1、安徽工程大學學士學位論文 目錄摘要電壓是電能質量的重要指標之一，網損是電力企業的一項重要綜合性技術經濟指標。長期以來電力系統網絡損耗問題比較突出，而無功補償是降低線損的有效手段。隨著電力系統負荷的增加，對無功功率的需求也日益增加。在電網中的適當位置裝設無功補償裝置成為滿足電網無功需求的必要手段。本文從無功補償的現實意義出發，分析了無功補償的必要性和經濟效益。簡單介紹了目前無功補償研究的現狀，探討無功補償的原理并對主要的幾種無功補償方式進行了簡要的分析，給出本文設計用于并聯電容器組補償方式的智能低壓無功補償裝置的研究任務。裝置采用ATT7022A檢測電網運行參數，減少了CPU運算量，提高電網參數

2、辨識的精度，并可以簡化系統軟件設計。系統以Atlmega64處理器為控制核心，采用功率因數控制和電壓限制相結合的方式工作，并給出采用永磁真空開關在特定電壓相角投切電容器的方法，有效解決了電容器投切過程中在線路上產生涌流的缺點，并設有多種保護措施，保護系統可靠、穩定運行。裝置還設計了友好的人機接口和通訊接口，使用方便。關鍵詞：無功補償、并連電容器、ATT7022A、Atlnega64ABSTRACTVoltage is one of important quality index of electric power system. Power loss is an important synth

3、esis 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 bec

4、ame 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

5、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 capac

6、itor 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 metho

7、d 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 diminis

8、hed. 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, Atmega6481目錄1 緒論11.1課題背景11.2課題研究的目的和意義11.3無功補償的歷史與現狀3

9、1.4 本文研究的主要內容52 無功補償的基本理論62.1交流電路的無功功率62.2并聯電容器補償無功功率的原理82.4 無功補償容量的確定132.5無功補償的經濟效益143傳統靜止無功補償裝置163.1具有飽和電抗器的無功補償器（SR）163.2 晶閘管控制電抗器(TCR)173.3晶閘管投切電容器(TSC)183.4 靜止無功發生器SVG193.5小結194 無功補償控制器硬件電路設計214.1 Atmega64(L)微處理器簡介224.2電量信號采集和預處理244.3 A相電壓零點檢測單元324.4 A相電壓信號調理單元334.5電容狀態檢測單元344.6 數據存儲單元354.7實時時鐘

10、電路374.8液晶顯示和鍵盤電路384.9 溫度檢測部分404.10通訊部分414.11系統電源和電源監控電路424.12繼電器輸出電路474.13 硬件電路抗干擾設計486 結論與展望606.1論文總結606.2本文的不足及課題展望60參考文獻62附錄65附錄一 英文資料65附錄二 中文翻譯73安徽工程大學學士學位論文 無功補償裝控制器硬件電路設計1 緒論1.1課題背景近30年來，由于超高壓遠距離輸電系統的發展，電網中無功功率的消耗也日益增大。低壓電網中，隨著居民生活水平的提高和家用電器的普及，以及小工業用戶的增多，電網的功率因數大都比較低，尤其是電力電子裝置的應用日益廣泛，而大多數電力電子

11、裝置的功率因素很低，造成電網供電質量下降，也給電網帶來額外負擔。因此，利用無功補償技術正成為當前世界各國電力設計及決策人員的共識，無功補償裝置的投資己被列入電力投資的整體規劃中，成為一個不可缺少的環節。現在，美國電力主網設備的功率因素已接近于1，原蘇聯法律規定功率因素應大于0.92，日本等國還建立了全國性的無功管理委員會，研究無功補償方面的技術經濟政策。從實際情況看，世界上工業比較發達的國家，其電網功率因數都比較高。因此，大力提高電網功率因素，降低線損，節約能源，挖掘發電設備的潛力，是當前電力網發展的趨勢。1.2課題研究的目的和意義有功功率與視在功率的比值稱為功率因數，無功功率的存在使功率因數

12、降低，造成如下影響：(1)當有功功率不變時，功率因數低，使發電機和變壓器的容量增大，不能充分發揮原有供電設備的效率。(2)在線路輸送有功功率相同的情況下，功率因數低，使線路中的電流增加，電壓損失增加，給感應電動機的啟動、運行造成困難，導致供電質量下降。若增大導線截面積，相應的增加了有色金屬的消耗量。(3)當電網電壓及有功功率不變時，功率因數低，使輸電線路中的無功電流增大，功率損耗增加，引起發電機端電壓的下降。具體說來提高功率因數有如下作用：·提高電力網的傳輸能力·減少電壓損失，提高電壓質量·減少線路損失·降低變壓器的損耗·增加變壓器的輸出功率目

