低压无功功率补偿控制器的设计及应用

杨 晨 赵 波 江东流 周 佳 邵 桦

（1.中国海诚工程科技股份有限公司第四咨询设计所，上海 200031； （2.江苏安科瑞制造有限公司，江苏 江阴 214400）

常规的无功补偿控制器只能实现共补，而实际工业现场往往是三相不平衡负载，故需要针对某一相进行无功补偿，即分补偿。常规控制器普遍采用一种编码方式，即等电容循环投切，电网所要补偿的容性无功功率的数值往往是连续的不分等级，单只电容器容量可能过大，造成过或欠补，补偿精度欠佳。为了解决上述问题，因此本文介绍了一种以ARM 为核心，研制的一款高性价比的ARC 低压无功功率自动补偿控制器。

1 设计要求

根据现有市场上的低压无功补偿控制器的功能特点及实际需求，确定ARC 低压无功补偿控制器包括如下要求：

1）控制器输出电路采用编码工作方式。

2）控制器取样物理量采用以基波无功功率为主，基波功率因数为辅作为投切依据。

3）采用FFT 实现无功的精准计算。

4）采用混合补偿（三相共补、单相分补）方式，分为静态和动态补偿。

5）基本保护功能：过电压、欠电压、欠流、断相、电压过畸变、温度保护等保护功能。

6）基本测量功能和通信功能：电压、电流、频率、有功功率、无功功率、电压畸变率、功率因数、温度等基本测量功能，RS485 通信接口，采用Modbus 通信协议。

7）安装方式采用导轨和嵌入式安装。

8）电磁兼容符合以下标准：GB/T 17626.2—2006、GB/T 17626.4—2008、GB/T 17626.5—2008。

以上要求符合JB/T9663 标准。

2 硬件设计

根据产品功能，经过方案论证，设计出ARC 低压无功功率补偿控制器功能图如图1所示，包括电源电路，三相交流电压电流采样电路，测频电路，温度采集电路，按键输入电路，报警输出电路，开关量输出电路，LED 显示电路，CPU，485 通信电路。这里重点介绍电压采样电路、测频电路和通信电路。

图1 ARC 低压无功功率补偿控制器功能图

2.1 电压和频率采样电路

电压和频率采样电路如图2所示，电压信号UA经电阻分压，信号处理后，UAO直接进入CPU，实现电压采样。UAO经过RC 滤波，再经过迟滞比较器，可生成同频率的基波方波FRE，实现频率的采样。图3是7 次THD15% 50Hz 的UAO的电压波形，图4是经过RC 滤波之后的UAO1电压波形，这就保证了进入迟滞比较器的波形是基波波形。

频率采样有硬件和软件测频，软件测频算法复杂，计算量大，精度不高，硬件测频计算量小，精度高。该硬件测频电路的优势是：①实现测频率的同时，实现电压采样；②减少CPU 的运算；③泄漏误差小于基波幅值的0.02%，满足FFT 分析处理谐波时的精度要求。

图2 电压和频率采样电路

图3 7 次THD15% 50Hz 的电压波形

图4 RC 滤波之后的50Hz 电压波形

2.2 通信电路

ARC具有通信功能，硬件采用RS485 通信接口。RS485 通信电路中采用硬件自动控制收发电路，不用单片机进行控制,可以减轻单片机的负担，为满足工频耐压要求制作PCB 时要做好隔离措施。通信电路如图5所示。一路485 通信电路可以将实时电参数上传到监控中心，便于对现场设备观察，另一路485 通信电路做子母机扩展使用，通过主机实现对从机的控制。

图5 通信电路

3 软件设计

本产品的主程序包括数据采集、FFT 计算、电容投切、基本保护、显示程序、按键处理、人机交互、通信等子程序。各部分程序采用模块化设计，便于维护。这里主要介绍基于FFT 的无功测量算法和电容投切。

3.1 基于FFT 的无功测量算法

无功补偿中常用的无功功率测量算法有：快速傅里叶变换（FFT）测量法，FFT 算法的优点是测量精度高，但存在着计算量较大，实时性不好的缺点；另一种是实时性好的数字移相测量法，但此算法在测量信号含有谐波时测量误差较大[1]。本文采用ARM 进行FFT 运算，利用ARM 处理器的快速性解决了实时性不好的问题，同时对电参量进行实时地检测和处理，可以达到无功补偿的最佳效果。

