朱照紅

(江蘇省靖江中等專業(yè)學(xué)校技術(shù)創(chuàng)新辦公室，江蘇 靖江 214500)

1 無功補償概念

隨著經(jīng)濟、科技的快速發(fā)展，企業(yè)大量采用異步電動機和變壓器，大型可控硅裝置的應(yīng)用和大功率沖擊性負荷的存在，使得電力系統(tǒng)功率因數(shù)變低，電壓波動增大。安裝并聯(lián)電容器進行無功補償?shù)闹饕饔檬翘岣吖β室驍?shù)以減少設(shè)備容量和功率損耗以及穩(wěn)定電壓和提高供電質(zhì)量，在長距離輸電中提高輸電穩(wěn)定性和輸電能力以及平衡三相負載的有功和無功功率。

根據(jù)補償安排方式不同，無功補償可分為:集中補償、分散補償和就地補償3種［1］。集中補償裝設(shè)在企業(yè)或地方總變電所6～35 kV母線上，補償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機、靜止補償器等，目的是改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)、提高終端變電所的電壓及補償主變的無功損耗。分散補償裝設(shè)在功率因數(shù)較低的車間或村鎮(zhèn)電所的高壓或低壓母線上。這種方式與集中補償有相同的優(yōu)點，但無功容量較小。分散補償通常采用10 kV戶外并聯(lián)電容器安裝在架空線路的桿塔上或另行架桿進行無功補償，以提高配電網(wǎng)功率因數(shù)，達到降損升壓目的。因其具有投資小，回收快，補償效率高，便于管理和維護等優(yōu)點，適用于功率因數(shù)較低且負荷較重的長配電線路。就地補償適宜裝設(shè)在異步電動機或電感性用電設(shè)備附近，既能提高用電設(shè)備供電回路功率因數(shù)，并且能提高用電設(shè)備的電壓質(zhì)量。《供電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB50052－2009)指出:在環(huán)境正常的建筑物內(nèi)，低壓電容器宜分散設(shè)置。故對企業(yè)和廠礦中的電動機，應(yīng)進行就地?zé)o功補償，即隨機補償。針對小區(qū)用戶終端，由于用戶負荷小，波動大，地點分散，無人管理，因此需開發(fā)一種新型低壓終端無功補償裝置［2］。

根據(jù)補償控制方式的不同又可分為:電子式自動控制補償、單片機控制補償及PLC控制補償?shù)榷喾N。電力設(shè)計時，選擇合適的無功補償自動控制方案(要求:智能型控制，免維護;體積小，易安裝;功能完善，造價較低)對于提高供電安全性、降低生產(chǎn)及用電成本意義斐然。

2 典型無功補償自控方案

2.1 電子式自動補償控制方案

傳統(tǒng)的電子式自動補償控制方案由分立元件組裝如圖1所示，分立元件組裝的自動控制系統(tǒng)包括相位和電流檢測單元、無功運算及比較單元、投切控制單元及電容器組等。投切開關(guān)多采用交流接觸器。其缺點是產(chǎn)品元件多、設(shè)備體積龐大、線路復(fù)雜維修困難、可靠性差，響應(yīng)速度較慢，在投切過程中會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊涌流，使用壽命短。個別使用單位由于設(shè)備無法修復(fù)，僅單靠人工手動進行控制。

圖1 電子式自動補償控制方案

2.2 單片機控制技術(shù)的無功補償方案

一種典型的基于ATmega16單片機控制技術(shù)的無功自控方案如圖2所示，系統(tǒng)主要由信號調(diào)理模塊、AVR處理模塊、控制補償模塊、液晶顯示模塊和鍵盤等模塊組成。其中，芯片ATmega16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度間的矛盾。此外，ATmega16 AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器將直接與運算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大幅提高代碼效率，且具有比普通CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。該控制方案就是充分利用了ATmega16芯片高速的運算能力和先進的體系結(jié)構(gòu)來完成無功功率的快速檢測、動態(tài)補償和配變檢測的功能［3］。

AVR處理信號的過程是:首先對A/D轉(zhuǎn)換器輸出的信號進行采樣，并將采樣取得的信號進行FFT算法運算處理(計算功率因數(shù)、電壓、電流、有功功率等)。隨后判斷電壓是否過壓或欠壓，電流是否低于零，并根據(jù)結(jié)果決定是否要逐步切除電容器。計算無功功率需要補償?shù)臄?shù)值，且做出投切決策和輸出投切指令［4］。

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，將各功能模塊設(shè)計為信號采集模塊、電網(wǎng)參數(shù)計算模塊、電容器控制投切模塊、鍵盤與顯示模塊等四個獨立的編程調(diào)試程序塊，既便是程序的移植和修改仍方便系統(tǒng)調(diào)試和連接。

圖2 基于ATmega16單片機控制技術(shù)的無功自控方案

例如，目前常用的WBB礦用隔爆型無功自動補償裝置就是由單片機為核心的控制器通過實時檢測電力系統(tǒng)無功功率和電壓、電流，分組投切電容器，實現(xiàn)無功功率的補償。裝置可實時顯示功率因數(shù)、系統(tǒng)電壓、負載電流、無功功率、溫度、諧波百分比及電容器投切狀態(tài)。并可實時在線設(shè)置變比、投入門限、切除門限、過電壓、欠電壓、諧波百分比上限、無功功率上下限等參數(shù)。

