无功补偿自动投切控制器的研究与设计
无功补偿自动投切控制器的研究与设计[20191215183703]
摘 要
目前，随着电力电子技术的飞速发展，电网中电力电子设备的数量也在不断增加，造成电网的功率因素下降与谐波危害。为了保证电网的正常运行，当前我们所采用的方法通常是限制接入电网的整流设备的容量，这种做法在一定程度上限制了一些大功率电力设备的使用。通过利用电容器补偿装置来对电网进行无功补偿，能够从某种程度上提高功率因数，改善电网电压的质量。
本文设计和研究了一种基于ATmega16单片机，利用双向晶闸管和保持继电器，实现在电网电压过零时刻对电网投切电容器组，进行电力系统无功功率补偿的无功补偿装置。使得电力系统的功率因素得以提高，从而提升了电网电能的质量。
经过试验论证，在电网电压过零时刻进行投切，避免了传统无功补偿装置在投切时刻的涌流和谐波危害；而且本设计中采用磁保持继电器来代替普通继电器，在保护双向晶闸管的同时，实现了电能的节约。
该装置可以根据电网无功功率的变化，在需要时自动进行无功功率补偿,实现了无功补偿器的智能优化运行,其原理简单，操作方便，可靠性高。具有十分广泛的发展前景。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:功率因数；无功补偿；ATmega16单片机；晶闸管投切电容器
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.1.1 问题提出 2
1.1.2本文的主要研究内容和工作 2
1.2 本章小结 3
第2章 功率因素与无功功率补偿技术 4
2.1 功率因素 4
2.2 无功补偿的一般概念 5
2.3无功补偿的基本原理 5
2.4无功补偿技术的发展过程 6
2.4.1串联补偿 6
2.4.2并联补偿 6
2.5 无功补偿装置的选择 7
2.5.1 补偿方式的选择 7
2.5.2 控制投切装置的选择 7
2.6本章小结 8
第3章 系统硬件设计 9
3.1 系统的整体设计方案 9
3.2单片机的选型 10
3.2.1 ATmega16简介 10
3.2.2 ATmega16 单片机的产品特性 10
3.2.3引脚名称及引脚功能说明 11
3.3 外部复位和晶振电路 12
3.4 电源电路 13
3.4.1电路结构 13
3.5 过零检测电路 14
3.5.1电路结构 15
3.5.2光耦P521_1 15
3.6 极性转换电路 15
3.6.1电路结构 15
3.6.2磁保持继电器 17
3.7 双向晶闸管过零触发控制电路 18
3.7.1电路结构 18
3.7.2双向晶闸管 19
3.7.3 555定时器组成的多谐振荡器 19
3.8电容器投切电路 20
3.9投切反馈电路 20
3.10短消息提示模块 21
3.11硬件电路抗干扰设计 22
3.11.1隔离技术 22
3.11.2滤波抗干扰措施 22
3.11.3布线布局上的抗干扰设计 23
3.12本章小结 23
第4章 系统软件设计 23
4.1主程序设计 24
4.1.1 单片机初始化 25
4.2过零点检测设计 26
4.3双向晶闸管和磁保持继电器的控制程序 26
4.4短消息程序设计? 28
4.4.1短消息格式的设置? 28
4.4.2短消息接收和处理 28
4.5 软件抗干扰设计 29
4.5.1定期初始化 29
4.5.2重复刷新I/O口状态 29
4.5.3多次判断 30
4.6 本章小结 30
第5章 运行和调试 31
5.1 系统硬件调试 31
5.2系统软件调试 32
5.3系统整体调试 33
5.4本章小结 33
第6章 结论与展望 34
6.1总结 34
6.2展望 35
参考文献 36
致 谢 39
附图、附录 40
附一 系统整体原理图 40
附二 系统整体PCB图 40
附三 系统部分程序 41
毕 业 设 计（英文翻译） 44
本科毕业设计（论文）任务书 65
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