这种算法是通过对 点的时间序列f(n)的逐步分解而得到F(k)。对电压、电流分别采样N个数值，构成两个数组，送去进行FFT 运算，分别进行倒位序，蝶形运算得到基波电压、基波电流幅值的实部和虚部[2-4]。考虑到ARM 的运算速率，本系统每个周期采样64 个点送去FFT 运算，单次算法计算时间为80ms，可满足需要。根据以上得到的运算结果，如表1所示。

表1 FFT 计算结果

（续）

3.2 电容投切

电容器投切流程图如图6所示。考虑到电网三相无功功率不平衡，本文研制的控制器需实现混合补偿，以FFT 计算出来的基波功率因数和基波无功功率的大小作为电容器投切依据。当系统处于过电压、欠电压、过流、电压谐波过畸变等保护状态时，控制器不投入电容，已投入的电容会依次切除。以下是补偿容量的计算公式。

补偿容量计算公式：

电容投入判断：ΔQ＞α×Q1，cosθ＜cosθ1

电容切除判断：ΔQ＞β×Q1，cosθ＞cosθ2

式中，ΔQ为电网需要补偿的基波无功容量；cosθ1为投入功率因数；cosθ2为切除功率因数；cosθ是当前电网功率因数；Q1为第一路电容器的容量，0.6≤α≤2.5，0.6≤β≤2.5。

图6 电容器投切流程图

对于为了适应电网负载大小变化而进行电容器容量大小搭配的做法称为输出编码，它应符合一定的规则，本控制器提供了12 种电容容量比例大小搭配，即配置12 种不同容量比例的电容器组合。根据现场电容大小比例，选择其中一种编码方式，控制器会自动计算电网无功缺额，投入或切除电容器，不存在投切震荡问题，补偿效果好。

4 应用实例

某冶金车间变配电室供电系统为10kV 供电，其中容量为800kVA 的10/0.4kV 变压器一台，变压器的负载率在65%左右，主要负载为交流电动机（感性负载），总体的功率因数在0.5 左右，电网谐波主要是5 次和7 次谐波。

根据上述电网参数的特点我们确定补偿总容量为275kVA，滤波电抗器选择电抗率是7%的电抗器，投入门限设为0.9，切除门限设为0.98，共补4 路，编码方式是1.1.2.4，共补容量：25kvar，25kvar，50kvar，100kvar；分补3 路，编码方式是1.2.2，分补容量：5kvar，10kvar，10kvar。ARC 可自动完成电容器的投切，投切稳定，没有投切震荡。

安装本控制器后，电流降低40A，电网功率因数从0.5 提高到0.95，电费从12000 元/月，降低到8000 元/月，达到了节电的目的。

5 结论

本文介绍的以ARM 为核心，以基波功率因数和基波无功功率为电容投切依据的ARC 低压无功功率补偿控制器，补偿精度高，投切稳定无投切震荡，具有过电压、欠电压、欠流、断相、电压过畸变、温度保护等保护和报警功能，提高了补偿电容器的使用寿命。ARC 支持嵌入式和导轨式安装，而且具备完善的网络通信功能，广泛适用于石油、电力、煤矿、化工、造纸以及民用建筑等领域。

[1] 陈啸晴,粟梅.几种无功功率测量算法的仿真比较[J].广东技术师范学院学报,2008(12): 25-28.

[2] 孙曙光,牛丽丽,杜太行.基于RS485 总线的功率因数分布式补偿系统设计[J].电测与仪表,2014(15): 8-12.

[3] 田小林,王建华.无功补偿控制器中数据采集及FFT 算法处理[J].仪表技术与传感器,2004(4): 34-36.

[4] 张立,丘东元,张波.基于DSP 的高压动态无功补偿控制器设计[J].电力自动化设备,2010,30(3): 121-125.

[5] 任致程,周中.电力电测数字仪表原理与应用指南[M].北京: 中国电力出版社,2007.