發布日期：2022-04-22 點擊率：158
電力系統無功功率的平衡是電能質量的重要保證。在電力系統0.4kV低壓電網中，采用無功補償的方法來提高功率因數，減少無功損耗，是改善供電質量、減少損耗、提高設備利用率的重要手段之一。目前低壓無功補償裝置多采用MCU作為主處理器，通過A/D采樣電網的電壓、電流參數，實時計算電網的無功功率、無功電流或功率因數，根據相應的控制策略來控制電容器組的投切，實現對電網的無功補償。這類控制器由于A/D采樣精度不高，計算量較大，對CPU計算性能要求高，軟硬件設計復雜且難度大，無功補償精度低，系統響應時間比較長等，通常只能用于對無功補償動態響應速度要求不高的場合。鑒于此，本文提出一種基于專用電能計量芯片+MCU的新型動態無功補償控制器。
1 控制器工作原理及硬件設計
實現高精度的無功補償的前提是能夠準確的測量電網的運行參數，包括對有功功率、無功功率、能量、電網的功率因數、諧波狀況等參數的采集和測量。利用ATT7022A電能計量芯片可以得到這些參數的精確值，并且簡化了軟件的設計。在控制策略上，許多無功補償控制器以功率因數作為投切判據(實際上功率因數的高低并不能直接反映無功缺額的大小)，極易造成在某些情況下頻繁誤動。若采用無功電流判據，這比僅用功率因數作判據好些，但也不夠完善。本設計采用無功缺額作為主判據，以功率因數和電壓作為輔助判據的綜合判據，通過執行機構實現補償電容器的循環投切，對無功補償電容的控制更加合理。本文選用ATT7022A電能計量芯片搭配8位單片機ATMGAME168的設計方案，可以完成對電網運行參數及時精確地測量，實現自動無功補償。
1.1 的結構及性能介紹
ATT7022A是一顆高精度三相電能專用計量芯片，具有l6位A/D轉換精度，內嵌有專用DSP電路，集成了6路二階sigma-delta ADC、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，并支持全數字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功頻率校驗輸出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。ATT7022A提供一個SPI接口，方便與外部控制器之間進行計量參數以及校表參數的傳遞。
圖2 電壓和電流的采樣輸入電路
控制單元：在綜合考慮單片機的穩定性、可靠性、經濟性的基礎上，選定AVR系列ATmegal28L單片機作為主控芯片。ATmegal28L是一款高性能低功耗的8位微處理器，采用RISC體系結構，有53個可編程的I/O口，2個可編程的USART口，128K字節系統可編程Flash和4K字節的EEPROM，同時支持片內調試，通過JTAG接口可以方便地對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位進行編程。ATmegal28L通過SPI總線接口實現與ATT7022的通信，完成校表數據的寫入和寄存器結果的讀出。
過零觸發模塊：控制單元通過對ATT7022的測量結果分析、判斷，決定是否進行無功補償，即電容器的投切，由于電容器兩端電壓不能突變，電網電壓和電容器電壓的差值較大時，觸發晶閘管會產生很大的電流沖擊，為了防止在投切電容器時的電流沖擊，必須在晶閘管兩端電壓為零時刻投切。所以選擇具有過零觸發能力的芯片控制電容器的投切，本控制器選用的是Motorola公司的MOC3083晶閘管。其外部連線如圖3所示。
圖3 雙向晶閘管過零觸發電路
數據存儲單元：FM24C64為64K位FRAM鐵電存儲器，其支持1012次寫入，用于保存系統的某些初始值，低壓電網運行參數的定時存儲，系統故障狀態的存儲等功能，以便監控主站隨時查閱歷史記錄。
2 控制器的軟件設計
低壓電網運行的各項參數可通過ATT7022采樣、計算得出，CPU不用進行A/D采樣數據的處理，這使CPU的運算量大大降低，并且大大簡化了軟件程序設計，使系統的運行更為精確、可靠。所以，軟件設計的重點主要是實現對從ATT7022所得到的各項參數的分析，依托合理的控制策略，進而實現更加合理、可靠地投切電容器和外圍接口電路的軟件設計等。
本裝置采用的電容器投切的控制策略是以無功缺額為主要判據，并結合功率因數與電壓的控制策略。分析電網是否過壓和欠壓，在保證電壓穩定的前提下，分析電網的無功功率，判斷功率因數，與設定值比較，決定是否投切電容器以及如何投切更加合理，最大可能的實現對無功功率的補償。
系統主程序流程圖中ATT7022的初始化，主要是系統的校準，它決定了電網參數測量的精確度，系統的校準包含相位補償設置、功率增益、相位校正、電壓/電流校正、啟動電流設置等。系統軟件主程序流程如圖4示。
圖4 系統主程序流程圖www.whtlhgdq.com
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