基于ATT7022E的電動鉆機井場電網無功補償控制器設計

穆紅燕

中國石油集團海洋工程有限公司鉆井工程研究院，天津 300451

電動鉆機井場電網系統由數臺柴油發電機組同步并網運行，組成一個獨立的電網系統為電動鉆機等負載供電[1]。電動鉆機主要負載為運行的驅動絞車、轉盤（或頂驅）、泥漿泵等大功率交、直流電動機，其轉速分別由交、直流調速器控制，從而使電網輸出功率的80%經過基于電力電子器件的調速系統驅動電動機[2]。電力電子調速系統均為非線性感性用電負荷，由此造成井場電網功率因數低，同時產生諧波電流[3]，降低了電網的供電能力，造成了資源和能源的浪費[4]。

晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）憑借其可靠性高、運行時不產生諧波、自身損耗小、成本低等優點，成為目前無功補償裝置領域的主力軍。因為可能會出現過補償、欠補償以及投切振蕩等問題，所以如何依據實時井場電網參數準確地投入適補的電容器成為TSC無功補償裝置需要解決的首要問題[5]。目前并聯電容器的分組方式有多種，較常見的有二進制分組、等容分組以及混合分組，在應用時往往要結合實際工況和電網狀況來選擇適合的分組方式。本文設計了一種井場電網無功補償控制器，該控制器在硬件上由高精度計量芯片ATT7022E和高速單片機GD32F103RCT6架構，其投切策略基于模糊控制理論并加以改進。該控制器不但適應并聯電容器的任意分組方式而且能有效避免投切振蕩，可滿足井場電網無功功率頻繁變化的應用需求。

1 無功補償裝置的主電路結構

TSC無功補償裝置的主電路接線方式可分為三角形接法、星形接法以及三角形和星形相結合接法。星形接線對應于三相分補方式，適用于三相負載不平衡的場合；三角形接線對應于三相共補方式，適用于三相負載基本平衡的場合。由于電動鉆機井場電網負載均為三相對稱負荷，因此選用三角形接線方式，并且該方式不出現3次及3倍次諧波電流[6]。本文提出了一種TSC無功補償裝置的主電路結構，如圖1所示。

圖1 TSC無功補償裝置的主電路

該主電路采用角外控制的三角形接線方式，其各組電容器容量比：C1/C2/…/Cn=x1/x2/…/xn。其中：x1/x2/…/xn可為1/1/…/1（等容分組），也可為2n-1/2n/…/1（二進制分組），或為任意比值（混合分組）。具體容量比在應用時結合實際電網狀況進行選擇即可。補償容量Q計算公式為：

式中：P為有功功率，Φ為補償前功率因數角，Φ'為補償后功率因數角。串聯電抗器的電抗率依據電網諧波狀況選取，僅用于限制投切涌流時，電抗率取0.1%～1.0%。

該TSC補償裝置主電路結構可滿足井場電網無功補償需求，具有較高的可靠性和經濟性。

2 控制器的硬件設計

對井場電網進行動態無功補償需要實時獲得電網的一系列參數，包括電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、電流與電壓之間的相位差等。本控制器采用高精度計量芯片ATT7022E來采集這些參數，并將所采集到的各參數的實際值存放在相應的存儲空間里。當需要某個參數值時，只需查找相對應的地址就可以讀到所需參數值。通過對ATT7022E進行軟、硬件校表，可以獲得很高的測量精度。由于ATT7022E承擔了復雜的有功無功檢測運算[7]，因此高性價比的單片機足以勝任主控芯片的一系列任務。本設計的控制器采用單片機GD32F103RCT6作為主控芯片。GD32F103RCT6是一種高速高效率的ARM單片機，工作主頻108 MHz，內部集成了SPI和USART等標準通訊模塊。本設計中投切控制模塊具有過零檢測和晶閘管觸發驅動雙重功能。從單片機輸至投切控制模塊的控制量僅為開關量，這顯然簡化了系統的軟件設計。該控制器結構框圖如圖2所示。

