智能無功補償控制器的設(shè)計

1、工程設(shè)計工程名稱：智能無功補償控制器的設(shè)計 智能無功補償控制器的設(shè)計摘要：隨著社會的開展，社會用電量的急劇增加，大量低功率因素的負(fù)荷接入電網(wǎng)對電網(wǎng)形成的巨大挑戰(zhàn)。而且現(xiàn)在用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，同時也為了電網(wǎng)的平安運行，需要平衡無功負(fù)荷功率。在低壓供電系統(tǒng)中，低壓無功補償裝置的功能就是向感性負(fù)載設(shè)備就近提供無功功率，低壓無功補償控制器是無功補償裝置的核心，采用檢測電網(wǎng)運行參數(shù)，減少了運算量，提高電網(wǎng)參數(shù)辨識的精度，并可以簡化系統(tǒng)軟件設(shè)計。控制器以MCU處理器為控制核心，采用功率因數(shù)控制方式來檢測電壓電流并計算出功率因數(shù)、無功功率，按照一定的控制規(guī)律投切電容器組，實現(xiàn)無功補償。本文首先介紹

2、無功補償?shù)母驹?，再詳?xì)介紹基于STM32F103RBT6和ATT7022E的無功補償控制器的設(shè)計。關(guān)鍵詞：無功補償、控制器、功率因數(shù)、STM32F103RBT6、ATT7022E一、引言 電力是我國的主要二次能源，隨著國民經(jīng)濟的開展，節(jié)電降耗，減少生產(chǎn)本錢是企業(yè)追逐的目標(biāo)。但是電力系統(tǒng)中先天性的存在著大量的無功負(fù)荷，這些無功負(fù)荷來自電力線路、電力變壓器以及用戶的用電設(shè)備。系統(tǒng)運行中大量的無功功率將降低系統(tǒng)的功率因數(shù)，增大線路電壓損失和電能損失，嚴(yán)重影響著電力企業(yè)的經(jīng)濟效益，解決這些問題的一個有效途徑就是進(jìn)行無功補償。功率因數(shù)的提高，不僅能提高供電設(shè)備的供電能力，而且可以降低電力系統(tǒng)的電壓損

3、失，減少電壓波動，改善電能質(zhì)量，降低電能損耗，從而節(jié)省電力提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。 同時，在現(xiàn)代電力企業(yè)中，功率因數(shù)是考核配電網(wǎng)運行的重要指標(biāo)。為到達(dá)考核指標(biāo)，必須結(jié)合本地區(qū)的具體情況，進(jìn)行無功的規(guī)劃,其規(guī)劃的目的是：(1)保證規(guī)劃地區(qū)的無功平衡，維持電力系統(tǒng)的無功穩(wěn)定。(2)提高地區(qū)電網(wǎng)電壓的質(zhì)量，使地區(qū)電網(wǎng)無功、電壓優(yōu)化運行。(3)提高功率因數(shù)、改善地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量，提高電力企業(yè)經(jīng)濟效益。(4)合理確定無功補償方式、無功補償容量、無功補償?shù)陌惭b地點使補償效果最正確。電網(wǎng)中的用電負(fù)荷絕大局部是感性負(fù)荷，比方生活中常見的發(fā)電機、電動機、變壓器等，所以為了電網(wǎng)的合理運行需要對電網(wǎng)補償一定容量的無功功

4、率。因為補償一定的無功功率可以提高功率因數(shù)，減少線路損耗電量，提高用電效率等。無功補償方式比較多，常見的有調(diào)相機、電力電容器、靜止無功補償器等。本文注重介紹智能無功補償器的設(shè)計，涉及到軟件與硬件設(shè)計。為了取得比較好的無功補償效果，需要準(zhǔn)確地測量電網(wǎng)的參數(shù)：每一相的電壓、電流。因為涉及到有功功率、無功功率、功率因數(shù)等的計算，因此我們采用了高精度電能計量芯片ATT7022E對采集到的電流、電壓信號進(jìn)行處理，得到我們所需要的有功功率、無功功率、功率因數(shù)等結(jié)果。而主控芯片那么采用STM32F103RBT6。二、無功補償?shù)墓ぷ髟?電力網(wǎng)中的變壓器和電動機是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的。磁場所具有的磁場能是由

