基于单片机控制的低压无功补偿装置的设计

在电力生产中，发电机输出的功率有两种，即有功功率和无功功率。在交流电能输送和使用过程中，用于转换成机械能、热能、光能等的部分能量叫有功功率，用于电路内电场与磁场交流的部分能量叫无功功率。在电网运行中，因大量非线性负载的运行，除了要消耗有功功率外，还要消耗一定的无功功率。负荷电流在通过线路、变压器时，将会产生电能损耗，功率因数越低电网所需无功越多，损耗就越大。随着工农业生产及家用电器的迅猛发展，我国电力系统的供电状况日益紧张，供需矛盾日益突出。动力设备普遍存在着无功消耗大、电能浪费大的问题，严重制约了各企业发展和经济效益的提高。要实现经济的快速增长，节电节能将是一项必不可少的重要举措。因此，应采取积极的措施减少无功功率损耗。

1 我校用电方面存在的实际问题

分析无功功率的电能损耗形式：主要有两部分构成：一是电力网输配电线路中升、降变压器的电抗引起的无功功率，约占无功总消耗的65％；二是用户所使用的大量交流感性负荷和配电线路、配电变压器引起的电抗损耗，约占无功损耗的35％。为了缓解供电矛盾，供电部门采用奖罚制度来限制无功功率的消耗。

我校某教学楼由于实验设备较多，感性负载大，功率因数低，使电气设备得不到充分利用。经过现场实际测试和数据统计，该教学楼功率因数只有0．6～0．65，电能利用率低，造成能源浪费。为此，我们提出了对该系统进行无功补偿的方案。

2 无功补偿方式的选择

无功补偿是利用电容器产生的超前无功电流和电感性负载产生的滞后无功电流相互补偿，如果选配合理，它能达到方向相反、幅值相等、互为补偿、对外不产生无功的效果。这样发、供、用电设备所传递的全部是有用功。

无功补偿主要分高压集中补偿、低压分组补偿和无功就地补偿三种方式。

集中补偿方式纯为供电部门服务，它是高压区域变电站内，集中安装一批高压电容器，补偿本区域内无功能量，但这种补偿方式无法降低各用电单位内部的无功损耗，用电单位自身没有明显的节电效益。

分组补偿是用电单位根据各个负荷中心而进行的局部补偿，将电容器组安装在终端变电所的高压或低压线路上。分组补偿能使用电单位内部的无功电力被限制在一个小范围内，降低高压线损和变损，提高用电单位内部的供电能力。但分组补偿不能对大量的低压输配电网进行有效的补偿。

无功就地补偿克服了上述两种补偿方式的缺点，它是将电容器安装在感性负载附近，就地进行无功补偿。将无功电流限制在需要的范围内，消除了无功电流在高、低电网上的流动，是一种较完善的低压补偿方式。

随着人们对配电网建设的重视和无功补偿技术的发展，低压侧无功补偿技术在配电系统中开始普及。为了能够以较少的投入取得较好的补偿效果，我们对电网的供电形式进行全面细致地分析，由于我们所进行无功补偿的场所当实验室开启时所带设备容量较大、负荷变化大，针对实际中存在的主要问题，我们在变压器低压侧的输电线路中，进行电容器固定容量的补偿，这样既可以克服集中固定补偿中容量较大时的涌流过大等问题，并能有效的增大配电线网的供电能力，节电效果好。其优点是在低负荷时，可以相应停运数组，以防过补，投资较为经济。若只进行手工投切，则需要人工频繁投、切。在投、切不及时或投、切容量不合适时，也易造成过补或欠补现象。为此，我们通过多种方案进行比较、筛选，提出了低压自动补偿和就地补偿相结合的补偿方式，选用手动投切及单片机控制的自动投切相结合，以保证系统的
最佳运行。

3 无功补偿方案的实施

设置无功补偿电容器是补偿无功功率比较传统的方法，它具有结构简单，经济灵活，调节方便等优点，得到了广泛应用，目前仍是无功补偿运用最多的手段之一。

在实际应用中，由于电路特性是随时变化的，为了达到较好的补偿效果，就必须动态跟踪电路特性的变化，实时监测电路中U与I的相位差角，根据角的大小决定并联电容器的值。

我们此项研制的无功补偿柜是在配电变压器380 V侧进行就地补偿，微机控制低压并联电容器柜，根据用户功率因数的波动，投入相应数量的电容器进行跟踪补偿，使功率因数达到设定值，实现无功功率的就地平衡，对配电网和配电变压器的降损有一定作用，也有助于保证负载的电压水平。由于线路电压的波动主要由无功功率变化引起，但线路的电压水平是由系统情况决定的，当线路电压基准偏高或偏低时，无功的投切量可能与实际需求相差甚远，由此可加入自动投切部分。并利用单片机来作为其控制部件，实现动态功率因数补偿，由单片机根据电网电压与电流的相位差来控制电力电容器组是否投切、投切组数，通过改变投切组数来改变无功电流大小而达到改变无功的目的。对三相电的总功率因数进行检测并选择适当参数进行无功功率补偿柜的设计与安装，进行无功实时补偿，其设计方案系统结构如图1所示：



整个控制系统由电压电流采样单元、功率因数及电压电流检测单元、单片机、键盘与显示单元以及继电器驱动单元组成。在电压电流采样单元中装有多路开关，可在单片机的控制作用下分别接通A、B、c三相经互感器传来的电压电流信号。

对于无功补偿部分，我们通过测量补偿前的功率因数、负载容量以及补偿后所想要达到的功率因数值来适当的选择电容及分组投切方式。经过现场实际测试和数据统计后，选用八组数值不同的电容器及其相应继电器部分来共同构成无功补偿的手动及自动投切，容值分别由16 kvar到12 kvar不等，以保证功率因数得以最大提高。

基本的功率因数补偿电路如图2所示：



电路中的K1～K8在自动动态补偿装置中可根据测量数据采用手工或自动进行分组投切，具体的方法是通过对电压U和电流的相位检测来判断是否并入补偿电容器，并入几个，这些都是通过控制装置自动完成的。

传感器部分将现场的电流，电压，温度，功率等参数变成采集传输控制器所能识别的信号(一般为0～5 VDC输入)，以便采集传输控制器对其进行分析，计算，根据分析计算结果，发出相对应的控制信息，控制系统正常工作。