低压无功功率补偿控制器概述

　　概述
　　随着现代工业的发展，对电能质量的要求也越来越高。目前电力网中的电力负荷如感应式异步电动机、变压器等，大部分属于感性负载，在运行过程中需要向这些设备提供相应的无功功率，造成电网的功率因数偏低。在电网中安装并联电容器可以供给感性电抗消耗的部分无功功率，减少电网电源向感性负载提供的无功功率，以及减少无功功率在电网中的流动，从而降低输电线路因输送无功功率造成的输电损耗，改善电网的运行条件，因此无功功率补偿控制器一直有着广阔的应用市场。目前市场上该类产品较多，但大多数为低端产品，对电容组投切都基于功率因数或无功电流，而对于过压切除和欠流的处理相对比较粗糙，更不用说具有无功限制功能了;少数产品为产品，其功能强大但价格较高。因此，如果能开发出既具有产品的性能，同时又具有低端产品价格的补偿控制器，将有着重要的意义。本文所述的低压无功功率补偿控制器的主要功能有：
　　（1）相序自动识别。
　　（2）电压采样0.5级、电流采样和功率因数1级、符合行业标准。
　　（3）具有过压解除、欠流闭锁、无功限制功能。
　　（4）几乎所有参数都可键盘设定，如功率因数门限、投入延时、过压门限、欠流门限、过压加速切除时间、欠流时间、同组切投时间延时等。
　　工作原理
　　采样三相电中一相的电流（如A相）以及另外两相（如B、C相）电压之间的相位差，得到相应的功率因数;该功率因数与设定的投切门限（按标准功率因数滞后为0.95;超前为0.98）进行比较：若在门限内，则不予动作;若超出门限，则相应采取投切措施，力图保持功率因数在设定的限带内。在运行过程中若出现过压，则按设定时间加速切除，若欠流超出一定时间，则也予以加速切除;若无功小于一组电容的无功时，不予投入。由于对电压和电流都进行采样且满足一定的精度要求，因此过压解除和欠流闭锁以及无功限制可以处理得比较。
　　由于三相电的接线有各种不同的接法（共有12种），不同接法的功率因数计算和超前滞后的判断有所不同，因此针对不同接法相序的自动判别将很有意义，下面对其原理作一简单介绍：
　　设三相的电压分别为Ua、Ub、Uc，则它们的表达式可以表示如下：
　　Ua=Umsinωt
　　Ub=Umsin（ωt-120°）
　　Uc=Umsin（ωt-240°）
　　由此得：
　　Ub=Ub-Uc=3Umsin（ωt-90°）
　　若负载为纯阻性，则A相电流与电压同相，Ubc电压滞后A相电流90°;若A相负载为容性，假设A相电流超前电压α（0≤α≤90）角，则Ubc电压滞后A相电流90°+α;若A相负载为感性，假设A相电流滞后电压α（0≤α≤90）角，则Ubc电压滞后A相电流90°-α。在电路设计中，若把A相电流和Ubc电压的采样信号放大后经过过零比较器，即可得到反映相位的方波信号;检测两个方波信号上升沿的时间差，即可得到反映两者相位差的时间。假设线电压的两个相邻周期的上升沿的时间差为T（即周期），相电流与线电压的上升沿的时间差为τ，则α=|τ/T×360°-90°|。
　　由于三相有不同的接法，如何区分超前和滞后泥?我们可以参照上面方法，可以得到所有接法的情况，并且可以分成以下两种类型：
　　Ⅰ型：0≤τ 
　　Ⅱ型：3T/4≤τ 
　　由上分析，我们可以根据τ和T的关系，判断出该接法属于何种型式，从而判断是超前还是滞后，并算出超前滞后角α。
　　硬件设计
　　控制器的CPU采用ATMEL公司的89C52，硬件设计主要包括电源监视和掉电保护电路、键盘接口电路、LED显示电路、继电器输出电路、A/D采样电路以及信息处理部分。电源监视和掉电保护电路采用X25045芯片，该芯片接口电路简单，同时具备上电复位、电源监视、硬件看门狗电路的功能，而且还有512字节的flashrom，可以提供控制器设置参数的掉电保护功能;键盘接口、LED显示、继电器输出等电路比较简单，采用74LS245、74LS373以及CPU本身具有的一些I/O口线即可完成;A/D采用ADC0809芯片，因其只有8位精度，因此电压和电流信号放大到±5 V的范围，然后采用采样半波的方式即可满足电压采样0.5级的精度要求;信号处理部分见图。
　　相电流通过互感器得到初始信号IS。IS首先通过低通滤波，然后进行放大得到-5～5 V的信号。该信号通过过零比较，得到标准的方波信号Fi。用Fi作为控制信号，使IS的正半周送至A/D采样芯片进行采样，这样可以用较小的代价获得较高的精度。US的处理过程与IS一模一样，这样可以保证电路对两者的影响*一样而不至于影响功率因数的精度。为了尽可能减少硬件成本，直接把Fu和Fi送到80C52的中断引脚X0和X1，通过软件编程按照前面原理所示直接判断超前或滞后，并计算超前滞后角。
　　软件设计
　　控制器的软件设计主要包括初始化模块、键盘处理模块、A/D采样模块、显示模块、时钟调度模块、控制模块、自检模块等。除了自检模块，几乎所有模块都有时钟调度模块进行管理，下面我们对时钟调度模块作一详细介绍。
　　低压无功补偿控制器几乎所有的操作都基于时钟，我们把操作称之为任务，这样时钟调度也就变为任务调度。整个时钟调度模块的程序流程见图2。
　　由于控制器速度要求不是很高，因此在程序流程上可以处理得比较简单。主程序循环只作一些简单处理，如硬件的自检、参数标志的检查、一些关键状态位的校验等工作。几乎所有关键的任务都放到时钟调度程序中按顺序执行。占用时间不多的A/D采样在每次时钟中断中都予以执行，而其它任务则在时间到（本控制器取0.5s）时才执行一次。由于众多任务的执行需占用较多时间，为了不影响A/D的采样，在主任务的执行时采用中断假返回的技术进行处理，即释放中断资源，程序流程进入主任务处理，主任务处理完后，需清理中断的堆栈同时以RET返回主程序。对于其它程序模块，限于篇幅，在这里不一一介绍，下面就如何提高采样精度作一简单说明。
　　电压和电流的采样精度直接关系到功率因数控制器的性能，为此，我们对软硬件都采取了一些措施，主要有：（1）对电压和电流的处理电路保证一模一样，以防止采样电路对功率因数的影响;（2）对电压和电流实现过零比较转化为方波，使波形的畸变对功率因数的采样几乎无任何影响;（3）直接采样波形的周期，消除电网周期的波动对功率因数的影响;（4）用16位定时器来测量周期和相位差，再通过一定的补偿措施和滤波算法，使功率因数的测量达到相当的地步;（5）电压和电流的采样值经过滤波算法，然后用均方根计算其有效值，可以较大程度消除波形畸变对采样精度的影响，从而使采样精度达到设计要求。
　　结论
　　该控制器严格按照电力作业标准DL/T597-1996的规定设计，所有性能指标都满足设计要求。适用于交流50Hz、额定电压400 V及以下配电系统中自动控制并联电力电容器的投切，可以显著改善电网的功率因数，能和绝大多数低压无功补偿电容柜（屏）配套使用。与同类产品相比，具有功能强、精度高、设置灵活、性能可靠、价格便宜的特点，在性价比上具有较大的优势，将有广阔的市场前景。