电网的无功补偿—毕业设计.doc

摘要电压是电能质量的重要指标之一，网损是电力企业的一项重要综合性技术经济指标。长期以来电力系统网络损耗问题比较突出，而无功补偿是降低线损的有效手段。随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。在电网中的适当位置装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。本文从无功补偿的现实意义出发，分析了无功补偿的必要性和经济效益。简单介绍了目前无功补偿研究的现状，探讨无功补偿的原理并对主要的几种无功补偿方式进行了简要的分析，给出本文设计用于并联电容器组补偿方式的智能低压无功补偿装置的研究任务。装置采用ATT7022A检测电网运行参数，减少了CPU运算量，提高电网参数辨识的精度，并可以简化系统软件设计。系统以Atlmega64处理器为控制核心，采用功率因数控制和电压限制相结合的方式工作，并给出采用永磁真空开关在特定电压相角投切电容器的方法，有效解决了电容器投切过程中在线路上产生涌流的缺点，并设有多种保护措施，保护系统可靠、稳定运行。装置还设计了友好的人机接口和通讯接口，使用方便。关键词：无功补偿、并连电容器、ATT7022A、Atlnega64ABSTRACTVoltage is one of important quality index of electric power system. Power loss is an important synthesis technical and economic index of power companies. In the past several years, the problem of power loss is very serious. However, reactive compensation is an effective method to save power loss .Due to increasing loads of electric power system, demand of reactive power was also increasing. It became necessary means that reactive power compensation devices were installed in proper position of electric network. This thesis considers the significance of reactive Power compensation and analyses the indispensability and economic benefits of reactive Power compensation. The development status of reactive power compensation is briefly introduced. Principles of reactive power compensation are explained. Several primary reactive power compensation solutions are discussed. This thesis proposed an intelligent low voltage reactive compensation control scheme and implemented device for shunt capacitor compensation. An ATT7022A is adopted to detect the power grid operation information to reduce the calculation volume of CPU and enhance the precision of power grid parameter identification. This also simplifies design work of the software. ATMEGA64 is utilized as the main process unit and method combining power factor control and voltage limitation is used as the system working mode. Specific voltage phase is determined to switching shunt capacitor via permanent magnetic vacuum synchronous switch. Thus the surge produced during the traditional capacitor switching method is greatly diminished. It provides diverse protect measures