一種無功功率補(bǔ)償器

李南，宋真玉，馬亞乾，朱永利

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安710064）

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國際化能源緊張局勢的加劇，加強(qiáng)電能質(zhì)量和節(jié)能降耗的影響十分重要，這其中采取無功補(bǔ)償方式提高功率因數(shù)等都是行之有效的措施。在電力供電系統(tǒng)中，功率因數(shù)的提高是一項重要的技術(shù)工作，直接關(guān)系到輸電線路的電能損耗及供電的經(jīng)濟(jì)性，供電質(zhì)量。功率因數(shù)的補(bǔ)償措施一直為人們所重視。研制高性能的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置具有實際的社會、經(jīng)濟(jì)效益。而且在電力系統(tǒng)中，無功功率要保持平衡，否則將會使系統(tǒng)電壓下降，嚴(yán)重時會導(dǎo)致設(shè)備損壞，系統(tǒng)瓦解。此外，網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)和電壓降低，使電氣設(shè)備得不到充分利用，促使網(wǎng)絡(luò)傳輸能力下降，損耗增加。因此，解決好網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償問題，對網(wǎng)絡(luò)降損節(jié)能有著極為重要的意義。

1 無功功率補(bǔ)償器的原理及作用

1.1 無功功率補(bǔ)償器的原理

無功功率補(bǔ)償原理，即把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路，能量在2種負(fù)荷之間相互交換。這樣感性負(fù)荷所需要的無功功率可由容性負(fù)荷輸出的無功功率補(bǔ)償［1－2］。

基于AT89C52單片機(jī)的無功功率補(bǔ)償器，采用并聯(lián)電容器補(bǔ)償，主要應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)對低壓電力系統(tǒng)的監(jiān)控，完成功率因數(shù)的測量，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行電力電容組的投切，以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的功率因數(shù)的補(bǔ)償［3］。

在交流輸電線路中，由于負(fù)載特性的影響，電路中相電壓和相電流之間存在相位差，其角度大小取決于負(fù)載所呈現(xiàn)的感性或容性的程度。若以θ表示相位差，則

式中：R為負(fù)載電阻；XL為負(fù)載感抗；XC為負(fù)載容抗。式（1）直接反應(yīng)出了感性負(fù)荷和容性負(fù)荷的關(guān)系，即感性負(fù)荷所需的無功功率可以由容性負(fù)荷產(chǎn)生的無功功率來補(bǔ)償［2，4］。

又有式（2）：

式中：U和I分別為電力線路中母線上的相電壓和相電流的有效值，θ表示相電壓U和相電流I的相位差。若令S=UI，稱S為視在功率（其中包括有功功率P和無功功率Q）。P、Q、S的關(guān)系如圖1所示。

在功率三角關(guān)系圖中，θ角為功率因數(shù)角，其余弦(cosθ）是有功功率與視在功率之比，此余弦值被稱作功率因數(shù)。由功率三角形可以看出，在一定的有功功率下，用電企業(yè)功率因數(shù)越小，則所需的無功功率越大。如果無功功率不是由電容器提供，則必須由輸電系統(tǒng)供給，為滿足用電的要求，供電線路和變壓器的容量需增大。這樣不僅增加供電投資、降低設(shè)備利用率，也將增加線路損耗。

1.2 無功功率補(bǔ)償器的作用

采用并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)闹饕饔茫?－4］是提高功率因數(shù)，降低輸電線路及變壓器的損耗，改善電壓質(zhì)量，提高設(shè)備出力。

2 無功功率補(bǔ)償器的硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2是該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，單片機(jī)AT89C52是本系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、輸入、輸出控制等功能。把計算出的功率因數(shù)與規(guī)定的因數(shù)比較看看是否符合要求，當(dāng)功率因數(shù)低于要求時，通過控制補(bǔ)償電路實現(xiàn)對檢測電路的補(bǔ)償。功率補(bǔ)償器的外圍電路還包括電壓、電流相位差檢測電路，此部分電路主要用來檢測電路現(xiàn)在的功率因數(shù)，功率因數(shù)顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示，投切電容電路中用過零固態(tài)繼電器來作為控制開關(guān)來實現(xiàn)柔性投切［5－6］。

2.2 相位差檢測單元電路的設(shè)計

當(dāng)電流和電壓的波形一致時，即電流和電壓的相位差為零時，此時的功率因數(shù)最高，無功功率為零。當(dāng)電流和電壓的波形不一致時，存在2種情況：一種是電流的波形在電壓的波形之前到達(dá)，這種情況電流超前與電壓；另一種是電流的波形在電壓的波形之后達(dá)到，這種情況稱為電流滯后于電壓。電流與電壓的相位差的余弦稱為功率因數(shù)。

相位差檢測電路就是要檢測到電流與電壓的相位差，并且要檢測電流是超前于電壓還是滯后與電壓。只要檢測到這2個數(shù)據(jù)即可控制電力電容的投入或者切除。根據(jù)檢測的相位差余弦表來求當(dāng)前的功率因數(shù)，再根據(jù)當(dāng)前的功率因數(shù)與設(shè)定的功率因數(shù)比較。如果當(dāng)前的功率因數(shù)大于設(shè)定的功率因數(shù)，并且為滯后或者功率因數(shù)等于1.00，則不進(jìn)行投入；如果為超前，則切除電力電容。如果當(dāng)前的功率因數(shù)小于設(shè)定的功率因數(shù)，則無功功率補(bǔ)償器應(yīng)該投入電容來提高功率因數(shù)，減少無功功率［7］。

