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摘要 随着国民经济的快速增长，国家对于电能的需求不断增加，各种用电设备所 需要的无功功率也会随着不断增加。无功功率在电网中的分布越来越复杂，会对 电能造成极大的浪费。基于此，电力系统的无功功率补偿作为电力系统与自动化 领域的一个很重要的研究课题，就具有特别重要的意义。 本文从介绍无功补偿的现实意义出发，分析了无功补偿的必要性，简单介绍 国内外无功补偿技术的研究现状，探讨无功补偿的几种方式以及无功补偿的基本 原理，具体阐述基于a r m 的低压电网无功补偿控制系统硬件及软件设计。 在硬件设计方面，使用a d 公司的电能计量芯片a d e 7 7 5 8 采集电网参量，再 结合处理速度快、具有流水线结构的a r m 7 系列处理器l p c 2 1 3 4 ，整个系统实现 了电量采集、数据存储、故障报警、自动投切电容等功能。同时使用l c d 菜单显 示，具有良好的人机界面，方便电网参数的查询及相关参数的设置。另外，本系 统还具有u 盘抄表功能。对于保存在存储器的数据，使用u 盘抄表，经过后台软 件处理并判读，更进一步增加了系统的可靠性。 在软件设计方面，基于a r m 开发平台a d s l 2 ，使用模块化设计方法，把不 同功能的芯片的驱动函数放在不同的文件中，有利于软件修改及调试。 本文所介绍的无功补偿控制系统在现场得到实际应用，应用表明，本控制器 能够正确采集并显示电网参数，并且根据电网参数自动投切电容器，功能符合设 计要求。 关键字：投切电容；无功补偿；功率因数 a b s t r a c t t h ef a s tg r o w t ho fn a t i o n a le c o n o m yh a sc r e a t e dag r e a td e m a n df o re l e c t r i c e n e r g y , a n dt h er e a c t i v ep o w e rr e q u i r e df o re l e c t r i c a le q u i p m e n t sc o n t i n u e st o i n c r e a s ea sw e l l t h ed i s t r i b u t i o no fr e a c t i v ep o w e ri np o w e r 鲥db e c o m e sm o r ea n d m o r ec o m p l i c a t e d ，w h i c hw i l lr e s u l ti na na p p a l l i n gw a s t et oe l e c t r i ce n e r g y b a s e do n t h e s ef a c t s ，t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni np o w e rs y s t e mb e c o m e sav e r y i m p o r t a n ta n ds i g n i f i c a n tr e s e a r c hs u b j e c ti np o w e rs y s t e ma n dt h e f i e l do f t h i st h e s i sb e g i n sw i t ha ni n t r o d u c t i o no ft h er e a l i s t i cm e a n i n go fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nt oa n a l y z e si t sn e c e s s i t y , t h e ng i v e sa no u t l i n eo fc u r r e n tr e s e a r c h s i t u a t i o no ft h et e c h n i q u e so f r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na th o m ea n da b r o a d ， w h i c hi sf o l l o w e db yad i s c u s s i o no fs e v e r a lw a y st oc o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e r a n du n d e r l i n gf u n d a m e n t a lp r i n c i p l e s ，h e r e a f t e rm a k e sad e t a i l e de l a b o r a t i o no nt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o ls y s t e mf o r l o w