基于單片機的電力三相不對負載無功補償算法的實現

　　1 引 言

　　當前，許多工礦企業使用的功率因數補償器大部分是采用三相同時補償的方式，這在三相負載對稱或基本對稱時補償效果較好的。但現在許多用電對象是大量的不對稱三相負載，如科研單位、賓館、百貨大廈、高等學校、機關等，這些單位使用大量的單相感性負載(如空調、電扇、電取暖設備、各大型照明設備、廣告燈設備)，雖然這些單件負載的無功損失不大，但作為整個單位或一個區域積少成多，其功率損失也不可小視。顯然，對這類三相不對稱負載的用電戶必須采用各相分別補償的方式提高功率因數。

　　在本文中，采用PIC16C72單片機實現三相不對稱負載的無功補償，并提出了補償電容容量的優選算法及負載性質判定算法。

　　2 補償電容容量的優選算法

　　為使補償的容量選擇更加合理和適用，我們對補償的工作環境和實際情況進行測量和定性，來決定此補償器的具體補償容量，以達到非常合理和有效的補償效果。

　　根據無功功率容量的計算表達式：

　　這就是無功補償最佳容量的計算式。

　　其中：kb：無功補償的綜合投資率(元／kVar)；

　　U：網絡的運行電壓(V)；

　　Q1，Q2：補償前后的無功功率(kVar)；

　　Q：補償裝置的無功容量(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：無功補償裝置綜合運維費率(％)，根據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 負載性質判定(相位測量)算法

　　負載性質(感性和容性)的判定決定著補償電容的投切情況，直接影響著輸電線路上的功率因數，對功率因數和用電質量的改善有著決定性作用。而負載性質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確測量決定著用電線路的無功功率計算的準確性以及投切電力電容的合理性，他對整個補償系統都是非常重要的。

　　為了能夠準確地測量相位，我們采用數字鑒相法。所謂數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填入高速脈沖，通過記錄填入的脈沖數來測相位差。

　　PIC16C72單片機自身會產生高速的數字時鐘脈沖，這就可以直接利用該單片機的時鐘脈沖進行相位的測量。電壓與電流的波形關系如圖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計數值之差△n成正比，這樣只要得到△n就可得出φA的值。該系統中，PICl6C72采用12MHz晶振，定時器l每隔2／μs計1個數。定時器1是16位計數器，他從0～65 536不停的循環增1計數運行；定時器2是8位計數器，他從0～256循環計數，預、后分頻各16倍，An的計算式：

△n＝(B一A ×256)+65 53× N

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

　　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計數的時間是：

65 536 ×2 × 10-6 (s)＝131．072(ms)

　　因而在u1發生正跳變到u4發生正跳變之間T1溢出的次數最多為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，經過數據中值濾波、平均值濾波即可得到較準確的φA值。再通過查表法得到A相功率因數COSφA。同理控制多路模擬開關可測出B相，C相的相位差和功率因數。

　　4 投切容量控制算法

　　當測得相位差φA，φB，φC后，根據正負判斷可得知是感性負載還是容性負載，感性負載時要投入電容器，容性負載時要切除電容器，投切的電容量根據測得的電壓、電流值的大小來確定。圖2是電容負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是負載的電流(即電容未投前補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，補償以此為根據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K為：

K=C/Co (小數點后舍去)

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

　　目前有許多補償器是步進投切電容的，具有投切時間長、有出現振蕩的可能。而采用上述算法求出投切電容的組數后，即可一次完成投切并且不會發生振蕩。

　　5 算法的實現

　　該算法可用PIC16C72單片機來實現。其主程序流程圖如圖3。在所有初始化以后，主程序將執行對電壓和電流的測量。電壓和電流的測量由PIC16C72單片機控制，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，主程序還要進行投切電容量和投切電容組數的計算，所需計算參數從溢出中斷子程序的計算結果中調用。

　　6 結 語

　　采用上述補償和控制算法后，電力系統的相位測量精度可達0．5％，補償結果能使COSφ0．95。當然這還與每組補償電容的大小相關，若每組補償的容量小一些，則還能提高COSφ，但相應的接口和投切控制硬件都要增加。

　　在實際應用當中，必須根據用戶的用電情況綜合分析，方可得出較為合理的安排。