如圖3所示相位差檢測單元電路的設(shè)計主要包括以下幾部分：

1）采集要進(jìn)行補(bǔ)償線路的信號 （及該線路的電壓和電流）并進(jìn)行相應(yīng)的處理。由于直接采集到的線路電壓和電流都比較大，不能直接進(jìn)行分析和控制。可以將采集到的線路電壓U和電流I分別經(jīng)過電壓/電流互感器處理后再進(jìn)行分析。為了便于比較，I經(jīng)過電流互感器處理后，再經(jīng)過I/U變換后變成Ui信號。

2）將得到的U和Ui信號分別傳送到電壓比較器，得到2組方波信號μ1、μ2。電壓比較器是對輸入信號進(jìn)行鑒幅與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元。電壓比較器將輸入的交流信號變成方波信號 μ1、μ2，而 μ1、μ2方波信號過零點時的相位寬度就是電路中電壓和電流的相位差。但為了更加方便的檢測相位差，必須采用第3）步的與門電路。

3）將得到的2組方波信號輸入給與門電路，經(jīng)過與門電路相與后可以得到一個方波信號，此方波信號的寬度就是電壓和電流的相位差。見圖4。

4）相位差的計算。從圖4中前4條波形可以得出電壓和電流高低電平之間的變換周期T，而從最后得到的方波波形可以得到此方波的高電平的帶寬 B，從而可以算出相位差，如式（4）所示［8］：

2.3 投切電容電路的設(shè)計

電容器的投切控制元件采用大功率的過零型固態(tài)繼電器SSR，由于該元件本身封裝有過零觸發(fā)模塊且自行工作不需CPU控制，滿足了補(bǔ)償電容無沖擊電流投切的要求，同時也有效地克服了執(zhí)行元件采用晶閘管控制模塊所帶來的控制復(fù)雜及易受干擾而產(chǎn)生誤動作的弊端，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.3.1 柔性投切電路

要實現(xiàn)柔性控制，可以使用過零型固態(tài)繼電器作為控制開關(guān)［8－9］。

圖5是由固態(tài)繼電器構(gòu)成的投切電容電路，通過過零型固態(tài)繼電器的控制可以達(dá)到設(shè)計要求的柔性投切。本次設(shè)計中，A、B、C相分別設(shè)計了8組電容投切電路，分別實現(xiàn)對A、B、C相的無功功率補(bǔ)償，如圖5所示（圖5中只畫出了A相的一組電容投切電路，B相和C相以及其余7組的工作原理與此組相同）。

2.3.2 無功補(bǔ)償容量的計算

電容器安裝容量可根據(jù)使用目的的不同，按改善功率因數(shù)、提高運行電壓和降低線路損失等因素來確定。而按改善功率因數(shù)確定補(bǔ)償容量的方法簡便、明確，為國內(nèi)外所通用。本文以按改善功率因數(shù)為目的選擇電容器容量，利用式（5）算出所需無功補(bǔ)償容量的大小。

式中：P為有功功率，kW；U為線電壓；ω為公共頻率，即50Hz；tanθ1為補(bǔ)償前功率因數(shù)角的正切值；tanθ2為理想功率因數(shù)角的正切值。

由于根據(jù)國家規(guī)定，功率因數(shù)一般應(yīng)大于0.9，如果功率因數(shù)小于0.9就要進(jìn)行補(bǔ)償，所以理想功率因數(shù)的范圍是［0.9，1］。本文所選擇的理想功率因數(shù)為這個范圍的下限，即選擇cosθ2為0.9，也就是功率因數(shù)小于0.9才補(bǔ)償，大于則不進(jìn)行補(bǔ)償。

3 無功功率補(bǔ)償器的軟件設(shè)計

該控制軟件用匯編語言編程，包含主程序、顯示和投切電容子程序。當(dāng)AT89C52檢測到的功率因數(shù)較小，一次投切電容數(shù)較多時，還可以采用延時程序，把電容器分多次投切，以避免對電網(wǎng)造成大的沖擊。

程序主程序設(shè)計流程圖如圖6所示。在主程序中首先將芯片進(jìn)行初始化操作，然后設(shè)置A相控制參數(shù)。在設(shè)置好參數(shù)后分別調(diào)出顯示和投切子程序。A相投切完畢后，再對B、C相分別進(jìn)行相同的操作，以完成對三相的無功功率補(bǔ)償。

如圖6所示 ，先確定某相為控制對象，然后從線路上采集所需要的數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析后確定其功率因數(shù)。接下來判斷該相的功率因數(shù)是否大于0.9，如果大于0.9不進(jìn)行補(bǔ)償，如果小于0.9再進(jìn)行補(bǔ)償。

4 系統(tǒng)防抗干擾設(shè)計

硬件電路設(shè)計完后，還要考慮到抑制干擾的問題。影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運行的主要因素主要來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、元器件選擇、安裝、制造工藝的影響。這些都構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素，常會導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)運行失常，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會導(dǎo)致事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為了實現(xiàn)抗干擾，本設(shè)計采用光電耦合器來實現(xiàn)對外界的隔離。

5 結(jié)論

在電力系統(tǒng)中，功率因數(shù)的提高是一項重要的技術(shù)工作，直接關(guān)系到輸電線路的電能損耗供電的經(jīng)濟(jì)性，供電質(zhì)量。功率因數(shù)的補(bǔ)償措施一直為人們所重視。研制高性能的功率因數(shù)裝置具有實際的社會經(jīng)濟(jì)效益。本文運用AT89C52單片機(jī)，對電力系統(tǒng)中無功功率進(jìn)行監(jiān)測和控制，單片機(jī)AT89C52能夠準(zhǔn)確的控制對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、輸入、輸出；該控制器具有對電網(wǎng)沖擊小、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、可分相投切等優(yōu)點，能夠使功率因數(shù)達(dá)到調(diào)整和優(yōu)化，適用于目前企業(yè)用戶進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，在使用中能夠提高電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和降低電能損耗。

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