經濟實用型低壓無功功率補償裝置的研制

劉 俊 孫祖瓊 譚文兵 蒙鴻培

（桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林541004）

經濟實用型低壓無功功率補償裝置的研制

劉 俊 孫祖瓊 譚文兵 蒙鴻培

（桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林541004）

文章中系統主要功能，是對電網數據進行采集、監控，與此同時完成電容器組的投切，自動完成無功功率補償，從而優化電能質量，減少電網損耗。為簡化軟件設計，將飛思卡爾系列單片機MC9S08DZ60作為控制器，ATT7022B芯片用作采集數據用。對電網相關參數進行測量并計算，最終實現無功功率補償。與現場補償裝置相接的是RS232通訊口。這樣控制器能實現兩種功能，其一為實現電容器投切控制，其二為遠程監控。文章給出了智能型無功補償控制器各個模塊的相關電路原理圖和軟件設計流程圖。

無功功率；TSC；過零投切；功率因數

1 前言

現代工業發展迅速，對電能的質量要求也隨之更高，電網的經濟運行狀態也必將得到更高度關注。但是電力系統中超過2/3負載都為感性，比如電動機，在系統運行過程中，感性負載將耗費大量的無功功率。假設有功功率一定，則線路功率因數與流過的電流成反比，當功率因數越小時，電流反之越大，這將致使線路上的壓降和損耗等隨之增大。嚴重時，將使用戶端使用電壓無法達到需求值。針對感性電抗消耗無功功率，若在電網中安裝無功補償設備，能補償所消耗部分，若沒有無功補償，感性負載消耗的部分需由電網電源供給，再經過線路輸送至感性負載處。而增加無功功率補償裝置后，能減少電網中無功功率流動，進而降低由此造成的損耗。

2 系統結構及方案

選取容量合適的電容器，選取安裝位置得當，能減少無功功率的輸送。一般做法是在感性負載附近將電容器并聯，這樣能使得線路損耗降低且負載端電壓能得到提升。但是電容的容量都會有一定限制，若容量超過一定數值，將使得線路的功率因數變為負數，出現負數的后果是補償裝置將向電源端倒送無功，這是絕對禁止的。而在低壓配電網中，當負載變化時，無功功率需求也將變化，所以研究能根據此變化而做出自動投切的補償電容器，實現準確補償的裝置具有很重要的意義。無功補償得當，能提高功率因數，這對整個電力系統的運行也意義重大。本文將針對此進行研究。

如圖 1所示為無功功率補償控制器的基本邏輯構成：分別為檢測單元、控制單元、執行單元和電源。

圖1　無功功率補償控制器邏輯框圖

其中檢測單元作用是采集相關傳感器信號，例如電流，電壓等，然后對采集到的信號做相關計算后即可得到功率因數，無功功率等，之后需將功率因數，無功功率進行轉換，使得主控單元能進行有效接收。檢測單元功能由三相電能計量芯片ATT7022來實現。主控單元負責主要運算，同時需做出相應投切決策。本處選擇的是飛思卡爾單片機MC9S08DZ60。具體實現過程是主控單元需先確定一個設定值，然后將設定值與接收到的檢測單元發出的信號做比較，對比較輸出的結果進行判斷，進而發出相關命令，而執行單元正是命令的接收單元。執行單元分為軟開關（晶閘管）和硬開關（接觸器）兩部分，執行單元接到命令后，晶閘管先接通形成回路，緊接著接通接觸器最后在斷開晶閘管完成投切開關控制電容組的投切，實現無功功率補償任務。

選取飛思卡爾MC9S08DZ60和ATT7022芯片，不僅系統穩定性提高，而且整體系統成本也較低。處于持續工作狀態的晶閘管，發熱量大；接觸器的通斷也會引發燒結問題。而實現機電一體化的投切電容，能同時解決上述兩個問題，這對系統故障率的降低，可靠性的提升和使用壽命的延長都起著至關重要的作用。

