基于單片機的無功補償控制裝置設計

嚴智敏

摘 要：電網在無功功率不穩定和散熱條件較差的環境下往往會出現由傳輸極限和動態穩定性引起的低頻震蕩隱患。本文針對這一問題，基于AVR 系列單片機中的ATMGEA48單片機，通過實驗，進一步完善靜止式無功補償裝置（SVC）的功能。

關鍵詞：SVC；低頻震蕩；智能化；低壓電網

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.106

0 引言

電網往往因為鋼鐵、軌道交通、石化公司等企業大型用電設備所帶來的工業負荷將諧波污染注入其中。當然還有氬弧焊、精密空調、瞬時短路等短時間快速增大負荷的民用符合也會將諧波污染注入其中。這種諧波污染的主要特征包括：一是負荷電壓在有功或無功狀態下不規則波動，這對用電器的安全使用是有害的；二是高次諧波不規則產生，導致公用電網中顯性檢測值異常；三是供電系統的自然功率因數比正常值較低。個別情況下會導致三相不對稱性產生的負序分量。

1 靜止無功補償器（SVC）

1.1 主要問題

從現有的文獻和實踐中可以得知，采用該裝置可以有效穩定系統電壓，從而達到優化電網系統的無功功率的目的。現有的低壓SVC存在的主要問題在于：其一，無功補償算法結構性設計問題。以家用無功補償裝置常見算法鮑威爾算法為例，該算法采用的是向量機原理設計，是一個NP難問題，隨著影響因素及待測數據的快速增加，算法難以實現快速求得全局最優解；其二，SVC裝置控制器設計問題。例如，基于PIC單片機[1]，該單片機的控制器未能充分解決該設備的機電模式呈現弱阻尼乃至負阻尼，引發各發電機功角間的相對搖擺和母線電壓及傳輸線功率等參數的持續振蕩的問題；其三，SVC裝置投切開關設計問題[2]；在目前的市面上常見的SVC的控制器設計往往因為壓縮成本的需要，將無功補償控制依據設置為功率因數，因此這樣的無功補償裝置僅僅檢測一相電流，往往在SVC裝置中產生 “欠補”或“過補”現象。其四，SVC裝置電容器設計不足[3]。當系統輕載且負荷波動時，由于電容器設計方面的不足，對于投切電容器進行補償的裝置，往往因為電容器投切開關的振蕩和頻繁投切，而使得投切開關的無法承受頻繁投切的操作。

在SVC裝置類型中的TRC和TSC不斷優化的同時，SVC在市場上的價格越來越容易被接受，目前已經可以實現工業化推廣。不過，在某些特定環境下，市面上常見的SVC往往無法滿足廠家對其精度、感性、容性等方面的要求，其控制不合理、散熱不良的問題也暴露無遺。

1.2 工作原理

根據SVC無功補償控制框圖。可知，靜止無功補償器（SVC）的投切裝置一般選用的是晶閘管。采用晶閘管優勢在于可以快速滿足系統無功功率的動態補償的需求；其劣勢表現在響應速度不理想、諧波污染無法有效控制規模、參數設置不合理會導致“欠補”或“過補”現象的產生。同當前電網系統中廣泛應用快速勵磁裝置一道，跨區大容量遠距離送電已經呈現常態化發展趨勢，諧波污染已成為影響電網系統和諧運行的重要影響因素。

SVC一般由數據檢測模塊、控制模塊、輸出模塊等組成。工作原理可以描述為：首先利用檢測模塊得到數字化的監控指標信號；其次，將該信號傳送至控制模塊。控制模塊負責計算補償參數，并將參數傳送至逆變電路，并有該電路實際控制補償電流的輸出；最后，SVC 利用輸出模塊中的自換相橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或直接調節交流側電流的相位和幅值實現補償系統無功功率準確的動態補償。SVC輸出電壓幅值大于系統電壓幅值時，輸出容性無功功率；當輸出電壓幅值小于系統電壓幅值時輸出感性無功功率。

1.3 SVC裝置的優勢

同互聯電網、智能電網概念的建設一道，基于單片機的無功補償控制裝置設計的要求也越來越高。利用SVC技術可以有效提高系統補償后的功率因數、有效提升電網系統的響應速度、有效降低諧波污染對電網的影響、有效增加無功補償裝置的使用壽命等等優勢。

2 基于單片機的低壓無功補償裝置SVC的實現

本文以AVR 系列單片機中的ATMGEA48單片機為例，設計一款基于該型號的低壓無功補償裝置SVC。以AVR 系列單片機中的ATMGEA48單片機為基礎的SVC具有運行穩定、造價低廉、性價比高等特點。本文設計的裝置工作原理是：首先，借助數模轉換器實現三相主控信號的數模轉換；其次，將數字化的主控信號送給控制核心AVR 系列單片機中的ATMGEA48單片機；最后，ATMGEA48單片機通過運算獲取到無功功率和輸出信號。這種設計方式的優勢在于：將無功功率作為補償依據，不會造成輕載時電容器的頻繁投切導致的振蕩，從而在控制精度，響應速度方面得到了提升。

單片機AVR 系列單片機中的ATMGEA48采用單總線結構，具有6路A/D采集通道，產生50Hz交流信號，周期20ms，“+5V”電壓，MC1413為“+12V”，交集采集抬電壓“+1.5V”，手動開關為“～220V”。

電壓互感器和電流互感器檢測到的電壓與電流信號分別送到模數轉換芯片ADC0809的INO，IN1口。ADC0809將數字信號送到AVR 系列單片機中的ATMGEA48單片機中，經過計算，由P2，P3口與8255A的PA ，PB ，PC口輸出32位控制信號。

3 實驗結果分析

本文設計的測試裝置基本原理是：利用電源對本文提出的基于SVC設計的低壓無功補償裝置施加恒定的電壓，通過電流測量結果，測算實測電壓值，對比驗證本文提出的裝置在無功補償控制方面的效果。在下列實驗中，假設輸入電壓由0逐步增加只220V，用上位機所測得的實際值，由于各項采集電路雷同，因此只選取了其中一項電壓進行測試。

由A/D采樣線性度測試可知，輸入電壓由0逐步增加到220V的過程中，采樣電壓與輸入電壓呈現正比例變化，能夠到達預期電壓339V，且線性度較好。

參考文獻：

[1]王順平，張振國，辛利斌，封繼軍，劉冬.基于PIC單片機的無功補償器設計[J].電子科技，2016（05）：71-74.

[2]張貴生，周孟然，朱艷娜.基于單片機的智能動態無功補償裝置研究[J].科技視界，2015（15）：30+87.

[3]王強，馬彬.基于單片機控制的低壓電網無功補償研究[J].數字技術與應用，2015（08）：8-9.