1、i基于单片机的无功补偿装置摘 要：众所周知的，在现在的电力网中，因 为现在的低压电网里面的大多数电力设施都是感性的负载，由于它的特性，所以普遍存在着功率因素较低，在 电网中消耗的线路损耗较大，造成电力能量比较差，所以，在实际中，无功补偿很完美的运用在各行各业。但一些老的的做补偿装置的准确度低，容易对电网产生震荡等等缺点，所以比较难在实际中实现。在电力系统本身来说,如果需要保证电力系统运行的稳定性和它的经济性，那么保证无功补偿的稳定就是一定的，在正常的来说，当运行正常的时候，如果它的无功功率不能被其他的装置维持的话，那么电网中就需要提供大量的无功功率，这就会引起电压的降低或者线损的增加，所以，不
2、管是需要维持电力系统的稳定还是我们想要的低成本，在 电网中，我们都要加装一些装置，用来补偿无功功率。 针对这种情况，本课题设计了一种全自动无功补偿装置。主要采用 ST89C52 单片机进行自动控制。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很低到 ，而且能让电容95.0COS自动投切进电路，并且能显示补偿后的功率因素和补偿前的，和线路电流电压。关键字：无功补偿 ST89C52 单片机 功率因素 自动控制iiAbstract:As we all know,In the industrial production process,Classificati
3、on and statistical work of different goods and commodities in the pipeline is a daunting task.Especially in the process of packing shipment of goods.In the era of manual processing.It will cost a lot of manpower.A fully automatic reactive power compensation devices. This device is in the previous in
4、spection 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 ca
5、n 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.The system hardware circuit structu
6、re is simple, including laser sensor module, shaping circuit module, control unit module, human-computer interaction module, and digital camera interface circuit module. The control unit uses STC89C52 as the core controller. Human-computer interaction module includes a separate keyboard and LCD1602
7、LCD display circuit. Through the test of this design fully meet the requirements of the design requirement.Keywords: Reactive power compensation; Power Factor; Automatic control; STC89C52iii目 录1. 引言 .11.1 选题背景 .11.2 本设计的要求 .21.3 论文的内容和论文的结构安排 .32 系统方案总体设计 .42.1 系统需求分析 .42.2 无功功率装置原理 .42.2.1无功补偿的意义 .
8、42.3 系统方案选择 .52.3.1基于单片机的功率因数检测方案选择 .52.3.2无功功率补偿方案选择 .62.4 系统总体设计 .72.4.1 系统整体结构组成 .72.4.2 系统原理 .73 系统硬件电路设计 .93.1 功率因数测量电路 .93.1.1 功率因数测量原理 .93.1.2 基于单片机的测量原理分析 .93.1.3 基于单片机的无功功率因数测量电路设计 .103.2 模数转换电路设计 .123.3 单片机控制单元设计 .143.3.1 单片机的介绍 .143.3.2 中断系统 .163.3.3 定时器 .163.3.4 显示部分 .173.3.5 控制系统电路设计 .1