另一種基于ADμc812的單片機的智能無功補償控制系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價低、工作穩(wěn)定、適用性強。主要芯片有:ADμc812、8255、ADM202，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，既滿足了補償電容無沖擊電流投切的要求，同時仍有效地克服了執(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。該系統(tǒng)的工作原理是:控制器在上電初始化后即打開INT0中斷，過零檢測模塊在相電壓正向過零時刻產(chǎn)生中斷觸發(fā)脈沖的下降沿，系統(tǒng)進入中斷。系統(tǒng)在中斷程序運行過程中測得電網(wǎng)無功電流及基波電壓的有效值，從而計算出電網(wǎng)無功功率的盈缺量。系統(tǒng)以此盈缺量并輔之以電網(wǎng)電壓作為投切判據(jù)，控制固態(tài)繼電器動作，投入或切除補償電容器，從而達到補償無功功率的目的［5］。

2.3 基于PLC控制的無功補償自控方案

PLC是以微機技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置。圖4所示的電氣結(jié)構(gòu)圖是在傳統(tǒng)繼電器接觸器自控系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造的基于PLC控制技術(shù)的無功補償自控方案。原系統(tǒng)的主回路、相角檢測電路、輸出電路、穩(wěn)壓電源繼續(xù)采用，而加、減法電平轉(zhuǎn)換與延時電路、時鐘脈沖發(fā)生器、可逆計數(shù)器、清零電路、譯碼器等硬件電路的控制功能用PLC實現(xiàn)。由于相角檢測電路的輸出信號較弱，不足以驅(qū)動PLC的輸入，所以該信號要經(jīng)放大處理后，作為PLC的輸入信號。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，利用PLC的軟件實現(xiàn)自動控制。原輸出電路中的三極管開關(guān)電路，用PLC的輸出繼電器實現(xiàn)。由于受到PLC輸出點容量的限制，加入中間繼電器作為輸出電路。

圖3 基于ADμc812的單片機的智能無功補償控制系統(tǒng)

圖4 基于PLC控制技術(shù)的無功補償自控方案

控制程序流程如圖5所示。采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計，層次分明，結(jié)構(gòu)清楚。檢測模塊隨時采集用電系統(tǒng)的相角信息，隨后與給定參數(shù)進行比較，如不滿足要求，及時投入或切除補償電容器，保證用電系統(tǒng)的功率因數(shù)滿足設(shè)定要求。

圖5 PLC控制程序流程圖

圖6所示是西門子S7－200PLC在無功補償系統(tǒng)中的應(yīng)用方案。系統(tǒng)利用PLC內(nèi)部的時鐘日歷可實現(xiàn)自動實時投切，當檢測電路或模擬單元發(fā)生故障時，可按照實時時間自動投切。當檢測、設(shè)定、過壓保護線路故障時，可通過軟件編程來避免系統(tǒng)誤動作，防止故障擴大。當系統(tǒng)故障或PLC故障時，軟件仍能保證系統(tǒng)停止輸出，避免誤動作。

圖6 西門子S7－200PLC在無功補償系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

3 無功補償自控方案比較

通過上述分析可看出，傳統(tǒng)電子式自動補償控制方案，響應(yīng)速度慢、線路復(fù)雜，可靠性差?；趩纹瑱C控制技術(shù)的無功補償自控方案抗干擾能力較差，在中、高壓無功補償領(lǐng)域的可靠性不易保證。此外，電壓等級越高的變電站其輻射范圍、故障的波及面越大。而基于PLC控制技術(shù)的無功自動補償方案具有組態(tài)方便、便于擴展、可靠性高、抗干擾能力強、線路簡單以及安裝維修方便等優(yōu)點，是電力系統(tǒng)設(shè)計及成套無功補償裝置首選方案。

4 結(jié)束語

選擇最優(yōu)化的無功補償方案對提高功率因數(shù)、降低線損率、減少設(shè)計容量、減少建設(shè)投資意義重大，其直接影響著供、用電企業(yè)的經(jīng)濟效益。文中用比較法，抓住電力無功補償設(shè)計的先進性、可靠性、安全性、經(jīng)濟性等關(guān)鍵技術(shù)指標，系統(tǒng)地研究了電力無功補償?shù)湫图夹g(shù)方案實施過程，以期為電力設(shè)計及工程技術(shù)人員提供技術(shù)支持和幫助。

［1］文哲蓉.微機控制動態(tài)無功補償技術(shù)的研究［J］.蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2000(3):52－55.

［2］王瑞艷.基于PLC的變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)［J］.電力自動化設(shè)備，2003(4):34－36.

［3］吳啟濤.新型低諧波靜止無功補償器及其應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003(5):58－59.

［4］張丹紅，宋長江.混合型APF與HPF并聯(lián)運行的方案探討［J］.電子科技，2007，20(9):12 －16.

［5］楊曉萍，王筱東，秦玲，等.復(fù)合開關(guān)投切電容器無功補償裝置的研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005(11):107－109.

［6］張建軍，杜韓軍，盧蕊.基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測［J］.電子設(shè)計工程，2009(3):18－20.