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基于A(yíng)DuC812的智能無(wú)功補償控制器的研制
摘要：摘要介紹無(wú)功補償的基本原理、方法及ADμC812單片機的特點(diǎn)。詳細論述了基于A(yíng)DμC812單片機的無(wú)功補償控制器的結構、原理、及電參量的檢測方法。該控制器硬件結構簡(jiǎn)單、工作可靠、適應性強，具有很高的推廣價(jià)值。任何輸配電設備和用電裝置都不可能是純阻性負載，因此它們必然要占用一定的無(wú)功功率。無(wú)功電流的存在使線(xiàn)路總電流增大，因而增大了輸配電線(xiàn)路的有功損耗，造成電壓下降、電能浪費、惡化了電能質(zhì)量。由于電網(wǎng)負載絕大多數呈感性，因而采用并聯(lián)電容器組，通過(guò)對并聯(lián)電容器組的投切控制來(lái)進(jìn)行無(wú)功補償是一種簡(jiǎn)單易于的措施并已得到廣泛應用。傳統方式采用固定電容補償，但這種方式僅適用于用戶(hù)負載固定、無(wú)功需求相對穩定的網(wǎng)絡(luò )，不能動(dòng)態(tài)跟蹤系統的無(wú)功功率的變化，而且還有可能和系統發(fā)生并聯(lián)振導致諧波放大，因而并聯(lián)固定電容的方法目前正逐漸被淘汰。隨著(zhù)微機控制技術(shù)和功率半導體器件的發(fā)展，用微機進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、跟蹤負荷的無(wú)功功率的變化并自動(dòng)控制補償電路的投切，可以實(shí)現準確，快速的動(dòng)態(tài)無(wú)功補償，從而達到降低配電線(xiàn)路的線(xiàn)損、改善電網(wǎng)供電質(zhì)量的目的。這就是所為的靜止無(wú)功補償裝置（Static Var Compensator），簡(jiǎn)稱(chēng)SVC。目前常用的SVC大多以接觸器作為電容器投切的執行元件，投入時(shí)沖擊電流大，切換時(shí)會(huì )產(chǎn)生過(guò)電壓，自身觸頭易甚至熔焊，噪聲大，而且投切時(shí)間長(cháng)，在控制環(huán)節上基本不能滿(mǎn)足分相、分級、快速及跟蹤補償的要求。也有少量的SVC以晶閘管作為執行元件，雖能達到快速、安全的補償效果，但由于晶閘管元件價(jià)格昂貴且控制系統較復雜，使得這種系統的可靠性差，容量產(chǎn)生誤動(dòng)作。
本文介紹一種基于A(yíng)DμC812單片機的智能無(wú)功補償控制系統，該系統結構簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作可靠、適用性強。
1 ADμC812單片機簡(jiǎn)介
ADμC812單片機是美國AD公司新推出的具有真正意義上的完整的數據采集芯片。其組成為：一個(gè)8通道5μs轉換時(shí)間且精度自校準的12位逐次逼近A/D轉換器、兩個(gè)12位的D/A轉換器、8KB的閃速/電擦除程序存儲器、640字節閃速/電擦除數據存儲器、80C52單片機的內核。其它的一些重要功能模塊包括：一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器和電源監控器、A/D轉換器與數據存儲器之間的DMA電路、存儲保護電路、SPI和I2C總線(xiàn)接口。ADμC812優(yōu)點(diǎn)之一是集成了一個(gè)完全可編程的、自校準、高精度的模擬數據采集系統。ADμC812另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它采用了閃速/電擦除存儲器，輔之以?xún)群募虞d器和調試軟件，使系統的設計、編程、調試簡(jiǎn)便。另外，它的靜CPU操作以及空閑和掉電方式，對于電池供電的測控設備來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的性能。有關(guān)ADμC812的引腳功能、控制命令格式等詳細內容可參看參考文獻[2]。
