电路补偿法的基本原理篇1
关键词：非接触式；感应电能传输；松耦合；系统设计
引言
接触式电能传输通过插头—插座等电连接器实现电能传输，在电能传输领域得到了广泛使用。但随着用电设备对供电品质、安全性、可靠性等要求的不断提高，这一传统电能传输方法所固有的缺陷，已经使得众多应用场合不能接受接触式电能传输，迫切需要新颖的电能传输方法[1]。
在矿井、石油钻采等场合，采用接触式电能传输，因接触摩擦产生的微小电火花，就很可能引起爆炸，造成重大事故[2]。在水下场合，接触式电能传输存在电击的潜在危险[3]。在给移动设备供电时，一般采用滑动接触供电方式，这种方式在使用上存在诸如滑动磨损、接触火花、碳积和不安露导体等缺陷[4][5]。在给气密仪器设备内部供电时，接触式电能传输需要采用特别的连接器设计，成本高且难以确保设备的气密性[6]。
为了解决传统接触式电能传输不能被众多应用场合所接受的问题，迫切需要一种新颖的电能传输方法。于是，非接触式感应电能传输应运而生，成为当前电能传输领域的一大研究热点。本文首先给出了这种新颖电能传输方法的基本原理，分析了影响系统电能传输的关键因素；接着围绕着提高系统电能传输效率和减小供电电源的电压电流定额的要求，针对不同应用场合，对原副边进行了相应的补偿设计；对系统的稳定性和可控性问题进行了讨论。最后，基于以上分析，给出非接触式感应电能传输系统的一般设计方法。
1非接触式感应电能传输系统
非接触式感应电能传输系统的典型结构如图1所示。系统由原边电路和副边电路两大部分组成。原边电路与副边电路之间有一段空隙，通过磁场耦合相联系。原边电路把电能转换为磁场发射，经过这段气隙后副边电路通过接受装置，匝链磁力线，接受磁场能量，并通过相应的能量调节装置，变换为应用场合负载可以直接使用的电能形式，从而实现了非接触式电能传输（文中负载用电阻表示以简化分析）。磁耦合装置可以采用多种形式。基本形式如图2(a)原边绕组和副边绕组分别绕在分离的铁芯上；图2(b)原边采用空芯绕组，副边绕组绕在铁芯上；图2(c)原边采用长电缆，副边绕组绕在铁芯上。
在该非接触式感应电能传输系统中，原副边电路之间较大气隙的存在，一方面使得原副边无电接触，弥补了传统接触式电能传输的固有缺陷。另一方面较大气隙的存在使得系统构成的磁耦合关系属于松耦合（由此，这种新颖电能传输技术通常也称为松耦合感应电能传输技术，记为LCipt），漏磁与激磁相当，甚至比激磁高，限制了电能传输的大小和传输效率。为此，通常需要在原副边采用补偿网络来提升电能传输的大小和传输的效率，同时减小电源变换器的电压电流应力。而且在该系统的分析中，因磁耦合装置为松耦合，因此，通常用于磁性元件分析的变压器模型不再适用，必须采用耦合电感模型分析该系统中的电磁关系，同时考虑漏感和磁化电感对系统工作的影响。
图3给出磁耦合装置采用耦合电感模型的系统等效电路图。原副边磁耦合装置的互感记为m。
设原边用于磁场发射的高频载流线圈通过角频率为ω，电流有效值为ip的交流电。根据耦合关系，副边电路接受线圈中将会感应出电压
Voc=jωmip（1）
相应的，诺顿等效电路短路电流为
式中：Ls为副边电感。
若副边线圈的品质因数为Qs，则在以上参数下，副边线圈能够获得的最大功率为
从式(3)可以看出，提高电能传输的大小可以通过增大ω，ip，m和Qs或减小Ls。但受应用场合机械安装和成本限制，LCipt系统中，m值一般较小，而且一旦磁耦合装置设计完成后，m和Ls的值就基本固定了。能够作调整的是乘积量(ωip2Qs)。从工程设计角度考虑，在参数选择设计中，Qs一般不会超过10，否则系统工作状态将对负载变化、元件参数变化和频率变化非常敏感，系统很难稳定。由此对传输电能大小调节余度最大的是乘积ωip2。从该关系式可见频率与发射电流的关系：提高频率ω，可以减小原边电流ip，反之亦然。在传输相等电能及其它相关量不变情况下，采用高频的LCipt系统与采用低频的LCipt系统相比，所需的发射电流大大降低，电源变换器电流应力及系统成本大大降低。因而LCipt比较适合采用高频系统。但限于目前功率电子技术水平和磁场发射相关标准，系统频率受到限制。根据应用场合的不同，系统采用的频率范围一般在10kHz～100kHz之间。
图4
2系统补偿
2.1副边补偿
在松耦合感应电能传输系统中，若副边接受线圈直接与负载相连，系统输出电压和电流都会随负载变化而变化，限制了功率传输。
为此，必须对副边进行有效的补偿设计。如图4所示，基本的补偿拓扑有电容串联补偿和电容并联补偿两种形式。
在电容串联补偿电路中，副边网络的阻抗为
输出功率为
当补偿电容Cs取值满足与副边电感Ls在系统工作频率处谐振时，副边网络感抗与容抗互消，为纯电阻，输出电压与负载无关，等效于输出电压为副边开路电压的恒压源，理论上电能传输不受限制。
电容并联补偿电路副边网络的导纳为
输出功率为
式中：isc为副边短路电流。
当补偿电容Cs取值满足与副边电感Ls在系统工作频率处谐振时，副边网络感纳与容纳互消，为纯电导，输出电流与负载无关，等于副边短路电流，理论上电能传输不受限制。
为使副边谐振频率为系统频率，补偿电容的取值应满足式(5)和式(7)中的虚部为零。
在松耦合感应电能传输系统中，副边电路对原边电路的工作的影响，可以用副边电路反映至原边电路的反映阻抗Zr来表示。
式中：Zs对应副边网络阻抗，见式(5)和式(7)，反映阻抗结果列于表1中(ω0为系统频率)。
表1原副边采取不同补偿拓扑时的补偿电容及反映阻抗值
副边补偿拓扑
副边补偿电容Cs值
副边电路反映至原边的阻抗
电阻电抗
电容串联补偿
1/(ω02Ls)
(ω02m2)/R
电容并联补偿
1/(ω02Ls)
(m2R)/Ls2
－(ω02m2)/Ls
2.2原边补偿
LCipt系统中，原边载流线圈中流过有效值较高的高频电流，可直接采用pwm工作方式的变换器获得这一高频电流，变换器的电压电流定额较高，系统成本高。为此，必须采取必要的补偿措施，来有效降低变换器电压电流定额。与副边补偿相似，根据电容接入电路的连接方式，也可采用串联补偿和并联补偿两种基本补偿电路。
在电容串联补偿电路中，电源的负载阻抗为
电容电压补偿了原边绕组上的电压，从而降低了电源的电压定额。
在电容并联补偿电路中，电源的负载导纳为
电容电流补偿了原边绕组中的电流，从而降低了电源的电流定额值。设计时保证式（10）和式（11）的虚部在系统谐振频率处为零，可以有效降低电源的电压电流定额，使得电压电流同相位，输入具有高功率因数。其结果列于表2中。
原边采取何种补偿电路，对应用场合的依赖性很大。当原边采用较长电缆时，电缆端电压会很高，适合采用串联补偿，降低电源电压应力；当原边采用集中绕组时，为了磁场发射需要，一般要求较高电流，适合采用并联补偿，降低电源电流应力[7]。
3系统稳定性和控制
LCipt系统中，原副边都采用电容补偿时，系统是一个四阶系统，在某些情况下，会出现分歧现象[8]。特别是在原边电路的品质因数Qp比副边电路的品质因数Qs小，或两者相当时，系统很可能不稳定，此时必须对系统进行透彻的稳定性分析。同时，在LCipt系统中，控制方案的合理选择对系统稳定和电能传输能力非常关键。目前，常采用两种基本控制方案：恒频控制和变频控制[9]。
恒频控制有利于电路元件的选择，但恒频控制对应的问题是，电路实际工作中电容不可避免地会因为损耗产生温升，导致电容量下降，副边实际工作谐振频率会升高，原副边电路不同谐，使得电能传输受损[10]。变频控制可以通过实时控制原边谐振频率，使其跟踪副边谐振电路频率，使得原副边电路同谐，获得最大电能传输。但在变频控制中，电源输入电压和输入电流相角与频率之间的关系很可能出现分歧现象，引起系统不稳定。为此，必须对原副边的品质因数加以严格限制。
4LCipt系统设计
对于紧耦合感应电能传输系统，原副边的电能关系可以近似用原副边匝比变换关系来表示，因而其系统设计可以分为三个独立部分：原边电路、紧耦合磁件、副边电路，分别进行设计。紧耦合磁件的设计也有较成熟的设计步骤可依。
但在松耦合感应电能传输系统中，原副边电路的工作依赖性很大，如式(3)所示，原副边的电能传输关系由多个变量决定，这些变量必须根据现有功率电子水平，及相关设计经验初选一些值，然后根据相关公式进行下一步计算，确定参数。在整个设计过程中，所出现的多个变量都必须进行选择，而这些变量并非孤立的，而是相互之间都存在着一定的制约关系。因而，松耦合感应电能传输系统的设计比紧耦合感应电能传输系统要复杂得多。这里把松耦合感应电能传输系统中出现的每个变量的含义，及选取方法做一说明，并绘成相应的流程图，如图5所示，以便理解。设计步骤如下。
