智能無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)

1、工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱：智能無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì) 智能無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)用電量的急劇增加，大量低功率因素的負(fù)荷接入電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)形成的巨大挑戰(zhàn)。而且現(xiàn)在用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，同時(shí)也為了電網(wǎng)的安全運(yùn)行，需要平衡無(wú)功負(fù)荷功率。在低壓供電系統(tǒng)中，低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置的功能就是向感性負(fù)載設(shè)備就近提供無(wú)功功率，低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器是無(wú)功補(bǔ)償裝置的核心，采用檢測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，減少了運(yùn)算量，提高電網(wǎng)參數(shù)辨識(shí)的精度，并可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。控制器以MCU處理器為控制核心，采用功率因數(shù)控制方式來(lái)檢測(cè)電壓電流并計(jì)算出功率因數(shù)、無(wú)功功率，按照一定的控制規(guī)律投切電容器組，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。本文首先介紹

2、無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹?，再詳?xì)介紹基于STM32F103RBT6和ATT7022E的無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償、控制器、功率因數(shù)、STM32F103RBT6、ATT7022E一、引言 電力是我國(guó)的主要二次能源，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)電降耗，減少生產(chǎn)成本是企業(yè)追逐的目標(biāo)。但是電力系統(tǒng)中先天性的存在著大量的無(wú)功負(fù)荷，這些無(wú)功負(fù)荷來(lái)自電力線路、電力變壓器以及用戶的用電設(shè)備。系統(tǒng)運(yùn)行中大量的無(wú)功功率將降低系統(tǒng)的功率因數(shù)，增大線路電壓損失和電能損失，嚴(yán)重影響著電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，解決這些問(wèn)題的一個(gè)有效途徑就是進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。功率因數(shù)的提高，不僅能提高供電設(shè)備的供電能力，而且可以降低電力系統(tǒng)的電壓損

3、失，減少電壓波動(dòng)，改善電能質(zhì)量，降低電能損耗，從而節(jié)省電力提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 同時(shí)，在現(xiàn)代電力企業(yè)中，功率因數(shù)是考核配電網(wǎng)運(yùn)行的重要指標(biāo)。為達(dá)到考核指標(biāo)，必須結(jié)合本地區(qū)的具體情況，進(jìn)行無(wú)功的規(guī)劃,其規(guī)劃的目的是：(1)保證規(guī)劃地區(qū)的無(wú)功平衡，維持電力系統(tǒng)的無(wú)功穩(wěn)定。(2)提高地區(qū)電網(wǎng)電壓的質(zhì)量，使地區(qū)電網(wǎng)無(wú)功、電壓優(yōu)化運(yùn)行。(3)提高功率因數(shù)、改善地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量，提高電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。(4)合理確定無(wú)功補(bǔ)償方式、無(wú)功補(bǔ)償容量、無(wú)功補(bǔ)償?shù)陌惭b地點(diǎn)使補(bǔ)償效果最佳。電網(wǎng)中的用電負(fù)荷絕大部分是感性負(fù)荷，比如生活中常見(jiàn)的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器等，所以為了電網(wǎng)的合理運(yùn)行需要對(duì)電網(wǎng)補(bǔ)償一定容量的無(wú)功功率

4、。因?yàn)檠a(bǔ)償一定的無(wú)功功率可以提高功率因數(shù)，減少線路損耗電量，提高用電效率等。無(wú)功補(bǔ)償方式比較多，常見(jiàn)的有調(diào)相機(jī)、電力電容器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器等。本文注重介紹智能無(wú)功補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)，涉及到軟件與硬件設(shè)計(jì)。為了取得比較好的無(wú)功補(bǔ)償效果，需要準(zhǔn)確地測(cè)量電網(wǎng)的參數(shù)：每一相的電壓、電流。因?yàn)樯婕暗接泄β?、無(wú)功功率、功率因數(shù)等的計(jì)算，因此我們采用了高精度電能計(jì)量芯片ATT7022E對(duì)采集到的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行處理，得到我們所需要的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等結(jié)果。而主控芯片則采用STM32F103RBT6。二、無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?電力網(wǎng)中的變壓器和電動(dòng)機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的。磁場(chǎng)所具有的磁場(chǎng)能是由電源

