楊 晨 趙 波 江東流 周 佳 邵 樺

（1.中國(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司第四咨詢?cè)O(shè)計(jì)所，上海 200031； （2.江蘇安科瑞制造有限公司，江蘇 江陰 214400）

常規(guī)的無(wú)功補(bǔ)償控制器只能實(shí)現(xiàn)共補(bǔ)，而實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)往往是三相不平衡負(fù)載，故需要針對(duì)某一相進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，即分補(bǔ)償。常規(guī)控制器普遍采用一種編碼方式，即等電容循環(huán)投切，電網(wǎng)所要補(bǔ)償?shù)娜菪詿o(wú)功功率的數(shù)值往往是連續(xù)的不分等級(jí)，單只電容器容量可能過(guò)大，造成過(guò)或欠補(bǔ)，補(bǔ)償精度欠佳。為了解決上述問題，因此本文介紹了一種以ARM 為核心，研制的一款高性價(jià)比的ARC 低壓無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器。

1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)現(xiàn)有市場(chǎng)上的低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器的功能特點(diǎn)及實(shí)際需求，確定ARC 低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器包括如下要求：

1）控制器輸出電路采用編碼工作方式。

2）控制器取樣物理量采用以基波無(wú)功功率為主，基波功率因數(shù)為輔作為投切依據(jù)。

3）采用FFT 實(shí)現(xiàn)無(wú)功的精準(zhǔn)計(jì)算。

4）采用混合補(bǔ)償（三相共補(bǔ)、單相分補(bǔ)）方式，分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

5）基本保護(hù)功能：過(guò)電壓、欠電壓、欠流、斷相、電壓過(guò)畸變、溫度保護(hù)等保護(hù)功能。

6）基本測(cè)量功能和通信功能：電壓、電流、頻率、有功功率、無(wú)功功率、電壓畸變率、功率因數(shù)、溫度等基本測(cè)量功能，RS485 通信接口，采用Modbus 通信協(xié)議。

7）安裝方式采用導(dǎo)軌和嵌入式安裝。

8）電磁兼容符合以下標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 17626.2—2006、GB/T 17626.4—2008、GB/T 17626.5—2008。

以上要求符合JB/T9663 標(biāo)準(zhǔn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品功能，經(jīng)過(guò)方案論證，設(shè)計(jì)出ARC 低壓無(wú)功功率補(bǔ)償控制器功能圖如圖1所示，包括電源電路，三相交流電壓電流采樣電路，測(cè)頻電路，溫度采集電路，按鍵輸入電路，報(bào)警輸出電路，開關(guān)量輸出電路，LED 顯示電路，CPU，485 通信電路。這里重點(diǎn)介紹電壓采樣電路、測(cè)頻電路和通信電路。

圖1 ARC 低壓無(wú)功功率補(bǔ)償控制器功能圖

2.1 電壓和頻率采樣電路

電壓和頻率采樣電路如圖2所示，電壓信號(hào)UA經(jīng)電阻分壓，信號(hào)處理后，UAO直接進(jìn)入CPU，實(shí)現(xiàn)電壓采樣。UAO經(jīng)過(guò)RC 濾波，再經(jīng)過(guò)遲滯比較器，可生成同頻率的基波方波FRE，實(shí)現(xiàn)頻率的采樣。圖3是7 次THD15% 50Hz 的UAO的電壓波形，圖4是經(jīng)過(guò)RC 濾波之后的UAO1電壓波形，這就保證了進(jìn)入遲滯比較器的波形是基波波形。

頻率采樣有硬件和軟件測(cè)頻，軟件測(cè)頻算法復(fù)雜，計(jì)算量大，精度不高，硬件測(cè)頻計(jì)算量小，精度高。該硬件測(cè)頻電路的優(yōu)勢(shì)是：①實(shí)現(xiàn)測(cè)頻率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電壓采樣；②減少CPU 的運(yùn)算；③泄漏誤差小于基波幅值的0.02%，滿足FFT 分析處理諧波時(shí)的精度要求。

圖2 電壓和頻率采樣電路

圖3 7 次THD15% 50Hz 的電壓波形

圖4 RC 濾波之后的50Hz 電壓波形

2.2 通信電路

ARC具有通信功能，硬件采用RS485 通信接口。RS485 通信電路中采用硬件自動(dòng)控制收發(fā)電路，不用單片機(jī)進(jìn)行控制,可以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，為滿足工頻耐壓要求制作PCB 時(shí)要做好隔離措施。通信電路如圖5所示。一路485 通信電路可以將實(shí)時(shí)電參數(shù)上傳到監(jiān)控中心，便于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備觀察，另一路485 通信電路做子母機(jī)擴(kuò)展使用，通過(guò)主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)從機(jī)的控制。

圖5 通信電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品的主程序包括數(shù)據(jù)采集、FFT 計(jì)算、電容投切、基本保護(hù)、顯示程序、按鍵處理、人機(jī)交互、通信等子程序。各部分程序采用模塊化設(shè)計(jì)，便于維護(hù)。這里主要介紹基于FFT 的無(wú)功測(cè)量算法和電容投切。

