.56 7.28 0.78 0.51 6.63 0.80 0.46 5.98 0.82 0.40 5.2 0.84 0.35 4.55 0.86 0.30 3.9 0.88 0.25 3.25 0.90 0.19 2.47 0.82 0.13 1.69 0.94 0.07

0.91

因此这10组电容的容量分别选择为0.1Kvar 、0.2 Kvar 、0.3 Kvar 、0.5 Kvar 、1.0 Kvar 、2.0 Kvar 、3.0 Kvar 、5.0 Kvar 、10.0 Kvar 。

投切中为保证各电容的平均寿命，采取循环投切的方式。

第五章 LED显示及键盘设计电路

5.1 LED显示电路的设计

由于AT89C51单片机的I/O口数目不够，故LED显示电路需要扩展一片8255才能实现。AT89C51单片机可以通过P2.7口与8255的片选引脚___CS连在一起，即可保证8255的正常工作。

此外，由于8255的驱动能力不够，故还需通过74LS245及7407分别作为8个数码管段口和位口的驱动。

电路原理图如图4所示。

5.2 键盘电路的设计

此装置的设计既可以自动投切，又可以手动投切。而手动投切的实现就需通过键盘来实现。根据LED上的数据显示，可以手动投切哪一组或哪几组电容。

键盘设计为4 x 4键盘，也通过8255与单片机相连，完全可以满足设计的需要。同时，键盘消抖采用软件实现，因此键盘只需通过上拉电阻与单片机相连即可。电路原理图如图4所示。

图4 LED显示及键盘控制电路图

第六章电容投切装置的实现

6.1 电容投切原理

根据设计的要求每次投切都需保证功率因素cos∮能达到0.95左右，所以此装置设计了几乎每种可能的需要无功补偿的情况。把功率因素从0.6到0.95的所有情况都整理成一个表，将其存在外扩的RAM中。装置先通过采集电路采集电压电流信号，再经过CPU的计算得到当前的功率因素，将其送至前面列出的表中与里面的值比较，根据比较值再由CPU确定需要投切哪几组电容器。

6.2 电容投切单元电路的实现

为保证装置的抗干扰性及稳定性，此装置选用SSR-50DA固态继电器作为投切开关。

SSR固态继电器以触发形式,可分为零压型(Z)和调相型(P)两种。在输入端施加合适的控制信号VIN时,P型SSR立即导通。当VIN撤销后,负载电流低于双向可控硅维持电流时(交流换向),SSR关断。而SSR-50DA固态继电器为双向可控硅输出，零电压开启，零电流关断；输入回路与输出回路之间有光电隔离很好的保证了抗干扰性。

SSR-50DA固态继电器的控制电压为3-32VDC,所以它的输入端需要加上一TTL电平，用一电阻上拉。同时为满足驱动要求，由CPU输出的触发信号经过与非门7406连接一三极管，通过控制三极管的通断来控制SSR-50DA固态继电器的通断。负载电压能达到24-380VAC，完全满足设计的要求。

单元电路原理图如图5所示。

图4 SSR固态继电器及驱动电路图

第七章全自动无功补偿装置的软件实现

下面是整个装置的软件流程图：

整个装置一上电，先需要将所有的硬件或本身的软件部分初始化，CPU中的定时器定时控制对经过低通滤波出来的信号进行采样并保持，再通过多路转换开关，分别经高速A／D转换单元进行模数转换，并最终进入CPU，CPU综合现场各种运行状态，进行运算、快速分析和智能决策，最后将各种数据实时显示在数码管上，同时根据储存在RAM中的功率因素表判定该投切哪几组电容器，并最终通过CPU驱动SSR固态继电器实现电容器的自动投切。

对50Hz的工频来说，电气角度为π/2的采样间隔就是5ms。即在一个周期内所采集的两个数据需保证在5ms的间隔。这5ms的定时间隔由CPU的定时器0来实现，所以CPU需保证每间隔5ms采样一次。

CPU在工作时也需在定时的时间内查询键盘的状态，以判定是否需要进行手动调整

第八章结语

全自动无功补偿装置的设计运用了目前比较先进的技术去完成了电力系统中的无功补偿问题，且弥补了传统的手动投切装置的不足和缺陷。能很好地实现功率因素从确定的最小值cos =

