智能型无功补偿控制器的研制_图文

1、 智能型无功补偿控制器的研制Development of intelligent reactive compensation controller李 淼(安徽电气工程职业技术学院,合肥市230022摘要:以高速低功耗16位单片机为控制核心,配合16位同时采样ADC芯片,实现谐波条件下的对三相电压、电流真有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、温度的实时精确测量,实现对电容器按特定逻辑投切,可满足电网无功补偿的快速性要求。介绍该装置控制原理和控制电路构成,并通过高精度功率信号源模拟,给出了主要项目测试数据。关键词:无功补偿;电容器投切;固态继电器;液晶;实时时钟Abstract:T

2、he intelligent Contro ller based on high speed and low pow er16bit M CU,matching16bit simultaneously sam pling ADC,achieves the real time accurate measurement o f3phase voltage RM S, current RM S,active pow er,reactive po w er,apparent pow er,pow er factor,line frequency and tempera tures,and carrie

3、s out sw itching o f capacitor s by specified requir em ents to satisfy the request of the hig h speed reactive po w er compensation.T his paper mainly describes the principle of the controller and its circuit,giv es the test data of chief items by simulator s.Keywords:reactive pow er compensation;s

4、w itching o f capacitor s;solid state relay;LCD;real tim e clock引言随着能源紧张、用电负荷的增长和电力系统发展与技术进步,无论是供电部门还是用户,对无功补偿技术越来越关注。线路无功状况不仅决定电压质量,同时影响线路的线损率。对无功补偿装置的要求也越来越高,不仅要求有合适的无功补偿容量,而且要求补偿装置具有较高的灵活性、可靠性和自动化技术水平,以达到优化补偿的目的,同时还具有综合计量仪某些的功能。偶然看到北方一家知名公司生产的无功补偿控制器运行结果,数据记录显示一台变压器的有功电量是负值,其数据显然是有问题的,反映出综合测控仪的技术

5、难度和有待改进之处,引起动手试制这类似装置的浓厚兴趣。1 控制器采样方式无功功率补偿控制器有三种采样方式:功率因数型、无功功率型、无功电流型。不同的采样方式,决定了硬件的成本、软件的复杂程度、无功功率补偿控制器的智能化程度和补偿效果。控制器是无功补偿装置的核心,完成数据采集、数学运算、逻辑控制、发出投切信号、参数设定、数据显示与存储、在线自诊断、各种保护、串行通讯等功能。多年来,控制器经历了由分立元件 集成器件 单片机 DSP芯片一个快速发展的过程,其功能也愈加完善。DSP芯片是内置硬件乘法器、经过优化的高性能的单片机,注重数值计算,随着电子技术的发展,许多优秀的16位、32位单片机也内置了硬

6、件乘法器,数值计算速度大大提高,许多场合采用高性能的单片机已经能满足速度和精度要求。但由于市场的需求量很大,生产厂家也愈来愈多,其性能及内在质量差异很大,很多产品名不副39 实,或者功能指标夸大,选用时应特别小心。(1功率因数型控制器是某线路端电压U超前其线路电流I相位角度,co s 为功率因数,表示有功功率在该线路视在功率中所占的比例。当cos =1时,线路中没有无功流动,线路电流全部用来产生有功功率。在传输相同有功功率的前提下,仅当cos =1时,线路电流为最小,线路损耗也最小。提高功率因数以减少无功流动是这类控制器的最终目标。这种控制方式也是很传统的方式,通常是采用比较器或单片机的定时器

7、捕获功能,分别获得电压、电流的过零时刻,进一步求出电压电流之间相角 ,功率因数cos ,当线路功率因数cos 低于设定门限时(滞后,则投入一组或一个电容,当线路功率因数cos 高于设定门限时(滞后或过补(超前,则切除一组或一个电容。采样、控制相对较容易实现,对元器件的性能要求不高。但这种采样方式有其固有的缺陷:运行中既要保证系统稳定、无振荡现象出现,又要兼顾补偿效果,是一对矛盾,只能在现场视具体情况将参数整定在较好的状态下工作。即使调整得较好,也无法祢补这种方式本身的缺陷,尤其是在线路重负荷时。举例说明:设定投入门限cos =0.95(滞后。如果此时线路重载荷,即使此时的无功损耗已很大,再投电

