基于單片機控制的低壓無功補償裝置的設計

摘要：通過對低壓端無功補償問題的分析，結合傳統(tǒng)補償方式的優(yōu)點，并針對我校部分教學樓供電系統(tǒng)功率因數(shù)較低的問題，提出了采用單片機控制的無功補償改造方案，實施補償后該系統(tǒng)運行情況良好。
關鍵詞：無功補償；功率因數(shù)；配電網(wǎng)；單片機

O 引言
    在電力生產(chǎn)中，發(fā)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(nèi)電場與磁場交流的部分能量叫無功功率。在電網(wǎng)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(chǎn)生電能損耗，功率因數(shù)越低電網(wǎng)所需無功越多，損耗就越大。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及家用電器的迅猛發(fā)展，我國電力系統(tǒng)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(yè)發(fā)展和經(jīng)濟效益的提高。要實現(xiàn)經(jīng)濟的快速增長，節(jié)電節(jié)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(wǎng)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％。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(shù)低，使電氣設備得不到充分利用。經(jīng)過現(xiàn)場實際測試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該教學樓功率因數(shù)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(tǒng)進行無功補償?shù)姆桨浮?/p>

2 無功補償方式的選擇
    無功補償是利用電容器產(chǎn)生的超前無功電流和電感性負載產(chǎn)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(chǎn)生無功的效果。這樣發(fā)、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?yōu)楣╇姴块T服務，它是高壓區(qū)域變電站內(nèi)，集中安裝一批高壓電容器，補償本區(qū)域內(nèi)無功能量，但這種補償方式無法降低各用電單位內(nèi)部的無功損耗，用電單位自身沒有明顯的節(jié)電效益。
    分組補償是用電單位根據(jù)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(nèi)部的無功電力被限制在一個小范圍內(nèi)，降低高壓線損和變損，提高用電單位內(nèi)部的供電能力。但分組補償不能對大量的低壓輸配電網(wǎng)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。將無功電流限制在需要的范圍內(nèi)，消除了無功電流在高、低電網(wǎng)上的流動，是一種較完善的低壓補償方式。
    隨著人們對配電網(wǎng)建設的重視和無功補償技術的發(fā)展，低壓側無功補償技術在配電系統(tǒng)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(wǎng)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?shù)膱鏊攲嶒炇议_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(wǎng)的供電能力，節(jié)電效果好。其優(yōu)點是在低負荷時，可以相應停運數(shù)組，以防過補，投資較為經(jīng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)的方法，它具有結構簡單，經(jīng)濟靈活，調(diào)節(jié)方便等優(yōu)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(tài)跟蹤電路特性的變化，實時監(jiān)測電路中U與I的相位差角，根據(jù)角的大小決定并聯(lián)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(lián)電容器柜，根據(jù)用戶功率因數(shù)的波動，投入相應數(shù)量的電容器進行跟蹤補償，使功率因數(shù)達到設定值，實現(xiàn)無功功率的就地平衡，對配電網(wǎng)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(tǒng)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(xiàn)動態(tài)功率因數(shù)補償，由單片機根據(jù)電網(wǎng)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(shù)，通過改變投切組數(shù)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(shù)進行檢測并選擇適當參數(shù)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(tǒng)結構如圖1所示：

    整個控制系統(tǒng)由電壓電流采樣單元、功率因數(shù)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(jīng)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(shù)、負載容量以及補償后所想要達到的功率因數(shù)值來適當?shù)倪x擇電容及分組投切方式。經(jīng)過現(xiàn)場實際測試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計后，選用八組數(shù)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?shù)氖謩蛹白詣油肚?，容值分別由16 kvar到12 kvar不等，以保證功率因數(shù)得以最大提高。
    基本的功率因數(shù)補償電路如圖2所示：

    電路中的K1～K8在自動動態(tài)補償裝置中可根據(jù)測量數(shù)據(jù)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。
    傳感器部分將現(xiàn)場的電流，電壓，溫度，功率等參數(shù)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(jù)分析計算結果，發(fā)出相對應的控制信息，控制系統(tǒng)正常工作。

4 結論
    該系統(tǒng)安裝完成后，使該教學樓的功率因數(shù)由原來的60％左右提至98％，節(jié)約了電能。最終的運行良好，控制精度高，經(jīng)實際測量，該系統(tǒng)應用后可實現(xiàn)節(jié)電12％左右。