4.1选择频率
选择系统工作频率是LCipt系统设计的第一步，从式(3)可以看出，频率大小的选取，与电源的复杂程度、成本及系统电能传输大小有密切关系。要综合考虑应用场合对系统体积重量要求、目前功率电子水平及相关系统的设计经验来选取频率。就目前功率电子水平及系统成本考虑，选择10kHz～100kHz之间的频率比较合理。随着功率电子水平的不断进步，系统频率可望进一步提高，从而使得系统体积更小、重量更轻。
4.2选择松耦合感应装置
紧耦合感应装置（如广泛采用的变压器）的结构一般受限于现有的铁芯结构，因而结构形式有限。但松耦合感应装置却不受铁芯结构限制，根据各种应用场合的需要，可能会出现多种结构形式。在很大程度上，这些松耦合感应装置要依靠相关的设计经验来选择。确定松耦合感应装置结构后，要标定一些基本的参数，如原副边线圈电感量、耦合系数、互感等。
4.3选择原边电流ip
在LCipt系统中，传输电能大小、原边电源变换器的成本都与用于磁场发射的原边电流ip直接相关。一般从相对较小的电流值开始选取ip，从而对应电源的低电流应力。若经计算后，这一ip电流值不满足系统电能传输要求，可进一步增大电流值，再进行计算验证，直至系统设计满足要求。
4.4确定(Vocisc)值
根据所选择的电磁装置，在原边电流为所选ip时，测试出副边接受线圈的开路电压Voc和短路电流isc。确定这一乘积(Vocisc)也可以用一个与设计的接受线圈同匝数的小尺寸接受线圈来完成，避免因为接受线圈电流定额不够而返工。当然，也可采用相应的电磁场仿真软件包进行模拟设计。但仿真设计过程比较复杂[11]。
4.5确定副边补偿
4.5.1副边补偿等级
副边电路不加补偿时，负载能够获得的最大功率传输等于(Vocisc/2)[11]。如果负载所需功率值超过这一值，则副边需要采用补偿电路，副边电路的品质因数可用式（12）计算。
式中：p为至负载的传输功率。
从而副边所需要的V·a定额为
如果副边实际的Va定额高于式(13)的计算值，系统就可以传输所需的功率。反之，该设计不能传输所需功率p，必须对设计作出相应的调整来增加功率传输能力。一般可以考虑以下4种途径：
——加粗接受线圈绕组线径或增大铁芯截面积；
——增大原边电流；
——改进电磁装置的耦合程度，提高互感值m；
——适当提高系统频率。
第1种方案增加了副边的成本；第2种方案增加了原边的成本；第3种方案增加了松耦合感应装置的成本；第4种方案受现有功率电子技术的限制。实际设计中，应综合考虑性能和成本选择性价比最好的方案作为最优设计。
4.5.2副边补偿拓扑
当副边Va定额满足设计要求后，下一步就应当确定副边补偿具体采用的拓扑形式。补偿拓扑的选择依赖于具体的应用场合。并联补偿对应电流源特性，适合于电池充电器等场合；串联补偿对应于电压源特性，适用于电机驱动供电等场合。
4.6确定原边补偿
副边补偿设计完成后，设计原边补偿。根据已知的原边电流和松耦合感应装置原边绕组电感量，可以确定原边绕组端电压。从而计算出原边Va定额，用实际传输功率除以这一Va定额，可以得到原边品质因数Qp的大小。如前所述，原边补偿电路形式也取决定于应用场合。当原边采用较长电缆时，适合采用串联补偿；当原边采用集中绕组时，适合采用并联补偿。
4.7系统稳定性和控制性核查
最后一步要对系统稳定性和控制性进行核查，这是系统能否在实际应用场合被采用的最关键的一步。如上所述，若Qp
【关键词】电力系统；无功补偿；重要性；主要方式
无功补偿就是无功功率补偿，在电子供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。随着近年来我国电力行业的快速发展，以及电力网络覆盖范围的逐步扩大，电力系统无功补偿已经逐渐成为了决定电网运行质量、稳定性与安全性的主要影响因素，加强电力系统无功补偿，有助于供电质量的提高，以及电力系统设备损耗的降低和电力系统功率因数的提高，因而具有十分重要的意义[1]。
1、无功补偿的意义和原理
电磁感应效应是电力系统很多用电设备的基本工作原理，在各种用电设备的能量转换过程中，系统会产生一个交变磁场，无功补偿一个周期内释放和吸收的视在功率、无功功率和有功功率之间关系。
如果无功功率的来源并非电容器，则一定会造成电力系统无功功率的大量损耗，进而增大变压器和供电线路导线的容量。如果用户端的无功功率补偿不足，则会导致严重的线路损耗，影响供电设备的利用率，造成供电投资的增加。电力系统无功补偿的主要作用机制在于：在相同的电路中并联接入具有感性功率负荷和容性功率负荷的设备，在两种负荷之间能量能够相互交换，因此，容性负荷的无功功率补偿输出能够负担感性负荷所需的无功功率。在电力系统运行过程中，不仅仅有功功率需要保持平衡，无功功率也应保持平衡。因此，《供用电营业规则》中进行了下述规定，即电力无功补偿应实现就地平衡，用户应在用电自然功率因数提高的基础上，进行无功补偿设备的装置和设计，从而保证电压与负荷的随时切除与投入，避免发生无功倒送现象。《供用电营业规则》中还对用户的功率因数标准进行了明确规定，从而避免供电部门发生拒绝供电现象。所以，不管是用电企业还是供电部门，均应进行无功功率动态补偿，从而提高电力系统运行效率，降低能源消耗，避免无功倒送现象，实现功率因数的逐步提高[2]。
2、电力系统无功补偿原则
第一，调压和降损相结合，以调压为辅、降损为主；第二，低压补偿与高压补偿相结合，以高压补偿为辅、低压补偿为主；第三，分散补偿与集中补偿相结合，以集中补偿为辅、分散补偿为主。这一补偿方法要求对于负荷较为集中的区域，应实施就地补偿，首先在变电站实施容量较大的集中无功补偿，并在用电设备、配电变压器与输电线路中实施分散式的补偿，其主要作用在于实现就地的无功补偿，从而防止远距离输送所导致的无功损失；第四，全网平衡与局部平衡相结合，不仅要实现全网的总无功平衡，而且要实现分站与分线的无功补偿平衡。对我国电力系统中功率因数较低、输电负荷较分散、线路分支较多、输电线路较长的区域实施这种无功补偿方法，能够实现电力系统线路供电能力的提高，并大大降低线路损失，以及系统负荷率[3]。
3、无功补偿的基本方式及其发展
第一，分散补偿。这一补偿方式主要适用于高压电容器组的分组安装过程中，但其主要缺陷在于仅仅能够对电压器和高压配电线路的无功负荷进行补偿，因而安装较为困难。
第二，集中补偿。这一补偿方式主要适用于高压电用户降压变电站或者地区变电站的母线高压电容器组，尽管这种无功补偿方法维护较为简便，且利用率更高，更加便于管理，但是，不能有效降低电力用户内部变电系统的电能损耗与无功负荷[4]。
第三，就地补偿。这一补偿方式主要适用于与用电设备直接连接的电容器，较为常见的是低压保护中稳定负荷的负载。就地补偿是一种较为有效、常见且简单的无功补偿方式，尽管这种无功补偿方法能够实现用户与电网之间供电线路无功负荷的最大限度降低，但是，其建设成本大、利用率低等缺陷仍然不容忽视，并对其推广价值造成了一定的影响。
上述三类电力系统无功补偿方法在具体应用过程中均有利有弊，为了实现电力系统效益值和无功补偿效果的进一步提高，应在电力系统建设过程中做到合理配置，综合运用三种无功补偿方法，并在此基础上探索综合式的无功补偿技术，并逐步积累经验，突破传统无功补偿技术的限制，实现电力系统运行稳定性和有效性的进一步提高[5]。
4、总结
随着近年来我国电力系统的逐步完善，以及电力企业市场化运行模式的逐步形成，人们日常工作和生活对于电力资源供应质量也要求也在逐步提高，且电力资源需求量也有所加大。电力系统是否能够长时间安全、稳定地运行，在很大程度上取决于电力资源供应的质量和效率，所以，电力系统无功补偿问题的重要性也逐渐受到了人们的关注与认可。电力系统无功补偿工作的开展，有助于实现不同区域之间电压的平衡，提高电力传输质量，降低能源损耗，实现无功设备的合理、科学调控，并大大提高电力系统的功率因数，综上所述，电力系统无功补偿是一种成果收益高、成本投资少的综合性能源节约措施。
参考文献
[1]金学文.电力系统无功补偿技术的应用[J].新疆电力技术，2009，3（12）：20-21.
[2]王凌宜，侯世英，吕厚于，祝石厚.电力系统无功优化与无功补偿[J].电气应用，2006，25（10）：46-47.
[3]王正风，徐先勇，唐宗全.电力市场下的无功优化规则[J].电工技术杂志，2000，19（6）：10一12.