to ensure the stability and reliability. It bears friendly human machine interface and communication interface and is convenient for use.Key Words: Reactive Power Compensation, Shunt Capacitors, ATT7022A, Atmega64目录1 绪论11.1课题背景11.2课题研究的目的和意义11.3无功补偿的历史与现状31.4 本文研究的主要内容52 无功补偿的基本理论62.1交流电路的无功功率62.2并联电容器补偿无功功率的原理82.4 无功补偿容量的确定132.5无功补偿的经济效益143传统静止无功补偿装置163.1具有饱和电抗器的无功补偿器（SR）163.2 晶闸管控制电抗器(TCR)173.3晶闸管投切电容器(TSC)183.4 静止无功发生器SVG193.5小结194 无功补偿控制器硬件电路设计214.1 Atmega64(L)微处理器简介224.2电量信号采集和预处理244.3 A相电压零点检测单元324.4 A相电压信号调理单元334.5电容状态检测单元344.6 数据存储单元354.7实时时钟电路374.8液晶显示和键盘电路384.9 温度检测部分404.10通讯部分414.11系统电源和电源监控电路424.12继电器输出电路474.13 硬件电路抗干扰设计486 结论与展望606.1论文总结606.2本文的不足及课题展望60参考文献62附录65附录一 英文资料65附录二 中文翻译731 绪论1.1课题背景近30年来，由于超高压远距离输电系统的发展，电网中无功功率的消耗也日益增大。低压电网中，随着居民生活水平的提高和家用电器的普及，以及小工业用户的增多，电网的功率因数大都比较低，尤其是电力电子装置的应用日益广泛，而大多数电力电子装置的功率因素很低，造成电网供电质量下降，也给电网带来额外负担。因此，利用无功补偿技术正成为当前世界各国电力设计及决策人员的共识，无功补偿装置的投资己被列入电力投资的整体规划中，成为一个不可缺少的环节。现在，美国电力主网设备的功率因素已接近于1，原苏联法律规定功率因素应大于0.92，日本等国还建立了全国性的无功管理委员会，研究无功补偿方面的技术经济政策。从实际情况看，世界上工业比较发达的国家，其电网功率因数都比较高。因此，大力提高电网功率因素，降低线损，节约能源，挖掘发电设备的潜力，是当前电力网发展的趋势。1.2课题研究的目的和意义有功功率与视在功率的比值称为功率因数，无功功率的存在使功率因数降低，造成如下影响：(1)当有功功率不变时，功率因数低，使发电机和变压器的容量增大，不能充分发挥原有供电设备的效率。(2)在线路输送有功功率相同的情况下，功率因数低，使线路中的电流增加，电压损失增加，给感应电动机的启动、运行造成困难，导致供电质量下降。若增大导线截面积，相应的增加了有色金属的消耗量。(3)当电网电压及有功功率不变时，功率因数低，使输电线路中的无功电流增大，功率损耗增加，引起发电机端电压的下降。具体说来提高功率因数有如下作用：提高电力网的传输能力减少电压损失，提高电压质量减少线路损失降低变压器的损耗增加变压器的输出功率目前，低压电网中的负荷大部分是感性负载，因此在电网中安装并联电容器可以供给感性电抗消耗的部分无功功率。并联电容器补偿简单经济，灵活方便。但当今电力系统中存在着大量如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等无功功率频繁变化的设备，这就要求补偿装置能够根据负荷的变化进行动态补偿。而并联电容器只能补偿固定无功，容易造成过补或欠补，无法满足电力系统的实际需要，还有可能和系统发生并联谐振，导致谐波放大。因此，能根据负荷无功功率的变化对分组的补偿电容器组进行自动投切以实现对无功功率动态补偿的装置，目前在国内外得到广泛应用。解决电网中有功功率损耗大、压降大的最切实可行的办法就是采用高性能的无功功率补偿装置，就地补偿负载的感性无功功率。因此，寻求一种能综合现有多种补偿装置的优点，且成本较低的无功功率补偿装置，使其能实时检测供电系统需要补偿的无功功率，对系统进行跟踪补偿，是低压电网改造和建设中迫切需要解决的问题。本课题就是在此基础上提出的。1.3无功补偿的历史与现状1.3.1无功补偿的分类无功补偿可以分为串联补偿和并联补偿。串联补偿的目的在于控制线路的阻抗参数，欧美一些国家普遍采用串联补偿来提高输电线的传输能力。而我国大多采取并联补偿的方式来补偿系统无功，并联补偿的目的在于控制线路的电压参数。并联补偿按补偿对象不同可分为系统补偿和负荷补偿两大类。系统补偿通常指对交流输配电系统进行补偿，目的是维持电网枢纽点处的电压稳定，提高系统的稳定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流、降低线损等。负荷补偿通常是指在靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿，目的是提高负荷的功率因数，改善电压质量，减少或消除由冲击性负荷、不对称负荷、非线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流波形畸变等危害。