5、供給的。電動(dòng)機(jī)和變壓器在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中建立交變磁場(chǎng),在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率稱為感性無(wú)功功率。接在交流電網(wǎng)中的電容器，在一個(gè)周期內(nèi)上半周的充電功率與下半周的放電功率相等，這種充電功率叫做容性無(wú)功功率。所以無(wú)功功率被使用于建立磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)，它存儲(chǔ)于電感和電容中，通過(guò)電力網(wǎng)往返于電源和電感、電容之間。無(wú)功功率在電力網(wǎng)元件中流動(dòng)，將會(huì)在電力網(wǎng)元件中引起電壓損耗和功率損耗，降低電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，增加電網(wǎng)的線損率。 將電容器和電感并聯(lián)在同一電路中，電感吸收能量時(shí)，電容器釋放能量而電感放出能量時(shí)，電容器吸收能量。因此能量就只在它們之間交換，即感性負(fù)荷電動(dòng)機(jī)、變壓器等所吸收的無(wú)功功率，

6、可由電容器所輸出的無(wú)功功率中得到補(bǔ)償。因此把由電容器組成的裝置稱為無(wú)功補(bǔ)償裝置。無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔煤驮砣鐖D2-1所示。圖 2-1 設(shè)電感性負(fù)荷需要從電源吸取的無(wú)功功率為Q，裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置后，補(bǔ)償無(wú)功功率為，使電源輸出的無(wú)功功率減少為，功率因數(shù)由提高到，視在功率S減少到。 視在功率的減少可相應(yīng)減少供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設(shè)備的投資。電力網(wǎng)絡(luò)除了要提供有功功率P外，還要承擔(dān)負(fù)荷所需要的無(wú)功功率Q。有功功率P與無(wú)功功率Q、視在功率S之間存在下面關(guān)系：被定義為功率因數(shù)，其物理意義是供給線路的有功功率P占線路視在功率S的百分比。在實(shí)際的電網(wǎng)中，我們希望功率因素越大越好。而我們搞無(wú)功補(bǔ)償?shù)?/p>

7、結(jié)果就是要提高功率因素，提高功率因素有幾大意義：1、改善設(shè)備的利用率功率因素還可以表示為其中U為線電壓、單位為KV；I為線電流，單位為A。根據(jù)式可知在一定的電壓和電流下，提高，其輸出功率增大。因此改善功率因素是充分發(fā)揮設(shè)備潛力，提高設(shè)備利用率的有效方法。2、提高功率因素可以減少電壓損耗圖 2-2由電力網(wǎng)的等值電路圖2-2可知，電力網(wǎng)由于無(wú)功負(fù)荷而帶來(lái)的電壓損耗的計(jì)算公式為： 式中：為電力網(wǎng)的額定電壓；為元件的末端電壓；為電網(wǎng)中電壓與電流的相位角；分別為電力網(wǎng)中元件的等效電阻和等效電抗；為元件末端的有功負(fù)荷和無(wú)功負(fù)荷。3、減少線路損耗當(dāng)線路流過(guò)電流I時(shí)，線路的有功損耗其中無(wú)功功率在電網(wǎng)中流動(dòng)而引

8、起的有功線損的計(jì)算公式為：線路的有功損耗與成反比，越高越小。4、提高電力網(wǎng)的傳輸能力視在功率與有功功率存在如下關(guān)系可見(jiàn)，在傳送一定的有功功率P的條件下，越高，S越小。三、無(wú)功補(bǔ)償方法本智能無(wú)功補(bǔ)償控制器主要用于低壓系統(tǒng)。低壓電網(wǎng)一般處于電網(wǎng)的末端，因此補(bǔ)償?shù)蛪簾o(wú)功負(fù)荷是電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。作好低壓補(bǔ)償，不但可以減輕上一級(jí)電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)膲毫?，而且可以提高用戶配電變壓器的利用率，改善用戶功率因?shù)和電壓質(zhì)量，并有效降低電能損失，減少用戶電費(fèi)。因而電壓補(bǔ)償對(duì)用戶和供電部門(mén)均有利。低壓無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡,通常采用的方式有三種隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償三種方法。3.1 隨機(jī)補(bǔ)償 隨機(jī)補(bǔ)償就是將低

