低压无功功率补偿控制器的研制

冯志宏
金华电力开关有限公司 浙江 金华 321018  
0 概述
随着现代工业的发展，对电能质量的要求也越来越高。目前电力网中的电力负荷如感应式异步电动机、变压器等，大部分属于感性负载，在运行过程中需要向这些设备提供相应的无功功率，造成电网的功率因数偏低。在电网中安装并联电容器可以供给感性电抗消耗的部分无功功率，减少电网电源向感性负载提供的无功功率，以及减少无功功率在电网中的流动，从而降低输电线路因输送无功功率造成的输电损耗，改善电网的运行条件，因此无功功率补偿控制器一直有着广阔的应用市场。目前市场上该类产品较多，但大多数为低端产品，对电容组投切都基于功率因数或无功电流，而对于过压切除和欠流的处理相对比较粗糙，更不用说具有无功限制功能了；少数产品为高端产品，其功能强大但价格较高。因此，如果能开发出既具有高端产品的性能，同时又具有低端产品价格的补偿控制器，将有着重要的意义。本文所述的低压无功功率补偿控制器的主要功能有：
（1）相序自动识别。
（2）电压采样0．5级、电流采样和功率因数1级、符合行业标准。
（3）具有过压解除、欠流闭锁、无功限制功能。
（4）几乎所有参数都可键盘设定，如功率因数门限、投入延时、过压门限、欠流门限、过压加速切除时间、欠流时间、同组切投时间延时等。
1 工作原理
采样三相电中一相的电流（如A相）以及另外两相（如B、C相）电压之间的相位差，得到相应的功率因数；该功率因数与设定的投切门限（按标准功率因数滞后为0.95；超前为0.98）进行比较：若在门限内，则不予动作；若超出门限，则相应采取投切措施，力图保持功率因数在设定的限带内。在运行过程中若出现过压，则按设定时间加速切除，若欠流超出一定时间，则也予以加速切除；若无功小于一组电容的无功时，不予投入。由于对电压和电流都进行采样且满足一定的精度要求，因此过压解除和欠流闭锁以及无功限制可以处理得比较精确。
由于三相电的接线有各种不同的接法（共有12种），不同接法的功率因数计算和超前滞后的判断有所不同，因此针对不同接法相序的自动判别将很有意义，下面对其原理作一简单介绍：　　
设三相的电压分别为Ua、Ub、Uc，则它们的表达式可以表示如下：
Ua＝Umsinωt
Ub＝Umsin（ωt－120°）
Uc＝Umsin（ωt－240°）
由此得：
Ub=Ub-Uc=3Umsin（ωt－90°）

若负载为纯阻性，则A相电流与电压同相，Ubc电压滞后A相电流90°；若A相负载为容性，假设A相电流超前电压α（0≤α≤90）角，则Ubc电压滞后A相电流90°＋α；若A相负载为感性，假设A相电流滞后电压α（0≤α≤90）角，则Ubc电压滞后A相电流90°－α。在电路设计中，若把A相电流和Ubc电压的采样信号放大后经过过零比较器，即可得到反映相位的方波信号；检测两个方波信号上升沿的时间差，即可得到反映两者相位差的时间。假设线电压的两个相邻周期的上升沿的时间差为T（即周期），相电流与线电压的上升沿的时间差为τ，则α＝｜τ／T×360°－90°｜。
由于三相有不同的接法，如何区分超前和滞后泥？我们可以参照上面方法，可以得到所有接法的情况，并且可以分成以下两种类型：
Ⅰ型：0≤τ＜T／4，超前；T／4≤τ＜T／2，滞后；α＝｜τ／T×360°－90°｜。
Ⅱ型：3T／4≤τ＜T，超前；T／2≤τ＜3T／4，滞后；α＝｜τ／T×360°－270°｜
由上分析，我们可以根据τ和T的关系，判断出该接法属于何种型式，从而判断是超前还是滞后，并算出超前滞后角α。
2 硬件设计
控制器的CPU采用ATMEL公司的89C52，硬件设计主要包括电源监视和掉电保护电路、键盘接口电路、LED显示电路、继电器输出电路、A／D采样电路以及信息处理部分。电源监视和掉电保护电路采用X25045芯片，该芯片接口电路简单，同时具备上电复位、电源监视、硬件看门狗电路的功能，而且还有512字节的flashrom，可以提供控制器设置参数的掉电保护功能；键盘接口、LED显示、继电器输出等电路比较简单，采用74LS245、74LS373以及CPU本身具有的一些I／O口线即可完成；A／D采用ADC0809芯片，因其只有8位精度，因此电压和电流信号放大到±5 V的范围，然后采用采样半波的方式即可满足电压采样0．5级的精度要求；信号处理部分见图1。

　　相电流通过互感器得到初始信号IS。IS首先通过低通滤波，然后进行放大得到－5～5 V的信号。该信号通过过零比较，得到标准的方波信号Fi。用Fi作为控制信号，使IS的正半周送至A／D采样芯片进行采样，这样可以用较小的代价获得较高的精度。US的处理过程与IS一模一样，这样可以保证电路对两者的影响完全一样而不至于影响功率因数的精度。为了尽可能减少硬件成本，直接把Fu和Fi送到80C52的中断引脚X0和X1，通过软件编程按照前面原理所示直接判断超前或滞后，并计算超前滞后角。
3 软件设计
控制器的软件设计主要包括初始化模块、键盘处理模块、A/D采样模块、显示模块、时钟调度模块、控制模块、自检模块等。除了自检模块，几乎所有模块都有时钟调度模块进行管理，下面我们对时钟调度模块作一详细介绍。
低压无功补偿控制器几乎所有的操作都基于时钟，我们把操作称之为任务，这样时钟调度也就变为任务调度。整个时钟调度模块的程序流程见图2。
由于控制器速度要求不是很高，因此在程序流程上可以处理得比较简单。主程序循环只作一些简单处理，如硬件的自检、参数标志的检查、一些关键状态位的校验等工作。几乎所有关键的任务都放到时钟调度程序中按顺序执行。占用时间不多的A/D采样在每次时钟中断中都予以执行，而其它任务则在时间到（本控制器取0.5s）时才执行一次。由于众多任务的执行需占用较多时间，为了不影响A/D的采样，在主任务的执行时采用中断假返回的技术进行处理，即释放中断资源，程序流程进入主任务处理，主任务处理完后，需清理中断的堆栈同时以RET返回主程序。对于其它程序模块，限于篇幅，在这里不一一介绍，下面就如何提高采样精度作一简单说明。
电压和电流的采样精度直接关系到功率因数控制器的性能，为此，我们对软硬件都采取了一些措施，主要有：（1）对电压和电流的处理电路保证一模一样，以防止采样电路对功率因数的影响；（2）对电压和电流实现过零比较转化为方波，使波形的畸变对功率因数的采样几乎无任何影响；（3）直接采样波形的周期，消除电网周期的波动对功率因数的影响；（4）用16位定时器来测量周期和相位差，再通过一定的补偿措施和滤波算法，使功率因数的测量达到相当精确的地步；（5）电压和电流的采样值经过滤波算法，然后用均方根计算其有效值，可以较大程度消除波形畸变对采样精度的影响，从而使采样精度达到设计要求。
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