φ

1

0.6补偿到cos =

φ

2

0.95，同时，此装置中SSR

固态继电器的运用也解决了常规装置中的抗干扰和不稳定性的现象。当然，由于时间方面的原因，次装置的设计还有一些考虑不全的地方，有待进一部研究与开发。

第九章 致谢

此装置的设计得到了老师的热情指导与耐心讲解，张老师渊博的学识和严谨的教风让我受益匪浅，在此，特地对张老师表示深情的感谢。同时，也感谢参考书上的编者和网络上一些知名的和不知名的热心人提供的帮助。

参考文献：

[1]杨奇逊 黄少锋.微型机继电保护基础 中国电力出版社，2007.8 [2]靳龙章 丁毓山.电网无功补偿实用技术 中国水利水电出版社，1997.8 [3]粟时平 刘桂英.静止无功功率补偿技术 中国电力出版社，2005.11

[4]姜齐荣 谢小荣 陈建业.电力系统并联补偿——结构、原理、控制与应用 机械工业出版社，2004.8

[5]傅知兰.电力系统电气设备选择与实用计算 中国电力出版社，2004.3

动态无功补偿技术探讨

摘要：随着大量电力电子设备在电网中的广泛使用，使得系统中常常会出现含有谐波，且负荷变化较大的工况，传统的静态无功补偿及静态无源滤波装置无法满足这一需求。动态无功补偿技术的应用为这一问题的解决提供了可行的途径。该文阐述了动态无功补偿的意义和基本原理，并对动态无功补偿与其它无功补偿装置及滤波装置作了比较。

关键词：动态无功功率；滤波；补偿装置

中图分类号：714.1文献标志码：B文章编号：1003-0867(2007)04-0044-02 电力电子设备在电网中广泛使用，使得动态无功补偿（快速跟踪无功补偿）与谐波治理的问题日益突出，系统中常常会出现含有谐波，且负荷变化较大的工况，传统的静态无功补偿及静态无源滤波装置无法满足这一需求。动态无功补偿技术的应用为这一问题的解决提供了可行的途径。动态无功补偿装置可根据系统的负荷情况实时在线投切L-C滤波器组，实现实时快速跟踪补偿系统基波无功，同时滤除谐波无功。

1动态无功补偿的意义

动态无功补偿的意义主要体现在以下四个方面：降低供配电系统的损耗；提高供配电系统的利用率（增容）；可以通过对功率因数的调整实现对供配电系统网络电压幅值的控制，从而稳定供配电系统的网络电压，可以降低谐波电流对供电系统的破坏作用。

2动态无功补偿的基本原理

2.1系统中基波感性无功的去除

利用同等电压的感性电流与容性电流方向相反进行抵消，如果实现全补偿，则系统无功电流等于零。即

IC=IZ×(1-cos2j)1/2

式中Ic——容性补偿电流；

Iz——负载电流；

cosj——功率因数。

基波感性无功补偿示意图见图1。

图1基波感性无功补偿示意图

工程方案可分为两大类：

TSC方案，对感性负载系统配置可补偿电容器，使总电流中无功电流等于零。通过调节补偿电容器,使补偿容性电流为：IC=IZ×(1-cos2j)1/2，见图2。

图2TSC方案示意图

TCR方案，对感性负载系统配置固定补偿电容器，使系统呈容性，再配置可调补偿电抗器，使总电流中无功电流等于零。通过调节补偿电抗器，使补偿容性电流为

IC=IZ+IZ×(1-cos2j)1/2，见图3。

图3TCR方案示意图

2.2系统中谐波感性无功的去除

例如：5次谐波滤波器，LC谐振频率低于250Hz为236Hz，此时LC阻抗Z

对250Hz呈微感性，而对50Hz呈容性，谐波滤波原理实际上变为分流原理。按照分流公式得知：当Z=Zb时谐波电流50%流入电网，其余50%流入LC滤波器支路；当Z=25%Zb时，谐波电流20%流入电网。流入电网的谐波电流与流入LC滤波器的谐波电流之和等于负载谐波电流，不产生谐波放大现象。如果谐波滤波器的谐振点为270Hz，对5次谐波呈容性，将出现谐波放大现象。电网谐波电流等于负载谐波电流加上滤波器电流，所以工程上谐波滤波器的谐振点应设计在低于所要滤除的谐波频率。

