【正文】 引言隨著我國經濟發(fā)展和國際化能源緊張局勢的加劇，加強電能質量和節(jié)能降耗的影響十分重要，這其中采取無功補償方式提高功率因數降等都是行之有效的措施。在電力供電系統(tǒng)中，功率因數的提高是一項重要的技術工作，直接關系到輸電線路的電能損耗及供電的經濟性，供電質量。功率因數的補償措施一直為人們所重視。研制高性能的功率因數補償裝置具有實際的社會，經濟效益。而且在電力系統(tǒng)中，無功功率要保持平衡，否則，將會使系統(tǒng)電壓下降，嚴重時，會導致設備損壞，系統(tǒng)瓦解。此外，網絡的功率因數和電壓降低，使電氣設備得不到充分利用，促使網絡傳輸能力下降，損耗增加。因此，解決好網絡補償問題，對網絡降損節(jié)能有著極為重要的意義。按電網無功功率補償方式可分為串聯補償和并聯補償。并聯補償方式又可分為電容器組補償，調電感補償，調相機補償的移相補償等。本設計我們將采用并連電容器補償，主要應用單片機技術，實現對低壓電力系統(tǒng)的監(jiān)控，完成功率因數的測量，并根據所得數據進行電容組的投切，以實現對電力系統(tǒng)的功率因數的補償。無功補償控制器是無功補償的核心，其性能直接影響補償的效果。它是根據檢測的功率因數或無功功率，按照一定的控制規(guī)則投入/切除電容器，實現對線路進行無功補償。在低壓配電網中有相當一部分是感性負荷，它不僅要消耗大量的有功功率，也要吸收很多的無功功率，從而使功率因數下降，導致無功電源不足，系統(tǒng)電壓降低，電能損耗增大，這大大影響了電網的供電能力。因此電力部門千方百計要提高系統(tǒng)的功率因數，除本身采取相應的措施外，更要求每個用戶在其母線上進行功率因數的補償。即借助于相關的無功功率補償設備，及時、正確、必要的提供無功功率補償。由于這個課題涉及面廣，且有較高的經濟含量和技術附加量，因此無功功率補償設備的研究一直是國內外相關企業(yè)激烈競爭的項目之一。無功功率補償技術近年來己越來越引起人們的關注，它是涉及電力、電子技術、電氣自動化技術和理論電子等領域的重大課題。本設計著重論述了單片機和計算機控制組成控制系統(tǒng)進行功率因數自動補償裝置。根據部分學者對電網運行狀態(tài)的調查研究得知，我國電網曾在20世紀70年代由于缺乏無功功率補償設備而長期處于低電壓運行狀態(tài)。有些地方想用調節(jié)變壓器分接頭的辦法來解決本地區(qū)電壓低的問題。開始，這種辦法也有一些效果，某些供電點電壓升高了，但這是以降低別處電壓為代價的，因為總的無功電源不足，局部地區(qū)電壓升高無功負荷增大，必然使別處無功功率更少、電壓更低。各處普遍采用調節(jié)變壓器分接頭的結果，不僅沒能提高負荷的供電電壓，而是使得無功損耗加大，整個系統(tǒng)低電壓問題更加嚴重。在這種情況下，首要的問題應該是增加無功功率補償設備。低壓運行同時對電網安全帶來巨大危害，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，十分脆弱，經受不起事故異常及負荷強烈變化對系統(tǒng)的沖擊、十分容易造成大面積的停電和系統(tǒng)瓦解的后果，國內外均有此先例。由此可見，合理配置無功電源，進行無功補償是非常重要的，我們進行無功補償研究是一個重要的課題。由于人工投切電容不能及時跟蹤無功負荷的變化，不能始終保持功率因數和電壓質量在規(guī)定的范圍，所以無功的自動控制是一個值得研究的課題。無功功率問題，根據世界各個地區(qū)電力系統(tǒng)近數十年來的經驗，積累了大量資料，我國電力系統(tǒng)亦同樣積累了很多寶貴的經驗，廣泛應用到生產實踐中去是有一定重要價值的。有效的無功補償有非常大的經濟效益和社會效益，主要表現在:。就全國講，線路損耗約占據12%，其中主要是無功分量引起的損耗，若無功線損降低5060%，一年便可節(jié)電500億度左右，相當于半個三峽工程的發(fā)電量。這種不消耗一次能源，便可增大發(fā)電量的工程是絕好的綠色工程。且投資極小，見效快。我國電力部及物價局“關于頒發(fā)《功率因數調整電費辦法》通知”中規(guī)定，減少電費1 .1%，%。例如一個315KVA的變壓器，年獎罰差34萬元。，便可以實現擴容。進行無功補償后，便可提高用電承載率，變壓器可滿負荷運行。例如一臺315KVA的變壓器，cosφ=0 .6負荷的變壓器只能提供優(yōu)質服務189KW的有功功率，不能承受300KW左右的容量，需要購買一臺500KVA的變壓器替換。