3 硬件電路

如圖2所示為系統硬件框圖。

圖2　低壓無功補償控制器系統框圖

3.1控制器的選擇

中央處理器是飛思卡爾公司生產的 MC9S08DZXX微控制器，飛思卡爾 MC9S08DZXX微控制器最大運行頻率為40MHz，60KB Flash，最多支持個32中斷/復位源，最大2K的EEPROM在線可編程內存；共支持8字節單頁，即4字節雙頁擦除分區；執行Flash程序的同時可編程和擦除操作；系統保護方面 MC9S08DZXX微控制器有靈活的看門狗和片上低功耗RC振蕩器，故障保護時鐘監控器監測時鐘失敗并切換到片上低功耗RC振蕩器；控制器功率低，但FLASH運行高速，2.5V～5.5V的工作電壓范圍，并且有工業級和擴展級的工作溫度范圍，是一款經濟可靠的控制器。

3.2ATT7022電能計量芯片

ATT7022芯片是一顆三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用。芯片內部集成了許多常用電路，例如：六路二階ADC delta-sigma、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理等電路。能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數，充分滿足三相復費率多功能電能表的需求。支持全數字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功電能脈沖輸出 CF1、CF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標準表，進行誤差校正。詳細校表方法請參考第三部分校表方法?？梢詫ㄓ泄?、無功功率進行測量，提供脈沖輸出CF3和CF4提供瞬時基波有功功率以及基波無功功率信息，可直接用于基波的校正。提供兩類視在能量輸出，RMS視在能量以及PQS視在能量，CF3和CF4也可被配置為視在能量脈沖輸出。提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數以及校表參數的傳遞。

片內包含一個電源監控電路，連續對模擬電源)AVcc(進行監控。當電源電壓小于4V±5%時，芯片將會被復位。這樣之后能有利于電路上電和掉電時的正確啟動以及正常工作。延時和濾波環節中含有電源監控電路，這可以在很大程度上避免因為電源噪聲而引發的錯誤。為保證芯片正常工作應對電源去耦，使AVcc的波動不超過5V±5% 。

3.3投切控制電路設計

對于晶閘管來說，其觸發方式一般有移相和過零兩種方式。一般來說，觸發電路同主回路間都會存在電的聯系，那么毫無疑問，若電網電壓產生波動或者電源波形產生畸變，都會對觸發電路產生一定影響。為解決同步問題，很多時候都會讓電路變得復雜。針對此，MOTOROLA公司生產的MOC3021-3081器件可以很好解決這些問題。將此器件應用于晶閘管觸發中，具有經濟，可靠且電路簡單的優點。本系統的設計采用了該類光耦器件的MOC3061芯片實現過零驅動晶閘管，并實現了強電跟弱電的隔離。

圖3　電容投切電路

如圖3所示，MOC3061為光電耦合雙向可控硅驅動器，是光電耦合器的一種類型，作用是驅動雙向可控硅BCR，同時能對電路起到隔離作用，R1為觸發限流電阻，R2為BCR門極電阻，作用是防止誤觸發，同時增加抗干擾能力。當單片機引腳PCD0輸出的是負脈沖信號時，T2將導通，MOC3061導通，觸發BCR導通，此時交流負載將被接通。除此之外，當雙向可控硅接的是感性交流負載時，由于負載電流滯后電源電壓一個相位角，故當負載電流等于零時，電源電壓成為反向電壓，同時，感性負載存在自感電動勢，這將使雙向可控硅兩端壓值遠大于電源電壓。即使雙向可控硅處于反向導通的狀態，但也很容易被擊穿，所以必須使雙向可控硅能夠承受這種反向電壓。通常做法是在雙向可控硅的兩極間并一RC阻容吸收電路，此電路簡單，同時能使得雙向可控硅得到過電壓保護，圖中的C1、R2為RC阻容吸收電路。

