STM32与智能低压无功补偿

1万 · 2019-1-26 09:42

近年来城乡电网中使用感性负荷越来越多，无功补偿技术在各个低压配电网的公用配变
中越来越得到广泛应用。但当前的无功补偿设备存在一些缺点，研制小型化、模块化、智能
化、保护功能齐全、可靠性高的无功补偿设备，对于城乡电网建设和改造具有重要意义。
论文分析了无功补偿装置在实际应用中的缺点和不足，通过无功补偿原理对各种补偿方
式进行分析比较，研究其各自特点和优劣，设计了一个用于380V低压电网的智能无功补偿
系统，该系统能够精确地采集并计算得到电网参数值，计算出需要投切多少容量的电容器，
并且在电压电流过零点利用晶闸管复合开关投切电容器，补偿电网中消耗的无功功率，提高
电网质量。
论文给出了智能低压无功补偿系统的标准架构和简化架构。标准架构由无功补偿控制器
和智能补偿电容器综合模块两部分组成，无功补偿控制器根据采集及计算得到精确电网参数，
向智能补偿电容器综合模块传递投切电容器的指令;智能补偿电容器综合模块根据得到的指
令投切电容器，适用于电网参数采集精度要求高、频繁投切电容器的电网段。简化架构仅通
过多台智能补偿电容器综合模块的配合使用构成，其中一台智能补偿电容器综合模块当作为
主控制器，指令自身和其他智能补偿电容器综合模块投切电容器，适用于网电参数采集精度
要求不高、电网相对稳定不会频繁投切电容器的电网段。
论文设计了以主控芯片S TM32F 103 TRC6和计量芯片ADE7878为核心的无功补偿控制器
硬件结构，完成了电流电压采样、温度检测、液晶显示和按键处理、数据储存、RS485通信
等硬件组成模块的电路设计。论文设计了无功补偿控制器的嵌入式软件流程，完成了电网数
据采集和计算、温度采集、液晶显示和按键处理、自动投切逻辑、报警、RS485通信等软件
模块的程序设计。该无功补偿控制器能够实时采集并计算电网参数，采用循环投切或优化投
切方式的自动投切逻辑，计算出所需投切的补偿电容，通过RS485向智能补偿电容器综合模
块传递投切电容器的指令。
论文设计了智能补偿电容器综合模块的硬件结构，完成了电压电流采样、数码管显示和
按键扫描、过零检测和复合开关投切等硬件组成模块的电路设计。论文设计了智能补偿电容
器综合模块嵌入式软件流程，完成了功率因数等电网参数计算和复合开关控制等主要软件模
块的程序设计。该智能补偿电容器综合模块能够与无功补偿控制器保持实时通信，接收投切
电容器指令，合理控制复合开关在电压电流过零点投切电容器，投入电容器时达到无涌流、
无冲击电压、无高频振荡的效果，并具有电容器切除后再投入的放电延时功能。同时该智能
补偿电容器综合模块本身也能作为主控制器使用，采集并计算得到电网参数值，采用循环投
切或优化投切方式的自动投切逻辑，计算出需要投入多少容量的电容器，控制自身的复合开
关和指令其他智能补偿电容器综合模块投切电容器。

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目前，我国总的无功补偿装置还存在很多问题，主要表现在无功补偿容量不足和无功补
偿装置的自动投切能力较差，无法很好的发挥补偿作用来满足电网电压的需求。因此，研究
适用于频繁自动投切电容器的控制方式及装置，是改善电网电压质量的重要措施【16]。现有低
压配电网中，并联电容器无功补偿装置主要遇到的问题有:
}1}投切振荡问题。所谓“投切振荡”是指在某些负荷情况下，当投入一组电容器，功
率因数会超过上限值，当切除一组电容器，功率因数会低于下限。如此反复投切的现象，不
仅会造成电容器以及投切开关的使用寿命，而且对系统的稳定性也造成巨大影响。这种现象
的发生一方面是因为电容器的分组数和容量不合理;另一方面和功率因数的上下限设置范围
有关。
(2)没有考虑谐波对电容器的影响。当谐波含量过大时，电容器的寿命会受到影响。由
于电容器对谐波具有放大作用，所以会使系统的谐波干扰更加严重。因此，在有较大谐波干
扰且需要无功补偿的场合，应考虑添加滤波装置。
(3)采样方式不当造成无功倒送。有些控制器为了降低成本和提高运算速度，只采样单
相电压、电流信号，因此当三相负载不平衡时无功功率检测错误，造成其中一相过补或者欠
丰卜。
(4)补偿速度慢，精度差。采样三相电压、电流信号，通过fft变换耗时较长，单片机
难以对无功功率进行实时检测，使得补偿精度比较差。
(5)投切开关设计不合理。当采用接触器作为电容器投切开关时，会产生冲击电流引起
电网电压波动，造成接触器损坏。采用晶闸管投切，也会因为触发脉冲控制不当而导致运行
中频繁发生故障，产生冲击电流损坏晶闸管，降低电容器使用寿命。
C6)投切方式不合理。采用“顺序投切”方式是指排序在前的电容器先投后切，排在后
面的后投先切。这样会导致前面的电容器常处于运行状态，积累热量不易散失，影响电容器
使用寿命，并且后面的投切开关经常动作，影响开关的使用寿命。合理的方法是“循环投切”，
先投入的电容器组先退出，后投入的后切除。这样使得电容器组和投切开关使用几率均等，
延长了投切开关和电容器的使用寿命。