圖2 無功補償控制器原理示意

2.1 數據采集模塊

本設計中數據采集模塊的核心為高精度三相有功無功電能專用計量芯片ATT7022E。電壓和電流的采樣均采用互感器測量方式，該方式保證了控制器和電網的電氣隔離。互感器二次側電壓、電流信號經過信號調理電路后送入ATT7022E的模數轉換器。ATT7022E在1 000∶1的動態范圍內有功測量滿足1級、無功測量滿足2級，電流和電壓的有效值測量精度優于0.5%。此外，ATT7022E可準確測量到含21次諧波的有功、無功和視在功率，可見該芯片在電網狀況較差時仍可正常工作。通過SPI通信模塊，ATT7022E將各測量值送入主控芯片，這樣既能提高測量精度又能降低主控芯片的成本。ATT7022E與信號調理電路的連接如圖3所示。

圖3 ATT7022E與信號調理電路連接示意

2.2 投切控制模塊

本文設計的投切控制模塊原理如圖4所示，由電壓過零檢測、信號隔離、觸發時刻確定、調制脈沖產生、脈沖隔離放大等5個單元構成。對無功補償裝置中TSC支路最重要的一項要求是電流無沖擊投切，因此投切控制非常關鍵。目前普遍采用的投切控制方式為晶閘管兩端電壓過零時刻觸發晶閘管。在TSC支路中，US為系統電壓，U1為晶閘管兩端電壓。電壓過零檢測單元實時檢測U1并以此作為電容器支路投入的判據之一。當主控芯片發出“投入”信號時，觸發時刻確定單元會在U1過零時刻傳遞信號至調制脈沖產生單元。調制脈沖產生單元會產生特定頻率和脈寬的一系列脈沖（調制脈沖），該調制脈沖經過脈沖隔離放大單元隔離放大后觸發晶閘管，使其導通從而投入電容器支路。該投切控制模塊采用高性能的模擬電路，一方面提高了系統的響應速度，另一方面增強了系統的抗電磁干擾能力。

圖4 投切控制模塊原理示意

2.3 故障檢測模塊

故障檢測模塊時刻采集各TSC支路的運行信號，一旦發生異常立即傳送相應故障代碼至主控芯片。TSC支路的運行信號由支路的電流信號和晶閘管組的溫度信號組成。故障檢測模塊分別通過互感器和熱敏電阻取支路的電流信號和晶閘管組的溫度信號。該模塊設定超閾值報警機制，電流超上限表明支路過電流，電流超下限表明支路斷路，溫度超上限表明晶閘管組過熱。控制器依據故障檢測模塊傳來的故障代碼做出相應動作（強行切除故障TSC組）并發出警報。

2.4 人機接口模塊與通信模塊

人機接口模塊包括鍵盤輸入和顯示兩個部分。鍵盤用于各參數值的設定和各電容器組的容量值輸入。OLED屏動態分屏顯示電網實時運行狀況、控制器運行狀況以及各TSC組故障狀況等信息。其中，電網實時運行狀況信息包括電壓、電流、功率因數、有功功率和無功功率等。

GD32F103RCT6內置增強型通用異步收發器（USART），USART與外置SPE3485芯片組成通信模塊。該模塊通過RS-485總線可實現遠程通信，其傳輸距離可達1 200 m，最高傳輸速率達56 bit/s。

3 控制器的軟件設計

由于電網各參數可從ATT7022E中直接讀出，A/D轉換及有功無功運算等環節無需主控CPU參與，這在降低主控CPU成本的同時也簡化了整體的軟件設計。因此，探求一種效果最佳的電容器投切控制策略成為本文軟件設計的核心問題。本設計采用的投切控制策略由兩個環節組成，首先依據井場電網狀況決策電容器的投切，其次是依據電容器分組方式和運行歷史保證投切的最優化。第一個環節基于模糊控制理論，輸入量為電網電壓和功率因數，它解決電容器是否投切的問題[8]；第二個環節采用循環查表方法，輸出量為某電容器組的投切信號，它解決投切哪組電容器效果最佳的問題。

