兗礦集團山東百業(yè)設(shè)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(shè)計

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由于電網(wǎng)中大量使用感性負載，使得大量的無功功率在電網(wǎng)中流動，造成了電能的浪費和電壓的不穩(wěn)定，甚至損壞設(shè)備，無功功率是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定的一個關(guān)鍵因素。它關(guān)系到整個系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運行。因此，在討論無功功率補償基本理論的基礎(chǔ)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(tǒng)運行的穩(wěn)性，降低網(wǎng)損，使電力系統(tǒng)能夠安全經(jīng)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(wǎng)中大量使用感性負載，使得大量的無功功率在電網(wǎng)中流動，造成了電能的浪費和電壓的不穩(wěn)定，甚至損壞設(shè)備，無功功率是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定的一個關(guān)鍵因素。它關(guān)系到整個系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運行。因此，在討論無功功率補償基本理論的基礎(chǔ)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(tǒng)運行的穩(wěn)性，降低網(wǎng)損，使電力系統(tǒng)能夠安全經(jīng)濟運行具有十分重要的意義。

2.無功功率補償?shù)脑砗鸵饬x

2.1 無功補償?shù)幕驹砗透拍?/h3>

在整個電力系統(tǒng)中，由于輸送部門三相電傳送質(zhì)量不高以及用戶的普通電氣設(shè)備的性能存在缺陷，所以導致在電網(wǎng)中存在無功不平衡。為保證電網(wǎng)的高質(zhì)量運行，供電電壓和頻率必須在一定的區(qū)間為維持一個正常的水平，否則電力系統(tǒng)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(tǒng)的無功功率控制緊密聯(lián)系，所以，研究無功功率的補償就顯得尤為重要。

無功補償?shù)幕驹硎牵涸陔娏ο到y(tǒng)中，把具有容性功率負荷的設(shè)備與感性功率負荷并聯(lián)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?shù)幕驹?，設(shè)計無功功率補償裝置的出發(fā)點和基本思路需要遵照此原理。

2.2 無功功率補償?shù)囊饬x和作用

無功功率補償關(guān)系到電力系統(tǒng)和電氣設(shè)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(tǒng)領(lǐng)域的一個重要研究課題。研究無功功率補償?shù)囊饬x在于：提供穩(wěn)定的網(wǎng)間電壓，保證供電的質(zhì)量和穩(wěn)定性；較少電能的線路損耗，提高輸電網(wǎng)絡(luò)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(fā)電機的有功功率輸出水平；改善電氣系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定；有效減少電氣元件的發(fā)熱，使設(shè)備保持較高的可用性，提高設(shè)備的使用壽命；提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減小功率損耗；增強電氣系統(tǒng)的安全性，提高安全運行系數(shù)，避免整個系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰和穩(wěn)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(jīng)持續(xù)了數(shù)十年，在數(shù)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(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計及參數(shù)要求

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本次設(shè)計研發(fā)的無功功率補償裝置具有無觸點、低發(fā)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?qū)崿F(xiàn)自動補償、實時補償、自動無觸點投切、無人值守等功能。系統(tǒng)采用80C196KC單片機為控制核心，設(shè)計一款大功率晶閘管電路來實現(xiàn)無功功率自動補償。系統(tǒng)的核心參數(shù)包括補償后功率因數(shù)≥0.95，同時系統(tǒng)能夠在交流電20毫秒的周期內(nèi)對三相電壓、電流進行至少100次的采樣。該系統(tǒng)可解決傳統(tǒng)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(shù)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(shè)備提高電網(wǎng)功率因數(shù)、避免發(fā)生過補償、無投切振蕩和無沖擊投切現(xiàn)象。綜合考慮多方面的因素和系統(tǒng)設(shè)計要求，考慮采取功率因數(shù)控制方法，通過測量電網(wǎng)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(jié)合三種方案可供選擇，通過對系統(tǒng)的設(shè)計需求的分析，本次設(shè)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(xiàn)象發(fā)生，節(jié)省補償電容容量，使整個系統(tǒng)都具有很好的經(jīng)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(lián)、晶閘管反并聯(lián)、雙向晶閘管三種。在三種投切方式中，晶閘管反并聯(lián)在可靠度方面更具有優(yōu)勢，但雙向晶閘管方式結(jié)合了另外兩種方式的優(yōu)點，可以保證系統(tǒng)能夠獲得不錯的可靠度和安全穩(wěn)定性，同時，設(shè)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(shè)計

4.1 硬件電路設(shè)計基本要求

根據(jù)系統(tǒng)功能要求及核心技術(shù)參數(shù)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(tǒng)電路的器件選擇、數(shù)量以及電路的設(shè)計等做總體規(guī)劃，以實現(xiàn)通過最少最節(jié)省的部件和最優(yōu)的電路設(shè)計達到最經(jīng)濟資源實現(xiàn)最好電路功能的目的。本次電路設(shè)計主要包含以下幾個方面的內(nèi)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(qū)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(shè)備和軟件編程之間的耦合度和關(guān)聯(lián)性問題，實現(xiàn)“能軟不硬,軟硬適中”；其次，單元電路的設(shè)計要力求簡單合理，技術(shù)先進適用，避免復雜電路導致系統(tǒng)控制條件復雜，參數(shù)繁瑣等問題；第三，盡量采用當前流行的新工藝、新技術(shù)、新方法，優(yōu)先考慮采用標準成熟模塊，同時，使用標準接口，增強系統(tǒng)的通用和穩(wěn)定性；最后，整體電路的設(shè)計要遵循“自頂向下”，“自底向上”的總體原則，核心展開，系統(tǒng)集成法兼顧。

4.2 軟件系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)設(shè)計的好壞直接決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可控性。因此，必須對軟件系統(tǒng)的功能做深入探討和分析，對軟件系統(tǒng)的設(shè)計方法和控制策略做詳細說明。首先，軟件系統(tǒng)控制能力好壞的最重要標準就是實時性，在動態(tài)無功補償裝置控制系統(tǒng)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(nèi)容，一是運行中避免發(fā)生故障的能力二是，發(fā)生故障后的解脫和排除的能力。第三是軟件系統(tǒng)的程序設(shè)計的可讀性。要求控制系統(tǒng)程序用模塊化設(shè)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(shè)計日志以保證后期的維護查找。

5.結(jié)論

無功功率補償問題對整個電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行的意義不言而喻。傳統(tǒng)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(xiàn)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(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性，提高無功功率補償?shù)姆€(wěn)定性和自動化程度都具有十分重要的意義。

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