智能无功补偿控制器的设计

工程设计项目名称：智能无功补偿控制器设计智能无功补偿控制器的设计摘要：随着社会的发展和社会用电量的急剧增加，大量低功率因数的负荷接入电网，给电网带来了巨大的挑战。此外，现在用户对电能质量的要求越来越高。同时，为了电网的安全运行，需要平衡无功负荷功率。在低压供电系统中，低压无功补偿装置的作用是向附近的感性负载设备提供无功功率。低压无功补偿控制器是无功补偿装置的核心。通过检测电网运行参数，减少了计算量，提高了电网参数辨识的准确性，简化了系统软件设计。该控制器以单片机处理器为控制核心，采用功率因数控制方法检测电压和电流，计算功率因数和无功功率，按照一定的控制规则切换电容器组，实现无功功率补偿。本文首先介绍了无功补偿的基本原理，然后详细介绍了基于STM32F103RBT6和ATT7022E的无功补偿控制器的设计。关键词：无功功率补偿，控制器，功率因数，STM32F103RBT6，ATT7022E一、导言电力是我国主要的二次能源。随着国民经济的发展，企业都在追求节约用电、降低消耗和生产成本的目标。然而，电力系统中存在大量的无功负载。这些无功负载来自电力线、电力变压器和用户的电气设备。系统运行中的大量无功会降低系统的功率因数，增加线路电压损耗和功率损耗，严重影响电力企业的经济效益。解决这些问题的有效途径是进行无功补偿。功率因数的提高不仅可以提高供电设备的供电能力，还可以降低电力系统的电压损耗，减少电压波动，提高电能质量，减少电能损耗，从而节约电能，提高企业的经济效益。同时，在现代电力企业中，功率因数是衡量配电网运行的重要指标。为了达到考核指标，必须结合本地区的具体情况进行无功规划。其规划目标是：(1)确保规划区域的无功平衡，保持电力系统的无功稳定。(2)提高区域电网电压质量，优化区域电网无功电压运行。(3)提高功率因数，改善区域电网的电能质量，增加电力企业的经济效益。(4)合理确定无功补偿方式、无功补偿容量和无功补偿安装位置，以达到最佳补偿效果。电网中的大部分电力负载是感应负载，如发电机、电动机、变压器等。这在生活中很常见。因此，为了合理运行电网，有必要对电网进行一定容量的无功补偿。因为补偿一定的无功功率可以提高功率因数，减少线路中的功率损耗，提高用电效率。无功补偿方法很多，如可调摄像机、电力电容器、静止无功补偿器等。本文重点介绍智能无功补偿器的设计，包括软件设计和硬件设计。为了获得更好的无功补偿效果，需要精确测量电网的参数：各相的电压和电流。由于它涉及到有功功率、无功功率和功率因数的计算，我们使用高精度电能计量芯片ATT7022E对采集到的电流和电压信号进行处理，得到我们需要的有功功率、无功功率和功率因数的结果。主控芯片采用STM32F103RBT6。二、无功补偿的工作原理电网中的变压器和电动机根据电磁感应原理工作。磁场所拥有的磁场能量由电源提供。在能量转换过程中，电机和变压器形成交变磁场，一个周期内吸收和释放的功率相等。这种功率称为感应无功功率。连接到交流网络的电容器在一个周期的上半部分具有与下半部分相同的充电功率。这种充电功率称为容性无功功率。因此，无功功率用于建立磁场和静电场。它存储在电感和电容中，通过电网在电源和电感和电容之间来回传输。无功功率在电网元件中流动会造成电网元件的电压损失和功率损失，降低电网电压质量，增加电网线损率。电容器和电感器并联在同一电路中。当电感器吸收能量时，电容器释放能量，当电感器释放能量时，电容器吸收能量。因此，能量仅在它们之间交换，即感应负载电机、变压器等吸收的无功功率。可以通过电容器输出的无功功率进行补偿。