电力电子技术在飞速发展，人们对电网电能质量以及电力系统稳定性的的要求也越来越高。但目前，我国的电力设备网络，还大量存在着功率因数过低、电能损耗比较大的情况。这种现象产生的原因主要来自于两个方面：第一个原因是当前许多感性用电设备的设计还不够完善，功率因数比较低。第二个原因是企业由于生产需要，通常会使用大功率的电力设备给大型负载供电，这些大功率电力设备会消耗大量的无功功率，导致电力系统的无功功率在大范围内产生波动，在影响电气设备的使用效率的同时还降低了电网的电能传输的能力。为了避免这类问题的发生，可以采用无功补偿装置对电力系统进行无功补偿，增加系统的无功功率，从而提高电网电能质量、降低功率损耗和提升电网的运行效率。
无功补偿装置的作用 主要体现为：它能够通过补偿电力系统的无功功率，提高系统的功率因数，从而降低功率损耗，稳定电网电压。无功功率补偿的一个重要方法就是并联电容器，这也是目前应用最广泛的一种无功补偿方式。它的原理是通过在电网中投入一定容量的电容器，通过增加系统的容性无功来提高电力系统的功率因素，从而降低功率损耗，提高电网电能质量 。具体体现在以下几个方面：
1．提高电压质量
线路中电流可以分为两类 ，一类是有功电流Ia，一类是无功电流Ir，电力系统中电压损失 与这两类电流的关系可以用下式表示:
式中： P为有功功率，单位为千瓦，Q为无功功率，单位是千乏，U是额定电压，单位是千伏，线路电抗 的单位与线路总电阻R的单位相同，都是欧姆。
因为当功率因数得到提高时，输电线路上传输的无功功率Q就会相应的减少，所以从上述电压损耗的表达式，可以很容易地分析出：R、 均为定值，若保持有功功率P不变，当无功功率Q减小时，电压损失也会降低，即提高功率因素可以提高电压质量。
2. 提高变压器的使用效率，减少资金投入
当功率因数由 提高到 时，变压器的利用率会相应地提高 ：
由上式可见，功率因素提高后，变压器的利用率也得到了提高。和补偿前相比，提高了ΔS%。变压器的利用率的提高，意味着系统有能力带动更多的负荷，从而有效地减少了购买大量输变电设备的经济支出。
3．减少用户电费支出
（1）因为在无功功率传输和分配时，会产生有功损耗，所以若能够提高功率因素，使得无功功率相应地得以减小，就可以降低有功损耗，从而减少用户电费支出。
（2）可以避免由于功率因数低于规定值而被罚款。
4. 提高电能的传输能力
我们都知道，有功功率P和视在功率S之间有着一定的函数关系，其具体函数表达式为：
P=Scosφ
根据表达式，很容易看出：当传输的的有功功率为定值时，功率因数的值越高，那么需要电网传输的功率也就越小。
1.1.1 问题提出
虽然传统的无功补偿方式有很多种，但是传统无功补偿装置在电容投切过程中，容易产生涌流和谐波危害。这既危害了高压供电设备的绝缘和电力系统的安全运行，又会影响灵敏度较高的电器设备在电力系统中的正常使用。采用电压过零投切技术可以实现同步投切，有效地抑制投切过程中的过电压和涌流危害 。
1.1.2本文的主要研究内容和工作
本文设计和研制了一种以ATmega16单片机芯片为核心，通过晶闸管来控制电容器组投切的电容器投切装置。当系统的容性无功功率欠缺，需要投入电容器进行无功补偿时，只要给一个触发信号给单片机，无功补偿装置能够检测电网电压的过零点，并在电压过零时刻准确地将电容器投入电网。本文所做的主要工作有：
1、首先叙述了无功补偿的背景意义和发展历程，并根据设计的目标功能要求，确定了本设计中无功补偿的具体实现方案。最终确定系统的补偿方式为并联电容器组，投切时刻选在电压过零时刻，投切方式为有双向晶闸管和磁保持继电器组成的复合开关来控制电容器组的投切。
2、硬件设计，主要是各功能模块的设计，完成各功能模块的原理图设计以及PCB板的绘制，完成整体硬件电路的设计和调试。
3、软件设计，主要体现在电压过零检测策略的选择以及电容器投切控制策略的确定，还有程序的编写和调试等工作。
1.2 本章小结