8、容器组也不会出现过补偿,但cos 只要不小于0.95,控制器就不会再有补偿指令,也就不会有电容器组投入;当cos =0.94(滞后即便此时线路轻载荷,无功负荷也很小,但仍然投入电容,导致过补偿,随后再切除,形成投切震荡,导致电压波动。在线路中存在谐波时,可能导致电压、电流波形过零时刻偏移,甚至在一个周期会出现数个过零时刻,所以导致功率因数测量不准;即使负载固定不变,电网频率波动时,cos 也随之变化。所以这种控制方式建议不做为推荐的方式。(2无功功率型控制器无功功率型控制器采用六路同时采样、高分辨率、高速的数模转换器采集三相电压和电流信号,转换为数字信号后送到单片机或DSP,通过运算,计算出电

9、压、电流、有功功率、无功功率、频率等数据,比较完善地解决了功率因数型控制器的问题。一个设计良好的无功型控制器是智能化的,有很强的适应能力,实时测量线路的无功功率状况,一般可以实现以下功能:自动识别负荷无功大小和性质自动计算各路电容器的功率自动调节切换时间具有自动、手动切换功能过压、过流报警及保护数据显示:各相U、I、P、Q、S、cos 、频率、温度、电容器投切状态历史数据存储投切方式选择:循环、编码通讯:RS232、RS485串行通讯或无线通讯方式可以看出其控制功能相当完备,由于是无功型的控制器,也就将补偿装置的效果发挥得淋漓尽致。如线路在重负荷时,那怕co s 已达到0.99 (滞后,只要再

10、投一组电容器使线路传输的无功继续降低,也还会再投入一组电容器,使补偿效果达到最佳的状态。当然,限于成本和技术要求,并不是所有的无功型控制器都有这么完备的功能。(3无功电流型控制器无功电流检测技术是无功电流型控制器的关键,基于以下理论:一般情况下,假定三相电网电压都是对称无畸变,假定负载电流是三相对称的,考虑到负载电流可能含有谐波,因而其电压、电流表达式可以表示为:U aU bU c=2U sin t2U sin( t-232U sin( t+2340 i ai b i c=12I n sin(n t - n 12I n sinn( t -23 - n 12I n sinn( t +23- n

11、式中n =3k 1,其中k 为整数(当k =0时,只取+号,即只取n =1, 为电源角频率,I n 、 n 、为各次电流的有效值和初相角。将三相电流变换到 - 两相正交旋转坐标系上可以得到瞬时电流i 和i 。i i=T 32i ai b i c=31I n sin(n t n 1-I n cosn t n 式中,T 32为变换矩阵,其表达式为:T 32=2311/21/203/23/2为了更方便地分解出电流的有功和无功分量,应将 - 坐标系变换到与电源电压同步旋转的d-q 旋转坐标系统中,并使d 轴与电源电压同相位,这样,变换后电流的d 轴分量即为电流的有功分量,q 轴分量则是电流的无功分量。

12、由 - 坐标系统变换到d-q 坐标系统的变换矩阵为T ,T = 23sin t -co s t -cos t -sin t则有:i d i q=Ti i=31I n co s (n-1 t - n 1-I n sin (n -1 t + n 由上式可见,电流的有功分量和无功分量均是瞬时交变的,除了基波分量外,还含有谐波分量。若只考虑基波,则n =1时的基波电流为:i d 1i q 1=3I 1cos 1-I 1sin 1经过上述处理后,通过低通滤波获得的直流分量i d1和i q1分别为基波电流有功电流分量和无功电流分量的3倍。因此要获得无功电流,需要必要的矩阵变换电路、多路同时采样、高分辨率、

