自动投切控制器的研究与设计
自动投切控制器的研究与设计[20191215155001]
摘 要
近年来，随着我国国民经济的不断提高，对电能的质量要求越来越高，加强电能质量的管理成为迫切的需要。功率因素的降低将致使：电网回路中功率损耗增大；电网回路中电压损失增大；供电设备的供电能力下降，电能成本增高。企业无论从节约电费、提高供电质量还是从提高供电设备的供电能力出发，都必须考虑补偿无功功率的措施。
为了解决无功功率补偿的问题，设计出电压动态无功功率自动补偿控制器。该系统使用ATmega16单片机作为主控制芯片，能够检测电网的无功功率和功率因数，并用可控硅与接触器并联后对补偿电容时行三相或分相投切，利用可控硅的快速导通特性，实现电压过零投入的动态补偿和自动投切。
本文首先介绍了无功补偿的概念，阐述了无功补偿的发展与现状，分析了目前无功补偿控制器的不足；并在此基础上提出了无功补偿控制器的设计思想，着重阐述了系统的总体设计方案，分析了系统功能和设计思路，提供了低压无功补偿控制系统的硬件、软件模块以及具体电路。
经过研究和设计，最后调试系统并做到成功运行，实现了过零触发和自动投切等功能。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:无功补偿ATmega16过零触发自动投切
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 本课题研究背景和现状 1
1.2 无功功率补偿技术的发展现状 2
1.2.1传统无功补偿设备的状况 2
1.2.2现代无功补偿设备的状况 3
1.3本文研究的内容 5
第2章 无功补偿原理及意义 6
2.1 无功功率补偿的概念 6
2.2 无功功率补偿的基本原理 7
2.3 补偿方式及其比较 8
2.3.1 变电站集中补偿方式 9
2.3.2 低压集中补偿方式 9
2.3.3 杆上无功补偿方式 10
2.3.4 用户终端分散补偿方式 10
2.3.5 补偿方式比较 11
2.4 无功补偿装置的选择 11
2.5 无功功率补偿的意义 13
第3章 系统整体设计方案 16
3.1 无功补偿容量的计算方法 16
3.2 系统需求分析 17
3.3 系统的整体设计方案 18
3.3.1主控芯片选择的方案比较 18
3.3.2单片机系统模块 19
3.3.3投切状态输出控制模块 19
第4章 无功补偿投切控制器硬件设计 20
4.1 控制器的设计要求 20
4.2 控制器硬件组成与结构 20
4.2.1 主控芯片 21
4.2.2 电源模块 22
4.2.3 极性转换模块 23
4.2.4 复位晶振模块 23
4.2.5 过零检测模块 24
4.2.6 投切控制模块 24
4.2.7 投切反馈模块 25
4.2.8 远传功能模块 25
4.3 硬件抗干扰设计 25
第5章 无功补偿投切控制器软件设计 27
5.1 编程语言与编译环境 27
5.2 软件组成结构 28
5.3 系统主控制程序 28
5.4 参数计算模块设计 32
5.4.1 电压，电流和视在功率的计算 32
5.4.2 功率因数、有功功率及无功功率的计算 33
5.5 数据采集模块的可行性讨论 36
5.6 软件抗干扰设计 37
第6章 运行和调试 38
6.1 硬件的调试 38
6.2 软件的调试 38
6.3 系统整体调试................................................39
第7章 工作总结与展望 40
7.1 工作总结 40
7.2 展望 41
参考文献 42
致谢 45
附录 46
附一、系统整体PCB图 46
附二、系统部分程序 46
毕 业 设 计（英文翻译） 50
本科毕业设计（论文）任务书 61
第1章 绪论
1.1 本课题研究背景和现状
近年来，随着我国经济飞速发展，企业和居民生活对电力的需求也日益扩大，而日益严重的能源危机和环境危机正在考验着我们，加快节能减排工作已经势在必行。
电力系统由4个部分组成：发电，输电，配电，用电。发电系统生产出电能有输电系统输送到各个变电站，再经过变电站的配电系统，分配到各个企业和居民以供使用。因为在电能的输送过程中既包括有功功率的输送，同时也包括无功功率的输送，所以就会在输电线路和用电设备上产生有功功率损耗和无功功率损耗。电网的每个时刻有功电源和无功电源必须和有功负荷及无功负荷相平衡。
