低压无功补偿控制器设计原理及结构

电力系统无功功率的平衡是电能质量的重要保证。在电力系统0.4kV低压电网中，采用无功补偿的方法来提高功率因数，减少无功损耗，是改善供电质量、减少损耗、提高设备利用率的重要手段之一。目前低压无功补偿装置多采用MCU作为主处理器，通过A/D采样电网的电压、电流参数，实时计算电网的无功功率、无功电流或功率因数，根据相应的控制策略来控制电容器组的投切，实现对电网的无功补偿。这类控制器由于A/D采样精度不高，计算量较大，对CPU计算性能要求高，软硬件设计复杂且难度大，无功补偿精度低，系统响应时间比较长等，通常只能用于对无功补偿动态响应速度要求不高的场合。鉴于此，本文提出一种基于专用电能计量芯片 MCU的新型动态无功补偿控制器。
1 控制器工作原理及硬件设计
实现高精度的无功补偿的前提是能够准确的测量电网的运行参数，包括对有功功率、无功功率、能量、电网的功率因数、谐波状况等参数的采集和测量。利用ATT7022A电能计量芯片可以得到这些参数的精确值，并且简化了软件的设计。在控制策略上，许多无功补偿控制器以功率因数作为投切判据（实际上功率因数的高低并不能直接反映无功缺额的大小），极易造成在某些情况下频繁误动。若采用无功电流判据，这比仅用功率因数作判据好些，但也不够完善。本设计采用无功缺额作为主判据，以功率因数和电压作为辅助判据的综合判据，通过执行机构实现补偿电容器的循环投切，对无功补偿电容的控制更加合理。本文选用ATT7022A电能计量芯片搭配8位单片机ATMGAME168的设计方案，可以完成对电网运行参数及时精确地测量，实现自动无功补偿。
1.1 的结构及性能介绍
ATT7022A是一颗高精度三相电能专用计量芯片，具有l6位A/D转换精度，内嵌有专用DSP电路，集成了6路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。
能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，并支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功频率校验输出CF1、CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。ATT7022A提供一个SPI接口，方便与外部控制器之间进行计量参数以及校表参数的传递。
　 计量模块主要是将从电压、电流采样通道来的数据进行数字高通滤波和移项滤波或相位校正进行计算，得到需要的参数量，包括电压与电流有效值、功率、频率、相位角等参数，并将这些参数存于计量参数寄存器中，通过SPI口将参数传给控制器。
1.2 系统主要功能单元
　控制器系统原理如图1所示，主要由以下部分构成。

图1 控制器系统硬件原理框图
数据采集单元：电网的电压、电流分别通过电压、电流互感器，采用差分方式输入给ATT7022的电压通道和电流通道。电压和电流的采样输入回路如图2所示。电压信号的输入采用1：1的电流互感器方式，选用的是SPT204A，电流信号的输入采用电流单端采样方式，选用的是SCT254AK，每个输入通道均加入了抗混叠滤波器。
　

图2 电压和电流的采样输入电路
控制单元：在综合考虑单片机的稳定性、可靠性、经济性的基础上，选定AVR系列ATmegal28L单片机作为主控芯片。ATmegal28L是一款高性能低功耗的8位微处理器，采用RISC体系结构，有53个可编程的I/O口，2个可编程的USART口，128K字节系统可编程Flash和4K字节的EEPROM，同时支持片内调试，通过JTAG接口可以方便地对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位进行编程。ATmegal28L通过SPI总线接口实现与ATT7022的通信，完成校表数据的写入和寄存器结果的读出。
过零触发模块：控制单元通过对ATT7022的测量结果分析、判断，决定是否进行无功补偿，即电容器的投切，由于电容器两端电压不能突变，电网电压和电容器电压的差值较大时，触发晶闸管会产生很大的电流冲击，为了防止在投切电容器时的电流冲击，必须在晶闸管两端电压为零时刻投切。所以选择具有过零触发能力的芯片控制电容器的投切，本控制器选用的是Motorola公司的MOC3083晶闸管。其外部连线如图3所示。


　图3 双向晶闸管过零触发电路
人机接口单元：人机接口包括键盘输入和液晶显示。键盘有确定、退出、前进和后退4个通用按键，可手动改变电容器的投切状态，可切换液晶显示内容和设置时钟时间；液晶显示采用RT12864模块，主要显示当前各相的电流、电压、功率因数、有功功率、无功功率、各电容器投切状态以及系统时间等。
　　
　　通信单元：RS232/485串口通信用于与上位机，主要用来进行电网运行参数和控制器运行状态的数据传输、铁电存储器中存储数据的输出及系统时间的校准等。
　　
　　数据存储单元：FM24C64为64K位FRAM铁电存储器，其支持1012次写入，用于保存系统的某些初始值，低压电网运行参数的定时存储，系统故障状态的存储等功能，以便监控主站随时查阅历史记录。
　　
　　2 控制器的软件设计
　　
　　低压电网运行的各项参数可通过ATT7022采样、计算得出，CPU不用进行A/D采样数据的处理，这使CPU的运算量大大降低，并且大大简化了软件程序设计，使系统的运行更为精确、可靠。所以，软件设计的重点主要是实现对从ATT7022所得到的各项参数的分析，依托合理的控制策略，进而实现更加合理、可靠地投切电容器和外围接口电路的软件设计等。
　　
　　本装置采用的电容器投切的控制策略是以无功缺额为主要判据，并结合功率因数与电压的控制策略。分析电网是否过压和欠压，在保证电压稳定的前提下，分析电网的无功功率，判断功率因数，与设定值比较，决定是否投切电容器以及如何投切更加合理，最大可能的实现对无功功率的补偿。
　　
　　系统主程序流程图中ATT7022的初始化，主要是系统的校准，它决定了电网参数测量的精确度，系统的校准包含相位补偿设置、功率增益、相位校正、电压/电流校正、启动电流设置等。系统软件主程序流程如图4示。

图4 系统主程序流程图
3 结束语
　　
　　采用ATT7022实现电网运行参数的A/D转换，并能精确地计算出电网的无功功率、有功功率、功率因数，为更加精确的实现无功功率的补偿提供了准确的数据，而且减少了主控制器的运算量，降低了对单片机的要求，大大精简了软件设计，保证了系统的稳定性及抗干扰性。目前样机已经设计完成，经过挂网实验测试证明，该无功补偿控制器性能稳定，运行良好，电网参数测量准确，电容器投切正确，能够满足0.4kV低压电网自动无功补偿的要求。