v o l t a g ep o w e r 鲥db a s e do ha r m w i t hr e g a r dt ot h eh a r d w a r ed e s i g n ，a d se n e r g ym e a s u r e m e n tc h i pa d e 7 7 5 8 w i l lb eu s e dt o a c q u i r et h ep o w e rg r i d sp a r a m e t e r s t h e nc o m b i n e dw i t h t h e a p p l i c a t i o no fl p c 2 13 4o fa r m 7s e r i e sf e a t u r i n gh i g hp r o c e s s i n gs p e e da n dp i p e l i n e o r g a n i z a t i o n ，t h ew h o l es y s t e mw i l lb ea b l ef o rf u n c t i o n ss u c ha se l e c t r i ce n e r g y a q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g e , m a l f u n c t i o na l a r m ，a u t o m a t i cs w i t c h i n go fc a p a c i t o r s ，e t c m e a n w h i l e ，l c di s u s e dt o d i s p l a yt h em e n u ，w h i c hw i l lp r o v i d e ag o o d m a l l c o m p u t e ri n t e r f a c et o f a c i l i t a t et h ei n q u i r yo fp o w e rg r i d sp a r a m e t e r sa n dt h e s e t t i n go fr e l a t e dp a r a m e t e r s i na d d i t i o n ，t h i ss y s t e mi sa v a i l a b l ef o rt h ef u n c t i o no f u m e t e r - r e a d i n g f o rt h ed a t as t o r e di nt h em e m o r y , u m e t e ri su s e dt og e tt h e ma n d b a c k g r o u n ds o f t w a r ei se m p l o y e dt op r o c e s sa n di n t e r p r e tt h e m a sar e s u l t ，t h e r e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mf u r t h e ri n c r e a s e s a st ot h es o f t w a r ed e s i g n , a d s1 2 ，b a s e do na r md e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，u s e s t h em o d u l a rd e s i g nm e t h o dw h i c hp u t sd r i v i n g - f u n c t i o no fc h i p sw i t hd i f f e r e n t f u n c t i o n si n t od i f f e r e n tf i l e s i ti sg o o df o rt h es o f t w a r e sm o d i f i c a t i o na n dd e b u g g i n g t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o ls y s t e mp r e s e n t e di n t h i st h e s i sh a s b e e na p p l i e dt ot h ep r a c t i c ew h i c hp r o v e st h a tt h ec o n t r o l l e rc a nm e a s u r ea n dd i s p l a y t h ep o w e rg r i d sp a r a m e t e r sc o r r e c t l y , a n ds w i t c hc a p a c i t o r sa u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n g t ot h ep