负荷补偿可分为静态补偿和动态补偿。静态补偿是根据三相负荷的平衡化原理，通过在负荷点串、并入无功导纳网络，把三相不对称负荷补偿成对供电系统来说是三相对称的。该方法优点是结构和控制简单、造价低，缺点是对工业电弧炉、电焊机等动态负荷难以达到理想的补偿效果。真正意义上的不对称负荷动态补偿是从1977年Grandpierre提出分相控制的静止无功补偿器SVC(Static Var Compensatory)的方法后开始的。分相控制的SVC能根据系统的实际情况，通过调整可控硅触发角来改变SVC的各相补偿度，从而达到补偿负荷负序分量和调整负荷功率因数的目的。因此，该方法一提出就受到了普遍关注。1.3.2 国内外研究现状及趋势电力系统是一个典型的非线性大系统，随着社会的进步，经济的发展，社会对电力的需求不断增加，使现代电力系统发展迅速，系统日趋复杂。大机组、重负荷、超高压远距离输电，大型互联网络的发展，以及对电力系统安全性、经济性及电能质量的高要求，使柔性输电系统（FACTS）技术成为目前电力系统的一个重要的研究领域。传统的无功补偿设备可满足一定范围内的无功补偿要求，但存在响应的速度慢，故障维护困难等缺点。静止无功补偿器（SVC）近年来获得了很大发展，已被广泛用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。其典型代表是固定电容器+晶闸管控制电抗器（TCR）。晶闸管投切电容器也获得了广泛的应用。除了在控制器件方面的改进，随着人工智能技术的不断发展，在控制方法上也有很大的进步。采用模糊神经网络、自适应控制等智能型控制方法，研制能同时对电压、无功功率、三相不平衡、谐波等进行综合调节和补偿控制的装置已经成为大家的共识。目前，在城市配电网公用变压器低压侧，由于用户家用电器感性负载的不断增加，使得其功率因数较低，导致公用变压器低压侧线路损耗大，供电电压指标不能满足用户要求。因此，在公用变压器低压侧进行无功功率补偿已成为目前研究的另一个热门。国外，城市、农村电网是否安装户外无功补偿已成为衡量配电网性能的主要指标之一。在日本，配电网系统户外补偿电容器的自动投切率已达86.4%；在美国，许多城市道路旁的电线杆上装有并联电容器组，并采用自动装置控制。国内，无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式。据统计，当前，国内典型城乡配电网无功损耗情况如下：按电压等级划分，0.4k级损耗占50%，10kV级占30%，35kV以上占20%。在农村，长距离供电较为普遍，10kV线路损耗较大；在城网中，配网损耗主要在0.4kV侧，因此，做好10kV等级电压以下的无功补偿具有重要意义。近年来，由于计算机技术的发展，无功补偿技术已得到很大的改进，无功补偿装置的发展已进入一个新的阶段。然而，许多电网仍存在补偿不足，调节手段落后，电压偏低，损耗增大等问题。1.4 本文研究的主要内容本文首先分析无功补偿的重要意义，以无功补偿技术的原理为基础，研制真空开关投切电容器组的无涌流低压无功补偿装置，分析和探讨如何设计多功能、智能化的能够更加合理的进行电容器组投切的无功补偿装置。主要包括以下几个方面: 分析无功功率补偿的基本原理和方法 分析无功功率补偿的容量确定 根据要求设计用于三相四线制低压电网的无功补偿装置，完成控制器 的硬件设计。控制器的设计需要着重考虑以下几个方面: 电网运行参数的准确获得，为后续计算提供可靠数据 根据补偿要求确定无功补偿容量 确定电容器组的投切。采用合理的控制策略避免投切电容时造成涌流， 避免产生电容器组的投切振荡等问题。 系统运行状态的监控和重要数据的保存。2 无功补偿的基本理论无功功率的概念是与交流电和非纯阻性负载联系在一起的。在直流系统或者纯阻性负载的系统中不存在无功功率的概念，也就不存在无功补偿问题。2.1交流电路的无功功率在正弦交流电路中，如果负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。图2.1 无源一端口网络对于如图2.1所示的内部不含有独立电源，仅含电阻、电感和电容等无源元件的一端口，设电路中正弦交流电压为 (2.1)一端口等效负载为Z，则流过负载电路中的电流为 (2.2)当负载Z不是纯阻性时，流过负载的电流就会和电压有一个相角差值，即，此时电流表示为 (2.3)其中为负载的模。如果把电流i分解为和电压同相位的分量和ip与电压垂直的分量iq,则 ip和iq分别为: (2.4)此时电路的有功功率P就是其平均功率，即： (2.5)可以看出，有功功率P不再是电压U和电流I的有效值乘积，还要乘以二者夹角的余弦值。电路的无功功率定义为: (2.6)可以看出，Q就是式2.5中被积函数的第2项无功功率分量uiq的变化幅度。uiq的平均值为零，表示了其有能量的流动但是却并不消耗功率。Q则表示了这种能量交换的幅度。从式2.5中可以看出，真正消耗功率的是被积函数的第1项有功分量uip产生的。因此，可以把式2.4描述的ip和iq分别称为正弦电路的有功电流分量和无功电流分量。