关键词：10KV线路；无功补偿；应用
本次选择的10KV配网线路是吴川供电局的某条线路，该线路由于供电半径长，电压偏低、电压质量下降、综合线损增高的现象比较严重，采取有效的措施，提升线路的运行质量，降低线路的损耗是非常必要的，本文就主要对无功补偿在该10KV线路中的应用进行简单探讨，以便于达到提升线路供电质量的目的。
一、10KV线路的无功补偿基本原则
用户终端的分散补偿、低压集中补偿、线路无功补偿、变电站集中补偿是我国配电网线路中常用的几种无功补偿方式，本文主要是探讨无功补偿在10KV线路中的应用，10KV线路无功补偿工作中，应该坚持以下的基本原则：（1）在10KV线路无功补偿方案制定的过程中，应该坚持分散补偿为主、集中补偿与分散补偿相结合、保持就地平衡、合理布局、全面规划的基本原则，制定无功补偿方案的过程中，其主要要实现的目标是：线路的年运行检修费用最小、末端电压得到有效提升、线路的损耗最小、线路的功率因素得到显著提升。（2）线路的无功补偿主要以变压器的低压侧集中补偿为主，高压侧的补偿为辅，在配电变压器的无功补偿装置的容量设置过程中，可以设置为变压器最大负载率的百分之七十五，负荷的自然功率因素值可以设置为0.85，当补偿到变压器的最大负荷时，其高压侧的公路因素要大于0.95。（3）在配电线路上进行并联电容器的装设时，当其线路处于最小负荷运行状态时，不能向变电站进行无功的倒送，如果实际运行过程中，配置的容量过大，则需要进行自动投切装置的装设。
二、无功补偿在10KV线路中的应用
1、无功补偿方式的分类
10KV线路无功补偿工作中，其所补偿的主要内容是：配电变压器励磁无功功率损耗以及线路感性电抗所消耗的无功功率，在实际的应用中，线路中无功补偿装置的投切控制方式是多种多样的，有无功电流、时间、电压、功率因素、无功功率等多种，滤波式补偿、固定补偿、全自动补偿、混合补偿是10KV线路无功补偿中常用的几种补偿模式。
2、线路无功补偿装置的安装位置、补偿度的确定方法
目前配电网络中10KV线路常用的无功补偿方式是固定补偿，在实际的应用中，要想取得较好的无功补偿效果，就需要最大限度的减少线路中的电能损耗值，这就要保证分散补偿电容器在相关线路中的安装位置的合理性，在对补偿电容器的损耗下降率、最佳安装位置、电容器安装组数等进行计算时，可以应用下式来进行计算：
Qx=2nQ（2n+L）
D（Dp）%=4n（n+L）/（2n+L）2×100%
上式中，Qx表示的含义是：线路所补偿的电容器的容量；D（Dp）%表示的含义是：线路线损的下降率；L表示的是线路长度。通过计算能够得到10KV配电线路中线损下降率、安装位置及电容器分组数之间的关系如表1所示。
由上表中的数据可以看出，在无功补偿的过程中，线路中电容器的组数越多，其降损效果越好，但是在实际的应用中，不仅要考虑其降损效果，还要综合的考虑成本因素，为了保证线路运行的经济效益，要对线路中电容器的组数进行合理选择，当10KV线路的长度在1～5Km之间时，可以将补偿电容器安装于其2/3处，当线路的长度在5～10Km之间时，可以选择安装两组补偿电容器，将其分别安装于2/5与4/5处，如果线路的长度在10～15Km，可以在线路中安装三组补偿电容器，分别将其安装于2/7、4/7、6/7处。
3、补偿容量的计算
线路无功补偿的一个重要的目标就是提升线路的功率因素的值，在其无功补偿容量计算的过程中，可以通过其功率因素来进行计算，若电力网络中最大负荷日的平均有功功率表示为：ppj，实施无功补偿之前，线路的功率因素表示为：cosj1，实施无功补偿之后，线路的功率因素值为：cosj2，那么其补偿容量的计算可以用下式来进行：
上式中，cos2j2表示的含义是：线路的功率因素期望值；cos1j1表示的含义是：最大负荷日的平均功率因素；ppj表示的含义是：最大负荷日平均有功功率；Qc表示的含义是：所需的补偿容量。一般情况下，将功率因素从0.9至1所需的补偿容量的值类似于将其从0.72提升至0.9，在高功率因素下，对线路实施补偿，将会导致其经济效益的下降，这主要是因为当线路处于高功率因素下时，其功率因素的上升率会逐渐变小，在实际的10KV线路无功补偿的过程中，其功率因素的期望值的确定，要充分的考虑实际情况。
另一方面，对线路的分散补偿容量进行合理确定也是非常必要的，在实际的应用中，在10KV线路无功补偿的过程中，要在线路中安装的并联电容器的容量需要根据实际的线路布局、降损要求等进行准确的计算来确定，其补偿容量计算的过程中，可以依据各条分支线的负荷电流值来进行计算，对于负荷分布较均匀的线路，如果其其线路中安装一组电容器，那么其容量值应该确定为线路平均无功功率的2/3，；如果要在线路中安装两组电容器，每组补偿电容器的容量可以确定为线路平均无功功率的2/5；如果要在线路中安装三组电容器，可以将每组补偿电容器的容量确定为平均无功功率的2/7，在实际应用中，可以根据实际需求，对补偿电容器的容量合理确定。
三、实例分析
本次研究中，主要对10KV配网线路中的a、B、C三条线路实施了无功补偿，这三条线路的供电半径大都较长，其无功负荷比较稳定，并且存在无功量叠加起伏的现象，因此，本次线路无功补偿过程中，应用的是动补与固补相结合的混合补偿方式，在线路上进行分散补偿，并应用上文中的功率因素计算方法，对电容器补偿容量进行了计算。根据上文中的分析方法，依据线路的实际长度，并结合实际的补偿要求，对其补偿装置的安装位置进行了合理设定，并计算了分散补偿容量的值，对这三条线路分别实施了相关的无功补偿，实施了无功补偿的三条10KV线路投运一年之后，将其运行效益与补偿之前一年的运行效益进行比较，发现其电压质量有了显著提升，并且成功提升了其功率因素，并且使得电网的线路损耗显著降低，这对于供电企业的经济效益的提升具有非常重要的作用。
结束语
10KV线路是我国电网的重要组成部分，线路在运行过程中，存在一定的线路损耗是难以完全避免的，对线路实施相关的无功补偿，对于其损耗的降低、运行经济性的提升具有非常重要的作用，本文就主要结合相关的实例，对10KV线路的无功补偿进行了简单分析，对于其电压质量的提升具有积极的作用。
参考文献
[1]刘从洪，邓晓林.10kV线路无功补偿技术在农网中的应用分析[J].四川电力技术，2010（12）.
关键词：无功功率，谐波，有源滤波，DSp
0.前言
随着电力电子装置的广泛应用,电网中的谐波污染也日益严重。另外,许多电力电子装置的功率因数很低,给电网带来额外负担并影响供电质量。可见消除谐波污染并提高功率因数,已成为电力电子技术中的一个重要的研究领域。解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基本思路有两条:(1)装设补偿装置,以补偿其谐波和无功功率;(2)对电力电子装置本身进行改进,使其不产生谐波,且不消耗无功功率,或根据需要对其功率因数进行控制。
1.无功与谐波自动补偿装置的原理
1.1有源电力滤波器的原理
电力滤波器主要包括有源滤波器和无源滤波器,或两者的混合,即混合滤波器。
有源电力滤波器(apF)根据其与补偿对象连接的方式不同,分为并联型和串联型两种,而并联型滤波器在实际中应用较广。下面以并联型有源滤波器为例,介绍其工作原理。论文参考。HpF(HighpassFilter)是由无源元件RLC组成的高通滤波器,其主要作用是滤除逆变器高频开关动作和非线性负载所产生的高频分量;负载为谐波源,它产生谐波并消耗无功功率。有源电力滤波器主要由两部分组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(pwm信号发生电路、驱动电路和逆变主电路)。指令电流运算电路的作用是检测出被补偿对象中的谐波和无功电流分量,补偿电流发生电路的作用是根据指令电流发出补偿电流的指令信号,控制逆变主电路发出补偿电流。
作为主电路的pwm变流器,在产生补偿电流时,主要作为逆变器工作。为了维持直流侧电压基本恒定,需要从电网吸收有功电流,对直流侧电容充电时,此时作为整流器工作。它既可以工作在逆变状态,又可以工作在整流状态,而这两种状态无法严格区分。
有源滤波器的基本工作原理是:通过电压和电流传感器检测补偿对象(非线性负载)的电压和电流信号,然后经指令电流运算单元计算出补偿电流的指令信号,再经pwm控制信号单元将其转换为pwm指令,控制逆变器输出与负载中所产生的谐波或无功电流大小相等、相位相反的补偿电流,最终得到期望的电源电流。
1.2无功与谐波自动补偿装置的原理
为适应滤波器要求容量大这一特点,我们采用了有源电力滤波器与无源LC滤波器并联使用的方式。其基本思想是利用LC滤波器来分担有源电力滤波器的部分补偿任务。由于LC滤波器与有源电力滤波器相比,其优点在于结构简单、易实现且成本低,而有源电力滤波器的优点是补偿性能好。两者结合同时使用,既可克服有源电力滤波器成本高的缺点,又可使整个系统获得良好的滤波效果。
在这种方式中,LC滤波器包括多组单调谐滤波器和高通滤波器,承担了补偿大部分谐波和无功的任务,而有源滤波器的作用是改善滤波系统的整体性能,所需要的容量与单独使用方式相比可大幅度降低。
从理论上讲,凡使用LC滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能,因此在有源电力滤波器与LC滤波器并联使用方式中,需对有源电力滤波器进行有效控制,以抑制无源滤波器与系统阻抗之间发生谐振。论文参考。
2.无功与谐波自动补偿装置控制系统设计
2.1系统技术指标
(1)适用电源电压等级:220V(aC),380V(aC)
(2)有源滤波器补偿容量:50kVa(基波无功);150a(最大瞬时补偿电流)
(3)可以控制的无源补偿网络的功率等级:500kVa。
(4)在无源补偿网络容量范围内,补偿后的电源电流:功率因数高于0.9,总谐波畸变系数(tHD)<5%,三相负载电流的不对称系数<3%。
(5)可适用的运行环境:室内;温度-20~
55℃;相对湿度<90%。
2.2有源滤波器控制系统的设计
双DSp芯片分别采用浮点芯片tmS320VC33和定点芯片tmS320LF2407,以下简称为VC33和F2407。对VC33来讲,其运算能力很强,主频最高为75mHz,但片内资源和对外i/o端口较少,逻辑处理能力也较弱,主要用于浮点计算和数据处理;而F2407正好相反,其片外接口资源丰富,i/o端口使用方便,但其精度和速度有一定限制。所以用于数据采集和过程控制。
中央控制器由F2407实现,主要用于①主电路电压、电流的采集;②四象限变流器的控制;③无源补偿控制指令的;④显示、按键控制;⑤与上位机的通讯。两个DSp芯片通过双端口Ram完成数据交换。通过这两个DSp芯片的互补结合,可充分发挥各自的优点,使控制系统达到最佳组合。各相无源补偿网络的控制及电流检测由各自的控制器完成。各控制器通过光电隔离的RS-485通讯总线与F2407相连。
3.结论
3.1提出了一种新的电力系统谐波与无功功率的综合动态补偿方式,对无功与谐波自动补偿装置主电路和控制系统工作原理进行了分析。
3.2由于电源系统的谐波对应于一个连续的频谱,投入有源滤波器可以大大改善滤波性能,并能抑制LC电路与电网之间的谐振。有源滤波器的控制系统采用了基于双DSp结构的全数字化控制平台。论文参考。
3.3在此项目的实践中,电力系统的功率因数提高到0.9以上,完全符合此项目合同的技术性能指标。同时使供电网的谐波得到了有效抑制。通过仪器检测5次、7次等谐波电流几乎为零值。
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关键词：Z-元件、敏感元件、温度补偿、光敏、磁敏、力敏
一、前言
半导体敏感元件对温度都有一定的灵敏度。抑制温度漂移是半导体敏感元件的常见问题，Z-元件也不例外。本文在前述文章的基础上，详细介绍Z-元件的温度补偿原理与温度补偿方法，供光、磁、力敏Z-元件应用开发参考。
不同品种的Z-元件均能以简单的电路，分别对温、光、磁、力等外部激励作用输出模拟、开关或脉冲频率信号[1][2][3]，其中后两种为数字信号，可构成三端数字传感器。这种三端数字传感器不需放大和a/D转换就可与计算机直接通讯，直接用于多种物理参数的监控、报警、检测和计量，在数字信息时代具有广泛的应用前景，这是Z-元件的技术优势。但由于Z-元件是半导体敏感元件，对环境温度影响必然也有一定的灵敏度，这将在有效输出中因产生温度漂移而严重影响检测精度。因而，在高精度检测计量中，除在生产工艺上、电路参数设计上应尽可能降低光、磁、力敏Z-元件的温度灵敏度外，还必须研究Z-元件所特有的温度补偿技术。
Z-元件的工作原理本身很便于进行温度补偿，补偿方法也很多。同一品种的Z-元件，因应用电路组态不同，其补偿原理与补偿方法也不同，特就模拟、开关和脉冲频率三种不同的输出组态分别叙述如下。
二、模拟量输出的温度补偿对Z-元件的模拟量输出，温度补偿的目的是克服温度变化的干扰，调整静态工作点，使输出电压稳定。
1．应用电路
Z-元件的模拟量输出有正向(m1区)应用和反向应用两种方式，应用电路如图1所示，其中图1(a)为正向应用，图1(b)为反向应用，图2为温度补偿原理解析图。
2．温度补偿原理和补偿方法
在图2中，温度补偿时应以标准温度20℃为温度补偿的工作基准，其中令：
tS：标准温度
t：工作温度
QS：标准温度时的静态工作点
Q：工作温度时的静态工作点
QS￠：温度补偿后的静态工作点
VoS：标准温度时的输出电压
Vo：工作温度时的输出电压
在标准温度tS时，由电源电压e、负载电阻RL决定的负载线与tS时的m1区伏安特性（或反向特性）相交，确定静态工作点QS，输出电压为VoS。当环境温度从tS升高到t时，静态工作点QS沿负载线移动到Q，相应使输出电压由VoS增加到Vo，且Vo＝VoS＋DVo，产生输出漂移DVo，。若采用补偿措施在环境温度t时使工作点由Q移动到QS￠，使输出电压恢复为Vo，则可抑制输出漂移，使DVo＝0，达到全补偿。
(1)利用ntC热敏电阻
基于温度补偿原理，在图1(a)、(b)中，利用ntC热敏电阻Rt取代负载电阻RL，如图3(a)、(b)所示，温度补偿过程解析如图2所示。
在图3电路中，标准温度tS时负载电阻为Rt，当温度升高到工作温度t时，使其阻值为Rt￠，可使静态工作点由Q推移到QS￠，由于Rt.