13、高速的数模转换器和单片机,电路较为复杂。实际上随着用电负荷的多样化,尤其是整流设备增多,电网谐波含量愈来愈丰富,忽略了电压和电流谐波分量,将带来比较大的误差。2 电容投切方式电容投切方式有两种:循环投切和编码投切。(1循环投切当控制器检测线路欠无功时,发出投入电容命令,投入一组或一个电容器;当控制器检测线路无功过剩时,发出切除电容命令,切除一组或一个电容器;具体投入或切除哪一组或一个电容器,遵循先投先切的原则,以便达到尽可能各电容投运时间差别不大,均衡电容器的疲劳强度,延长整个设备使用寿命。其优点:逻辑简单、接触器或晶闸管的容量固定;其缺点: 动态性能稍差,有时一次投入或切除,尚不能到达预期的

14、目的,不适用无功变动频繁的线路; 在不增加输出回路时,能够实现的补偿级数少,难以达到精确补偿的目的。(2编码投切一般按8421编码的规律,选用容量倍增的电容器予以编号,经过不同组合可以使容量级数大大增多。例如4只电容器,容量分别为10 F 、20 F 、40 F 、80 F 、,经过组合可以实现10 F 、20 F 、30 F 、40 F 150 F 。当控制器计算出线路无功数量后,发出指令投入或切除相应的电容器,一步到位,快速准确。其优点: 快速、准确 级数多,在有限的资源情况下,达到精确补偿。其缺点: 对控制器的要求高、程序复杂 对电容器的容量精度要求高。3 主要器件选型基于以上的理论和技

15、术分析,决定以无功功率为采样物理量,投切方式可选。选用以下器件:41 (1CP U:由于CP U 长期处于运行状态,所以选用德州仪器(T I 超低功耗、工业级的高性能新型M SP 430系列16位单片机。该系列单片机被称为绿色处理器,具有多种节电运行模式,正逐步应用于低功耗仪器仪表中。在无功补偿控制器中,其任务是读取测量数据、电量累计、逻辑运算、驱动液晶显示器、扫描键盘、数据记录、串行通讯、在线参数设置、各种保护及报警等;(2AD C 芯片:采用高速同时采样16BI T ,确保精度;(3显示部分:点阵式液晶显示器具有低功耗、显示信息容量大、汉字显示等优点,所以采用符合视觉习惯带背光的黄绿膜液晶

16、显示器;128 64点阵或240 128点阵,两中显示方式:轮显:两个页面自动轮流显示实时数据和电容器的投切状态、温度;定显:三个页面固定,前两个页面内容与轮显相同,第三个页面用于参数设置,三个页面可通过键盘选择。(4存储器:记录整点时刻的历史数据,便于离线处理。采用A T MEL 公司的低功耗产品I 2C 双总线接口A T 24C 256,可以记录40天整点数据和参数;若换用AT 24C 1024,则可以记录160天的整点数据;板上还预留A T 45DB 系列SP I 接口存储器位置,采用后将可以记录数年整点数据;即使断电,数据可以保持40年以上。(5实时时钟:记录数据必须同时有精确时间坐标

17、,所以采用PH I L I PS 公司高精度低功耗实时时钟PCF 8563T ;(6RS 485:选用防雷型485芯片,提高通讯可靠性;(7温度传感器:单片机自带12位温度传感器,实现环境温度测量,控制散热风扇起停;(8电源单元:采用小型三相模块化的开关电源,在很宽范围内,提供所需稳定直流电源,只要线路有一相电压在140260V ,就能确保控制器在缺相状态下也可正常工作,达到分相补偿目的;其效率在80%以上,结构和指标远远优于普通采用工频变压器的线性模拟电源。同时预留外接交直流电源接口。以上元器件大部分为3.3V 元器件,具有低功耗、高可靠性优点,以遵循节能的主旨。实测显示,正常运行时整个控制