因此，由电容器组成的装置称为无功补偿装置。无功补偿的功能和原理如图2-1所示。图2-1感性负载需要从电源提取的无功功率为Q。安装无功功率补偿装置后，待补偿的无功功率为，使电源输出的无功功率减少到，功率因数增加到，视在功率S减少到。视在功率的减小可以相应地减小供电线路的截面积和变压器的容量，减少供电设备的投资和消耗。除了提供有功功率P外，电网还应承担负载所需的无功功率Q。有功功率P、无功功率Q和视在功率S之间存在以下关系：定义为功率因数，其物理含义是提供给线路的有功功率P与线路视在功率S的百分比。在实际电网中，我们希望功率因数越大越好。无功补偿的结果是提高功率因数，这有几个意义：1 .提高设备利用率功率因数也可以表示为其中u为线路电压，单位为千伏。I是线路电流，单位是a。根据公式，在一定的电压和电流下，输出功率随着它的增加而增加。因此，提高功率因数是充分发挥设备潜力、提高设备利用率的有效方法。2.提高功率因数可以降低电压损失图2-2根据电网等效电路图2-2，电网无功负荷引起的电压损失计算公式如下：其中：是电网的额定电压；是元件的端电压；是电网中电压和电流的相角；电网中各元件的等效电阻和等效电抗；组件末端的有功负载和无功负载。3、降低线损当线路流过电流I时，线路的有功损耗电网中无功潮流引起的有功网损计算公式如下：线路的有功损耗成反比，损耗越高，损耗越小。4、提高电网的输电能力视在功率与有功功率有以下关系可以看出，在传输一定有功功率的情况下，功率越大，S越小。三、无功补偿方法这种智能无功补偿控制器主要用于低压系统。低压电网一般位于电网的末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键。低压补偿不仅可以减轻上层电网的补偿压力，还可以提高配电变压器的利用率，提高用户的功率因数和电压质量，有效降低用户的电能损耗和电费。因此，电压补偿对用户和供电部门都有好处。低压无功补偿的目标是实现无功功率的局部平衡。一般来说，有三种为了防止电机停止运行时的自激过电压，补偿容量一般应大于电机的空载无功负荷，这是通常推荐的。哪里是额定电压；对于电机空载电流；为了补偿电容器容量对于排灌电机和其他机械负载轴惯量大的电机，可以适当增加补偿容量，补偿容量可以大于电机的空载无功负载，但小于额定无功负载。由于排灌电机总是在水泵机械负载的情况下断电，此时电机的转速会急剧下降。即使补偿容量略大于电机的空载无功负载，也不会产生自激过电压。一般来说，电机的年运行时间超过，所以选择随机补偿比其他方法更经济。用户的补偿投资可在一年内全部收回，补偿电机无功负荷的效果更好。3.2后续补偿后续补偿是指通过低压安全将低压电容器接入配电变压器二次侧，对配电变压器空载无功功率进行补偿的补偿方法。农村电网中的配电变压器，尤其是综合用户的配电变压器，通常以轻负载和“大马拉车”为特征。当负荷较低时，接近空载，配电变压器空载无功功率是电网无功负荷的主要部分。对于轻载配电变压器来说，这部分损耗占电源的很大比例，导致单位电价较高。由于跟随器补偿在低压侧，连接简单，维护管理方便，能有效补偿配电变压器空载无功功率，使部分无功功率局部平衡，从而提高配电变压器利用率，降低无功网损耗，是目前补偿配电变压器无功功率的有效方法之一。3.3跟踪补偿无功补偿开关装置是指作为控制保护装置，根据电网运行情况对用户配电变压器低压侧低压电容器组进行补偿的补偿方法。补偿电容器组的固定接线组可以起到跟随器补偿的作用，补偿用户的无功基本负荷。开关电容器组用于补偿无功峰值负载。