(2)改变电源电压
基于温度补偿原理，补偿电路如图4(a)、(b)所示，图5为补偿过程解析图，其中负载电阻RL值不变，当温度由tS升到t时，产生输出漂移DVo，为使DVo=0，可使eS相应增大到eS￠，若电源电压的调整量为De，且De=eS￠-eS，要满足De=-KDVo的补偿条件，可达到全补偿。其中，K为比例系数，“负号”表示电压的改变方向应与输出漂移方向相反，比例系数K与负载线斜率有关，可通过计算或实验求取，且：
为了得到满足补偿条件的按温度调变的电源电压，实际补偿时可采用缓变型ptC热敏电阻、ntC热敏电阻或温敏Z-元件来改变电源电压e，达到补偿的目的：
①采用缓变型ptC热敏电阻
采用缓变型ptC热敏电阻的补偿电路如图6所示。
在图6中，Z-元件与负载电阻RL构成工作电路，工作电路的直流电源电压e由集成稳压电源Lm317电路供电，Rt为缓变型热敏电阻，采用热敏电阻Rt的Lm317电路的输出电压为：
按温度补偿要求，当温度增加时，电源电压e应该增加，Rt应该增加，故Rt应选缓变型ptC热敏电阻。R2用于设定电压e的初始值，合理选择ptC热敏电阻Rt的初始值及其温度系数，使之满足De=-KDVo的补偿条件即可达到补偿的目的。
②采用ntC热敏电阻
因缓变型ptC热敏电阻市售较少，而且补偿过程中温度系数也难于匹配，多数情况应采用ntC热敏电阻。
若采用ntC热敏电阻进行补偿时，也可采用图6所示电路，但要把R1与Rt互换位置。
当采用ntC型热敏电阻时，为了便于热敏电阻的补偿匹配，可利用运算放大器，实际补偿电路如图7所示。
在图7中，Rt为ntC热敏电阻，a为由单电源VCC供电的反相输入运放构成的比例放大器，通过该运放的反相作用，使Lm317的输出电压eo适合工作Z-元件工作电压e的补偿极性要求。例如，温度升高时，eo下降，e增加；反之温度降低时，eo增加，e减少。该补偿电路的另一优点是，可通过运放比例系数的附加调整便于ntC热敏的补偿匹配。
(3)差动补偿
①并联差动补偿
运放的第一级几乎没有例外均采用差动电路，并利用差动电路的对称性和元器件特性的一致性来补偿温度漂移。Z-元件也可采用这种方法，补偿电路如图8所示。其中，图8(a)为正向应用，图8(b)为反向应用，图8(c)为实际补偿电路。其中Z为工作Z-元件，ZC为补偿Z-元件，RL与RC为相应的负载电阻。
补偿原理：对差动对称电路，当左右两侧工作Z-元件Z与补偿Z-元件ZC的静态伏安特性与动态温度系数完全一致，以及电阻RC与R阻值及其温度系数也完全一致时，采用浮动输出，因始终保持Vo=VoC，当环境温度改变时，也不会产生温漂，而工作Z-元件有其它外部激励作用(如光、磁、力等)时，则可产生有效输出。
理论上，若左右元器件完全对称，在标准温度tS时，浮动输出DVo=Vo-VoC=0，当温度升高到工作温度t时，因左右两支路电流同步增加，DVo=Vo-VoC=0仍然成立。实际上，左右两支路元器件不可能完全对称，特别是Z-元件有一定的离散性，使DVo不可能完全为0。因而，除按补偿精度要求，对Z-元件的一致性进行严格筛选外，在电路上应采用辅助调整措施，如图8(c)中利用电位器Rw。
②串联差动补偿
并联对称补偿的缺点是浮动输出，为变成单端输出还需要一个双端输入到单端输出的转换电路。采用串联对称补偿可克服这一缺点。
串联对称补偿的原理电路如图9所示。其中图9(a)为正向应用，图9(b)为反向应用，图9(c)和(d)为实用化补偿电路。
补偿原理：该补偿电路为“上下对称”结构，元器件的一致性要求与并联对称补偿的要求相同。在标准温度tS时，工作电流流过上下分压支路，使输出电压Vo=e/2。温度升高到工作温度t时，工作电流虽然增加，但输出电压Vo仍为e/2，不产生温度漂移。而工作Z-元件当有其它外部激励作用时，可产生有效输出。
该补偿电路的缺点是静态输出电压不为零，为使静态输出电压为零，需附加电平位移电路。
三、开关量输出的温度补偿
开关量输出电路示于图10，(a)为电阻接地，(b)为Z-元件接地。开关量输出的温度补偿与模拟量输出的温度补偿相比，两者的补偿目的不同。后者是模拟信号，当温度改变时，引起静态工作点偏移，通过补偿调整静态工作点，使输出电压恢复稳定。前者是数字信号，数字信号的温度稳定性及其补偿技术是一个新问题。在研究开关量输出补偿原理与补偿方法之前，必须先引入有效跳变与跳变误差的新概念。
1．有效跳变与跳变误差
温、光、磁、力四种Z-元件均可相应构成温控、光控、磁控、力控开关，提供开关量输出，用于对物理参数的监控与报警。其中，除温控开关外，对这些控制开关的基本要求是应具有温度稳定性。也就是说，在光、磁或力等外部激励作用下，并达到设定值时，应准确地产生输出跳变，称为有效跳变。而不应受环境温度影响产生跳变误差。由于开关量输出是数字信号，其跳变误差也必然是两种极端的情况，为研究方便分别定义为超前跳变误差和滞后跳变误差。实际上，由于Z-元件的Vth值是温度的函数，当环境温度改变时，因受Vth变化的影响，超前与滞后两种跳变误差都有可能发生。
若环境温度升高，使Vth下降，当满足状态转换条件VZ3Vth时，外部激励虽未达到设定值，可能产生“不该跳也跳”的超前跳变误差；反之，若环境温度降低，使Vth增加，这时外部激励虽已达到设定值，但由于不能满足状态转换条件VZ3Vth，则可能产生“该跳不跳”的滞后跳变误差。
为克服这两种跳变误差，在电路设计时必须考虑温度补偿技术。因此，对光、磁、力敏Z-元件构成控制开关的设计原则是：在外部激励作用下，必须能够满足状态转换条VZ≥Vth，而产生有效跳变；而当环境温度变化时，则不应满足转换条件VZ≥Vth，不致产生跳变误差。前者通过合理地选择静态工作点来达到，后者则应采用温度补偿技术加以保证。
2．温度补偿原理
上面已经分析过，因为Z-元件的Vth、ith对温度有一定的灵敏度，所以Z-元件的开关量(光、磁和力敏)输出会产生超前跳变和滞后跳变误差。
使用者在设计电路时，是依据有效激励(光、磁和力等)的大小来确定静态工作点QS，这时Z-元件两端的电压为VZS，并具有下述关系：
Vth-VZS=DV(1)
当t(℃)升高时，因Vth减小，DV就减小。当减小到DV=0时，即VZS=Vth时，就产生了超前跳变误差；同理，当t(℃)下降时，因Vth增大，DV就增大，以至于大到有效激励作用时，也不产生跳变，这就产生了滞后跳变误差。当我们选定负载电阻RL值和电源电压eS后，静态工作点QS就确定了。因此，Z-元件开关电路设计的着眼点应在于DV的取值。既要保证Z-元件在有效激励时，能产生有效跳变；而通过温度补偿又能保证DV的初始设计值不随温度变化，即可消除超前跳变误差和滞后跳变误差。
3．温度补偿方法
(1)负载电阻的确定
图11(a)是开关信号电路的工作解析图，图11(b)是开关信号的波形图。开关量输出的输出低电平VoL不是直线，其变化规律以及跳变幅值与m1区特性和静态工作点的设置有关，这是Z-元件开关量输出的特有问题。为保证应用中有足够大的跳变幅值，输出低电平不致太高，必须合适的设置静态工作点，因而当电源电压一定时，合理的选择负载电阻RL的值十分重要。
Z-元件在没有输出开关信号，即工作在m1区时，其功耗是很小的，只有工作在m3区时，其功耗才增大。从图11(b)可知，开关信号的低电平不是常数，因VoL=iZRL，当温度升高时，iZ增大使VoL增大，而且负载电阻RL越大，低电平增大值也越大，因此，为了降低VoL，要求RL越小越好。由于受Z-元件功耗的限制，RL不能无限制的减小，为了Z-元件安全工作和降低电源的耗电，可选择Z-元件的工作功耗为额定功耗的1/5，即pZ=0.2pm，pZ=0.2pm=iZVZ=ifVf。通过下述计算即可求出合适的负载电阻RL值：
按照产品标准的规定：
Vf≤Vth/3
取：VZ=Vf=Vth/3，
if=(e-Vf)/RL=(Vth-Vf+ithRL)/RL
因为ithRL很小，忽略不计，所以：,
所以：（2）
(2)电源电压eS的确定
由图12可知
eS=VZS+iZSRL
=Vth–DV+iZSRL
因为iZSRL很小，只有0.1~0.2V，所以将其忽略不计，常温下电源电压eS为：
eS≈Vth–DV
考虑到电源电压调变时，可能存在误差，初始设计的DV值不能过小，其最小值建议为(5~10°C)Sp（Sp为阈值点的温度灵敏度）。所以：eS=Vth+(5~10°C)Sp(3)
(3)同步改变电源电压
从图12我们知道，当温度上升到t1时，阈值点p将左移至p1点，若通过补偿能自动将电源电压由eS调整到e1，使工作点从QS左移至Q1，并使(1)式成立，DV即可保持不变，此时Vth1–VZ1=DV；当温度下降到t2时，p点将右移至p2点，若将电源电压eS由eS自动调整到e2，并使(1)式成立，DV仍可保持不变，此时Vth2–VZ2=DV即可消除跳变误差，达到补偿。
