无功补偿自控方案在电力设计中的应用比较

摘要 简述了无功补偿的原因和意义、补偿途径和方式。研究了传统电子式自动补偿控制方案、基于单片机控制技术的无功补偿自控方案以及基于PLC控制技术的无功补偿自控方案等设计结构和原理。并对其性能和电路结构特点进行比较，为电力设计提供参考。
关键词 无功补偿；单片机控制补偿；PLC控制补偿

1 无功补偿概念
随着经济、科技的快速发展，企业大量采用异步电动机和变压器，大型可控硅装置的应用和大功率冲击性负荷的存在，使得电力系统功率因数变低，电压波动增大。安装并联电容器进行无功补偿的主要作用是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗以及稳定电压和提高供电质量，在长距离输电中提高输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功率。
根据补偿安排方式不同，无功补偿可分为：集中补偿、分散补偿和就地补偿3种。集中补偿装设在企业或地方总变电所6～35 kV母线上，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，目的是改善输电网的功率因数、提高终端变电所的电压及补偿主变的无功损耗。分散补偿装设在功率因数较低的车间或村镇电所的高压或低压母线上。这种方式与集中补偿有相同的优点，但无功容量较小。分散补偿通常采用10 kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上或另行架杆进行无功补偿，以提高配电网功率因数，达到降损升压目的。因其具有投资小，回收快，补偿效率高，便于管理和维护等优点，适用于功率因数较低且负荷较重的长配电线路。就地补偿适宜装设在异步电动机或电感性用电设备附近，既能提高用电设备供电回路功率因数，并且能提高用电设备的电压质量。《供电系统设计规范》(GB50052—2009)指出：在环境正常的建筑物内，低压电容器宜分散设置。故对企业和厂矿中的电动机，应进行就地无功补偿，即随机补偿。针对小区用户终端，由于用户负荷小，波动大，地点分散，无人管理，因此需开发一种新型低压终端无功补偿装置。
根据补偿控制方式的不同又可分为：电子式自动控制补偿、单片机控制补偿及PLC控制补偿等多种。电力设计时，选择合适的无功补偿自动控制方案(要求：智能型控制，免维护；体积小，易安装；功能完善，造价较低)对于提高供电安全性、降低生产及用电成本意义斐然。

2 典型无功补偿自控方案
2．1 电子式自动补偿控制方案
传统的电子式自动补偿控制方案由分立元件组装如图1所示，分立元件组装的自动控制系统包括相位和电流检测单元、无功运算及比较单元、投切控制单元及电容器组等。投切开关多采用交流接触器。其缺点是产品元件多、设备体积庞大、线路复杂维修困难、可靠性差，响应速度较慢，在投切过程中会对电网产生冲击涌流，使用寿命短。个别使用单位由于设备无法修复，仅单靠人工手动进行控制。

2．2 单片机控制技术的无功补偿方案
一种典型的基于ATmega16单片机控制技术的无功自控方案如图2所示，系统主要由信号调理模块、AVR处理模块、控制补偿模块、液晶显示模块和键盘等模块组成。其中，芯片ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS／MHz，从而可减缓系统在功耗和处理速度间的矛盾。此外，ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器将直接与运算逻单元(ALU)相连接。使得一条指令可在一个时钟周期内伺时访问两个独立的寄存器。这种结构大幅提高代码效率，且具有比普通CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。该控制方案就是充分利用了ATmega16芯片高速的运算能力和先进的体系结构来完成无功功率的快速检测、动态补偿和配变检测的功能。

AVR处理信号的过程是：首先对A／D转换器输出的信号进行采样，并将采样取得的信号进行FFT算法运算处理(计算功率因数、电压、电流、有功功率等)。随后判断电压是否过压或欠压，电流是否低于零，并根据结果决定是否要逐步切除电容器。计算无功功率需要补偿的数值，且做出投切决策和输出投切指令。