周靈鋒， 李全峰， 賈港華， 裴 毅， 劉翰宇， 韓 陽

(上海電機學院 電氣學院， 上海 201306)

無功功率是電力系統(tǒng)中研究的一個重要物理量，無功功率并非無用功率，它同有用功率一樣由電源提供給負載，有功功率是維持電氣設(shè)備正常運行所需要的電功率，無功功率是用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率，它對外不做功[1]。故電氣設(shè)備的正常工作同時需要電源提供這兩種功率，但大量的無功功率在電網(wǎng)中進行傳輸又會造成電能的損耗，而且還會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定影響。無功功率的增加，使總電流增大，從而使設(shè)備及線路損耗增加。而平衡無功功率能夠提高功率因數(shù)，增加電力系統(tǒng)輸電能力，減少線路上的損耗，提高電壓的穩(wěn)定性，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運行[2]。因此，對無功功率的補償意義重大。

無功功率補償技術(shù)一直被應(yīng)用于工業(yè)中，隨著現(xiàn)代工業(yè)和電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電能傳輸距離和容量的不斷增大，工業(yè)用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，然而企業(yè)廣泛使用異步電動機和變壓器，特別是大功率沖擊性負荷的使用，使得電力系統(tǒng)功率因數(shù)變低，電壓波動加大，導致大量電能在電網(wǎng)傳輸過程中損耗，帶來經(jīng)濟損失。因此，國家也有相關(guān)規(guī)定，要求工廠中安裝無功功率補償裝置對無功功率進行補償，使得功率因數(shù)不能太低。根據(jù)國家電力部，物價局頒布的《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》(以下簡稱“辦法”)規(guī)定3種功率因數(shù)標準值，相應(yīng)減少電費[3]：① 高壓供電的用電單位，功率因數(shù)為0.9以上。② 低壓供電的用電單位，功率因數(shù)為0.85以上。③ 低壓供電的農(nóng)業(yè)用戶，功率因數(shù)為0.8以上。

為了補償無功功率，通常會采用的補償方式主要包括以下幾種[4]：① 采用并聯(lián)電容器的方式提高變電裝置的功率因數(shù)，根據(jù)電容器在系統(tǒng)中安裝位置的差異，把一組電容器集中安裝在母線上，減少無功損耗；② 將電容器組分別安裝在對應(yīng)的區(qū)域母線上，即在功率因數(shù)較低區(qū)域的母線上分別裝置電容器組，但是相對于第一種補償方式，這種補償方式的補償區(qū)域會減?。虎?將電容器組安裝在負載設(shè)備鄰近處的就近補償方法。但是，這種補償方案由于電容器分散安裝，雖然提高了功率因數(shù)，但是會增加后期維護的工作量。

早期的無功補償裝置叫做同步調(diào)相機又稱作同步補償器，其實質(zhì)就是空載運行的同步電動機。在過勵時向系統(tǒng)提供感性無功功率，欠勵時吸收系統(tǒng)的感性無功功率，但維護較復雜[5-7]。后來使用較為廣泛的是靜止無功補償器一般采用晶閘管作為開關(guān)器件進行電容投切，具有體積小、質(zhì)量輕、控制靈活等特點，能進行有效的無功補償，但容易產(chǎn)生諧波，對電壓波動的調(diào)節(jié)能力不強。此外，還需要加限流電抗器來限制晶閘管閥由誤操作引起的涌浪電流，限流電抗器與電容器通過參數(shù)搭配也可以避免與交流電抗在某些特定頻率上發(fā)生諧振[8-9]。

在此基礎(chǔ)上，又發(fā)展出了靜止無功發(fā)生器，主要由以下幾部分構(gòu)成：主電路、控制系統(tǒng)[10]、保護系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。該補償裝置具有動態(tài)補償性能，響應(yīng)速度快，產(chǎn)生諧波少，設(shè)備體積小，使用范圍廣泛。

