单片机控制补偿

单片机控制补偿（共3篇）

单片机控制补偿 篇1

1 引言

近年来, 随着经济社会的快速发展以及人们生活水平的不断提高, 电能的需求量和供电的稳定性成为变电运行中的关键, 进而低压电力无功补偿问题也逐步成为电力部门普遍关注的核心问题。多年前曾用51系列单片机取得无功补偿单片机控制器成果, 集中分级补偿控制方式。但是在近些年来对51系列单片机控制的低压电力无功补偿系统分析过程中, 却发现了大量的问题, 有的甚至会威胁到电力系统的安全性稳定运行, 这不仅会影响到电网经济效益, 而且会对电力供应安全性和可靠性造成一定的影响。怎样才能优化低压电力无功补偿, 使配电网的可靠性得到保障, 是目前电力部门必须要面对的重大挑战。因此, 对低压电力无功补偿进行研究和分析, 对于保障电力系统的安全稳定运行有着积极的意义。

2 传统的低压无功自动补偿普遍存在的问题及分析

2.1 传统的低压无功自动补偿装置不能实现电容器的过温度、三相不平衡保护及检测

低压无功自动补偿装置电容器的温度情况能够反映出低压无功自动补偿装置的电压、谐波、环境温度和本身漏电等情况, 因此低压无功自动补偿装置的电容器过温度保护也应是使无功补偿设备的重要保护要求。传统的低压无功自动补偿装置除了不能实现电容器的过温度、三相不平衡保护外, 它也不能够检测电容器的三相工作电流, 以及实现对电子开关、交流接触器、电容器等元部件故障的自诊断。所以这样就会对现场故障确诊造成一定的困难, 对维护工作人员技术水准要求较高。

2.2 传统的低压无功自动补偿装置容量的可调整性较差

传统的低压无功自动补偿装置产品生产完成后, 若想对其容量进行调整 (尤其是增加其容量) 将是一件非常困难的事情。但许多场合, 低压无功补偿设备实际需要与配置容量均有较大偏差, 在以后建设低压配电无功优化控制系统时或者无功缺额有较大变化, 都需要对低压无功自动补偿装置的容量进行调整。

2.3 传统的低压无功自动补偿装置控制精度低, 电容器投切过程容易产生较大的涌流, 引起系统过电压

3 无功功率补偿方式的选择

无功功率补偿就是采用电容器产生超前的无功电流, 并且利用此电流来补偿电感性负载产生的滞后性的无功电流, 以此提高电网的功率因数, 降低供电变压器及输送线路的损耗, 改善供电环境。下面将分别介绍低压分组补偿、高压集中补偿、无功就地补偿以及变压器补偿的方法。

3.1 低压分组补偿

低压分组补偿即是根据各个用电部门的负荷中心, 而对其进行的局部无功补偿。它是将电容器组安装在用电单位变电所的高压或低压线路上, 使其无功电力被限制在一个较小的范围内, 以此来减小高压侧线路损耗和变压器损耗, 但对低压输配电网, 这种补偿方式却没有这那么有效。

3.2 集中补偿方式

作为一种专门为供电部门服务的补偿方式, 集中补偿就是在高压区域变电站内安装一批高压电容器, 以集中补偿本区域内的无功功率, 但集中补偿不能够减小用电单位内部的无功损耗。

3.3 无功就地补偿

无功就地补偿能够解决了上述两种补偿方式所带来的缺点, 即在感性负载附近安装电容器, 就地将无功电流限制在要求的范围内, 避免了无功电流在高、低电网上的流动。无功就地补偿是目前最有效的一种低压补偿方式。

3.4 变压器补偿方法

大变压器使用过程中, 有时会有小负荷的情况, 为消除变压器力率过小情况的出现, 应该从技术上采取一定的手段补偿其自身的无功损耗。如果在大变压器一次侧进行补偿, 会造成变压器利用率下降, 补偿投资较高。因此, 应在变压器二次侧进行自动补偿, 但若采用长期投入使用的手动固定补偿回路, 还须由工作人员认真分析计算, 合理选择补偿器件。综合以上述两方面的因素, 在变压器二次侧进行自动补偿的同时, 应该将取样点设置在变压器一次侧, 这样自动补偿装置就可以检测到变压器一次侧的无功参数, 有效的对负荷及变压器进行自动无功补偿。

