无功补偿控制器

ARC功率因数自动补偿控制仪的原理及其应用安科瑞 蔡昀羲摘 要：介绍了基于ATMEGA16的高精度低压无功功率补偿器。该控制器采用数字检测电路来获取电网电压与电流的相位差，从无功补偿的原理出发，设计控制器的软硬件。使该系统在应用中实现了对电网功率因数的及时补偿和实时监测，适用于目前企业用户进行无功功率补偿。关键词：功率因数；无功补偿；单片机　　随着现代工业的发展，电网中使用的感性负载也愈来愈多，如感应式电动机、变压器等。这些设备在工作时不但要消耗有功功率，同时需要电网向其提供相应的无功功率，造成电网的功率因数偏低。在电网中并联电容器可以减少电网向感性负载提供的无功功率，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，因此功率因数补偿控制器一直有着广阔的应用市场。本文所介绍的功率因数补偿控制器符合JB/T9663－1999国家标准，主要功能有：　　（1） 相序自动识别　　（2） 电压、电流、功率因数采样与显示　　（3） 过压解除、欠流封锁，从而保护电容器及避免循环投切　　（4） 采用先投入的先切除，先切除的先投入的原则，对补偿电容实行循环投切　　（5） 所有的工作参数都可以通过面板按键设定，包括投入门限、切除门限、过压保护门限、欠电流封锁门限、投切延时时间一、 工作原理　　采样三相电源中一线电流（如A线）与另外两线的电压（如BC线）之间的相位差，通过一定的运算，得到当前电网的实时功率因数。此功率因数与设定的投入门限和切除门限比较，在整个投切延时时间内，若在投切门限以内，则不予动作；若小于投入门限，则另投入一组电容器；若大于切除门限或发现功率因数为负时，则切除一组已投入的电容器。再经过投切延时时间，重复比较与投切，直到当前的功率因数达到投切门限以内。在投切过程中，若发现检测到的电压大于设定的过压保护门限，则按组切除所有已投入的电容；当检测到的电压超过设定的过压保护门限的10％时，则一次性切除所有已投入的电容，用以保护电容器。在投切时若发现检测到的电流小于欠电流封锁门限，则停止投切动作，避免系统出现循环投切现象。　　由于在三相供电中有不同接线方法，不同的接线方法对功率因数的算法也不一样，因此我们规定ARC系列功率因数自动补偿控制仪的电流取自三相供电中的A线，电压取自BC间的线电压，同时为减少现场接线的复杂度，我们在程序中对相位进行自动判别。　　在三相供电中，我们假设三相的相电压分别为Ua、Ub、Uc，A线电流为Ia　　则有Ua=Usin(ωt)，Ub=Usin(ωt+120º)，Uc=Usin(ωt+240º)，　　从而得到BC间的线电压为Ubc=Ub-Uc= Usin(ωt-90º)　　若A线负载为纯阻性，则A线电流Ia与A线电压Ua同相，Ia超前Ubc的角度为90º；　　若A线负载为感性，则A线电流Ia滞后A线电压Ua角度为φ（0º≤φ≤90º），Ia超前Ubc的角度为90º-φ；　　若A线负载为容性，则A线电流Ia超前A线电压Ua角度为φ（0º≤φ≤90º），Ia超前Ubc的角度为90º+φ　　在我们的ARC功率因数自动补偿控制仪中，为了计算的方便，我们电流相位的采样为电压采样的第二个周期，即若没有相位差Ia滞后Ua的角度为360º。在实际检测中，假设我们检测到Ia滞后Ubc的角度为α，根据以上的分析得知：　　若180ºα270º，则电路为容性负载，COSφ=COS(270º-α)　　若α＝270º，则电路为感性负载，COSφ=1　　若270ºα360º，则电路为感性负载COSφ=COS(α-270º)　　为方便用户接线，若用户将电压Ubc接成了Ucb，或将Ia的输入接反，根据以上的推断，我们同样可得到：　　若0ºα90º，则电路为容性负载，COSφ=COS(90º-α)　　若α＝90º，则电路为感性负载，COSφ=1　　若90ºα180º，则电路为感性负载COSφ=COS(α-90º)http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/25/16149c0.jpg图1　电压、电流向量二、 硬件的设计　　控制器的CPU采用ATMEL的ATMEGA16-8L，此单片机工作电压范围宽（2.7 - 5.5V），最高工作频率为8MHz；芯片内部具有16k字节的Flash程序程序存储器，512 字节的EEPROM，1K字节的片内SRAM；8路10 位ADC；一个可编程的串行USART，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 ；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器。