基于單片機的無功功率測量及補償裝置設計

兗礦集團山東百業設備租賃有限公司 王 可

基于單片機的無功功率測量及補償裝置設計

兗礦集團山東百業設備租賃有限公司 王 可

由于電網中大量使用感性負載，使得大量的無功功率在電網中流動，造成了電能的浪費和電壓的不穩定，甚至損壞設備，無功功率是影響電力系統穩定的一個關鍵因素。它關系到整個系統能否安全穩定運行。因此，在討論無功功率補償基本理論的基礎上，研究基于單片機的無功功率補償裝置，對維持電壓水平和提高電力系統運行的穩性，降低網損，使電力系統能夠安全經濟運行具有十分重要的意義。

無功功率；補償；單片機

1.引言

由于電網中大量使用感性負載，使得大量的無功功率在電網中流動，造成了電能的浪費和電壓的不穩定，甚至損壞設備，無功功率是影響電力系統穩定的一個關鍵因素。它關系到整個系統能否安全穩定運行。因此，在討論無功功率補償基本理論的基礎上，研究基于單片機的無功功率補償裝置，對維持電壓水平和提高電力系統運行的穩性，降低網損，使電力系統能夠安全經濟運行具有十分重要的意義。

2.無功功率補償的原理和意義

2.1 無功補償的基本原理和概念

在整個電力系統中，由于輸送部門三相電傳送質量不高以及用戶的普通電氣設備的性能存在缺陷，所以導致在電網中存在無功不平衡。為保證電網的高質量運行，供電電壓和頻率必須在一定的區間為維持一個正常的水平，否則電力系統的運行就會受到影響。而頻率的控制以及電壓控制都與電力系統的無功功率控制緊密聯系，所以，研究無功功率的補償就顯得尤為重要。

無功補償的基本原理是：在電力系統中，把具有容性功率負荷的設備與感性功率負荷并聯接在同一電路中，使得能量能夠在兩種負荷之間交換，在這種情況下，感性負荷所需的無功功率就可由容性負荷輸出的無功功率補償，這就是無功功率補償的基本原理，設計無功功率補償裝置的出發點和基本思路需要遵照此原理。

2.2 無功功率補償的意義和作用

無功功率補償關系到電力系統和電氣設備的安全運行，一直以來，無功補償都是電氣自動化及電力系統領域的一個重要研究課題。研究無功功率補償的意義在于：提供穩定的網間電壓，保證供電的質量和穩定性；較少電能的線路損耗，提高輸電網絡的有功傳輸水平；在較高的程度上平衡三相電的有功和無功功率；提高發電機的有功功率輸出水平；改善電氣系統的整體性能和穩定；有效減少電氣元件的發熱，使設備保持較高的可用性，提高設備的使用壽命；提高供用電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減小功率損耗；增強電氣系統的安全性，提高安全運行系數，避免整個系統發生電壓崩潰和穩定破壞事故。

2.3 無功功率補償裝置的分類

無功功率補償裝置的研究已經持續了數十年，在數十年的研究過程中，有不同種類、不同針對性的無功功率補償裝置誕生，形成了多種分類標準和體系。比較常見的分類標準有裝置是否具備運動部件、開始使用的時間、電壓的等級、裝置本身是否帶電源等。

3.基于單片機的無功功率補償裝置設計

3.1 系統總體設計及參數要求

圖1 系統結構框圖

本次設計研發的無功功率補償裝置具有無觸點、低發熱量、小沖擊、過零投切、安全性可靠性高、無需維護的特點，能夠實現自動補償、實時補償、自動無觸點投切、無人值守等功能。系統采用80C196KC單片機為控制核心，設計一款大功率晶閘管電路來實現無功功率自動補償。系統的核心參數包括補償后功率因數≥0.95，同時系統能夠在交流電20毫秒的周期內對三相電壓、電流進行至少100次的采樣。該系統可解決傳統的補償器可靠性差、故障多、維護工作困難且工作量大、使用時間短等缺點。

3.2 控制方式的選擇

控制方式主要由功率因數控制、無功功率控制、多變量綜合控制、基于瞬時無功功率理論的控制四種，最合理的補償方式應該能夠在最大程度上利用補償設備提高電網功率因數、避免發生過補償、無投切振蕩和無沖擊投切現象。綜合考慮多方面的因素和系統設計要求，考慮采取功率因數控制方法，通過測量電網電壓和電流的過零時間差，通過計算求解功率因素。同時過零時間差還可以用來判斷是過補償還是欠補償。

3.3 補償方式的選擇

補償方式有三相共補、單相補償、共補、分補相結合三種方案可供選擇，通過對系統的設計需求的分析，本次設計擬采用三相共補的方案，因為該方法簡單且容易控制。同時可以有效的減少硬件資源的投入成本，避免過、欠補現象發生，節省補償電容容量，使整個系統都具有很好的經濟性。

3.4 投切方式的選擇

投切方式主要有晶閘管和二極管反并聯、晶閘管反并聯、雙向晶閘管三種。在三種投切方式中，晶閘管反并聯在可靠度方面更具有優勢，但雙向晶閘管方式結合了另外兩種方式的優點，可以保證系統能夠獲得不錯的可靠度和安全穩定性，同時，設備投入少，控制的難度適中，所以應選擇采用雙向晶閘管作為投切方式。

4.硬件電路及整體軟件設計

4.1 硬件電路設計基本要求

根據系統功能要求及核心技術參數要求以及控制方式、補償方式、投切方式的選擇方案，需要對系統電路的器件選擇、數量以及電路的設計等做總體規劃，以實現通過最少最節省的部件和最優的電路設計達到最經濟資源實現最好電路功能的目的。本次電路設計主要包含以下幾個方面的內容，輸入接口電路，單片機80C196KC最小工作電路，基于MOC3061芯片的輸出驅動電路，輸出電容器組電路。主要需要解決以下幾個方面的問題：首先需要綜合考慮硬件設備和軟件編程之間的耦合度和關聯性問題，實現“能軟不硬,軟硬適中”；其次，單元電路的設計要力求簡單合理，技術先進適用，避免復雜電路導致系統控制條件復雜，參數繁瑣等問題；第三，盡量采用當前流行的新工藝、新技術、新方法，優先考慮采用標準成熟模塊，同時，使用標準接口，增強系統的通用和穩定性；最后，整體電路的設計要遵循“自頂向下”，“自底向上”的總體原則，核心展開，系統集成法兼顧。

4.2 軟件系統設計

軟件是整個單片機控制自動補償裝置的核心和靈魂。軟件系統設計的好壞直接決定了系統的穩定性以及可控性。因此，必須對軟件系統的功能做深入探討和分析，對軟件系統的設計方法和控制策略做詳細說明。首先，軟件系統控制能力好壞的最重要標準就是實時性，在動態無功補償裝置控制系統中，要求用最短的時間，完成軟件處理的過程。其次，可靠性，包括兩方面的內容，一是運行中避免發生故障的能力二是，發生故障后的解脫和排除的能力。第三是軟件系統的程序設計的可讀性。要求控制系統程序用模塊化設計方法，采用C語言和匯編語言混合編制，同時保留好軟件設計日志以保證后期的維護查找。

5.結論

無功功率補償問題對整個電網的安全、穩定運行的意義不言而喻。傳統的無功功率補償裝置安全可靠性差，自動化程度低，無法實現自動投切。本文研究的基于Intel公司80C196KC單片機為控制核心的無功功率自動補償裝置，對提供整個電網運行的安全穩定性，提高無功功率補償的穩定性和自動化程度都具有十分重要的意義。

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