基于单片机的无功功率测量及补偿装置设计

兖矿集团山东百业设备租赁有限公司 王 可

基于单片机的无功功率测量及补偿装置设计

兖矿集团山东百业设备租赁有限公司 王 可

由于电网中大量使用感性负载，使得大量的无功功率在电网中流动，造成了电能的浪费和电压的不稳定，甚至损坏设备，无功功率是影响电力系统稳定的一个关键因素。它关系到整个系统能否安全稳定运行。因此，在讨论无功功率补偿基本理论的基础上，研究基于单片机的无功功率补偿装置，对维持电压水平和提高电力系统运行的稳性，降低网损，使电力系统能够安全经济运行具有十分重要的意义。

无功功率；补偿；单片机

1.引言

由于电网中大量使用感性负载，使得大量的无功功率在电网中流动，造成了电能的浪费和电压的不稳定，甚至损坏设备，无功功率是影响电力系统稳定的一个关键因素。它关系到整个系统能否安全稳定运行。因此，在讨论无功功率补偿基本理论的基础上，研究基于单片机的无功功率补偿装置，对维持电压水平和提高电力系统运行的稳性，降低网损，使电力系统能够安全经济运行具有十分重要的意义。

2.无功功率补偿的原理和意义

2.1 无功补偿的基本原理和概念

在整个电力系统中，由于输送部门三相电传送质量不高以及用户的普通电气设备的性能存在缺陷，所以导致在电网中存在无功不平衡。为保证电网的高质量运行，供电电压和频率必须在一定的区间为维持一个正常的水平，否则电力系统的运行就会受到影响。而频率的控制以及电压控制都与电力系统的无功功率控制紧密联系，所以，研究无功功率的补偿就显得尤为重要。

无功补偿的基本原理是：在电力系统中，把具有容性功率负荷的设备与感性功率负荷并联接在同一电路中，使得能量能够在两种负荷之间交换，在这种情况下，感性负荷所需的无功功率就可由容性负荷输出的无功功率补偿，这就是无功功率补偿的基本原理，设计无功功率补偿装置的出发点和基本思路需要遵照此原理。

2.2 无功功率补偿的意义和作用

无功功率补偿关系到电力系统和电气设备的安全运行，一直以来，无功补偿都是电气自动化及电力系统领域的一个重要研究课题。研究无功功率补偿的意义在于：提供稳定的网间电压，保证供电的质量和稳定性；较少电能的线路损耗，提高输电网络的有功传输水平；在较高的程度上平衡三相电的有功和无功功率；提高发电机的有功功率输出水平；改善电气系统的整体性能和稳定；有效减少电气元件的发热，使设备保持较高的可用性，提高设备的使用寿命；提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减小功率损耗；增强电气系统的安全性，提高安全运行系数，避免整个系统发生电压崩溃和稳定破坏事故。

2.3 无功功率补偿装置的分类

无功功率补偿装置的研究已经持续了数十年，在数十年的研究过程中，有不同种类、不同针对性的无功功率补偿装置诞生，形成了多种分类标准和体系。比较常见的分类标准有装置是否具备运动部件、开始使用的时间、电压的等级、装置本身是否带电源等。

3.基于单片机的无功功率补偿装置设计

3.1 系统总体设计及参数要求

图1 系统结构框图

本次设计研发的无功功率补偿装置具有无触点、低发热量、小冲击、过零投切、安全性可靠性高、无需维护的特点，能够实现自动补偿、实时补偿、自动无触点投切、无人值守等功能。系统采用80C196KC单片机为控制核心，设计一款大功率晶闸管电路来实现无功功率自动补偿。系统的核心参数包括补偿后功率因数≥0.95，同时系统能够在交流电20毫秒的周期内对三相电压、电流进行至少100次的采样。该系统可解决传统的补偿器可靠性差、故障多、维护工作困难且工作量大、使用时间短等缺点。

3.2 控制方式的选择

控制方式主要由功率因数控制、无功功率控制、多变量综合控制、基于瞬时无功功率理论的控制四种，最合理的补偿方式应该能够在最大程度上利用补偿设备提高电网功率因数、避免发生过补偿、无投切振荡和无冲击投切现象。综合考虑多方面的因素和系统设计要求，考虑采取功率因数控制方法，通过测量电网电压和电流的过零时间差，通过计算求解功率因素。同时过零时间差还可以用来判断是过补偿还是欠补偿。

3.3 补偿方式的选择

补偿方式有三相共补、单相补偿、共补、分补相结合三种方案可供选择，通过对系统的设计需求的分析，本次设计拟采用三相共补的方案，因为该方法简单且容易控制。同时可以有效的减少硬件资源的投入成本，避免过、欠补现象发生，节省补偿电容容量，使整个系统都具有很好的经济性。

3.4 投切方式的选择

投切方式主要有晶闸管和二极管反并联、晶闸管反并联、双向晶闸管三种。在三种投切方式中，晶闸管反并联在可靠度方面更具有优势，但双向晶闸管方式结合了另外两种方式的优点，可以保证系统能够获得不错的可靠度和安全稳定性，同时，设备投入少，控制的难度适中，所以应选择采用双向晶闸管作为投切方式。

4.硬件电路及整体软件设计

4.1 硬件电路设计基本要求

根据系统功能要求及核心技术参数要求以及控制方式、补偿方式、投切方式的选择方案，需要对系统电路的器件选择、数量以及电路的设计等做总体规划，以实现通过最少最节省的部件和最优的电路设计达到最经济资源实现最好电路功能的目的。本次电路设计主要包含以下几个方面的内容，输入接口电路，单片机80C196KC最小工作电路，基于MOC3061芯片的输出驱动电路，输出电容器组电路。主要需要解决以下几个方面的问题：首先需要综合考虑硬件设备和软件编程之间的耦合度和关联性问题，实现“能软不硬,软硬适中”；其次，单元电路的设计要力求简单合理，技术先进适用，避免复杂电路导致系统控制条件复杂，参数繁琐等问题；第三，尽量采用当前流行的新工艺、新技术、新方法，优先考虑采用标准成熟模块，同时，使用标准接口，增强系统的通用和稳定性；最后，整体电路的设计要遵循“自顶向下”，“自底向上”的总体原则，核心展开，系统集成法兼顾。

4.2 软件系统设计

软件是整个单片机控制自动补偿装置的核心和灵魂。软件系统设计的好坏直接决定了系统的稳定性以及可控性。因此，必须对软件系统的功能做深入探讨和分析，对软件系统的设计方法和控制策略做详细说明。首先，软件系统控制能力好坏的最重要标准就是实时性，在动态无功补偿装置控制系统中，要求用最短的时间，完成软件处理的过程。其次，可靠性，包括两方面的内容，一是运行中避免发生故障的能力二是，发生故障后的解脱和排除的能力。第三是软件系统的程序设计的可读性。要求控制系统程序用模块化设计方法，采用C语言和汇编语言混合编制，同时保留好软件设计日志以保证后期的维护查找。

5.结论

无功功率补偿问题对整个电网的安全、稳定运行的意义不言而喻。传统的无功功率补偿装置安全可靠性差，自动化程度低，无法实现自动投切。本文研究的基于Intel公司80C196KC单片机为控制核心的无功功率自动补偿装置，对提供整个电网运行的安全稳定性，提高无功功率补偿的稳定性和自动化程度都具有十分重要的意义。

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