摘  要: 简要介绍无功补偿的基本原理、方法及ADμC812单片机的特点。详细论述了基于ADμC812单片机的无功补偿控制器的结构、原理、及电参量的检测方法。该控制器硬件结构简单、工作可靠、适应性强,具有很高的推广价值。 

    关键词: ADμC812单片机  无功补偿  固态继电器

    任何输配电设备和用电装置都不可能是纯阻性负载,因此它们必然要占用一定的无功功率。无功电流的存在使线路总电流增大,因而增大了输配电线路的有功损耗,造成电压下降、电能浪费,恶化了电能质量。由于电网负载绝大多数呈感性,因而采用并联电容器组,通过对并联电容器组的投切控制来进行无功补偿是一种简单易行的措施并已得到广泛应用。传统方式采用固定电容补偿,但这种方式仅适用于用户负载固定、无功需求相对稳定的网络,不能动态跟踪系统的无功功率的变化,而且还有可能和系统发生并联谐振导致谐波放大,因而并联固定电容的方法目前正逐渐被淘汰。随着微机控制技术和功率半导体器件的发展,用微机进行实时检测、跟踪负荷的无功功率的变化并自动控制补偿电容的投切,可以实现准确、快速的动态无功补偿,从而达到降低配电线路的线损、改善电网供电质量的目的。这就是所谓的静止无功补偿装置(StatIC Var Compensator),简称SVC。目前常用的SVC大多以接触器作为电容器投切的执行元件,投入时冲击电流大,切除时会产生过电压,自身触头易损甚至熔焊,噪声大,而且投切时间长,在控制环节上基本不能满足分相、分级、快速及跟踪补偿的要求。也有少量的SVC以晶闸管作为执行元件,虽能达到快速、安全的补偿效果,但由于晶闸管元件价格昂贵且控制系统较复杂,使得这种系统的可靠性差,容易产生误动作。 

    本文介绍一种基于ADμC812单片机的智能无功补偿控制系统,该系统结构简单、造价低、工作可靠、适用性强。 

1 ADμC812单片机简介 

    ADμC812单片机是美国AD公司新推出的具有真正意义上的完整的数据采集芯片。其组成为:一个8通道5μs转换时间且精度自校准的12位逐次逼近A/D转换器、两个12位的D/A转换器、8KB的闪速/电擦除程序存储器、640字节闪速/电擦除数据存储器、80C52单片机的内核。其它的一些重要功能模块包括:一个看门狗定时器和电源监控器、A/D转换器与数据存储器之间的DMA电路、存储保护电路、SPI和I2C总线接口。ADμC812优点之一是集成了一个完全可编程的、自校准、高精度的模拟数据采集系统。ADμC812另一个优点是它采用了闪速/电擦除存储器,辅之以内含的加载器和调试软件,使系统的设计、编程、调试简便。另外,它的静态CPU操作以及空闲和掉电方式,对于电池供电的测控设备来说都是至关重要的性能。有关ADμC812的引脚功能、控制命令格式等详细内容可参看参考文献[2]。 

2 控制器的硬件设计 

    整个系统的硬件结构简单,如图1所示,主要芯片有ADμC812、8255和ADM202,而且串行口电平转换芯片ADM202在程序写入并调试成功后可以取掉。简单的硬件结构设计使得整个系统的工作可靠性和抗干扰能力均大为提高。另一方面,电容器的投切控制元件采用大功率的过零型固态继电器SSR,由于该元件本身封装有过零触发模块且自行工作不需CPU控制,既满足了补偿电容无冲击电流投切的要求,同时也有效地克服了执行元件采用晶闸管控制模块所带来的控制复杂及易受干扰而产生误动作的弊端,提高了系统的可靠性。 

2.1 系统的基本工作原理 

    控制器在上电初始化后即打开INT0中断,过零检测模块在A相电压正向过零时刻产生中断触发脉冲的下降沿,系统进入中断。系统在中断程序运行过程中测得电网无功电流及基波电压的有效值,从而计算出电网无功功率的盈缺量。系统以此盈缺量并辅之以电网电压作为投切判据,控制固态继电器动作,投入或切除补偿电容器,从而达到补偿无功功率的目的。 

2.2 无功电流的检测及补偿容量的确定 

    无功电流的检测原理很简单,负载电流i_l(t)=i_p(t)+i_q(t),其中i_p(t)和i_q(t)分别是有功电流分量和无功电流分量。当ωt=2kπ时,i_l(2kπ)=I_qM,即只要测量在相电压正向过零时的负载电流,就知对应的无功电流的最大值I_qM。将该I_qM换算成有效值I_q即可计算出一相的无功分量进而得到总的无功分量。这种无功电流的检测方法简单、快速,各相在一个周期内只要采样一次即可满足基波动态补偿的要求。 