无功电流分量的产生是由于系统中含有电感性或电容性的负载而产生的，该电流用于建立磁场或静电场，存储于电感或电容中，并往返于电源与电感或电容之间，并不会象有功功率那样被消耗掉。电路中将电压u和电流i的有效值乘积定义为视在功率，即: (2.7)视在功率只是电压有效值和电流有效值的乘积，它并不能准确反映能量交换和消耗的强度，并且在一般电路中，视在功率并不遵守能量守恒定律。从式2.5、2.6和式2.7可以看出，有功功率、无功功率、视在功率在数值上满足如下关系: (2.8)在正弦波网络中，当负载为感性时，线路电压相位会超前线路的电流相位，即此时的0，无功功率Q0，我们说网络“吸收”感性无功功率，也可以说是“发出”容性无功功率;当负载为容性时，线路电压相位会滞后线路的电流相位，即此时的0，无功功率Q0，我们说网络“吸收”容性无功功率，也可以说是“发出”感性无功功率。无功功率的“发出”和“吸收”不同于有功功率的发出和吸收，这只是一种习惯说法而已。2.2并联电容器补偿无功功率的原理2.2.1概述静态无功功率补偿指阻抗固定，其补偿容量不能实时跟踪负荷无功功率的变化，主要是用于提供固定无功功率补偿容量的一种无功功率补偿方式。无功功率补偿装置接入系统的方式有两种：并联和串联。以并联方式接入系统的无功功率补偿装置称为并联无功功率补偿以串联方式接人系统的无功功率补偿装置称为串联无功功率补偿。并联补偿方式因为接线简单、操作方便、对系统可靠性影响小而广泛使用，串联补偿方式因为接线复杂、操作不方便、对系统可靠件影响大顺使使用范围受到限制，一般是在并联补偿方式不能满足技术要求的情况下才使用。用于电力系统无功功率补偿的静态无功功率补偿装置有并联电容器、并联电抗器、串联电容器、串联电抗器及其组合。并联电容器用于补偿感性大功功率，并联电抗器用于补偿容性无功功率。串联电容器和串联电抗器也常用于电力系统。单独使用时，串联电容器用于补偿线路等效感抗、降低线路感性无功功率流动和提高线路受电端的电压串联电抗器用于限制系统短路电流、补偿线路等效容抗和降低线路容性无功功率流动；混合使用时，一般是串联电抗器串联在并联电容器支路中，然后与并联电容器一起接入系统，补偿高频无功功率，起到抑制高次谐波以及保护并联电容器的作用。由于串联电容器和串联电抗器不如并联电容器和并联电抗器方便，无功功率补偿效果也不及并联电容器和并联屯抗器，因此，静态无功功率补偿主要采用并联电容器和并联电抗器。并联电容器首先是在20世纪10年代中期用于功率因数的校正。但是，由于早期的电容器使用油作为绝缘介质，体积和重量太大而且价格很贵，电容器的应用受到限制。20世纪30年代，由于在电容器生产中引入了较便宜的绝缘材料和其他改进，使得其价格和体积有大幅度下降。因此，自20世纪30年代后期，电容器的使用有显著的增加。发展到今天，并联电容器成为一种提供大功功率的非常经济的电力装置，并联电容器以价格低廉、安装灵活、操作简单、运行稳定、维护方便而受到欢迎，已被用在电力系统中的各点上，为提高输电和配电的效率，保持电力系统无功功率平衡发挥了很大作用。并联电容器的一个缺点是其无功功率输出与电压平方成正比，结果是在低压时无功功率输出减小，而这时的系统却需要更多的无功功率；并联电容器的另一个缺点是电容器提供的无功功率在电压稳定时是不变的，不能随系统大功功率需求的改变而改变，是一种静态无功功率补偿装置，适用于大功功率需求稳定的场所，但即使这样，也容易造成欠补偿或过补偿。2.2.2并联电容器补偿无功功率的原理在交流电路中，纯电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流滞后电压90，纯电容负载中电流超前电压90。也就是说纯电容中的电流与纯电感中的电流相位相差180，可以互相抵消，即当电源向外供电时，感性负荷向外释放的能量内容性负荷储存起来；当感性负荷需要能量时，再出容性负荷向外释放的能量来提供。能量在两种负荷之间互相交换，感性负荷所需要的无功功率就可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达到补偿的目的。为了便于容易理解电容器补偿无功功率的原理，首先看一个简单的并联电路。假设电气负荷正电阻R和电感L组成的并联电路，对R、L电路进行人功功率补偿，就需要对电路并接人电容C，因而电容器补偿的等值电路与向量图如图2.2所示:在图2.2(a)所示的电路中，电流方程为 (2.9)电容器提供的无功功率为 (2.10)由公式(2.9)可知，当并联电容器不投入时，即不对负荷进行无功功率补偿，那么电源即要向负荷提供有功电流，还要提供无功电流，电源向负荷提供的总电流;当并联电容器投入时，即对负荷进行无功功率补偿，那么电源在向负荷提供有功电流的同时，提供无功电流为，电源向负荷提供的总电流，特别是当时，电源不需要向负荷提供无功电流，功率因数等于1。一般情况下，这是可能的情况有两种：当并联电容器的电容C较小，*时，负荷中的感性无功电流没有被完全补偿，这时电源的滞后，如图2.2(c)所示，这种补偿称为欠补偿；当并联电容器的电容C较大，会出现*的情况，这时负荷中的感性无功电流被完全补偿之后还有剩余容性电流，电源的超前，如图2.2(d)所示，这种补偿称为过补偿。