无功功率在电力系统有着举足轻重的地位，系统的无功功率不足会导致电力系统的功率因数过低，而功率因数偏低时，电力系统的功率损耗就会增加，从而导致电网电压稳定性降低，影响电网的供电质量。设计无功补偿控制器，对电力系统进行无功补偿，可以提高电力系统的功率因素，提高电网电能质量。
第2章 功率因素与无功功率补偿技术
要设计出符合目标功能要求的无功补偿控制装置，必须先对无功功率的概念以及无功补偿的基本原理有一个清晰的认识，对现有无功补偿装置的优缺点有一个客观认知。
2.1 功率因素
功率因素是电网经济高效运行的一个重要指标，也是配电质量和负荷侧电能使用质量的重要衡量参数。功率因素的高低会影响到变压器有功功率的传输能力、变压器和线路的功率损耗以及电压质量，所以在进行配电设计、运行和维护等方面必须高度重视这一问题。
电网中的功率可以分为三种：视在功率、有功以及无功功率，它们分别用S、P、Q表示，这三者之间存在一个三角形关系 ，可以在一个直角三角形中形象地表示，有功功率和无功功率分别作为直角三角形的两条直角边，视在功率为直角三角形的斜边，有功和视在功率之间的的夹角称为功率因素角 ，用符号 表示。二者的比值，称为功率因素，用 表示， ,它表明了电力负荷的性质。如图2.1所示，用一个直角三角形就可以很客观的表现出有功功率、无功功率和视在功率之间存在的关系。它们之间的关系用公式则可以表现为 。
图2.1 功率三角形
在实际的电力系统中，无功功率的越大，电网的电力负越大，导致的后果就是电网的损耗过大，而只有对无功对进行补偿，才能减少电网的损耗。通过并联电容可以补偿电网中的容性无功功率，补偿的电容器的功率选为 ，则经过补偿后的系统的功率因素 为：
可以很明显的看出，利用并联电容器的方式，可以达到提高系统的功率因素的效果。
2.2 无功补偿的一般概念
近年来，电网中的电力负荷急剧增加，发电装置容量和电网的输配电能力已经不能满足用电设备以及电力用户对于电能的要求，电力能源出现供不应求的局面。所以降低电能损耗，提高电力系统运行的效率迫在眉睫。
摘 要
目前，随着电力电子技术的飞速发展，电网中电力电子设备的数量也在不断增加，造成电网的功率因素下降与谐波危害。为了保证电网的正常运行，当前我们所采用的方法通常是限制接入电网的整流设备的容量，这种做法在一定程度上限制了一些大功率电力设备的使用。通过利用电容器补偿装置来对电网进行无功补偿，能够从某种程度上提高功率因数，改善电网电压的质量。
本文设计和研究了一种基于ATmega16单片机，利用双向晶闸管和保持继电器，实现在电网电压过零时刻对电网投切电容器组，进行电力系统无功功率补偿的无功补偿装置。使得电力系统的功率因素得以提高，从而提升了电网电能的质量。
经过试验论证，在电网电压过零时刻进行投切，避免了传统无功补偿装置在投切时刻的涌流和谐波危害；而且本设计中采用磁保持继电器来代替普通继电器，在保护双向晶闸管的同时，实现了电能的节约。
该装置可以根据电网无功功率的变化，在需要时自动进行无功功率补偿,实现了无功补偿器的智能优化运行,其原理简单，操作方便，可靠性高。具有十分广泛的发展前景。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:功率因数；无功补偿；ATmega16单片机；晶闸管投切电容器
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.1.1 问题提出 2
1.1.2本文的主要研究内容和工作 2
1.2 本章小结 3
第2章 功率因素与无功功率补偿技术 4
2.1 功率因素 4
2.2 无功补偿的一般概念 5
2.3无功补偿的基本原理 5
2.4无功补偿技术的发展过程 6
2.4.1串联补偿 6
2.4.2并联补偿 6
2.5 无功补偿装置的选择 7
2.5.1 补偿方式的选择 7
2.5.2 控制投切装置的选择 7
2.6本章小结 8
第3章 系统硬件设计 9
3.1 系统的整体设计方案 9
3.2单片机的选型 10
3.2.1 ATmega16简介 10