无功功率对供、用电的不良影响主要表现在：
1、降低了发电机有功功率的输出。
2、降低了输、变电设备的供电能力。
3、造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。
4、造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。
据统计，在输电线路、高压配电网、低压用户这三大部分的线损之中，低压用户线损是最大的。因此，节能应该主要围绕低压用户端进行。补偿低压无功负荷，不仅可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压的质量，并能够有效降低线损，对用户和供电部门都是有很大益处的。长期以来，我国的低压配电网普遍存在网架薄弱、线径小、设施老化的现象，因此就会造成负荷电流大，自然功率因数低。不仅如此，由于其结构复杂，电压质量不易控制，无功功率需要靠上级电网远距离输送，所以不能及时了解无功潮流变化，不能就地补偿无功功率，从而降低了电网的经济效益。
因此，对系统进行快速、动态的无功功率补偿是十分迫切的需求。电力部门大力推广无功就地补偿装置，其重要性肯定是十分明显的。
1.2 无功功率补偿技术的发展现状
无功电流的存在会造成电压下降、电能浪费的现象，恶化了电的质量。因为电网负载绝大多数呈感性，所以需要找到一种简单的补偿措施，通过对并联电容器组的投切控制来进行无功补偿。下面根据传统的无功功率补偿设备与现代的无功功率补偿设备的发展状况，来做一下分析和讨论。
1.2.1传统无功补偿设备的状况
传统的无功调节设备有调相机和并联电容器。
1、传统的无功功率补偿装置是同步调相机(SC，Synchronous Condenser)。SC实质上就是空载运行的同步发电机或同步电动机。调节其励磁，即可以发出一定的无功功率，又可以吸收无功功率。在正常励磁情况下，既不会吸收无功功率，也不会发出无功功率;在过励磁情况下，向系统发出感性无功功率;在欠励磁情况下，从系统吸收感性的无功功率。因此，同步调相机既可以作为无功电源，发出无功功率，提高母线侧电压，又可以作为无功负荷，吸收无功功率，降低母线侧的电压。
调相机的优点是:在系统发生故障时引起电压降低，同步调相机可提供电压支持，还可以在短时间进行强行励磁，对提高电力系统的稳定性是有很大好处。
缺点是：响应速度慢、噪声大、损耗大、技术陈旧，投资大，而且运行起来维护复杂，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求，基本上都已经被淘汰了，仅有很少数量的同步调相机安装在大型变电所中。
所以二十世纪70年代以来，SC开始逐渐被SVC（静止无功补偿装置Static Var Compensator，SVC）所取代。
2、并联电容器是电网中用的最多的一种专用的无功功率补偿设备，电力电容器并联在降压变压器的低压母线上或大型用电设备的旁边，作用是提高母线(或负荷)的功率因数，提高母线的电压水平，减少电力网的电压损耗。
它的优点是：相对成本较低，灵活而且简便，应用范围非常广泛，易于安装和维护，既可以集中安装，又可分散安装，主要用于控制负荷功率因数之用。由于电力电容器的迅速发展，输电系统中的同步调相机几乎被其取代。
它的缺点是：当电压降低时，特别是出现故障而导致电压降低时，系统需要电压支持，而并联电容器输出无功功率却急剧下降，不能满足系统的需要。而且控制器在不断的更新和发展，但并联电容器其阻抗都是固定的，不能跟踪负荷无功需求的变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。由于存在可靠性低、电容使用寿命短和功率因数低的问题，达不到高效节电节能的目的。
长期以来，传统的功率补偿装置缺乏自动调控手段，反应速度慢，在运行中常出现过电压、过电流和执行器件触点易烧损等弊端，不适合于频繁调节和投切，导致无功补偿不合理，造成电网电压波动闪变、超限和过高的现象。
1.2.2现代无功补偿设备的状况