4 核心程序

ATT7022B的計量芯片采集到電能質量參數通過 SPI通訊格式與控制芯片通訊，8位地址，24位數據，MSB在前，LSB在后，通訊開始時SCLK為低電平，CS由高到低經過32個時鐘脈沖SCLK，CS由低到高，完成一個寄存器的讀寫操作。ATT7022B在時鐘的下降沿從DIN線上讀取控制器送出的數據，在上升沿從DOUT線上向控制器送出數據。

4.1讀取取和顯示參數程序：

4.2電壓讀取和顯示函數

4.3電流讀取和顯示函數

4.4功率因數讀取和顯示函數

5 實驗成果

通過樣機現場試驗的效果分析，基于 MC9S08DZXX控制器實現的低壓無功功率補償裝置達到了預期的效果。

電容投切前后經過濾波電路電流、電壓波形如圖4所示。

圖4　電容投切前后經過濾波電路電流、電壓波形對比

6 結束語

系統應用基于飛思卡爾MC9S08DZXX控制器，通過ATT7022B電能計量芯片對電能質量進行采集，通過晶閘管和接觸器復合投切電容的方式，實現了低壓無功功率的補償。整體裝置不僅穩定性高，而且較為經濟，投切電容部分實現了機電一體化，這解決了晶閘管持續工作發熱大的現象，同時也解決了接觸器接通斷開引起的燒結問題，這樣之后能有效的降低系統故障綠，同時大大提高系統的可靠性以及使用壽命。本設計裝置適合于各類低壓廠房的就地無功功率補償，能起到優化電能質量，保證生產設備穩定運行的作用。

[1] 王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業出版社,1998.

[2] 周存和.并聯電容器及其成套裝置[M].北京:中國電力出版社,2008.

[3] 張劉春,韓如成,張守玉.無功補償裝置的現狀和發展趨勢[J].太原重型機械學院學報,2004,25(1):30-33.

[4] 徐業清.實用無功功率補償技術[M].合肥:中國科學技術大學出版社,1998.

[5] 靳龍章,丁毓山.電網無功補償實用技術[M].北京:中國水利水電出版社,1997.

[6] 苑舜,韓水.配電網無功優化及無功補償裝置[M].北京:中國電力出版社,2003.

[7] 周志敏,周紀海,紀海華.無功補償電容器配置、運行、維護[M].北京:電子工業出版社,2009.

[8] 高宇英,劉乾業.智能型低壓無功補償裝置若干問題的探討[J].電力電容器,2002,23(2):43-47.

[9] 王兆安,黃俊.電力電子技術(第4版)[M].北京:機械工業出版社,2000.

[10] 譚浩強.C程序設計(第三版)[M].北京:清華大學出版社, 2005.

[11] 何一浩,王樹民.TSC動態無功補償技術述評[M].北京:中國電力出版社,2004.

Design of a TSC reactive power compensation module based on MC9S08D60

The controllcr can measure operation parameters of power network,guarantee system’s stability and anti-interfercnce. It adopts Freescal series MC9S08DZ60 as the control core．It use the metrology chip ATT7022B to measure operation parameter of power network,whitch can simplize the software design．By measuring the voltage,current and the reactive power to achieve the power compensation.At the same time,the controller can link other metering device through RS232，which can realize remte monitoring function．In this paper,the inteligent reactive power compensation controller module circurt schematics and software design process will be given.

Reactive power;TSC;Zero-Crosing switching;power facter

TM13

A

1008-1151(2015)10-0047-04

2015-09-11

大學生創新創業計劃項目（201410595003;201510595027;201510595200）。

劉?。?991－），男，桂林電子科技大學機電工程學院學生，研究方向為電氣電子設備開發；孫祖瓊（1990－），男，桂林電子科技大學機電工程學院學生，研究方向為電氣電子設備開發；譚文兵（1991－），男，桂林電子科技大學機電工程學院學生，研究方向為電氣電子設備開發；蒙鴻培（1994－），男，桂林電子科技大學機電工程學院學生，研究方向為電氣電子設備開發。