然而，目前對于家庭用戶還沒有任何較為有效的無功功率補償措施。因為家庭電路中大多數(shù)都是感性負載，因而需要從電網(wǎng)中輸入大量的無功功率來供電氣設(shè)備正常運行，而無功功率在電網(wǎng)上傳輸?shù)倪^程中，就會在線路上產(chǎn)生大量的損耗。而對家庭電路進行無功功率的自動補償，向感性負載提供所需的無功功率，就能減少在電網(wǎng)中流動的無功功率，降低傳輸過程中的電能損耗[11-12]，提高家庭電路的功率因數(shù)，能使得電源設(shè)備容量在額定范圍內(nèi)實現(xiàn)利用最大化，減輕電源設(shè)備的負擔。此外，還能在一定程度上減少家庭用電開支。

針對目前家庭用戶的功率因數(shù)偏低而未有具體的補償措施這一問題，本文設(shè)計了一種新型的家庭無功功率智能補償裝置。該裝置能夠準確地進行電壓電流采樣，自動投切補償電容實時進行無功功率補償，并將補償效果顯示出來，彌補了廣大家庭電路功率因數(shù)過低而無解決措施的空缺。

1 基本原理

1.1 無功功率補償?shù)幕驹?/h3>

將具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷在同一電路里并聯(lián)連接，從而可以在這兩種負荷之間相互交換能量。通過這種方式，感性負荷所需要的無功功率可通過容性負荷輸出的無功功率來提供，這便是無功功率補償?shù)脑韀13]。

無功功率補償?shù)脑砣鐖D1所示[14]。

圖1 無功功率補償?shù)碾娐穲D

在家庭電路系統(tǒng)中，大多數(shù)用電設(shè)備屬于感性負載，感性負載可看作電阻與電感串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為

(1)

式中：XL為電路中的感抗。

將R、L電路并聯(lián)接入電容C之后，得到如圖2所示的無功功率補償?shù)南嗔繄D。

圖2 無功功率補償?shù)南嗔繄D(欠補償)

在圖2中，φ1為補償前的功率因數(shù)角，φ2為補償后的功率因數(shù)角。電流方程為

(2)

由圖2可知，并聯(lián)上補償電容后電壓與電流的相位差會減小，即整個負載電路的功率因數(shù)提高了；此時電流的相位滯后于電壓，這種補償狀態(tài)下稱為欠補償。

如果補償電容的容量過大，使得電流的相位超前于電壓，這種補償狀態(tài)稱為過補償，其相量如圖3所示。

圖3 無功功率補償?shù)南嗔繄D(過補償)

在進行補償時要盡量避免這種情況的發(fā)生，因為在過補償?shù)那闆r下，回路中又會產(chǎn)生容性的無功電流，使視在電流增大，從而導致整個電路的損耗加大、電壓進一步升高，容易引起諧振。在電壓升高的情況下，電容的功率損耗也會增大，其壽命也會因此而降低。

1.2 并聯(lián)電容器容量的計算

利用并聯(lián)電容器進行無功功率補償?shù)脑韴D，如圖4所示。

圖4 無功功率補償原理圖(功率三角形)

在圖4中，視在功率S為電源設(shè)備的總?cè)萘?；P為電源輸出到負載的有功功率；Q為負載上的無功功率。根據(jù)無功功率補償原理圖可得出總的補償量為

QC=P[tan(arccosφ1)-tan(arccosφ2)]

(3)

式中：cosφ1為補償前的功率因數(shù)，一般為0.8～0.85；cosφ2為補償后的功率因數(shù)，本裝置設(shè)計要求的補償后的功率因數(shù)為0.95～0.99。

根據(jù)式(3)可知，當有功功率為1 kW時，功率因數(shù)由cosφ1補償?shù)絚osφ2所需要的補償容量，如表1所示。由表1可見，在有功功率為1 kW的條件下，補償前的各功率因數(shù)補償?shù)?.98時，可通過式(3)計算出所需要的各補償容量。