通常不希望出现过补偿情况，因为这样会引起变压器二次侧电压的升高，且容性无功功率在线路上传输同样会增加电能损耗，还会增加电容器自身的损耗，影响电容器的寿命。 (a) R、L、C并联的等值电路 (b) R、L串联后与C并联的等值电路 (c) 欠补偿的向量图 (d) 过补偿的向量图图2.2 并联电容器补偿的等值电路图向量图2.3并联电容器的补偿方式和接线方式并联电容器组是电网中使用较广的一种专用于无功功率补偿的设备，它以其低廉的价格、方便的使用而受到广泛使用。其补偿原理前文己有叙述，这里不再介绍。按照电容器组安装位置的不同，并联电容器组无功功率补偿方式一般可以分为集中补偿方式、分散补偿方式和单机就地补偿方式三种。集中补偿方式：将电容器组直接安装在变电所的610KV母线上，用来提高整个变电所的功率因数，使该变电所的供电范围内无功功率基本平衡。可以减少高压线路的无功损耗，而且能够提高供电电压质量。分组补偿方式：将电容器组分别装设在功率因数较低的终端配电所高压或低压母线上，也称为分散补偿。这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅无功补偿容量和范围相对小些。但是分组补偿效果比较明显，采用的较为普遍。就地补偿方式：将电容器或电容器组装设在异步电动机或者电感性用电设备附近，就地进行无功补偿，也称为单独补偿或个别补偿方式。这种方式既能提高为用电设备供电回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量，对中小型设备十分适用。 采用并联电容器组方式的低压无功补偿技术根据电容器组投切开关的不同又可以有不同的方案。一种是采用空气接触器投切电容器组的方案，该方案具有经济实惠、价格低廉的优点，但是一般来说，其单柜的补偿容量比较小，并且存在合闸涌流大、合闸弹跳严重的缺点，会影响电容器使用寿命。另一种是采用可控硅投切电容器组的补偿方案，该方案具有在电压零点无涌流接通电流的优点，但是存在可控硅发热严重功耗较大、抗过电压抗电流冲击能力差、导通时会产生谐波等缺点。采用设计采用了并联电容组三角形接线方式，电容器的投切采用永磁真空同步开关，实现电容器组的投入过程无涌流。系统的原理如图2一6所示。2.4 无功补偿容量的确定无功补偿装置的用途就是为电网补偿无功功率，但是对电网的无功补偿容量不是随意的，需要根据电网的运行情况来确定，因此确定无功补偿容量成为必不可少的步骤。确定无功补偿容量最直接的方法就是从提高功率因数的需要来确定补偿容量。如果补偿线路有功功率为P1，补偿前的功率因数为cos1，补偿后的功率因数为cos2，则补偿容量可以用下述公式计算: (2.13)上式中QC表示线路中需要的补偿容量。对于补偿后的功率因数cos2的设定要适当，通常设为0.91.0之间的某个合适的值，该值不宜设的过高。例如对于一个有功功率为100kw功率因数为0.75的待补偿线路，如果将功率因数补偿到0.9，按照式2.13计算所得的补偿容量为39.5kvar，如果将功率因数补偿到1.0，计算所得的补偿容量则为88.2kvar，可以看出，在超过0.9的高功率因数下进行无功补偿其效益将显著下降。所以可能的情况下可以将补偿后功率因数适当设置的低些。对于并联电容器组补偿方式来说，电力电容器组额定容量与其接线方式有关。对于三相电路，电容器容量为: (2.14)上式中：QC表示电容器容量，单位kvar f为交流电网的频率，f=50Hz U为相电压，单位kV C为单相电容器值，单位F对于三相三角形接线的系统，线电压等于相电压，而对于三相星形接线的系统，线电压等于相电压的倍，对于同样的电容器组三角形接线的无功出力是星形接线的3倍，这也是将并联电容器组以三角形连接并联于电网的原因。2.5无功补偿的经济效益无功补偿的经济效益主要体现在减少无功功率在电网中的流动，提高电力系统有功输送容量和供电能力，降低输电线路因输送无功功率造成的输送线路损耗，节省投资，在有限的输电网络中最大可能地为用户输送更多地有功电能等几个方面。根据有功功率的计算公式2.5有: (2.15)由公式2.15可知负载电流I与线路功率因数cos成反比，如果线路输送的有功功率一定，那么功率因数提高则可使线路中的电流降低，根据线路损耗的计算公式可知，线损下降。安装无功补偿设备的最主要的目的就是为了提高线路的功率因数，从而降低线路损耗。以广东省中山供电局李拴怡的文章“低压无功补偿的综合经济效益”中所写数据为例，按中山供电局电网的供电量，根据有代表性的五个110kV变电站无功补偿的节能计算，在10kV系统装设10000kvar集中补偿，可在110kV网络中获得年节电60万kw.h之利。如果在380V低压系统中装设同样多的无功补偿，则在110kV及以下电网中，年节电量达80万kwh。这就等于给地方系统节省80万元电力建设资金。也就是说，每降损1kwh，可节省电力建设费1元。而给新用户输送的80万kwh/年电量，不需增加运行费。可以看出，其经济效益明显。3传统静止无功补偿装置所谓静止无功补偿是指它没有机械运动部件，与同步调相机相比，静止无功补偿器是完全静止的设备。但它的补偿是动态的，即根据无功的需求或电压的变化自动跟踪补偿。