新型低压无功补偿控制器的设计

2011-01-18郑慧珍

黑龙江生态工程职业学院学报 2011年5期

程玮郑慧珍

(1.厦门海洋职业技术学院机电系，福建厦门 361100；2.漳州职业技术学院电子工程系，福建漳州 363001)

在我国，低压无功补偿场所采用的多数是早期的以COSφ作为电容投切判据的无功补偿控制器。其在实际无功补偿中有很多不足之处。如：(1)功率因数测量精度不高；(2)易出现某些相过补或分补；(3)投切易出现振荡；(4)电容支路在谐波状况下易损坏。鉴于上述情况，笔者提出采用PIC18F4520为主控制芯片和电能计量芯片ATT7022B为电量采集芯片的设计思路，设计一款新型低压无功功率补偿控制器。该补偿器能够精确计算当前所在电网的无功功率及各相电压、电流值等电量参数，并且能根据当前所需补偿无功量的大小准确地输出控制电容的投切。并且能满足在过电压和较大谐波分量的状况下，较为安全地切除电力电容。

1 无功补偿控制器硬件部分

本设计的硬件结构主要包括七大部分：主控制芯片部分、电量采集部分、控制输出部分、计量芯片部分、人机接口部分、数据存储部分及电源部分(见图1)。虚线外部为用户接口。

1.1 主控制芯片PIC18F4520

无功补偿控制器是以Microchip公司的PIC18F4520为控制核心。它主要负责对ATT7022B的数据的读取，有功电能、无功电能、电压、电流等运算，液晶显示、按键判断、校表、参数设置以及电力电容投切的控制触发信号的产生等。

1.2 电能计量芯片ATT7022B

ATT7022B芯片是一款具有高可靠性、高精度、高稳定性的三相基波/谐波电能计量芯片。在1000∶1的动态范围内功率测量精度优于0.1%，电流和电压的有效值测量精度优于0.5%。如图2所示，该芯片能够测量各相及合相包括基波、谐波和全波有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量频率、各相电流及电压有效值、功率因数、相角等参数。其提供一个SPI接口与外部控制器之间进行计量参数以及校表参数的传递，使用方便[3]，能充分满足本设计的需求。

1.3 信号采集部分

本设计的电压、电流的采样均采用互感器测量方式，这样有效地隔离开电网与电能计量芯片及线路板其他元器件，从而使整个控制器获得良好的抗干扰性能。图3为A相电压和电流的采集电路(B，C相此同图)。

1.4 其他硬件部分

数据存储部分：由于存储数据量较大，包括比如电压上下限、投切延时时间、三相电容值、单相电容值等数据。虽然PIC18F4520本身提供256字节的E2PROM存储空间，但空间相对偏小，所以对于本设计采用E2PROM芯片24LC02。

人机接口部分：本设计显示部分采用128×64点阵LCD液晶显示，按键部分则设计为UP(上)、DOWN(下)、SET(确认)、ESC(返回)四个按键。

电源部分：考虑到实际运行中所处的电网环境在某些时候可能处于缺相运行的状态。电源部分采用三个功率均为5W的单相变压器，其次级经整流桥整流后并联作为控制器的电源。以保证当电网缺任意一相或两相的时候控制器还能正常工作。

控制输出部分：由于电容的容抗与电源的频率成反比，电容器合闸产生的瞬态过电流过大，势必可能造成电容器支路元器件损坏。要抑制瞬态过电流，控制电容器合闸时刻是关键，因此可采用过零触发、无触点功率模块，来实现电路的控制[1]。

2 无功补偿控制器软件部分

2.1 控制策略思路

针对引言中所述早期的以COSφ作为投切判据的无功补偿器，其在实际中有很多不足之处。本设计直接采取以无功功率为主要的判断依据，根据电网每相所缺的无功容量来确定该相投入电容数量，根据电网富余无功来切除电容。设计对当地8组电容器(2组三相电容器及6组单相电容器，分别进行2个三相共补和2个单相分补进行循环投切)，并具有当出现电压过压、欠压、缺相或谐波越限等情况，电容切除的功能。同时选择无触点过零投切、三相共补和单相分补来提高系统补偿的可靠性和精度。在运行中既能保证线路系统稳定，无振荡现象出现，又能兼顾补偿效果，将补偿装置的效果发挥到最佳。

2.1.1 投入电容

电容投入流程见图4，采用优先投入共补电容的方式，当共补电容投入完毕，才开始投入分补电容。此电容器投切延时的一分钟时间可以软件设定。