5、電源供給的。電動機和變壓器在能量轉(zhuǎn)換過程中建立交變磁場,在一個周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率稱為感性無功功率。接在交流電網(wǎng)中的電容器，在一個周期內(nèi)上半周的充電功率與下半周的放電功率相等，這種充電功率叫做容性無功功率。所以無功功率被使用于建立磁場和靜電場，它存儲于電感和電容中，通過電力網(wǎng)往返于電源和電感、電容之間。無功功率在電力網(wǎng)元件中流動，將會在電力網(wǎng)元件中引起電壓損耗和功率損耗，降低電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，增加電網(wǎng)的線損率。 將電容器和電感并聯(lián)在同一電路中，電感吸收能量時，電容器釋放能量而電感放出能量時，電容器吸收能量。因此能量就只在它們之間交換，即感性負(fù)荷電動機、變壓器等所吸收的無功功

6、率，可由電容器所輸出的無功功率中得到補償。因此把由電容器組成的裝置稱為無功補償裝置。無功補償?shù)淖饔煤驮砣鐖D2-1所示。圖 2-1 設(shè)電感性負(fù)荷需要從電源吸取的無功功率為Q，裝設(shè)無功補償裝置后，補償無功功率為，使電源輸出的無功功率減少為，功率因數(shù)由提高到，視在功率S減少到。 視在功率的減少可相應(yīng)減少供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設(shè)備的投資。電力網(wǎng)絡(luò)除了要提供有功功率P外，還要承擔(dān)負(fù)荷所需要的無功功率Q。有功功率P與無功功率Q、視在功率S之間存在下面關(guān)系：被定義為功率因數(shù)，其物理意義是供給線路的有功功率P占線路視在功率S的百分比。在實際的電網(wǎng)中，我們希望功率因素越大越好。而我們搞無功補

7、償?shù)慕Y(jié)果就是要提高功率因素，提高功率因素有幾大意義：1、改善設(shè)備的利用率功率因素還可以表示為其中U為線電壓、單位為KV；I為線電流，單位為A。根據(jù)式可知在一定的電壓和電流下，提高，其輸出功率增大。因此改善功率因素是充分發(fā)揮設(shè)備潛力，提高設(shè)備利用率的有效方法。2、提高功率因素可以減少電壓損耗圖 2-2由電力網(wǎng)的等值電路圖2-2可知，電力網(wǎng)由于無功負(fù)荷而帶來的電壓損耗的計算公式為： 式中：為電力網(wǎng)的額定電壓；為元件的末端電壓；為電網(wǎng)中電壓與電流的相位角；分別為電力網(wǎng)中元件的等效電阻和等效電抗；為元件末端的有功負(fù)荷和無功負(fù)荷。3、減少線路損耗當(dāng)線路流過電流I時，線路的有功損耗其中無功功率在電網(wǎng)中流動

8、而引起的有功線損的計算公式為：線路的有功損耗與成反比，越高越小。4、提高電力網(wǎng)的傳輸能力視在功率與有功功率存在如下關(guān)系可見，在傳送一定的有功功率P的條件下，越高，S越小。三、無功補償方法本智能無功補償控制器主要用于低壓系統(tǒng)。低壓電網(wǎng)一般處于電網(wǎng)的末端，因此補償?shù)蛪簾o功負(fù)荷是電網(wǎng)補償?shù)年P(guān)鍵。作好低壓補償，不但可以減輕上一級電網(wǎng)補償?shù)膲毫?，而且可以提高用戶配電變壓器的利用率，改善用戶功率因?shù)和電壓質(zhì)量，并有效降低電能損失，減少用戶電費。因而電壓補償對用戶和供電部門均有利。低壓無功補償?shù)哪繕?biāo)是實現(xiàn)無功的就地平衡,通常采用的方式有三種隨機補償、隨器補償、跟蹤補償三種方法。3.1 隨機補償 隨機補償就是