o w e r 鲥d sp a r a m e t e r s i t sf u n c t i o n sc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：s w i t c hc a p a c i t o r s ；t h er e a c t i v ec o m p e n s a t i o n ；p o w e rf a c t o r 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本 人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方 式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ： 加。脖刁日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( v ( 请在以上相应括号内打“”) 鬣躲刷磴轹豫f 粑 日期：1 阳g 年朋叫日 日期：缈矿年岁月f 日 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设计 第一章绪论 1 1 无功补偿问题的提出及研究意义 随着我国经济改革的不断深入，国民经济持续快速增长，工业企业的数量不 断增加，人们生活水平不断提高，这些都导致电量的需求大大增加。相比较而言， 我国发电机的装机容量与输配电能力的增加速度没有需求快，致使我们一些省份 出现“电荒的情况，尤其一些经济相对发达的地区和用电负荷较大的大中城市。 更有甚者，部分城市在用电高峰期出现拉闸限电以使电网正常运行的情况，严重 制约着国民经济的发展，也给人民群众的生活带来很大不便m 。 电压是电能主要质量指标之一，电压高低反映无功出力与用户无功负荷是否 平衡。就我国来说，电力系统的用电负荷主要为感应电动机、变压器、感应电炉 与电弧炉、电焊机与电焊变压器、整流设备等感性负载。这些负载在消耗着大量 有功功率的同时也在消耗着大量的无功功率，造成电网功率因数偏低。大量感性 负载的使用使得必须提供足够的无功容量满足负载要求，否则会造成电网电压降 低，电网供电质量下降的不良后果。当电网低电压运行的危害可以归纳为以下5 种： 1 当电压下降到额定电压的6 5 - - - , 7 0 时，无功静态稳定破坏，发生电压崩 溃，造成大面积停电事故； 2 发电机因运行电压降低而减少它的有功功率及无功功率的输出，由于定 子电流与转子电流受额定值限制，因此发电机的有功出力及无功出力近 似与运行电压成正比关系； 3 送变电设备因运行降低而增加能耗； 4 烧毁用户发动机； 5 由于电源电压下降，引起电灯功率下降、光通量减小和照度的降低。 在电力系统电压和无功电力管理条例中规定，高压供电的工业用户和高 压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户功率因数为o 9 0 及以上，其他 1 0 0 k v a ( k w ) 及以上电力用户和大、中型电力排灌站功率因数为0 8 5 及以上，趸 售和农业用电功率因数为0 8 0 及以上。凡功率因数未达到上述规定的新用户， 供电局可拒绝接电瞳1 。 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设计 感性负载分布的不规律性也要求电网根据负载情况合理分配无功，否则容易 形成大量的无功功率在电网中流动，降低电网容量，使得电网线路损耗增加，同 时也增加了电网的运行成本，影响电力系统供电的经济性。当前国家要落实科学 发展观，大力推行节能降耗，所以研究无功补偿技术，提高电网运行质量，具有 很重要的意义。 1 2 国内外无功补偿技术发展现状与研究趋势 人们认识到电力系统中无功功率给电力设备运行所带来的各种弊端，很早就 对无功补偿技术进行研究。伴随着电力设备的发展以及新的控制技术的提出，无 功补偿技术也在不断发展。无功补偿设备的发展经历了由无源到有源，由分级调 节到平滑调节，由单纯补偿无功功率到无功补偿与滤波相结合的发展道路。目前 无功补偿的研究工作还在继续，必将有更先进更智能也更加合理的更能符合电力 系统无功补偿要求的无功补偿设备出现，以更好的保证电网的安全运行。 1 2 1 早期无功补偿技术 1 并联电容器组 并联电容器可以改善线路参数，减少线路无功功率。另外，并联电容器 简单经济、灵活方便，且维护方便，既可集中补偿又可分散安装，所以并联 电容器组还是我国目前主要的无功补偿装置。其缺点是只能补偿固定的无功 功率，容易发生谐振烧坏电容器。 2 同步调相机 同步调相机可以理解为专业用来产生无功功率的同步电机，它可以根据 需要控制同步电机的励磁，让其处在过励磁或是欠励磁的状态下，从而产生 大小不同的容性或感性无功功率，所以同步调相机可以对系统无功功率进行 动态补偿。但是它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声比较大，造价高、运 行维护复杂，且响应速度慢，难以满足快速动态补偿要求。