河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书
由于SVC，STATCOM只能控制无功功率以调节系统电压，如果系统某一局部同时有多中要求，就需要在该处设置几种装置。这增大了安装、调试的工作量，同时设备的投资也相当大。UPFC的基本思想正是用一种统一的电力电子控制装置，仅通过控制规律的变化，就能对线路电压、阻抗、相位等电力系统基本参数同时进行控制，从而能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相等几种不同的功能，与其他无功补偿装置相比，UPFC控制范围较大，控制方式更为灵活。
统一潮流控制器的概念是由美国西屋科技中心于1992年提出的，被认为是无功补偿装置中最具有代表性的装置。世界上许多国家都在开展这方面的研究工作。美国、法国都在加紧实际装置的研究，美国Inez变电站已于1998年在138kv系统上安装了UPFC。我国也开展了UPFC的研究，但大多数仅限于理论研究和数字仿真研究以及物理模型的建立。
（4）可转换静止补偿器（CSC）
由纽约电力局NYPA与EPRI专家共同建议，并联合西屋公司和PTI合作研究的可转换静止补偿器是强功能新型控制器。正在安装中的美国Marcy变电站中的CSC由多个同步电压源逆变器构成，可同时控制2条以上线路潮流、电压、阻抗和相角，并能实现线路间功率转换。其实质是一种UPFC的多重组合。因而CSC具有4项功能：
①静止无功发生器的并联无功补偿功能； ②静止同步串联补偿器功能； ③综合潮流控制器的功能；
④控制2条线路以上潮流的线间潮流控制功能。
CSC被认为是最新一代的无功补偿装置，目前仅在美国Marcy变电站中安装了此装置。其中作为SVG运行的两台100Mvar并联部分已于2000年分别在两条线路上安装完毕，两台作为SSSC运行的串联部分尚未安装完毕。
由于无功补偿技术及其控制器发展迅猛，一些新的装置不断被开发出来，使得无功补偿控制器中的新旧装置出现并存发展的局面，无功补偿控制器中的无功补偿装置SVC，SVG，UPFC及CSC目前也处于这样一种发展状况。
作为较早出现的无功补偿装置SVC，由于采用的是传统的半控型器件SCR，成本低，且技术成熟，因此是目前广泛使用的无功补偿装置。目前对SVC的研究主要集中在控制策略上。模糊控制、人工神经网络和专家系统等智能控制手段被引入
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SVC控制系统，是SVC系统的性能更加提高。
而SVG，UPFC及CSC目前的应用仅局限于个别工程，尚无法大规模应用，一方面由于这些无功补偿装置需大量借助于全控型器件，而全控型器件目前价格非常昂贵，使得目前该类无功补偿装置的工程造价比SVC高；另一方面，此类无功补偿装置的技术还不完善，有许多技术问题尚待解决。但大功率电力电子器件技术本身发展迅速，未来的功率器件开关容量会逐步增大，价格则相应下降，此类以GTO等新型全控器件为核心的无功补偿装置的造价会逐步降低。国际大电网会议曾展开有关SVC于SVG的性价比的讨论，不少专家认为，由于SVG不需大量的电容器就可以实现无功的快速调节，而电容器的价格多年来比较稳定，不可能大幅度下降；相反，电力电子器件的价格会不断下降，故预计SVG会比SVC更有竞争力，由此可见，随着造价的降低和技术的完善，在不远的将来SVG，UPFC及CSC将成为无功补偿技术的发展方向。
1.3本课题主要研究的内容
本次设计中采用了分相补偿的方法，三相电容自动补偿适用于三相负载平衡的供配电系统。因三相回路平衡，回路中无功电流相同，所以在补偿时，调节无功功率参数的信号取自三相中的任意一相，根据检测结果，三相同时投切可保证三相电压的质量。三相电容自动补偿适用于有大量的三相用电设备的厂矿企业中。在民用建筑中大量使用的是单相负荷，照明、空调等由于负荷变化的随机性大，容易造成三相负载的严重不平衡，尤其是住宅楼在运行中三相不平衡更为严重。由于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。如果过补偿，则过补偿相的电压升高，造成控制、保护元件等用电设备因过电压而损坏；如果欠补偿，则补偿相的回路电流增大，线路及断路器等设备由于电流的增加而导致发热被烧坏。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，难以对系统的无功补偿进行有效补偿，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了严重的危害。对于三相不平衡及单相配电系统采用分相电容自动补偿是解决上述问题的一种较好的办法，其原理是通过调节无功功率参数的信号取自三相中的每一相，根据每相感性负载的大小和功率因数的高低进行相应的补偿，对其它相不产生相互影响，故不会产生欠补偿和过补偿的情况。
