王順平,張振國,辛利斌,封繼軍,劉　冬

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海　200093)

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基于PIC單片機(jī)的無功補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

王順平,張振國,辛利斌,封繼軍,劉冬

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

摘要無功功率是保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的重要指標(biāo),根據(jù)無功補(bǔ)償器控制策略的不同。文中以PIC32MX764F128H單片機(jī)為核心,將無功功率作為主投切判據(jù),設(shè)計(jì)了一種可根據(jù)負(fù)荷變化,通過控制晶閘管投切電容器組,實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)無功功率動態(tài)調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器。通過Simulink搭建仿真模型,試驗(yàn)結(jié)果表明,該補(bǔ)償器的軟、硬件設(shè)計(jì)合理,運(yùn)行安全、可靠,能達(dá)到無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)的要求。

關(guān)鍵詞單片機(jī);無功補(bǔ)償;晶閘管投切電容器組

無功功率對供電系統(tǒng)的運(yùn)行十分重要,電網(wǎng)的無功狀況是衡量電網(wǎng)運(yùn)行水平的重要指標(biāo)之一[1]。隨著電網(wǎng)中低壓用電設(shè)備數(shù)量越來越多,同時(shí)人們對供電的可靠性和供電質(zhì)量提出了更高的要求[2]。提高電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量的方法主要有兩個(gè):一是對電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)水平不斷改進(jìn)和提高,使電氣設(shè)備在使用過程中對電網(wǎng)的運(yùn)行造成的污染盡可能的小或?yàn)榱?二是在向用戶進(jìn)行供電的同時(shí),對電能直接進(jìn)行治理,例如對運(yùn)行中的電力系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償無功功率、治理諧波等[3]。

本文介紹了以美國Microchip公司的PIC32MX764F128H單片機(jī)為控制核心,設(shè)計(jì)了一種動態(tài)無功補(bǔ)償器。通過檢測系統(tǒng)的有功、無功功率、有功能量和無功能量等電網(wǎng)參數(shù),為無功補(bǔ)償提供準(zhǔn)確的電網(wǎng)數(shù)據(jù),控制電容器組的合理投切,實(shí)現(xiàn)無功功率的動態(tài)補(bǔ)償。

1無功補(bǔ)償器硬件結(jié)構(gòu)

無功補(bǔ)償器的總體結(jié)構(gòu)包括電網(wǎng)參數(shù)檢測模塊、控制模塊、電源模塊和外圍輔助模塊等組成,如圖1所示。

圖1　無功補(bǔ)償器硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1PIC32MX764F128H及其最小系統(tǒng)

PIC32MX764F128H是Microchip公司的一款Flash單片機(jī)[4]。PIC32MX764F128H的基本功能特性有:額定工 作 溫度可以達(dá)到105 ℃;工作電壓范圍為2.3～3.6 V;具有最大512 kB的閃存和128 kB的SRAM;工作頻率最高可達(dá)80 MHz,多種時(shí)鐘模式供用戶選擇;豐富的中斷源,協(xié)調(diào)外圍設(shè)備模塊與CPU之間的交互工作;6個(gè)輸入/輸出端口,分別為RB(16位)、RC(4位)、RD(12位)、RE(8位)、RF(6位)、RG(6位),共有51位;單周期(MAC)32×16 和雙周期32×32 乘法;3個(gè)多功能定時(shí)器,既可作為定時(shí)器和計(jì)數(shù)器,還可與CCP功能模塊配合使用;以及USB 2.0和串行通信外設(shè);集成多種串行數(shù)據(jù)傳送方式,包括通用同步/異步收發(fā)器(USART)模塊和主同步串口(MSSP)模塊;提供各種通用和專用的外設(shè),包括以太網(wǎng)、CAN、USB主設(shè)備;具有多種復(fù)位模式,包括上電復(fù)位、上電延時(shí)定時(shí)器、WDT復(fù)位、欠壓復(fù)位和起振延時(shí)定時(shí)器;提供一種在線串行編程功能,通過簡單的6線接口即可實(shí)現(xiàn)對芯片的編程與調(diào)試。外加時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路,構(gòu)成PIC單片機(jī)的最小系統(tǒng)。