同并联电容器组 补偿方式相比，同步调相机的优点是在系统发生故障引起电压降低时，同步 调相机可以提供电压支持；无功容量可以连续调节；还可实现在短时间内强 行励磁，对提高电力系统的稳定性有很大好处n 】。 2 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设计 3 同步电动机补偿 在满足生产工艺的要求下，选用同步电动机，通过改变励磁电流来调节 和改善供配电系统的功率因数。过去由于同步电机的励磁机是同轴的直流电 机，价格高、维修麻烦，所以同步电动机应用不广。现在随着半导体变流技 术的发展，励磁装置已经比较成熟，因此采用同步电动机补偿是一种经济实 用的方法。 1 2 2 现代无功补偿技术 随着电力电子技术的发展，近几年出现了多种无功补偿新技术。电力电子技 术是无功补偿技术的基础，电力电子器件向快速、高电压、大功率发展，使采用 电力电子器件的无功补偿从根本上改变了过去交流电网基本只依靠机械型、慢速 及不精确的控制局面。从而为交流电网提供了空前快速、连续和精确的控制和优 化交流功率的能力。电力电子器件的发展，使无功补偿控制器已由基于s c r 的静 止无功补偿控制器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r s v r ) 、晶闸管控制串联电容补偿 器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t o r - t c s c ) 发展到基于g t o 的静止 无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r - s v g ) 、静止同步串联补偿器( s t a t i c s y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r s s s c ) 、统一潮流控制器( u n i f l e dp o w e rf l o w c o n t r o l l e r u p f c ) 、可转换静止补偿器( c o n v e r t i b l es t a t i cc o m p e n s a t o r c s c ) 加蟹 1 】 3 】 口o 1 2 3 国内外无功补偿研究现状 最早的无功补偿控制器是以功率因数为依据进行控制的，这种控制器因为价 格低廉现在仍然在使用。以功率因数为依据进行控制的最大问题就是轻载振荡。 例如：一台补偿装置里最小的电容器容量是l o k v a r ，负荷的感性无功量为5 k v a r 且功率因数为滞后o 5 。这时，投入一台电容器则功率因数变为超前0 5 ，切除 电容器则功率因数变为滞后0 5 ，于是震荡过程就会没完没了地进行下去。 较新型的无功补偿控制器都是以无功功率为依据进行控制的，这就要求必须 具备设定功能，可以对补偿装置中的电容器容量进行设定，从而可以根据负荷无 功量决定怎样投入电容器，因此可以消除轻载振荡现象。 3 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设计 随着技术的不断进步，无功补偿控制器的附加功能也越来越多，如数据存储， 数据通信，谐波检测，电量检测等等。使用的控制元件也从最初的小规模集成电 路到8 位单片机，再到1 6 位单片机，再到1 6 位d s p ，直至最高级的3 2 位单片 机。现在的3 2 位单片机的价格已经降到3 0 多元一片，对控制器的硬件成本已经 没有多少影响，其性能超过8 位单片机1 0 0 倍以上，难以普及的原因主要是技术 开发难度太大。 我国对电力参数和无功补偿的研究起步较晚，测量仪器整体测量水平较低， 存在着实时性不强、检测指标少、效率低、无功补偿往往与电力参数检测设备分 离等局面。近年来，我国不少厂家通过借签国外的设备以及与国外公司合作，不 断研制和推出了一系列高性能的各种无功补偿测量仪器，还具有4 8 5 、g p r s 、红 外线等通信方式。但仍然存在设备体积较大，功能不全面，功耗高，仪表数据存 储量低，补偿效果较差等缺点。 国外厂家在这方面的起步较早，已进入进行智能化时代。进入9 0 年代以来， 计算机技术、微电子技术、控制技术特别是网络通信技术的发展，使得测量控制 技术得到空前发展。国外各大公司把这些技术应用到测量控制装置上，研制并推 出了众多在世界范围内处于领先地位的设备仪器，如美国f l u k e 公司的f 4 3 b 电 能质量分析仪，瑞典u n i p o w e r 公司的u p 系列电能质量测量控制器等。 随着无功补偿装置应用的不断普及，补偿装置与其他设备的组合是一个必然 趋势。例如补偿装置与计量箱的组合，补偿装置与开关箱的组合等等。组合装置 可以降低成本，减少占用空间，减少连接线，减少维护工作量。组合装置的设计 制造没有技术难度，只是因为没有统一的标准，所以生产厂商只能根据订货来组 织生产。 1 3 本人所做的主要工作 本文从介绍无功补偿的现实意义的开始，详细叙述无功补偿的原理、工作方 式，开发了基于a r m 7 处理器的无功补偿控制器，并在现场得到实际应用。