低压无功功率补偿控制器的设计及应用
中国海诚工程科技股份有限公司第四咨询设计所、江苏安科瑞制造有限公司的研究人员杨晨、赵波等，在2015年第6期《电气技术》杂志上撰文，介绍了一款以基波无功功率和基波功率因数为电容投切依据的ARC低压无功功率自动补偿控制器。
该控制器以ARM为核心，使用FFT算法实现基波无功和谐波的计算；采用编码方式精确配置共补电容器和分补电容器。运行结果表明，该控制器能有效的提高线路功率因数，实现节能降耗。
常规的无功补偿控制器只能实现共补，而实际工业现场往往是三相不平衡负载，故需要针对某一相进行无功补偿，即分补偿。常规控制器普遍采用一种编码方式，即等电容循环投切，电网所要补偿的容性无功功率的数值往往是连续的不分等级，单只电容器容量可能过大，造成过或欠补，补偿精度欠佳。为了解决上述问题，因此本文介绍了一种以ARM为核心，研制的一款高性价比的ARC低压无功功率自动补偿控制器。
1设计要求
根据现有市场上的低压无功补偿控制器的功能特点及实际需求，确定ARC低压无功补偿控制器包括如下要求：
1）控制器输出电路采用编码工作方式；
2）控制器取样物理量采用以基波无功功率为主，基波功率因数为辅作为投切依据；
3）采用FFT实现无功的精准计算；
4）采用混合补偿（三相共补、单相分补）方式，分为静态和动态补偿。
5）基本保护功能：过电压、欠电压、欠流、断相、电压过畸变、温度保护等保护功能；
6）基本测量功能和通讯功能：电压、电流、频率、有功功率、无功功率、电压畸变率、功率因数、温度等基本测量功能，RS485通讯接口，采用Modbus通讯协议；
7）安装方式采用导轨和嵌入式安装；
8）电磁兼容符合以下标准：GB/T 17626.2-2006、GB/T17626.4-2008、GB/T 17626.5-2008。
以上要求符合JB/T9663标准。
2 硬件设计
根据产品功能，经过方案论证，设计出ARC低压无功功率补偿控制器功能图如图1所示，包括电源电路，三相交流电压电流采样电路，测频电路，温度采集电路，按键输入电路，报警输出电路，开关量输出电路，LED显示电路，CPU，485通讯电路。这里重点介绍电压采样电路、测频电路和通讯电路。
图1 ARC低压无功功率补偿控制器功能图
2.1电压和频率采样电路
电压和频率采样电路如图2所示，电压信号UA经电阻分压，信号处理后， UAO直接进入CPU，实现电压采样。UAO经过RC滤波，再经过迟滞比较器，可生成同频率的基波方波FRE，实现频率的采样。图3是7次 THD15% 50HZ的UAO的电压波形，图4是经过RC滤波之后的UAO1电压波形，这就保证了进入迟滞比较器的波形是基波波形。
频率采样有硬件和软件测频，软件测频算法复杂，计算量大，精度不高，硬件测频计算量小，精度高。该硬件测频电路的优势是：1、实现测频率的同时，实现电压采样 2、减少CPU的运算。3、泄漏误差小于基波幅值的0.02％，满足FFT分析处理谐波时的精度要求。
图2 电压和频率采样电路
图3 7次 THD15% 50HZ的电压波形
图4 RC滤波之后的50HZ电压波形
2.2通讯电路
ARC具有通讯功能，硬件采用RS485通讯接口。RS485通讯电路中采用硬件自动控制收发电路，不用单片机进行控制,可以减轻单片机的负担，为满足工频耐压要求制作PCB时要做好隔离措施。通讯电路如图6所示。一路485通讯电路可以将实时电参数上传到监控中心，便于对现场设备观察，另一路485通讯电路做子母机扩展使用，通过主机实现对从机的控制。
图6 通讯电路
3 软件设计（略）
本产品的主程序包括数据采集、FFT计算、电容投切、基本保护、显示程序、按键处理、人机交互、通讯等子程序。各部分程序采用模块化设计，便于维护。这里主要介绍基于FFT的无功测量算法和电容投切。
图7 电容器投切流程图
4 应用实例
某冶金车间变配电室供电系统为10kV供电，其中容量为800kVA的10／0.4kV变压器一台，变压器的负载率在65％左右，主要负载为交流电动机 (感性负载)，总体的功率因数在0.5左右，电网谐波主要是5次和7次谐波。
根据上述电网参数的特点我们确定补偿总容量为275KVA，滤波电抗器选择电抗率是7%的电抗器，投入门限设为0.9，切除门限设为0.98，共补4路，编码方式是1.1.2.4，共补容量：25kvar，25kvar，50kvar，100kvar；分补3路，编码方式是1.2.2，分补容量：5kvar,10kvar,10kvar。ARC可自动完成电容器的投切，投切稳定，没有投切震荡。
安装本控制器后，电流降低40A，电网功率因数从0.5提高到0.95，电费从12000元/月，降低到8000元/月，达到了节电的目的。由于减少了电网无功功率的输入，给该冶金公司带来效益。
5 结论
本文介绍的以ARM为核心，以基波功率因数和基波无功功率为电容投切依据的ARC低压无功功率补偿控制器，补偿精度高，投切稳定无投切震荡，具有过电压、欠电压、欠流、断相、电压过畸变、温度保护等保护和报警功能，提高了补偿电容器的使用寿命。
ARC支持嵌入式和导轨式安装，而且具备完善的网络通讯功能，广泛适用于石油、电力、煤矿、化工、造纸以及民用建筑等领域。