阶梯式无功补偿的技术应用

摘 要：文章通过实例介绍了在无功补偿设备中采用阶梯式无功补偿的技术，很好的解决了用电系统负载的过补、欠补、的问题，功率因数控制在0.95以上。

关键词：阶梯式无功补偿；补偿精度；功率因数

WSBC-PT4系列[1]阶梯式无功补偿控制器是新型无功补偿控制器。该阶梯式补偿控制器作为三相电容器同时投切型无功补偿装置中的控制器。

主要性能特点：

（1）使用32位ARM高性能单片机进行控制[3]，在最大限度地简化控制器复杂程度的同时，获得精确的参数检测结果和精密的控制效果。（2）检测精度高。被检模拟量经分压后直接输入A/D转换器进行采样，避免了输入处理电路导致的误差。高速采样和精心设计的控制软件充分满足了精密测量的要求，不但可以对谐波电压和谐波电流进行检测，而且可以在谐波干扰严重的情况下保证测量的精度。电压检测分辨率可达0.1V，电流检测分辨率可达0.1A，功率因数检测分辨率可达0.001。（3）使用2排数码管，可同时显示2项数据，便于查看大量的显示数据。（4）具有适度过补偿功能，可以在低压侧对变压器自身的无功进行补偿，从而最大限度地减少系统损耗。对于高压计量变压器可以实现无功最小化。（5）具有过电压及欠电压保护功能。保护电容器不会因过电压而损坏，保护交流接触器不会因过电压及欠电压而损坏。（6）具有谐波检测和谐波过载保护功能。可以检测20次以下的奇次整数谐波以及1000Hz以上的分数谐波，电压谐波和电流谐波同时检测并可以显示，可以显示各谐波的幅值与畸变率。（7）WSBC-PT4D型可以控制10台复合开关或晶闸管模块；WSBC-PT4J10型可以控制10台接触器；WSBC-PT4J12型可以控制12台接触器。电容器容量按阶梯结构布置，在控制若干台设定容量的情况下，另外控制一台1/4容量的电容器和一台1/2容量的电容器，最大步进台阶为总容量的1/43，因此可以满足对补偿装置的补偿精度要求。（8）控制器以系统的无功功率和有功功率为依据控制电容器的投切，在保证不会出现轻载震荡现象的前提下实现补偿无功电流的目标。

阶梯式补偿方式的技术依据：

由于电容器的容量是固定的，为了能够控制补偿装置的补偿量，需要在一套补偿装置中安装若干台电容器，控制电容器的投入数量，就可以控制总的补偿量。

最常见的设计方案是使用若干台相同容量的电容器，这时，步进台阶就是单台电容器的容量。按标幺值计算，设总补偿量为1，则步进台阶为电容器数量的倒数。例如：在一套补偿装置中安装了10台20Kvar的电容器，则总补偿量为200Kvar，步进台阶为20Kvar。按标幺值计算，步进台阶为1/10。这种设计方案比较简单，也比较容易使电容器循环投切。缺点是步进台阶过大，即使安装了15台电容器，步进台阶仍然为1/15，在被补偿用户负荷较轻时，仍然不能取得良好的补偿效果。

还有一种设计方案是将电容器容量按2进制排列，例如最小的电容器为5Kvar，然后依次为10Kvar、20Kvar、40Kvar、80Kvar、160Kvar。这种方案使用的电容器数量最少，步进台阶也最小，总容量310Kvar的补偿装置只安装6台电容器，步进台阶为5Kvar，标幺值为：5/310=1/62。这种方案的致命缺点是电容器的投切过于频繁。例如当系统需要的补偿量为150Kvar时，需要投入10Kvar、20Kvar、40Kvar、80Kvar共4台电容器。当系统需要的补偿量增加到160Kvar时，需要将10Kvar、20Kvar、40Kvar、80Kvar共4台电容器切除，然后投入160Kvar电容器。反之当系统需要的补偿量为减少到150Kvar时，需要将切除160Kvar电容器，然后投入10Kvar、20Kvar、40Kvar、80Kvar共4台电容器。

更为严重的问题是：当其中某一台电容器出现故障以后，会导致振荡现象。例如当20Kvar电容器损坏而系统需要的补偿量为150Kvar时，首先投入10Kvar、20Kvar、40Kvar、80Kvar共4台电容器后发现欠补偿20Kvar。然后将10Kvar、20Kvar、40Kvar、80Kvar共4台电容器切除，投入160Kvar电容器后又发现过补偿10Kvar。再切除160Kvar电容器，投入10Kvar、20Kvar、40Kvar、80Kvar共4台电容器后又发现欠补偿20Kvar。如此反复，即导致振荡现象发生。

最好的设计方法是使用若干台相同容量的电容器，再使用一台1/2容量的电容器和一台1/4容量的电容器。例如PT4J10型为例：使用8台20Kvar的电容器、1台10Kvar的电容器和1台5Kvar的电容器。这时共使用10台电容器，总补偿容量175Kvar，步进台阶为5Kvar，标幺值为：5/175=1/35。这种设计方案的步进台阶已经足够小，可以实现足够的补偿精度，满足各种场合的需要。8台相同容量的电容器可以实现循环投切，1/2容量的电容器和1/4容量的电容器的投切虽然可能频繁一些，但是由于容量小，投切频繁也没有问题。

应用实例：

2012年5月采用 WSBC-PT4系列阶梯式无功补偿控制器，为辽宁向导科技有限公司安装一台105KWA无功补偿控制柜。

从电费收费单可以看出安装无功补偿设备后的6月份和7月份有明显经济效益。6月份和4月份比较有效果，7月份和3月份比较有显著效果。

电费单据记录：

设备总功率185KW。（动态负载）无功补偿设备

功率：105KWA，时间：2012年5月29日 安装

设备运行两年来， WSBC-PT4系列阶梯式无功补偿控制器无一次故障，现还在正常运行中，功率因数控制在0.95以上，每月节约力率电费3000元以上，给国家节约了能源给单位节约了电费，创造了经济效益。

参考文献

[1]WSBC-PT4系列阶梯式无功补偿控制器.万思电力研究所.

[2]国家标准：GB/T 25839-2010.

[3]蔡振江.单片机原理及应用[M].电子工业出版社.

作者简介：尹敬德，身份证：210105195507043771。