基于單片機的智能動態無功補償裝置研究

張貴生 周孟然 朱艷娜

（1.安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學經濟與管理學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

目前，工礦企業對電網質量的要求越來越高，電動機、變壓器等感性負載的使用量也在日益增加，大量感性負載向電網吸收有功功率的同時，還吸收大量的無功功率，這不僅降低了電網功率因數和電子設備利用率，同時也增加了電能損耗[1]。因此，本文通過在電網中安裝并聯電容器來補償感性負載所需的無功功率，其目的就是為了減少電損，降低電壓波動和諧波，穩定電網，提高供電可靠性。

1 動態無功補償的原理

在供電電網中，電源需向感性負載提供適量的無功功率，這就在很大程度上降低了供電設備的運行效率，造成供電線路電能大量損失。為了提高電網利用率，節約電能，本文通過在電網中安裝并聯電容器的方法來補償感性負載所需的無功功率，該裝置可以為感性負載提供無功功率，提高電網的功率因數，減少電能損耗，這就是無功補償。在供電電網中，發電機輸出的電功率可分為三種：有功功率、無功功率和視在功率[2]。

①有功功率又稱為平均功率，在電網供電電路中電阻實際消耗的電功率稱為有功功率，其計算公式為：

即功率在一個周期內的平均值。

②無功功率：在含有電感或電容的電網中，電源首先給電感或電容充電，并將電能轉換成磁場或電場的能量儲存起來，待充電結束后，電感或電容又將儲存的能量釋放給電源，在整個循環周期內，電能并沒有損耗，只是在不同時刻以不同形式的能量儲存在電源、電感或電容之中，我們把這種沒有損耗的能量交換的振幅值稱為無功功率[2-3]。

在電網電路中，當電壓波形和電流波形都為標準正弦波，且負載為具有純電阻特性的線性負載時，電壓和電流的瞬時值表達式為

式中U——電壓有效值；I——電流有效值；Φ——電流滯后相角若按有無做功來分，則可以將電流i分解成以下兩個部分

其中，電流ip是與電壓u同相的有功電流，iq是與電壓u相差90°相位角的無功電流。

由式（2）和式（3）可得瞬時功率p的表達式

上式中，p1=UI cosΦ（1-cos2ω1t）是非正弦周期功率，是不可逆分量；p2=-UI sinΦsin2ω1t是正弦波形功率，周期內正負時間各占一半，因此有

即正弦波功率在一個周期內的積分為零，且是可逆分量。

③視在功率：視在功率等于供電電網網絡端口處電壓有效值和電流有效值的乘積，即

式中，P是有功功率，cosΦ是功率因數。

2 基于單片機的智能動態無功補償裝置的方案實施

智能動態無功補償裝置是維護電力系統穩定、保護電能質量和電網安全運行必不可少的保護系統。實現的基本原理是：將容性負載與感性負載并聯，電能在這兩種負載之間相互轉換，利用這種方法就可以實現對感性負載所需無功功率的補償[4]。

本裝置的設計電路由主控制器、A/D轉換、檢測電路（電流和電壓檢測器）、功率因數測量系統、過零觸發模塊、同步開關器件、人機接口電路和放電保護系統等模塊組成。系統總體結構框圖如圖1所示。

（1）主控制器：本裝置以AT89C51單片機芯片為主控制器，用于控制整個電路，并實時跟蹤測量負載電壓、電流、無功功率和功率因數，然后將檢測到的數據進行系統分析、邏輯判斷和實時控制，最后選定最佳補償效果的補償方式并通過指令控制過零觸發模塊，用以判斷同步開關的導通時刻，從而可以實現快速、準確的無功補償。

（2）檢測電路：主要包含電流檢測器和電壓檢測器，其中的多路開關可用于檢測電路中負載的電流和電壓，然后把采集到的電信號經A/D轉換器轉換為數字信號，輸送給單片機主控制器，在完成數據分析和邏輯判斷之后，單片機發出系統控制指令用于控制過零觸發模塊實現同步開關投切，從而實現無功功率的動態補償[5]。

（3）功率因數測量系統：在功率因數測量系統中，電壓、電流信號經過信號整形、同步周期測量、相位測量等計算后，把所得數據送入單片機中進行邏輯分析、判斷，并得出被測電路的功率因數。這種設計既簡化了功率因數測量電路的結構，又增強了檢測的準確性和快速性。

同步開關器件用以控制電容器，可以使電容器的開關接點在需要的時刻準確的斷開或閉合，并且可以實現電容器的無涌流投入[6]，在電流為零的時刻斷開，從而實現開關接點的無電弧分斷。同步開關器件相比復合開關器件取消了晶閘管組件，這不僅簡化了器件結構，降低了生產成本，而且還避免了晶閘管組件所容易出現的故障，使開關可靠性和準確性得到了很大的提高。

3 結語

基于單片機的智能動態無功補償裝置在供電電網中的運用，是針對電網中無功功率消耗大、電能損耗大、電網利用率低等問題而設計的。在實際電網中的測試結果表明，功率因數大幅提升，電網利用率顯著提高，可以很好地適應電網中復雜的電路。AT89C51單片機控制芯片的高控制性能，保證了整個裝置的穩定運行。采用的檢測模塊、功率因數測量系統和過零觸發模塊，在測試過程中表現良好，測量數據準確，控制性能良好。本設計適合在供電電網中運用和推廣。

［1］裘永衛．低壓無功補償配置方案[J]．電氣時代，2004(3)：38-39．

［2］DL／T5219-2005送電線路基礎設計技術規定[S].國家經濟貿易委員會，2005.

［3］劉雄軍.關于一種新型動態無功補償裝置應用的研究與探討[J].科園月刊，2008(6).

［4］董國興.李向東.王福忠.低壓無功補償電容器的投切條件分析[J].焦作大學學報，2006,20(1).

［5］姚志坤.低壓無功補償新技術的應用[J].黑龍江科技信息，2009(20).

［6］項遙翔.低壓電動機無功補償方式分析[J].黑龍江科技信息，2010(29).