显示芯片采用南京沁恒公司生产的键盘、显示专用芯片CH451S，CH451S最大能驱动8为数码管，且不需外加驱动就能直接驱动LED数码管，大大减小了印板尺寸，单片机的采用SPI模式，只需3线（片选CS、时钟CLK、数据输入DIN），因本系统未用CH451S的键盘功能，所以CH451S的DOUT引脚不用。Ubc的电压信号经过电阻限流进入2mA/2mA的隔离变换器后分为两路，一路进入模拟绝对值处理电路送入单片机的A/D转换口ADC0，作为电压显示信号，另一路经过零比较后进入单片机中断口INT0；同样Ia的电流信号经5A/5mA的隔离变换器后分为两路，一路进入模拟绝对值处理电路送入单片机的A/D转换口ADC1，作为电流显示信号，另一路经过零比较后进入单片机定时器门控端ICP引脚。http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/25/1626rm.jpg图2　ATMEGA16外部引脚 http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/25/16215ld.jpg图3　输入信号处理三、 软件的设计　　因整个系统对电压、电流采样的精度要求不高，我们直接用CPU的10位A/D对电压、电流的信号进行A/D转换，转换的结果一方面供显示的需要，另一方面作为过压与欠流的比较信号。我们将INT0设置为上升沿产生异步中断，ICP设置为上升沿触发输入捕捉。当INT0产生中断时，16位计数器开始以内部恒定的频率开始计数，直到下一中断的产生。在计数的同时，当TCP上有上升沿脉冲时，即将16位计数器已计得的数据放入到捕捉寄存器中。当一个采样周期结束时，计数器中得数据(N)即为外部交流信号的一个周期基数, 捕捉寄存器中数据（n）电流Ia滞后电压Ubc的基数，将(n/N)*360º即为角度，根据上面的原理就可判断在同一周波中时电压超前电流还是电流超前电压，同时还可得出超前或滞后的角度，将此数据进行查表即可得到功率因数。　　为了避免对电容器组中的某一组进行频繁的投切，平衡每一组电容器的工作时间，延长整个系统的使用寿命。我们对电容器的投切采用先投入的优先切除，先切除的优先投入的原则，我们在单片机的RAM中开辟了一空间，用于记录每组电容器的投入与切除时间，然后进行排序，将已工作时间最长的作为优先切除对象，将切除时间最长的作为优先投入对象。　　当三相交流的负载回路电流非常小时，会产生投切振荡的现象。也就是说控制系统投入一组电容器会产生过投，切除一组电容器又会产生投入不足，控制器就会产生重复的投切现象。为避免此想象的发生，我们设置了欠电流锁定，当电流值小于此数值时，系统将停止对电容器的投切动作，维持已投入的电容器工作。　　在工作过程中，若采样到的电压数据大于设定的过压保护值时，控制器将逐步切除已投入的电容器，若发现超过设定的保护值的10％时，则一次性切除所有已投入的电容器，保护电容器。　　以上的技术现已应用于本公司的ARC功率因数自动补偿控制仪中，经测试运行，系统工作稳定、各项指标达到了国家标准的要求，现已初步投放市场。

摘 要：介绍了基于ATMEGA16的高精度低压无功功率补偿器。该控制器采用数字检测电路来获取电网电压与电流的相位差，从无功补偿的原理出发，设计控制器的软硬件。使该系统在应用中实现了对电网功率因数的及时补偿和实时监测，适用于目前企业用户进行无功功率补偿。