基于单片机的智能动态无功补偿装置研究

张贵生 周孟然 朱艳娜

（1.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学经济与管理学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

目前，工矿企业对电网质量的要求越来越高，电动机、变压器等感性负载的使用量也在日益增加，大量感性负载向电网吸收有功功率的同时，还吸收大量的无功功率，这不仅降低了电网功率因数和电子设备利用率，同时也增加了电能损耗[1]。因此，本文通过在电网中安装并联电容器来补偿感性负载所需的无功功率，其目的就是为了减少电损，降低电压波动和谐波，稳定电网，提高供电可靠性。

1 动态无功补偿的原理

在供电电网中，电源需向感性负载提供适量的无功功率，这就在很大程度上降低了供电设备的运行效率，造成供电线路电能大量损失。为了提高电网利用率，节约电能，本文通过在电网中安装并联电容器的方法来补偿感性负载所需的无功功率，该装置可以为感性负载提供无功功率，提高电网的功率因数，减少电能损耗，这就是无功补偿。在供电电网中，发电机输出的电功率可分为三种：有功功率、无功功率和视在功率[2]。

①有功功率又称为平均功率，在电网供电电路中电阻实际消耗的电功率称为有功功率，其计算公式为：

即功率在一个周期内的平均值。

②无功功率：在含有电感或电容的电网中，电源首先给电感或电容充电，并将电能转换成磁场或电场的能量储存起来，待充电结束后，电感或电容又将储存的能量释放给电源，在整个循环周期内，电能并没有损耗，只是在不同时刻以不同形式的能量储存在电源、电感或电容之中，我们把这种没有损耗的能量交换的振幅值称为无功功率[2-3]。

在电网电路中，当电压波形和电流波形都为标准正弦波，且负载为具有纯电阻特性的线性负载时，电压和电流的瞬时值表达式为

式中U——电压有效值；I——电流有效值；Φ——电流滞后相角若按有无做功来分，则可以将电流i分解成以下两个部分

其中，电流ip是与电压u同相的有功电流，iq是与电压u相差90°相位角的无功电流。

由式（2）和式（3）可得瞬时功率p的表达式

上式中，p1=UI cosΦ（1-cos2ω1t）是非正弦周期功率，是不可逆分量；p2=-UI sinΦsin2ω1t是正弦波形功率，周期内正负时间各占一半，因此有

即正弦波功率在一个周期内的积分为零，且是可逆分量。

③视在功率：视在功率等于供电电网网络端口处电压有效值和电流有效值的乘积，即

式中，P是有功功率，cosΦ是功率因数。

2 基于单片机的智能动态无功补偿装置的方案实施

智能动态无功补偿装置是维护电力系统稳定、保护电能质量和电网安全运行必不可少的保护系统。实现的基本原理是：将容性负载与感性负载并联，电能在这两种负载之间相互转换，利用这种方法就可以实现对感性负载所需无功功率的补偿[4]。

本装置的设计电路由主控制器、A/D转换、检测电路（电流和电压检测器）、功率因数测量系统、过零触发模块、同步开关器件、人机接口电路和放电保护系统等模块组成。系统总体结构框图如图1所示。

（1）主控制器：本装置以AT89C51单片机芯片为主控制器，用于控制整个电路，并实时跟踪测量负载电压、电流、无功功率和功率因数，然后将检测到的数据进行系统分析、逻辑判断和实时控制，最后选定最佳补偿效果的补偿方式并通过指令控制过零触发模块，用以判断同步开关的导通时刻，从而可以实现快速、准确的无功补偿。

（2）检测电路：主要包含电流检测器和电压检测器，其中的多路开关可用于检测电路中负载的电流和电压，然后把采集到的电信号经A/D转换器转换为数字信号，输送给单片机主控制器，在完成数据分析和逻辑判断之后，单片机发出系统控制指令用于控制过零触发模块实现同步开关投切，从而实现无功功率的动态补偿[5]。

（3）功率因数测量系统：在功率因数测量系统中，电压、电流信号经过信号整形、同步周期测量、相位测量等计算后，把所得数据送入单片机中进行逻辑分析、判断，并得出被测电路的功率因数。这种设计既简化了功率因数测量电路的结构，又增强了检测的准确性和快速性。

同步开关器件用以控制电容器，可以使电容器的开关接点在需要的时刻准确的断开或闭合，并且可以实现电容器的无涌流投入[6]，在电流为零的时刻断开，从而实现开关接点的无电弧分断。同步开关器件相比复合开关器件取消了晶闸管组件，这不仅简化了器件结构，降低了生产成本，而且还避免了晶闸管组件所容易出现的故障，使开关可靠性和准确性得到了很大的提高。

3 结语

基于单片机的智能动态无功补偿装置在供电电网中的运用，是针对电网中无功功率消耗大、电能损耗大、电网利用率低等问题而设计的。在实际电网中的测试结果表明，功率因数大幅提升，电网利用率显著提高，可以很好地适应电网中复杂的电路。AT89C51单片机控制芯片的高控制性能，保证了整个装置的稳定运行。采用的检测模块、功率因数测量系统和过零触发模块，在测试过程中表现良好，测量数据准确，控制性能良好。本设计适合在供电电网中运用和推广。

［1］裘永卫．低压无功补偿配置方案[J]．电气时代，2004(3)：38-39．

［2］DL／T5219-2005送电线路基础设计技术规定[S].国家经济贸易委员会，2005.

［3］刘雄军.关于一种新型动态无功补偿装置应用的研究与探讨[J].科园月刊，2008(6).

［4］董国兴.李向东.王福忠.低压无功补偿电容器的投切条件分析[J].焦作大学学报，2006,20(1).

［5］姚志坤.低压无功补偿新技术的应用[J].黑龙江科技信息，2009(20).

［6］项遥翔.低压电动机无功补偿方式分析[J].黑龙江科技信息，2010(29).