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山x科技大学学士学位论文摘要
本科毕业设计论文
题目无功补偿智能控制器设计
摘要
长期以来电力系统网络损耗问题比较突出,而无功补偿是降低线损的有效手段。
随着电力系统负荷的增加,对无功功率的需求也日益增加。
在电网中的适当位置装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。
本文在详细分析无功补偿的基本原理和控制方法的基础上,研究了一种基于CS5464的TSC型智能无功补偿控制器设计方案。
该无功补偿控制器在硬件上采用三片CS5464芯片测量三相电网的各参数,选用C8051F022单片机为主控制单元,完成数据的简单处理、无功自动调节、电压检测与控制、数据存储与显示等功能,投切装置采用过零触发可控硅控制器,以抑制投切涌流。
此外,还设计了一些外围辅助硬件,包括采样调理电路、人机界面(按键、液晶等)、光电隔离、数据存储以及电压报警等;采用了模块化的设计方法,由模块到整体构成了控制器稳健的软件体系。
在电网电压/无功功率复合控制策略的基础上,编写了简洁稳健的代码实现控制算法。
该方案设计的控制器最多能够控制16路电容器组,可以应用在电网三相共补、三相分补以及三相共补与分补相结合的电容器组等容量配置的无功补偿装置中。
关键词:
CS5464,TSC,C8051F022,无功补偿
Abstract
Inthepastseveralyears,theproblemofpowerlossisveryserious.However,reactivecompensationisaneffectivemethodtosavepowerloss.Duetoincreasingloadsofelectricpowersystem,demandofreactivepowerwasalsoincreasing.Itbecamenecessarymeansthatreactivepowercompensationdeviceswereinstalledinproperpositionofelectricnetwork.Onthebasisofanalyzingthebasictheoryandcontrolstrategy,adesignofanewkindofTSCsmartreactivepowercompensationcontrollerbasedonCS5464isstudied.
Inhardwaredesignofthiscontroller,threeCS5464sareusedformeasuringthree-phaseelectricalparametersrespectively,theSCMofC8051F022isusedasthemaincontrolunittocarryoutthefunctionssuchassimpledataprocessing,reactivepowerautomaticadjustment,voltagedetectionandcontrol,datastorageanddisplayandsoon,zerotriggeredtheSiliconControlRectifier(SCR)controllerisusedforcontrollingSCRinthecast-cutequipment,whichcanrestricttheinrushcurrenteffectively.Furthermore,someexternalsupporthardwareisdesignedinthiscontroller,includingsamplingandfilteringcircuit,human-machineinterface(keyboard,LCD,etc.),photoelectricisolation,datastorage,voltagealarmandsoon.Modularizationdesignmethodisused.Stablesoftwaresystemofthiscontrollerisfinishedfromamoduletothewhole,Onthebasisofvoltage/reactivepowerofmultiplexcontrolstrategy,conciseandstableprocedurecodeiswritteninordertoachievecontrolalgorithms.Thiscontrollercancontrolupto16groupsofcapacitorandcanbeusedinthedeviceofthree-phasejointcompensation,thedeviceofthree-phaseseparatecompensationandthedeviceofcombinedthetwoundertheconditionofconfigurethesamecapacitor.