9、將低壓電容器組與電動機并聯(lián),通過控制、保護裝置與電動機共同投切。隨機補償?shù)膬?yōu)點是用電設(shè)備運行時，無功補償投入，用電設(shè)備停止運行時，補償裝置也退出，不需要頻繁調(diào)整補償容量。具有投資少，配置靈活，維修簡單等優(yōu)點。為防止電動機退出運行時產(chǎn)生自激過電壓，補償容量一般應(yīng)大于電動機的空載無功負(fù)荷，通常推薦式中為額定電壓；為電動機空載電流；為補償電容器容量對于排灌電動機等所帶機械負(fù)荷軸慣性大的電動機，補償容量可適當(dāng)增大， 可大于電動機空載無功負(fù)荷，但要小于額定無功負(fù)荷。由于排灌電動機總是在帶有水泵機械負(fù)載的情況下斷電，這時電動機轉(zhuǎn)速將急劇下降，即使補償容量略大于電動機空在無功負(fù)荷，也不會產(chǎn)生自激過電壓。一般

10、電動機的年運行小時數(shù)大于，選用隨機補償比其他方式更經(jīng)濟。用戶的補償投資可在一年內(nèi)全部收回，補償電動機無功負(fù)荷效果更佳。3.2 隨器補償隨器補償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側(cè)，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。農(nóng)網(wǎng)配電變壓器，尤其是綜合用戶配電變壓器，普遍存在負(fù)荷輕和“大馬拉小車現(xiàn)象。在負(fù)荷低時接近空載，配電變壓器的空載無功是電網(wǎng)無功負(fù)荷的主要局部。對于輕負(fù)載配電變壓器而言，這局部損耗占供電量的比例較大，導(dǎo)致電費單價增高。由于隨器補償在低壓側(cè)，故而接線簡單，維護管理方便，且可以有效地補償配電變壓器空載無功，使該局部無功就地平衡，從而提高配電變壓器的利用率，降低無功網(wǎng)耗，是目前

11、補償配電變壓器無功的有效手段之一。3.3 跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據(jù)電網(wǎng)運行情況將低壓電容器組補償在用戶配電變壓器低壓側(cè)的補償方式。補償電容器組的固定連接組可起到跟隨器補償?shù)淖饔?，補償用戶自身的無功基荷；投切電容器組用于補償無功峰荷局部?？紤]到電動機投運的不同時率和單臺電動機補償容量的限制等因素，采用跟蹤補償比隨機、隨器補償能獲得更好的補償效果，而且不需要提高補償度，并可適當(dāng)調(diào)整各組電容器的運行時間，使其壽命相對延長，從而降低電器的購置更新費用。跟蹤補償投切方式分為自動投切和手動投切兩種。手動投切通過人工投切各組電容器，到達(dá)改變補償容量的作用，該方法適用于時間上呈一定

12、規(guī)律變化的負(fù)荷。由于用戶負(fù)荷有一定的波動性，采用人工手動投切補償電容不能及時跟隨無功負(fù)荷的變化，不能始終保持功率因數(shù)和電壓質(zhì)量所要求的指標(biāo)，使電容補償達(dá)不到應(yīng)有的經(jīng)濟效益。因此，誕生了與無功補償電容配套的自動投切裝置。自動投切是微電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，控制器根據(jù)測得的電力參數(shù)，計算出當(dāng)前電網(wǎng)所需的無功補償量，并輸出指令來控制電容器組的投切，到達(dá)實時補償?shù)哪康?。四、智能無功補償控制器的硬件設(shè)計4.1 電能計量芯片本智能無功補償控制器采用的電能計量芯片為ATT7022E，該芯片集成了七路二階sigma-delta ADC，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于三相電流采樣，還有一路可用于零線電流