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本文所做的主要研究和完成工作有:
(1>完成无功补偿控制器的软硬件设计:设计了以主控芯片STM32F 103 TRC6和计量芯
片ADE7878为核心的无功补偿控制器硬件结构，完成了电流电压采样、温度检测、液晶显示
和按键处理、数据储存、RS485通信等硬件组成模块的电路设计;设计了无功补偿控制器的
嵌入式软件流程，完成了电网数据采集和计算、温度采集、液晶显示和按键处理、自动投切
逻辑、报警、RS485通信等软件模块的程序设计。
C2)完成智能补偿电容器综合模块的软硬件设计:设计了智能补偿电容器综合模块的硬
件结构，完成了电压电流采样、数码管显示和按键扫描、过零检测和复合开关投切等硬件组
成模块的电路设计;设计了智能补偿电容器综合模块嵌入式软件流程，完成了功率因数计算
和复合开关控制等主要软件模块的程序设计。
(3)针对优化投切方式自动投切逻辑需要线下计算获得电容器投切查询表，设计了无功
补偿模糊控制算法并在MATLAB中实现，获得了电容器投切查询表，并对采用电容器投切查
询表的智能低压无功补偿器进行了MATLAB系统建模和仿真。

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当装设补偿电容后，线路的压降△U公式如下:

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(一)变电站集中补偿方式
方式一为变电站集中补偿，其补偿装置有电容器、同步调相机、静止无功补偿装置等。
主要作用是改善电网的功率因数和提高终端变电所电压，以及补偿主变压器的无功损耗。这
种补偿方式比较适用于远离变电所且本身又有一定高压负荷的用户，可以降低电力系统无功
的消耗，减少用户的电费。其缺点是只能作用于补偿点以上的网络，不能减少全线路的无功
负荷，因此补偿效果不如分散补偿效果好;并且在高压侧补偿容量大，容易产生很大的冲击
电流，具有一定的局限性。
(二)低压集中补偿方式
方式二为低压集中补偿，是目前我国应用比较广泛的在配电房380V侧进行补偿的方式。
一般采用单片机控制的低压并联电力电容器柜，容量在几十到几百千伏之间不等。其作用是
可以就地补偿变压器的无功损耗，通过补偿一定的无功量，能够将功率因数保持在规定的范
围内。优点是接线简单、维护工作量小、提高配电变压器利用率、降低网损等等，但是它只
能减少变压器因输送无功功率造成的损耗，却无法减少用户内部的无功损耗，因此也具有一
定的局限性。目前国内有些厂家生产的自动补偿装置以电压为依据来保证用户的电能质量，
这种方法虽然有助于保证电能质量，但是由于线路的电压水平是由系统情况决定的，当线路
电压基准偏离较大时，无功的投切量与实际需求相差很大，会出现过补偿或欠补偿的现象【‘9]。

