基于ATT7022E的電動鉆機井場電網(wǎng)無功補償控制器設(shè)計

穆紅燕

中國石油集團海洋工程有限公司鉆井工程研究院，天津 300451

電動鉆機井場電網(wǎng)系統(tǒng)由數(shù)臺柴油發(fā)電機組同步并網(wǎng)運行，組成一個獨立的電網(wǎng)系統(tǒng)為電動鉆機等負(fù)載供電[1]。電動鉆機主要負(fù)載為運行的驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤（或頂驅(qū)）、泥漿泵等大功率交、直流電動機，其轉(zhuǎn)速分別由交、直流調(diào)速器控制，從而使電網(wǎng)輸出功率的80%經(jīng)過基于電力電子器件的調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動電動機[2]。電力電子調(diào)速系統(tǒng)均為非線性感性用電負(fù)荷，由此造成井場電網(wǎng)功率因數(shù)低，同時產(chǎn)生諧波電流[3]，降低了電網(wǎng)的供電能力，造成了資源和能源的浪費[4]。

晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）憑借其可靠性高、運行時不產(chǎn)生諧波、自身損耗小、成本低等優(yōu)點，成為目前無功補償裝置領(lǐng)域的主力軍。因為可能會出現(xiàn)過補償、欠補償以及投切振蕩等問題，所以如何依據(jù)實時井場電網(wǎng)參數(shù)準(zhǔn)確地投入適補的電容器成為TSC無功補償裝置需要解決的首要問題[5]。目前并聯(lián)電容器的分組方式有多種，較常見的有二進制分組、等容分組以及混合分組，在應(yīng)用時往往要結(jié)合實際工況和電網(wǎng)狀況來選擇適合的分組方式。本文設(shè)計了一種井場電網(wǎng)無功補償控制器，該控制器在硬件上由高精度計量芯片ATT7022E和高速單片機GD32F103RCT6架構(gòu)，其投切策略基于模糊控制理論并加以改進。該控制器不但適應(yīng)并聯(lián)電容器的任意分組方式而且能有效避免投切振蕩，可滿足井場電網(wǎng)無功功率頻繁變化的應(yīng)用需求。

1 無功補償裝置的主電路結(jié)構(gòu)

TSC無功補償裝置的主電路接線方式可分為三角形接法、星形接法以及三角形和星形相結(jié)合接法。星形接線對應(yīng)于三相分補方式，適用于三相負(fù)載不平衡的場合；三角形接線對應(yīng)于三相共補方式，適用于三相負(fù)載基本平衡的場合。由于電動鉆機井場電網(wǎng)負(fù)載均為三相對稱負(fù)荷，因此選用三角形接線方式，并且該方式不出現(xiàn)3次及3倍次諧波電流[6]。本文提出了一種TSC無功補償裝置的主電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 TSC無功補償裝置的主電路

該主電路采用角外控制的三角形接線方式，其各組電容器容量比：C1/C2/…/Cn=x1/x2/…/xn。其中：x1/x2/…/xn可為1/1/…/1（等容分組），也可為2n-1/2n/…/1（二進制分組），或為任意比值（混合分組）。具體容量比在應(yīng)用時結(jié)合實際電網(wǎng)狀況進行選擇即可。補償容量Q計算公式為：

式中：P為有功功率，Φ為補償前功率因數(shù)角，Φ'為補償后功率因數(shù)角。串聯(lián)電抗器的電抗率依據(jù)電網(wǎng)諧波狀況選取，僅用于限制投切涌流時，電抗率取0.1%～1.0%。

該TSC補償裝置主電路結(jié)構(gòu)可滿足井場電網(wǎng)無功補償需求，具有較高的可靠性和經(jīng)濟性。

2 控制器的硬件設(shè)計

對井場電網(wǎng)進行動態(tài)無功補償需要實時獲得電網(wǎng)的一系列參數(shù)，包括電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、電流與電壓之間的相位差等。本控制器采用高精度計量芯片ATT7022E來采集這些參數(shù)，并將所采集到的各參數(shù)的實際值存放在相應(yīng)的存儲空間里。當(dāng)需要某個參數(shù)值時，只需查找相對應(yīng)的地址就可以讀到所需參數(shù)值。通過對ATT7022E進行軟、硬件校表，可以獲得很高的測量精度。由于ATT7022E承擔(dān)了復(fù)雜的有功無功檢測運算[7]，因此高性價比的單片機足以勝任主控芯片的一系列任務(wù)。本設(shè)計的控制器采用單片機GD32F103RCT6作為主控芯片。GD32F103RCT6是一種高速高效率的ARM單片機，工作主頻108 MHz，內(nèi)部集成了SPI和USART等標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊。本設(shè)計中投切控制模塊具有過零檢測和晶閘管觸發(fā)驅(qū)動雙重功能。從單片機輸至投切控制模塊的控制量僅為開關(guān)量，這顯然簡化了系統(tǒng)的軟件設(shè)計。該控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 無功補償控制器原理示意

