基于87C196的快速无功电流检测方案实现

2012-05-10 15:27:46来源: 21ic

随着电力系统对电能质量要求的日益提高,影响电力系统电压稳定的无功功率及其补偿问题越来越受到重视。供电系统中已经有大量的无功补偿装置投入运行,这对电力系统的稳定起到了一定的作用。然而,在类似于轧钢等无功功率动态变化的工业场所,由于无功功率的大小不但随时间在不断变化,而且变化的速度很快。为了获取稳定电压,通常要求无功补偿装置能快速跟随无功电流变化,这无疑对无功电流检测的准确性和快速性提出了更高要求。本文提出了基于瞬时无功功率理论?1? 实现无功快速检测,并将检测算法在87C196KC单片机上实现的方法,试验证明,该方法具有较高的检测精度和较快的检测速度,是动态无功补偿装置的较佳检测方案。

1 系统的硬件结构

无功电流检测系统由模拟量变送器、模拟信号处理模块、开关量输入模块、开关量输出模块、基于单片机的微处理系统、键盘与显示单元等组成。若需要根据无功电流的大小来控制电容器的投切,以实现无功的快速补偿,也可以增加相应模块来控制电容器的投切,如由反并联晶闸管组成的开关模块、晶闸管的驱动控制电路、电容器补偿回路等。整个控制系统硬件结构如图1所示。

图中,CPU模块采用Intel公司生产的87C196KC单片机,该芯片内部有8位和10位可编程采集和转换时间的A/D变换、16kB ROM以及488B寄存器RAM,它的主频可运行到20MHz。87C196KC采用高速输入/输出(HISO)结构进行事件控制。HISO口有4个输入、6个输出,用两个16位定时器/计数器作为系统时间基准。除此以外的相关硬件组成还有看门狗定时器、全双工位串口(SIO)。以及外设事务服务器(PTS),它由微代码处理中断事件,类似于DMA通道方法,这样可以大大减少CPU响应中断服务的开销。有关87C196KC的引脚功能、控制命令格式等详细内容可参看参考文献?2?。由于87C196KC集成了完全可编程、自校准、高精度的模拟数据采集系统。因此,用其组成无功检测系统结构简单,无需大量复杂外设及外围电路。其简单的硬件结构设计使得整个系统的工作可靠性和抗干扰能力大为提高。

2 无功电流的检测原理

基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测法由于计算量少且有较好的实时性而得到广泛应用?3?。在电力系统中,一般情况下,三相电网电压都是对称无畸变,假定负载电流是三相对称的,考虑到负载电流可能含有谐波,因而其电压、电流表达式可以表示为:

式中n=3k±1,其中k为整数(当k=0时,只取+号,即只取n=1),ω为电源角频率,In、?n为各次电流的有效值和初相角(基波初相角即相对于基波电压的相位差)。

将三相电流变换到α-β两相正交坐标上可以得到瞬时电流iα和iβ。

式2中,C32为变换矩阵,其表达式为:

为了更方便地分解出电流的有功和无功分量,应将坐标系变换到与电源电压同步旋转的dq坐标系中,并使d轴与电源电压同相位,这样,变换后的d轴即为有功分量,q轴分量则是无功分量。假定由α-β坐标变换到dq坐标的变换矩阵为C,则有:

由式(5)可见,电流的有功分量和无功分量均是瞬时交变的,除了基波分量外,还含有谐波分量。若只考虑基波,则n=1时的基波电流为:

式说明,经过上述处理后,通过低通滤波获得的直流分量ip和iq分别为基波电流有功电流分量和无功电流分量的√3 倍 。因此整个无功电流的检测可按图2的原理来实现。在变换矩阵C中sinωt及cosωt是与a相电压ea同相的,可用锁相环(PLL)和正余弦信号生成电路得到。在单片机中实现时,也可以通过同步过零检测来用软件计算获取。

[1] [2]

关键字:无功电流检测  检测系统  抗干扰

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0510/article_5087.html
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