18、器的功率仅为1.2W (液晶开背光时为1.5W 。4 硬件结构90%以上的元器件采用表面贴装元件,保证控制器高可靠性,同时体积很小,板图尺寸为180mm 115mm 。(见图1 图1 硬件结构示意图5 软件编制采用高级编程语言 C 语言,模块化结构,便于功能扩充;所有功能模块均由中断调度,以保证实时处理。主要模块如下:显示模块通讯模块键盘处理及参数设置模块 测量模块自诊断模块6 主要功能42 (1测量三相有关物理量电压真有效值U A 、U B 、U C ; 电流真有效值I A 、I B 、I C ; 有功功率P A 、P B 、P C ; 无功功率Q A 、Q B 、Q C ; 电网频率f 温

19、度(2计算数据视在功率S A 、S B 、S C ; 功率因数cos A 、cos B 、cos C ; 分时有功、无功电量累积;(3电容和风扇控制:12输出回路控制电容,分相则每相4路;1路控制风扇;可选方式:循环、编码; 三相联合投切或分相投切;(4数据记录:可记录至少40天的整点时刻数据;(5在线参数设置:变压器容量、额定电压、电容器容量、电流互感器变比、电压互感器变比、上限电压、下限电压、功率因数门限、切除温度、风扇起动温度、年月日时分设置;(6在线自诊断:过压、欠压、过流、过温保护、报警功能;(7通讯功能:可选RS 232接口、R S 485接口,能够与配电自动化系统通讯(8软件校准

20、:无须改动硬件就可以进行校正。7 实验数据及分析采用北京某公司生产的P W 40A 型继电保护测试仪,产生三相电压、电流信号。P W 40A 型继电保护测试仪输出交流电流040A ,精度 0.1%,输出交流电压0120V,精度为 0.1%,电压、电流相位均分别可调,相位精度为 0.2 ,可以用来模拟线路的无功相位。实验数据如下, 是电压U 超前电流I 相位角度,U 、I 、P 、Q 、S 、 的单位分别为伏特、安培、瓦特、乏、伏安、度。(1 =80 ,cos =0.1735(感性序号相别P W 40A 输出控制器显示值相对误差(%UI U I P Q U I P Q 1AAA120.05.01

21、20.549.95104.48593.70.250.180.4843第 22 卷 第 2 期 2005 年 6 月 AN HU I EL EC TRIC P OWE R V ol. 22N o. 2 Jun e 2005 ( 2 = 30 , cos = 0. 5( 感性 序号 相别 A 1 B C A 2 B C A 3 B C P W40A 输出 U 57. 74 57. 74 57. 74 100. 0 100. 0 100. 0 120. 0 120. 0 120. 0 I 1. 0 1. 0 1. 0 3. 0 3. 0 3. 0 5. 0 5. 0 5. 0 U 57. 9 57.

22、 9 57. 9 100. 4 100. 4 100. 4 120. 7 120. 6 120. 5 控制器显示值 I 1. 001 1. 000 1. 000 3. 004 2. 999 3. 000 5. 000 49. 93 49. 95 P 50. 25 50. 31 10. 22 261. 02 261. 28 260. 78 522. 78 522. 57 520. 98 Q 28. 78 28. 76 57. 15 150. 32 150. 14 150. 61 301. 52 301. 20 301. 50 U 0. 28 0. 28 0. 28 0. 40 0. 40 0.

23、30 0. 50 0. 50 0. 42 相对误差( % I 0. 10 0 0 0. 10 - 0. 03 0 0. 06 - 0. 08 - 0. 08 P 0. 50 0. 62 0. 34 0. 46 0. 56 0. 37 0. 47 0. 56 0. 26 Q 0. 31 0. 38 0. 03 0. 21 0. 09 0. 41 0. 50 0. 40 0. 50 ( 3 = 0 , cos = 1 序号 相别 A 1 B C A 2 B C A 3 B C P W40A 输出 U 57. 74 57. 74 57. 74 100. 0 100. 0 100. 0 120. 0

24、120. 0 120. 0 I 1. 0 1. 0 1. 0 3. 0 3. 0 3. 0 5. 0 5. 0 5. 0 U 57. 9 57. 9 57. 9 100. 5 100. 4 100. 4 120. 5 120. 3 120. 3 控制器显示值 I 1. 001 1. 001 1. 001 3. 003 2. 998 2. 999 5. 003 4. 995 4. 996 P 57. 92 57. 90 57. 82 301. 32 301. 53 300. 75 602. 31 602. 23 601. 41 Q - 0. 20 - 0. 20 - 0. 17 - 0. 45