考虑到电机运行的差异率和单个电机补偿能力的限制等因素，跟踪补偿比随机补偿和跟随补偿能达到更好的补偿效果，且不增加补偿程度，每个电容器组的运行时间可适当调整以延长其使用寿命，从而降低电器的购买和更新成本。跟踪补偿切换模式分为自动切换和手动切换。手动切换通过手动切换每组电容器来实现改变补偿容量的效果。这种方法适用于时间上有一定规律变化的负载。由于用户负荷的波动，补偿电容器的手动投切不能及时跟随无功负荷的变化，也不能始终保持所需的功率因数和电压质量指标，因此电容器补偿不能达到应有的经济效益。因此，与无功补偿电容器配套的自动开关装置应运而生。自动开关是微电子技术在电力系统中的应用。控制器根据测得的功率参数计算当前电网所需的无功补偿，并输出指令控制电容器组的投切，达到实时补偿的目的。4.智能无功补偿控制器的硬件设计4.1电能计量芯片智能无功补偿控制器使用的电能计量芯片为ATT7022E。该芯片集成了七个二阶-型模数转换器，其中三个用于三相电压采样，三个用于三相电流采样，一个用于零线电流采样，适用于三相三线和三相四线。该芯片还集成了参考电压和数字信号处理电路该控制器采用STM32F103RBT6作为主控芯片。STM32F103RBT6是一款基于高性能ARMCor-tex-M3架构内核的32位微控制器，配有2个16通道模数转换器和3个16位定时器，时钟频率高达72兆赫。在中断方面，嵌入式中断控制器有43个屏蔽中断通道，采用尾链技术进行中断处理(最少6个CPU周期)；在通信接口方面，最多9个标准通信接口；两个I2C接口、两个SPI接口、三个USART接口、一个CAN接口和一个USB2.0全速接口。芯片接口电路图如下：图4-24.3控制器的工作原理首先，我们需要采集电网三相中每相的电流和电压，并通过互感器将采集到的电流和电压转换成微电流信号。通过电能计量芯片ATT7022E的计算和处理，微电流信号可以得到我们需要的结果。获得的有功功率、无功功率和功率因数由主控芯片STM32F103RBT6处理，以确定线路是否需要无功功率补偿。同时，RS485通讯接口、程序下载接口和AT24C256存储模块也连接到STM32F103RBT6。图4-34.4智能无功补偿控制器与印刷电路板连接电路的原理图4-45.智能无功补偿控制器的软件设计控制器软件采用模块化设计方法，主要由主程序、电能计量芯片接口程序、电容器投切控制程序、人机接口程序和通信程序组成。5.1主程序设计主程序主要包括系统初始化和主循环程序。程序流程图如下：图5-15.2电能计量芯片接口程序设计功率芯片接口程序首先初始化，初始化完成后将校准表参数写入用户，等待采样完成，最后读取并计算每个测量值。如图5-2所示：图5-2电源芯片的初始化包括设置电源芯片的工作模式、模数转换器增益、波形采样频率、功率和功率计量模式、波形缓冲数据源和模拟模块等。初始化完成后，确定ATT7022E是否已完成采样。如果采样完成，将读取相应计量寄存器的值进行校准，包括功率增益校准、相位校准以及电压和电流有效值校准。写入校准参数后，ATT7022E将重新开始采样。采样完成后，可以读取每个测量寄存器的值，并计算最终测量参数。5.3电容器投切控制程序设计电容器投切控制程序主要根据线路的无功功率和功率因数来决定电容器投切与否，并输出控制命令来实现无功功率补偿功能。图5-35.4人机界面编程人机界面程序主要指液晶屏和按键的程序设计。根据按键的要求，各种信息显示在液晶屏上。5.5通信程序设计智能无功补偿控制器的通信包括两部分：一部分是电能计量芯片与主控芯片STM32F103RBT6之间的通信；一部分是控制器与其他设备通信的485通信接口。图5-4程序首先判断