一种无功功率补偿器

2012-11-22 06:45李南宋真玉马亚乾朱永利
湖北汽车工业学院学报 2012年4期
关键词:投切补偿器功率因数

李南,宋真玉,马亚乾,朱永利

(长安大学 汽车学院,陕西 西安710064)

随着我国经济发展和国际化能源紧张局势的加剧,加强电能质量和节能降耗的影响十分重要,这其中采取无功补偿方式提高功率因数等都是行之有效的措施。在电力供电系统中,功率因数的提高是一项重要的技术工作,直接关系到输电线路的电能损耗及供电的经济性,供电质量。功率因数的补偿措施一直为人们所重视。研制高性能的功率因数补偿装置具有实际的社会、经济效益。而且在电力系统中,无功功率要保持平衡,否则将会使系统电压下降,严重时会导致设备损坏,系统瓦解。此外,网络的功率因数和电压降低,使电气设备得不到充分利用,促使网络传输能力下降,损耗增加。因此,解决好网络补偿问题,对网络降损节能有着极为重要的意义。

1 无功功率补偿器的原理及作用

1.1 无功功率补偿器的原理

无功功率补偿原理,即把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路,能量在2种负荷之间相互交换。这样感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿[1-2]。

基于AT89C52单片机的无功功率补偿器,采用并联电容器补偿,主要应用单片机技术,实现对低压电力系统的监控,完成功率因数的测量,并根据所得数据进行电力电容组的投切,以实现对电力系统的功率因数的补偿[3]。

在交流输电线路中,由于负载特性的影响,电路中相电压和相电流之间存在相位差,其角度大小取决于负载所呈现的感性或容性的程度。若以θ表示相位差,则

式中:R为负载电阻;XL为负载感抗;XC为负载容抗。式(1)直接反应出了感性负荷和容性负荷的关系,即感性负荷所需的无功功率可以由容性负荷产生的无功功率来补偿[2,4]。

又有式(2):

式中:U和I分别为电力线路中母线上的相电压和相电流的有效值,θ表示相电压U和相电流I的相位差。若令S=UI,称S为视在功率(其中包括有功功率P和无功功率Q)。P、Q、S的关系如图1所示。

在功率三角关系图中,θ角为功率因数角,其余弦(cosθ)是有功功率与视在功率之比,此余弦值被称作功率因数。由功率三角形可以看出,在一定的有功功率下,用电企业功率因数越小,则所需的无功功率越大。如果无功功率不是由电容器提供,则必须由输电系统供给,为满足用电的要求,供电线路和变压器的容量需增大。这样不仅增加供电投资、降低设备利用率,也将增加线路损耗。

1.2 无功功率补偿器的作用

采用并联电容器进行无功补偿的主要作用[2-4]是提高功率因数,降低输电线路及变压器的损耗,改善电压质量,提高设备出力。

2 无功功率补偿器的硬件设计

2.1 系统结构

图2是该系统硬件结构框图,单片机AT89C52是本系统的核心,实现数据处理、输入、输出控制等功能。把计算出的功率因数与规定的因数比较看看是否符合要求,当功率因数低于要求时,通过控制补偿电路实现对检测电路的补偿。功率补偿器的外围电路还包括电压、电流相位差检测电路,此部分电路主要用来检测电路现在的功率因数,功率因数显示电路采用LED数码管显示,投切电容电路中用过零固态继电器来作为控制开关来实现柔性投切[5-6]。

2.2 相位差检测单元电路的设计

当电流和电压的波形一致时,即电流和电压的相位差为零时,此时的功率因数最高,无功功率为零。当电流和电压的波形不一致时,存在2种情况:一种是电流的波形在电压的波形之前到达,这种情况电流超前与电压;另一种是电流的波形在电压的波形之后达到,这种情况称为电流滞后于电压。电流与电压的相位差的余弦称为功率因数。

相位差检测电路就是要检测到电流与电压的相位差,并且要检测电流是超前于电压还是滞后与电压。只要检测到这2个数据即可控制电力电容的投入或者切除。根据检测的相位差余弦表来求当前的功率因数,再根据当前的功率因数与设定的功率因数比较。如果当前的功率因数大于设定的功率因数,并且为滞后或者功率因数等于1.00,则不进行投入;如果为超前,则切除电力电容。如果当前的功率因数小于设定的功率因数,则无功功率补偿器应该投入电容来提高功率因数,减少无功功率[7]。

如图3所示相位差检测单元电路的设计主要包括以下几部分:

