■  张智杰 周志群 朱殿琪济南大学

 

 

 

一、引言 

      众所周知，在供电系统中，由于绝大多数用电设备具有电感的特性，这些设备不仅需要从电力系统中吸收有功功率，还要吸收用来产生这些设备正常工作所必需的交变磁场的无功功率，在供电系统中所输送的有功功率恒定的情况下，无功功率增大，就会使功率因数降低。从而使供电质量受到影响，损耗增大。目前供电部门实行以功率因数作为参考征收电费，因此，对供电系统进行无功功率补偿，会减小损耗，提高电力系统的效率，提高供电质量，而且有明显的经济效益。为了提高电力线路的功率因数，以降低网损节约电能和改善供电电压质量，电力系统中大都安装无功功率自动补偿装置。

      目前在供电电网上，采用的功率因数补偿方式较多，国外的无功自动补偿方式投资大、技术复杂、难于维护管理，不适应国内中小型企业使用。而现在国内大多数企业采用的固定电容器补偿方式，对于负荷平稳的厂家相对解决了一点问题。但对于电力用户电网有功负荷和无功功率变化剧烈，固定补偿就难于满足要求。

 

二、影响功率因数的主要原因

      1.异步电动机对功率因数的影响

异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。异步电动机空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值会引起功率因数降低。

      2.电力变压器对功率因数的影响

电力变压器的无功功率消耗，变压器的变压过程是由电磁感应来完成的，是由无功功率建立和维持磁场进行能量转换的。变压器空载无功功率会引起功率因数降低。

      3.供电电压超出规定范围对功率因数的影响

当供电电压高于额定值的10％时，由于磁路饱和的影响，无功功率将会快速增长，引起功率因数降低。

      4.变频器对功率因素的影响

变频器工作时会产生大量的高次谐波，它不光对用电设备的耐压构成一定的威胁，同时要消耗大量的无功功率，造成了功率因数降低。

 

三、提高功率因数的方法

      1.提高用电设备的自然功率因数

      合理选择电动机容量，减少电动机无功消耗。

      正确选择变压器容量，提高变压器的负荷率。

      合理调动安排生产工艺流程，限制电气设备空载运行。

      提高维护检修质量，保证电磁元件的电磁特性符合标准。

      进行必要的技术改造，以降低总的无功功耗。

      2.并联移相电容提高功率因数

      （1）并联移相电容的补偿原理

      把具有感性负载的装置两端并联一个适当的电容器。当感性负载吸收能量时，电容器正好要释放能量；而感性负载释放能量时，电容器却吸收能量。能量在感性负载和移相电容器之间进行互换，使感性负载吸收的无功功率，能从移相电容器中输出的无功功率得到补偿，从而提高整个电路的功率因数。

      （2）并联移相电容的方法  

      由于移相电容器本身具有结构简单、经济方便、功率损耗极小，使用寿命较长，且容易安装等优点，因此，在一般工厂供电系统中广泛采用的补偿装置是移相电容器，其补偿方式有个别补偿、分组补偿和集中补偿三种：

      个别补偿是将移相电容器分散装设在各车间变配电所或用电设备附近。采用这种补偿方式的电容器及电动机通常共用一套控制设备，与电动机同时投人、同时退出。它能够补偿安装位置前边的所有高低压线路和变压器的无功功率。 

      分组补偿是将移相电容器装设在车间配电室或变电所各分路出线上，它可与工厂部分负荷的变动同时投人或切除，优点是移相电容器的利用率较高，且补偿效果也较理想。

      集中补偿是将移相电容器装设在工厂高压变配电所高压母线上，其优点是电容器利用率高，能减少电网和用户变压器及供电线路的无功负荷，但这种补偿方式只能补偿高压母线电源方向所有线路上的无功功率，对高压母线负载方向的厂区线路是得不到补偿的，而且控制移相电容器的开关设备及保护装置价格都比较高，因此，这种补偿方式的经济效果较差，但从电力系统的全局来看，这种补偿是必要和合理的。

      功率因数的高低是衡量企业经济效益的一项重要指标，工厂除设法提高自然功率因数外，仍须采用并联补偿来提高供电系统的功率因数，这样不仅能增大有功输出能力，使设备容量得到充分利用，而且增加了输电能力，减少功率损耗和电能损耗，降低了线路中的电压损失和电压波动，从而提高了变配电设备的供电能力，电网电压的质量也得到了改善，达到了节约电能和提高供电质量的目的。

      对无功功率进行补偿，在使用的电力线上并联一定数量的电力电容是降低线损、改善电能质量的一种经济而有效的措施。而如何根据电网无功功率的变化自动投切电容器，使电网始终运行在较佳功率因数状态下则是该项措施的关键技术。目前使用的电容器投切控制器，有的控制效果不理想；有的故障率高，维护工作量大；甚至个别变电所还采用手动投切电容器。这些方法均没有充分地利用电容器的补偿能力。

      针对以上实际问题，本系统采用了基于plc的电力电容集中补偿装置。这种微机型无功功率补偿控制器可以实时地根据电网的无功功率变化情况．自动投切电容器，使电网运行在较高的功率因数状态下，将损耗降到最低程度。