3.1 基于FFT 的無(wú)功測(cè)量算法

無(wú)功補(bǔ)償中常用的無(wú)功功率測(cè)量算法有：快速傅里葉變換（FFT）測(cè)量法，F(xiàn)FT 算法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，但存在著計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)性不好的缺點(diǎn)；另一種是實(shí)時(shí)性好的數(shù)字移相測(cè)量法，但此算法在測(cè)量信號(hào)含有諧波時(shí)測(cè)量誤差較大[1]。本文采用ARM 進(jìn)行FFT 運(yùn)算，利用ARM 處理器的快速性解決了實(shí)時(shí)性不好的問題，同時(shí)對(duì)電參量進(jìn)行實(shí)時(shí)地檢測(cè)和處理，可以達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖罴研Ч?/p>

這種算法是通過(guò)對(duì) 點(diǎn)的時(shí)間序列f(n)的逐步分解而得到F(k)。對(duì)電壓、電流分別采樣N個(gè)數(shù)值，構(gòu)成兩個(gè)數(shù)組，送去進(jìn)行FFT 運(yùn)算，分別進(jìn)行倒位序，蝶形運(yùn)算得到基波電壓、基波電流幅值的實(shí)部和虛部[2-4]?？紤]到ARM 的運(yùn)算速率，本系統(tǒng)每個(gè)周期采樣64 個(gè)點(diǎn)送去FFT 運(yùn)算，單次算法計(jì)算時(shí)間為80ms，可滿足需要。根據(jù)以上得到的運(yùn)算結(jié)果，如表1所示。

表1 FFT 計(jì)算結(jié)果

（續(xù)）

3.2 電容投切

電容器投切流程圖如圖6所示?？紤]到電網(wǎng)三相無(wú)功功率不平衡，本文研制的控制器需實(shí)現(xiàn)混合補(bǔ)償，以FFT 計(jì)算出來(lái)的基波功率因數(shù)和基波無(wú)功功率的大小作為電容器投切依據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)處于過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)流、電壓諧波過(guò)畸變等保護(hù)狀態(tài)時(shí)，控制器不投入電容，已投入的電容會(huì)依次切除。以下是補(bǔ)償容量的計(jì)算公式。

補(bǔ)償容量計(jì)算公式：

電容投入判斷：ΔQ＞α×Q1，cosθ＜cosθ1

電容切除判斷：ΔQ＞β×Q1，cosθ＞cosθ2

式中，ΔQ為電網(wǎng)需要補(bǔ)償?shù)幕o(wú)功容量；cosθ1為投入功率因數(shù)；cosθ2為切除功率因數(shù)；cosθ是當(dāng)前電網(wǎng)功率因數(shù)；Q1為第一路電容器的容量，0.6≤α≤2.5，0.6≤β≤2.5。

圖6 電容器投切流程圖

對(duì)于為了適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)載大小變化而進(jìn)行電容器容量大小搭配的做法稱為輸出編碼，它應(yīng)符合一定的規(guī)則，本控制器提供了12 種電容容量比例大小搭配，即配置12 種不同容量比例的電容器組合。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電容大小比例，選擇其中一種編碼方式，控制器會(huì)自動(dòng)計(jì)算電網(wǎng)無(wú)功缺額，投入或切除電容器，不存在投切震蕩問題，補(bǔ)償效果好。

4 應(yīng)用實(shí)例

某冶金車間變配電室供電系統(tǒng)為10kV 供電，其中容量為800kVA 的10/0.4kV 變壓器一臺(tái)，變壓器的負(fù)載率在65%左右，主要負(fù)載為交流電動(dòng)機(jī)（感性負(fù)載），總體的功率因數(shù)在0.5 左右，電網(wǎng)諧波主要是5 次和7 次諧波。

根據(jù)上述電網(wǎng)參數(shù)的特點(diǎn)我們確定補(bǔ)償總?cè)萘繛?75kVA，濾波電抗器選擇電抗率是7%的電抗器，投入門限設(shè)為0.9，切除門限設(shè)為0.98，共補(bǔ)4 路，編碼方式是1.1.2.4，共補(bǔ)容量：25kvar，25kvar，50kvar，100kvar；分補(bǔ)3 路，編碼方式是1.2.2，分補(bǔ)容量：5kvar，10kvar，10kvar。ARC 可自動(dòng)完成電容器的投切，投切穩(wěn)定，沒有投切震蕩。

安裝本控制器后，電流降低40A，電網(wǎng)功率因數(shù)從0.5 提高到0.95，電費(fèi)從12000 元/月，降低到8000 元/月，達(dá)到了節(jié)電的目的。

5 結(jié)論

本文介紹的以ARM 為核心，以基波功率因數(shù)和基波無(wú)功功率為電容投切依據(jù)的ARC 低壓無(wú)功功率補(bǔ)償控制器，補(bǔ)償精度高，投切穩(wěn)定無(wú)投切震蕩，具有過(guò)電壓、欠電壓、欠流、斷相、電壓過(guò)畸變、溫度保護(hù)等保護(hù)和報(bào)警功能，提高了補(bǔ)償電容器的使用壽命。ARC 支持嵌入式和導(dǎo)軌式安裝，而且具備完善的網(wǎng)絡(luò)通信功能，廣泛適用于石油、電力、煤礦、化工、造紙以及民用建筑等領(lǐng)域。

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