，相當于擴大了63%，即有功由189KW提高到309KW可基本滿足需要的容量，便節(jié)省了一臺500KVA的變壓器，經費約三四十萬元。，延長了電器壽命，提高了產品質量。電能質量用電壓和頻率二個指標來進行衡量，電壓的穩(wěn)定性取決于無功功率的平衡。頻率的穩(wěn)定性取決于有功功率的平衡，而電壓的穩(wěn)定與否又直接影響電器壽命，影響機械加工精度。如果電壓穩(wěn)定性提高5%，則僅照明燈(壽命延長50%)全國一年既可節(jié)約數億元。至于因電壓不穩(wěn)、供電不足而造成廢品、次品、設備減壽、停產、停電等各種損失更是難以統(tǒng)計的。在電網運行中，因大量非線性負載的運行，除了要消耗有功功率外，還要消耗一定的無功功率。負荷電流在通過線路、變壓器時將會產生功率與電能的損耗，由電能損耗公式可知，當線路或變壓器輸送的有功功率和電壓不變時，線路損耗與線路功率因數的平方成反比。功率因數越低，電網所需要的無功功率就越多，線路損耗就越大。因此，在受電端安裝無功補償裝置，可以減少負荷的無功功率損耗，提高功率因數，降低線路損耗。在電力系統(tǒng)中要設法減小相位差φ，提高cosφ的值，稱為提高功率因數；提高功率因數，以降低無功功率，減少電能損失。由下式可以看出：=若能使X1Xc為零，則φ值為最小，功率因數最高，就是說如能使感抗和容抗最大限度地相互抵消，則線路中功率因數為最高。由容抗抵消感抗(反之亦然)從而減小φ的方法稱為功率因數補償。進行功率因數補償可以：，減小線路及變電設備的損耗。線路損耗的功率與負載電流平方成正比，功率因數提高了，無功電流大大減小，則線路上的損耗也大大減小了。當功率因數提高后由于容性負載的加入，使線路末端的電壓比較平滑，起到了穩(wěn)定電壓的作用。當系統(tǒng)的設備容量不變時，提高功率因數，相當于增加負載的容量。由此可見，提高功率因數，不但是當今能源形勢的緩解之策，也是關系到國計民生的長遠政策。能源是有限的，既然是不可再生的，我們唯一能做的就是減少浪費，高效合理的利用它們，這才是明智之舉，是我們除了尋找代替能源以外的最有價值的事情。因此我們必須重視電能的高效利用，不光在傳輸過程中，在使用過程中也是一樣。這不僅符合經濟效率的規(guī)律，還是能源科學使用的具體表現。既然我們不能給后代生產出不可再生資源，但我們可以高效使用它們，減少無謂的消耗，這跟我們?yōu)楹笕藙?chuàng)造能源是同出一轍的，具有相同的深遠意義。1 功率因數調控及意義本章首先介紹無功功率及功率因數的相關知識，利用理論指導簡單說明了功率因數的意義，引出了無功補償的概念。接著闡述了無功補償裝置的發(fā)展概況及無功補償技術的發(fā)展趨勢。 無功功率在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種：一種是有功功率，一種是無功功率。有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量（機械能、光能、熱能）的電功率,。比如，帶動水泵抽水或脫粒機脫粒；各種照明設備將電能轉換為光能，供人們生活和工作照明。有功功率的符號用P表示，單位有瓦（W）、千瓦（KW）、兆瓦（MW）。無功功率比較抽象，它是用于電路內電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外做功，而是轉變?yōu)槠渌问降哪芰俊７彩怯须姶啪€圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40W的日光燈，除需40多瓦有功功率（鎮(zhèn)流器也需消耗一部分有功功率）來發(fā)光外，還需80Var 左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場用。由于它不對外做功，才稱之為“無功”。無功功率的符號用Q表示，單位為乏（Var）或者千乏（kVar）。無功功率決不是無用功率，對于主要靠電磁轉換工作的電器設備，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，若沒有無功功率，則電動機就不能轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器也不能吸合。在正常情況下，用電設備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網中的無功功率供不應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。