2.3三相不平衡负载的平衡化

在无零序电流的情况下，可采用分相补偿计算法，使各相无功电流为零。使三相系统平衡化。

Iab=(Iaq+Ibq-Icq)×1/31/2

Ibc=(Ibq+Icq-Iaq)×1/31/2

Ica=(Icq+Iaq-Ibq)×1/31/2

其中：电流Iaq、Ibq、Icq分别为电流Iab、Ibc、Ica中的无功电流，Zab、Zbc、Zca为无功元件，见图4。

图4三相不平衡负载平衡化示意图

当电流Iab为正值时，Zab为容性元件；反之，Zab为感性元件。当电流Ibc 为正值时，Zbc为容性元件；反之，Zbc为感性元件。当电流Ica为正值时，Zca 为容性元件；反之，Zca为感性元件。

有零序电流时，可采用加装感性元器件的方法，进行平衡化。

3动态无功补偿与其它无功补偿装置及滤波装置的比较

3.1SC静态无功补偿装置（见图5）

图5SC静态无功功率补偿装置示意图

优点：

造价低。

缺点：

不适合负载急剧变化的工况；

对谐波电流产生放大，增加电网负担；

电容器容易损坏。

3.2SVC静止无功补偿装置（见图6）

图6SVC静止无功补偿装置示意图

优点：

调节电感，电流变化平滑；

RLC滤波器，滤波效果好；

无功补偿调节速度快。

缺点：

造价昂贵，不适合应用在低压系统；

产生高次谐波，增加了谐波滤波器的负担；不能解决低压用户负载不对称的问题；

自身损耗大，大约为5%～8%；

系统有谐振问题；

高压阀串维护较为困难。

3.3APF有源滤波器（见图7）

图7APF有源滤波器示意图

优点：

高速动态响应；

不会与系统发生谐振；

节约能源；

滤波效果不受电流方向、系统阻抗、电压等的影响。

缺点：

价格昂贵；

目前在试验阶段，容量较小，不适宜大范围推广。

3.4动态无功补偿滤波装置（见图8）

图8动态无功补偿滤波装置示意图

优点：

快速投切，无电流冲击，达到TCR同等补偿速率；

造价同高压TCR相比，比较经济，低压操作安全，维护方便；装置不产生谐波，无射频干扰；

可以有效减少供配电系统损耗；

可以解决低压用户的增容问题；

定点投切，不会产生振荡现象。

缺点：

有级投切。

低压配电系统智能无功补偿控制器设计?0 引言

《民用建筑电气设计规范》规定：对配电容量小于250 kW或变压器容量小于160 kV A 的建筑由低压配电系统配电，不要求单独设置变配电站，故对无功缺失情况就没有进行补偿。而10 kV变配电站低压侧母线上的集中无功补偿装置不能对低压端进行有效的补偿;低压配电系统配电半径长，电压降落大，电压不稳定状况严重;在这些民用建筑场所内使用的多为单相电感性负荷，因其自身功率因数较低，在电网中滞后无功功率的比重较大，也造成了低压端功率因数偏低。为了降低电网中的无功功率，提高功率因数，保证有功功率的充分利用，提高系统的供电效率和电压质量，减少线路损耗，降低配电线路成本，节约电能，需要在低压供配电系统中装设电容器无功补偿装置。

本实验室开发的应用于此类建筑的嵌入式系统可取代工控和现场CAN总线的楼宇设备监控系统，解决了基于工控机的楼宇监控相对此类建筑系统过于庞大复杂、成本高的问题。本文仅介绍底层基于PIC18F458的无功补偿控制部分。

1 电容器接线方式

电容器组有三角型和星型接线两种方式，它们适合于三相负载比较平衡的状况，不会对系统产生三次谐波干扰。但是，在民用建筑中大量使用的是单相负荷，照明、空调等负荷随机变化大，容易造成三相负载严重不平衡，尤其是住宅楼在运行中三相不平衡更为严重。调节补偿无功功率的采样信号取自三相中的任意一相，造成未检测的两相要么过补偿，要么欠补偿。若过补偿，则过补偿相的电压升高，造成控制和保护元件等用电设备因过电压而损坏;若欠补偿，则补偿相的回路电流增大，线路及断路器等设备因电流增加而发热甚至被烧坏。这种情况下，用传统的三相无功补偿方式不但不节能，反而浪费资源，难以对系统的无功进行有效补偿，补偿过程中所产生的过、欠补偿等弊端更是对整个电网的正常运行带来严重危害。采用如图1所示三相星型带中性线方式进行分相电容自动补偿是解决上述问题的一