9、73.3.6 存储电路设计 .19iv3.4电容投切电路设计 .193.4.1 电容投切原理 .193.4.2电容投切电路设计 .203.5电源电路设计 .214 系统软件设计 .234.1 软件开发环境介绍 .234.1.1 C语言介绍 .234.2 软件总体设计 .234.2.1系统主程序设计 .234.3.2系统中断程序设计 .254.3.3 电容投切程序设计 .265 系统建模与仿真结果分析 .285.1 系统仿真环境介绍 .285.2 系统建模 .285.3 系统仿真结果分析 .30结束语 .33文参考献 .34附录 .37附录 1:原理图 .37附录 2：系统仿真图 .38附录 3
10、：程序代码清单 .39v第 1 页 共 65 页1. 引言本章介绍了本研究课题的背景及意义，阐述了其发展状况。目前市面上传统的无功补偿装置大多数是手动投切，体积大，精度低，不能合理的实现武功补偿，易产生震荡。针对于现有装置的缺点，本文介绍的基于单片机的的无功功率补偿装置克服了以上缺点，具有准确度高，能迅速投切，符合需要的经济的优点。在本章中还详细介绍了本课题的任务要求以及论文结构的安排。1.1 选题背景随着持续增长的中国国民经济 GDP(中国人民生产总值),在这个过程中，我国的电力工业取得了很大的进步，这个进步在平常的生活中是显而易注的。并且电网的无功功率补偿问题也逐渐吸引了广泛的关注,特别是
11、我国的电力行业，这是由于电力技术和各种电力电子装置的快速发展，并且它们在电力系统、生产业、服务业及家庭中的运用越来越普遍，因为这些技术和装置让这些过程越来越简单。但是大多数电力电子装置在运行的时候的功率因数都比较低、他们消耗大部分了的无功功率，并且这些功率在电力系统占了很大的比例。而且消耗无功功率的增加将会使电流和当前的设备及线路损耗也一起增加,从而会失去大量的有功能量。接下来就使功率因数降低,系统的电压下降。无功补偿如果不能进行就地补偿,负荷要消耗的无功功率都靠其他设备远距离的供给，那么就会让发电等一些设施不会完全有效的工作,恶化了电网供电质量,在严重的情况下可能会导致系统电压完全的崩溃,造
12、成了大面积停电的情况。电力系统的网络元件的阻抗元件主要是电感性的，因为电感性的本身特性，所以，为了提供有效的有功功率，就会需要传输端和电气终端的电压有一个相位差，它可以实现在较宽的范围里面，为了提供无功功率，则需要它们两端的电压有 1个幅值差，但是这只可以实现在一个非常窄的范围里面。并且不止大多数的元件需要消耗无功功率，大多数的负载同样也需要消耗无功功率，因此，最大的不合理的地方就是这么多的无功功率如果都让发电设备供给并让它长距离的输送，而且通常这种情况也不大可能。很多人都知道以前的无功功率补偿装置为并联电容器和同步调相机。而同步调相机的原理可以认为是产生无功功率的同步电动机。在实际的工作中，
13、如果我们需要一些大小不同的感性或者容性的无功功率的时候，我们可以通过这个同步电动机的励磁来调节，这个调节并不难，只要让它工作在欠励磁或者过励磁的状态就可以了。所以同步第 2 页 共 65 页调相机是个不错的工具，但是同步调相机属于旋转类的设备,它的噪音和损耗在运行中都是比较大的,并且运行和维护复杂,而且反应慢,很难满足要求的快速动态补偿。但并联电容器就简单多了，它的经济性、灵活性、方便性都是不错的,唯一的有点不好的地方是它的阻抗是一定的,不能够按照负载无功功率需求变化,也就是说无法实现动态无功功率补偿。随着电力电子器件快速的发展，无功补偿控制器在也在某种意义上体现了不同的发展阶段。无功补偿控制
14、器己由基于 SCR的静止无功补偿器（Static Var Compensator-SVC）、晶闸管控制串联电容补偿器（Thyristor Controlled Series Compensator-TCSC）发展到基于 GTO的静止无功发生器（Static Var Generator-SVG）、静止同步串联补偿器（StaticSynchoronous Series Compensator-SSSC）。针对以上背景，以及现有产品的一些缺陷，本文提出一种新型简单的技术方案以实现基于 51单片机无功功率补偿装置，以 51单片机为主控芯片，控制继电器组控制补偿电容的大小，然后通过功率因数检测电路，电压
15、电流检测模数转换电路，液晶显示电路，键盘控制电路，数据储存电路构成的补偿装置，实现电网的功率因数补偿，这种补偿具有简单，灵活，不容易引起电网的震荡。1.2 本设计的要求本次设计所需要做的工作是：在无功功率补偿装置要求和电网（220,100A）情况下，设计了基于 51单片机的无功功率补偿装置。本系统的硬件设计内容包括：功率因数检测电路，电容自动投切电路，模数转换电路，控制电路单元和人机交互单元的设计六个部分。其中控制系统采用 STC89C52作为核心控制器。软件系统包括人机交互界面设计以及功率因数检测，电容投切等设计三大部分程序设计。最后，通过系统仿真测试系统的使用性。本设计的详细任务要求是：（
16、1）了解 51单片机的特点，使用方法以及相关应用系统开发技术；（2）掌握无功补偿装置的工作原理；（3）设计出基于单片机的无功功率补偿电路，设计出装置的总体方案；（4）该电路能实现对电路的功率因数检测，控制电容组投切功能；（5）该电路能实现对电路的电压电流测量，测量数据存储功能（6）该电路要求有友好的人机交互界面，能方便显示当前电路的电压电流值，以及当前第 3 页 共 65 页的无功功率因数值，以及需要补偿电容值和实际补偿电容值。（7）完成该电路的系统仿真已验证所设计产品是否满足以上要求1.3 论文的内容和论文的结构安排1）通过任务要求分析，本文主要完成如下几个设计内容：A 设计出基于电压电流互
