低壓無功功率補償控制器的設計及應用

楊 晨 趙 波 江東流 周 佳 邵 樺

（1.中國海誠工程科技股份有限公司第四咨詢設計所，上海 200031； （2.江蘇安科瑞制造有限公司，江蘇 江陰 214400）

常規的無功補償控制器只能實現共補，而實際工業現場往往是三相不平衡負載，故需要針對某一相進行無功補償，即分補償。常規控制器普遍采用一種編碼方式，即等電容循環投切，電網所要補償的容性無功功率的數值往往是連續的不分等級，單只電容器容量可能過大，造成過或欠補，補償精度欠佳。為了解決上述問題，因此本文介紹了一種以ARM 為核心，研制的一款高性價比的ARC 低壓無功功率自動補償控制器。

1 設計要求

根據現有市場上的低壓無功補償控制器的功能特點及實際需求，確定ARC 低壓無功補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功功率為主，基波功率因數為輔作為投切依據。

3）采用FFT 實現無功的精準計算。

4）采用混合補償（三相共補、單相分補）方式，分為靜態和動態補償。

5）基本保護功能：過電壓、欠電壓、欠流、斷相、電壓過畸變、溫度保護等保護功能。

6）基本測量功能和通信功能：電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、電壓畸變率、功率因數、溫度等基本測量功能，RS485 通信接口，采用Modbus 通信協議。

7）安裝方式采用導軌和嵌入式安裝。

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

以上要求符合JB/T9663 標準。

2 硬件設計

根據產品功能，經過方案論證，設計出ARC 低壓無功功率補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，測頻電路，溫度采集電路，按鍵輸入電路，報警輸出電路，開關量輸出電路，LED 顯示電路，CPU，485 通信電路。這里重點介紹電壓采樣電路、測頻電路和通信電路。

圖1 ARC 低壓無功功率補償控制器功能圖

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UA經電阻分壓，信號處理后，UAO直接進入CPU，實現電壓采樣。UAO經過RC 濾波，再經過遲滯比較器，可生成同頻率的基波方波FRE，實現頻率的采樣。圖3是7 次THD15% 50Hz 的UAO的電壓波形，圖4是經過RC 濾波之后的UAO1電壓波形，這就保證了進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頻，軟件測頻算法復雜，計算量大，精度不高，硬件測頻計算量小，精度高。該硬件測頻電路的優勢是：①實現測頻率的同時，實現電壓采樣；②減少CPU 的運算；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控制收發電路，不用單片機進行控制,可以減輕單片機的負擔，為滿足工頻耐壓要求制作PCB 時要做好隔離措施。通信電路如圖5所示。一路485 通信電路可以將實時電參數上傳到監控中心，便于對現場設備觀察，另一路485 通信電路做子母機擴展使用，通過主機實現對從機的控制。

圖5 通信電路

3 軟件設計

本產品的主程序包括數據采集、FFT 計算、電容投切、基本保護、顯示程序、按鍵處理、人機交互、通信等子程序。各部分程序采用模塊化設計，便于維護。這里主要介紹基于FFT 的無功測量算法和電容投切。

3.1 基于FFT 的無功測量算法

無功補償中常用的無功功率測量算法有：快速傅里葉變換（FFT）測量法，FFT 算法的優點是測量精度高，但存在著計算量較大，實時性不好的缺點；另一種是實時性好的數字移相測量法，但此算法在測量信號含有諧波時測量誤差較大[1]。本文采用ARM 進行FFT 運算，利用ARM 處理器的快速性解決了實時性不好的問題，同時對電參量進行實時地檢測和處理，可以達到無功補償的最佳效果。

這種算法是通過對 點的時間序列f(n)的逐步分解而得到F(k)。對電壓、電流分別采樣N個數值，構成兩個數組，送去進行FFT 運算，分別進行倒位序，蝶形運算得到基波電壓、基波電流幅值的實部和虛部[2-4]。考慮到ARM 的運算速率，本系統每個周期采樣64 個點送去FFT 運算，單次算法計算時間為80ms，可滿足需要。根據以上得到的運算結果，如表1所示。

表1 FFT 計算結果

（續）

3.2 電容投切

電容器投切流程圖如圖6所示。考慮到電網三相無功功率不平衡，本文研制的控制器需實現混合補償，以FFT 計算出來的基波功率因數和基波無功功率的大小作為電容器投切依據。當系統處于過電壓、欠電壓、過流、電壓諧波過畸變等保護狀態時，控制器不投入電容，已投入的電容會依次切除。以下是補償容量的計算公式。

補償容量計算公式：

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為電網需要補償的基波無功容量；cosθ1為投入功率因數；cosθ2為切除功率因數；cosθ是當前電網功率因數；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

對于為了適應電網負載大小變化而進行電容器容量大小搭配的做法稱為輸出編碼，它應符合一定的規則，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。根據現場電容大小比例，選擇其中一種編碼方式，控制器會自動計算電網無功缺額，投入或切除電容器，不存在投切震蕩問題，補償效果好。

4 應用實例

某冶金車間變配電室供電系統為10kV 供電，其中容量為800kVA 的10/0.4kV 變壓器一臺，變壓器的負載率在65%左右，主要負載為交流電動機（感性負載），總體的功率因數在0.5 左右，電網諧波主要是5 次和7 次諧波。

根據上述電網參數的特點我們確定補償總容量為275kVA，濾波電抗器選擇電抗率是7%的電抗器，投入門限設為0.9，切除門限設為0.98，共補4 路，編碼方式是1.1.2.4，共補容量：25kvar，25kvar，50kvar，100kvar；分補3 路，編碼方式是1.2.2，分補容量：5kvar，10kvar，10kvar。ARC 可自動完成電容器的投切，投切穩定，沒有投切震蕩。

安裝本控制器后，電流降低40A，電網功率因數從0.5 提高到0.95，電費從12000 元/月，降低到8000 元/月，達到了節電的目的。

5 結論

本文介紹的以ARM 為核心，以基波功率因數和基波無功功率為電容投切依據的ARC 低壓無功功率補償控制器，補償精度高，投切穩定無投切震蕩，具有過電壓、欠電壓、欠流、斷相、電壓過畸變、溫度保護等保護和報警功能，提高了補償電容器的使用壽命。ARC 支持嵌入式和導軌式安裝，而且具備完善的網絡通信功能，廣泛適用于石油、電力、煤礦、化工、造紙以及民用建筑等領域。

[1] 陳嘯晴,粟梅.幾種無功功率測量算法的仿真比較[J].廣東技術師范學院學報,2008(12): 25-28.

[2] 孫曙光,牛麗麗,杜太行.基于RS485 總線的功率因數分布式補償系統設計[J].電測與儀表,2014(15): 8-12.

[3] 田小林,王建華.無功補償控制器中數據采集及FFT 算法處理[J].儀表技術與傳感器,2004(4): 34-36.

[4] 張立,丘東元,張波.基于DSP 的高壓動態無功補償控制器設計[J].電力自動化設備,2010,30(3): 121-125.

[5] 任致程,周中.電力電測數字儀表原理與應用指南[M].北京: 中國電力出版社,2007.