    系统对I_q的处理原理可借助于图2来说明:当某一电容器组被投入电网后,负载的电流就由网端电流i_s和电容器补偿电流i_c共同承担。i_c为一纯无功电流,若能使i_c=i_q,则i_s=i_l-i_c=i_p,实现了无功功率的完全补偿。由无功补偿原理可知,全补偿所需投或切的电容器容量为式中ω=314,U为电网电压有效值。若I_qM为正,则ΔC为负,表明系统处于过补偿状态,应切除相应容量的电容器;若I_qM为负,则ΔC为正,表明系统处于欠补偿状态,应增投相应容量的电容器。需要注意的是,在根据ΔC确定需投入或切断的电容器组时,为提高动态补偿的精确性,应将电容器的标称容量换算成实际电网电压下的实际容量。 

2.3 过零检测电路 

    图3为按上述思想设计的电压正向过零检测电路。220V的交流电首先经过电阻分压,然后进行光电耦合,假设输入的是A相电压,则在A相电压由负半周向正半周转换时,图中三极管导通并工作在饱和状态,会产生一个下降沿脉冲送入ADμC812的INT0引脚使系统进入中断程序。微机系统进入中断程序后,发出采样命令并从采样保持器读取无功电流值I_qM,这个无功电流即为A相的无功电流,经过1/4个周期电压达到最大值,此时对电压进行采样,得到UM,由U_M=1.414U可以得到电压有效值U。 

    由于A、B、C三相交流电之间的相位差是2π/3,如图4所示,所以各相电压的正向过零时刻和达到最大值时刻可以精确地计算得到,在t₁时刻微机系统运行中断程序,采集A相的无功电流,并同时启动定时程序,在t₂时刻采集A相电压最大值,以此类推,在t₃时刻测得B相无功电流最大值,在t₄时刻测得B相电压最大值,在t₅时刻测得C相无功电流最大值,在t₆时刻测得C相电压最大值,然后系统便进入下一个采样循环。由于单片机的额定工作频率为12MHz,远大于电网基波频率50Hz,因此系统在各个采样间隔内完全有充足的时间对采样结果进行处理,并以尽可能少的硬件投入,实现了系统所需各种电参量的检测。 

2.4 键盘和液晶显示电路 

    本系统控制器的键盘采用中断工作方式,这四个按键分别是“设置”、“加”、“减”和“切换”,通过“与”门电路把这些低电平触发信号合在一起输入到ADμC812单片机的INT1端口。有键按下时,系统进入键盘中断服务程序,判断哪个键被按下,并执行相应的操作。通过按“设置”键可以查询系统的工作状态、电流和电压的超限保护值、电网参数及系统的工作模式(即根据电网的实际情况,设置为三相共补或分相补偿)等;按“切换”键可进行手动/自动补偿切换;相应时刻按“加”、“减”键可以修改电流和电压的保护值,以及投切电容。 

    液晶显示电路采用串行输入的4字符数码显示器。在无按键按下时,显示电网的功率因数;有按键按下时根据其功能不同而显示不同的数据。 

3 控制器的软件设计 

    控制器的软件由Franklin C51编译器编写而成,软件流程如图5所示。系统上电后,首先进行初始化,对寄存器和I/O端口进行设置,然后执行自检程序,自检无误后开放外部中断,等待A相的正向过零中断信号和用户操作键盘的中断信号。当接收到过零中断时,系统按一定的时序检测无功电流和电压值,分别计算各相无功功率的盈缺量,得到各相的应该投切的电容量ΔC,驱动固态继电器投切电容器,执行完毕后退出中断,等待下一个中断循环。系统在每个中断循环内还把测得的电流值和电压值与设定的超限保护值进行比较,超限时报警并采取保护动作。当接收到键盘中断时,系统立即响应并根据按下的键执行相应的操作,完成后退出键盘中断程序。 

    由于系统软件采用中断方式,降低了对控制器的速度要求,又可以使信号的测量时序精确可靠。ADμC812具有在系统可编程的特点,不需要专用的编程器写入程序,只要用串行口电平转换芯片ADM202把它与计算机的串行口相连,运行下载程序就可以把程序写入ADμC812的闪速/电擦除程序存储器,因此可以方便地进行在线程序调试。同时也可以将其作为后备资源,用来实现多机之间相互通讯或与上位机通讯。 

4 系统的特点 

    (1)结构简单,采用高度集成芯片简化了电路,缩小了控制器的体积,便于加工安装。 

    (2)操作方便,使用四个按键,根据液晶显示器的提示就可以完成多种功能操作。 

    (3)运行可靠,抗干扰的能力强,不会产生误动作,在电网波动较大时有自保护功能。 

    (4)适用范围广,考虑三相不平衡情况,三相共补与三相分补相统一,不需改变硬件和软件的结构,只要根据实际需要进行设置并在外部接线方式上做简单改动即可实现。 

    本文设计的智能无功补偿器可以方便地用于低压变(配)电站的功率补偿,对改善电能质量、降低损耗具有重要作用,有很好的推广应用价值。 

参考文献 

1 Subhasis Nandi, Pannalal Biswas, et al.Two novel  schemes suitable for static switching of three-phase  delta-connected caPACitor-banks with minimum surge  current.IEEE Trans on Industry Application,1997;33(5):1348～1352 

2 ADμC812 User’s Manual.Analogy Devices Inc. 2000 

3 文哲蓉.微机控制动态无功补偿技术的研究.兰州铁道学院学报(自然科学版),2000;19(3)