13、采樣，適用于三相三線和三相四線。芯片還集成了參考電壓以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)及頻率測量的數(shù)字信號處理電路，能夠測量各相以及合相得有功功率、無功功率、視在功率等。圖 4-14.2 主控芯片本控制器使用STM32F103RBT6作為主控芯片。STM32F103RBT6是一款基于高性能ARMCor-tex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位微控制器，配備2個16通道的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，3個16位定時器，時鐘頻率最高可達(dá)72MHz。在中斷方面，內(nèi)嵌的中斷控制器有43個可屏蔽中斷通道，采用尾鏈技術(shù)的中斷處理降至6個CPU周期；在通信接口方面，高達(dá)9個標(biāo)準(zhǔn)的通信接口；兩個I2C接口、兩個SPI接口、三個US

14、ART接口、一個CAN接口、一個USB2.0全速接口。芯片接口電路圖如下：圖 4-24.3 控制器的工作原理首先，我們需要采集電網(wǎng)上三相的每一相的電流、電壓，將采集的電流電壓通過互感器轉(zhuǎn)換為微電流信號，微電流信號通過電能計量芯片ATT7022E的計算處理就能夠得出我們需要的結(jié)果。得到的有功功率、無功功率、功率因數(shù)通過主控芯片STM32F103RBT6的處理，判斷是否需要對線路進(jìn)行無功補償，同時與STM32F103RBT6相連的還有RS485通訊接口、程序下載接口、AT24C256儲存模塊。圖 4-34.4 智能無功補償控制器的原理接線路與PCB板圖 4-4五、智能無功補償控制器的軟件設(shè)計控制器

15、的軟件采用模塊化的設(shè)計方法，主要由主程序、電能計量芯片接口程序、電容投切控制程序、人機界面程序和通訊程序組成。5.1 主程序設(shè)計主程序主要包括系統(tǒng)初始化和主循環(huán)程序兩局部組成，程序流程圖如下：圖 5-15.2 電能計量芯片接口程序設(shè)計電能芯片接口程序首先對進(jìn)行初始化，初始化完成后向?qū)懭胄１韰?shù)，等待釆樣完成，最后讀取并計算各個計量值。如圖5-2所示：圖 5-2電能芯片的初始化包括設(shè)置電能芯片的工作模式、ADC增益、波形采樣頻率、功率和電能計量方式、波形緩沖數(shù)據(jù)源和模擬模塊等。在初始化完成后，判斷ATT7022E是否完成釆樣，如果完成釆樣，讀取相應(yīng)計量存放器的值進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)包括功率增益校準(zhǔn)、相

16、位校準(zhǔn)和電壓、電流有效值校準(zhǔn)。寫入校準(zhǔn)參數(shù)后，ATT7022E會重新開始釆樣，等釆樣完成后，就可以讀取各個計量存放器的值，并計算最終的測量參數(shù)。5.3 電容投切控制程序設(shè)計電容投切控制程序主要根據(jù)線路的無功功率和功率因數(shù)判定電容器是否投切，并輸出控制命令，實現(xiàn)無功補償功能。圖 5-35.4 人機界面程序設(shè)計 人機界面程序主要是指液晶屏與按鍵的程序設(shè)計。根據(jù)按鍵的要求，在液晶屏上顯示出各種信息。5.5 通訊程序設(shè)計 本智能無功補償控制器的通信包括兩局部：一局部為電能計量芯片與主控芯片STM32F103RBT6之間的通訊；一局部為控制器與其他設(shè)備通訊的485通訊接口。圖 5-4 程序首先判斷上位機是否發(fā)送新的數(shù)據(jù)，如果沒有新數(shù)據(jù)到達(dá)，程