浅析三相不平衡电流补偿控制器的设计与应用

浅析三相不平衡电流补偿控制器的设计与应用摘要：本文探讨了三相不平衡电流补偿控制器的设计，并分析研究了三相不平衡电流补偿控制器的应用。

关键词: 不平衡；补偿控制器，设计；应用
中图分类号：tm933文献标识码： a 文章编号：
1三相不平衡电流补偿控制器的设计
1.1控制器硬件设计
1.1.1 系统主控芯片freescale 56f807的功能
freescale 56800系列dsp是16位定点的dsp芯片，集实时信号处理能力和控制外设功能于一身，关键部分采用双哈佛结构，支持并行处理，在80mhz时钟频率下可达到40兆条指令/s(mips)的指令执行速度，jtag/once程序调试接口，允许在系统设计过程中随时进行调试，并可对软件进行实时调试。

1.1.2 硬件设计
硬件设计上从实际情况出发，采用点阵式的液晶显示器、全中文和图形化的界面，控制器内部的高精度实时时钟保证在断电的情况下正常走时 10年，交流电和电池两种供电模式能够保证在停电的情况下控制器正常工作 3~4个小时。

硬件电路主体分为三个部分：控制板、通讯板和驱动板。

控制板提供人机界面处理、读取实时时钟、校时、控制信号输出以及电容器智能控制等功能。

控制板提供人机界面处理、读取实时时钟、校时、控制信号输出以及电容器智能控制等功能，控制板原理框图见图1所示。

图1控制板电路原理框图
通信板提供对控制器远程控制的 gprs 模块，rs485 接口，以及本地的 rs232 接口，通信板原理框图见图2所示。

图2通信板电路原理框图
驱动板提供驱动输出，通过控制板的控制信号驱动智能复合开关，控制电容器组的投切。

驱动板的原理框图见图3所示。

图3驱动板电路原理框图
1.2电源电路设计
电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，但却往往被忽略。

如果电源系统处理得好，整个系统出现故障的概率就会降低最少50%。

设计电源系统时需认真权衡利弊，必须考虑如下因素：输出的电压，电流和功率；输入的电压，电流；安全因素；输出纹波；电磁兼容和电磁干扰；体积限制；功耗限制及成本限制。

1.3信号采集电路设计
电力参数的采样主要有直流采样法和交流采样法。

直流采样法采样的是整流变换后的直流量，软件设计简单，计算方便，但测量精度受整流电路的影响，调整困难。

交流采样法则是通过相应算法将由相关规律提取的信号瞬时值进行处理，从而获得被测量，因而较之直流采样法更易获得高精度、高稳定性的测量结果。

在硬件确定的情况下，交流采样法准确程度，同采样周期的选择、算法的选择有密切联系。

当然，在系统允许的情况下，采样周期越小，测量
结果越接近真实值。

同步采样法是目前较为常用的采样方法。

同步采样法是指信号周期 t、采样间隔 ts、采样点数 n 严格满足
t=n2ts。

当对有限带宽的周期信号 f(t)采样后的截断长度并不正好是信号周期的整数倍，也即所采集的 n 个等间隔的时域样本点不能正好落在 m 个被测信号的整周期内，这时将有泄漏效应产生。

同步采样技术能使等间隔的 n 个采样点总是保持落在 m 个被测
信号周期之内，有效地控制泄漏，从而有效地提高了系统的精度。

1.4控制器软件设计
软件代码采用c语言和dsp芯片相关汇编语言混合编写，控制器软件主要包括下面几个功能模块：底层驱动模块，计算模块，保护模块，电容器投切控制模块，a/d 模块，人机交互模块和通信模块等。

其中 a/d 模块采用的是抗谐波电能计量芯片ade7758。

电容器的分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容级数越多越好，但是综合考虑到系统复杂性以及经济性问题，可以采用二进制的方案，即采用k-1个电容值均为c的电容和一个电容值为c/2的电容，这样的分组法可以组合成的电容值为2k级。

主程序是整合几个模块进行处理及响应中断，主程序流程图见图4。

图4主程序流程图
1.5控制器的测试对控制器性能进行测试。

测试的内容包括:(1)控制器是否能够将电力系统中的电压、电流、功率因数和无功功率等参数正确显示和测量。

(2)验证控制器是否能够正常的对电力系统状况进行判断，正确地投切电容器。

(3)
验证控制器的其他功能是否正常，如通信、时钟等功能。

1.6实验数据分析
(1)功率因数：补偿前功率因数平均值为 0.6，补偿后功率因数均上升为 0.9 以上。

(2)不平衡度：补偿前三相不平衡度为 13.7%，补偿后三相不平衡度为 0.03%。

表1所示为采集到的补偿前与补偿之后的两组数据。

表 1 数据对比
从图 5、6 中可以看出恰当的选择电容器的接法，就可以达到既补偿功率因数又调整不平衡电流的目的。

图5补偿前电流不平衡情况示意图
图6补偿后电流不平衡情况示意图
2三相不平衡电流补偿控制器的选择与应用
2．1根据旧型无功补偿器所暴露出来的问题，新装置受成本的限制，解决分出主要问题和次要问题，此次，在原基础上解决影响设备正常运行的主要问题。

