智能无功补偿控制器
的设计
工程设计
项目名称：智能无功补偿控制器的设计
智能无功补偿控制器的设计
摘要：随着社会的发展，社会用电量的急剧增加，大量低功率因素的负荷接入电网对电网形成的巨大挑战。而且现在用户对电能质量的要求越来越高，同时也为了电网的安全运行，需要平衡无功负荷功率。在低压供电系统中，低压无功补偿装置的功能就是向感性负载设备就近提供无功功率，低压无功补偿控制器是无功补偿装置的核心，采用检测电网运行参数，减少了运算量，提高电网参数辨识的精度，并可以简化系统软件设计。控制器以MCU处理器为控制核心，采用功率因数控制方式来检测电压电流并计算出功率因数、无功功率，按照一定的控制规律投切电容器组，实现无功补偿。本文首先介绍无功补偿的基本原理，再详细介绍基于STM32F103RBT6和ATT7022E的无功补偿控制器的设计。
关键词：无功补偿、控制器、功率因数、STM32F103RBT6、ATT7022E 一、引言
电力是我国的主要二次能源，随着国民经济的发展，节电降耗，减少生产成本是企业追逐的目标。但是电力系统中先天性的存在着大量的无功负荷，这些无功负荷来自电力线路、电力变压器以及用户的用电设备。系统运行中大量的无功功率将降低系统的功率因数，增大线路电压损失和电能损失，严重影响着电力企业的经济效益，解决这些问题的一个有效途径就是进行无功补偿。功率因数的提高，不仅能提高供电设备的供电能力，而且可以降低电力系统的电压损失，减少电压波动，改善电能质量，降低电能损耗，从而节省电力提高企业的经济效益。
同时，在现代电力企业中，功率因数是考核配电网运行的重要指标。为达到考核指标，必须结合本地区的具体情况，进行无功的规划,其规划的目的是：
(1)保证规划地区的无功平衡，维持电力系统的无功稳定。
(2)提高地区电网电压的质量，使地区电网无功、电压优化运行。
(3)提高功率因数、改善地区电网电能质量，提高电力企业经济效益。
(4)合理确定无功补偿方式、无功补偿容量、无功补偿的安装地点使补偿效果最佳。
电网中的用电负荷绝大部分是感性负荷，比如生活中常见的发电机、电动机、变压器等，所以为了电网的合理运行需要对电网补偿一定容量的无功功率。因为补偿一定的无功功率可以提高功率因数，减少线路损耗电量，提高用电效率等。无功补偿方式比较多，常见的有调相机、电力电容器、静止无功补偿器等。
本文注重介绍智能无功补偿器的设计，涉及到软件与硬件设计。为了取得比较好的无功补偿效果，需要准确地测量电网的参数：每一相的电压、电流。因为涉及到有功功率、无功功率、功率因数等的计算，因此我们采用了高精度电能计量芯片ATT7022E对采集到的电流、电压信号进行处理，得到我们所需要的有功功率、无功功率、功率因数等结果。而主控芯片则采用
STM32F103RBT6。
二、无功补偿的工作原理
电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工作的。磁场所具有的磁场能是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场,在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。接在交流电
网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。无功功率在电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电网的电压质量，增加电网的线损率。
将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，电容器释放能量而电感放出能量时，电容器吸收能量。因此能量就只在它们之间交换，即感性负荷电动机、变压器等所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。因此把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。无功补偿的作用和原理如图2-1所示。
图 2-1
设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q ，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为C Q ，使电源输出的无功功率减少为C Q Q Q -=/，功率因数由ϕcos 提高到、cos ϕ，视在功率S 减少到/S 。
视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。
电力网络除了要提供有功功率P 外，还要承担负荷所需要的无功功率Q 。有功功率P 与无功功率Q 、视在功率S 之间存在下面关系：
222Q P S +=
ϕcos 被定义为功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率P 占线路视在功率S 的百分比。在实际的电网中，我们希望功率因素越大越好。
而我们搞无功补偿的结果就是要提高功率因素，提高功率因素有几大意义：1、改善设备的利用率
功率因素还可以表示为 UI P S P 3//cos ==ϕ
其中U 为线电压、单位为KV ；I 为线电流，单位为A 。根据式可知在一定的电压和电流下，提高ϕcos ，其输出功率增大。因此改善功率因素是充分发挥设备潜力，提高设备利用率的有效方法。
2、提高功率因素可以减少电压损耗
图 2-2
由电力网的等值电路图2-2可知，电力网由于无功负荷而带来的电压损耗U ∆的计算公式为：
()()C
U X Q R P U X Q R P X I R I U U U 222222221sin cos +=+=⨯+⨯=-=∆ϕϕ 式中：c U 为电力网的额定电压；2U 为元件的末端电压；ϕ为电网中电压与电
流的相位角；X R ,分别为电力网中元件的等效电阻和等效电抗；22,Q P 为元件末端的有功负荷和无功负荷。
3、减少线路损耗
当线路流过电流I 时，线路的有功损耗
()KW IR P 3103-⨯=∆
322
232
1010cos 3--⨯+=⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆R U Q P R U P P C
C ϕ 其中无功功率在电网中流动而引起的有功线损Q P ∆的计算公式为： R U Q P C
Q 22
≈∆ 线路的有功损耗P ∆与ϕ2cos 成反比，ϕcos 越高P ∆越小。
4、提高电力网的传输能力
视在功率与有功功率存在如下关系
ϕcos S P =
可见，在传送一定的有功功率P 的条件下，ϕcos 越高，S 越小。
三、无功补偿方法
本智能无功补偿控制器主要用于低压系统。低压电网一般处于电网的末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键。作好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低电能损失，减少用户电费。因而电压补偿对用户和供电部门均有利。低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡,通常采用的方式有三种随机补偿、随器补偿、跟踪补偿三种方法。
3.1 随机补偿