Keywords:
CS5464,TSC,C8051F022,reactivepowercompensation
山X科技大学学士学位论文目录
目录
1绪论 1
1.1论文选题的背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3课题研究的目的 7
1.4本文的主要工作 8
2无功补偿的相关理论 10
2.1无功补偿的一般概念 10
2.2TSC型无功补偿 15
2.3关于晶闸管器件的相关研究 21
2.4无功补偿与谐波抑制 24
2.5本系统所采用的相关理论与补偿方式 28
2.6本章小结 29
3控制器的硬件设计 30
3.1控制器设计原则 30
3.2控制器整体结构设计 31
3.3单片机C8051F022应用电路模块 32
3.4测量电路模块 34
3.5电网信号采样电路 37
3.6控制执行电路模块 38
3.7硬件电路抗干扰设计 44
4控制器的软件设计 47
4.1控制器软件整体结构设计 47
4.2控制器具体软件模块设计 49
5控制策略 55
5.1无功补偿投切判据分析 55
5.2本控制器控制策略与控制算法设计 58
6仿真实验及结果分析 62
6.1基于Matlab模型的仿真研究 62
6.2本章小结 68
7总结与展望 69
7.1本文总结 69
7.2展望 69
致谢 71
参考文献 72
附录一英文资料翻译 75
附录二总原理图 88
山x科技大学学士学位论文绪论
9
1绪论
1.1论文选题的背景及意义
随着国民经济的迅速发展,用电量的增加,电网的经济运行日益受到重视。
近年来,随着现代工业和电力工业的不断发展,电能传输的距离和容量日益增大,工业用户对电能质量的要求越来越高。
然而,企业广泛采用异步电动机和变压器,特别是近年来大型可控硅装置[1]的应用和大功率冲击性负荷[2]的存在,使得系统无功因数变低,电压波动加大。
降低网损,提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统运行部门面临的实际问题,也是电力系统研究的主要方向之一,特别是随着电力市场的实行,输电公司(电网公司)通过有效的手段,降低网损[3],提高系统运行的经济性,可给输电公司带来更高的效益和利润。
电力系统无功功率优化和无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分。
通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿,不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性,而且可以降低有功网损和无功网损,使电力系统能够安全经济运行。
因此,无论从提高输电网的传输能力,降低损耗,提高系统稳定性,还是从提高供电质量的角度,都需要大量的无功补偿装置。
无功优化计算[4]是在系统网络结构和系统负荷给定的情况下,通过调节控制变量(发电机的无功出力和机端电压水平、电容器组的安装及投切和变压器分接头的调节)使系统在满足各种约束条件下网损达到最小。
通过无功优化不仅使全网电压在额定值附近运行,而且能取得可观的经济效益,使电能质量、系统运行的安全性和经济性完美的结合在一起,因而无功优化的前景十分广阔。
无功补偿可看作是无功优化的一个子部分,即它通过调节电容器的安装位置和电容器的容量,使系统在满足各种约束条件下网损达到最小。
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,无功电流大大减小,则线路上的损耗也大大减小了。
(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[5]的加入,使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是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[6],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。
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资源,但我们可以高效使用它们,减少无谓的消耗,这跟我们为后人创造能源是同出一辙的,具有相同的深远意义。
1.2国内外研究现状
从电力系统的诞生开始,并联补偿技术就开始在电力系统中应用,同步调相机可以看作是最早的并联补偿装置[7][8][9]。
它是专门用来产生无功功率的同步电机。
在过励磁和欠励磁的情况下,可以分别发出不同大小的容性和感性无功功率。
在很长一段时间内,同步调相机在电力系统无功补偿中一度发挥主要作用。
然而,由于它是旋转电机,运行维护复杂,响应速度较慢,随着负荷中心地区对环境要求的提高,旋转设备带来的噪声等问题使居民越来越不满意,目前有些国家甚至已经不再使用同步调相机。
电力系统发电、输电、配电与用电必须同时完成,系统始终要处于动态的平衡状态,电力系统瞬时的不平衡可能导致安全稳定问题,因此要求并联补偿装置具有快速的响应,如达到周波级的响应速度,才能用于处理系统的问题。
由于机械投切装置惯性大,动作时间在秒级,满足不了电力系统对快速性的要求,而随着大功率电力电子技术的发展,采用高压大容量快速的电子开关代替机械开关已经成为趋势。
因此在20世纪70年代,出现了一系列的晶闸管投切的并联补偿装置和晶闸管控制的并联补偿装置,使电力系统的并联补偿进入了一个新的阶段。
TSC(ThyristorSwitchedCapacitor)型SVC(StaticVarCompensator)由电容器和双向导通晶闸管组成[10],其装置图如图1.1
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