4 基于MSP430单片机的智能低压无功补偿方案的实施

在实际工程当中, 因为电路特性具有很多不确定性, 为达到理想的补偿效果, 应实时跟踪电路特性的变化, 监测电压与电流的相位差角, 然后根据相位差角的大小决定补偿电容器的大小。

基于MSP430单片机的智能低压无功补偿即是以功率因数为辅助投切判据, 而以无功功率为主要投切判据的补偿设备。其工作原理就是根据高性能的计量芯片分析计算无功功率与有功功率的投切门限值, 然后进行分析比较, 计算出需要投切的电容器组容量, 完成精确的投切, 以此来改善传统的低压无功自动补偿装置的不足。

基于MSP430单片机的智能低压无功补偿装置包括硬件和软件两方面的设计。硬件方面, 控制器主要采用MSP430单片机搭建而成, 由CPU模块、存储模块、信号采样模块、输出控制模块、LED显示模块等模块部分组成。主要实现对系统电网信息的采集监测、无功补偿计算和电容器的投切控制等功能。软件方面, 主要采用准同步采样算法。

5 结束语

随着科学技术的快速发展, 低压无功补偿技术及其设备在数十年间也取得了非常大的进步, 尤其是51系列单片机控制的低压电力无功补偿。但是在近些年来对51系列单片机控制的低压电力无功补偿系统分析发现了一些问题, 因此, 低压电力电容器的智能化与低压无功补偿设备的变革迫在眉睫, 无功补偿方式的选择, 基于MSP430单片机低压无功补偿方案的分析与研究, 对于保障电力系统的可靠性具有一定的现实意义。

参考文献

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单片机控制补偿 篇2

感性负载在生产中的大量使用, 导致大量的无功功率在电网中流动, 从而导致电压不稳定以及电能浪费, 严重时还会造成设备损坏。无功功率对整个电力系统的稳定运行有着重要的影响, 对单片机无功功率的补偿装置进行合理的设置, 从而可以提高电力系统的运行稳定性。

1 无功功率

1.1 无功功率产生原因

交流电功率可分为无功功率和有功功率两种, 在电力系统当中, 有大量感性负荷, 例如:相控交流电力调节装置以及相控整流器等电子装置中都有大量的感性负载, 在有电流出现时就会形成交变磁场, 投入到运行过程中时, 基波电流的滞后电网电压, 都需要耗损大量的无功功率。

1.2 无功功率补偿原理

在电力系统当中, 把容性功率负荷设备和感性功率的负荷进行并联之后接入一个电路当中, 让能量能在不同负荷之间进行交换, 该情况下, 感性负荷需要无功功率就能从容性负荷的输出无功功率补偿中得到, 无功功率补偿的基本原理就是如此, 对其进行设计的同时一定要以此原理为依据。

1.3 无功功率造成的影响

在电力系统当中, 无功功率是有功功率的1.5倍左右, 对无功功率进行传输会使有功功率产生损耗, 功率因数由此降低, 传输的途径也会有很大压降产生, 该系统会出现诸多负面的影响:首先, 系统的无功功率不足, 线路末端的电压不断降低, 工作设备无法进行正常运行;其次, 电动机工作时的效率会相对的降低;最后, 系统总电流的增加导致电力系统中诸多元件的容量也随之增加, 与之同时增加的还有设备尺寸和设备规格, 投资的费用也跟着增加。

2 单片机无功功率装置的设计

2.1 控制方式选择

在控制方面, 一般都是通过多变量综合控制、无功功率控制、基于瞬时无功功率理论以及功率因数控制这样四种, 其中最为合理的补偿方法就是将补偿设备进行最大程度的利用, 从而将电网功率因数进行提高, 且避免过补偿的发生以及无投切振荡等现象。对多个方面的因素以及系统设计方面的需求进行综合性的考虑, 对功率因数控制方式采取措施, 通过电流过零时间差以及电网电压的测量, 与此同时, 过零时间差还能够对欠补偿以及过补偿进行准确的判断。

2.2 系统总设计和参数要求

在本次研究中, 设计出的无功功率补偿控制系统装置有低发热量、安全可靠、冲击小、无触点、不用维护以及过零投切等诸多特点, 能实现实时补偿、自动补偿等多项功能。系统将单片机作为主要控制核心, 设计为大功率的晶闸管电路, 从而使无功功率的自动补偿得以实现。核心的参数内容中包括了补偿之后的功率因数不小于0.95, 与此同时, 系统可以在20ms为一周期的交流电中, 对三相电流和三相电压进行≥100次的采样。

