無功補償控制器是無功補償裝置的核心部件，具有舉足輕重的地位，大部分無功補償裝置的生產廠家都是買來控制器然后自行裝配整機，具有設計制造控制器能力的廠家不多，能夠設計制造出性能優(yōu)異的控制器的廠家更是鳳毛麟角。

　　電容器投切的無功補償方式

　　在電容器投切的無功補償方式中，一般采用共補、分補、共補—分補相結合的方式。 而在補償方式中電容 器分組的方法比較靈活多變，但是，考慮到系統控制復雜度以及經濟實用等 問題， 本文采用 8421 編碼規(guī)律將電容器容量分組進行補償， 選擇容量倍增的電容器予以編號，經過不同組合可以使容量級數大大增多 。 例如 4臺電容器， 容量分別為 10 μF、20 μF、40 μF、80μF， 經過組合可以實現 10 μF、20 μF、30 μF、40μF、50 μF、60 μF、70 μF、80 μF、90 μF、100 μF、110 μF、120 μF、130 μF、140 μF、150 μF 等電容值。 當控制器通過電 能專用計量 芯片讀出線 路功率因數 并判斷是否需要對線路進行補償時，就會發(fā)出相應的投切電容器指令，一步到位，快速準確。 本文主要采用的電容器投切補償電氣原理

　　如圖 1 所示。

　　系統硬件設計

　　在投切電容器之前要精 確地測量出 電網的運行情況，包括電壓、電流、無功功率、有功功率、視在功率、電壓與電流之間的相位差、電網的功率因數等參數。 本控制器采用智能芯片 ATT7026A來采集這些參數，并且將采集到的實際測量參數值存放在相應的存儲空間里，當需要某個參數值時，只需查找相對應的地址就可以讀到所要的參數值，使得測量的準確度提高很多，而且軟件程序的設計也隨之變得簡單很多，所用的主控制芯片也不至于很昂貴，在達到補償效果的同時也減少 了 投 資 成 本 ， 所以本控制單元采用單片機STC12C5A60S2 作為主控芯片，它有與計量芯片ATT7026A 相接的 SPI 總線。 該控制結構框圖如圖 2 所示。

　　測量模塊單元

　　在實驗中電網電壓、電流經過互感器 LCTV31CE 和 LCTA2DCC 后，將信號電壓和電流送到ATT7026A 上。 然后經過計算將所得的數據存到相應的地址中，等待單片機的命令。 這樣就使得功 率 因 數 無 需 在 系 統 軟 件 中 用 算 法 算 出，不 僅節(jié)省了 CPU 空間，還提高了采樣數據的精度，從而提高了無功補償的精度。 ATT7026A 有 SPI 接口，方便與外部控制器相連，并且進行計量參數的 傳遞， 所有計 量參數都 可以通過 SPI 接口讀出。 當程序首次開始運行時，從 ATT7026A 芯片計 算 相 位 角 到 單 片 機 動 作 響 應 的 時 間 為 0.7 s如圖 3 所示。

　　由波形圖可以看出，從電壓動作到單片機采樣得到功率因數角之間的時間差將近 700 ms。 這樣得到的投切命令有些延時，通過修正軟件的程序不會影響投切電容命令的準時發(fā)出，達到投切電 容 量 的 要 求。 其 中 實 驗 的 三 相 主 電 路 用 R=18.2 Ω 的電阻和 L=64 mH 的電感串聯來模擬電機負載，經過 ATT7026A 芯片采集計算后的電壓值、電流值與示波器測得的實際電壓值、電流值見表 1 和表 2。

　　由表1可知，實際電壓值與用ATT7026A芯片采集計算所得電壓值的絕對誤差平均值為0.21V，由表2可知，實際電流值與用ATT7026A芯片采集計算所得電流值的絕對誤差平均值為0.044A，都在可以接受的范圍之內，可見在本控制器設計中ATT7026A起著重要的作用。

