无功补偿控制器的设计

无功补偿控制器的设计
作者：崔丽杰1 雷鸣2
来源：《中国科技博览》2013年第28期
[摘要]在传统9区图的基础上改进了智能控制策略，设计一种以SM8958A单片机为核心构成的无功补偿控制器。

应用CD4070构成功率因数采集电路保证对功率因数的准确采集。

采用智能投切判据和投切算法使电容器组的投切更加合理，投切无震荡，避免电容器组的频繁投切。

经过现场的实际运行，本控制器实现了对无功功率的动态补偿。

[关键词]控制策略无功功率补偿
中图分类号:TP31 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)28-0045-01
为了提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少电能损耗和稳定受电端电网电压，在用户侧的低压配电系统中均设有无功补偿控制器。

在九区图的基础上改进智能控制策略，使控制器可以自动地适应负荷的变化，以最小的时间调节无功功率，避免电容器组的频繁动作，使调节更加精确。

1 系统硬件设计
1.1 系统框图和原理简介
控制器以单片机为核心，单片机通过电压、电流取样电路和A/D转换电路测得负载电流、电网电压以及电流、电压的相位差，通过计算得到功率因数和需要补偿的无功功率。

然后根据每组电容器的容量、电网电压和功率因数进行判断，输出控制信号至隔离、驱动电路，经电气隔离和功率放大，控制电容器组的投运或退运。

通过液晶界面直观看到电容器组的投切情况，系统的电压、电流、有功、无功、功率因数等信息。

1.2 主要电路模块及控制功能的实现
1.2.1 SyncMOS单片机SM8958A最小系统
本系统采用SM8958A单片机，它是工业级产品，具有高稳定性。

SM8958A与8052系列兼容，32K字节片上Flash程序存储器，1K字节片上数据RAM，PLCC封装有4个8位I/O口和另外4位I/O口[1]。

1.2.2 电压、电流取样电路
由于本电路的电压、电流互感器采用的是电流输出型互感器，故在电路的输入级用
LM324将电流信号变换成电压信号。

再通过交直流变换电路将交流电压变换成直流电压。

滤波电路是为了消除或减小输入信号中的高次谐波。

最后通过后级的信号放大电路将幅度比较小的信号放大成0～5V的信号以提高信号测量精度。

1.2.3 功率因数采集电路
功率因数采集电路如图2所示。

图1中的PT、CT信号进入由LM324组成的过零比较器电路，将交流电压、电流信号变成方波信号，两个方波信号进入CD4070（异或门）的输入端，即可得到和上升沿的两个过零的时间间隔，再经过后级的滤波和电压跟随电路即可产生0～5V的功率因数值。

2 投切判据和智能控制策略
2.1 投切判据
投切判据有功率因数、无功功率和电压。

本设计以功率因数为主要判据，为了使控制更合理，实际采用功率因数、无功功率和电压作为投切电容器组的依据。

2.2 智能控制策略
大多数无功控制产品控制策略多采用传统的九区图法[2]。

九区图法存在的主要问题是：控制策略是基于固定的电压无功上下限而没考虑无功调节对电压的影响及电压的调节对无功的影响。

本应用对象是低压配电系统，不存在使用变压器分接头调节电压，无功调节即是电压调节，无功和电压的耦合关系不存在，所以参照了此控制策略，采用功率因数、无功功率和电压为综合判据，如图3所示。

3 系统软件设计
本设计遵循结构化程序设计，采用自顶向下的设计方法，将一个复杂的系统按功能划分为几个独立的模块，模块之间功能独立，有利于软件的调试、修改和维护。

本程序中主要的模块有数据采集转换模块、自检测模块、数据计算模块、控制模块、显示模块，其程序流程如图4所示。

4 结束语
本控制器为采用SM8958A为控制中心的无功补偿控制器，实现了对380V低压配电系统的电气参数进行测量、运算、判断、功率因数的自动补偿控制以及液晶显示。

硬件电路设计简单，软件算法完善可靠。

补偿对象是额定电压为380V的三相配电系统，经过现场的实际运
行，补偿后功率因数值可达到要求，系统经过调节后可以很快进入稳态，同时，通过对功率因数的设定，可以满足对功率因数的动态需要，解决了传统的功率因数补偿装置缺乏灵活性的问题，系统运行可靠。

但本控制器暂无通讯功能，有待进一步完善。

参考文献
[1] 何立民.单片机应用技术选编（二）[M].北京：航空航天大学出版社，1994.
[2] 李升.基于九区图的变电站电压无功控制策略研究[J].青海电力，2005，24（2）：2-3.
作者简介
崔丽杰（1982-），女，本科，助理工程师，主要从事自动化设计工作。

雷鸣（1980-），男，本科，工程师，主要从事技术管理工作。