3.2.2 ATmega16 单片机的产品特性 10
3.2.3引脚名称及引脚功能说明 11
3.3 外部复位和晶振电路 12
3.4 电源电路 13
3.4.1电路结构 13
3.5 过零检测电路 14
3.5.1电路结构 15
3.5.2光耦P521_1 15
3.6 极性转换电路 15
3.6.1电路结构 15
3.6.2磁保持继电器 17
3.7 双向晶闸管过零触发控制电路 18
3.7.1电路结构 18
3.7.2双向晶闸管 19
3.7.3 555定时器组成的多谐振荡器 19
3.8电容器投切电路 20
3.9投切反馈电路 20
3.10短消息提示模块 21
3.11硬件电路抗干扰设计 22
3.11.1隔离技术 22
3.11.2滤波抗干扰措施 22
3.11.3布线布局上的抗干扰设计 23
3.12本章小结 23
第4章 系统软件设计 23
4.1主程序设计 24
4.1.1 单片机初始化 25
4.2过零点检测设计 26
4.3双向晶闸管和磁保持继电器的控制程序 26
4.4短消息程序设计? 28
4.4.1短消息格式的设置? 28
4.4.2短消息接收和处理 28
4.5 软件抗干扰设计 29
4.5.1定期初始化 29
4.5.2重复刷新I/O口状态 29
4.5.3多次判断 30
4.6 本章小结 30
第5章 运行和调试 31
5.1 系统硬件调试 31
5.2系统软件调试 32
5.3系统整体调试 33
5.4本章小结 33
第6章 结论与展望 34
6.1总结 34
6.2展望 35
参考文献 36
致 谢 39
附图、附录 40
附一 系统整体原理图 40
附二 系统整体PCB图 40
附三 系统部分程序 41
毕 业 设 计（英文翻译） 44
本科毕业设计（论文）任务书 65
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
电力电子技术在飞速发展，人们对电网电能质量以及电力系统稳定性的的要求也越来越高。但目前，我国的电力设备网络，还大量存在着功率因数过低、电能损耗比较大的情况。这种现象产生的原因主要来自于两个方面：第一个原因是当前许多感性用电设备的设计还不够完善，功率因数比较低。第二个原因是企业由于生产需要，通常会使用大功率的电力设备给大型负载供电，这些大功率电力设备会消耗大量的无功功率，导致电力系统的无功功率在大范围内产生波动，在影响电气设备的使用效率的同时还降低了电网的电能传输的能力。为了避免这类问题的发生，可以采用无功补偿装置对电力系统进行无功补偿，增加系统的无功功率，从而提高电网电能质量、降低功率损耗和提升电网的运行效率。
无功补偿装置的作用 主要体现为：它能够通过补偿电力系统的无功功率，提高系统的功率因数，从而降低功率损耗，稳定电网电压。无功功率补偿的一个重要方法就是并联电容器，这也是目前应用最广泛的一种无功补偿方式。它的原理是通过在电网中投入一定容量的电容器，通过增加系统的容性无功来提高电力系统的功率因素，从而降低功率损耗，提高电网电能质量 。具体体现在以下几个方面：
1．提高电压质量
线路中电流可以分为两类 ，一类是有功电流Ia，一类是无功电流Ir，电力系统中电压损失 与这两类电流的关系可以用下式表示:
式中： P为有功功率，单位为千瓦，Q为无功功率，单位是千乏，U是额定电压，单位是千伏，线路电抗 的单位与线路总电阻R的单位相同，都是欧姆。
因为当功率因数得到提高时，输电线路上传输的无功功率Q就会相应的减少，所以从上述电压损耗的表达式，可以很容易地分析出：R、 均为定值，若保持有功功率P不变，当无功功率Q减小时，电压损失也会降低，即提高功率因素可以提高电压质量。
2. 提高变压器的使用效率，减少资金投入
当功率因数由 提高到 时，变压器的利用率会相应地提高 ：
由上式可见，功率因素提高后，变压器的利用率也得到了提高。和补偿前相比，提高了ΔS%。变压器的利用率的提高，意味着系统有能力带动更多的负荷，从而有效地减少了购买大量输变电设备的经济支出。