無功功率對供、用電產生一定的不良影響，主要表現在：A．當視在功率一定時，降低了發(fā)電機有功功率的輸出；、變電設備的供電能力；；，使電氣設備容量得不到充分發(fā)揮。從發(fā)電機和高壓輸電線供給的無功功率，遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這就是電網需要裝設無功補償裝置的道理。 功率因數電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，屬于既有電阻又有電感的電感性負載， 電感性負載的電壓和電流的相量間存在著一個相位差，通常用相位角φ來表示。cosφ則稱為功率因數。功率因數是反映電力用戶用電設備合理使用狀況、電能利用程度和用電管理水平的一項重要指標，三相交流電路功率因數的計算公式如式（11）所示： === （11）式中cosφ為功率因數；P有功功率，KW；Q無功功率，kVar；S視在功率，kVA；U用電設備的額定電壓，V；I用電設備的運行電流，A。功率因數分為自然功率因數、瞬時功率因數和加權平均功率因數。，或者說用電設備本身所具有的功率因數。自然功率因數的高低主要取決于用電設備的負荷性質，電阻性負荷（白熾燈、電阻爐）的功率因數較高，等于1，而電感性負荷（電動機、電焊機）的功率因數比較低，都小于1。瞬時功率因數是隨著用電設備的類型、負荷的大小和電壓的高低而時刻在變化。，其計算公式如式（12）所示： = （12） 提高功率因數及其意義提高功率因數的方法有兩種：一種是改善自然功率因數；另一種是安裝人工補償裝置。要改變自然功率因數，需要從改進電氣設備和結構、性能等方面入手，這是生產廠家要做的事。安裝人工補償裝置，這是可以辦到的，比如一臺發(fā)電機，其容量Se一定，當發(fā)電機的電壓和電流達到額定值時，假如電路的功率因數為cosφ1，則發(fā)電機輸出的有功功率為下式（13）所示： P=Se cosφ1= Se （13）由式（13）可以看出，輸出功率僅占發(fā)電機容量的50%，發(fā)電機未能得到充分利用。但若為了增大功率的輸出，再在電路中接入一些純電阻或電感性的負載，則又將導致發(fā)電機的輸出電流超過額定值，這是不能容許的，但如在負載的兩端并聯一個適當的電容器C（），則總電流I1 將減小到I（），電路的功率因數就可以提高到cosφ（因為φφ1，故cosφcosφ1），如果并聯一個合適的電容，其輸出的有功功率可提高到電機容量的90%，這樣發(fā)電機的利用程度就大大增高了。 并聯電容連接圖 電壓、電流相位關系在電力系統(tǒng)中要設法減小相位差φ，提高cosφ值，稱為提高功率因數，以降低無功功率，減少電能損失。進行功率因數補償可以：，減小線路及變電設備的損耗。線路損耗的功率與負載電流平方成正比，功率因數提高了，無功電流大大減小，則線路上的損耗也大大減小了。當功率因數提高后由于容性負載的加入，使線路末端的電壓平滑，起到了穩(wěn)定電壓的作用。當系統(tǒng)的設備容量不變時，提高功率因數，相當于增加負載的容量。由此可見，提高功率因數，不但是當今能源形勢的緩解之策，也是關系到國計民生的長遠政策。能源是有限的，既然是不可再生的，我們唯一能做的就是減少浪費，高效合理的利用它們，這才是明智之舉，是我們除了尋找代替能源以外的最有價值的事情。因此我們必須重視電能的高效利用，不光在傳輸過程中，在使用過程中也是一樣。這不僅符合經濟效率的規(guī)律，還是能源科學使用的具體表現。既然我們不能給后代生產出不可再生資源，但我們可以高效使用它們，減少無謂的消耗，這跟我們?yōu)楹笕藙?chuàng)造能源是同出一轍的，具有相同的深遠意義。 無功補償裝置的發(fā)展概況傳統(tǒng)的無功功率補償裝置是同步調相機(Synchronous CondenserSC)。它是專門用來產生無功功率的同步電機，在過勵磁或欠勵磁的不同情況下，可以分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率。自20世紀30年代以來的幾十年中，同步調相機在電力系統(tǒng)無功功率控制中一度發(fā)揮著主要作用。然而，由于它是旋轉電機，因此損耗和噪聲都較大，運行、維護復雜，而且響應速度慢，在很多情況下已無法適應快速無功功率控制的要求。所以，現在同步調相的容量所占容性補償容量的比例日益減少。無功補償電容器也是