25、- 0. 60 - 0. 37 0. 01 0. 04 0. 07 U 0. 28 0. 28 0. 28 0. 3 0. 3 0. 2 0. 83 0. 41 0. 25 相对误差( % I 0. 10 0. 10 0. 10 0. 10 0. 07 0. 03 0. 42 0. 25 0. 25 P 0. 31 0. 28 0. 14 0. 44 0. 51 0. 25 0. 39 0. 37 0. 24 Q ( 4 = - 30 , cos = 0. 5( 容性 序号 相别 A 1 B C A 2 B C A B C P W40A 输出 U 57. 74 57. 74 57. 74 10

26、0. 0 100. 0 100. 0 120. 0 120. 0 120. 0 I 1. 0 1. 0 1. 0 3. 0 3. 0 3. 0 5. 0 5. 0 5. 0 U 57. 9 57. 9 57. 9 100. 3 100. 4 100. 3 121. 3 120. 7 120. 4 控制器显示值 I 1. 001 1. 000 1. 000 3. 003 2. 998 2. 999 4. 998 4. 994 4. 992 P 49. 99 50. 02 49. 97 Q - 29. 03 - 29. 03 - 29. 05 U 0. 28 0. 28 0. 28 0. 3 0.

27、 4 0. 3 0. 83 0. 41 0. 25 相对误差( % I 0. 10 0 0 0. 10 0. 07 0. 03 0 0 0 P 0. 02 0. 04 0. 06 0. 24 0. 31 0. 07 0. 24 0. 37 0. 19 Q 0. 55 0. 55 0. 62 0. 45 0. 59 0. 67 0. 43 0. 47 0. 53 260. 44 - 150. 67 260. 62 - 150. 88 260. 15 - 151. 00 520. 80 - 301. 29 521. 73 - 301. 43 520. 81 - 301. 59 3 44 V ol.

28、 22N o. 2 Jun e 2005 AN HU I EL EC TRIC P OWE R 第 22 卷 第 2 期 2005 年 6 月 ( 5 = - 80 , cos = 0. 1735( 容性 序号 相别 A 1 B C A 2 B C A 3 B C P W40A 输出 U 57. 74 57. 74 57. 74 100. 0 100. 0 100. 0 120. 0 120. 0 120. 0 I 1. 0 1. 0 1. 0 3. 0 3. 0 3. 0 5. 0 5. 0 5. 0 U 57. 8 57. 8 57. 8 100. 3 100. 2 100. 3 120.

29、 6 120. 4 120. 3 控制器显示值 I 1. 000 0. 999 1. 000 3. 001 2. 997 299. 8 4. 998 4. 991 4. 992 P 9. 95 9. 93 9. 97 Q - 57. 05 - 57. 03 - 57. 15 U 0. 1 0. 1 0. 1 0. 3 0. 2 0. 3 相对误差( % I 0 0. 1 0 - 0. 03 - 0. 1 - 0. 07 0. 16 P - 0. 76 - 0. 96 - 0. 56 0. 38 0. 35 0. 46 0. 16 Q 0. 26 0. 23 0. 44 0. 43 0. 42

30、0. 37 0. 45 0. 43 0. 17 51. 89 - 296. 73 51. 91 - 296. 68 51. 85 - 296. 52 104. 36 - 593. 54 - 0. 04 104. 08 - 593. 41 - 0. 18 104. 33 - 592. 56 - 0. 16 - 0. 11 - 0. 11 0. 13 0. 13 以上实测数据显示: 电压有效值、 电流有效值 的精度优于 0. 5% , 功率测量精度优于 1% 。控制 器在感性、 容性都具有较高的精度, 即使在低功率 因数时各相指标也十分满意; 电压、 电流较小时, 显 示位数宽度限制, 必须时四舍五入, 显示误差略有 增大。 电容投切模拟: 由于该