基于STC89C52单片机控制的家庭无功功率智能补偿装置

周灵锋， 李全峰， 贾港华， 裴 毅， 刘翰宇， 韩 阳

(上海电机学院 电气学院， 上海 201306)

无功功率是电力系统中研究的一个重要物理量，无功功率并非无用功率，它同有用功率一样由电源提供给负载，有功功率是维持电气设备正常运行所需要的电功率，无功功率是用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率，它对外不做功[1]。故电气设备的正常工作同时需要电源提供这两种功率，但大量的无功功率在电网中进行传输又会造成电能的损耗，而且还会对电力系统的稳定性有一定影响。无功功率的增加，使总电流增大，从而使设备及线路损耗增加。而平衡无功功率能够提高功率因数，增加电力系统输电能力，减少线路上的损耗，提高电压的稳定性，保障电力系统的安全稳定可靠运行[2]。因此，对无功功率的补偿意义重大。

无功功率补偿技术一直被应用于工业中，随着现代工业和电力工业的不断发展，电能传输距离和容量的不断增大，工业用户对电能质量的要求越来越高，然而企业广泛使用异步电动机和变压器，特别是大功率冲击性负荷的使用，使得电力系统功率因数变低，电压波动加大，导致大量电能在电网传输过程中损耗，带来经济损失。因此，国家也有相关规定，要求工厂中安装无功功率补偿装置对无功功率进行补偿，使得功率因数不能太低。根据国家电力部，物价局颁布的《功率因数调整电费办法》(以下简称“办法”)规定3种功率因数标准值，相应减少电费[3]：① 高压供电的用电单位，功率因数为0.9以上。② 低压供电的用电单位，功率因数为0.85以上。③ 低压供电的农业用户，功率因数为0.8以上。

为了补偿无功功率，通常会采用的补偿方式主要包括以下几种[4]：① 采用并联电容器的方式提高变电装置的功率因数，根据电容器在系统中安装位置的差异，把一组电容器集中安装在母线上，减少无功损耗；② 将电容器组分别安装在对应的区域母线上，即在功率因数较低区域的母线上分别装置电容器组，但是相对于第一种补偿方式，这种补偿方式的补偿区域会减小；③ 将电容器组安装在负载设备邻近处的就近补偿方法。但是，这种补偿方案由于电容器分散安装，虽然提高了功率因数，但是会增加后期维护的工作量。

早期的无功补偿装置叫做同步调相机又称作同步补偿器，其实质就是空载运行的同步电动机。在过励时向系统提供感性无功功率，欠励时吸收系统的感性无功功率，但维护较复杂[5-7]。后来使用较为广泛的是静止无功补偿器一般采用晶闸管作为开关器件进行电容投切，具有体积小、质量轻、控制灵活等特点，能进行有效的无功补偿，但容易产生谐波，对电压波动的调节能力不强。此外，还需要加限流电抗器来限制晶闸管阀由误操作引起的涌浪电流，限流电抗器与电容器通过参数搭配也可以避免与交流电抗在某些特定频率上发生谐振[8-9]。

在此基础上，又发展出了静止无功发生器，主要由以下几部分构成：主电路、控制系统[10]、保护系统、监测系统和冷却系统。该补偿装置具有动态补偿性能，响应速度快，产生谐波少，设备体积小，使用范围广泛。

然而，目前对于家庭用户还没有任何较为有效的无功功率补偿措施。因为家庭电路中大多数都是感性负载，因而需要从电网中输入大量的无功功率来供电气设备正常运行，而无功功率在电网上传输的过程中，就会在线路上产生大量的损耗。而对家庭电路进行无功功率的自动补偿，向感性负载提供所需的无功功率，就能减少在电网中流动的无功功率，降低传输过程中的电能损耗[11-12]，提高家庭电路的功率因数，能使得电源设备容量在额定范围内实现利用最大化，减轻电源设备的负担。此外，还能在一定程度上减少家庭用电开支。

针对目前家庭用户的功率因数偏低而未有具体的补偿措施这一问题，本文设计了一种新型的家庭无功功率智能补偿装置。该装置能够准确地进行电压电流采样，自动投切补偿电容实时进行无功功率补偿，并将补偿效果显示出来，弥补了广大家庭电路功率因数过低而无解决措施的空缺。

1 基本原理

1.1 无功功率补偿的基本原理

将具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷在同一电路里并联连接，从而可以在这两种负荷之间相互交换能量。通过这种方式，感性负荷所需要的无功功率可通过容性负荷输出的无功功率来提供，这便是无功功率补偿的原理[13]。

