基于單片機(jī)控制的低壓無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)

摘要：通過對低壓端無功補(bǔ)償問題的分析，結(jié)合傳統(tǒng)補(bǔ)償方式的優(yōu)點(diǎn)，并針對我校部分教學(xué)樓供電系統(tǒng)功率因數(shù)較低的問題，提出了采用單片機(jī)控制的無功補(bǔ)償改造方案，實(shí)施補(bǔ)償后該系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。
關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；功率因數(shù)；配電網(wǎng)；單片機(jī)

O 引言
    在電力生產(chǎn)中，發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)換成機(jī)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(yùn)行中，因大量非線性負(fù)載的運(yùn)行，除了要消耗有功功率外，還要消耗一定的無功功率。負(fù)荷電流在通過線路、變壓器時(shí)，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(shè)備普遍存在著無功消耗大、電能浪費(fèi)大的問題，嚴(yán)重制約了各企業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的提高。要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的快速增長，節(jié)電節(jié)能將是一項(xiàng)必不可少的重要舉措。因此，應(yīng)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(shí)際問題
    分析無功功率的電能損耗形式：主要有兩部分構(gòu)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(fù)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(xué)樓由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備較多，感性負(fù)載大，功率因數(shù)低，使電氣設(shè)備得不到充分利用。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際測試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該教學(xué)樓功率因數(shù)只有0．6～0．65，電能利用率低，造成能源浪費(fèi)。為此，我們提出了對該系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)姆桨浮?/p>

2 無功補(bǔ)償方式的選擇
    無功補(bǔ)償是利用電容器產(chǎn)生的超前無功電流和電感性負(fù)載產(chǎn)生的滯后無功電流相互補(bǔ)償，如果選配合理，它能達(dá)到方向相反、幅值相等、互為補(bǔ)償、對外不產(chǎn)生無功的效果。這樣發(fā)、供、用電設(shè)備所傳遞的全部是有用功。
    無功補(bǔ)償主要分高壓集中補(bǔ)償、低壓分組補(bǔ)償和無功就地補(bǔ)償三種方式。
    集中補(bǔ)償方式純?yōu)楣╇姴块T服務(wù)，它是高壓區(qū)域變電站內(nèi)，集中安裝一批高壓電容器，補(bǔ)償本區(qū)域內(nèi)無功能量，但這種補(bǔ)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(bǔ)償是用電單位根據(jù)各個(gè)負(fù)荷中心而進(jìn)行的局部補(bǔ)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(bǔ)償能使用電單位內(nèi)部的無功電力被限制在一個(gè)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(bǔ)償不能對大量的低壓輸配電網(wǎng)進(jìn)行有效的補(bǔ)償。
    無功就地補(bǔ)償克服了上述兩種補(bǔ)償方式的缺點(diǎn)，它是將電容器安裝在感性負(fù)載附近，就地進(jìn)行無功補(bǔ)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(bǔ)償方式。
    隨著人們對配電網(wǎng)建設(shè)的重視和無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，低壓側(cè)無功補(bǔ)償技術(shù)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(bǔ)償效果，我們對電網(wǎng)的供電形式進(jìn)行全面細(xì)致地分析，由于我們所進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)膱鏊?dāng)實(shí)驗(yàn)室開啟時(shí)所帶設(shè)備容量較大、負(fù)荷變化大，針對實(shí)際中存在的主要問題，我們在變壓器低壓側(cè)的輸電線路中，進(jìn)行電容器固定容量的補(bǔ)償，這樣既可以克服集中固定補(bǔ)償中容量較大時(shí)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(diǎn)是在低負(fù)荷時(shí)，可以相應(yīng)停運(yùn)數(shù)組，以防過補(bǔ)，投資較為經(jīng)濟(jì)。若只進(jìn)行手工投切，則需要人工頻繁投、切。在投、切不及時(shí)或投、切容量不合適時(shí)，也易造成過補(bǔ)或欠補(bǔ)現(xiàn)象。為此，我們通過多種方案進(jìn)行比較、篩選，提出了低壓自動補(bǔ)償和就地補(bǔ)償相結(jié)合的補(bǔ)償方式，選用手動投切及單片機(jī)控制的自動投切相結(jié)合，以保證系統(tǒng)的
最佳運(yùn)行。

3 無功補(bǔ)償方案的實(shí)施
    設(shè)置無功補(bǔ)償電容器是補(bǔ)償無功功率比較傳統(tǒng)的方法，它具有結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)靈活，調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用，目前仍是無功補(bǔ)償運(yùn)用最多的手段之一。
    在實(shí)際應(yīng)用中，由于電路特性是隨時(shí)變化的，為了達(dá)到較好的補(bǔ)償效果，就必須動態(tài)跟蹤電路特性的變化，實(shí)時(shí)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(xiàng)研制的無功補(bǔ)償柜是在配電變壓器380 V側(cè)進(jìn)行就地補(bǔ)償，微機(jī)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(yīng)數(shù)量的電容器進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，使功率因數(shù)達(dá)到設(shè)定值，實(shí)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(fù)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(dāng)線路電壓基準(zhǔn)偏高或偏低時(shí)，無功的投切量可能與實(shí)際需求相差甚遠(yuǎn)，由此可加入自動投切部分。并利用單片機(jī)來作為其控制部件，實(shí)現(xiàn)動態(tài)功率因數(shù)補(bǔ)償，由單片機(jī)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(dá)到改變無功的目的。對三相電的總功率因數(shù)進(jìn)行檢測并選擇適當(dāng)參數(shù)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償柜的設(shè)計(jì)與安裝，進(jìn)行無功實(shí)時(shí)補(bǔ)償，其設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

    整個(gè)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(jī)、鍵盤與顯示單元以及繼電器驅(qū)動單元組成。在電壓電流采樣單元中裝有多路開關(guān)，可在單片機(jī)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(bǔ)償部分，我們通過測量補(bǔ)償前的功率因數(shù)、負(fù)載容量以及補(bǔ)償后所想要達(dá)到的功率因數(shù)值來適當(dāng)?shù)倪x擇電容及分組投切方式。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際測試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后，選用八組數(shù)值不同的電容器及其相應(yīng)繼電器部分來共同構(gòu)成無功補(bǔ)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(bǔ)償電路如圖2所示：

    電路中的K1～K8在自動動態(tài)補(bǔ)償裝置中可根據(jù)測量數(shù)據(jù)采用手工或自動進(jìn)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(bǔ)償電容器，并入幾個(gè)，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(jìn)行分析，計(jì)算，根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，發(fā)出相對應(yīng)的控制信息，控制系統(tǒng)正常工作。

4 結(jié)論
    該系統(tǒng)安裝完成后，使該教學(xué)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(yùn)行良好，控制精度高，經(jīng)實(shí)際測量，該系統(tǒng)應(yīng)用后可實(shí)現(xiàn)節(jié)電12％左右。