2.3 投切方式选择

在投切的方法方面, 主要的方式有这样几种:晶闸管反并联、二极管和晶闸管的反并联以及双向晶闸管这样三种。在上述提到的三种投切方式中, 双向晶闸管的投切方式, 它将其他两种投切方式的优点进行了有效的结合, 不仅能够对系统可以获得良好的安全稳定性以及可靠程度提供了有效的保障, 而且投入的设备数量少, 对其进行控制的难度也适中, 因此, 本次的研究中, 采用的投切方式就是双向晶闸管。

2.4 补偿方式选择

补偿的方式一般有三种, 分别为:单相补偿、三相共补、共补和分补进行有效的结合这样三种, 在设计之前, 对系统在设计方面的需求进行详细的分析和探讨。在本次的设计当中, 拟采用的补偿方式是三相共补的补偿方案, 该补偿方案与其他两种相比较, 显得较为简单, 并且控制较为容易, 同时, 还可以将硬件资源需要投入的成本进行有效的减少从而避免了欠补偿和过补偿现象的发生, 电容的容量可以得到节省补偿, 让整个电力系统具有十分良好的经济性。

2.5 软件系统设计

软件系统是单片机自动控制补偿装置中最为主要的灵魂部分和核心部分。设计出来的软件系统效果, 对整个电力系统的可控性以及稳定性都起到决定性的作用, 因此, 在设计方面, 还需要对软件系统中存在的功能进一步进行分析和探讨, 对软件系统在控制方面的策略以及系统设计方案进行详细的说明。首先, 软件系统要具有十分良好的实时性, 这也是软件系统在控制能力方面的判断标准;其次, 软件系统要具有十分良好的可靠性, 在该方面, 主要包括了运行过程中故障避免发生能力和故障发生后排除和解决的能力;最后软件系统要具有十分良好的可读性, 控制系统的程序采用模块化的形式进行设计。软件主程序设计图, 如图一所示。

2.6 硬件电路设计

根据电力系统在功能方面的要求以及核心技术方面的参数要求, 另外还有补偿方式、控制方式以及投切方式的有效选择方法, 这些都需要对系统的电路设计等诸多方面进行整体上的规划, 从而达到采用最优电路和最少部件来实现最经济、功能最好的电路设计目的。在相关方面, 需要进行解决的就是对软件设备和硬件设备的耦合度以及相关方面的关联性进行考虑, 同时, 对单元电路进行设计时力求合理简单, 选用先进的技术等。硬件系统结构设计图, 如图二所示。

3 结束语

对于整个电网的稳定运行以及安全性来说, 无功功率的补偿问题有着不言而喻的重要意义。传统中使用的相关装置设备在可靠性和安全性方面较差, 并且自动化的程度较低, 没有办法实现自动化的投切, 因此, 有效的设计出安全稳定的无功功率补偿装置是十分重要的一项工作研究。

参考文献

[1]陈玉燕, 范国伟, 刘一帆, 曹治敏.基于单片机控制的智能动态无功补偿装置设计[J].安徽工业大学学报 (自然科学版) .2011, (01) ;19-21.

单片机控制补偿 篇3

关键词：单片机,无功补偿,晶闸管投切电容器组

无功功率对供电系统的运行十分重要,电网的无功状况是衡量电网运行水平的重要指标之一[1]。随着电网中低压用电设备数量越来越多,同时人们对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求[2]。提高电力系统的供电质量的方法主要有两个: 一是对电气设备的设计水平不断改进和提高,使电气设备在使用过程中对电网的运行造成的污染尽可能的小或为零; 二是在向用户进行供电的同时,对电能直接进行治理,例如对运行中的电力系统进行补偿无功功率、治理谐波等[3]。

本文介绍了以美国Microchip公司的PIC32MX764F128H单片机为控制核心,设计了一种动态无功补偿器。通过检测系统的有功、无功功率、有功能量和无功能量等电网参数,为无功补偿提供准确的电网数据,控制电容器组的合理投切,实现无功功率的动态补偿。

