基于單片機控制的低壓無(wú)功補償裝置的設計

摘要：通過(guò)對低壓端無(wú)功補償問(wèn)題的分析，結合傳統補償方式的優(yōu)點(diǎn)，并針對我校部分教學(xué)樓供電系統功率因數較低的問(wèn)題，提出了采用單片機控制的無(wú)功補償改造方案，實(shí)施補償后該系統運行情況良好。

0 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(wú)功功率。在交流電能輸送和使用過(guò)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(chǎng)與磁場(chǎng)交流的部分能量叫無(wú)功功率。在電網(wǎng)運行中，因大量非線(xiàn)性負載的運行，除了要消耗有功功率外，還要消耗一定的無(wú)功功率。負荷電流在通過(guò)線(xiàn)路、變壓器時(shí)，將會(huì )產(chǎn)生電能損耗，功率因數越低電網(wǎng)所需無(wú)功越多，損耗就越大。隨著(zhù)工農業(yè)生產(chǎn)及家用電器的迅猛發(fā)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(dòng)力設備普遍存在著(zhù)無(wú)功消耗大、電能浪費大的問(wèn)題，嚴重制約了各企業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟效益的提高。要實(shí)現經(jīng)濟的快速增長(cháng)，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(wú)功功率損耗。

1 我校用電方面存在的實(shí)際問(wèn)題

分析無(wú)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(xiàn)路中升、降變壓器的電抗引起的無(wú)功功率，約占無(wú)功總消耗的65%;二是用戶(hù)所使用的大量交流感性負荷和配電線(xiàn)路、配電變壓器引起的電抗損耗，約占無(wú)功損耗的35%。為了緩解供電矛盾，供電部門(mén)采用獎罰制度來(lái)限制無(wú)功功率的消耗。

我校某教學(xué)樓由于實(shí)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(jīng)過(guò)現場(chǎng)實(shí)際測試和數據統計，該教學(xué)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(jìn)行無(wú)功補償的方案。

2 無(wú)功補償方式的選擇

無(wú)功補償是利用電容器產(chǎn)生的超前無(wú)功電流和電感性負載產(chǎn)生的滯后無(wú)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(wú)功的效果。這樣發(fā)、供、用電設備所傳遞的全部是有用功。

無(wú)功補償主要分高壓集中補償、低壓分組補償和無(wú)功就地補償三種方式。

集中補償方式純?yōu)楣╇姴块T(mén)服務(wù)，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(wú)功能量，但這種補償方式無(wú)法降低各用電單位內部的無(wú)功損耗，用電單位自身沒(méi)有明顯的節電效益。

分組補償是用電單位根據各個(gè)負荷中心而進(jìn)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(xiàn)路上。分組補償能使用電單位內部的無(wú)功電力被限制在一個(gè)小范圍內，降低高壓線(xiàn)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(wǎng)進(jìn)行有效的補償。

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

隨著(zhù)人們對配電網(wǎng)建設的重視和無(wú)功補償技術(shù)的發(fā)展，低壓側無(wú)功補償技術(shù)在配電系統中開(kāi)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(jìn)行全面細致地分析，由于我們所進(jìn)行無(wú)功補償的場(chǎng)所當實(shí)驗室開(kāi)啟時(shí)所帶設備容量較大、負荷變化大，針對實(shí)際中存在的主要問(wèn)題，我們在變壓器低壓側的輸電線(xiàn)路中，進(jìn)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(shí)的涌流過(guò)大等問(wèn)題，并能有效的增大配電線(xiàn)網(wǎng)的供電能力，節電效果好。其優(yōu)點(diǎn)是在低負荷時(shí)，可以相應停運數組，以防過(guò)補，投資較為經(jīng)濟。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(guò)補或欠補現象。為此，我們通過(guò)多種方案進(jìn)行比較、篩選，提出了低壓自動(dòng)補償和就地補償相結合的補償方式，選用手動(dòng)投切及單片機控制的自動(dòng)投切相結合，以保證系統的最佳運行。

3 無(wú)功補償方案的實(shí)施

設置無(wú)功補償電容器是補償無(wú)功功率比較傳統的方法，它具有結構簡(jiǎn)單，經(jīng)濟靈活，調節方便等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應用，目前仍是無(wú)功補償運用最多的手段之一。

在實(shí)際應用中，由于電路特性是隨時(shí)變化的，為了達到較好的補償效果，就必須動(dòng)態(tài)跟蹤電路特性的變化，實(shí)時(shí)監測電路中U與I的相位差角，根據角的大小決定并聯(lián)電容器的值。

我們此項研制的無(wú)功補償柜是在配電變壓器380 V側進(jìn)行就地補償，微機控制低壓并聯(lián)電容器柜，根據用戶(hù)功率因數的波動(dòng)，投入相應數量的電容器進(jìn)行跟蹤補償，使功率因數達到設定值，實(shí)現無(wú)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(xiàn)路電壓的波動(dòng)主要由無(wú)功功率變化引起，但線(xiàn)路的電壓水平是由系統情況決定的，當線(xiàn)路電壓基準偏高或偏低時(shí)，無(wú)功的投切量可能與實(shí)際需求相差甚遠，由此可加入自動(dòng)投切部分。并利用單片機來(lái)作為其控制部件，實(shí)現動(dòng)態(tài)功率因數補償，由單片機根據電網(wǎng)電壓與電流的相位差來(lái)控制電力電容器組是否投切、投切組數，通過(guò)改變投切組數來(lái)改變無(wú)功電流大小而達到改變無(wú)功的目的。對三相電的總功率因數進(jìn)行檢測并選擇適當參數進(jìn)行無(wú)功功率補償柜的設計與安裝，進(jìn)行無(wú)功實(shí)時(shí)補償，其設計方案系統結構如圖1所示：

整個(gè)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(pán)與顯示單元以及繼電器驅動(dòng)單元組成。在電壓電流采樣單元中裝有多路開(kāi)關(guān)，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(lái)的電壓電流信號。