无功功率补偿的原理如图1所示[14]。

图1 无功功率补偿的电路图

在家庭电路系统中，大多数用电设备属于感性负载，感性负载可看作电阻与电感串联的电路，其功率因数为

(1)

式中：XL为电路中的感抗。

将R、L电路并联接入电容C之后，得到如图2所示的无功功率补偿的相量图。

图2 无功功率补偿的相量图(欠补偿)

在图2中，φ1为补偿前的功率因数角，φ2为补偿后的功率因数角。电流方程为

(2)

由图2可知，并联上补偿电容后电压与电流的相位差会减小，即整个负载电路的功率因数提高了；此时电流的相位滞后于电压，这种补偿状态下称为欠补偿。

如果补偿电容的容量过大，使得电流的相位超前于电压，这种补偿状态称为过补偿，其相量如图3所示。

图3 无功功率补偿的相量图(过补偿)

在进行补偿时要尽量避免这种情况的发生，因为在过补偿的情况下，回路中又会产生容性的无功电流，使视在电流增大，从而导致整个电路的损耗加大、电压进一步升高，容易引起谐振。在电压升高的情况下，电容的功率损耗也会增大，其寿命也会因此而降低。

1.2 并联电容器容量的计算

利用并联电容器进行无功功率补偿的原理图，如图4所示。

图4 无功功率补偿原理图(功率三角形)

在图4中，视在功率S为电源设备的总容量；P为电源输出到负载的有功功率；Q为负载上的无功功率。根据无功功率补偿原理图可得出总的补偿量为

QC=P[tan(arccosφ1)-tan(arccosφ2)]

(3)

式中：cosφ1为补偿前的功率因数，一般为0.8～0.85；cosφ2为补偿后的功率因数，本装置设计要求的补偿后的功率因数为0.95～0.99。

根据式(3)可知，当有功功率为1 kW时，功率因数由cosφ1补偿到cosφ2所需要的补偿容量，如表1所示。由表1可见，在有功功率为1 kW的条件下，补偿前的各功率因数补偿到0.98时，可通过式(3)计算出所需要的各补偿容量。

表1 补偿容量理论计算值

2 基于单片机的硬件电路的设计

2.1 整体设计思路

家庭无功功率的智能动态补偿装置，主要由4大模块构成，其硬件系统电路图，如图5所示。

图5 硬件系统电路图

系统模块分为：① 采用RN8209计量芯片来实现的电压电流采样电路模块；② 由单片机控制的电容自动投切电路模块；③ 放电电路模块；④ LCD液晶显示电路模块。电压电流采样电路，将采集到的电压、电流信号经过计量芯片内AD转换，将模拟量转换成数字量得到电压电流的有效值。电容投切电路主要由单片机控制继电器通断来实现。而放电电路主要是防止断电后电容上残余电压引发触电事故，故要及时对补偿电容进行放电。

2.2 电压电流采样电路模块

采样电路以计量芯片RN8209为核心搭建而成，RN8209的功能非常强大，不仅能够测量出电压电流有效值、有功功率和电能，还能测量无功功率和无功电能以及频率等物理量，而且处理速度快、精度高，广泛应用于生活中[15]。

RN8209含有三路ADC模数转换器，一路用于零线电流采样，用的是电流互感器；一路用于相线电流采样，采用的是锰铜分流器；一路用于电压采样，其中电压采样用的是分压电阻的方法，分压电阻选择1～2 MΩ，一般采用6～8个贴片电阻[15]。

2.3 无功功率的计算

图6为RN8209计量芯片内部计算无功功率的功能框图[15]。

图6 RN8209无功功率计算框图

在图6中，U为采集的电压信号，通过移相90°后得UT；IA和IB分别为相线电流信号和零线电流信号，可以任意选择其中一路作为电流信号I，P为有功功率信号；RPOSA(B)为通道A(B)无功功率offset校正寄存器；GPQA(B)则为通道A(B)功率增益校正寄存器；Qm1为校正前的无功功率，Qm2和Qm3分别为依次校正后的无功功率；Qc为最终得到的无功功率，可用于无功能量计算[15]。

2.4 电容自动投切模块

由于单片机的I/O口驱动能力较弱，无法实现控制电容的投切，需将单片机P口的输出端经三极管与继电器相连，继电器还需加直流电源进行驱动。当单片机输出低电平时，继电器导通；输出高电平时继电器保持关断状态。本装置采用多路继电器，选择低电平有效，当单片机输出低电平时，继电器常闭断开，常开闭合，根据单片机计算后得所需的补偿量再选取最合适的电容值通过与继电器相连分组投切到感性负载两端，由继电器的导通与关断来实现电容的投切。当出现过度补偿时，切除最后一组投切的电容，再进行判断，直到达到预期的补偿效果。

