基于單片機控制的低壓無功補償裝置的設計

行娟娟

(西安外事學院，陜西西安710077)

0 引言

在電力生產中，發電機輸出的功率有兩種，即有功功率和無功功率。在交流電能輸送和使用過程中，用于轉換成機械能、熱能、光能等的部分能量叫有功功率，用于電路內電場與磁場交流的部分能量叫無功功率［4］。在電網運行中，因大量非線性負載的運行，除了要消耗有功功率外，還要消耗一定的無功功率。負荷電流在通過線路、變壓器時，將會產生電能損耗，功率因數越低電網所需無功越多，損耗就越大。隨著工農業生產及家用電器的迅猛發展，我國電力系統的供電狀況日益緊張，供需矛盾日益突出。動力設備普遍存在著無功消耗大、電能浪費大的問題，嚴重制約了各企業發展和經濟效益的提高。要實現經濟的快速增長，節電節能將是一項必不可少的重要舉措。因此，應采取積極的措施減少無功功率損耗。

1 我校用電方面存在的實際問題

分析無功功率的電能損耗形式:主要有兩部分構成:一是電力網輸配電線路中升、降變壓器的電抗引起的無功功率，約占無功總消耗的65%;二是用戶所使用的大量交流感性負荷和配電線路、配電變壓器引起的電抗損耗，約占無功損耗的35%［3］。為了緩解供電矛盾，供電部門采用獎罰制度來限制無功功率的消耗。

我校某教學樓由于實驗設備較多，感性負載大，功率因數低，使電氣設備得不到充分利用。經過現場實際測試和數據統計，該教學樓功率因數只有0.6～0.65，電能利用率低，造成能源浪費。為此，我們提出了對該系統進行無功補償的方案。

2 無功補償方式的選擇

無功補償是利用電容器產生的超前無功電流和電感性負載產生的滯后無功電流相互補償，如果選配合理，它能達到方向相反、幅值相等、互為補償、對外不產生無功的效果。這樣發、供、用電設備所傳遞的全部是有用功。

無功補償主要分高壓集中補償、低壓分組補償和無功就地補償三種方式。

集中補償方式純為供電部門服務，它是高壓區域變電站內，集中安裝一批高壓電容器，補償本區域內無功能量，但這種補償方式無法降低各用電單位內部的無功損耗，用電單位自身沒有明顯的節電效益。

分組補償是用電單位根據各個負荷中心而進行的局部補償，將電容器組安裝在終端變電所的高壓或低壓線路上。分組補償能使用電單位內部的無功電力被限制在一個小范圍內，降低高壓線損和變損，提高用電單位內部的供電能力。但分組補償不能對大量的低壓輸配電網進行有效的補償。

無功就地補償克服了上述兩種補償方式的缺點，它是將電容器安裝在感性負載附近，就地進行無功補償［2］。將無功電流限制在需要的范圍內，消除了無功電流在高、低電網上的流動，是一種較完善的低壓補償方式［2，4］。

隨著人們對配電網建設的重視和無功補償技術的發展，低壓側無功補償技術在配電系統中開始普及。為了能夠以較少的投入取得較好的補償效果，我們對電網的供電形式進行全面細致地分析，由于我們所進行無功補償的場所當實驗室開啟時所帶設備容量較大、負荷變化大，針對實際中存在的主要問題，我們在變壓器低壓側的輸電線路中，進行電容器固定容量的補償，這樣既可以克服集中固定補償中容量較大時的涌流過大等問題，并能有效的增大配電線網的供電能力，節電效果好。其優點是在低負荷時，可以相應停運數組，以防過補，投資較為經濟。若只進行手工投切，則需要人工頻繁投、切。在投、切不及時或投、切容量不合適時，也易造成過補或欠補現象。為此，我們通過多種方案進行比較、篩選，提出了低壓自動補償和就地補償相結合的補償方式，選用手動投切及單片機控制的自動投切相結合，以保證系統的最佳運行。

3 無功補償方案的實施

設置無功補償電容器是補償無功功率比較傳統的方法，它具有結構簡單，經濟靈活，調節方便等優點，得到了廣泛應用，目前仍是無功補償運用最多的手段之一。

在實際應用中，由于電路特性是隨時變化的，為了達到較好的補償效果，就必須動態跟蹤電路特性的變化，實時監測電路中U與I的相位差角，根據角的大小決定并聯電容器的值。

我們此項研制的無功補償柜是在配電變壓器380 V側進行就地補償，微機控制低壓并聯電容器柜，根據用戶功率因數的波動，投入相應數量的電容器進行跟蹤補償，使功率因數達到設定值，實現無功功率的就地平衡，對配電網和配電變壓器的降損有一定作用，也有助于保證負載的電壓水平。由于線路電壓的波動主要由無功功率變化引起，但線路的電壓水平是由系統情況決定的，當線路電壓基準偏高或偏低時，無功的投切量可能與實際需求相差甚遠，由此可加入自動投切部分。并利用單片機來作為其控制部件，實現動態功率因數補償，由單片機根據電網電壓與電流的相位差來控制電力電容器組是否投切、投切組數，通過改變投切組數來改變無功電流大小而達到改變無功的目的。對三相電的總功率因數進行檢測并選擇適當參數進行無功功率補償柜的設計與安裝，進行無功實時補償，其設計方案系統結構如圖1所示:

圖1 無功補償控制系統結構框圖

整個控制系統由電壓電流采樣單元、功率因數及電壓電流檢測單元、單片機、鍵盤與顯示單元以及繼電器驅動單元組成。在電壓電流采樣單元中裝有多路開關，可在單片機的控制作用下分別接通A、B、C三相經互感器傳來的電壓電流信號。

對于無功補償部分，我們通過測量補償前的功率因數、負載容量以及補償后所想要達到的功率因數值來適當的選擇電容及分組投切方式。經過現場實際測試和數據統計后，選用八組數值不同的電容器及其相應繼電器部分來共同構成無功補償的手動及自動投切，容值分別由16 kvar到12 kvar不等，以保證功率因數得以最大提高。

基本的功率因數補償電路如圖2所示:

圖2 功率因數補償電路

電路中的K1～K8在自動動態補償裝置中可根據測量數據采用手工或自動進行分組投切，具體的方法是通過對電壓U和電流的相位檢測來判斷是否并入補償電容器，并入幾個，這些都是通過控制裝置自動完成的［6］。

傳感器部分將現場的電流，電壓，溫度，功率等參數變成采集傳輸控制器所能識別的信號(一般為0～5 VDC輸入)，以便采集傳輸控制器對其進行分析，計算，根據分析計算結果，發出相對應的控制信息，控制系統正常工作。

4 結論

該系統安裝完成后，使該教學樓的功率因數由原來的60%左右提至98%，節約了電能。最終的運行良好，控制精度高，經實際測量，該系統應用后可實現節電12%左右。

［1］趙宏偉，張曉清，王步云，等.低壓終端線路無功補償技術［J］.自動系統及其自動化學報，2002，14(2):46－48.

［2］裘永衛.低壓無功補償配置方案［J］.電氣時代，2004(3):38－39.

［3］茹世祥，趙海天.就地無功補償技術及其應用［J］.自動控制，2002，4:32 －33.

［4］趙耀東.就地補償方式的選擇和應用［J］.山西能源與節能，2002(3):28－29.

［5］趙慶華，吳琦.無功補償電容器容量計算及放電器的配置［J］.安徽電力職工大學學報，2003，8(3):48－50.

［6］姜敏夫，程立敏.低壓動態無功功率補償方案設計與實現［J］.吉林化工學院學報，2004，21(2):43 －45.