基于STC12C5A60S2和ATT7026A无功补偿控制器设计 - 全文

　　无功补偿控制器是无功补偿装置的核心部件，具有举足轻重的地位，大部分无功补偿装置的生产厂家都是买来控制器然后自行装配整机，具有设计制造控制器能力的厂家不多，能够设计制造出性能优异的控制器的厂家更是凤毛麟角。

　　电容器投切的无功补偿方式

　　在电容器投切的无功补偿方式中，一般采用共补、分补、共补—分补相结合的方式。 而在补偿方式中电容 器分组的方法比较灵活多变，但是，考虑到系统控制复杂度以及经济实用等 问题， 本文采用 8421 编码规律将电容器容量分组进行补偿， 选择容量倍增的电容器予以编号，经过不同组合可以使容量级数大大增多 。 例如 4台电容器， 容量分别为 10 μF、20 μF、40 μF、80μF， 经过组合可以实现 10 μF、20 μF、30 μF、40μF、50 μF、60 μF、70 μF、80 μF、90 μF、100 μF、110 μF、120 μF、130 μF、140 μF、150 μF 等电容值。 当控制器通过电 能专用计量 芯片读出线 路功率因数 并判断是否需要对线路进行补偿时，就会发出相应的投切电容器指令，一步到位，快速准确。 本文主要采用的电容器投切补偿电气原理

　　如图 1 所示。

　　

　　系统硬件设计

　　在投切电容器之前要精 确地测量出 电网的运行情况，包括电压、电流、无功功率、有功功率、视在功率、电压与电流之间的相位差、电网的功率因数等参数。 本控制器采用智能芯片 ATT7026A来采集这些参数，并且将采集到的实际测量参数值存放在相应的存储空间里，当需要某个参数值时，只需查找相对应的地址就可以读到所要的参数值，使得测量的准确度提高很多，而且软件程序的设计也随之变得简单很多，所用的主控制芯片也不至于很昂贵，在达到补偿效果的同时也减少 了 投 资 成 本 ， 所以本控制单元采用单片机STC12C5A60S2 作为主控芯片，它有与计量芯片ATT7026A 相接的 SPI 总线。 该控制结构框图如图 2 所示。

　　

　　测量模块单元

　　在实验中电网电压、电流经过互感器 LCTV31CE 和 LCTA2DCC 后，将信号电压和电流送到ATT7026A 上。 然后经过计算将所得的数据存到相应的地址中，等待单片机的命令。 这样就使得功 率 因 数 无 需 在 系 统 软 件 中 用 算 法 算 出，不 仅节省了 CPU 空间，还提高了采样数据的精度，从而提高了无功补偿的精度。 ATT7026A 有 SPI 接口，方便与外部控制器相连，并且进行计量参数的 传递， 所有计 量参数都 可以通过 SPI 接口读出。 当程序首次开始运行时，从 ATT7026A 芯片计 算 相 位 角 到 单 片 机 动 作 响 应 的 时 间 为 0.7 s如图 3 所示。

　　

　　由波形图可以看出，从电压动作到单片机采样得到功率因数角之间的时间差将近 700 ms。 这样得到的投切命令有些延时，通过修正软件的程序不会影响投切电容命令的准时发出，达到投切电 容 量 的 要 求。 其 中 实 验 的 三 相 主 电 路 用 R=18.2 Ω 的电阻和 L=64 mH 的电感串联来模拟电机负载，经过 ATT7026A 芯片采集计算后的电压值、电流值与示波器测得的实际电压值、电流值见表 1 和表 2。

　　由表1可知，实际电压值与用ATT7026A芯片采集计算所得电压值的绝对误差平均值为0.21V，由表2可知，实际电流值与用ATT7026A芯片采集计算所得电流值的绝对误差平均值为0.044A，都在可以接受的范围之内，可见在本控制器设计中ATT7026A起着重要的作用。

　

