基于ATT7022E的电动钻机井场电网无功补偿控制器设计

穆红燕

中国石油集团海洋工程有限公司钻井工程研究院，天津 300451

电动钻机井场电网系统由数台柴油发电机组同步并网运行，组成一个独立的电网系统为电动钻机等负载供电[1]。电动钻机主要负载为运行的驱动绞车、转盘（或顶驱）、泥浆泵等大功率交、直流电动机，其转速分别由交、直流调速器控制，从而使电网输出功率的80%经过基于电力电子器件的调速系统驱动电动机[2]。电力电子调速系统均为非线性感性用电负荷，由此造成井场电网功率因数低，同时产生谐波电流[3]，降低了电网的供电能力，造成了资源和能源的浪费[4]。

晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）凭借其可靠性高、运行时不产生谐波、自身损耗小、成本低等优点，成为目前无功补偿装置领域的主力军。因为可能会出现过补偿、欠补偿以及投切振荡等问题，所以如何依据实时井场电网参数准确地投入适补的电容器成为TSC无功补偿装置需要解决的首要问题[5]。目前并联电容器的分组方式有多种，较常见的有二进制分组、等容分组以及混合分组，在应用时往往要结合实际工况和电网状况来选择适合的分组方式。本文设计了一种井场电网无功补偿控制器，该控制器在硬件上由高精度计量芯片ATT7022E和高速单片机GD32F103RCT6架构，其投切策略基于模糊控制理论并加以改进。该控制器不但适应并联电容器的任意分组方式而且能有效避免投切振荡，可满足井场电网无功功率频繁变化的应用需求。

1 无功补偿装置的主电路结构

TSC无功补偿装置的主电路接线方式可分为三角形接法、星形接法以及三角形和星形相结合接法。星形接线对应于三相分补方式，适用于三相负载不平衡的场合；三角形接线对应于三相共补方式，适用于三相负载基本平衡的场合。由于电动钻机井场电网负载均为三相对称负荷，因此选用三角形接线方式，并且该方式不出现3次及3倍次谐波电流[6]。本文提出了一种TSC无功补偿装置的主电路结构，如图1所示。

图1 TSC无功补偿装置的主电路

该主电路采用角外控制的三角形接线方式，其各组电容器容量比：C1/C2/…/Cn=x1/x2/…/xn。其中：x1/x2/…/xn可为1/1/…/1（等容分组），也可为2n-1/2n/…/1（二进制分组），或为任意比值（混合分组）。具体容量比在应用时结合实际电网状况进行选择即可。补偿容量Q计算公式为：

式中：P为有功功率，Φ为补偿前功率因数角，Φ'为补偿后功率因数角。串联电抗器的电抗率依据电网谐波状况选取，仅用于限制投切涌流时，电抗率取0.1%～1.0%。

该TSC补偿装置主电路结构可满足井场电网无功补偿需求，具有较高的可靠性和经济性。

2 控制器的硬件设计

对井场电网进行动态无功补偿需要实时获得电网的一系列参数，包括电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、电流与电压之间的相位差等。本控制器采用高精度计量芯片ATT7022E来采集这些参数，并将所采集到的各参数的实际值存放在相应的存储空间里。当需要某个参数值时，只需查找相对应的地址就可以读到所需参数值。通过对ATT7022E进行软、硬件校表，可以获得很高的测量精度。由于ATT7022E承担了复杂的有功无功检测运算[7]，因此高性价比的单片机足以胜任主控芯片的一系列任务。本设计的控制器采用单片机GD32F103RCT6作为主控芯片。GD32F103RCT6是一种高速高效率的ARM单片机，工作主频108 MHz，内部集成了SPI和USART等标准通讯模块。本设计中投切控制模块具有过零检测和晶闸管触发驱动双重功能。从单片机输至投切控制模块的控制量仅为开关量，这显然简化了系统的软件设计。该控制器结构框图如图2所示。

图2 无功补偿控制器原理示意

2.1 数据采集模块

本设计中数据采集模块的核心为高精度三相有功无功电能专用计量芯片ATT7022E。电压和电流的采样均采用互感器测量方式，该方式保证了控制器和电网的电气隔离。互感器二次侧电压、电流信号经过信号调理电路后送入ATT7022E的模数转换器。ATT7022E在1 000∶1的动态范围内有功测量满足1级、无功测量满足2级，电流和电压的有效值测量精度优于0.5%。此外，ATT7022E可准确测量到含21次谐波的有功、无功和视在功率，可见该芯片在电网状况较差时仍可正常工作。通过SPI通信模块，ATT7022E将各测量值送入主控芯片，这样既能提高测量精度又能降低主控芯片的成本。ATT7022E与信号调理电路的连接如图3所示。

图3 ATT7022E与信号调理电路连接示意

2.2 投切控制模块

本文设计的投切控制模块原理如图4所示，由电压过零检测、信号隔离、触发时刻确定、调制脉冲产生、脉冲隔离放大等5个单元构成。对无功补偿装置中TSC支路最重要的一项要求是电流无冲击投切，因此投切控制非常关键。目前普遍采用的投切控制方式为晶闸管两端电压过零时刻触发晶闸管。在TSC支路中，US为系统电压，U1为晶闸管两端电压。电压过零检测单元实时检测U1并以此作为电容器支路投入的判据之一。当主控芯片发出“投入”信号时，触发时刻确定单元会在U1过零时刻传递信号至调制脉冲产生单元。调制脉冲产生单元会产生特定频率和脉宽的一系列脉冲（调制脉冲），该调制脉冲经过脉冲隔离放大单元隔离放大后触发晶闸管，使其导通从而投入电容器支路。该投切控制模块采用高性能的模拟电路，一方面提高了系统的响应速度，另一方面增强了系统的抗电磁干扰能力。