2 控制器的硬件設計
整個(gè)系統的硬件結構簡(jiǎn)單，如圖1所示，
主要芯片有ADμC812、8255和ADM202，而且串行口電平轉換芯片ADM202在程序寫(xiě)入并調試成功后可以取掉。簡(jiǎn)單的硬件結構設計使得整個(gè)系統的工作可靠性的抗干擾能力均大為提高。另一方面，電容器的投切控制元件采用大功率的過(guò)零型固態(tài)繼電器SSR，由于該元件本身封裝有過(guò)零觸發(fā)模塊且自行工作不需CPU控制，既滿(mǎn)足了補償電容無(wú)沖擊電流投切的要求，同時(shí)也有效地克服了執行元件采用晶閘管控制模塊所帶來(lái)的控制復雜及易受干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作的弊端，提高了系統的可靠性。
2.1 系統的基本工作原理
控制器在上電初始化后即打開(kāi)INT0中斷，檢測模塊在A(yíng)相電壓正向過(guò)零時(shí)刻產(chǎn)生中斷觸發(fā)脈沖的下降沿，系統進(jìn)入中斷。系統在中斷程序運動(dòng)過(guò)程中測得電網(wǎng)無(wú)功電流及基波電壓的有效值，從而計算出電網(wǎng)無(wú)功功率的盈缺量。系統以此盈缺量并輔之以電網(wǎng)電壓作為投切判據，控制固態(tài)繼電器動(dòng)作，投入或切除補償電容器，從而達到補償無(wú)功功率的目。
2.2 無(wú)功電流的檢測及補償容量的確定
無(wú)功電流的檢測原理很簡(jiǎn)單，負載電流il(t)=ip(t) iq(t)，其中ip(t)和iq(t)分別是有功電流分量和無(wú)功電流分量。當ωt=2kπ時(shí)，il(2kπ)=Iqm，即只要測量在相電壓正向過(guò)零時(shí)的負載電流，就知對應的無(wú)功電流的最大值IqM。將該IqM換算成有效值Iq即可計算出一相的無(wú)功分量進(jìn)而得到總的無(wú)功分量。這種無(wú)功電流的檢測方法簡(jiǎn)單、快速，各相在一個(gè)周期內只要采樣一次即可滿(mǎn)足基波動(dòng)態(tài)補償的要求。
系統對Iq的處理原理可借助于圖2來(lái)說(shuō)明：當某一電容器組被投入電網(wǎng)后，負載的電流就由網(wǎng)端電流is和電容器補償電流ic共同承擔。Ic為一純無(wú)功電流，若能使ic=iq，則is=il-ic=ip，實(shí)現了無(wú)功功率的完全補償。由無(wú)功補償原理可知，全補償所需投或切的電容器容量為
，式中ω=314，U為電網(wǎng)電壓有效值。若IqM為正，則ΔC為負，表明系統處于過(guò)補償狀態(tài)，應切除相應容量的電容器；若IqM為負，則ΔC為正，表明系統處于欠補償狀態(tài)，應增投相應容量的電容器。需要注意的是，要根據ΔC確定需投入或切斷的電容器組時(shí)，為提高動(dòng)態(tài)補償的精確性，應將電容器的標稱(chēng)容量換算成實(shí)際電網(wǎng)電壓下的實(shí)際容量。
2.3 過(guò)零檢測電路
圖3為按上述思想設計的電壓正向過(guò)零檢測電路。220V的交流電首先經(jīng)過(guò)電阻分壓，然后進(jìn)行光電耦合，假設輸入的是A相電壓，則在A(yíng)相電壓由負半周向正半周轉換時(shí)，圖中三極管導通并工作在飽和狀態(tài)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)下降沿脈沖送入ADμC812的INT0引腳使系統進(jìn)入中斷程序。微機系統進(jìn)入中斷程序后，發(fā)出采樣命令并從采樣保持器讀取無(wú)功電流值Iqm，這個(gè)無(wú)功電流
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