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因此，对于投入的无功量，需要同时考虑电压值和功率因数的大小，然后通过算法确定需要
投入的无功量进行无功补偿。
(三)分散补偿方式
方式三为分散补偿方式，将电容器组安装在1 OKV乡镇和工矿企业的配电线路或者架空
线路的杆塔上，用来提高末端电压和补偿无功消耗，进而改善电压质量。由于安装点远离变
电站，容易出现维护工作量大、安装环境和空间限制、控制成本高等问题，所以必须和一些
实际工程要求相结合:C1)为了防止配电线路轻载时过电压和过补偿现象，同时也考虑到空
间有限和安全问题，补偿的电容器容量不宜过大;C2)杆上补偿不设分组投切，控制方式从
简;(3)采用熔断器作为过流保护，氧化锌避雷器作为过电压保护;(4)防止电容器安装后
出现谐振的现象。
分散补偿的主要优点是补偿配电变压器的无功功率，降低乡镇和工矿企业配网线损，并
且对于功率因数较低且负荷中的长配电线路具有投资小、回收快、补偿效率高等优点[}ao}。但
是固定补偿对于负荷波动大的线路具有适应能力差的缺点，因此经常无法满足补偿要求。
(四)用户终端补偿方式
方式四为用户终端补偿，就是将电容器安装在用户末端或电感性用电设备附近进行无功
补偿，这种补偿方式既能最好地降低电网损耗，又能维持电压水平和提高设备功率因数。乡
镇和工矿企业中低压线路较长的电动机或者是大批农用排灌电动机常采用这种补偿方式，其
优点是:减少末端电压波动，提高电压质量;节约电能损耗，节省用户用电开资;接线简单、
便于管理;提高低压电网的功率因数，降低配电网线损。缺点是补偿电容器组的容量吸收按
电动机空载电流选择，因此电动机带负荷运行长期处于欠补偿状态，仍需由电源端向受电端
输送无功功率，无功损耗仍然存在[fall
以上四种补偿方式各有利弊，若将四种方式统筹考虑、合理布局，可以取得很好的技术
经济效益。在无功补偿中，首先要确定合适的补偿点，然后根据网络特点，选择几个中枢点
以实现对其他节点电压的控制。为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备
的效率，应当遵循“分级补偿，就地平衡”的原则[faal。无功补偿与电压调节应遵循原则有:
C1)总体平衡与局部平衡相结合，局部为主;C2)供电系统补偿与用电系统补偿相结合;(3)
分散补偿和集中补偿相结合，分散补偿为主;(4)降损和调压相结合，以降损为主，兼顾调
压;(5)尽量减少无功功率与电源能量在输电线路的交换。

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2.4无功补偿控制策略
根据控制物理量的不同，无功补偿所采取的控制策略也多种多样。按控制物理量来分无
功补偿策略有:无功功率、功率因数、电压控制，复合控制方式等等。利用其中一个物理量
进行控制，都有不足之处，因此需要两个物理量相结合进行控制。需要达到比较合理的补偿
应该做到一下几点[3}: (1>最大限度的提高功率因数;C2)不发生过补偿;(3无投切振荡;
(4)无冲击电流;(5)反映迅速灵敏。
2.4.1功率因数控制方式
以功率因数作为控制量，就是算出电网此时的功率因数值，将其与事先设定的功率因数
投入门限和切除门限相比较。当功率因数小于投入门限时，将电容器投入电网中;当功率因
数大于切除门限时，将电容器切除。一般这种方法广泛用于低压配电网380V处。
这种控制方式主要的缺点是轻载时存在投切振荡，如图2.3所示。当负荷比较小时，存在
一些区域(如区域S1)，当投入一组电容器，补偿点从S1增长到S2，此时功率因数超过切
除门限，需要切除一组电容器;切除一组电容器后，补偿点又返回到S1，功率因数低于投入
门限，需要投入一组电容器。如此反复投切电容器，我们称之为“投切振荡”。“投切振荡”
对于电容器和投切装置的寿命会产生巨大的影响，这种状况解决的方法是对电容器的最小容
量进行调整，或者在控制策略上当遇到振荡现象则让其停留在功率因数最接近的投入门限处。

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2.4.3电压控制方式
电压控制方式是当无功负荷增大时，根据母线电压下降的特点，以保持安装点电压在一
定范围内。控制器计算出电网母线电压，当超过电压上限时切除电容器;当低于电压下限时，
则投入电容器。这种方法多用于对集中负荷点的电压调整，但是由于电容器只能发出容性无
功功率提高电压，而不能发出感性无功降低电压，因此只在重负荷时效果比较明显，当轻负
荷时比较少用。
2.4.4复合控制方式
复合控制方式是指以某一物理量作为主判据，另一物理量作为辅助判据。例如以功率因
数控制，按电压校正;以无功功率控制，电压校正等等。这样既考虑到了功率的补偿，又考
虑到了实际电网中电压的运行水平，便可以最大限度的提高功率因数。

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(1>采样电压电流、有功功率、无功功率、功率因数、电网频率、电容器温度等网络状
况及电容器运行数据，并实时显示;
(2)用户能够设置相关参数，并具有设置参数断电**功能，停电后数据不丢失;
(3)具有自动识别编码方式，既能进行循环投切，也能进行优化投切;
(4)过零投切低压电力电容器，做到无涌流、无过压、投切速度快;
(5)具有电容器切除后再投入的放电延时时间锁定功能;
C6)抗干扰能力强，具有过温度保护、缺相保护、过电压保护、过谐波保护、过电流保
护等保护功能。当出现以上几种情况时具有led灯报警功能，并自动切除电容器;
(7)控制器和综合模块之间利用RS485能够准确传达投切信息，确定各组电容器的投切
状态。
本无功补偿系统在控制精度方面的主要指标为:
   C1)电压精度士0.2% ;
   }2)电流精度士0.5 % ;
   (3)有功功率精度士1.0%;
   (4)无功功率精度士1.0%;
   (5)功率因数精度士1.0%0

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