一種復(fù)合開關(guān)控制的智能低壓電力電容器設(shè)計

宋舜波，馬 琪，高 軍

(1.杭州電子科技大學(xué)微電子CAD研究所，浙江杭州310018;2.杭州國家集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)化基地有限公司，浙江杭州310053)

0 引言

近年來城鄉(xiāng)電網(wǎng)中使用感性負(fù)荷越來越多，無功補(bǔ)償技術(shù)在各個低壓配電網(wǎng)的公用配變中越來越得到廣泛應(yīng)用。但無功補(bǔ)償設(shè)備在接觸器投入和切除電容時存在涌流大，電容使用壽命短;電容器保護(hù)功能少，使用壽命降低;接觸器觸點易燒結(jié)等缺點［1］。因此，研制模塊化、智能化、保護(hù)功能齊全的無功補(bǔ)償設(shè)備，對于城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)和改造具有重要意義。本文根據(jù)晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor，TSC)技術(shù)的自動補(bǔ)償原理，設(shè)計了一種復(fù)合開關(guān)控制投切的智能低壓電力電容器，實現(xiàn)電容器快速投入和切除。

1 工作原理

TSC的電路原理如圖1所示，選取投入電容器時刻總的原則是，投入電容時刻(晶閘管導(dǎo)通時刻)必須是電源電壓es與電容器當(dāng)前端電壓(預(yù)先已充電電壓)Uc相等的時刻。因為根據(jù)電容器的特性，若投入電容器時刻的電源電壓與電容器當(dāng)前端電壓不等，加在電容上的電壓就會發(fā)生階躍變化，這將產(chǎn)生一沖擊電流，很可能會破壞晶閘管或給電源帶來高頻震蕩等不利影響［2］。而TSC切除電容器時，由于切除過程中開關(guān)接點會產(chǎn)生電弧重燃現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電容器過電壓，但在電流過零時刻切除電容器，可以實現(xiàn)開關(guān)接點無電弧分?jǐn)?。而根?jù)晶閘管的特性，只有在電流過零時才能關(guān)斷。因此晶閘管控制的電容器一定是在電流過零的情況下切除［3］。

圖1 TSC電路原理圖

2 硬件設(shè)計

該智能低壓電力電容器由瑞薩R8C/25系列16位單片機(jī)控制，硬件部分主要包括電流電壓采集、溫度采集、過零檢測、復(fù)合開關(guān)投切、數(shù)碼管顯示、RS485通信等電路模塊。

智能低壓電力電容器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。先對三相電壓電流進(jìn)行采樣然后通過A/D轉(zhuǎn)換得到電壓電流的瞬時值，單片機(jī)經(jīng)過FFT運(yùn)算得到三相電路的電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、有功功率、無功功率和電網(wǎng)頻率，根據(jù)計算結(jié)果給出投切電容器指示。MOC3083對電壓進(jìn)行過零檢測，在電壓峰值時刻(過零時刻)觸發(fā)晶閘管，通過復(fù)合開關(guān)控制投切電容器。數(shù)碼管可顯示電容器容量、變比、電壓電流值、功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率等參數(shù)。通過RS485通信可實現(xiàn)對多臺智能低壓電力電容器的控制。

圖2 智能電容器硬件結(jié)構(gòu)圖

電壓電流采樣電路的輸入包括3路電壓信號和3路電流信號，交流的電壓電流先經(jīng)過互感器對模擬信號縮小，然后經(jīng)過偏置電路抬高基礎(chǔ)電壓(由于單片機(jī)自帶的AD采樣口只能為正值)，再經(jīng)過LM224放大電路進(jìn)入單片機(jī)的10位A/D口。

由于智能低壓電力電容器對于是否需要投切電容器的判斷是由單片機(jī)軟件實現(xiàn)，所以其硬件設(shè)計的關(guān)鍵是過零檢測和復(fù)合開關(guān)控制投切，主要由光電雙向可控硅驅(qū)動器MOC3083、晶閘管以及磁保持繼電器組成，原理如圖3所示。