表1 補償容量理論計算值

2 基于單片機的硬件電路的設(shè)計

2.1 整體設(shè)計思路

家庭無功功率的智能動態(tài)補償裝置，主要由4大模塊構(gòu)成，其硬件系統(tǒng)電路圖，如圖5所示。

圖5 硬件系統(tǒng)電路圖

系統(tǒng)模塊分為：① 采用RN8209計量芯片來實現(xiàn)的電壓電流采樣電路模塊；② 由單片機控制的電容自動投切電路模塊；③ 放電電路模塊；④ LCD液晶顯示電路模塊。電壓電流采樣電路，將采集到的電壓、電流信號經(jīng)過計量芯片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量得到電壓電流的有效值。電容投切電路主要由單片機控制繼電器通斷來實現(xiàn)。而放電電路主要是防止斷電后電容上殘余電壓引發(fā)觸電事故，故要及時對補償電容進行放電。

2.2 電壓電流采樣電路模塊

采樣電路以計量芯片RN8209為核心搭建而成，RN8209的功能非常強大，不僅能夠測量出電壓電流有效值、有功功率和電能，還能測量無功功率和無功電能以及頻率等物理量，而且處理速度快、精度高，廣泛應(yīng)用于生活中[15]。

RN8209含有三路ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一路用于零線電流采樣，用的是電流互感器；一路用于相線電流采樣，采用的是錳銅分流器；一路用于電壓采樣，其中電壓采樣用的是分壓電阻的方法，分壓電阻選擇1～2 MΩ，一般采用6～8個貼片電阻[15]。

2.3 無功功率的計算

圖6為RN8209計量芯片內(nèi)部計算無功功率的功能框圖[15]。

圖6 RN8209無功功率計算框圖

在圖6中，U為采集的電壓信號，通過移相90°后得UT；IA和IB分別為相線電流信號和零線電流信號，可以任意選擇其中一路作為電流信號I，P為有功功率信號；RPOSA(B)為通道A(B)無功功率offset校正寄存器；GPQA(B)則為通道A(B)功率增益校正寄存器；Qm1為校正前的無功功率，Qm2和Qm3分別為依次校正后的無功功率；Qc為最終得到的無功功率，可用于無功能量計算[15]。

2.4 電容自動投切模塊

由于單片機的I/O口驅(qū)動能力較弱，無法實現(xiàn)控制電容的投切，需將單片機P口的輸出端經(jīng)三極管與繼電器相連，繼電器還需加直流電源進行驅(qū)動。當單片機輸出低電平時，繼電器導通；輸出高電平時繼電器保持關(guān)斷狀態(tài)。本裝置采用多路繼電器，選擇低電平有效，當單片機輸出低電平時，繼電器常閉斷開，常開閉合，根據(jù)單片機計算后得所需的補償量再選取最合適的電容值通過與繼電器相連分組投切到感性負載兩端，由繼電器的導通與關(guān)斷來實現(xiàn)電容的投切。當出現(xiàn)過度補償時，切除最后一組投切的電容，再進行判斷，直到達到預期的補償效果。

2.5 放電電路模塊

當補償電容脫離電源時，電容上還會有殘留的電壓，若不及時將電容上的電荷消耗掉，當人不小心觸碰到時會發(fā)生觸電事故，為防止觸電的發(fā)生，便需要及時對補償電容進行放電。本裝置巧妙地利用了繼電器常開常閉觸點的特點設(shè)計保護電路，并采用家用燈泡作為負載，既能消耗掉電容兩端殘留的電荷，又能進行短暫的照明，可在停電的情況下起到一舉兩得的作用。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

以STC89C52單片機為核心的軟件系統(tǒng)包括了模擬量的采集與處理，家庭電路負載運行狀態(tài)的判斷和顯示，電容器投切處理及各種保護功能的實施，采用模塊化設(shè)計。其中，系統(tǒng)初始化模塊主要完成AT89C52單片機內(nèi)部中斷系統(tǒng)、定時器、計數(shù)器、I/O口、獨立按鍵、LCD顯示等單元的初始化[16]。軟件系統(tǒng)部分主程序和投切電容器子程序流程分別如圖7和圖8所示。