　　投切控制单元

　　以单片机 STC12C5A60S2 作为控制器，它的CPU 通过对 ATT7026A 的测量结果分析、判断来确定是否进行无功补偿，即通过电容器的投切及对电容状态输入部分的判断来确定应投入补偿的支路。 由于电容器的两端电压不能发生突变，所以，当电网电压和电容器电压的差值较大时，触发晶闸管会产生很大的电流冲击，影响电容器的使用寿命。 抽象 1 组单相电容器组，由拉氏变换方程式

　　

　　将式（3）可以分为 3 部分，第 1 部分为稳态电流：Iam×cos（ωt+α），第 2 部分为电容的谐振冲击电流：n［U∞-n2×Um×sinα/（n2-1）］，第 3 部分为投切时刻电容器上的电流幅值：Iam×cosα×ωn t。 为避免出现冲击电流，就需要第 2 部分和第 3 部分都为零。所以，就需要保证投入时电容器的两端电压与电网电压值相同，过零投入。 通过对硬件电路的设计，在主回路的正向或负向电压驱动下，通过光耦来实现电压的零导通。 通过实验就得到了晶闸管过零触发前后电压波形，如图 4、5 所示。

　

　　由图 4 与图 5 对比可知，在晶闸管电压过零时投入电容，可避免损坏晶闸管。 所以，过零脉冲对系统投入电容器是必要的。

　　软件设计的实现

　　由于 电 网 运 行 参 数 可 直 接 通 过 ATT7026A采样、计算得出，所以单片机就无需 A/D 采样数据处理，可大大降低 CPU 的运算量，简化了软件程序设计因此，软件设计的核心工作就是如何分析电网参数以及如何可靠投切电容器组，进而达到无功功率的精确补偿。

　　软件设计流程

　　本 控 制 器 采 用 的 电 容 器 投 切 策 略 是：首先要 分 析 电 网 是 否 过 压 或 欠 压，在 保 证 电 压 稳 定的 前 提 下，通 过 对 电 网 实 际 的 功 率 因 数 与 补 偿后 希 望 得 到 功 率 因 数 设 定 值 进 行 比 较，决 定 是三 相 同 时 投 切 还 是 分 相 投 切，以 及 选 择 投 切 电容器容量 的大小。 软 件的主程序 流 程 图 如 图 6所示。

　

　　投切判断

　　由于此控制器是以功率 因数作为投 切判断的 依 据，所 以 本 实 验 所 设 定 的 功 率 因 数 值 范 围为 0.55~0.95，切除值设定为 0.95。 当测 量 值 大于切除 值，控 制 器 就 要 给 出 延 时 切 除 电 容 器 命令，按 电容器容量由小 到大的顺序 来切除;当测量 值 小 于 投 入 值 时，控 制 器 就 要 发 出 延 时 投 入电 容 器 命 令，按 大 容 量 电 容 器 到 小 容 量 电 容 器的顺序来将电容器投入到补偿线路上。 本实验 室 是 利 用 主 电 路 中 R=18.2 Ω 的 电 阻 和 L=64 mH 的电感串联来模拟电机负载， 其中在相电压有效值为 20 V 时电压与电流的波形图图 7所示， 投入电容之后电压与电流之间的相位差如图 8 所示。

　　从 图 7、8 可知，电 容 投 入 之 前 电 压 与 电 流之 间 的 相 位 差 为 45.84° ，功率 因 数 值 为 0.69。经 计 算 投 入 所 需 的 电 容 器 容 量 使 得 电 压 与 电流 之 间 的 相 位 差 缩 小 到 18.76°，功率 因 数 值 为0.9468，功 率 因 数 大 大 提 高 了 ，达 到 了 补 偿 的要 求。

　

　　该无功功率控制器硬件 结构简单、 可 靠性强、低功耗、高性能。 采用 ATT7026A 专用计量芯片测量电网 运行参数，从 而 降 低 了 对 CPU 的要求，精减了软件设计，保证了系统的稳定性及抗干扰性。 该控制器适用于低压配电网无功功率的补偿，对改善电网功率因数、降低电网损耗具有良好效果和广阔的市场前景与应用价值.