圖3 過零檢測和復(fù)合開關(guān)控制投切的電路原理圖

晶閘管的觸發(fā)采用MOC3083。MOC3083的輸入和輸出采用光電隔離，內(nèi)部擁有過零檢測電路，可檢測到輸入電壓與電容器端電壓相等的所謂過零時刻，此時輸入電壓達(dá)到峰值［4］。

當(dāng)單片機(jī)軟件判斷需要投入電容器時，首先單片機(jī)給MOC3083發(fā)送觸發(fā)信號;MOC3083檢測到過零時刻即輸入電壓達(dá)到峰值時，MOC3083的4腳或者6腳發(fā)出觸發(fā)脈沖，使晶閘管導(dǎo)通投入電容器，達(dá)到無涌流投入電容器的目的，同時通過光耦器件將晶閘管導(dǎo)通信號傳給單片機(jī);然后單片機(jī)在100ms內(nèi)發(fā)出指令閉合磁保持繼電器(一種無功耗開關(guān)器件)，將晶閘管電路短路，由閉合的磁保持繼電器接替承載電容器正常工作電流;此后單片機(jī)再向MOC3083撤出晶閘管觸發(fā)信號。由于磁保持繼電器閉合后接觸電阻遠(yuǎn)小于晶閘管電路導(dǎo)通時候的電阻，達(dá)到節(jié)能和延長晶閘管使用壽命的目的。

當(dāng)單片機(jī)軟件判斷需要切除電容器時，首先單片機(jī)給MOC3083發(fā)送觸發(fā)信號，使晶閘管導(dǎo)通;然后單片機(jī)發(fā)出指令斷開磁保持繼電器，此時由晶閘管暫時承載電容器正常工作電流;最后單片機(jī)向MOC3083撤出觸發(fā)信號，晶閘管在電流過零時分閘，將電容器切除以達(dá)到無過電壓的目的。

通過以上將晶閘管和磁保持繼電器并接形成的復(fù)合開關(guān)，既實現(xiàn)電壓過零導(dǎo)通和電流過零切除，使得導(dǎo)通和斷開的瞬間具有可控硅開關(guān)的優(yōu)點，而且在正常接通期間又具有接觸器無功耗開關(guān)的優(yōu)點。

3 軟件設(shè)計

該智能電容器采用模塊化結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計，其中包括的模塊主要有數(shù)碼管顯示、電壓電流A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤掃描、參數(shù)計算、投切電容、485通信等等。整體流程圖如圖4所示。

開機(jī)之后對電容手動投切和自動投切進(jìn)行選擇:當(dāng)手動投切時，則進(jìn)入手動投切子程序，通過按鍵控制對電容進(jìn)行投入和切除;當(dāng)選擇自動投切，則進(jìn)入各個模塊，根據(jù)功率因數(shù)大小對電容進(jìn)行自動快速投切，并將電壓控制在合理范圍內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)故障時電容自動切除。下面主要介紹通過A/D轉(zhuǎn)換后的電壓電流有效值和功率因數(shù)計算的軟件實現(xiàn)方法。

圖4 軟件實現(xiàn)流程圖

3.1 電壓電流有效值的計算

從電壓電流瞬時值計算得到有效值，使用最大值法容易受直流分量以及高次諧波的影響;平方根法受高次諧波的影響較小，但易受直流分量的影響;而FFT法基本不受直流分量和高次諧波的影響，考慮到電力系統(tǒng)中直流分量以及高次諧波比較普遍，是TSC保護(hù)的重點，因此設(shè)計中選用FFT法。