1)采集要进行补偿线路的信号 (及该线路的电压和电流)并进行相应的处理。由于直接采集到的线路电压和电流都比较大,不能直接进行分析和控制。可以将采集到的线路电压U和电流I分别经过电压/电流互感器处理后再进行分析。为了便于比较,I经过电流互感器处理后,再经过I/U变换后变成Ui信号。

2)将得到的U和Ui信号分别传送到电压比较器,得到2组方波信号μ1、μ2。电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路,是组成非正弦波发生电路的基本单元。电压比较器将输入的交流信号变成方波信号 μ1、μ2,而 μ1、μ2方波信号过零点时的相位宽度就是电路中电压和电流的相位差。但为了更加方便的检测相位差,必须采用第3)步的与门电路。

3)将得到的2组方波信号输入给与门电路,经过与门电路相与后可以得到一个方波信号,此方波信号的宽度就是电压和电流的相位差。见图4。

4)相位差的计算。从图4中前4条波形可以得出电压和电流高低电平之间的变换周期T,而从最后得到的方波波形可以得到此方波的高电平的带宽 B,从而可以算出相位差,如式(4)所示[8]:

2.3 投切电容电路的设计

电容器的投切控制元件采用大功率的过零型固态继电器SSR,由于该元件本身封装有过零触发模块且自行工作不需CPU控制,满足了补偿电容无冲击电流投切的要求,同时也有效地克服了执行元件采用晶闸管控制模块所带来的控制复杂及易受干扰而产生误动作的弊端,提高了系统的可靠性。

2.3.1 柔性投切电路

要实现柔性控制,可以使用过零型固态继电器作为控制开关[8-9]。

图5是由固态继电器构成的投切电容电路,通过过零型固态继电器的控制可以达到设计要求的柔性投切。本次设计中,A、B、C相分别设计了8组电容投切电路,分别实现对A、B、C相的无功功率补偿,如图5所示(图5中只画出了A相的一组电容投切电路,B相和C相以及其余7组的工作原理与此组相同)。

2.3.2 无功补偿容量的计算

电容器安装容量可根据使用目的的不同,按改善功率因数、提高运行电压和降低线路损失等因素来确定。而按改善功率因数确定补偿容量的方法简便、明确,为国内外所通用。本文以按改善功率因数为目的选择电容器容量,利用式(5)算出所需无功补偿容量的大小。

式中:P为有功功率,kW;U为线电压;ω为公共频率,即50Hz;tanθ1为补偿前功率因数角的正切值;tanθ2为理想功率因数角的正切值。

由于根据国家规定,功率因数一般应大于0.9,如果功率因数小于0.9就要进行补偿,所以理想功率因数的范围是[0.9,1]。本文所选择的理想功率因数为这个范围的下限,即选择cosθ2为0.9,也就是功率因数小于0.9才补偿,大于则不进行补偿。

3 无功功率补偿器的软件设计

该控制软件用汇编语言编程,包含主程序、显示和投切电容子程序。当AT89C52检测到的功率因数较小,一次投切电容数较多时,还可以采用延时程序,把电容器分多次投切,以避免对电网造成大的冲击。

程序主程序设计流程图如图6所示。在主程序中首先将芯片进行初始化操作,然后设置A相控制参数。在设置好参数后分别调出显示和投切子程序。A相投切完毕后,再对B、C相分别进行相同的操作,以完成对三相的无功功率补偿。

如图6所示 ,先确定某相为控制对象,然后从线路上采集所需要的数据,单片机通过对数据进行的分析后确定其功率因数。接下来判断该相的功率因数是否大于0.9,如果大于0.9不进行补偿,如果小于0.9再进行补偿。

4 系统防抗干扰设计

硬件电路设计完后,还要考虑到抑制干扰的问题。影响单片机系统可靠安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰,并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺的影响。这些都构成单片机系统的干扰因素,常会导致单片机系统运行失常,轻则影响产品质量和产量,重则会导致事故,造成重大经济损失。为了实现抗干扰,本设计采用光电耦合器来实现对外界的隔离。

5 结论

在电力系统中,功率因数的提高是一项重要的技术工作,直接关系到输电线路的电能损耗供电的经济性,供电质量。功率因数的补偿措施一直为人们所重视。研制高性能的功率因数装置具有实际的社会经济效益。本文运用AT89C52单片机,对电力系统中无功功率进行监测和控制,单片机AT89C52能够准确的控制对数据进行处理、输入、输出;该控制器具有对电网冲击小、响应快、抗干扰能力强、精度高、可分相投切等优点,能够使功率因数达到调整和优化,适用于目前企业用户进行无功功率补偿,在使用中能够提高电力系统的供电质量和降低电能损耗。

[1] 郭国安 李学桥.单片机功率因数自动补偿控制仪[J].郑州:郑州轻工业学院学报,2009.

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