　　投切控制單元

　　以單片機 STC12C5A60S2 作為控制器，它的CPU 通過對 ATT7026A 的測量結果分析、判斷來確定是否進行無功補償，即通過電容器的投切及對電容狀態(tài)輸入部分的判斷來確定應投入補償的支路。 由于電容器的兩端電壓不能發(fā)生突變，所以，當電網電壓和電容器電壓的差值較大時，觸發(fā)晶閘管會產生很大的電流沖擊，影響電容器的使用壽命。 抽象 1 組單相電容器組，由拉氏變換方程式

　　將式（3）可以分為 3 部分，第 1 部分為穩(wěn)態(tài)電流：Iam×cos（ωt+α），第 2 部分為電容的諧振沖擊電流：n［U∞-n2×Um×sinα/（n2-1）］，第 3 部分為投切時刻電容器上的電流幅值：Iam×cosα×ωn t。 為避免出現沖擊電流，就需要第 2 部分和第 3 部分都為零。所以，就需要保證投入時電容器的兩端電壓與電網電壓值相同，過零投入。 通過對硬件電路的設計，在主回路的正向或負向電壓驅動下，通過光耦來實現電壓的零導通。 通過實驗就得到了晶閘管過零觸發(fā)前后電壓波形，如圖 4、5 所示。

　　由圖 4 與圖 5 對比可知，在晶閘管電壓過零時投入電容，可避免損壞晶閘管。 所以，過零脈沖對系統投入電容器是必要的。

　　軟件設計的實現

　　由于 電 網 運 行 參 數 可 直 接 通 過 ATT7026A采樣、計算得出，所以單片機就無需 A/D 采樣數據處理，可大大降低 CPU 的運算量，簡化了軟件程序設計因此，軟件設計的核心工作就是如何分析電網參數以及如何可靠投切電容器組，進而達到無功功率的精確補償。

　　軟件設計流程

　　本 控 制 器 采 用 的 電 容 器 投 切 策 略 是：首先要 分 析 電 網 是 否 過 壓 或 欠 壓，在 保 證 電 壓 穩(wěn) 定的 前 提 下，通 過 對 電 網 實 際 的 功 率 因 數 與 補 償后 希 望 得 到 功 率 因 數 設 定 值 進 行 比 較，決 定 是三 相 同 時 投 切 還 是 分 相 投 切，以 及 選 擇 投 切 電容器容量 的大小。 軟 件的主程序 流 程 圖 如 圖 6所示。

　　投切判斷

　　由于此控制器是以功率 因數作為投 切判斷的 依 據，所 以 本 實 驗 所 設 定 的 功 率 因 數 值 范 圍為 0.55~0.95，切除值設定為 0.95。 當測 量 值 大于切除 值，控 制 器 就 要 給 出 延 時 切 除 電 容 器 命令，按 電容器容量由小 到大的順序 來切除;當測量 值 小 于 投 入 值 時，控 制 器 就 要 發(fā) 出 延 時 投 入電 容 器 命 令，按 大 容 量 電 容 器 到 小 容 量 電 容 器的順序來將電容器投入到補償線路上。 本實驗 室 是 利 用 主 電 路 中 R=18.2 Ω 的 電 阻 和 L=64 mH 的電感串聯來模擬電機負載， 其中在相電壓有效值為 20 V 時電壓與電流的波形圖圖 7所示， 投入電容之后電壓與電流之間的相位差如圖 8 所示。

　　從 圖 7、8 可知，電 容 投 入 之 前 電 壓 與 電 流之 間 的 相 位 差 為 45.84° ，功率 因 數 值 為 0.69。經 計 算 投 入 所 需 的 電 容 器 容 量 使 得 電 壓 與 電流 之 間 的 相 位 差 縮 小 到 18.76°，功率 因 數 值 為0.9468，功 率 因 數 大 大 提 高 了 ，達 到 了 補 償 的要 求。

　　該無功功率控制器硬件 結構簡單、 可 靠性強、低功耗、高性能。 采用 ATT7026A 專用計量芯片測量電網 運行參數，從 而 降 低 了 對 CPU 的要求，精減了軟件設計，保證了系統的穩(wěn)定性及抗干擾性。 該控制器適用于低壓配電網無功功率的補償，對改善電網功率因數、降低電網損耗具有良好效果和廣闊的市場前景與應用價值.