無功補(bǔ)償自控方案在電力設(shè)計(jì)中的應(yīng)用比較

摘要 簡述了無功補(bǔ)償的原因和意義、補(bǔ)償途徑和方式。研究了傳統(tǒng)電子式自動(dòng)補(bǔ)償控制方案、基于單片機(jī)控制技術(shù)的無功補(bǔ)償自控方案以及基于PLC控制技術(shù)的無功補(bǔ)償自控方案等設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理。并對(duì)其性能和電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行比較，為電力設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞 無功補(bǔ)償；單片機(jī)控制補(bǔ)償；PLC控制補(bǔ)償

1 無功補(bǔ)償概念
隨著經(jīng)濟(jì)、科技的快速發(fā)展，企業(yè)大量采用異步電動(dòng)機(jī)和變壓器，大型可控硅裝置的應(yīng)用和大功率沖擊性負(fù)荷的存在，使得電力系統(tǒng)功率因數(shù)變低，電壓波動(dòng)增大。安裝并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)闹饕饔檬翘岣吖β室驍?shù)以減少設(shè)備容量和功率損耗以及穩(wěn)定電壓和提高供電質(zhì)量，在長距離輸電中提高輸電穩(wěn)定性和輸電能力以及平衡三相負(fù)載的有功和無功功率。
根據(jù)補(bǔ)償安排方式不同，無功補(bǔ)償可分為：集中補(bǔ)償、分散補(bǔ)償和就地補(bǔ)償3種。集中補(bǔ)償裝設(shè)在企業(yè)或地方總變電所6～35 kV母線上，補(bǔ)償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器等，目的是改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)、提高終端變電所的電壓及補(bǔ)償主變的無功損耗。分散補(bǔ)償裝設(shè)在功率因數(shù)較低的車間或村鎮(zhèn)電所的高壓或低壓母線上。這種方式與集中補(bǔ)償有相同的優(yōu)點(diǎn)，但無功容量較小。分散補(bǔ)償通常采用10 kV戶外并聯(lián)電容器安裝在架空線路的桿塔上或另行架桿進(jìn)行無功補(bǔ)償，以提高配電網(wǎng)功率因數(shù)，達(dá)到降損升壓目的。因其具有投資小，回收快，補(bǔ)償效率高，便于管理和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，適用于功率因數(shù)較低且負(fù)荷較重的長配電線路。就地補(bǔ)償適宜裝設(shè)在異步電動(dòng)機(jī)或電感性用電設(shè)備附近，既能提高用電設(shè)備供電回路功率因數(shù)，并且能提高用電設(shè)備的電壓質(zhì)量?！豆╇娤到y(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50052—2009)指出：在環(huán)境正常的建筑物內(nèi)，低壓電容器宜分散設(shè)置。故對(duì)企業(yè)和廠礦中的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償，即隨機(jī)補(bǔ)償。針對(duì)小區(qū)用戶終端，由于用戶負(fù)荷小，波動(dòng)大，地點(diǎn)分散，無人管理，因此需開發(fā)一種新型低壓終端無功補(bǔ)償裝置。
根據(jù)補(bǔ)償控制方式的不同又可分為：電子式自動(dòng)控制補(bǔ)償、單片機(jī)控制補(bǔ)償及PLC控制補(bǔ)償?shù)榷喾N。電力設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適的無功補(bǔ)償自動(dòng)控制方案(要求：智能型控制，免維護(hù)；體積小，易安裝；功能完善，造價(jià)較低)對(duì)于提高供電安全性、降低生產(chǎn)及用電成本意義斐然。

2 典型無功補(bǔ)償自控方案
2．1 電子式自動(dòng)補(bǔ)償控制方案
傳統(tǒng)的電子式自動(dòng)補(bǔ)償控制方案由分立元件組裝如圖1所示，分立元件組裝的自動(dòng)控制系統(tǒng)包括相位和電流檢測單元、無功運(yùn)算及比較單元、投切控制單元及電容器組等。投切開關(guān)多采用交流接觸器。其缺點(diǎn)是產(chǎn)品元件多、設(shè)備體積龐大、線路復(fù)雜維修困難、可靠性差，響應(yīng)速度較慢，在投切過程中會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊涌流，使用壽命短。個(gè)別使用單位由于設(shè)備無法修復(fù)，僅單靠人工手動(dòng)進(jìn)行控制。

2．2 單片機(jī)控制技術(shù)的無功補(bǔ)償方案
一種典型的基于ATmega16單片機(jī)控制技術(shù)的無功自控方案如圖2所示，系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理模塊、AVR處理模塊、控制補(bǔ)償模塊、液晶顯示模塊和鍵盤等模塊組成。其中，芯片ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz，從而可減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度間的矛盾。此外，ATmega16AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器將直接與運(yùn)算邏單元(ALU)相連接。使得一條指令可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)伺時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大幅提高代碼效率，且具有比普通CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。該控制方案就是充分利用了ATmega16芯片高速的運(yùn)算能力和先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)來完成無功功率的快速檢測、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和配變檢測的功能。

AVR處理信號(hào)的過程是：首先對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣取得的信號(hào)進(jìn)行FFT算法運(yùn)算處理(計(jì)算功率因數(shù)、電壓、電流、有功功率等)。隨后判斷電壓是否過壓或欠壓，電流是否低于零，并根據(jù)結(jié)果決定是否要逐步切除電容器。計(jì)算無功功率需要補(bǔ)償?shù)臄?shù)值，且做出投切決策和輸出投切指令。