主要 做了以下工作： 1 通过c 语言程序实现了系统各个模块的驱动程序； 2 改进系统的硬件设计； 4 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设计 3 在硬件与软件方面都做了抗干扰措施； 4 对系统故障增加故障报警及系统保护机制。 5 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设计 第二章无功补偿的理论介绍 2 1 无功补偿理论及相关概念 人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举 的事。目前关于无功功率的理论分为传统的功率理论和瞬时无功功率理论两种。 在传统的功率理论中，有功功率、无功功率、视在功率和功率因数的概念都是清 楚的，而在含有谐波时，或三相电路不平衡时，功率现象比较复杂。 2 1 1 正弦电路的无功功率理论 在正弦交流电路中，如果负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。 对于如图2 - 1 所示的内部不含有独立电源，只含电阻、电感和电容等无源元件的 一端口，设电路中正弦交流电压为钔： 图2 1 无源一端口网络 “：撕s i nc o t ( 2 1 ) 一端口等效负载为z ，则流过负载电路中的电流为： i = ( , 2 u s i n ( o p t ) ) z ( 2 2 ) 当负载z 不是纯阻性时，流过负载的电流就会和电压有一个相角差值矽，即，此 时电流表示为： f = ( , 2 u i z1 ) s i n ( c o t + q ，) = , j 2 1 s i n ( c o t + c p ) “”( 2 - 3 ) 其中izi 为负载的模。如果把电流j 分解为和电压同相位的分量妨和与电压垂直 的分量岛，则易和i q 分别为： 6 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设计 i p = _ 2 ic o s ( p s i n 0 2 t q = , f 2 1 s i n 辱o c o s c o t ”( 2 4 ) 此时电路的有功功率p 就是其平均功率，即： p = 去卜m 垆去和易+ i q 川耐) = 去r ”( u l c o s 伊一u l c o s 缈c o s 2 0 ) t ) d ( m 沪去r 疗n 沁n 2 t d ( o r ) = u c o s 吁o 一( 2 - 5 ) 可以看出，有功功率p 不再是电压u 和电流，的有效值乘积，还要乘以二者夹角 的余弦值。设： 五= c o s 则z 即为功率因数。 电路的无功功率定义为： q = u i s i n q ( 2 6 ) 可以看出，q 就是式2 5 中被积函数的第2 项无功功率分量“南的变化幅度。 砒，的平均值为零，表示了其有能量的流动但是却并不消耗功率。q 则表示了这 种能量交换的幅度。因此广，可以把式2 - 4 描述的西和i q 分别称为正弦电路的有功 电流分量和无功电流分量。 无功电流分量的产生是由于系统中含有电感性或电容性负载而产生的，该电 流用于建立磁场或静电场，存储于电感或电容中，并往返于电源与电感或电容之 间，而不会像有功功率那样被消耗掉。 电路中将电压“和电流i 的有效值乘积定义为视在功率，即： s = u i ( 2 - 7 ) 视在功率只是电压有效值和电流有效值的乘积，它并不能准确反映能量交换 和消耗的强度，并且在一般电路中，视在功率并不遵守能量守恒定律。 从式2 - 5 、2 - 6 和式2 - 7 可以看出，有功功率、无功功率、视在功率在数值 上满足如下关系： s 2 = p 2 + q 2 7 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设计 在正弦波网络中，当负载为感性时，线路电压相位会超前线路的电流相位， 即此时的缈 o ，无功功率q o ，我们说网络“吸收 感性无功功率，也可以说是 “发出容性无功功率；当负载为容性时，线路电压相位会滞后线路的电流相位， 即此时的缈 0 ，无功功率q r ，q x p r ，因此安装无功补偿装 1 2 基于a 蹦处理器的无功补偿控制系统设计 置后，引起坶线的稳态电胜升局为： u - u 一呸= 鱼u 兰( 3 3 ) 若补偿装置连接处母线三相短路容量为& ，则x = 瓦u 2 ，代入上式得： 【，：u 璺( 3 4 ) s k 或坐：鱼 u s x 式中： 厶u 一投入并联电容器装置的电压升高值，k v ： u 一并联电容器装置未投入时的母线电压，k v ； q c 一并联电容器装置容量，m v a r ； & 一并联电容器装置连接处母线三相短路容量，m v a 。 由上式可见，q c 愈大，& 愈小，u 愈大，即升压效果越显著，而与 负荷的有功功率，无功功率关系不大。因此越接近线路末端，系统短路容 量& 愈小的场合，安装并联电容器装置的效果愈显著。