基于單片機(jī)的電力三相不對稱負(fù)載無功補(bǔ)償算法的實現(xiàn) - 全文

　　1 引 言

　　當(dāng)前，許多工礦企業(yè)使用的功率因數(shù)補(bǔ)償器大部分是采用三相同時補(bǔ)償?shù)姆绞?，這在三相負(fù)載對稱或基本對稱時補(bǔ)償效果較好的。但現(xiàn)在許多用電對象是大量的不對稱三相負(fù)載，雖然這些單件負(fù)載的無功損失不大，但作為整個單位或一個區(qū)域積少成多，其功率損失也不可小視。顯然，對這類三相不對稱負(fù)載的用電戶必須采用各相分別補(bǔ)償?shù)姆绞教岣吖β室驍?shù)。

　　在本文中，采用PIC16C72單片機(jī)實現(xiàn)三相不對稱負(fù)載的無功補(bǔ)償，并提出了補(bǔ)償電容容量的優(yōu)選算法及負(fù)載性質(zhì)判定算法。

　　2 補(bǔ)償電容容量的優(yōu)選算法

　　為使補(bǔ)償?shù)娜萘窟x擇更加合理和適用，我們對補(bǔ)償?shù)墓ぷ鳝h(huán)境和實際情況進(jìn)行測量和定性，來決定此補(bǔ)償器的具體補(bǔ)償容量，以達(dá)到非常合理和有效的補(bǔ)償效果。

　　根據(jù)無功功率容量的計算表達(dá)式：

?

　　這就是無功補(bǔ)償最佳容量的計算式。

　　其中：kb：無功補(bǔ)償?shù)木C合投資率(元/kVar);

　　U：網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行電壓(V);

　　Q1，Q2：補(bǔ)償前后的無功功率(kVar);

　　Q：補(bǔ)償裝置的無功容量(kVar);

　　Pd：變壓器的短路有功功率(kW);

　　SN：變壓器的額定容量(kVA);

　　β：單位電價(元/kWh);

　　i：無功補(bǔ)償裝置綜合運(yùn)維費率(%)，根據(jù)銀行利率和折舊而定;

　　n：無功裝置使用年限，一般以電容器壽命10年估計。

　　3 負(fù)載性質(zhì)判定(相位測量)算法

　　負(fù)載性質(zhì)(感性和容性)的判定決定著補(bǔ)償電容的投切情況，直接影響著輸電線路上的功率因數(shù)，對功率因數(shù)和用電質(zhì)量的改善有著決定性作用。而負(fù)載性質(zhì)又由線路中電壓和電流的相位差決定。

　　因此，電壓和電流相位差的準(zhǔn)確測量決定著用電線路的無功功率計算的準(zhǔn)確性以及投切電力電容的合理性，他對整個補(bǔ)償系統(tǒng)都是非常重要的。

　　為了能夠準(zhǔn)確地測量相位，我們采用數(shù)字鑒相法。所謂數(shù)字鑒相是指通過將兩路信號比相，在鑒相輸出信號的正脈沖內(nèi)填入高速脈沖，通過記錄填入的脈沖數(shù)來測相位差。

　　PIC16C72單片機(jī)自身會產(chǎn)生高速的數(shù)字時鐘脈沖，這就可以直接利用該單片機(jī)的時鐘脈沖進(jìn)行相位的測量。電壓與電流的波形關(guān)系如圖1所示。

?

　　圖1中A相電壓UA，A相電流iA與比較器Ull，U12的輸出電壓波形U1，U4的關(guān)系，顯然△t與U4，iA之間的相位差φA成正比，△又與u1，u4正跳變時定時器T1計數(shù)值之差△n成正比，這樣只要得到△n就可得出φA的值。該系統(tǒng)中，PICl6C72采用12MHz晶振，定時器l每隔2/μs計1個數(shù)。定時器1是16位計數(shù)器，他從0～65 536不停的循環(huán)增1計數(shù)運(yùn)行;定時器2是8位計數(shù)器，他從0～256循環(huán)計數(shù)，預(yù)、后分頻各16倍，An的計算式：

　　△n=(B一A ×256)+65 53× N

　　其中：A為u1發(fā)生正跳變時定時器的值;B為u4發(fā)生正跳變時的定時器的值;N為2個事件發(fā)生的間隔期間定時器的溢出次數(shù)。

　　因此△n為：

　　△t=△n ×2 ×10-6(s)

　　因為△n的最小值小于5ms(工作信號的1/4周期)，而T1從0～65 536計數(shù)的時間是：

　　65 536 ×2 × 10-6 (s)=131.072(ms)

　　因而在u1發(fā)生正跳變到u4發(fā)生正跳變之間T1溢出的次數(shù)最多為1，即N只有2個取值：0和1，電壓uA與電流iA的相位差φA為：

?

　　根據(jù)保持寄存器和時間寄存器記錄的8次事件可得出4個φA值，經(jīng)過數(shù)據(jù)中值濾波、平均值濾波即可得到較準(zhǔn)確的φA值。再通過查表法得到A相功率因數(shù)COSφA。同理控制多路模擬開關(guān)可測出B相，C相的相位差和功率因數(shù)。

　　4 投切容量控制算法

　　當(dāng)測得相位差φA，φB，φC后，根據(jù)正負(fù)判斷可得知是感性負(fù)載還是容性負(fù)載，感性負(fù)載時要投入電容器，容性負(fù)載時要切除電容器，投切的電容量根據(jù)測得的電壓、電流值的大小來確定。圖2是電容負(fù)載的等效電路和相量圖，φ1是電容未投入時的相位差，φ是投電容后的電位差，I1是負(fù)載的電流(即電容未投前補(bǔ)償器測得的交流電流的i1相量)，Ic是投上電容中流過的電流。由相量圖可知投上電容后φ最好為0，補(bǔ)償以此為根據(jù)計算需投入的電容值，由向量圖可得出：

?

　　若每組待投入電容的容量為Co，則需投入電容值的組數(shù)K為：

　　K=C/Co (小數(shù)點后舍去)

　　根據(jù)K值，可一次將需投入的電容(X組電容)同時投合上.同理，若是出現(xiàn)容性狀態(tài)，須切除的電容值為：

　　目前有許多補(bǔ)償器是步進(jìn)投切電容的，具有投切時間長、有出現(xiàn)振蕩的可能。而采用上述算法求出投切電容的組數(shù)后，即可一次完成投切并且不會發(fā)生振蕩。

　　5 算法的實現(xiàn)

　　該算法可用PIC16C72單片機(jī)來實現(xiàn)。其主程序流程圖如圖3。在所有初始化以后，主程序?qū)?zhí)行對電壓和電流的測量。電壓和電流的測量由PIC16C72單片機(jī)控制，分別對A，B和C三相電路測量和記錄。測量值送入對應(yīng)的寄存器中暫存，供以后計算子程序使用。在對每一相電路測量后，主程序還要進(jìn)行投切電容量和投切電容組數(shù)的計算，所需計算參數(shù)從溢出中斷子程序的計算結(jié)果中調(diào)用。

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　　6 結(jié) 語

　　采用上述補(bǔ)償和控制算法后，電力系統(tǒng)的相位測量精度可達(dá)0.5%，補(bǔ)償結(jié)果能使COSφ0.95。當(dāng)然這還與每組補(bǔ)償電容的大小相關(guān)，若每組補(bǔ)償?shù)娜萘啃∫恍瑒t還能提高COSφ，但相應(yīng)的接口和投切控制硬件都要增加。