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本次设计主要是运用单片机技术实现电力系统的功率因数进行补偿，以实现电力系统最优控制。其中包括数据的采集，电容组的投切控制、电力系统功率因数的显示，并采用了过零固态继电器以实现对电力系统的柔性投切。应用51系列单片机实现对开关组电容模块的控制，达到调整功率因数的目的。通过研究单片机在自动控制中的用途，熟悉它的引脚功能，会用单片机来满足实际中的具体需要。利用单片机控制系统，实时采集电力系统的电力相关参数，计算功率因数，并结合所学专业，依据电力系统要求进行功率因数补偿。其中主要涉及美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机AT89S52。简单的硬件结构设计使得整个系统的工作可靠性的抗干扰能力均大为提高。
根据设计要求，用单片机实现对电容组的投切，用以调整功率因数，使电力系统的功率因数大于0.90，这就是本次论文要实现的预期目标。
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2 无功补偿的原理
2.1无功补偿的原理
电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工作的。磁场所具有的磁场能是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。无功功率在电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电网的电压质量，增加电网的线损率。
将电容器和电感并联在统一电路中，电感吸收能量时，电容器时释放能量；而电感放出能量时，电容器吸收能量。因此能量就只在他们之间交换，即感性负荷所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。因此把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。无功补偿的作用和原理如图2.1所示。
QC S S` Q Q’ φ’ φ P 图2.1 无功功率补偿示意图
设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为Qc ，使电源输出的无功功率减少为Q’=Q﹣QC ，功率因数由cosф提高到cosф’，视在功率S减少到S’，如图2.1所示。
视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。例如一台1000千伏安的变压器，当负荷的功率因数为0.7时，可供700千瓦的有功负荷；当负荷的功率因数提高到0.9时，可供900千瓦的有功功率。
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同一台变压器，因负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦负荷，是相当可观的。
由电力网功率损耗的计算公式
??2+ ??????? 2
?S=?P+j?Q=(R+jX)
U2可见，因采用无功补偿措施后，电源输送的无功功率减少，将使电力网和变压器中的功率损耗下降，从而提高了供电效率。 由电压损耗计算公式
PR+(Q?Qc）X
U
?U=
可知，采用无功补偿措施后，因电力网无功功率的减少，降低了电力网中的电压损耗，提高了用户处的电压质量。
在实际电力系统中，包括异步电动机在内的绝大部分电气设备的等效电路可看作电阻R与电感L串联的电路，设
cosφ=
式中：XL=ωL。
R R2+X2L
cosφ被定义为电力网的功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率P占线路视在功率S的百分数。在电力网运行中，期望功率因数越大越好，如果能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，可以减少无功功率的消耗。
将R、L电路并联电容C后，电路如图2.2（a）所示，该电路电流方程为I=IC+IRL。由图2.2（b）的相量图可知，并联电容器后电压U和电流I的相位差变小了，即供电回路的功率因数提高了，此时供电电流I的相位滞后于电压U，这种情况称为欠补偿。
IC
S I ICUICI CU L I IURL IRL 图2.2 并联电容器补偿无功功率的电路和相量图
（a）电路 （b）相量图（欠补偿） （c）相量图（过补偿）
若电容C的容量过大，使得供电电流I的相位超前于电压U，这种情况称为过
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