9、壓電容器組與電動(dòng)機(jī)并聯(lián),通過(guò)控制、保護(hù)裝置與電動(dòng)機(jī)共同投切。隨機(jī)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停止運(yùn)行時(shí)，補(bǔ)償裝置也退出，不需要頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量。具有投資少，配置靈活，維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。為防止電動(dòng)機(jī)退出運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生自激過(guò)電壓，補(bǔ)償容量一般應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的空載無(wú)功負(fù)荷，通常推薦式中為額定電壓；為電動(dòng)機(jī)空載電流；為補(bǔ)償電容器容量對(duì)于排灌電動(dòng)機(jī)等所帶機(jī)械負(fù)荷軸慣性大的電動(dòng)機(jī)，補(bǔ)償容量可適當(dāng)增大， 可大于電動(dòng)機(jī)空載無(wú)功負(fù)荷，但要小于額定無(wú)功負(fù)荷。由于排灌電動(dòng)機(jī)總是在帶有水泵機(jī)械負(fù)載的情況下斷電，這時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將急劇下降，即使補(bǔ)償容量略大于電動(dòng)機(jī)空在無(wú)功負(fù)荷，也不會(huì)產(chǎn)生自激過(guò)電壓。一般電動(dòng)

10、機(jī)的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)大于，選用隨機(jī)補(bǔ)償比其他方式更經(jīng)濟(jì)。用戶的補(bǔ)償投資可在一年內(nèi)全部收回，補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)無(wú)功負(fù)荷效果更佳。3.2 隨器補(bǔ)償隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過(guò)低壓保險(xiǎn)接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無(wú)功的補(bǔ)償方式。農(nóng)網(wǎng)配電變壓器，尤其是綜合用戶配電變壓器，普遍存在負(fù)荷輕和“大馬拉小車”現(xiàn)象。在負(fù)荷低時(shí)接近空載，配電變壓器的空載無(wú)功是電網(wǎng)無(wú)功負(fù)荷的主要部分。對(duì)于輕負(fù)載配電變壓器而言，這部分損耗占供電量的比例較大，導(dǎo)致電費(fèi)單價(jià)增高。由于隨器補(bǔ)償在低壓側(cè)，故而接線簡(jiǎn)單，維護(hù)管理方便，且可以有效地補(bǔ)償配電變壓器空載無(wú)功，使該部分無(wú)功就地平衡，從而提高配電變壓器的利用率，降低無(wú)功網(wǎng)耗，是目前補(bǔ)

11、償配電變壓器無(wú)功的有效手段之一。3.3 跟蹤補(bǔ)償是指以無(wú)功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況將低壓電容器組補(bǔ)償在用戶配電變壓器低壓側(cè)的補(bǔ)償方式。補(bǔ)償電容器組的固定連接組可起到跟隨器補(bǔ)償?shù)淖饔?，補(bǔ)償用戶自身的無(wú)功基荷；投切電容器組用于補(bǔ)償無(wú)功峰荷部分?？紤]到電動(dòng)機(jī)投運(yùn)的不同時(shí)率和單臺(tái)電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償容量的限制等因素，采用跟蹤補(bǔ)償比隨機(jī)、隨器補(bǔ)償能獲得更好的補(bǔ)償效果，而且不需要提高補(bǔ)償度，并可適當(dāng)調(diào)整各組電容器的運(yùn)行時(shí)間，使其壽命相對(duì)延長(zhǎng)，從而降低電器的購(gòu)置更新費(fèi)用。跟蹤補(bǔ)償投切方式分為自動(dòng)投切和手動(dòng)投切兩種。手動(dòng)投切通過(guò)人工投切各組電容器，達(dá)到改變補(bǔ)償容量的作用，該方法適用于時(shí)間上呈一定規(guī)

12、律變化的負(fù)荷。由于用戶負(fù)荷有一定的波動(dòng)性，采用人工手動(dòng)投切補(bǔ)償電容不能及時(shí)跟隨無(wú)功負(fù)荷的變化，不能始終保持功率因數(shù)和電壓質(zhì)量所要求的指標(biāo)，使電容補(bǔ)償達(dá)不到應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益。因此，誕生了與無(wú)功補(bǔ)償電容配套的自動(dòng)投切裝置。自動(dòng)投切是微電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，控制器根據(jù)測(cè)得的電力參數(shù)，計(jì)算出當(dāng)前電網(wǎng)所需的無(wú)功補(bǔ)償量，并輸出指令來(lái)控制電容器組的投切，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)哪康?。四、智能無(wú)功補(bǔ)償控制器的硬件設(shè)計(jì)4.1 電能計(jì)量芯片本智能無(wú)功補(bǔ)償控制器采用的電能計(jì)量芯片為ATT7022E，該芯片集成了七路二階sigma-delta ADC，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于三相電流采樣，還有一路可用于零線電流采

