電力系統(tǒng)無功功率的平衡是電能質(zhì)量的重要保證。在電力系統(tǒng)0.4kV低壓電網(wǎng)中，采用無功補償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)，減少無功損耗，是改善供電質(zhì)量、減少損耗、提高設(shè)備利用率的重要手段之一。目前低壓無功補償裝置多采用MCU作為主處理器，通過A/D采樣電網(wǎng)的電壓、電流參數(shù)，實時計算電網(wǎng)的無功功率、無功電流或功率因數(shù)，根據(jù)相應(yīng)的控制策略來控制電容器組的投切，實現(xiàn)對電網(wǎng)的無功補償。這類控制器由于A/D采樣精度不高，計算量較大，對CPU計算性能要求高，軟硬件設(shè)計復(fù)雜且難度大，無功補償精度低，系統(tǒng)響應(yīng)時間比較長等，通常只能用于對無功補償動態(tài)響應(yīng)速度要求不高的場合。鑒于此，本文提出一種基于專用電能計量芯片+MCU的新型動態(tài)無功補償控制器。

　　1 控制器工作原理及硬件設(shè)計

　　實現(xiàn)高精度的無功補償?shù)那疤崾悄軌驕?zhǔn)確的測量電網(wǎng)的運行參數(shù)，包括對有功功率、無功功率、能量、電網(wǎng)的功率因數(shù)、諧波狀況等參數(shù)的采集和測量。利用ATT7022A電能計量芯片可以得到這些參數(shù)的精確值，并且簡化了軟件的設(shè)計。在控制策略上，許多無功補償控制器以功率因數(shù)作為投切判據(jù)(實際上功率因數(shù)的高低并不能直接反映無功缺額的大小)，極易造成在某些情況下頻繁誤動。若采用無功電流判據(jù)，這比僅用功率因數(shù)作判據(jù)好些，但也不夠完善。本設(shè)計采用無功缺額作為主判據(jù)，以功率因數(shù)和電壓作為輔助判據(jù)的綜合判據(jù)，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)補償電容器的循環(huán)投切，對無功補償電容的控制更加合理。本文選用ATT7022A電能計量芯片搭配8位單片機(jī)ATMGAME168的設(shè)計方案，可以完成對電網(wǎng)運行參數(shù)及時精確地測量，實現(xiàn)自動無功補償。

　　1.1 的結(jié)構(gòu)及性能介紹

　　ATT7022A是一顆高精度三相電能專用計量芯片，具有l(wèi)6位A/D轉(zhuǎn)換精度，內(nèi)嵌有專用DSP電路，集成了6路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路。

　　能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，并支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功頻率校驗輸出CF1、CF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差校正。ATT7022A提供一個SPI接口，方便與外部控制器之間進(jìn)行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。

　　圖2 電壓和電流的采樣輸入電路

　　控制單元：在綜合考慮單片機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，選定AVR系列ATmegal28L單片機(jī)作為主控芯片。ATmegal28L是一款高性能低功耗的8位微處理器，采用RISC體系結(jié)構(gòu)，有53個可編程的I/O口，2個可編程的USART口，128K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash和4K字節(jié)的EEPROM，同時支持片內(nèi)調(diào)試，通過JTAG接口可以方便地對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位進(jìn)行編程。ATmegal28L通過SPI總線接口實現(xiàn)與ATT7022的通信，完成校表數(shù)據(jù)的寫入和寄存器結(jié)果的讀出。

　　過零觸發(fā)模塊：控制單元通過對ATT7022的測量結(jié)果分析、判斷，決定是否進(jìn)行無功補償，即電容器的投切，由于電容器兩端電壓不能突變，電網(wǎng)電壓和電容器電壓的差值較大時，觸發(fā)晶閘管會產(chǎn)生很大的電流沖擊，為了防止在投切電容器時的電流沖擊，必須在晶閘管兩端電壓為零時刻投切。所以選擇具有過零觸發(fā)能力的芯片控制電容器的投切，本控制器選用的是Motorola公司的MOC3083晶閘管。其外部連線如圖3所示。

　　圖3 雙向晶閘管過零觸發(fā)電路

　　數(shù)據(jù)存儲單元：FM24C64為64K位FRAM鐵電存儲器，其支持1012次寫入，用于保存系統(tǒng)的某些初始值，低壓電網(wǎng)運行參數(shù)的定時存儲，系統(tǒng)故障狀態(tài)的存儲等功能，以便監(jiān)控主站隨時查閱歷史記錄。

　　2 控制器的軟件設(shè)計

　　低壓電網(wǎng)運行的各項參數(shù)可通過ATT7022采樣、計算得出，CPU不用進(jìn)行A/D采樣數(shù)據(jù)的處理，這使CPU的運算量大大降低，并且大大簡化了軟件程序設(shè)計，使系統(tǒng)的運行更為精確、可靠。所以，軟件設(shè)計的重點主要是實現(xiàn)對從ATT7022所得到的各項參數(shù)的分析，依托合理的控制策略，進(jìn)而實現(xiàn)更加合理、可靠地投切電容器和外圍接口電路的軟件設(shè)計等。

　　本裝置采用的電容器投切的控制策略是以無功缺額為主要判據(jù)，并結(jié)合功率因數(shù)與電壓的控制策略。分析電網(wǎng)是否過壓和欠壓，在保證電壓穩(wěn)定的前提下，分析電網(wǎng)的無功功率，判斷功率因數(shù)，與設(shè)定值比較，決定是否投切電容器以及如何投切更加合理，最大可能的實現(xiàn)對無功功率的補償。

　　系統(tǒng)主程序流程圖中ATT7022的初始化，主要是系統(tǒng)的校準(zhǔn)，它決定了電網(wǎng)參數(shù)測量的精確度，系統(tǒng)的校準(zhǔn)包含相位補償設(shè)置、功率增益、相位校正、電壓/電流校正、啟動電流設(shè)置等。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖4示。

　　圖4 系統(tǒng)主程序流程圖www.whtlhgdq.com