3.1 模糊控制子程序設計

本設計中模糊控制規律是系統電壓值、功率因數的二維函數，這樣可以在保證功率因數達標的同時兼顧電壓。取自ATT7022E的電壓v0、功率因數cosΦ0都是確切的數值，因此需要將其轉化為模糊集。模糊控制的輸出變量C表示電容器的投切狀態，C的取值為0、1和-1三種，分別表示不動作、投入一組和切除一組電容器。在論域V上定義模糊集：V偏低、V正常、V偏高；同樣在論域cosΦ上定義模糊集：cosΦ偏低、cosΦ正常、cosΦ偏高。模糊控制規則庫由運行經驗總結得來的模糊控制規則累積而成。電壓和功率因數的隸屬度函數均采用升梯形、降梯形和梯形。模糊控制子程序流程如圖5所示。

圖5 模糊控制子程序流程

其中輸入量v、cosΦ的論域和模糊集的定義需要參照用戶所設定電壓、功率因數的上下限。電容器投切控制量C控制電容器投切狀態，本設計中采用逐級投切的方法，即每次只投入一組或切除一組電容器。

3.2 循環查表投切管理子程序設計

本設計利用數據庫思想，編制了包含所有電容器組信息的狀態表。通過“查詢→更改→查詢”模式控制器高效管理全部電容器組的投切過程。在控制器上電運行之初用戶需要將主電路中各組電容器容量值（kVAR）通過人機界面輸入，這樣電容器組狀態表就建立起來，初始狀態如表1所示。

表1 電容器組初始狀態

循環查表投切管理子程序流程如圖6所示。控制量C的值由模糊控制子程序得出。狀態標識M由狀態表中各運行狀態項求和得到，M=n說明已投入全部電容器組，此時應禁止投入動作；M=0說明已切除全部電容器組，此時應禁止切除動作。為了防止欠補償或過補償，本程序設計中引入無功功率作為投切管理的判據之一。

圖6 循環查表投切管理子程序流程

某組電容器投入或切除的適合度An或Bn由加權算式得出，即：

式中：QL、QC分別為需要補償和過補償的無功量，QCn是某電容器組的容量，Ns是全部電容器組的歷史投切次數之和，Nn是某電容器組的歷史投切次數，α、β分別是容量項、次數項的權，α+β=1。將式（2）、式（3）得出的值An、Bn排序，最小值對應的電容器組即為最佳投入選擇或最佳切除選擇。

4 模擬試驗

無功補償試驗在控制器樣機開發完成后借助電動鉆機模擬平臺[9]進行。主電路中并聯電容器采取等容量分組方式，每組50 kVAR，共5組。試驗結果如圖7所示，圖7（a）、（b）分別為TSC投運前、后電能質量分析儀記錄的各電網參數。

圖7 TSC投運前、后電網各參數對比

分析儀記錄圖形顯示，補償前的功率因數為0.69，當投入TSC后功率因數提高到0.99。在有功消耗不變的情況下，補償前的系統視在功率為244 kVA，補償后的系統視在功率為172 kVA，減少系統容量72 kVA，同時明顯改善電流波形。補償過程中沒有出現過補償、欠補償以及投切振蕩等問題。

5 結束語

本文設計的井場電網無功補償控制器具有適用性強、硬件結構簡單以及可靠性高等特點。采用ATT7022E專用計量芯片測量井場電網運行參數，在保證了測量精度的同時降低了系統對CPU的要求。在投切控制策略上，首先依據模糊控制進行投切決策，避免出現過補償、欠補償和投切振蕩；然后采用循環查表法優化投切過程，使得并聯電容器的分組方式任意并且投運機會均等。該控制器適用于電動鉆機井場電網的無功功率補償，對改善井場電網功率因數、降低網損具有良好的效果，對于促進降本增效具有積極意義。