在t1时，电源电压为e1：e1=Vth1+(5~10℃)Sp=Vth+(t1-t)Sp+(5~10℃)Sp
在t2时，电源电压为e2：e2=Vth2+(5~10℃)Sp=Vth+(t2-t)Sp+(5~10℃)Sp
在工作温度范围t2~t1间电源电压的调变量为De：
De＝e2-e1=(t2-t1)Sp（4）
从(4)式可以看出，该开关量输出电路的电源，应该是具有负温度系数的直流电源，该电源可选用图6中的电源e，只需把Rt换成ntC电阻，或用图7中电源eo。
四、脉冲频率输出的温度补偿
1．应用电路
Z-元件的脉冲频率输出有不同的电路组态，其应用组态之一如图13所示。该电路当电源电压e恒定时，在光、磁或力等外部激励作用下，输出端Vo可输出与外部激励成比例的脉冲频率信号，称为有效输出，波形为锯齿波，如图14所示。作为半导体敏感元件，由于环境温度对有效输出也具有一定灵敏度，这将严重影响有效输出的检测精度，当环境温度变化较大或检测精度要求较高时，必须通过温度补偿对温漂加以抑制。
2．温度补偿原理
Z-元件的输出频率f与工作电压e有关，与电路结构以及参数有关，也与使用环境温度有关。当电路结构以及参数一定时(C=0.1mF，RL=15kw)输出频率f仅与工作电压e和工作温度t有关。为研究温度补偿原理，确定合适的补偿方法，特列出三者的隐函数关系：f=F(t,e)
如果把Z-元件构成的频率输出电路看成是一个线性系统或者可进行线性化处理时，可利用叠加原理对该隐函数求其偏微分：
当电源电压改变De，并恰好克服由温度变化Dt对输出频率的影响时，输出频率将保持不变，即Df=0，则：
若设：为温度灵敏度,为电压灵敏度，
进而得：StDt=-SeDe
关键词：无功补偿；节能；有功功率；无功功率；功率因数
前言
我公司是属于典型的机械加工企业，用电设备以电焊机和拖动机床的感应电动机为主，都是感性负载，所以我公司的自然功率因数很低，达不到有关电力设计规程规定：高压供电的工厂，最大负荷时的功率因数不得低于0.9，达不到要求，必须进行人工补偿。此外，变压器本身也是大感性负载需要消耗较多的无功功率，所以系统无功消耗很大，必须进行人工补偿。下面笔者以并联电容器补偿方式为例进行论述。
1无功补偿的基本原理
在交流电路中，如果是纯电阻电路，电能都转化成了热能，而在通过纯容性或纯感性负载的时候，并不做功，也就是不消耗电能，即为无功功率。当然实际负载一般都是混合性负载，这样电能在通过负载时，就有一部分电能不做功，就是无功功率，此时的功率因数小于1，为了提高电能的利用率，就要进行无功补偿。
无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性。所有电感负载均需要补偿大量的无功功率，提供这些无功功率有两条途径：一是输电系统提供；二是补偿电容器提供。如果由输电系统提供，则设计输电系统时，既要考虑有功功率，也要考虑无功功率。由输电系统传输无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的经济效益。而由并联补偿电容器就地提供无功功率，就可以避免由输电系统传输无功功率，从而降低无功损耗，提高系统的传输功率。
S1为功率因数改善前的视在功率；S2为功率因数改善后的视在功率
2无功补偿的效益
2.1提高功率因数
2.1.1基本原理
在交流纯电阻电路中，负载中的电流iR与电压U同相位，纯电感负载中的电流iL滞后于电压90°，而纯电容的电流iC则超前于电压90°，如图所示。可见，电容中的电流与电感中的电流相差180°，它们能够互相抵消。
电力系统中的负载大部分是感性的，因此总电流i将滞后于电压一个角度φ，如果将并联电容器与负载并联，则电容器的电流iC将抵消一部分电感电流，从而使电感电流iL减小到iL'，总电流从i减小到i'，功率因数将由cosφ提高到cosφ'，这就是并联电容器补偿无功功率提高功率因数的原理（如图2）。
由于电容器与电感性负载并联安装，所以，当电感性负载吸收能量时，正好并联电容器释放能量。而电感性负荷放出能量时，并联电容器却在吸收能量，能量在两者之间转换。即：电感性负载所吸收的无功功率，可由并联电容器所输出的
2.1.2节省企业电费开支
提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对用电企业的功率因数规定了最低数值（一般规定基数为cosφ=0.9），低于规定的数值，需要罚款多收电费，高于规定的数值，可奖励相应的减少电费。
供电部门在收取电费时，按照行业标准规定：根据每月的实际功率因数，在高于或低于基数0.9时，按照规定的电价计算出当月的电费后，再按照上表所规定的百分数进行奖惩，增减电费。
无功功率的节能对用户来说，就是最大可能的提高功率因数，减少无功计量，把实际功率因数保持在0.95以上，以降低电费。以我公司每年电费400万计算，400×0.75%=3万，仅此一项一年就可收回一台电容补偿柜的成本。
2.2改善电压质量
对于电力用户来说，可采纳的调压措施主要有：（1）合理选择无载调压变压器的分接头或有载调压变压器―其实质是在系统的无功电源充足的条件下，通过改变变压器变比来改变无功功率的分布从而达到调压的目的；（2）尽量使系统的三相负载均衡―其目的是防止三相电压的中性点偏移；（3）合理选择系统运行方式―其实质是改变系统阻抗调压。上述三种调压措施均是在原有设备的基础上进行的，若以上方法不能满足用户对电压质量的要求时，则需通过增设无功补偿装置进行调压。无功补偿装置中电容器是最经济、运行维护最简单的补偿设备。
2.2.1电压偏移对用电设备的影响（以感应电动机为例）
感应电动机正常运行时，作用于转子的电磁转矩me与负载转矩mt相等，从而电机稳定运行。而电磁转矩me与电压的关系式为：me=CU2（C为常数），即：me与电压U的平方成正比。额定运行时，me=CUn2=mt，现在假设电压下降，U=0.9Un，则对应的me′=C（0.9Un）2=0.81CUn2=0.81me。由于此时负载转矩不突变，所以me′
2.2.2改善电压质量原理分析
在线路中的电压损失ΔU=（pR+QX）/U，（式中ΔU-线路中的电压损失，p-有功功率，Q-无功功率，U-额定电压，R-线路的总电阻，X-线路感抗），从其表达式可知：若p、R、、X、U不变，Q减小则ΔU下降，可使重负荷下偏低的负荷点电压升高。电力系统的无功负荷主要为大型异步电动机和配电变压器本身所吸收的感性无功QL，它是构成异步电动机绕组的感性线圈和变压器原、副边线圈所消耗的。众所周知，电容与电感线圈在性质上恰好相反，即电容吸收容性无功功率QC，相当于发出感性无功功率QC。如果在负荷侧增设容量为QC的电容，可使负荷点总的感性无功功率变为（QL-QC）
2.3降低功率损耗和电能损失
2.3.1原理概述
在三相电力系统中，功率损耗Δp=3i2R=p2R/[U2（cosφ）2]，电能损耗Δw=Δp×t，由此可见，当无功功率得到补偿使得功率因数提高后（cos？准增大），将使功率损失大大下降，从而电能损失也大大下降。因为线路和变压器的功率损耗与通过的电流平方成正比，在p一定的情况下，如果cos？准小，则i增大，功率损耗和电能损耗随着增大，年运行费用增加。
2.3.2定量分析
2.4提高设备出力
由于有功功率p=S・cos？准，当设备的视在功率一定时，如果功率因数cos？准提高，有功功率p也随着增大，可见设备的有功出力也就提高了。即：当无功功率在就地得到补偿，就地平衡后，负荷所需的无功功率就不用从电源索取了，流经线路的无功电流减小了，设备（线路及变压器）原来被无功所占用的那部分容量释放出来均可提供有功功率，从而设备利用率提高了，也提高了设备出力，可以充分挖掘原有设备潜力。
对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减小，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要；如果原网络已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不至于过载运行，从而发挥原有设备的潜力。
对于尚处于设计阶段的新、改、扩建工程项目，充分考虑无功补偿则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，无功补偿后改善了的功率因数可以使所选变压器容量降低和所选导体线径规格下降。因此，使用无功补偿，不但减少初次投资费用，而且减少了运行后的基本电费。
3无功补偿措施
3.1高压集中补偿