旧型无功控制器控制物理量为控制功率因数，由此造成轻载时投切震荡为主要问题。

cj19型接触器多次烧毁，是这次试制要解决的首要问题。

经过调查，用户负荷极少为冲击性负荷，因此响应速度是次要问题。

工业用户的谐波问题越来越严重，因此在选控制器时，应选用具有谐波保护功能的控制器。

2.2动态无功功率自动补偿装置利用双向可控硅的快速导通特性，当计算机检测到电压波过零点时，立即触发可控硅，将补偿电容接入电网，由于电压为零，因而电容上无浪涌冲击电流，不会使
电网产生浪涌冲击电流，既减少了冲击电流对电容器的过热，也极大地减少谐波的产生，可控硅导通20ms后，将相应的接触器通电吸合，可控硅脱离电网；当电流波过零点时，将电容切除，正常运行时接触器为吸合状态，先在可控硅触发极加入信号，使可控硅处于导通状态，20ms 后使接触器断电，电流波过零时瞬间切断可控硅(将可控硅触发极信号撤消)，由于电流过零时切除电容，系统中电感上的过电压会下降。

正常运行时由接触器实现，电容投切时由可控硅完成，这将极大地减少电容投切时对电网造成电流、电压浪涌和谐波，延长了电容器的使用寿命，同时接触器闭合，分断时均在可控硅导通状态下进行，分断时触点不会产生电弧，因而接触器的容量可减小，其使用寿命也将大幅度提高。

而可控硅只在瞬时接通和断开，其功率也勿选得过大。

2.3新方案为用三相不平衡电流补偿控制器和分体式机电一体化复合开关加接触器进行三相共补。

2.3.1结构特点。

选用三相不平衡电流补偿控制器，控制物理量为无功功率。

无功功率控制是根据测得的电压、电流和功率因数等参数，计算出应该投入的电容器容量。

如果计算结果小于最小一组电容器的容量（下限值），则应保持补偿状态不变。

只有当所需容量大于或等于下限值时，才执行相应的投切。

采用无功功率控制，由于检测和控制目标都是相同的物理量，技术上比较合理。

分体式机电复合开关，是将cpu控制单元、晶闸管、阻容吸收电路等做成一个整体，
构成一个独立的程序化控制单元，使用时配置交流接触器，主要用于0.4 kv无功补偿装置中作为电力电容器稳定投切的执行元件。

其中cpu控制单元用来接收无功补偿控制器发出的电容器投切信号，并按预先设定的程序发出晶闸管和交流接触器的通断控制信号；晶闸管电子开关用来接收cpu控制单元发出的触发信号，实现电容器的零电压投入和零电流切除。

交流接触器包括主接触器触头和辅助接触器触头，在接通和断开时用晶闸管和辅助接触器触头通断，正常通电时用主接触器触头载流，从而保证了主触头接触良好可靠。

2.3.2工作过程。

投入时，对应的辅助接触器先接通，然后使晶闸管电子开关在电压过零时导通，将电容器平稳可靠地接入电网，并维持导通状态；接着使主接触器导通，使其处于同晶闸管并联工作的状态，并持续一段时间。

最后，电路已处于稳定工作状态，将晶闸管和辅助交流接触器断开退出工作，使主接触器独立承担电容器与电网的连通任务。

切除时，对应的辅助接触器先接通，然后使晶闸管电子开关导通，使其处于同主接触器并联工作的状态；接着使主接触器断开退出工作，电容器与电网的连通作用短时间内由晶闸管和辅助接触器独立承担；最后切除晶闸管的触发信号，使晶闸管在电流过零时自然关断并断开辅助接触器。

3结束语
使用调整不平衡电流功率因数补偿装置可以取得较好的节能效
果，并且零线电流很小，完全符合国家标准关于零线电流不超过变压器额定电流 25%的要求，因此在三相严重不平衡的供电系统中具有重要的现实意义。

三相不平衡电流补偿控制器，满足了电网无功补偿的要求，实现了节能降耗、延长了设备使用寿命。

提高了装置的性能，还节约了设备投资与成本开支，从而获得最大的综合经济效益。

参考文献：
[1] 丁洪发. 电力系统三相不对称补偿理论及技术研究. [d] 2000.
[2] 谢连富，单铁铭.不平衡电流无功补偿方法的研究
[j].2006
注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。