1 无功补偿器硬件结构

无功补偿器的总体结构包括电网参数检测模块、控制模块、电源模块和外围辅助模块等组成,如图1所示。

1. 1 PIC32MX764F128H及其最小系统

PIC32MX764F128H是Microchip公司的一款Flash单片机[4]。PIC32MX764F128H的基本功能特性有: 额定工作温度可以达到105 ℃; 工作电压范围为2. 3 ~ 3. 6 V; 具有最大512 k B的闪存和128 k B的SRAM; 工作频率最高可达80 MHz,多种时钟模式供用户选择; 丰富的中断源,协调外围设备模块与CPU之间的交互工作; 6 个输入/输出端口,分别为RB ( 16位) 、RC( 4 位) 、RD( 12 位) 、RE( 8 位) 、RF( 6 位) 、RG( 6 位) ,共有51 位; 单周期( MAC) 32 × 16 和双周期32 × 32 乘法; 3 个多功能定时器,既可作为定时器和计数器,还可与CCP功能模块配合使用; 以及USB 2. 0和串行通信外设; 集成多种串行数据传送方式,包括通用同步/异步收发器( USART) 模块和主同步串口( MSSP) 模块; 提供各种通用和专用的外设,包括以太网、CAN、USB主设备; 具有多种复位模式,包括上电复位、上电延时定时器、WDT复位、欠压复位和起振延时定时器; 提供一种在线串行编程功能,通过简单的6 线接口即可实现对芯片的编程与调试。外加时钟电路、电源电路、复位电路,构成PIC单片机的最小系统。

1. 2 电网参数检测模块

电网参数检测模块采用了一款多功能高精度三相电能专用计量芯片ATT7022E,该芯片具有信号采样和参数计算的功能,测得的结果将以24 位数据、补码形式存放在内部寄存器中。集成了7 路二阶Sigma - delta ADC,其中3 路用于三相电压采样,3 路用于三相电流采样,还有1 路可用于零线电流采样,适用于三相三线和三相四线应用[5]。还集成了参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理电路,能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率,同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数。

1. 2. 1 电压检测

电压互感器SPT204A,其实际上是一款毫安级精密电流互感器,输入额定电流为2 m A,额定输出电流为2 m A。最大电流通常为10 m A,可耐冲击电流为100 m A × 1 s,精度< 1% 。采用差分输入方式,如图2所示。

在电压采样电路中,首先并联了一个压敏电阻,防止电压发生急剧变化,经过300 kΩ 的电阻将电网中的电压信号转换为2 m A范围内的电流信号,经过2 m A/2 m A变比的互感器,转换成弱电的电流信号,再经过阻值合适的电阻将电流信号转换成ATT7022E测量范围内的电压信号,电路中1. 2 kΩ 的电阻和0. 01 μF的电容组成了抗混叠滤波器,降低混叠频率分量,之后信号就进入到ATT7022E的电压输入通道V2P和V2N,这样一相电压信号就完成了采集。

1. 2. 2 电流检测

电流互感器SCT245AK,这是一款精密电流互感器,匝数比为1∶ 2 000,输入额定电流5 A,输出额定电流2. 5 m A。采用差分输入方式,如图3 所示。

电流信号经过5 A/2. 5 m A的互感器转换成小电流信号,由合适阻值的电阻转换成ATT7022E测量范围内的电压信号,再经过抗混叠滤波器进入到V1P和V1N电流通道引脚端,完成一相电流信号的采集。

1. 3 补偿控制模块

系统由控制模块完成对电压、电流信号的采样、处理、计算后,根据控制方式和控制算法向执行单元发出投切信号并进行投切动作。PIC32MX764F128H单片机作为控制模块的核心电路。信号处理利用Hilbert变换测量法对各次谐波均能准确进行90°移相,连续周期信号x( t) 的Hilbert变换定义为

由式( 1) 可以得到单位冲击响应h( t) = 1 /x( t) ,Hilbert变换频率特性为

记H( jω) = |H( jω) |ejφ( ω),当|H( jω)| = 1 时

即Hilbert变换器是幅频特性为1 的全通滤波器,当信号经过希尔伯特变换后,正频率部分作- 90°相移,而负频率部分作+ 90°相移。

1. 4 电源模块

在补偿器的设计中,电源模块是重要的组成部分,能够为系统中所有芯片和器件提供工作电压。电线性电源在体积、重量、功耗等方面都比较大,不适合系统在体积和功率方面的要求。所以,本控制系统在电源方面采用开关稳压电源。