静止无功补偿系统中的各种无功补偿器都是用无功器件(电容器和电抗器)产生无功功率，并且根据需要调节容性或感性电流。静止补偿器的另一个特点是依靠晶闸管等电力电子器件完成调节或投切功能，它们可以频繁地调节或投切。其动作速度是毫秒级的，远比机械动作快。对于系统中平衡无功功率或不变动的无功功率常采用传统的电容器补偿或称为固定电容补偿(FC)，开关投切电容器(BSC)，由它们补偿无功的不动部分时和动态的补偿结合起来，形成静止无功补偿装置(SVC)。静止无功补偿装置主要有以下三大类型：一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置SR(Saturated Reactor)；第二类是晶闸管控制电抗器TCR(Thyristor control Reactor)晶闸管投切电容器TSC(Thyristor switch Capacitor)，这两类装置通称为SVC；第三类就是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置动态无功补偿器(SVG)。3.1具有饱和电抗器的无功补偿器（SR）具有饱和电抗器的无功补偿器(SR)根据电抗器的不同又可以分为自饱和电抗器无功补偿装置和可控饱和电抗器无功补偿装置两种。由饱和电抗器和固定电容器并联组成（带有斜率校正）的静止补偿器的原理图和伏安特性如下图所示。饱和电抗器SR具有这样的特性，当电压大于某值后，随着电压的升高，铁芯急剧饱和。从补偿器的伏安特性可见，在补偿器的工作范围内，电压的少许变化就会引起电流的大幅度变化。与SR串联的电容CS 是用于斜率校正的。图3.1 饱和电抗器型精致补偿器SR具有损耗大、有较大的振动和噪声、调整时间长、动态补偿速度慢等缺点，所以饱和电抗器型静止无功补偿器应用的比较少。3.2 晶闸管控制电抗器(TCR)由TCR与固定电容器并联组成的静止补偿器示于图3.2。电抗器与反相并联连接的晶闸管相串联，利用晶闸管的触发角控制来改变通过电抗器的电流，就可以平滑的调整电抗器吸收的基波无功功率。触发角从90变到180时，可使电抗器的基波无功功率从其额定值变到零。图3.2 晶闸管控制电抗器型静止补偿器 3.3晶闸管投切电容器(TSC)晶闸管控制电抗器常与晶闸管投切电容器TSC并联组成静止补偿器，其原理接线示于图3.3(a)。图中三组晶闸管投切电容器和一组固定电容器与电抗器并联。这种补偿的伏安特性如图3.3(b)所示，图中数字表示电容器投入的组数。 (a) 原理图 (b)伏安特性图3.3 晶闸管投切电容器型静止补偿器3.4 静止无功发生器SVG20世纪80年代以来出现了一种更为先进的静止型无功补偿装置，这就是静止无功发生器。它的主体部分是一个电压源型逆变器，其原理如图2.5所示。逆变器中六个可关断晶闸管（GTO）分别与六个二极管反向并联，适当控制GTO的通断，可以把电容C上的直流电压转换成与电力系统电压同步的三相交流电压，逆变器的交流侧通过电抗器或变压器并联接入系统。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活的改变SVG的运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷状态。图3.4 静止无功发生器SVG具有响应速度快、可以分相调节、可以实现对无功功率的连续补偿、谐波电流小、损耗低、噪声低等优点，但是它也有控制复杂的缺点。3.5小结表3.1各种静止无功补偿装置性能比较装置性能同步调相机（SC）饱和电抗器（SR）晶闸管控制电抗器（TCR）晶闸管投切电容器(TSC)混合型静止偿器静止无功发生器(SV静止同步补偿器(STATCOM)相应速度慢较快较快较快较快快快吸收无功连续连续连续分级连续连续连续控制方式简单不可控较简单较简单较简单复杂复杂谐波电流无大大大大小小分享调节有限不可可以有限可以可以可以损耗大较大中小小小小噪声大大小小小小小从无功功率补偿装置的应用来看，SVC装置控制简单、价格低、能满大多数用户对于无功功率补偿的需要，应用最为普遍，在电力系统和工矿企业用户中拥有广大市场，是并联无功补偿的主要装置。目前，国内外有关SVC的研究多集中在对其应用于输电补偿的各种场合时控制策略和方法的进一步探讨上，随着模糊控制、人工神经网络、专家系统等智能控制手段相继被引入SVC控制系统，使SVC系统的性能更加提高，但还有很多理论和实际运用的问题尚待解决。而对SVG的研究除了控制方法以外，还呈现出与有源电力滤波器相结合的发展趋势，但SVG控制复杂，所用全控器件价格昂贵，目前还没有普及。尤其在我国，大功率电力电子器件基本依赖进口，成本太高，此类装置的实用化尚需相当长的一段时间。而采用可关断器件的STATCOM装置，由于历史和价格的原因，目前在国内外应用的实例并不多。然而STATCOM是性能最优的无功补偿装置，是FACTS核心，值得加强研究和推广使用 。4 无功补偿控制器硬件电路设计控制器的核心为电网参数检测和包括控制在内的各种逻辑的实现。电网参数测量采用高精度多功能三相电能专用计量芯片AT7022A，能够准确测量所需的各项电网参数，为CPU的处理提供准确的数据。