圖7 主程序流程

圖8 投切電容子程序流程圖

由圖7和圖8可知，單片機先執(zhí)行主程序，將系統(tǒng)初始化后開始工作，從RN8209計量芯片中讀取采集到的電參數(shù)，在投切電容子程序中進行運算，計算出當前電路的功率因數(shù)。若當前功率因數(shù)大于預定值時，則停止投切電容，否則通過計算將補償?shù)筋A定值所需的最小電容投切到電路中，再判斷是否過度補償，若出現(xiàn)過度補償則切除最后投切的一組電容，否則將繼續(xù)投切電容直至功率因數(shù)達到預定值。同時，單片機將每個時刻的功率因數(shù)通過LCD顯示模塊進行實時顯示，以便觀察補償效果。

4 仿真實驗與結(jié)果分析

通過在Multisim仿真軟件進行電容補償效果的仿真實驗，當感性負載電路的功率為1.5 kW時，負載電路即為由40 mH電感和20 Ω電阻組成等效電路，由示波器顯示出電壓電流的波形圖，根據(jù)電壓電流波形的相位差可觀察到補償效果。下面分別給出欠補償、最佳補償、過補償3種狀態(tài)的波形圖，如圖9～圖11所示。

圖9 欠補償狀態(tài)波形圖

圖10 最佳補償狀態(tài)波形圖

圖11 過補償狀態(tài)波形圖

對比3種狀態(tài)下電壓電流的波形圖，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過補償之后，電壓與電流之間的相位差明顯減少，即功率因數(shù)增大。感性負載電路在1.5 kW的功率下最佳的補償電容值為64 μF。當補償電容值超過這一數(shù)值時便會出現(xiàn)過補償?shù)那闆r，此時電壓電流波形的相位差又會增大，即功率因數(shù)減小。

通過在Matlab上進行數(shù)據(jù)擬合，得出了感性負載電路有功功率分別為1.528 kW和1.151 kW時，即等效電路分別為40 mH電感、20 Ω電阻和55 mH電感、20 Ω電阻組成的阻感負載電路，其功率因數(shù)隨投切電容變化的補償效果對比圖，如圖12所示。由圖可以直觀地看出，只要選擇合適的補償電容值，就能明顯改善功率因數(shù)。

圖12 功率因數(shù)隨投切電容變化的補償效果圖

5 節(jié)電效果估算

每kvar補償容量可節(jié)省輸變電設(shè)備的容量為

(4)

式中：ΔS為變化的視在功率；tanφ1為補償前的正切值；tanφ2為補償后的正切值。

當cosφ2=1時，式(4)變?yōu)?/p>

(5)

每kvar補償容量可增加輸送的有功功率為

(6)

式中：ΔP為變化的有功功率；sinφ1為補償前的正弦值；sinφ2為補償后的正弦值。

當cosφ2=1時，式(6)變?yōu)?/p>

(7)

根據(jù)式(5)和式(7)推算，將功率因數(shù)從某值補到1時，每kvar補償容量可節(jié)省有功功率以及平均每戶家庭每年能節(jié)省的電費如表2所示。

表2 補償效益圖

表2中節(jié)省的有功功率由式(5)和式(7)計算得出，參考上海市最新的電費收費標準：0.617元/(kW·h)，按照1天12 h、1年365 d計算得出平均每戶家庭每年可節(jié)省的電費總額。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種以RN8209計量芯片和STC89C52單片機為核心的家庭無功功率智能補償裝置，能實時對家庭電路系統(tǒng)的功率因數(shù)進行跟蹤，補償效果好，且操作智能化，成本較低，還設(shè)置串行通信接口，可根據(jù)用戶需要進行聯(lián)網(wǎng)控制。通過計量芯片進行采樣，測量精度高，通過LCD顯示屏能夠?qū)崟r顯示補償效果。多次仿真實驗的結(jié)果表明，本裝置的補償方式可行，補償效果好，能夠有效解決家庭電路功率因數(shù)低的問題。對家庭電路進行無功補償，對于電網(wǎng)和家庭用戶來說都有著重大意義，不僅實現(xiàn)了節(jié)能，還帶來了經(jīng)濟效益。