集中补偿是将电容器设置在总降压变电所内，将电容器组接在高压母线上，补偿容量仅需按照变、配电所的总负荷选择。这种补偿方式的优点：电容器组的利用率非常高，投资费用少，便于管理和维护保养；缺点：仅减轻了供电电网的无功功率，不能减少工厂内部配电网络的无功负荷。对于补偿容量相当大的工厂，多采用高压集中补偿和低压分散补偿相结合的方式。
3.2低压分散补偿
分散补偿的电容器组一般接在各车间低压配电母线上，其利用率较高，投资费用省，但只能补偿受电变压器及变配电所至车间的供电线路上的无功功率，是一种比较经济合理的补偿方式，在中小型工厂应用较为普遍。
3.3低压个别补偿
低压个别补偿是指将电容器直接安装在用电设备附近，与用电设备同时投入运行和断开。此种补偿方式可以最大限度的减少系统中流过的无功电流，补偿效果最好。缺点是总投资费用大，电容器的利用率低，易受机械振动和环境的影响。对于连续运行的大容量设备，宜采用低压个别补偿。
4由无功补偿提高功率因数而想到的节能措施
4.1正确选择电气设备
（1）选气隙小，磁阻小的电器设备。如尽量选择鼠笼型电动机。
（2）同容量下选择磁路体积小的电气设备。
（3）电动机、变压器的容量选择要合适，尽量避免欠负载运行。因欠载时p和i减少，会造成cos？准减小。
（4）不需要调速，持续运行的大容量电动机，有条件时可选择同步电动机，使其过激磁运行，提供超前无功功率（-Q）进行补偿，使电网总的无功功率减少。
4.2电气设备合理运行
（1）消除严重欠载运行的电动机和变压器。对于变压器，当其平均负荷小于额定容量的30%时，应更换变压器或调整负荷；对于负荷小于40%的感应电动机，在能满足启动、工作稳定性等要求条件下，应以小容量电动机更换或将原三角形接法的绕组改为星形接法，降低激磁电压。
（2）合理调动安排生产工艺流程，限制电气设备空载运行。
（3）提高异步电动机的维护检修质量。因为异步电动机定子绕组匝数的变动和电动机的定子、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。所以应提高检修质量，使其电磁特性符合标准。
（4）进行技术改造，降低总的无功功耗。如改造电磁开关使其无压运行，即电磁开关吸合后，电磁铁合闸电源切除仍能维持开关合闸状态，减少运行中的无功功耗。
（5）做好变压器的散热工作。变压器绕组的电阻随着温度的升高而增大，对于同一台变压器在同一负载下，如果温度越低，损耗也越低。因此，应做好变压器的散热工作，降低变压器的温度。
5结束语
文中集中探讨了无功功率补偿对工厂供配电系统中低压配电网的影响以及所带来的经济效益和社会效益，介绍了无功补偿的原理、效益及方法，并提出了在选择电气设备和合理运行电气设备方面的具体措施，确保采用无功补偿后提高功率因数，达到节约电能的目的。
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关键词：智能电网；电力；无功补偿技术
中图分类号：mt72文献标识码：a
随着高压远距离电力系统的发展普及，近些年来在电网中产生的无功功率明显呈现增加的趋势，电网设备综中存在较大含量的非线性电力设施，多数的智能电力设备功率因数是非常低的，那么就会给电网带来一些额外的负担，从而导致受众的电力质量不断下降。无功补偿技术对于电网中的这种现象起到非常重要的作用，可以提高供电质量，并且能够在输变电、供电环节发挥其自身的职能。
1智能电网中无功补偿技术的基本原理
无功补偿技术的基本原理是将荣容性功率的负荷装置、感性功率负荷在同一电路上并联，电能量在两种负电荷之间转换。容性负荷的无功补偿就会给与感性负荷所需要的功率。正常情况下0.95是合理功率因数补偿。
正常智能电力设备工作中，用电设备在从电源取得有功功率的同时，也要从电源处取得无功功率。一旦电网中产生的无功功率出现供不应求的话，那么智能电力设备就会因为不足够量的无功功率而无法建设完整正常工作的电磁场，致使当下的电网中设备不能在额定情况下维持工作进行，进而电压就会随之产生下降，将严重影响电网设备正常工作运行。但是实际的情况是发电机、高压输电线提供的无功功率是无法满足负荷需求的，那么就要求在电网中增加一部分的无功补偿技术设备进行无功功率的补充，保证广大用户无功功率需求的同时使智能电力设备能够在额定电压中正常运行。
（1）无功补偿装置降低电力网的损耗
使电容器等一些无功补偿设备装置在电网中国并联，能够将感性负荷消耗掉的无功功率补偿回来，那么电力线路设备输出的由电源端向感性负荷的无功功率就会适当减少。电网中无功功率流动性的减少，就会降低变压器、电力线路设施输出无功功率而产生的电能消耗，这就是智能电网中的无功补偿技术，它不仅可以提高功率因数，而且也是投资少见效快的一种将损耗节能措施。
（2）加装无功补偿装置的主要目的
①降低电网设备中功率损耗
将输送中的有功功率设为p，当p为定值时，随着无功补偿设备的安装，功率因数得到了一定提高，线路中流动的负荷电降低，那么线路中损耗的有功功率随之降低。所以在智能电力设备中加装无功补偿设备的主要目的是使电网中的有功功率损耗得到一定程度的降低。
②提高智能电力设备的供电能力
将设备现有的功率设为S，当S为恒定值时，智能电力设备中的功率因数在提高之后，能够保证有功功率的增加输出，功率因数在0.7的基础上上升到0.9的话，那么输出的有效功率也得到提高，一般会从35千瓦升至45千瓦，这样配电变压器的供电能力就得到了有效提高。所以在智能电力设备中加装无功补偿设备的主要目的是使智能电力设备的供电能力提高，同时挖掘当前智能电力设备的供电潜力。
2智能电网中无功补偿技术的方法
智能电力设备系统的网路元件产生的阻抗以感性为主，要求在输、入电端的电压有相位差的情况下有功功率才会输出，得以实现的范围较宽泛。输、入两端有电压差的情况下才会有无功功率输出，得以实现的范围幅度较窄。网络元件、负载都是需要大量无功功率作为消耗的，但是所需要的无功功率的提供者不可能是发电机，那么在远距离的电力输送中，无功补偿系统装置在系统被分为三种方式进行作业。按照系统电容的位置安装分别是集中、分组、就地补偿这三种技术方法。
（1）集中补偿方法
此补偿方式是将大容量无功补偿电容集中装置在变电站中。主要的作用目的是补偿主变在运行中对无功功率的需求，无功补偿装置电容的容量是要根据变电站供电区域的无功补偿水平、潮流来确定的。相对110千伏的变电站来说，主变容量的15%-20%就是无功补偿装置的标准容量。
集中补偿方法的优势：电网中利用率较高、后期维护方便、使用中事故较少、自动性强、减少变压器、无功负荷、电能消耗。
（2）分组补偿方法
此补偿方法的作用对象是配电线路、用电设施以及变压器，对这三项进行无功功率的补偿。尤其是在用户与主变之间距离较远的情况下，分组补偿方法可以进行受电端的分散无功补偿。
分组补偿方法的优势：能够与低压补偿结合、有效降低电网线路中产生的损耗、有效提高受电端的用电电压。
（3）就地补偿方法
此补偿方法可以在用电设备中直接连接补偿电容使用，补偿电容随着用电设备的正常运行而投入，一旦用电设备发生停止工作运行的情况，补偿电容随之自主切除。在就地补偿容量设计时，要进行详细的计算电力系统中所需要的补偿容量，计算精确的目的是减少无功补偿装置的系统生成成本，有效提高就地补偿利用率。
就地补偿方法的优势：针对性较强、为大型配电设备加装专用补偿设备，系统设备简单、成本制作过程经济、补偿效果明显、操作过程方便、自动补偿工作特性。
3智能电网中无功补偿实施的对策和措施
（1）无功补偿实施的对策
无功补偿在智能电网中实施应该符合合理布局、分级补偿以及就地平衡的全面规划原则，这样能够发挥无功补偿在电网中最佳的补偿综合效益。具体的实施对策有以下三种两方结合的方式。
①就地补偿为主：电力部门与用户补偿结合
无功功率技术的安装使用，是为了提高运行中产生的功率因数，减少用户端传输、分配过程中消耗的有功功率，进而减少用户多余的电费开支。当下呼吁合理用电，从这一角度出发，以提高功率因数为鼓励目标使用户自觉加装补偿设备。在具体的资料统计中我们发现，智能电网系统中消耗的40%无功功率是在电网线路、配电变压器两个方面，剩余的60%无功功率消耗是在用户端的用电设备中。以这样的情况来看，在以加强无功功率补偿技术安装使用管理为同一目标的情况下，供电方与用户之间应该有效的配合作业，这样才能收获双方最大的收益。
②分散补偿为主：集中与分散补偿技术结合
两者相结合的实施对策，原则上占有主要位置的是分散补偿。在为变电站进行集中、专用、大量的无功补偿同时，也要对智能电网系统中电线路、设备、配电变压器分别进行分散补偿，并且在补偿过程中要以分散补偿为主要对象，在无功就地平衡得以实现的基础上，还能提高无功补偿带来的经济效益，在具体实施过程中，体现本能效果突出，选择安装的地点本身的无功补偿经济当量要越大；此外，着重考虑在满足补偿要求情况下功率因数的合理性，并不是因数值越高越好。那么就要求分散补偿的技术使用加装要从实际的情况出发，在满足最大经济效益为立足点。但是这种分散补偿的方法在实施的过程中，电力企业会考虑到其分散性带来的维护困难，所以实际情况中多数会采用其中补偿的方法。
