新型低壓無功補償控制器的設計

程 瑋 鄭慧珍

(1.廈門海洋職業技術學院 機電系，福建 廈門 361100；2.漳州職業技術學院 電子工程系，福建 漳州 363001)

在我國，低壓無功補償場所采用的多數是早期的以COSφ作為電容投切判據的無功補償控制器。其在實際無功補償中有很多不足之處。如：(1)功率因數測量精度不高；(2)易出現某些相過補或分補；(3)投切易出現振蕩；(4)電容支路在諧波狀況下易損壞。鑒于上述情況，筆者提出采用PIC18F4520為主控制芯片和電能計量芯片ATT7022B為電量采集芯片的設計思路，設計一款新型低壓無功功率補償控制器。該補償器能夠精確計算當前所在電網的無功功率及各相電壓、電流值等電量參數，并且能根據當前所需補償無功量的大小準確地輸出控制電容的投切。并且能滿足在過電壓和較大諧波分量的狀況下，較為安全地切除電力電容。

1 無功補償控制器硬件部分

本設計的硬件結構主要包括七大部分：主控制芯片部分、電量采集部分、控制輸出部分、計量芯片部分、人機接口部分、數據存儲部分及電源部分(見圖1)。虛線外部為用戶接口。

1.1 主控制芯片PIC18F4520

無功補償控制器是以Microchip公司的PIC18F4520為控制核心。它主要負責對ATT7022B的數據的讀取，有功電能、無功電能、電壓、電流等運算，液晶顯示、按鍵判斷、校表、參數設置以及電力電容投切的控制觸發信號的產生等。

1.2 電能計量芯片ATT7022B

ATT7022B芯片是一款具有高可靠性、高精度、高穩定性的三相基波/諧波電能計量芯片。在1000∶1的動態范圍內功率測量精度優于0.1%，電流和電壓的有效值測量精度優于0.5%。如圖2所示，該芯片能夠測量各相及合相包括基波、諧波和全波有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量頻率、各相電流及電壓有效值、功率因數、相角等參數。其提供一個SPI接口與外部控制器之間進行計量參數以及校表參數的傳遞，使用方便[3]，能充分滿足本設計的需求。

1.3 信號采集部分

本設計的電壓、電流的采樣均采用互感器測量方式，這樣有效地隔離開電網與電能計量芯片及線路板其他元器件，從而使整個控制器獲得良好的抗干擾性能。圖3為A相電壓和電流的采集電路(B，C相此同圖)。

1.4 其他硬件部分

數據存儲部分：由于存儲數據量較大，包括比如電壓上下限、投切延時時間、三相電容值、單相電容值等數據。雖然PIC18F4520本身提供256字節的E2PROM存儲空間，但空間相對偏小，所以對于本設計采用E2PROM芯片24LC02。

人機接口部分：本設計顯示部分采用128×64點陣LCD液晶顯示，按鍵部分則設計為UP(上)、DOWN(下)、SET(確認)、ESC(返回)四個按鍵。

電源部分：考慮到實際運行中所處的電網環境在某些時候可能處于缺相運行的狀態。電源部分采用三個功率均為5W的單相變壓器，其次級經整流橋整流后并聯作為控制器的電源。以保證當電網缺任意一相或兩相的時候控制器還能正常工作。

控制輸出部分：由于電容的容抗與電源的頻率成反比，電容器合閘產生的瞬態過電流過大，勢必可能造成電容器支路元器件損壞。要抑制瞬態過電流，控制電容器合閘時刻是關鍵，因此可采用過零觸發、無觸點功率模塊，來實現電路的控制[1]。

2 無功補償控制器軟件部分

2.1 控制策略思路

針對引言中所述早期的以COSφ作為投切判據的無功補償器，其在實際中有很多不足之處。本設計直接采取以無功功率為主要的判斷依據，根據電網每相所缺的無功容量來確定該相投入電容數量，根據電網富余無功來切除電容。設計對當地8組電容器(2組三相電容器及6組單相電容器，分別進行2個三相共補和2個單相分補進行循環投切)，并具有當出現電壓過壓、欠壓、缺相或諧波越限等情況，電容切除的功能。同時選擇無觸點過零投切、三相共補和單相分補來提高系統補償的可靠性和精度。在運行中既能保證線路系統穩定，無振蕩現象出現，又能兼顧補償效果，將補償裝置的效果發揮到最佳。

2.1.1 投入電容

電容投入流程見圖4，采用優先投入共補電容的方式，當共補電容投入完畢，才開始投入分補電容。此電容器投切延時的一分鐘時間可以軟件設定。

2.1.2 切除電容

過補切除控制流程見圖5，采用優先切除共補電容的方式，當共補電容切除完畢，才開始切除分補電容。此電容器切除延時的一分鐘時間可以由用戶自行設定。為了保證電容的安全性，程序設計中當出現過壓、欠壓及諧波含量超標的情況，自動均切除電容。(過壓值、欠壓值、諧波含量目標值軟件中均可以設定)

2.2 軟件設計

軟件中包括了主程序、初始化程序、定時中斷程序及各任務程序。采用多任務的設計思想，包括ATT7022B讀寫任務，電量參數計算分析任務，LCD顯示任務，按鍵判斷任務，E2PROM讀寫任務，電容投切控制任務。在程序運行中以上任務分別循環進行，提高了程序的可移植性和可讀性。

3 結語

本文設計基于電能計量芯片ATT7022B和PIC18F4520芯片設計的新型無功補償器，采用無功功率為主判據，三相共補和單相分補相結合的控制策略。該補償器在試運行中能精確地測量當前的各種電量參數，準確地輸出控制電容的投切，避免了早期無功補償器的不足，并且無功補償器市場中具有較高的性價比。

[1]王琳基,王蘇潭,等.諧波狀態下電容柜損壞原因分析及采用措施[J].電氣應用,2008,(8)：76～78.

[2]鉅泉光電科技(上海)有限公司.ATT7022B用戶手冊中文版[EB/OL].http://www.hitrendtech.com/download/210-SD-109_V1.0%20ATT7022B用戶手冊中文版.pdf.

[3]鉅全光電科技(上海)有限公司.ATT7022B應用中文筆記[EB/OL].http://www.hitrendtech.com/download/260-CS-103%20V1.0%20ATT7022B應用筆記中文版.pdf.

[4]王丁,王斌,江修.基于ATT7022B的配變監控終端的研究[J].開發研究與設計技術，2007，(1):1073～1075.

[5]呂曉潔.智能低壓TSC動態無功補償裝置的研究[D].西安：西安科技大學學位論文，2007.