随着电力系统的发展，人们迫切的需要对无功功率进行快速的动态补偿。随着半导体制造和变流等技术的发展，新型的电力电子器件不断问世，电力电子技术对无功补偿技术带来了新的发展契机，各种新型的、快速的、自动的无功补偿装置相继出现。下面分别进行介绍重要的几种设备品种。
1、静止无功补偿装置(Static Var Compensator，SVC) ，随着柔性的交流输电(FACTS)概念的提出（其中的“柔性”（Flexible）是指对电压和电流的可控性），特别是在电力电子技术得到长足的发展以后，静止无功补偿装置(SVC)有了很好的发展。在工业界，静止无功补偿装置通常是指使用晶闸管的静止无功补偿装置，是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输配电系统的导纳。由于静止无功补偿装置的性价比高，运行稳定可靠，所以它占据了无功补偿的主导地位，并成为了目前无功补偿领域研究的热点。
2、静止无功发生器（SVG，Static Var Generator），也称为新型静止无功补偿器（ASVC，Advanced Static Var Compensator）、静止同步补偿器STATCOM(Static Synchoronous Compensator)、静止调相机（STATCON，Static Condenser）。SVG的原理是由电力电容器和可调电抗器组成，并联在降压变压器低压母线。电容器吸收感性无功，静止补偿器根据母线电压的高低自动控制可调电抗器的使用，加大谐波源接入点的短路容量或改由高一级电压供电，以增加系统承受能力，改进设备性能，对谐波敏感的设备采用灵敏的谐波保护装置。
与SVC相比，SVG的优点是调节速度较快、运行范围较宽、元件容量很小（这将大大缩小装置的体积和成本）、谐波含量小。静止无功发生器具有如此优越的性能，显示了动态无功补偿装置的发展方向。
3、统一潮流控制器UPFC（Unified Power Flow Controller）。把一台SVG与一台静止的同步串联补偿器SSSC（Static Synchoronous Series Compensator）的直流侧通过直流电容耦合，就构成了统一潮流控制器UPFC。
摘 要
近年来，随着我国国民经济的不断提高，对电能的质量要求越来越高，加强电能质量的管理成为迫切的需要。功率因素的降低将致使：电网回路中功率损耗增大；电网回路中电压损失增大；供电设备的供电能力下降，电能成本增高。企业无论从节约电费、提高供电质量还是从提高供电设备的供电能力出发，都必须考虑补偿无功功率的措施。
为了解决无功功率补偿的问题，设计出电压动态无功功率自动补偿控制器。该系统使用ATmega16单片机作为主控制芯片，能够检测电网的无功功率和功率因数，并用可控硅与接触器并联后对补偿电容时行三相或分相投切，利用可控硅的快速导通特性，实现电压过零投入的动态补偿和自动投切。
本文首先介绍了无功补偿的概念，阐述了无功补偿的发展与现状，分析了目前无功补偿控制器的不足；并在此基础上提出了无功补偿控制器的设计思想，着重阐述了系统的总体设计方案，分析了系统功能和设计思路，提供了低压无功补偿控制系统的硬件、软件模块以及具体电路。
经过研究和设计，最后调试系统并做到成功运行，实现了过零触发和自动投切等功能。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:无功补偿ATmega16过零触发自动投切
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 本课题研究背景和现状 1
1.2 无功功率补偿技术的发展现状 2
1.2.1传统无功补偿设备的状况 2
1.2.2现代无功补偿设备的状况 3
1.3本文研究的内容 5
第2章 无功补偿原理及意义 6
2.1 无功功率补偿的概念 6
2.2 无功功率补偿的基本原理 7
2.3 补偿方式及其比较 8
2.3.1 变电站集中补偿方式 9
2.3.2 低压集中补偿方式 9
2.3.3 杆上无功补偿方式 10
2.3.4 用户终端分散补偿方式 10
2.3.5 补偿方式比较 11
2.4 无功补偿装置的选择 11
2.5 无功功率补偿的意义 13
第3章 系统整体设计方案 16
3.1 无功补偿容量的计算方法 16
3.2 系统需求分析 17
3.3 系统的整体设计方案 18