Abetted:This article introduces reactive power compensator based on ATMEGA16 controlling with high precision. It measures excess phase of voltage and current by using digital circuit, Based on the reactive compensation theorem, The software and hardware of the controller is deigned.By using the system a timely compensation and real-time monitnring of the power factor in electricity network are possible, It is mainly used to compensate reactive power in present factories and mines.关键词：功率因数；无功补偿；单片机　　随着现代工业的发展，电网中使用的感性负载也愈来愈多，如感应式电动机、变压器等。这些设备在工作时不但要消耗有功功率，同时需要电网向其提供相应的无功功率，造成电网的功率因数偏低。在电网中并联电容器可以减少电网向感性负载提供的无功功率，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，因此功率因数补偿控制器一直有着广阔的应用市场。本文所介绍的功率因数补偿控制器符合JB/T9663－1999国家标准，主要功能有：　　（1） 相序自动识别　　（2） 电压、电流、功率因数采样与显示　　（3） 过压解除、欠流封锁，从而保护电容器及避免循环投切　　（4） 采用先投入的先切除，先切除的先投入的原则，对补偿电容实行循环投切　　（5） 所有的工作参数都可以通过面板按键设定，包括投入门限、切除门限、过压保护门限、欠电流封锁门限、投切延时时间一、 工作原理　　采样三相电源中一线电流（如A线）与另外两线的电压（如BC线）之间的相位差，通过一定的运算，得到当前电网的实时功率因数。此功率因数与设定的投入门限和切除门限比较，在整个投切延时时间内，若在投切门限以内，则不予动作；若小于投入门限，则另投入一组电容器；若大于切除门限或发现功率因数为负时，则切除一组已投入的电容器。再经过投切延时时间，重复比较与投切，直到当前的功率因数达到投切门限以内。在投切过程中，若发现检测到的电压大于设定的过压保护门限，则按组切除所有已投入的电容；当检测到的电压超过设定的过压保护门限的10％时，则一次性切除所有已投入的电容，用以保护电容器。在投切时若发现检测到的电流小于欠电流封锁门限，则停止投切动作，避免系统出现循环投切现象。　　由于在三相供电中有不同接线方法，不同的接线方法对功率因数的算法也不一样，因此我们规定ARC系列功率因数自动补偿控制仪的电流取自三相供电中的A线，电压取自BC间的线电压，同时为减少现场接线的复杂度，我们在程序中对相位进行自动判别。　　在三相供电中，我们假设三相的相电压分别为Ua、Ub、Uc，A线电流为Ia　　则有Ua=Usin(ωt)，Ub=Usin(ωt+120º)，Uc=Usin(ωt+240º)，　　从而得到BC间的线电压为Ubc=Ub-Uc= Usin(ωt-90º)　　若A线负载为纯阻性，则A线电流Ia与A线电压Ua同相，Ia超前Ubc的角度为90º；　　若A线负载为感性，则A线电流Ia滞后A线电压Ua角度为φ（0º≤φ≤90º），Ia超前Ubc的角度为90º-φ；　　若A线负载为容性，则A线电流Ia超前A线电压Ua角度为φ（0º≤φ≤90º），Ia超前Ubc的角度为90º+φ　　在我们的ARC功率因数自动补偿控制仪中，为了计算的方便，我们电流相位的采样为电压采样的第二个周期，即若没有相位差Ia滞后Ua的角度为360º。在实际检测中，假设我们检测到Ia滞后Ubc的角度为α，根据以上的分析得知：　　若180ºα270º，则电路为容性负载，COSφ=COS(270º-α)　　若α＝270º，则电路为感性负载，COSφ=1　　若270ºα360º，则电路为感性负载COSφ=COS(α-270º)　　为方便用户接线，若用户将电压Ubc接成了Ucb，或将Ia的输入接反，根据以上的推断，我们同样可得到：　　若0ºα90º，则电路为容性负载，COSφ=COS(90º-α)　　若α＝90º，则电路为感性负载，COSφ=1　　若90ºα180º，则电路为感性负载COSφ=COS(α-90º)二、 硬件的设计　　控制器的CPU采用ATMEL的ATMEGA16-8L，此单片机工作电压范围宽（2.7 - 5.5V），最高工作频率为8MHz；芯片内部具有16k字节的Flash程序程序存储器，512 字节的EEPROM，1K字节的片内SRAM；8路10 位ADC；一个可编程的串行USART，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 ；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器。