基于ADuC812的智能无功补偿控制器的研制
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增大字体摘要：摘要介绍无功补偿的基本原理、方法及ADμC812单片机的特点。详细论述了基于ADμC812单片机的无功补偿控制器的结构、原理、及电参量的检测方法。该控制器硬件结构简单、工作可靠、适应性强，具有很高的推广价值。
关键词：ADμC812单片机 无功补偿 固态继电器
任何输配电设备和用电装置都不可能是纯阻性负载，因此它们必然要占用一定的无功功率。无功电流的存在使线路总电流增大，因而增大了输配电线路的有功损耗，造成电压下降、电能浪费、恶化了电能质量。由于电网负载绝大多数呈感性，因而采用并联电容器组，通过对并联电容器组的投切控制来进行无功补偿是一种简单易于的措施并已得到广泛应用。传统方式采用固定电容补偿，但这种方式仅适用于用户负载固定、无功需求相对稳定的网络，不能动态跟踪系统的无功功率的变化，而且还有可能和系统发生并联振导致谐波放大，因而并联固定电容的方法目前正逐渐被淘汰。随着微机控制技术和功率半导体器件的发展，用微机进行实时检测、跟踪负荷的无功功率的变化并自动控制补偿电路的投切，可以实现准确，快速的动态无功补偿，从而达到降低配电线路的线损、改善电网供电质量的目的。这就是所为的静止无功补偿装置（Static Var Compensator），简称SVC。目前常用的SVC大多以接触器作为电容器投切的执行元件，投入时冲击电流大，切换时会产生过电压，自身触头易甚至熔焊，噪声大，而且投切时间长，在控制环节上基本不能满足分相、分级、快速及跟踪补偿的要求。也有少量的SVC以晶闸管作为执行元件，虽能达到快速、安全的补偿效果，但由于晶闸管元件价格昂贵且控制系统较复杂，使得这种系统的可靠性差，容量产生误动作。
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本文介绍一种基于ADμC812单片机的智能无功补偿控制系统，该系统结构简单、造价低、工作可靠、适用性强。
1 ADμC812单片机简介
ADμC812单片机是美国AD公司新推出的具有真正意义上的完整的数据采集芯片。其组成为：一个8通道5μs转换时间且精度自校准的12位逐次逼近A/D转换器、两个12位的D/A转换器、8KB的闪速/电擦除程序存储器、640字节闪速/电擦除数据存储器、80C52单片机的内核。其它的一些重要功能模块包括：一个看门狗定时器和电源监控器、A/D转换器与数据存储器之间的DMA电路、存储保护电路、SPI和I2C总线接口。ADμC812优点之一是集成了一个完全可编程的、自校准、高精度的模拟数据采集系统。ADμC812另一个优点是它采用了闪速/电擦除存储器，辅之以内含的加载器和调试软件，使系统的设计、编程、调试简便。另外，它的静CPU操作以及空闲和掉电方式，对于电池供电的测控设备来说都是至关重要的性能。有关ADμC812的引脚功能、控制命令格式等详细内容可参看参考文献[2]。
2 控制器的硬件设计
整个系统的硬件结构简单，如图1所示，
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>主要芯片有ADμC812、8255和ADM202，而且串行口电平转换芯片ADM202在程序写入并调试成功后可以取掉。简单的硬件结构设计使得整个系统的工作可靠性的抗干扰能力均大为提高。另一方面，电容器的投切控制元件采用大功率的过零型固态继电器SSR，由于该元件本身封装有过零触发模块且自行工作不需CPU控制，既满足了补偿电容无冲击电流投切的要求，同时也有效地克服了执行元件采用晶闸管控制模块所带来的控制复杂及易受干扰而产生误动作的弊端，提高了系统的可靠性。
2.1 系统的基本工作原理
控制器在上电初始化后即打开INT0中断，检测模块在A相电压正向过零时刻产生中断触发脉冲的下降沿，系统进入中断。系统在中断程序运动过程中测得电网无功电流及基波电压的有效值，从而计算出电网无功功率的盈缺量。系统以此盈缺量并辅之以电网电压作为投切判据，控制固态继电器动作，投入或切除补偿电容器，从而达到补偿无功功率的目。
2.2 无功电流的检测及补偿容量的确定
无功电流的检测原理很简单，负载电流il(t)=ip(t)+iq(t)，其中ip(t)和iq(t)分别是有功电流分量和无功电流分量。当ωt=2kπ时，il(2kπ)=Iqm，即只要测量在相电压正向过零时的负载电流，就知对应的无功电流的最大值IqM。将该IqM换算成有效值Iq即可计算出一相的无功分量进而得到总的无功分量。这种无功电流的检测方法简单、快速，各相在一个周期内只要采样一次即可满足基波动态补偿的要求。
系统对Iq的处理原理可借助于图2来说明：当某一电容器组被投入电网后，负载的电流就由网端电流is和电容器补偿电流ic共同承担。Ic为一纯无功电流，若能使ic=iq，则is=il-ic=ip，实现了无功功率的完全补偿。由无功补偿原理可知，全补偿所需投或切的电容器容量为
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>，式中ω=314，U为电网电压有效值。若IqM为正，则ΔC为负，表明系统处于过补偿状态，应切除相应容量的电容器；若IqM为负，则ΔC为正，表明系统处于欠补偿状态，应增投相应容量的电容器。需要注意的是，要根据ΔC确定需投入或切断的电容器组时，为提高动态补偿的精确性，应将电容器的标称容量换算成实际电网电压下的实际容量。
2.3 过零检测电路
图3为按上述思想设计的电压正向过零检测电路。220V的交流电首先经过电阻分压，然后进行光电耦合，假设输入的是A相电压，则在A相电压由负半周向正半周转换时，图中三极管导通并工作在饱和状态，会产生一个下降沿脉冲送入ADμC812的INT0引脚使系统进入中断程序。微机系统进入中断程序后，发出采样命令并从采样保持器读取无功电流值Iqm，这个无功电流即为A相的无功电流，经过1/4个周期电压达到最大值，此时对电压进行采样，得到UM，由UM=1.414U可以得到电压有效值U。
由于A、B、C三相交流电之间的相位差是2π/3，如图4所示，所示各相电压的正向过零时刻和达到最大值时刻可以精确地计算得到，在t1时刻微机系统运行中断程序，采集A相的无功电流，并同时启动定时程序，在t2时刻采集A相电压最大值，以此类推，在t3时刻测得B相无功电流最大值，在t4时刻测得B相电压最大值，在t5时刻测得C相无功电流最大值，在t6时刻测得C相电压最大值，然后系统便进入下一个采样循环。由于单片机的额定工作频率为12MHz，远大于电网基波频率50Hz，因此系统在各个采样间隔内完全有充足的时间对采样结果进行处理，并以尽可能少的硬件投入，实现了系统所需各种电参量的检测。
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作者：佚名
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