统计资料表明，用 电电压升高l ，可平均增产0 5 ；电网电压升高1 ，可使送变电设备容量 增加1 5 ，降低线投2 ；发电机电压升高1 ，可挖掘电源输出1 。 2 并联电容器降低线损 线损是电网经济运行的一项重要指标，能源部已颁发线损管理条例。线 损与通过线路总电流的平方成正比，设送电线路输送有功功率p 为定值，功 率因数为1 时，流过线路的总电流为，线路电压为u ，等值电阻为r ，则 此时线损为： 只t2 3 厶2 r = 3 ( ：；i ；暑击) 2 r ：上r ( 3 5 ) u 。c o s 2 鲲 设并联电容器安装后，功率因率提高为c o s 仍，则线损为： 1 3 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设计 吃。3 p 肚3 南c o s j u ) 2 碾纸、， =ijii。：岳2宅(3，6) 线损降低值为： 小耻耻参r ( 击一去) ( 3 棚 3 。安装并联电容器释放发供电设备容量 由图2 4 可见，安装并联电容器装置后，若有功功率p 1 不变，功率因 数由c o s 弼提高到c o s t a 2 ，相应的视在功率由s 1 减小到s 2 ，即释放容量 s = 墨一岛，因此可减少系统输变电设备容量，或者提高系统的输送能力， 节约建设投资。 s ：墨一墨：上一上 c o s 仍c o s 仍 ：p ( j 一一j i _ ) c o s 仍c o s 仍 ：墨c 。s 仍( _ l 一上) c o s 仍c o s 仍 = 墨( 1 一盟) ( 3 8 ) c o s 仍 4 安装并联电容器减少电费支出n 1 并联电容器无功补偿减少电费支出的原因主要有：一是供电部门按有功 电度和无功电度折算出平均功率因数调整电费；二是在有功负荷不变时，可 更换容量较小的变压器，因此可减少按变压器容量支付的基本电费。 3 2 并联电容器补偿方式 无功补偿方式根据电容器投切的速度可以分为静态补偿和动态补偿。 1 静态补偿1 1 1 4 基于a 刚处理器的无功补偿控制系统设计 电容柜的控制器测出电路的功率因数并决定要补偿的电容器，并投入 电容器补偿，需要一定的时间。特别是某个或几个电容器从电路中切除后 需要有一定的时间间隔进行放电，才可以再次投入。有的负载变化快，这 时电容器的切除、投入的速度跟不上负载的变化，所以称为静态补偿。静 态补偿的优点：价格低，初期的投资成本少，无漏电流。缺点：涌流大， 影响接触器的使用寿命，应用时要采取限流措施( 如采用限流接触器) 。 2 动态补偿 采用晶闸管控制电容器的接入和切除，选择电路上电压和电容器上电压 相等时投入、切除，此时流过晶闸管和电容器的电流为零。解决了电容器投 入时的涌流问题。动态补偿的优点：涌流小、无触点、使用寿命长、投切速 度快( 小于2 0 m s ) 。缺点：价格高、发热严重、耗能、有漏电流。 并联电容器无功补偿方式按照电容器安装地点的不同又可分为集中补 偿、分组补偿和就地补偿n 1 。 1 分组补偿方式：将电容器组安装在功率因数较低的终端配电所高压 或低压母线上，也称作分散补偿。这种方式与集中补偿方式有相同 的优点，仅无功补偿的容量较小，但是分组补偿效果明显，使用比 较普遍。 2 集中补偿方式：将电容器组直接安装在变电所的6 - i o k v 母线上， 用来提高整个变电所的功率因数，使变电所在供电范围内无功功率 基本平衡。可以减少高压线路的无功损耗，而且能够提高供电电压 质量。 3 就地补偿方式：将电容器组安装在异步电机或者电感性用电设备附 近，就地进行无功功率补偿。这种补偿方式既能够提高用电设备供 电回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量，对中小型设备 十分适用。 电容器补偿方式的缺点主要有三个方面，一个是其容量有限，一个是不能对 线路进行动态的无功补偿，一个是其无功功率的出力与电容器上的电压平方成正 比的特性，使得其无法对线路的电压提供支持。电容器补偿容量计算如下式： - - 2 珐= ：争”( 3 9 ) 1 5 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设计 上式中以为电容器的容抗值。 当线路电压降低时，电容器的无功出力下降，对电网的无功补偿容量下降， 使得电网电压下降，而电网电压的下降使得电容器对电网的无功补偿能力进一步 下降，致使电网电压继续跌落，形成恶性循环。 采用并联电容器组方式的低压无功补偿技术根据电容器组投切开关的不同 又可以有不同的方案。一种是采用空气接触器投切电容器组的方案，该方案具有 经济实惠、价格低廉的优点，但是一般来说，其单柜的补偿容量比较小，并且存 在合闸涌流大、合闸弹跳严重的缺点，会影响电容器使用寿命。另一种是采用可 控硅投切电容器组的补偿方案，该方案具有在电压零点无涌流接通电流的优点， 但是存在可控硅发热严重、功耗较大、抗过电压抗电流冲击能力差、导通时会产 生谐波等缺点。采用可控硅+ 空气接触器投切电容器组也是一种可选择的方案， 该方案结构复杂，兼有上述两种方案的优点和缺点。 3 3 并联电容器投切方式 1 用交流接触器投切 早期的无功补偿装置主要采用交流接触器作为并联电容器的投切开关， 迄今仍有沿用。