《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于PIC16C72的電力三相不對負(fù)載無功補(bǔ)償算法的實現(xiàn)
摘要: 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。
Abstract:
Key words :

  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,如科研單位、賓館、百貨大廈、高等學(xué)校、機(jī)關(guān)等,這些單位使用大量的單相感性負(fù)載(如空調(diào)、電扇、電取暖設(shè)備、各大型照明設(shè)備、廣告燈設(shè)備),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" title="PIC16C72">PIC16C72單片機(jī)實現(xiàn)三相不對稱負(fù)載的無功補(bǔ)償" title="無功補(bǔ)償">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:

公式

公式

  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(fèi)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" title="相位差">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。

電壓與電流的波形關(guān)系

  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:

公式

  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:

電容負(fù)載的等效電路和相量圖

  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(diǎn)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。

主程序流程圖

  6 結(jié) 語

  采用上述補(bǔ)償和控制算法后,電力系統(tǒng)" title="電力系統(tǒng)">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。

  在實際應(yīng)用當(dāng)中,必須根據(jù)用戶的用電情況綜合分析,方可得出較為合理的安排。

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