1. 5 补偿控制策略

根据选择的控制物理量的不同,补偿控制方法可有多种多样。在电力行业标准中,根据控制物理量将低压无功补偿控制器分为四类: 无功功率、无功电流、功率因数、复合型( 按两个及以上物理量组合)[6]。这些控制方法中,较为合理的补偿均应做到: 充分利用补偿设备尽量提高功率因数; 不发生过补偿; 无振荡投切; 无冲击投切; 反应灵敏、迅速。设计中以无功功率作为主判据[7]。

无功功率控制方式是一种最直接的控制方法,把无功功率作为控制变量控制电容器组的投切,利用检测装置检测出的公用电网的电压、电流和功率因数等参数,计算出无功功率的值,并推算出应该投入或者切除的电容器的容量,选择一种最接近但又不会出现过补偿的电容器组合方式,进行充分补偿。若应投切的电容器的容量小于最小一组电容器容量,电容器的补偿状态保持不变。当所需的电容容量大于或等于最小一组电容器容量时,进行电容器的投切[8,9]。

ΔQ的计算公式如下: 假设补偿器检测到阻感性负荷当前的功率因数为PF1,有功功率为P,无功功率为Q1,则

式中,XL=ωL。

假设设定目标功率因数为PF2,无功功率为Q2此时系统有功功率仍为P,则

由此可计算出所需补偿的无功大小 ΔQ为

补偿器根据 ΔQ值的大小来发出投切指令。为避免发生“投切振荡”现象,在设置补偿目标的范围时,值要大于基本电容器的容量。在投切过程中,电网实际需要无功的容量从投入区或切除区投入或切除一组电容器后,落在稳定区内,这就保持了补偿的稳定性。无功功率控制方式如图4 所示。

2 软件流程

PIC系列单片机有很多种开发环境,本设计选择Microchip公司的Mplab IDE软件,该开发环境能够对用户编写的高级语言和汇编语言程序进行编译,生成可执行代码。对生成的代码通过使用烧写器和调试器Mplab ICD3 进行代码的烧写和调试。能够观察到芯片的运行状态和每个寄存器的当前数值,还可控制代码运行,测试代码的性能。

本设计运用C语言编程,提高程序的可读性,便于代码的修改和优化。系统软件设计主要包括主程序模块、数据采集模块、控制模块、显示模块4 个部分。

( 1) 主程序模块主要完成上电后系统各模块的初始化就是对相关寄存器进行配置,及主循环的等待中断响应;

( 2) 数据采集模块用于将经电压和电流互感器及A / D转换电路处理后的电压、电流的模拟信号通过PIC单片机转换为数字信号,为后续投切控制做准备;

( 3) 控制模块用于处理数据,计算系统所需补偿的无功容量,优化投切电容组动作的选择;

( 4) 显示模块用于实现无功补偿器相关参数的动态显示。在软件编程时,主要包括初始化屏幕、校对坐标以及确定触摸坐标。

PIC32MX单片机产生中断请求以响应来自外设模块的中断事件。中断模块处于CPU逻辑之外,并且在将中断事件预发送到CPU之前为其设置优先级顺序。在程序设计中,根据事件的优先等级,综合考虑中断的分配,提高CPU的工作效率。程序设计主要流程如图5 所示。

3 试验结果

按上述设计思路,以Simulink为仿真环境,搭建仿真模型。选用阻、感性负载来模拟电网中感性无功功率的情况。试验的波形如图6 ~ 图7 所示。

通过比较两组波形图可知,电网系统在投入无功补偿器之前,感性负载使得电流相位滞后于电压相位; 投入无功补偿器之后,系统电流与电压相位基本一致,接近阻性负载状态,说明系统的感性无功得到了补偿。

4 结束语

针对无功补偿器采用功率因数控制方式,由于功率因数是有功功率与视在功率的一个比值,并不能反映电网真正所需的无功功率大小的问题。设计了采用无功功率控制策略的控制系统。采用Microchip公司的PIC32MX764F128H作为控制核心,充分发挥PIC单片机运算速度快、接口资源丰富、性价比高和在线调试的优点,同时提供良好的人机交互,同时采用C语言模块化的编程,将更加有利于系统移植以及产品的升级与推广。

参考文献

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