17、感器的功率因数测量电路；B 设计出信号调理电路以及 AD转换电路；C 设计出电容组投切控制电路以及控制电路；D 设计出人机交互电路；E 设计出满足整个任务要求的系统的软件开发；F 设计出基于 PROTUSE的控制系统仿真电路。2）论文结构安排如下：第一部分，介绍本设计的背景，分析无功功率补偿装置电路背景及实用意义，同时阐明本文的机构安排。第二部分，分析基于单片机无功功率补偿的原理，并对所用控制器芯片进行介绍。第三部分，完成整个系统的硬件电路设计。第四部分，完成系统的软件系统设计。第五部分，完成本设计的系统调试，并分析解决调试中遇到的问题。最后，对文章进行了总结与展望第 4 页 共 65 页2
18、系统方案总体设计2.1 系统需求分析根据任务书要求：本文要设计出一套基于单片机的无功功率补偿装置。并完成对系统电路的仿真。该系统的技术指标为：1）该电路能实现电网电压电流测量；2）该电路能实现无功功率因数检测，电容组自动投切功能；3）该电路要求有友好的人机交互界面，能方便显示当前电路的电压电流值，以及当前的无功功率因数值，以及需要补偿电容值和实际补偿电容值。通过建模仿真验证该系统的可靠性和实用性。2.2 无功功率装置原理电网的输出功率由两部分组成；一个是有功功率,一个是无功功率。在同一个电路里面，电容和电感中的电流矢量的方向是完全相反的，基本是一个向东一个向西。所以在电路中可以使电感和电容的电
19、流相互抵消，使电压和电流的矢量之间的夹角缩小，要实现这些就可以在电路中安装一些电容元件进行投切到电网中。无功补偿的事项方式是，将感性元器件电感和容性元器件电容并联在一起，使他们之间的能量进行互换，可以使他们之间的能量相互补充。2.2.1 无功补偿的意义补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。可以减少设计发电机的运行中需要的最大容量，并且消减制作的成本，当功率因数从低向高增加的时候，如果要节约设计中的设备容量，只要装设容性的器件就可以了，基本上相当与 0.52KW的设备容量等于 1Kvar的容性器件的容量，相反的，增加了发供电的容量，对原来设备就是增加了 0.52KW的设备容量。还可以降
20、低线路损耗，由公式 得出前后的功率%10)cos/1(21P因数， 为补偿前的系统的原有功率因数，而 为补偿后的系统功率。则：1cos，所以只要将功率因数提升后，不止能减少容量大小的设计，减少了花费，2在同时还能减少它的线路损耗，这样就可以提高电网中发电设备对负荷输送的有功功率比例。还有供电行业的运行效益主要是被线路损耗的大小所影响着。所以，考核运行效第 5 页 共 65 页益的其中一个重要指标就是功率因素，那么，无功补偿的计划和进行在当前情况下是一定要进行的2.3 系统方案选择基于任务需求，无功功率补偿装置检测中的各种电路有很多方案，下面将分析各方案优缺点。2.3.1 基于单片机的功率因数检
21、测方案选择方案一：利用单片机外部中断测量。利用电压电流互感器将电网中的电压电流转换成信号调理电路可以处理的电压电流值，利用比较器构成的过零比较电路将正弦波转换成同相位的电路，将两个方波信号分别接入到单片机的外部中断中，通过测量相位差 ，来测量该电路的功率因数为 。cos该方案实用性和可靠性强，能够简单的实现功率因数测量，同时便于安装。本方案实现起来硬件简单，软件比较容易实现，并且软件计算比较简单，对于处理器的要求不高，在实际应用中可以选用比较便宜的单片机来处理，可以很大程度上降低成本以及难度，然而精度不是很高。方案二：利用 AD0809测量方案。该方案中利用 AD0809多通道并行采样的特点，
22、测量采集实时电压电流的信号，采用两点乘积算法对各信号进行计算。具体方法是用电气角度 为采样间隔的样本去采集一个周期循环内的两个数据，所以它所要求的数据窗2/宽度是四分之一个周期。对于 50Hz的工频来说就是 5ms。在一个周期内所采集的两个数据需要保证在 5ms的间隔。这个时间一般由单片机的定时器来实现。按照这个方法来计算电压电流的有效值和电路的有效值 和阻抗 ，则 。UXRZjZR/cos该方案电路结构简单，可以同时测量电网的电压电流值以及功率因数。但是由于在电路中拥有大量的计算，包括平方运算，开方运算以及复数运算，对于单片机的要求比较高，并且拥有大量的要数据存储，明显提升了电路成本以及软件开发难度。方案三：专业的芯片 ADE7763测量方案。利用多功能计量芯片 ADE7763来实现功率因数的测量。该芯片将 AD转换器和数字信号处理功能集成到单个芯片内，能能够完成有功电能，视在电能等菜蔬的准确测量，依据有功电能和视在电能，就可以有微控制器计算出功率因数 。SP/cos