2.5 放电电路模块

当补偿电容脱离电源时，电容上还会有残留的电压，若不及时将电容上的电荷消耗掉，当人不小心触碰到时会发生触电事故，为防止触电的发生，便需要及时对补偿电容进行放电。本装置巧妙地利用了继电器常开常闭触点的特点设计保护电路，并采用家用灯泡作为负载，既能消耗掉电容两端残留的电荷，又能进行短暂的照明，可在停电的情况下起到一举两得的作用。

3 软件系统设计

以STC89C52单片机为核心的软件系统包括了模拟量的采集与处理，家庭电路负载运行状态的判断和显示，电容器投切处理及各种保护功能的实施，采用模块化设计。其中，系统初始化模块主要完成AT89C52单片机内部中断系统、定时器、计数器、I/O口、独立按键、LCD显示等单元的初始化[16]。软件系统部分主程序和投切电容器子程序流程分别如图7和图8所示。

图7 主程序流程

图8 投切电容子程序流程图

由图7和图8可知，单片机先执行主程序，将系统初始化后开始工作，从RN8209计量芯片中读取采集到的电参数，在投切电容子程序中进行运算，计算出当前电路的功率因数。若当前功率因数大于预定值时，则停止投切电容，否则通过计算将补偿到预定值所需的最小电容投切到电路中，再判断是否过度补偿，若出现过度补偿则切除最后投切的一组电容，否则将继续投切电容直至功率因数达到预定值。同时，单片机将每个时刻的功率因数通过LCD显示模块进行实时显示，以便观察补偿效果。

4 仿真实验与结果分析

通过在Multisim仿真软件进行电容补偿效果的仿真实验，当感性负载电路的功率为1.5 kW时，负载电路即为由40 mH电感和20 Ω电阻组成等效电路，由示波器显示出电压电流的波形图，根据电压电流波形的相位差可观察到补偿效果。下面分别给出欠补偿、最佳补偿、过补偿3种状态的波形图，如图9～图11所示。

图9 欠补偿状态波形图

图10 最佳补偿状态波形图

图11 过补偿状态波形图

对比3种状态下电压电流的波形图，可以发现经过补偿之后，电压与电流之间的相位差明显减少，即功率因数增大。感性负载电路在1.5 kW的功率下最佳的补偿电容值为64 μF。当补偿电容值超过这一数值时便会出现过补偿的情况，此时电压电流波形的相位差又会增大，即功率因数减小。

通过在Matlab上进行数据拟合，得出了感性负载电路有功功率分别为1.528 kW和1.151 kW时，即等效电路分别为40 mH电感、20 Ω电阻和55 mH电感、20 Ω电阻组成的阻感负载电路，其功率因数随投切电容变化的补偿效果对比图，如图12所示。由图可以直观地看出，只要选择合适的补偿电容值，就能明显改善功率因数。

图12 功率因数随投切电容变化的补偿效果图

5 节电效果估算

每kvar补偿容量可节省输变电设备的容量为

(4)

式中：ΔS为变化的视在功率；tanφ1为补偿前的正切值；tanφ2为补偿后的正切值。

当cosφ2=1时，式(4)变为

(5)

每kvar补偿容量可增加输送的有功功率为

(6)

式中：ΔP为变化的有功功率；sinφ1为补偿前的正弦值；sinφ2为补偿后的正弦值。

当cosφ2=1时，式(6)变为

(7)

根据式(5)和式(7)推算，将功率因数从某值补到1时，每kvar补偿容量可节省有功功率以及平均每户家庭每年能节省的电费如表2所示。

表2 补偿效益图

表2中节省的有功功率由式(5)和式(7)计算得出，参考上海市最新的电费收费标准：0.617元/(kW·h)，按照1天12 h、1年365 d计算得出平均每户家庭每年可节省的电费总额。

6 结 论

本文设计了一种以RN8209计量芯片和STC89C52单片机为核心的家庭无功功率智能补偿装置，能实时对家庭电路系统的功率因数进行跟踪，补偿效果好，且操作智能化，成本较低，还设置串行通信接口，可根据用户需要进行联网控制。通过计量芯片进行采样，测量精度高，通过LCD显示屏能够实时显示补偿效果。多次仿真实验的结果表明，本装置的补偿方式可行，补偿效果好，能够有效解决家庭电路功率因数低的问题。对家庭电路进行无功补偿，对于电网和家庭用户来说都有着重大意义，不仅实现了节能，还带来了经济效益。