3.3.1主控芯片选择的方案比较 18
3.3.2单片机系统模块 19
3.3.3投切状态输出控制模块 19
第4章 无功补偿投切控制器硬件设计 20
4.1 控制器的设计要求 20
4.2 控制器硬件组成与结构 20
4.2.1 主控芯片 21
4.2.2 电源模块 22
4.2.3 极性转换模块 23
4.2.4 复位晶振模块 23
4.2.5 过零检测模块 24
4.2.6 投切控制模块 24
4.2.7 投切反馈模块 25
4.2.8 远传功能模块 25
4.3 硬件抗干扰设计 25
第5章 无功补偿投切控制器软件设计 27
5.1 编程语言与编译环境 27
5.2 软件组成结构 28
5.3 系统主控制程序 28
5.4 参数计算模块设计 32
5.4.1 电压，电流和视在功率的计算 32
5.4.2 功率因数、有功功率及无功功率的计算 33
5.5 数据采集模块的可行性讨论 36
5.6 软件抗干扰设计 37
第6章 运行和调试 38
6.1 硬件的调试 38
6.2 软件的调试 38
6.3 系统整体调试................................................39
第7章 工作总结与展望 40
7.1 工作总结 40
7.2 展望 41
参考文献 42
致谢 45
附录 46
附一、系统整体PCB图 46
附二、系统部分程序 46
毕 业 设 计（英文翻译） 50
本科毕业设计（论文）任务书 61
第1章 绪论
1.1 本课题研究背景和现状
近年来，随着我国经济飞速发展，企业和居民生活对电力的需求也日益扩大，而日益严重的能源危机和环境危机正在考验着我们，加快节能减排工作已经势在必行。
电力系统由4个部分组成：发电，输电，配电，用电。发电系统生产出电能有输电系统输送到各个变电站，再经过变电站的配电系统，分配到各个企业和居民以供使用。因为在电能的输送过程中既包括有功功率的输送，同时也包括无功功率的输送，所以就会在输电线路和用电设备上产生有功功率损耗和无功功率损耗。电网的每个时刻有功电源和无功电源必须和有功负荷及无功负荷相平衡。
无功功率对供、用电的不良影响主要表现在：
1、降低了发电机有功功率的输出。
2、降低了输、变电设备的供电能力。
3、造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。
4、造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。
据统计，在输电线路、高压配电网、低压用户这三大部分的线损之中，低压用户线损是最大的。因此，节能应该主要围绕低压用户端进行。补偿低压无功负荷，不仅可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压的质量，并能够有效降低线损，对用户和供电部门都是有很大益处的。长期以来，我国的低压配电网普遍存在网架薄弱、线径小、设施老化的现象，因此就会造成负荷电流大，自然功率因数低。不仅如此，由于其结构复杂，电压质量不易控制，无功功率需要靠上级电网远距离输送，所以不能及时了解无功潮流变化，不能就地补偿无功功率，从而降低了电网的经济效益。
因此，对系统进行快速、动态的无功功率补偿是十分迫切的需求。电力部门大力推广无功就地补偿装置，其重要性肯定是十分明显的。
1.2 无功功率补偿技术的发展现状
无功电流的存在会造成电压下降、电能浪费的现象，恶化了电的质量。因为电网负载绝大多数呈感性，所以需要找到一种简单的补偿措施，通过对并联电容器组的投切控制来进行无功补偿。下面根据传统的无功功率补偿设备与现代的无功功率补偿设备的发展状况，来做一下分析和讨论。
1.2.1传统无功补偿设备的状况
传统的无功调节设备有调相机和并联电容器。
1、传统的无功功率补偿装置是同步调相机(SC，Synchronous Condenser)。SC实质上就是空载运行的同步发电机或同步电动机。调节其励磁，即可以发出一定的无功功率，又可以吸收无功功率。在正常励磁情况下，既不会吸收无功功率，也不会发出无功功率;在过励磁情况下，向系统发出感性无功功率;在欠励磁情况下，从系统吸收感性的无功功率。因此，同步调相机既可以作为无功电源，发出无功功率，提高母线侧电压，又可以作为无功负荷，吸收无功功率，降低母线侧的电压。