13、樣，適用于三相三線和三相四線。芯片還集成了參考電壓以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)及頻率測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理電路，能夠測(cè)量各相以及合相得有功功率、無(wú)功功率、視在功率等。圖 4-14.2 主控芯片本控制器使用STM32F103RBT6作為主控芯片。STM32F103RBT6是一款基于高性能ARMCor-tex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位微控制器，配備2個(gè)16通道的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，3個(gè)16位定時(shí)器，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72MHz。在中斷方面，內(nèi)嵌的中斷控制器有43個(gè)可屏蔽中斷通道，采用尾鏈技術(shù)的中斷處理（降至6個(gè)CPU周期）；在通信接口方面，高達(dá)9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通信接口；兩個(gè)I2C接口、兩個(gè)SPI接口、三個(gè)U

14、SART接口、一個(gè)CAN接口、一個(gè)USB2.0全速接口。芯片接口電路圖如下：圖 4-24.3 控制器的工作原理首先，我們需要采集電網(wǎng)上三相的每一相的電流、電壓，將采集的電流電壓通過(guò)互感器轉(zhuǎn)換為微電流信號(hào)，微電流信號(hào)通過(guò)電能計(jì)量芯片ATT7022E的計(jì)算處理就能夠得出我們需要的結(jié)果。得到的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)通過(guò)主控芯片STM32F103RBT6的處理，判斷是否需要對(duì)線路進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，同時(shí)與STM32F103RBT6相連的還有RS485通訊接口、程序下載接口、AT24C256儲(chǔ)存模塊。圖 4-34.4 智能無(wú)功補(bǔ)償控制器的原理接線路與PCB板圖 4-4五、智能無(wú)功補(bǔ)償控制器的軟件設(shè)計(jì)控制

15、器的軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，主要由主程序、電能計(jì)量芯片接口程序、電容投切控制程序、人機(jī)界面程序和通訊程序組成。5.1 主程序設(shè)計(jì)主程序主要包括系統(tǒng)初始化和主循環(huán)程序兩部分組成，程序流程圖如下：圖 5-15.2 電能計(jì)量芯片接口程序設(shè)計(jì)電能芯片接口程序首先對(duì)進(jìn)行初始化，初始化完成后向?qū)懭胄１韰?shù)，等待釆樣完成，最后讀取并計(jì)算各個(gè)計(jì)量值。如圖5-2所示：圖 5-2電能芯片的初始化包括設(shè)置電能芯片的工作模式、ADC增益、波形采樣頻率、功率和電能計(jì)量方式、波形緩沖數(shù)據(jù)源和模擬模塊等。在初始化完成后，判斷ATT7022E是否完成釆樣，如果完成釆樣，讀取相應(yīng)計(jì)量寄存器的值進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)包括功率增益校準(zhǔn)、

16、相位校準(zhǔn)和電壓、電流有效值校準(zhǔn)。寫(xiě)入校準(zhǔn)參數(shù)后，ATT7022E會(huì)重新開(kāi)始釆樣，等釆樣完成后，就可以讀取各個(gè)計(jì)量寄存器的值，并計(jì)算最終的測(cè)量參數(shù)。5.3 電容投切控制程序設(shè)計(jì)電容投切控制程序主要根據(jù)線路的無(wú)功功率和功率因數(shù)判定電容器是否投切，并輸出控制命令，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償功能。圖 5-35.4 人機(jī)界面程序設(shè)計(jì) 人機(jī)界面程序主要是指液晶屏與按鍵的程序設(shè)計(jì)。根據(jù)按鍵的要求，在液晶屏上顯示出各種信息。5.5 通訊程序設(shè)計(jì) 本智能無(wú)功補(bǔ)償控制器的通信包括兩部分：一部分為電能計(jì)量芯片與主控芯片STM32F103RBT6之間的通訊；一部分為控制器與其他設(shè)備通訊的485通訊接口。圖 5-4 程序首先判斷上位機(jī)是否發(fā)送新的數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有新數(shù)據(jù)到達(dá)，程