显示芯片采用南京沁恒公司生产的键盘、显示专用芯片CH451S，CH451S最大能驱动8为数码管，且不需外加驱动就能直接驱动LED数码管，大大减小了印板尺寸，单片机的采用SPI模式，只需3线（片选CS、时钟CLK、数据输入DIN），因本系统未用CH451S的键盘功能，所以CH451S的DOUT引脚不用。Ubc的电压信号经过电阻限流进入2mA/2mA的隔离变换器后分为两路，一路进入模拟绝对值处理电路送入单片机的A/D转换口ADC0，作为电压显示信号，另一路经过零比较后进入单片机中断口INT0；同样Ia的电流信号经5A/5mA的隔离变换器后分为两路，一路进入模拟绝对值处理电路送入单片机的A/D转换口ADC1，作为电流显示信号，另一路经过零比较后进入单片机定时器门控端ICP引脚。三、 软件的设计　　因整个系统对电压、电流采样的精度要求不高，我们直接用CPU的10位A/D对电压、电流的信号进行A/D转换，转换的结果一方面供显示的需要，另一方面作为过压与欠流的比较信号。我们将INT0设置为上升沿产生异步中断，ICP设置为上升沿触发输入捕捉。当INT0产生中断时，16位计数器开始以内部恒定的频率开始计数，直到下一中断的产生。在计数的同时，当TCP上有上升沿脉冲时，即将16位计数器已计得的数据放入到捕捉寄存器中。当一个采样周期结束时，计数器中得数据(N)即为外部交流信号的一个周期基数, 捕捉寄存器中数据（n）电流Ia滞后电压Ubc的基数，将(n/N)*360º即为角度，根据上面的原理就可判断在同一周波中时电压超前电流还是电流超前电压，同时还可得出超前或滞后的角度，将此数据进行查表即可得到功率因数。　　为了避免对电容器组中的某一组进行频繁的投切，平衡每一组电容器的工作时间，延长整个系统的使用寿命。我们对电容器的投切采用先投入的优先切除，先切除的优先投入的原则，我们在单片机的RAM中开辟了一空间，用于记录每组电容器的投入与切除时间，然后进行排序，将已工作时间最长的作为优先切除对象，将切除时间最长的作为优先投入对象。　　当三相交流的负载回路电流非常小时，会产生投切振荡的现象。也就是说控制系统投入一组电容器会产生过投，切除一组电容器又会产生投入不足，控制器就会产生重复的投切现象。为避免此想象的发生，我们设置了欠电流锁定，当电流值小于此数值时，系统将停止对电容器的投切动作，维持已投入的电容器工作。　　在工作过程中，若采样到的电压数据大于设定的过压保护值时，控制器将逐步切除已投入的电容器，若发现超过设定的保护值的10％时，则一次性切除所有已投入的电容器，保护电容器。　　以上的技术现已应用于本公司的ARC功率因数自动补偿控制仪中，经测试运行，系统工作稳定、各项指标达到了国家标准的要求，现已初步投放市场。

1 同步调相机 　　同步发电机 低压同步发电机 既是有功功率源，又是最基本的无功功率源。当系统的无功功率比较紧张时，必须充分利用发电机供给无功功率。例如冬季枯水季节时，水库水源不多，水力发电厂不可能按装机容量发出额定设计的有功功率，此时应考虑将水轮发电机降低功率因数运行，使其多发无功功率，将发电机以调相机方式运行。同步调相机相当于空载运行的同步发电机，在过励磁运行时，它可作为无功电源向系统供给感性无功功率，以提高系统电压水平。在欠励磁运行时，它可作为无功功率负荷从系统吸收感性无功功率以适当降低系统电压水平，同步调相机欠励磁运行最大容量一般只有过励磁运行时的容量的5~60%。同步调相机一度发挥着重要的作用，被称为传统的无功动态补偿装置。同步调相机容量愈大，其单位容量设备费用就愈低。因此适用于补偿容量较大的集中补偿方式。然而，由于它是旋转电机，运行维护复杂，响应速度慢，难以满足动态补偿要求，现只在短路容抗很小的系统使用。 