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本設(shè)計中數(shù)據(jù)采集模塊的核心為高精度三相有功無功電能專用計量芯片ATT7022E。電壓和電流的采樣均采用互感器測量方式，該方式保證了控制器和電網(wǎng)的電氣隔離?；ジ衅鞫蝹?cè)電壓、電流信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后送入ATT7022E的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ATT7022E在1 000∶1的動態(tài)范圍內(nèi)有功測量滿足1級、無功測量滿足2級，電流和電壓的有效值測量精度優(yōu)于0.5%。此外，ATT7022E可準(zhǔn)確測量到含21次諧波的有功、無功和視在功率，可見該芯片在電網(wǎng)狀況較差時仍可正常工作。通過SPI通信模塊，ATT7022E將各測量值送入主控芯片，這樣既能提高測量精度又能降低主控芯片的成本。ATT7022E與信號調(diào)理電路的連接如圖3所示。

圖3 ATT7022E與信號調(diào)理電路連接示意

2.2 投切控制模塊

本文設(shè)計的投切控制模塊原理如圖4所示，由電壓過零檢測、信號隔離、觸發(fā)時刻確定、調(diào)制脈沖產(chǎn)生、脈沖隔離放大等5個單元構(gòu)成。對無功補償裝置中TSC支路最重要的一項要求是電流無沖擊投切，因此投切控制非常關(guān)鍵。目前普遍采用的投切控制方式為晶閘管兩端電壓過零時刻觸發(fā)晶閘管。在TSC支路中，US為系統(tǒng)電壓，U1為晶閘管兩端電壓。電壓過零檢測單元實時檢測U1并以此作為電容器支路投入的判據(jù)之一。當(dāng)主控芯片發(fā)出“投入”信號時，觸發(fā)時刻確定單元會在U1過零時刻傳遞信號至調(diào)制脈沖產(chǎn)生單元。調(diào)制脈沖產(chǎn)生單元會產(chǎn)生特定頻率和脈寬的一系列脈沖（調(diào)制脈沖），該調(diào)制脈沖經(jīng)過脈沖隔離放大單元隔離放大后觸發(fā)晶閘管，使其導(dǎo)通從而投入電容器支路。該投切控制模塊采用高性能的模擬電路，一方面提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，另一方面增強了系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。

圖4 投切控制模塊原理示意

2.3 故障檢測模塊

故障檢測模塊時刻采集各TSC支路的運行信號，一旦發(fā)生異常立即傳送相應(yīng)故障代碼至主控芯片。TSC支路的運行信號由支路的電流信號和晶閘管組的溫度信號組成。故障檢測模塊分別通過互感器和熱敏電阻取支路的電流信號和晶閘管組的溫度信號。該模塊設(shè)定超閾值報警機制，電流超上限表明支路過電流，電流超下限表明支路斷路，溫度超上限表明晶閘管組過熱。控制器依據(jù)故障檢測模塊傳來的故障代碼做出相應(yīng)動作（強行切除故障TSC組）并發(fā)出警報。

2.4 人機接口模塊與通信模塊

人機接口模塊包括鍵盤輸入和顯示兩個部分。鍵盤用于各參數(shù)值的設(shè)定和各電容器組的容量值輸入。OLED屏動態(tài)分屏顯示電網(wǎng)實時運行狀況、控制器運行狀況以及各TSC組故障狀況等信息。其中，電網(wǎng)實時運行狀況信息包括電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率和無功功率等。

GD32F103RCT6內(nèi)置增強型通用異步收發(fā)器（USART），USART與外置SPE3485芯片組成通信模塊。該模塊通過RS-485總線可實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，其傳輸距離可達1 200 m，最高傳輸速率達56 bit/s。

3 控制器的軟件設(shè)計

由于電網(wǎng)各參數(shù)可從ATT7022E中直接讀出，A/D轉(zhuǎn)換及有功無功運算等環(huán)節(jié)無需主控CPU參與，這在降低主控CPU成本的同時也簡化了整體的軟件設(shè)計。因此，探求一種效果最佳的電容器投切控制策略成為本文軟件設(shè)計的核心問題。本設(shè)計采用的投切控制策略由兩個環(huán)節(jié)組成，首先依據(jù)井場電網(wǎng)狀況決策電容器的投切，其次是依據(jù)電容器分組方式和運行歷史保證投切的最優(yōu)化。第一個環(huán)節(jié)基于模糊控制理論，輸入量為電網(wǎng)電壓和功率因數(shù)，它解決電容器是否投切的問題[8]；第二個環(huán)節(jié)采用循環(huán)查表方法，輸出量為某電容器組的投切信號，它解決投切哪組電容器效果最佳的問題。