系统CPU采用ATMEL的Atmega64系列具有精简指令集结构的高性能处理器，完成电容投切的判断、通讯、显示、键盘、保护等一系列系统要求的多项逻辑功能。控制器硬件系统结构框图如图4.1所示。图4.1 系统总结构框图控制器主要包括用于测量电网参数的ATT7022A及其外围电路部分，为实现电容电压过零点投切以避免产生涌流而必须的相电压过零检测电路，为进行电压谐波分析而必须的相电压A/D采样，为投切电容器组做必要参考的电容器组当前状态检测部分，为保护装置内主要元件而设计的元件工作温度检测部分，输出控制动作的控制继电器输出部分，以及数据存储、实时时钟、通讯、液晶、键盘等必要的部分组成。控制器各个器件的工作电压都是直流+5V，即系统中只要求唯一的+5V直流电源，包括CPU、ATT7022A、液晶显示屏、存储芯片、时钟芯片、继电器、光电隔离器、运算放大器等的工作电压都是直流单+5V，不存在多个电源混合使用、多种逻辑电平并存的情况，这使控制器的电源设计大大简化。4.1 Atmega64(L)微处理器简介随着电力系统自动化水平的不断提高和人们对电力系统参数检测和控制的要求的不断提高，在控制系统中，需要处理的电网参数和数据量也越来越多，越来越大，对控制系统中的微处理器的要求也不断提高。传统的51和196等处理器由于速度较慢，集成度不高，片内资源不够丰富，抗干扰能力差等缺点逐渐凸现出来，相比现在不断涌现出来的新型的高速度、高集成度、具有丰富片内资源、具有更高的可靠性与抗干扰能力、价格更加低廉的新一代微处理器，越来越显示出其自身的不足。Atmega64(L)是ATMEL公司设计生产的具有精简指令发热高性能的8位微处理器理器，具有高速度、高集成度、丰富的片内资源、更高的可靠性与抗干扰能力、价格更加低廉的优点，是采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的新一代微处理器，其特点如下:先进的RISC结构。130条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期，工作于16MHz时性能高达16MIPS。只需两个时钟周期的硬件乘法器。非易失性程序和数据存储器。64K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命可达10，000次;2K字节的EEPROM，擦写寿命100，000次;4K字节片内SRAM;64K字节可选外部存储空间。可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密;通过SPI接口进行系统内编程。JTAG接口(与工EEE1149.1标准兼容)。符合JTAG标准的边界扫描功能，支持扩展的片内调试功能，通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的扩展16位定时器/计数器。具有独立振荡器的实时计数器RTC。两路8位PWM通道，6路编程分辨率从1到16位可变的PWM通道。8路10位ADC，8个单端通道，7个差分通道，2个具有可编程增益(1x，10x，或200x)的差分通道。面向字节的两线接口;可编程的串行USART;可工作于主机/从机模式的SP工串行接口。6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby 模式，软件选择时钟频率。具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。特殊的处理器特点:上电复位以及可编程的掉电检测;片内经过标定的RC振荡器。53个可编程的通用I/O口。以上特点使得Atmega64(L)得到了广泛的应用。 图4.2 ATmega64 的引脚4.2电量信号采集和预处理4.2.1计量芯片ATT7022A简介作为无功补偿控制器基础的电网参数测量部分在控制器中的地位不言而喻，准确测量电网参数是控制器一切工作的前提。为了能够满足控制器的测量电网参数要求，测量部分采用了高精度多功能三相电能专用计量芯片ATT7022A。ATT7022A是专为测量电网电能而设计的高精度芯片，包含了电网常用的各项参数测量功能。1、ATT7022A芯片特性有功精度满足0.2S、0.5S，动态范围1000:1支持IEC62053-22的要求。无功精度满足0.5S，动态范围1000:1支持IEC1268。提供有功、无功电能脉冲输出。当任意一项功率反相时，有反相指示。提供正向和反向有功/无功电能数据。可测量各相和合相瞬时有功、无功、视在功率。可测量各相电压、电流、功率因数，相位以及合相功率因数、相位。可测量电网频率，电压信号夹角。提供电压相序及断相检测功能，提供电流相序检测功能。提供失压判断功能。对三相四线应用，提供三相电流相量和的有效值。具有SPI接口，方便的进行软件调试电表，读测量数据。适用于三相三线和三相四线模式。可测量含21次谐波的有功和无功功率。ATT7022A支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功电能脉冲输出CF1、CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。