③降低损耗为主：降损与调压方式相结合
无功补偿技术在智能电网中最重要的经济效益作用就是降损，其次是能够兼顾调整电压的要求，使电压满足用户要求的质量。在电压偏高的时候，部分轻载运行的智能电网线路会受到影响，配电变压器中铁损耗占线损耗的70%，对于这种情况的电线路来说，是不能够加装电容器设备的，在用电高峰时段会增加体损耗的百分比，导致线损值不断攀高。如果使用投切无功补偿装置的话，能够有效提高智能电网中产生的功率因数，从而达到降损的工作指标要求。
（2）无功补偿实施的措施
具体可以在客户配电室、负载点实施无功功率补偿。供电部门不会依附功率因数电费调整政策而收取客户一方的调整电费，真正要落实的工作是与客户协同合作，目标是让用电客户减少功率因数调整费用，可以为客户大力宣传无功补偿技术装置在用电处的安装使用特征，以收获企业与个人最大的经济效益。
结语
随着当代科技不断发展，智能电网中无功补偿技术的应用，减少了上级目标电网的压力，
提高了用户变压器的利用率，电能质量以及用户端的功率因数得到了改善。同时无功补偿在智能电网中能够起到提高功率因数的重要作用，从而使能量消耗降到最低，同时减少了电力用户的费用开支。基于当今智能电网的安全性、稳定性运行来说，无功补偿技术的应用具有重要的意义。
参考文献
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[关键词]农村电网无功补偿网损电压质量
中图分类号：tm714.36文献标识码：a文章编号：1009-914X（2016）02-0236-01
农村电网线路长、分支多、结构分散、负荷不均匀等特点，导致农村电网功率因数较低，远未达到国家相关标准。此外，随着农村家用电器使用量逐年增加，对无功功率消耗也急剧增大。农网无功容量补偿不及时、功率因数低会造成电能的损耗和经济效益低下，严重时造成系统电压崩溃。对农网进行科学合理无功补偿，可提升农村电网经济运行水平和电压质量，为农村发展提供可靠、优质、经济的电能。
1农网无功补偿原则及方式
1.1农网无功补偿原则
按照我国农网无功补偿的原则，确定补偿方案时应综合考虑无功补偿装置的最优化布局和各补偿方案的经济性，具体包括以下几方面。
第一，为减少因无功功率流动引起的网损，充分利用该区域电网的无功补偿设备，应遵循无功就地平衡的原则，并将该区域无功平衡与分区、县、站的无功平衡综合考虑。
第二，对于35kV及以下电压等级线损较大的农网，无功补偿时应以降低网损为主，同时兼顾调压。
第三，以分散补偿为主，并与集中补偿并存。应对配电网进行逐级补偿，既要在配电线路处进行分散补偿且配电变压器低压侧及用户处有就地补偿装置，同时也要求在变电站配置集中补偿设备。
1.2农网无功补偿方式
遵循以上原则，农网无功补偿方式可分为：变电站集中补偿、低压集中补偿、线路补偿、随机补偿和随器补偿。
变电站集中补偿。目前在农网中除大容量客户外，县级电网基本采用该补偿方式。在变电站10kV（6kV）母线上集中装设无功补偿装置，用于补偿高压输电线路和变电站主变无功损耗，提高终端变压器线路电压、改善功率因数。集中补偿装置主要有：并联电容器、同步调相机和静态补偿装置。该补偿方式利于补偿设备管理及维护，但对10kV农村配电网降损效果不佳。
低压集中补偿，又名跟踪补偿。在配电变压器0.4kV低压母线处装设多组电容器（包括固定补偿容量和投切容量）进行集中补偿，主要用于补偿变压器出线及农网无功损耗，对减少配电线路的电能损耗作用不大。固定补偿容量用于补偿用户本身的基础无功负荷，可随设备补偿；投切容量用于补偿无功峰荷，补偿容量可根据无功负荷情况进行投切，如：时间段、无功负荷大小及功率因数等。为避免农网变压器空载或轻载运行时无功过补偿，低压集中补偿容量不宜过大。对于大容量用户，在受单台电动机补偿容量或投运时间的限制时，相较于随器、随机补偿，跟踪补偿无需调整补偿额度，仅通过调整各电容器组的投切时间段即可达到较好的补偿效果。跟踪补偿可跟踪无功负荷变化进行投切，运行方式简单灵活，运维工作量较小，但跟踪补偿所需的自动投切装置功能较复杂，投资也较随机、随器补偿的控制保护装置要大。
线路补偿。这种补偿方式在农网应用较多，通过在线路杆塔上装设并联电容器，为路径长、功率因数低、负荷重的线路和公用变压器提供无功补偿。线路补偿装置一般在距离出线变电站较远距离处安装，受安装环境影响较大，不宜设置过多的线路补偿点；线路补偿装置相关控制设备成本高，不宜采用分组投切控制；补偿容量应适中，不应出现过补或欠补；保护装置应尽可能简单，可采用避雷器作过电流保护、熔断器作过电压保护。
随机补偿。它是将无功补偿装置直接并联在用电设备上以补偿无功需求，如：机械负荷、电动机等。随机补偿可减少电压损失，保证电压水平；改善用电设备启动和运行条件；减少线路损耗，增加电能供应，提升电网设备利用率。但随机补偿建设费用需企业自行承担，目前在农网应用及效果差强人意。
随器补偿。它是在需补偿的配电变压器低压侧装设分散补偿装置，对该变压器空载损耗和漏磁进行补偿，实现无功就地平衡，可改善电压质量、降低损耗、提高用户功率因数，是变压器目前最常见的补偿方式。由于农村每日、每月负荷波动较大，一般采用微机跟踪负荷变化并投切电容器进行补偿。由于农网中配电变压器数量多且位置分散，进行随器补偿投资及运维费用较大。
2农网无功补偿系统设计
根据某地区10kV线路和变电站的环境特点，架构了既可进行实时跟踪又能进行补偿的无功监控系统，包括采集层、传输层、存储层和计算分析层。
2.1采集层
数据采集层由测量采集模块构成，主要包括多功能电表和数据采集器。电表可实时采集电网运行参数，如：电压电流、瞬时有、无功功率以及功率因数等，并记录电表运行状态。远程监控终端用作数据集中采集器，主要监测配变电能质量、进行数据实时远传和抄收，并与电能表通过RS485串行总线进行数据传输。
2.2传输层
数据传输层由数据收发模块构成，包括pC机和主站服务器，负责各模块间数据传输。pC机通过teLnet协议远程连接集中采集器获取解析数据；pC机通过tCp/ip网络协议与主站服务器建立端口连接，传输测试数据。
2.3存储层
数据存储层主要由数据存储模块构成，包括数据库软件、监控软件等。应用开发软件，构建电网抄表数据管理系统，通过调用数据库中数据并显示，用户可直观监控电网运行情况。
2.4计算分析层
计算分析层由无功补偿计算分析模块构成，包括输入、输出两部分。通过对输入口输入测量数据进行计算分析，输出适当的无功补偿量。
3结语
随着三农经济的发展，如何在保证农村电网安全可靠运行的基础上，有效配置资源、降低网络损耗、改善电能质量，成为现代农网配电领域研究的重点问题。对农网进行科学合理无功补偿，有利于降低变压器和输电线路损耗、提高线路功率因数、改善电能质量、减少农村企业功率因数调整费用，对农村电网优质、经济、高效运行意义重大。
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关键词：两路编码柱上动态无功补偿单片机rs-232
abstract:reactivepowercompensationisaneffectivemethodtoreducethelossofpowergridandraisetheefficiencyoftransmission.thispaperanalysestheactualityofreactivepowercompensationon10kvpowerlineonpoleanddesignsanequipmentofdynamicreactivepowercompensationwhichbasedonatwo-pathcodingcontrol.thisequipmentappliesthenewtechnologyofsingle-chipcomputerandwireless,canmeasurethereal-timepowerfactorandreactivepower,andcandynamicallycompensateforthereactivepowertoratherhighaccuracy.thereisalsoafunctionoffour-remotecontrolwiththisequipment,whichcanstoretwomonthsofthehistory-dataandcansetandtransmittheparameteranddatabywayofwireless.thisequipmentisofhighvalueforincreasingthepowerfactorandreducingthelossofpowergrid.