3.1 模糊控制子程序設(shè)計

本設(shè)計中模糊控制規(guī)律是系統(tǒng)電壓值、功率因數(shù)的二維函數(shù)，這樣可以在保證功率因數(shù)達標(biāo)的同時兼顧電壓。取自ATT7022E的電壓v0、功率因數(shù)cosΦ0都是確切的數(shù)值，因此需要將其轉(zhuǎn)化為模糊集。模糊控制的輸出變量C表示電容器的投切狀態(tài)，C的取值為0、1和-1三種，分別表示不動作、投入一組和切除一組電容器。在論域V上定義模糊集：V偏低、V正常、V偏高；同樣在論域cosΦ上定義模糊集：cosΦ偏低、cosΦ正常、cosΦ偏高。模糊控制規(guī)則庫由運行經(jīng)驗總結(jié)得來的模糊控制規(guī)則累積而成。電壓和功率因數(shù)的隸屬度函數(shù)均采用升梯形、降梯形和梯形。模糊控制子程序流程如圖5所示。

圖5 模糊控制子程序流程

其中輸入量v、cosΦ的論域和模糊集的定義需要參照用戶所設(shè)定電壓、功率因數(shù)的上下限。電容器投切控制量C控制電容器投切狀態(tài)，本設(shè)計中采用逐級投切的方法，即每次只投入一組或切除一組電容器。

3.2 循環(huán)查表投切管理子程序設(shè)計

本設(shè)計利用數(shù)據(jù)庫思想，編制了包含所有電容器組信息的狀態(tài)表。通過“查詢→更改→查詢”模式控制器高效管理全部電容器組的投切過程。在控制器上電運行之初用戶需要將主電路中各組電容器容量值（kVAR）通過人機界面輸入，這樣電容器組狀態(tài)表就建立起來，初始狀態(tài)如表1所示。

表1 電容器組初始狀態(tài)

循環(huán)查表投切管理子程序流程如圖6所示?？刂屏緾的值由模糊控制子程序得出。狀態(tài)標(biāo)識M由狀態(tài)表中各運行狀態(tài)項求和得到，M=n說明已投入全部電容器組，此時應(yīng)禁止投入動作；M=0說明已切除全部電容器組，此時應(yīng)禁止切除動作。為了防止欠補償或過補償，本程序設(shè)計中引入無功功率作為投切管理的判據(jù)之一。

圖6 循環(huán)查表投切管理子程序流程

某組電容器投入或切除的適合度An或Bn由加權(quán)算式得出，即：

式中：QL、QC分別為需要補償和過補償?shù)臒o功量，QCn是某電容器組的容量，Ns是全部電容器組的歷史投切次數(shù)之和，Nn是某電容器組的歷史投切次數(shù)，α、β分別是容量項、次數(shù)項的權(quán)，α+β=1。將式（2）、式（3）得出的值A(chǔ)n、Bn排序，最小值對應(yīng)的電容器組即為最佳投入選擇或最佳切除選擇。

4 模擬試驗

無功補償試驗在控制器樣機開發(fā)完成后借助電動鉆機模擬平臺[9]進行。主電路中并聯(lián)電容器采取等容量分組方式，每組50 kVAR，共5組。試驗結(jié)果如圖7所示，圖7（a）、（b）分別為TSC投運前、后電能質(zhì)量分析儀記錄的各電網(wǎng)參數(shù)。

圖7 TSC投運前、后電網(wǎng)各參數(shù)對比

分析儀記錄圖形顯示，補償前的功率因數(shù)為0.69，當(dāng)投入TSC后功率因數(shù)提高到0.99。在有功消耗不變的情況下，補償前的系統(tǒng)視在功率為244 kVA，補償后的系統(tǒng)視在功率為172 kVA，減少系統(tǒng)容量72 kVA，同時明顯改善電流波形。補償過程中沒有出現(xiàn)過補償、欠補償以及投切振蕩等問題。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的井場電網(wǎng)無功補償控制器具有適用性強、硬件結(jié)構(gòu)簡單以及可靠性高等特點。采用ATT7022E專用計量芯片測量井場電網(wǎng)運行參數(shù)，在保證了測量精度的同時降低了系統(tǒng)對CPU的要求。在投切控制策略上，首先依據(jù)模糊控制進行投切決策，避免出現(xiàn)過補償、欠補償和投切振蕩；然后采用循環(huán)查表法優(yōu)化投切過程，使得并聯(lián)電容器的分組方式任意并且投運機會均等。該控制器適用于電動鉆機井場電網(wǎng)的無功功率補償，對改善井場電網(wǎng)功率因數(shù)、降低網(wǎng)損具有良好的效果，對于促進降本增效具有積極意義。