設(shè)計中采用采樣率為3 200Hz，即在20ms內(nèi)采完64個點。由于每采一個點的時間間隔為312.5μs，為了提高計算效率，設(shè)計中將采樣值與cos值和sin值的計算放在AD采樣的中斷中進(jìn)行，并且從第一點計算開始進(jìn)行累加。當(dāng)64個點采集完成之后，電壓電流的實部和虛部也已經(jīng)完成計算，在主函數(shù)的while循環(huán)中可以立即進(jìn)行實部和虛部的平方開根號運(yùn)算。這樣的好處是計算和AD采樣可以同時進(jìn)行，大大提高了效率。

由于要采集3路電壓和3路電流總共6路AD，而且每次AD轉(zhuǎn)換的時間間隔只有312.5μs，所以設(shè)計中需要對代碼進(jìn)行優(yōu)化，提高采樣點和cos值以及sin值相乘的效率:

(1)由于單片機(jī)運(yùn)算cos值和sin值的速度太慢，耗費了太長的時間，因此設(shè)計中將前16個點(后48個點的cos值和sin值可以從前16個點的數(shù)組中得到)的cos值和sin值放到數(shù)組中，用查表的方式計算;

(2)由于單片機(jī)的定點運(yùn)算比浮點運(yùn)算快很多，因此設(shè)計中將cos值和sin值放大1 000倍，將其定義成unsigned int型;

(3)為了減少c語言的乘法運(yùn)算所消耗時間，設(shè)計中將其改寫成匯編的形式，每計算一個點能節(jié)省十幾微秒的時間。

經(jīng)過以上代碼優(yōu)化后，6組采樣點每次計算實部和虛部所消耗的時間在120μs左右，符合要求。

3.2 功率因數(shù)的計算

對于功率因數(shù)的計算，采用的方法是計時從電壓或電流首次經(jīng)過過零點開始到下一次經(jīng)過過零點的時間差，通過轉(zhuǎn)換得到角度值，即為功率因數(shù)角。所以求過零時間點是關(guān)鍵所在。

以電壓為例，由于電壓有正向過零和負(fù)向過零，而采樣得到的點往往波動比較大，所以只采樣前后兩個點進(jìn)行比較是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此在設(shè)計中，一共采樣4個點，每采一個點與前一個數(shù)依次進(jìn)行比較，當(dāng)有兩次或者多于兩次的數(shù)值差大于零時，認(rèn)為電壓為正向，否則為負(fù)向;同時為了提高過零點的準(zhǔn)確性，先求出兩個過零點，當(dāng)兩個點的數(shù)值都在某一范圍內(nèi)時，證明交流信號確實過零。如此可比較準(zhǔn)確地求出過零時間點，防止采樣點波動導(dǎo)致的誤差。求得功率因數(shù)角后，通過公式P=(UA×IA+UB×IB+UC×IC)×cosφ可以計算得到有功功率，通過公式Q=(UA×IA+UB×IB+UC×IC)×sinφ得到無功功率［5］。

4 現(xiàn)場測試結(jié)果

某地380V低壓電網(wǎng)，檢測得到功率因數(shù)為0.6，負(fù)荷電流約為430A，準(zhǔn)備投入15組三相△連接電容器，單組容量為15kW。投入后運(yùn)行良好，功率因數(shù)迅速得到提高，負(fù)荷電流降低。具體數(shù)值如表1所示，Nc為投入電容組數(shù)，I為負(fù)荷電流，cosα為功率因數(shù)。

表1 投入電容后電網(wǎng)的參數(shù)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種復(fù)合開關(guān)控制的智能低壓電力電容器，在硬件上采用無涌流無功耗的復(fù)合開關(guān)控制投切方式，提高電容使用壽命;在軟件上通過算法選擇和代碼優(yōu)化，使得單片機(jī)能夠高效計算電網(wǎng)的電壓電流、功率因數(shù)等各種參數(shù)，準(zhǔn)確做出是否投切電容器的判斷。該智能低壓電力電容器能夠快速準(zhǔn)確投切電容器，實現(xiàn)對低壓配電網(wǎng)的大容量無功快速補(bǔ)償。

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