其缺点主要表现在： ( 1 ) 投入电容时会产生涌流，容易在接触器的触点处产生火花，烧损触 头。 ( 2 ) 切除电容时，可能会粘住触头，造成拉不开。 ( 3 ) 涌流过大时电容器本身有害，会影响使用寿命。 所以实际应用时要针对性的采取一些措施，如： ( 1 ) 适当选择额定容量较大的接触器。 ( 2 ) 采用专用接触器，如c j l 9 、b 7 5 c 等系列。 ( 3 ) 串联电抗器以抑制涌流。 2 晶闸管投切n 1 采用双向晶闸管的无触点开关电路( 又称固态继电器) 取代交流接触器 用于投切电容器的接线。其优点是过零触发，无拉弧，动作时间短，可大 幅度地限制电容器合闸涌流，特别适合于频繁投切的场合。但也存在以下 1 6 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设计 缺点： ( 1 ) 采用双向可控硅制造成本高，晶闸管开关电路的补偿柜价格要比采 用接触器的补偿柜贵7 0 8 0 左右。 ( 2 ) 晶闸管开关电路运行时有较大的压降，运行中的电能损耗和发热较 高，同时有功消耗的发热量还会增加整个补偿装置的温升。 ( 3 ) 晶闸管电路本身也是谐波源，大量的应用对低压电网的波形不利。 因此，除了对晶闸管开关电路加以改进外，还应使之在完成开合闸操 作后退出。仍由与之并联的接触器维持电容器的正常运行。 3 等电压投，零电流切的新型无触点开关电路n 1 等电压投零电流切的新型无触点开关电路的接线如图3 1 所示，图中 j 为交流接触器的触点。其运行操作顺序说明如下：当投入电容器时，先由 微控制器发出信号给晶闸管开关电路，使之在等电压时投入电容器，微控 制器紧接着又发信号给接触器j ，使其触点也闭合，将晶闸管开关电路短路， 由于接触器j 闭合后的接触电阻远小于开关电路导通时的电阻，达到了节 能和延长开关电路使用寿命的目的。当需要切除电容器时控制器先发信号 给接触器，使接触器触点j 断开，此时开关电路处于导通状态，并由开关 电路在电流过零时，将电容器切除。本方案的优点是：运行功耗低、涌流 小、谐波影响小，制造成本低，开关电路和接触器的使用寿命长。 j 图3 1 等电压投零电流切的开关电路 1 7 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设计 3 4 并联电容器接线方式 1 三线共补接线 传统的低压补偿都是采用三相共补的方式，根据控制器统一取样，各 相投入相同的补偿容量，这种补偿方式的接线如图3 2 所示。适用于三相 负载基本平衡，各相负载的功率因数相近的网络n 1 。 图3 2 并联电容器共补方式接线方式图 2 三相分补接线 三相分补的方式如图3 3 所示，就是各相分别取样，各相分别投入不 同的补偿容量。适用各相负载相差较大，其功率因数值也较大差别的场合。 与三相共补的不同特点是n 1 ： ( 1 ) 单台并联电容器的额定电压为2 5 0 v ，y 型接法。 ( 2 ) 控制器分相进行工作，互不影响。当然其价格相对高于三相共补 的装置。 【 r【工丁- l ( 地)上l ( 地)上 图3 3 并联电容器分补接线方式图 1 8 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设计 3 三相共补与分补相结合的接线 从经济的角度出发，也可以采用电容器共补分补相结合的接线方式， 如图3 4 所示。三相共补部分的电容器为共补型接法，三相分补部分的电 容器为y 型接法。这种方式的补偿装置，运行方式机动灵活，其成套价格 低于三相分补的并联电容器接线方案n 1 。 图3 4 并联电容器共补与分补相结合的接线方式 3 5 并联电容器组无功补偿的原理 在实际的电力系统中，大部分负载为异步电动机。包括异步电动机在内的绝 大部分电气设备的等效电路可看作是电阻r 和电感l 串联的电路，其功率因数为： c o s 矽：坠( 3 1 0 ) s 缈2 4 r 24 r x i , 2 ”“”。3 一 式中t = o l 。 给r 、l 电路并联接入电容器c 之后，电路如图3 5 所示。 1 9 基于a r m 处理器的无功补偿控制系统设汁 舀) k b ) c ) 图3 5 并联电容补偿无功功率的电路和向量图 该电路的电流方程为： i = l + k ( 3 一1 1 ) 由图3 5 b 的向量图可知，并联电容器后电压u 与电流j 的相位差变小了， 即供电回路的功率因数提高了。此时供电电流，的相位滞后于电压【，这种情况 称为欠补偿。 若电容器c 的容量过大，使得供电电流，的相位超前于电压u ，这种情况称 为过补偿，其向量图如图3 5 c 所示。通常并不希望出现过补偿的情况，因为这 会引起变压器二次侧电压的升高，而且容性无功功率在电力线上传输同样会增加 电能损耗。如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使 温升增大，影响电容器的使用寿命n 1 。 3 6 并联电容器投切注意事项 在电容器组与电源接通后的很短时间内，电压和