1.2電網(wǎng)參數(shù)檢測模塊

電網(wǎng)參數(shù)檢測模塊采用了一款多功能高精度三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022E,該芯片具有信號采樣和參數(shù)計(jì)算的功能,測得的結(jié)果將以24位數(shù)據(jù)、補(bǔ)碼形式存放在內(nèi)部寄存器中。集成了7路二階Sigma-delta ADC,其中3路用于三相電壓采樣,3路用于三相電流采樣,還有1路可用于零線電流采樣,適用于三相三線和三相四線應(yīng)用[5]。還集成了參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)及頻率測量的數(shù)字信號處理電路,能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率,同時(shí)還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)。

1.2.1電壓檢測

電壓互感器SPT204A,其實(shí)際上是一款毫安級精密電流互感器,輸入額定電流為2 mA,額定輸出電流為2 mA。最大電流通常為10 mA,可耐沖擊電流為100 mA×1 s,精度<1%。采用差分輸入方式,如圖2所示。

圖2　電壓采樣采用差分方式輸入

在電壓采樣電路中,首先并聯(lián)了一個(gè)壓敏電阻,防止電壓發(fā)生急劇變化,經(jīng)過300 kΩ的電阻將電網(wǎng)中的電壓信號轉(zhuǎn)換為2 mA范圍內(nèi)的電流信號,經(jīng)過2 mA/2 mA變比的互感器,轉(zhuǎn)換成弱電的電流信號,再經(jīng)過阻值合適的電阻將電流信號轉(zhuǎn)換成ATT7022E測量范圍內(nèi)的電壓信號,電路中1.2 kΩ的電阻和0.01 μF的電容組成了抗混疊濾波器,降低混疊頻率分量,之后信號就進(jìn)入到ATT7022E的電壓輸入通道V2P和V2N,這樣一相電壓信號就完成了采集。

1.2.2電流檢測

電流互感器SCT245AK,這是一款精密電流互感器,匝數(shù)比為1∶2 000,輸入額定電流5 A,輸出額定電流2.5 mA。采用差分輸入方式,如圖3所示。

圖3　電流采樣采用差分方式輸入

電流信號經(jīng)過5 A/2.5 mA的互感器轉(zhuǎn)換成小電流信號,由合適阻值的電阻轉(zhuǎn)換成ATT7022E測量范圍內(nèi)的電壓信號,再經(jīng)過抗混疊濾波器進(jìn)入到V1P和V1N電流通道引腳端,完成一相電流信號的采集。

1.3補(bǔ)償控制模塊

系統(tǒng)由控制模塊完成對電壓、電流信號的采樣、處理、計(jì)算后,根據(jù)控制方式和控制算法向執(zhí)行單元發(fā)出投切信號并進(jìn)行投切動作。PIC32MX764F128H單片機(jī)作為控制模塊的核心電路。信號處理利用Hilbert變換測量法對各次諧波均能準(zhǔn)確進(jìn)行90°移相,連續(xù)周期信號x(t)的Hilbert變換定義為

(1)

由式(1)可以得到單位沖擊響應(yīng)h(t)=1/x(t),Hilbert變換頻率特性為

(2)

(3)

即Hilbert變換器是幅頻特性為1的全通濾波器,當(dāng)信號經(jīng)過希爾伯特變換后,正頻率部分作-90°相移,而負(fù)頻率部分作+90°相移。

1.4電源模塊

在補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)中,電源模塊是重要的組成部分,能夠?yàn)橄到y(tǒng)中所有芯片和器件提供工作電壓。電線性電源在體積、重量、功耗等方面都比較大,不適合系統(tǒng)在體積和功率方面的要求。所以,本控制系統(tǒng)在電源方面采用開關(guān)穩(wěn)壓電源。

1.5補(bǔ)償控制策略

根據(jù)選擇的控制物理量的不同,補(bǔ)償控制方法可有多種多樣。在電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,根據(jù)控制物理量將低壓無功補(bǔ)償控制器分為四類:無功功率、無功電流、功率因數(shù)、復(fù)合型(按兩個(gè)及以上物理量組合)[6]。這些控制方法中,較為合理的補(bǔ)償均應(yīng)做到:充分利用補(bǔ)償設(shè)備盡量提高功率因數(shù);不發(fā)生過補(bǔ)償;無振蕩投切;無沖擊投切;反應(yīng)靈敏、迅速。設(shè)計(jì)中以無功功率作為主判據(jù)[7]。