2 并联电容器 　　并联电容器是电力系统无功功率补偿的重要设备，主要用于正常情况下电网和用户的无功补偿和控制。由于它投资少，功率消耗少，便于分散安装，维护量小，技术效果也较好，但并联电容器只能减少无功电流损耗且不能减少电压变化下限。一般来说，每个变电站约安装1~4组电容器，对于负荷较大的110 kV变电站和220 kV变电站，则要装更多组数的电容器。我国有些电网高峰时电压过低，其主要原因是系统安装的并联电容器容量不足。有些电网低谷时电压过高，其原因之一是高峰时系统投入的并联电容器在低谷时没有去除或去除不够，造成系统在低谷时无功过剩、使电压过高。因此并联电容器不能平滑调节无功。电容器自动投切装置以主变无功的大小作为电容器开关投切的主要条件。 3 并联电抗器 限流电抗器XD1/2 　　并联电抗器的工作原理和并联电容器的工作原理正好相反，它属于负补偿，常用于补偿线路电容的作用。并联电抗器是高电压长线路的重要补偿方式，新建变电站的电容器装置中串联电抗器的选择要慎重，不能任意组合，一定要考虑电容器接入、撤出的谐波因素。电容器组容量变化很大时，可选用与电容器同步调整分接头的电抗器或选择串联电抗器混合装设，以便防止电容器组投切时产生的过电压。 4 变压器 　　有载调压变压器不能作为无功电源，相反消耗电网中的无功功率，属于无功负荷之一。有载调压变压器分接头的调整不但改变了变压器各侧的电压状况，同时也对变压器各侧的无功功率的分布产生影响。分接头上调时，变压器二次侧电压上升，同时流过变压器的无功功率增加；分接头下调后，变压器二侧次电压下降，流过变压器的无功功率减少。 5 无功电压综合控制 　　无功电压综合控制（VQC）装置是基于变电站自动化系统的。随着无人值守变电站的增多，在变电站中一般均有用于当地和远方监控的自动化系统或具有“四遥”功能的RTU装置，它们有完善的输入、输出功能，包括对测量量及信号量的采集。该装置也具有控制变压器分接头、无功控制设备开关动作的功能。因此在此装置的基础上把相应的电压无功控制模块添加到边远电站自动化系统软件上，即可实现VQC控制目的。根据设备运行需要或各单位运行方式不同，VQC可以有几种调节方式：分接头不调节，电容器按无功定值投切；分接头按电压定值调节，电容器定时投切；分接头按电压定值调节，无功不调节；电容器、分接头都不调节。 6 静止无功补偿器 　　静止无功补偿器（SVC）被用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也用于无功补偿。有以下几种类型：晶闸管控制电抗器（TRC）、晶闸管投切电容器（TSC）、TCR/TSC混合装置、TCR与固定电容器（FC）或机械投切电容器（MSC）混合使用。SVC装置是通过改变电抗器来调节其输出的无功功率，它输出的无功电流与系统电压成正比，因此在电力系统电压降低时，SVC装置输出的无功功率会以与系统电压下降的平方的比例下降。要防止SVC装置接入后因改变系统阻抗特性而导致出现谐振。 7 静止无功发生器 　　随着电力电子技术的进一步发展，静止无功发生器（SVG）诞生了，它采用自换相变流电路，通过改变输出电压调节其输出的无功功率，会以与系统电压下降的比例而下降。他可等效为可控电流源，接入后不会改变阻尼特性。SVG采用门极可关断晶闸管或其他可关断器件，因此价格比较贵，目前还没有广泛应用。 8 静止同步补偿器 　　静止同步补偿器（STATCOM）是灵活交流输电系统（FACTS）的核心装置和核心技术之一，在电力系统中维持连接点的电压为给定值，提高系统电压的稳定性，改善系统的稳态性能和动态性能。STATCOM是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理，采用全控型开关器件组成自换相逆变器 自动逆变电源QLN ，辅之以小容量储能元件构成无功补偿装置，与SVC相比，具有调节速度更快、运行范围更广、吸收无功连续、谐波电流小、损耗小、所用电抗器和电容器容量大为降低等优点。更多技术论文请详见：买电器网（MIDIQI.COM） 知识库[URL=http://]http://www.midiqi.com/Knowledge/Index.asp[/URL][URL=http://]http://www.midiqi.com[/URL]