调相机的优点是:在系统发生故障时引起电压降低，同步调相机可提供电压支持，还可以在短时间进行强行励磁，对提高电力系统的稳定性是有很大好处。
缺点是：响应速度慢、噪声大、损耗大、技术陈旧，投资大，而且运行起来维护复杂，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求，基本上都已经被淘汰了，仅有很少数量的同步调相机安装在大型变电所中。
所以二十世纪70年代以来，SC开始逐渐被SVC（静止无功补偿装置Static Var Compensator，SVC）所取代。
2、并联电容器是电网中用的最多的一种专用的无功功率补偿设备，电力电容器并联在降压变压器的低压母线上或大型用电设备的旁边，作用是提高母线(或负荷)的功率因数，提高母线的电压水平，减少电力网的电压损耗。
它的优点是：相对成本较低，灵活而且简便，应用范围非常广泛，易于安装和维护，既可以集中安装，又可分散安装，主要用于控制负荷功率因数之用。由于电力电容器的迅速发展，输电系统中的同步调相机几乎被其取代。
它的缺点是：当电压降低时，特别是出现故障而导致电压降低时，系统需要电压支持，而并联电容器输出无功功率却急剧下降，不能满足系统的需要。而且控制器在不断的更新和发展，但并联电容器其阻抗都是固定的，不能跟踪负荷无功需求的变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。由于存在可靠性低、电容使用寿命短和功率因数低的问题，达不到高效节电节能的目的。
长期以来，传统的功率补偿装置缺乏自动调控手段，反应速度慢，在运行中常出现过电压、过电流和执行器件触点易烧损等弊端，不适合于频繁调节和投切，导致无功补偿不合理，造成电网电压波动闪变、超限和过高的现象。
1.2.2现代无功补偿设备的状况
随着电力系统的发展，人们迫切的需要对无功功率进行快速的动态补偿。随着半导体制造和变流等技术的发展，新型的电力电子器件不断问世，电力电子技术对无功补偿技术带来了新的发展契机，各种新型的、快速的、自动的无功补偿装置相继出现。下面分别进行介绍重要的几种设备品种。
1、静止无功补偿装置(Static Var Compensator，SVC) ，随着柔性的交流输电(FACTS)概念的提出（其中的“柔性”（Flexible）是指对电压和电流的可控性），特别是在电力电子技术得到长足的发展以后，静止无功补偿装置(SVC)有了很好的发展。在工业界，静止无功补偿装置通常是指使用晶闸管的静止无功补偿装置，是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输配电系统的导纳。由于静止无功补偿装置的性价比高，运行稳定可靠，所以它占据了无功补偿的主导地位，并成为了目前无功补偿领域研究的热点。
2、静止无功发生器（SVG，Static Var Generator），也称为新型静止无功补偿器（ASVC，Advanced Static Var Compensator）、静止同步补偿器STATCOM(Static Synchoronous Compensator)、静止调相机（STATCON，Static Condenser）。SVG的原理是由电力电容器和可调电抗器组成，并联在降压变压器低压母线。电容器吸收感性无功，静止补偿器根据母线电压的高低自动控制可调电抗器的使用，加大谐波源接入点的短路容量或改由高一级电压供电，以增加系统承受能力，改进设备性能，对谐波敏感的设备采用灵敏的谐波保护装置。
与SVC相比，SVG的优点是调节速度较快、运行范围较宽、元件容量很小（这将大大缩小装置的体积和成本）、谐波含量小。静止无功发生器具有如此优越的性能，显示了动态无功补偿装置的发展方向。
3、统一潮流控制器UPFC（Unified Power Flow Controller）。把一台SVG与一台静止的同步串联补偿器SSSC（Static Synchoronous Series Compensator）的直流侧通过直流电容耦合，就构成了统一潮流控制器UPFC。
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