無功功率控制方式是一種最直接的控制方法,把無功功率作為控制變量控制電容器組的投切,利用檢測裝置檢測出的公用電網(wǎng)的電壓、電流和功率因數(shù)等參數(shù),計(jì)算出無功功率的值,并推算出應(yīng)該投入或者切除的電容器的容量,選擇一種最接近但又不會出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)碾娙萜鹘M合方式,進(jìn)行充分補(bǔ)償。若應(yīng)投切的電容器的容量小于最小一組電容器容量,電容器的補(bǔ)償狀態(tài)保持不變。當(dāng)所需的電容容量大于或等于最小一組電容器容量時(shí),進(jìn)行電容器的投切[8-9]。

ΔQ的計(jì)算公式如下:假設(shè)補(bǔ)償器檢測到阻感性負(fù)荷當(dāng)前的功率因數(shù)為PF1,有功功率為P,無功功率為Q1,則

(4)

(5)

式中,XL=ωL。

假設(shè)設(shè)定目標(biāo)功率因數(shù)為PF2,無功功率為Q2此時(shí)系統(tǒng)有功功率仍為P,則

(6)

由此可計(jì)算出所需補(bǔ)償?shù)臒o功大小ΔQ為

ΔQ=Q2-Q1

(7)

補(bǔ)償器根據(jù)ΔQ值的大小來發(fā)出投切指令。為避免發(fā)生“投切振蕩”現(xiàn)象,在設(shè)置補(bǔ)償目標(biāo)的范圍時(shí),值要大于基本電容器的容量。在投切過程中,電網(wǎng)實(shí)際需要無功的容量從投入?yún)^(qū)或切除區(qū)投入或切除一組電容器后,落在穩(wěn)定區(qū)內(nèi),這就保持了補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性。無功功率控制方式如圖4所示。

圖4　無功功率控制方式

2軟件流程

PIC系列單片機(jī)有很多種開發(fā)環(huán)境,本設(shè)計(jì)選擇Microchip公司的Mplab IDE軟件,該開發(fā)環(huán)境能夠?qū)τ脩艟帉懙母呒壵Z言和匯編語言程序進(jìn)行編譯,生成可執(zhí)行代碼。對生成的代碼通過使用燒寫器和調(diào)試器Mplab ICD3進(jìn)行代碼的燒寫和調(diào)試。能夠觀察到芯片的運(yùn)行狀態(tài)和每個(gè)寄存器的當(dāng)前數(shù)值,還可控制代碼運(yùn)行,測試代碼的性能。

本設(shè)計(jì)運(yùn)用C語言編程,提高程序的可讀性,便于代碼的修改和優(yōu)化。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、顯示模塊4個(gè)部分。

(1)主程序模塊主要完成上電后系統(tǒng)各模塊的初始化就是對相關(guān)寄存器進(jìn)行配置,及主循環(huán)的等待中斷響應(yīng);

(2)數(shù)據(jù)采集模塊用于將經(jīng)電壓和電流互感器及A/D轉(zhuǎn)換電路處理后的電壓、電流的模擬信號通過PIC單片機(jī)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,為后續(xù)投切控制做準(zhǔn)備;

(3)控制模塊用于處理數(shù)據(jù),計(jì)算系統(tǒng)所需補(bǔ)償?shù)臒o功容量,優(yōu)化投切電容組動作的選擇;

(4)顯示模塊用于實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償器相關(guān)參數(shù)的動態(tài)顯示。在軟件編程時(shí),主要包括初始化屏幕、校對坐標(biāo)以及確定觸摸坐標(biāo)。

PIC32MX單片機(jī)產(chǎn)生中斷請求以響應(yīng)來自外設(shè)模塊的中斷事件。中斷模塊處于CPU邏輯之外,并且在將中斷事件預(yù)發(fā)送到CPU之前為其設(shè)置優(yōu)先級順序。在程序設(shè)計(jì)中,根據(jù)事件的優(yōu)先等級,綜合考慮中斷的分配,提高CPU的工作效率。程序設(shè)計(jì)主要流程如圖5所示。