图4 投切控制模块原理示意

2.3 故障检测模块

故障检测模块时刻采集各TSC支路的运行信号，一旦发生异常立即传送相应故障代码至主控芯片。TSC支路的运行信号由支路的电流信号和晶闸管组的温度信号组成。故障检测模块分别通过互感器和热敏电阻取支路的电流信号和晶闸管组的温度信号。该模块设定超阈值报警机制，电流超上限表明支路过电流，电流超下限表明支路断路，温度超上限表明晶闸管组过热。控制器依据故障检测模块传来的故障代码做出相应动作（强行切除故障TSC组）并发出警报。

2.4 人机接口模块与通信模块

人机接口模块包括键盘输入和显示两个部分。键盘用于各参数值的设定和各电容器组的容量值输入。OLED屏动态分屏显示电网实时运行状况、控制器运行状况以及各TSC组故障状况等信息。其中，电网实时运行状况信息包括电压、电流、功率因数、有功功率和无功功率等。

GD32F103RCT6内置增强型通用异步收发器（USART），USART与外置SPE3485芯片组成通信模块。该模块通过RS-485总线可实现远程通信，其传输距离可达1 200 m，最高传输速率达56 bit/s。

3 控制器的软件设计

由于电网各参数可从ATT7022E中直接读出，A/D转换及有功无功运算等环节无需主控CPU参与，这在降低主控CPU成本的同时也简化了整体的软件设计。因此，探求一种效果最佳的电容器投切控制策略成为本文软件设计的核心问题。本设计采用的投切控制策略由两个环节组成，首先依据井场电网状况决策电容器的投切，其次是依据电容器分组方式和运行历史保证投切的最优化。第一个环节基于模糊控制理论，输入量为电网电压和功率因数，它解决电容器是否投切的问题[8]；第二个环节采用循环查表方法，输出量为某电容器组的投切信号，它解决投切哪组电容器效果最佳的问题。

3.1 模糊控制子程序设计

本设计中模糊控制规律是系统电压值、功率因数的二维函数，这样可以在保证功率因数达标的同时兼顾电压。取自ATT7022E的电压v0、功率因数cosΦ0都是确切的数值，因此需要将其转化为模糊集。模糊控制的输出变量C表示电容器的投切状态，C的取值为0、1和-1三种，分别表示不动作、投入一组和切除一组电容器。在论域V上定义模糊集：V偏低、V正常、V偏高；同样在论域cosΦ上定义模糊集：cosΦ偏低、cosΦ正常、cosΦ偏高。模糊控制规则库由运行经验总结得来的模糊控制规则累积而成。电压和功率因数的隶属度函数均采用升梯形、降梯形和梯形。模糊控制子程序流程如图5所示。

图5 模糊控制子程序流程

其中输入量v、cosΦ的论域和模糊集的定义需要参照用户所设定电压、功率因数的上下限。电容器投切控制量C控制电容器投切状态，本设计中采用逐级投切的方法，即每次只投入一组或切除一组电容器。

3.2 循环查表投切管理子程序设计

本设计利用数据库思想，编制了包含所有电容器组信息的状态表。通过“查询→更改→查询”模式控制器高效管理全部电容器组的投切过程。在控制器上电运行之初用户需要将主电路中各组电容器容量值（kVAR）通过人机界面输入，这样电容器组状态表就建立起来，初始状态如表1所示。

表1 电容器组初始状态

循环查表投切管理子程序流程如图6所示。控制量C的值由模糊控制子程序得出。状态标识M由状态表中各运行状态项求和得到，M=n说明已投入全部电容器组，此时应禁止投入动作；M=0说明已切除全部电容器组，此时应禁止切除动作。为了防止欠补偿或过补偿，本程序设计中引入无功功率作为投切管理的判据之一。

图6 循环查表投切管理子程序流程

某组电容器投入或切除的适合度An或Bn由加权算式得出，即：

式中：QL、QC分别为需要补偿和过补偿的无功量，QCn是某电容器组的容量，Ns是全部电容器组的历史投切次数之和，Nn是某电容器组的历史投切次数，α、β分别是容量项、次数项的权，α+β=1。将式（2）、式（3）得出的值An、Bn排序，最小值对应的电容器组即为最佳投入选择或最佳切除选择。

4 模拟试验

无功补偿试验在控制器样机开发完成后借助电动钻机模拟平台[9]进行。主电路中并联电容器采取等容量分组方式，每组50 kVAR，共5组。试验结果如图7所示，图7（a）、（b）分别为TSC投运前、后电能质量分析仪记录的各电网参数。

图7 TSC投运前、后电网各参数对比

分析仪记录图形显示，补偿前的功率因数为0.69，当投入TSC后功率因数提高到0.99。在有功消耗不变的情况下，补偿前的系统视在功率为244 kVA，补偿后的系统视在功率为172 kVA，减少系统容量72 kVA，同时明显改善电流波形。补偿过程中没有出现过补偿、欠补偿以及投切振荡等问题。

5 结束语

本文设计的井场电网无功补偿控制器具有适用性强、硬件结构简单以及可靠性高等特点。采用ATT7022E专用计量芯片测量井场电网运行参数，在保证了测量精度的同时降低了系统对CPU的要求。在投切控制策略上，首先依据模糊控制进行投切决策，避免出现过补偿、欠补偿和投切振荡；然后采用循环查表法优化投切过程，使得并联电容器的分组方式任意并且投运机会均等。该控制器适用于电动钻机井场电网的无功功率补偿，对改善井场电网功率因数、降低网损具有良好的效果，对于促进降本增效具有积极意义。