keywords:two-pathcodingcontrol;onpole;automaticreactive-powercompensation;single-chipcomputer;rs-232interface
1.引言
功率因数和无功平衡是衡量电网质量的重要标志。我国农网普遍存在供电半径长、电压质量差、功率因数低的状况。如果无功能得到有效的平衡，不仅能大大降低电网的损耗，而且对提高电压质量具有重要的意义。但是，目前我国大部分城乡电网功率因数偏低，无功很不平衡。因此提高电网功率因数、平衡无功、提高电压质量、降低线损，是电力系统的一个重要课题。现今国内大部分的无功补偿装置都是并接电容器固定补偿，不能实现动态跟踪补偿。另还有一部分是一路动态跟踪补偿，级数太少，不能做到精补细补。因此，如何实现无功多路补偿，仍是国内外同行关注的热点。
本文设计了一种基于两路不等容编码控制投切的无功动态补偿装置，它能随电网无功的变化，实现四级补偿，基本能达到精补细补的目的，使得电网的无功平衡更科学合理，因而在农网中有着广泛的应用前景。
2.设计思想
本文主要探讨基于两路不等容编码投切无功补偿装置的控制原理以及实现的方法。在动态跟踪无功补偿装置中，如果是单组的动态补偿，就可根据电网无功以及电压的状况进行投切;如果是多组等容量投切补偿，可根据循环投切的原理去设计控制策略;如果是多组不等容投切，其控制策略就要复杂得多。森宝公司之所以研发该产品，主要是以下两方面的原因：
1)降低成本。众所周知，单组无功补偿装置不能做到精细补偿，而多组等容的装置虽能做到相对精细的补偿，但是其电容器的组数要多，每组电容器都要配备相应的开关和保护设备，这就大大增加了设备的成本，使节能降损的先期投入成本较大，也使节能降损的效益降低。如果使用不等容投切，就可大大减少设备成本，使用户的效益最大化。举例说明，要补偿300kvar的电容，级差为100kvar，如果采用等容投切，就需要3台电容器和3台开关，而如果采用不等容投切，采用补偿一个100kvar和一个200kvar的方法，就只需要两台电容器和两台开关，这就节省了1台开关和1套保护装置的费用，并且减少了故障点。信息来自:输配电设备网
2)使装置的体积减小，节省了空间，也减少故障点。高压电容器的体积相对比较庞大，而且对绝缘距离有一定的要求，电容器的组数越多，那么体积就会大大增加，这就增加了施工成本和施工难度。而且，组数越多，装置的故障点越多，使装置的维护成本增加。使用不等容投切就可以减少这些问题。
基于以上思考，本文设计了两路不等容投切的户外高压无功自动补偿装置。
3.系统结构以及控制器工作原理
图1系统工作原理图
如图1，控制柜内装有两台高压电容器和高压真空接触器，通过单片机控制高压真空接触器的开合，完成投切动作。采用高压熔断器为电容提供保护。pt采样高压电网的b、c相之间的线电压，除了提供电压信号，还为控制器和控制回路提供电源。ct采样线电流，为控制器提供电流采样信号。ct1-ct4采样电容器电流，电容器的过流保护和缺相保护提供硬件支持。控制器将采集到的线电压、线电流、电容器电流的信号进行分析、计算，经过判断，输出控制信号，控制真空接触器关合和开断。
4.控制策略
在控制方式上，装置采用了按无功投切和按功率因数投切两种方式。用户可以根据需要来选择。单就补偿的最终目的而言，笔者推荐使用无功来控制比较科学合理。
两组电容器由于其容量不等，在投切时就要考虑两个电容器的协调问题，大致来说，分为如下几个情况：
1)两组都未投入。那么则根据所选控制方式，根据实际参数量来投入合适的容量。
2)小容量电容器已投入。如果过补，则切电容;如果需要投入的容量大于小电容器而小于大电容器，那么切电容器;如果需要投入的容量大于大电容器，那么投大电容器。
3)大容量电容器已投入。如果过补，那么切电容器;如果需要投入的容量大于小电容器，那么投小电容器。
4)两个都已投入。如果过补，那么根据过补的多少，来选择切除哪一组电容器。
5控制器硬件电路设计
要实现自动控制，通常的做法是利用微控制器或处理器对采集来的数据进行计算，判断，然后再对对象进行控制。在本设计中为了使采集数据更精确，软件编程更简洁，使用新型的智能电表芯片替代了传统的adc和部分mcu的工作。在软硬件设计中注重了对动态电容器的保护，实现了10分钟保护、过流保护、缺相保护、延时保护等多种保护功能，使得系统工作更加稳定有效。
图2硬件结构图
如图2，整体电路由ad，cpu，ic器件组成。使用专用测量芯片cs5460替代了原先的adc和部分单片机的工作，通过芯片内的硬件算法得到irms、vrms、p。主cpu使用51系列芯片，其内部自带20k字节的flashrom和512字节的ram，设计中，全部采用其内部的程序存储器和数据存储器。ic器件主要包括外部扩展的一片e2prom存储器，它拥有32k字节的存储空间，用来存储参数设定值及历史数据;时钟芯片为系统工作提供时间参考;另外，人机接口模块选用了zlg7289bp键盘显示管理芯片。该芯片可以同时管理8个数码管和64个按键，采用spi总线接口，便于进行级联。系统设计还有rs-232串行通讯接口，可以上传下传数据，进行遥控遥测。
6.软件实现
本装置主要是实现按实时无功来控制电容器的投切，具体软件流程图如3所示
图3控制器软件流程示意简图
6.1功能实现。
软件必须做到以下功能：采集数据并传给cpu，然后进行算法运算并处理，发控
制命令，另外还必须有显示，通信的功能。
本装置控制器的软件通过汇编和c语言混合编程实现了以下功能：
1)采集调理后信号，计算出线路电压、电流、功率因数、有功、无功。
2)通过继电器控制真空接触器可按照无功的实时情况对补偿电容进行合理控制。控制器还具有过压、欠压、过流、速断、10min、动作次数、缺相等保护;
3)提供准确的时钟，并能存储必要的电量数据。
4)数码管显示电量数据，并可通过按键调整参数。
5)通过rs-232串口通信模块实现通信。通过无线通信能调出控制器中的实时数据和历史数据。其中历史数据包括近两个月的整点数据和近100次的动作记录。
6.2算法实现
(1)运算算法
运算算法结构如图4所示。
图4信息来源:http://tede.cn
控制器只采集线路上的一个线电压和一个相电流来对线路的电压、电流、有功功率、无功功率以及功率因数进行计算。电压和电流的有效值由cs5460进行硬件计算。在线路的电压和电流都为三相对称的情况下，系统的无功功率为其中φ为功率因数角。又因为比超前900，幅值相差倍，所以可得
由上式可知，只要采集ucb和ia，并将它们送入cs5460里，按照有功功率的方法进行计算，再乘以，就得到实际线路的无功功率。有了无功功率，就可以求出系统的有功功率为功率因数为φ角的正负由无功功率的正负来判断，当q>0时，φ>0，负载为感性;当q
(2)保护算法
保护算法如图5所示，程序按顺序依次判断是否执行各保护。其中，过流保护和过流速断保护判断的是电容器的电流，当电容器中任一相电流超过保护设定值时，即启动保护。信息请登陆:输配电设备网
过压保护和欠压保护以过压值和欠压值来判断是否需要启动保护。缺相保护是判断当有一相电容器电流为零时，就启动保护。当电容器进入保护状态时，装置推出控制。其中过流和缺相保护还设置了保护位，当保护位被人工清除时，装置才可重新进入控制状态。
图5保护算法
论文摘要：由于无功补偿对电网安全、优质、经济运行具有重要作用，因此无功补偿是电力部门和用户共同关注的问题。合理选择无功补偿方案和补偿容量，能有效提高系统的电压稳定性，保证电网的电压质量，提高发输电设备的利用率，降低有功网损和减少发电费用。本文按照电网无功补偿的基本原则是，重点介绍了输配电网中各种无功补偿的原理及方法，以达到改善功率因数、调整电压及补偿参数等作用。另介绍了电网电压调整的几种方法
前言
目前世界范围内掀起环境保护的热潮，电力系统是一种特定的环境，在输配电网中出现的无功功率，是电网本身的运行规律所决定，但同时它给电网运行带来了许多麻烦。无功功率是一种既不能作有功，但又会在电网中引起损耗，而且又是不能缺少的一种功率，所以在电网中要加入无功功率补偿的装置，同时对电网电压进行调整，达到电网利用效率最大化。
二、输配电网的无功补偿
2．1输电网的无功补偿
电网无功补偿的基本原则是：按电压分层，按电网分区，就地平衡，避免无功功率的远距离输送，以免占用线路输送容量和增加有功损耗。输电网多数无直供负载，一般不为调压目的而设置无功补偿装置。参数补偿多用于较长距离的输电线路。具体补偿方法如下：
2．1．1电抗器补偿
电抗器是超高压长距离输电线路的常用补偿设备，用以补偿输电线路对地电容所产生的充电功率，以抑制工频过电压。电抗器的容量根据线路长度和过电压限制水平选择，其补偿度(电抗器容量与线路充电功率之比)国外统计大多为70－85，个别为65，一般不低于60。电抗器一般常设置在线路两湍，且不设断路器。
2．1．2串连电容补偿
串联电容用来补偿输电线路的感抗，起到缩短电气距离提高稳定性水平和线路的输电容量的作用。串联电容器组多为串、并联组合而成，并联支数由线路输送容量而定，串联个数则由所需的串联电容补偿度(串联电容的容抗与所补偿的线路感抗之比)而定。串联电容补偿一般在50以下，不宜过高，以免引起系统的次同步谐振。输电网中因阻抗不均而造成环流时，也可用串联电容来补偿。日本在110kv环网中就使用了串联电容补偿。
2．1．3中间同步或静止补偿
在远距离输电线路中间装设同步调相机或静止补偿装置，利用这些装置的无功调节能力，在线路轻载时吸收线路充电功率，限制电压升高；在线路重载时发出无功功率，以补偿线路的无功损耗，支持电压水平，从而提高线路的输送容量。中间同步或静止补偿通常设在线路中点，若设在线路首末端，则调节作用消失。
输电网的电压支撑点与调压输电网与受电地区的低一级电压的电网相联的枢纽点，常设置有载调压变压器或有相当调节与控制能力的无功补偿装置，或者二者都有，以实现中枢点调压，使电网的运行不受或少受因潮流变化或其他原因形成的电压波动的影响，在电网发生事故时起支撑电压的作用，防止因电网电压剧烈波动而扩大事故。
电压支撑能力的强弱，除与补偿方法和补偿容量大小有关外，更与补偿装置的调节控制能力和响应速度有关。并联电容器虽是常用而价廉的补偿设备，但其无功出力在电压下降时将按电压的平方值下降，不利于支撑电压。大量装设并联补偿电容器反而有事故发生助长电网电压崩溃的可能性。采用同步调相机和静止无功补偿装置辅以适当的调节控制，是比较理想的支撑电压的无功补偿设备。近年来，国内外均注重静止补偿装置的应用。
2．2配电网的无功补偿
配电网的无功补偿主要以相位补偿和保证用户用电电压质量为主。具体方法为相位补偿。
2．2．1相位补偿(亦称功率因数补偿)
用电电器多为电磁结构，需要大量的励磁功率，致使用户的功率因数均为滞相且较低，一般约为0.7左右。励磁功率——滞相的无功功率在配电网中流动，不仅占用配电网容量，造成不必要的损耗，而且导致用户电压降低。相位补偿是以进相的无功补偿设备(如并联电容器)就近供给用户或配电网所需要的滞相无功功率，减少在配电网中流动的无功功率，降低网损，改善电压质量。中国对大电力用户要求安装无功补偿装置，补偿后的功率因数不得低于0.9。
三、电网电压调整
为保证用电电器有良好的工作电压，避免受到配电网电压波动影响而损坏用电设备，配电电网需要进行电压调整。电网的电压调整方法有：中心调压、调压变压器调压和无功补偿调压。
3．1利用地区发电厂或枢纽变电所进行中心调压
这种措施简单而经济方便，但它只能改变整个供电地区的电压水平，不能改善电压分布。当供电地区的地域比较广阔、供电距离长短悬殊时，中心调压措施往往不能兼顾全区，有顾此失彼的缺点。
3．2调压变压器调压
可弥补中心调压方式的不足，进行局部调压。调压变压器有有载调压变压器、串联升压器和感应调压器三种。有载调压变压器与感应调压器一般用于特定负荷点，串联升压器则用于供电线路。
调压变压器的调压作用是靠改变电力网的无功潮流来实现的。它本身不仅不产生无功功率，而且还因本身励磁的需要而消耗无功功率。当电网的无功电源不足时，调压变压器的调压效果不显著。相反地，若调压变压器装设过多，将加重配电网的无功功率消耗，拉低全网电压水平，增大网损，降低并联电容器的无功出力，严重时有可能造成恶性循环的趋向。
3．3无功补偿调压
由于增加了电力网的无功电源，能起到改善电网电压的作用。装设于变电所内的无功补偿装置，还可采用分组投切的办法，对供电地区实行中心调压。电路补偿法的基本原理篇2
电路补偿法的基本原理篇3
电路补偿法的基本原理篇4
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