ATT7022A提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递。所以计量参数都可以通过SPI接口读出。ATT7022A内部的电压监测电路可以保证芯片加电和断电时正常工作。ATT7022A的外围电路设计主要包括电源、电压及电流模拟输入、脉冲输出及SPI通讯接口电路等几部分。2、内部原理框图图4.3 ATT7022A的内部原理框图3、引脚说明V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N为输入电流信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大信号电平为 1.5V，两个引脚内部都有ESD 保护电路。V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N为输入电压信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大输入电压为1.5V，两个引脚内部都有ESD 保护电路。REFCAP：基准电压2.4V，可以外接；该引脚应使用10F电容并联0.1F瓷介电容进行滤波去耦。REFOUT：基准电压输出2.4V，用作外部信号的直流偏置。图4.4 ATT7022B引脚图SEL：输入端口，输入为低电平时选择三相三线方式、高电平时选择三相四线方式，内部300K上拉电阻。CF1、 CF2：输出有功无功电能脉冲，其频率反映合相平均有功功率的大小，常用于仪表有功无功功率的校验，也可以用作电能计量。CS：SPI 片选信号，低电平有效。SCLK：输入端口，SPI串行时钟输入（上升沿放数据，下降沿取数据）。DIN：SPI串行数据输入，DOUT为SPI串行数据输出。OSCI：系统晶振的输入端，或是外灌系统时钟输入。晶振频率为24.576MHz。OSCO：晶振的输出端。REVP：输出端，当检测到任意相的有功功率为负时，输出高电平。 AGND：电源模拟电路(即ADC和基准源)的接地参考点。AVCC：电源，该引脚提供ATT7022A模拟电路的电源，正常工作电源电压应保持在5V5%，为使电源的纹波和噪声减小至最低程度，该引脚应使用10F电容并联0.1F瓷介电容进行去耦。GND：数字地引脚VDD：内核电源输出3.3V。外接10F电容并联0.1F瓷介电容进行去耦。VCC：数字电源引脚；正常工作电源电压应保持在5V5%，该引脚应使用10F电容并联0.1F瓷介电容进行去耦。4.2.2系统前向输入通道设计ATT7022A的电源部分设计结合CPU的电源要求统一考虑，在系统电源设计里单独论述，这里不作单独阐述。从电网接入的大电压、大电流不能直接接入计量芯片的输入中，必须经过变换电路转换为小电压、小电流。一般电压电流采样有两种方法：一是采用精密电阻输入变换电路，进行分压分流得到小电压小电流；二是采用电压电流互感器。采用精密电阻电路不会引起相角误差，但对电阻要求较高，电阻要求具有足够高的准确度、足够大的功率温度系数和长期稳定性。因此，在本设计中采用精密的互感器转换方式。0.5级以下的电子电能表用的互感器二次侧负载较小，因此可以做的很小，铁心采用高导磁率系数的坡莫合金或优质钢带制成，以减小铁心损耗和有限导磁率所产生的相角差。本文阐述的无功补偿控制器测量电网参数采取三相四线制接线，根据ATT7022A的输入通道特点，结合所测量电网电压可能的变化范围，系统前向模拟信号输入通道原理设计如图4.5所示。图中只画出一相的原理图，其它两相与之相同。（a）电压输入通道（b）电流输入通道图4.5 前向模拟信号输入通道前向模拟信号输入通道主要包括信号的变换与隔离，信号的采样与放大、输入信号电平抬升和低通滤波等部分。(1)电压输入电压输入采用元星电子公司生产的TV31B-02型电流型电压互感器16。元星TV31系列电流型电压互感器，采用印刷线路板安装方式，安装方便，采用环氧树脂灌封，绝缘强度高，磁芯为坡莫合金，主要用于高精度、小相位误差的电压、功率和电能监测设备。 TV31B电流型电压互感器，一次侧串接功率电阻后并联与线路中，互感器电流比为2mA/2mA，次级电路不允许开路使用。在三相四线制系统中，A、B、C三相相对于中线N的电压为220V，先通过串接功率电阻的方法将电压转换为电流，再通过互感器将电流转换成电压的方式。该方式采用了互感器，可以将芯片与电网进行有效地隔离，从而获得良好的抗干扰性。电压通道使用的电压互感器电流比为2mA/2mA，所以串接功率电阻的阻值选择为（额定电压为220V）: (4.1)0.13 K为TV31B-02的初级电阻选择带电阻R=110K (1/2W)。考虑电压通道的ADC输入电压的参数一般取0.5V,互感器副边取样电阻为： (4.2)采样电阻阻值选择为250。输入信号电平抬升采用芯片内部REFOUT引脚提供的2.4V电压。低通抗混叠滤波器的设计采用简单的阻容式低通滤波器，电阻电容值采取芯片厂商推荐值。（2）电流输入电流输入采用元星TA20型精密交流电流互感器17，该系列电流互感器采用环氧树脂灌封结构，输入线圈为内置式，次级引线引出，安装迅速、使用方