圖5　程序設(shè)計(jì)主要流程圖

3試驗(yàn)結(jié)果

按上述設(shè)計(jì)思路,以Simulink為仿真環(huán)境,搭建仿真模型。選用阻、感性負(fù)載來模擬電網(wǎng)中感性無功功率的情況。試驗(yàn)的波形如圖6～圖7所示。

圖6　投入無功補(bǔ)償器前電壓電流波形

圖7 投入無功補(bǔ)償器后電壓電流波形

通過比較兩組波形圖可知,電網(wǎng)系統(tǒng)在投入無功補(bǔ)償器之前,感性負(fù)載使得電流相位滯后于電壓相位;投入無功補(bǔ)償器之后,系統(tǒng)電流與電壓相位基本一致,接近阻性負(fù)載狀態(tài),說明系統(tǒng)的感性無功得到了補(bǔ)償。

4結(jié)束語

針對無功補(bǔ)償器采用功率因數(shù)控制方式,由于功率因數(shù)是有功功率與視在功率的一個(gè)比值,并不能反映電網(wǎng)真正所需的無功功率大小的問題。設(shè)計(jì)了采用無功功率控制策略的控制系統(tǒng)。采用Microchip公司的PIC32MX764F128H作為控制核心,充分發(fā)揮PIC單片機(jī)運(yùn)算速度快、接口資源豐富、性價(jià)比高和在線調(diào)試的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)提供良好的人機(jī)交互,同時(shí)采用C語言模塊化的編程,將更加有利于系統(tǒng)移植以及產(chǎn)品的升級與推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]王兆安,楊君,劉進(jìn)軍,等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2]Guo Weifeng,Xu Dianguo,Wu Jian,et al.United system of TSC and SVG for reactive power compensation[C].Tokoyo:2010 2nd IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems(PEDG),2010.

[3]袁光明,張波,王丹,等.晶閘管投切電容的最佳編碼方式與最優(yōu)投切閾值的數(shù)學(xué)分析和應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,28(23):43-46.

[4]王大志,王克難,劉震.電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

[5]黃鶴松,劉奎,齊俊清,等.基于ATT7022B的多功能電能表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電測與儀表,2011,48(6):63-67.

[6]肖立軍,賀炳慶,伍世民,等,譯.靜止無功補(bǔ)償裝置[M].長沙:湖南大學(xué)出版社,1989.

[7]谷永剛,肖國春,裴云慶,等.晶閘管投切電容器(TSC)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電力電子技術(shù),2003,37(2):85-88.

[8]Yop Chung,Dong Junwon,Joong Moon Kim.Development of a network-based power quality diagnosis system[M].Electric Power Systems Research,2007,22(77):1086-1094.

[9]陸陽,劉晨芳,蘭才進(jìn).低壓配電網(wǎng)并聯(lián)電容器的無功補(bǔ)償優(yōu)化算法[J].電子科技,2013,26(5):115-116,121.

Design of Reactive Power Compensator Based on PIC

WANG Shunping,ZHANG Zhenguo,XIN Libin,FENG Jijun,LIU Dong

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractReactive power is an important indicator to ensure the safe and reliable operations of the power network.According to the different control strategies of the reactive power compensator,a power control system is designed with the PIC32MX764F128H single-chip microcomputer as the core and reactive power as the main criterion for switching to realize the dynamic adjustment of reactive power by controlling the thyristor switched capacitor.Simulink is used to build simulation model.Test results show that the compensator hardware and software design is reasonable and the system runs safely and reliably and meets the requirements of reactive power compensation design.

Keywordssingle chip microcomputer;reactive power compensation;thyristor switched capacitor

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.020

收稿日期:2015-09-14

基金項(xiàng)目:滬江基金資助項(xiàng)目(B1402/D1402)

作者簡介:王順平(1991—),男,碩士研究生。研究方向:電力電子與電力傳動。

中圖分類號TM714.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)05-071-04