      技术指标要求:电网功率因数控制在0.95左右；当电网欠补偿时发出声音报警；实时显示功率因数的值；根据具体需要可以由键盘设定具体参数值。

 

四、系统总体方案

      系统中采用西门子s7-200 plc作为系统的微处理器。s7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。s7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此s7-200系列具有极高的性能/价格比。本产品采用s7-200 的224xp型号，本机集成14输入/10输出共24个数字量i/o点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量i/o点或35路模拟量i/o 点。13k字节程序和数据存储空间。6个独立的30khz高速计数器，2路独立的20khz高速脉冲输出，具有pid控制器。1个rs485通讯/编程口，具有ppi通讯协议、mpi通讯协议和自由方式通讯能力。i/o端子排可很容易地整体拆卸，其性能完全符合本产品的要求。

      系统中把电压与电流信号经外电路处理后，送入plc进行内部处理，从而达到对外围设备的实时控制；欠补偿报警：当电力电容全部投入后，如果电网功率因数仍达不到设定的最佳值，发出声音报警信号；显示：根据精度要求，本系统中采文本显示器td200与plc通讯，通讯方式采用ppi方式。实时显示功率因数当前值，并在设定过程中显示设定值。

      1．硬件设计

      经过上述总体论证和功能分析，可确定本系统的总体框图，如图1所示。

      2. 硬件结构分析

      采样电路:电压、电流信号分别经极性变换和整形电路后相异或再分别送入plc。经plc运算处理后进行显示和控制输出。要实现无功功率的最优补偿的关键问题，是电网功率因数的测量及电压和电流的测量。在电网正常运行情况下，认为三相电压和电流是对称且平衡的，在三相电网中功率因数角是相电压和与之对应的线电流之间的相角差，那么可以只利用电压和电流信号的相位差来测量功率因数。

     由于plc很难直接测量正弦信号的过零时刻，但很容易测量脉冲信号的宽度或发生时刻。因此，本设计取出电网的电压和电流信号，分别用电压互感器和电流互感器取得。再将两个信号电压和电流分别进入两个过零比较器的输入端，形成电平信号上，将电压和电流信号都经过运算放大器转换，只留正半周输出，将负半周截去。比较器的输出为2个矩形脉冲。由于比较器的灵敏度很高，矩形脉冲的上升沿仅仅决定于输入信号由负变正这一过零点时刻，因此避免了因输入信号波形畸变所带来的误差。然后两个脉冲经过“异或”门处理后形成脉冲。如果plc在相位差脉冲到来后开始计数，相位差脉冲完后停止计数，再将计数值经plc内部处理即可得到功率因数的值。

      电力电容电路:本系统中通过plc算出系统的功率因数值，然后将此功率因数值与设定的理想值0. 95相比较，如果两数值相等，说明此时系统既不需要投入补偿电容也不需要切除补偿电容，否则要根据当前的状态决定是要投入补偿电容还是要切除补偿电容，补偿电容的容量要根据电力用户系统的容量以及补偿前后系统的功率因数值确定。

      另外本系统中由于电力电容是由plc控制自动投切，而电力负载又是一个不断变化的动态过程，因此造成电容器的投切频率要大大高于手动投切的频率。这样对接触器的要求也较高，因为在使用普通接触器投入电容器时，往往会在接触器触点处产生极大的火花，在切断电容器时，又容易粘住触头，造成咬死，松不开的现象。之所以出现这此问题，是因为电容器固有的物理特性：电容两端的电压不能跃变。在电容器投入电网的瞬间，由于其初始态端电压为零，一下投到电网中，将造成巨大的浪涌电流，其幅值在不加其他措施时，通常为器件额定电流的数十倍或数百倍以上，因此导致交流接触器和电容器受到大电流冲击而损坏。对电容器在投入瞬间的浪涌电流过大，所以必须加以抑制。为了抑制高次谐波和限制电容组的浪涌电流，在每组电容器回路中都串联了滤波电抗器，达到抑制高次谐波的目的。

      3.软件系统设计

      软件设计采用模块化结构，以便功能的扩展。全部软件都由step7编写而成，下载到plc中。显示采用td200文本显示器，它是所有simatic s7-200系列操作员界面问题的最佳解决方法。td200连接很简单，只需用它提供的连接电缆接到cpu 224系列ppi接口上即可，不需要单独的电源，显示界面的编程也在step7中完成。

系统致可分为初始化、采样、设定、运算、输出几部分。软件主要由主程序、中断服务程序、功率因数的设定子程序、显示子程序、电容投切控制子程序等组成。如图2。

 

五、总结

      本功率因数补偿控制器装置，可以实时地根据电网的无功功率变化情况，自动投切电力电容器，使电网运行在较高的功率因数状态下，将损耗降到最低程度，从而达到了功率因数的最佳补偿效果。具有较好的实用性和推广性。

 

作者简介

张智杰，济南大学电气专业实验室主任， 从事plc及电力电子的教学与科研工作。