3．减少用户电费支出
（1）因为在无功功率传输和分配时，会产生有功损耗，所以若能够提高功率因素，使得无功功率相应地得以减小，就可以降低有功损耗，从而减少用户电费支出。
（2）可以避免由于功率因数低于规定值而被罚款。
4. 提高电能的传输能力
我们都知道，有功功率P和视在功率S之间有着一定的函数关系，其具体函数表达式为：
P=Scosφ
根据表达式，很容易看出：当传输的的有功功率为定值时，功率因数的值越高，那么需要电网传输的功率也就越小。
1.1.1 问题提出
虽然传统的无功补偿方式有很多种，但是传统无功补偿装置在电容投切过程中，容易产生涌流和谐波危害。这既危害了高压供电设备的绝缘和电力系统的安全运行，又会影响灵敏度较高的电器设备在电力系统中的正常使用。采用电压过零投切技术可以实现同步投切，有效地抑制投切过程中的过电压和涌流危害 。
1.1.2本文的主要研究内容和工作
本文设计和研制了一种以ATmega16单片机芯片为核心，通过晶闸管来控制电容器组投切的电容器投切装置。当系统的容性无功功率欠缺，需要投入电容器进行无功补偿时，只要给一个触发信号给单片机，无功补偿装置能够检测电网电压的过零点，并在电压过零时刻准确地将电容器投入电网。本文所做的主要工作有：
1、首先叙述了无功补偿的背景意义和发展历程，并根据设计的目标功能要求，确定了本设计中无功补偿的具体实现方案。最终确定系统的补偿方式为并联电容器组，投切时刻选在电压过零时刻，投切方式为有双向晶闸管和磁保持继电器组成的复合开关来控制电容器组的投切。
2、硬件设计，主要是各功能模块的设计，完成各功能模块的原理图设计以及PCB板的绘制，完成整体硬件电路的设计和调试。
3、软件设计，主要体现在电压过零检测策略的选择以及电容器投切控制策略的确定，还有程序的编写和调试等工作。
1.2 本章小结
无功功率在电力系统有着举足轻重的地位，系统的无功功率不足会导致电力系统的功率因数过低，而功率因数偏低时，电力系统的功率损耗就会增加，从而导致电网电压稳定性降低，影响电网的供电质量。设计无功补偿控制器，对电力系统进行无功补偿，可以提高电力系统的功率因素，提高电网电能质量。
第2章 功率因素与无功功率补偿技术
要设计出符合目标功能要求的无功补偿控制装置，必须先对无功功率的概念以及无功补偿的基本原理有一个清晰的认识，对现有无功补偿装置的优缺点有一个客观认知。
2.1 功率因素
功率因素是电网经济高效运行的一个重要指标，也是配电质量和负荷侧电能使用质量的重要衡量参数。功率因素的高低会影响到变压器有功功率的传输能力、变压器和线路的功率损耗以及电压质量，所以在进行配电设计、运行和维护等方面必须高度重视这一问题。
电网中的功率可以分为三种：视在功率、有功以及无功功率，它们分别用S、P、Q表示，这三者之间存在一个三角形关系 ，可以在一个直角三角形中形象地表示，有功功率和无功功率分别作为直角三角形的两条直角边，视在功率为直角三角形的斜边，有功和视在功率之间的的夹角称为功率因素角 ，用符号 表示。二者的比值，称为功率因素，用 表示， ,它表明了电力负荷的性质。如图2.1所示，用一个直角三角形就可以很客观的表现出有功功率、无功功率和视在功率之间存在的关系。它们之间的关系用公式则可以表现为 。
图2.1 功率三角形
在实际的电力系统中，无功功率的越大，电网的电力负越大，导致的后果就是电网的损耗过大，而只有对无功对进行补偿，才能减少电网的损耗。通过并联电容可以补偿电网中的容性无功功率，补偿的电容器的功率选为 ，则经过补偿后的系统的功率因素 为：
可以很明显的看出，利用并联电容器的方式，可以达到提高系统的功率因素的效果。
2.2 无功补偿的一般概念
近年来，电网中的电力负荷急剧增加，发电装置容量和电网的输配电能力已经不能满足用电设备以及电力用户对于电能的要求，电力能源出现供不应求的局面。所以降低电能损耗，提高电力系统运行的效率迫在眉睫。
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