13、前，低壓電網中的負荷大部分是感性負載，因此在電網中安裝并聯電容器可以供給感性電抗消耗的部分無功功率。并聯電容器補償簡單經濟，靈活方便。但當今電力系統中存在著大量如軋鋼機、電弧爐、電氣化鐵道等無功功率頻繁變化的設備，這就要求補償裝置能夠根據負荷的變化進行動態補償。而并聯電容器只能補償固定無功，容易造成過補或欠補，無法滿足電力系統的實際需要，還有可能和系統發生并聯諧振，導致諧波放大。因此，能根據負荷無功功率的變化對分組的補償電容器組進行自動投切以實現對無功功率動態補償的裝置，目前在國內外得到廣泛應用。解決電網中有功功率損耗大、壓降大的最切實可行的辦法就是采用高性能的無功功率補償裝置，就地補償負載的

14、感性無功功率。因此，尋求一種能綜合現有多種補償裝置的優點，且成本較低的無功功率補償裝置，使其能實時檢測供電系統需要補償的無功功率，對系統進行跟蹤補償，是低壓電網改造和建設中迫切需要解決的問題。本課題就是在此基礎上提出的。1.3無功補償的歷史與現狀1.3.1無功補償的分類無功補償可以分為串聯補償和并聯補償。串聯補償的目的在于控制線路的阻抗參數，歐美一些國家普遍采用串聯補償來提高輸電線的傳輸能力。而我國大多采取并聯補償的方式來補償系統無功，并聯補償的目的在于控制線路的電壓參數。并聯補償按補償對象不同可分為系統補償和負荷補償兩大類。系統補償通常指對交流輸配電系統進行補償，目的是維持電網樞紐點處的電壓

15、穩定，提高系統的穩定性，增大線路的輸送能力以及優化無功潮流、降低線損等。負荷補償通常是指在靠近負荷處對單個或一組負荷的無功功率進行補償，目的是提高負荷的功率因數，改善電壓質量，減少或消除由沖擊性負荷、不對稱負荷、非線性負荷等引起的電壓波動、電壓閃變、三相電壓不平衡及電壓和電流波形畸變等危害。負荷補償可分為靜態補償和動態補償。靜態補償是根據三相負荷的平衡化原理，通過在負荷點串、并入無功導納網絡，把三相不對稱負荷補償成對供電系統來說是三相對稱的。該方法優點是結構和控制簡單、造價低，缺點是對工業電弧爐、電焊機等動態負荷難以達到理想的補償效果。真正意義上的不對稱負荷動態補償是從1977年Grandpi

16、erre提出分相控制的靜止無功補償器SVC(Static Var Compensatory)的方法后開始的。分相控制的SVC能根據系統的實際情況，通過調整可控硅觸發角來改變SVC的各相補償度，從而達到補償負荷負序分量和調整負荷功率因數的目的。因此，該方法一提出就受到了普遍關注。1.3.2 國內外研究現狀及趨勢電力系統是一個典型的非線性大系統，隨著社會的進步，經濟的發展，社會對電力的需求不斷增加，使現代電力系統發展迅速，系統日趨復雜。大機組、重負荷、超高壓遠距離輸電，大型互聯網絡的發展，以及對電力系統安全性、經濟性及電能質量的高要求，使柔性輸電系統（FACTS）技術成為目前電力系統的一個重要的研

17、究領域。傳統的無功補償設備可滿足一定范圍內的無功補償要求，但存在響應的速度慢，故障維護困難等缺點。靜止無功補償器（SVC）近年來獲得了很大發展，已被廣泛用于輸電系統波阻抗補償及長距離輸電的分段補償，也大量用于負載無功補償。其典型代表是固定電容器+晶閘管控制電抗器（TCR）。晶閘管投切電容器也獲得了廣泛的應用。除了在控制器件方面的改進，隨著人工智能技術的不斷發展，在控制方法上也有很大的進步。采用模糊神經網絡、自適應控制等智能型控制方法，研制能同時對電壓、無功功率、三相不平衡、諧波等進行綜合調節和補償控制的裝置已經成為大家的共識。目前，在城市配電網公用變壓器低壓側，由于用戶家用電器感性負載的不斷增

18、加，使得其功率因數較低，導致公用變壓器低壓側線路損耗大，供電電壓指標不能滿足用戶要求。因此，在公用變壓器低壓側進行無功功率補償已成為目前研究的另一個熱門。國外，城市、農村電網是否安裝戶外無功補償已成為衡量配電網性能的主要指標之一。在日本，配電網系統戶外補償電容器的自動投切率已達86.4%；在美國，許多城市道路旁的電線桿上裝有并聯電容器組，并采用自動裝置控制。國內，無功補償主要采用變電站集中補償和企業就地補償兩種形式。據統計，當前，國內典型城鄉配電網無功損耗情況如下：按電壓等級劃分，0.4k級損耗占50%，10kV級占30%，35kV以上占20%。在農村，長距離供電較為普遍，10kV線路損耗較大

19、；在城網中，配網損耗主要在0.4kV側，因此，做好10kV等級電壓以下的無功補償具有重要意義。近年來，由于計算機技術的發展，無功補償技術已得到很大的改進，無功補償裝置的發展已進入一個新的階段。然而，許多電網仍存在補償不足，調節手段落后，電壓偏低，損耗增大等問題。1.4 本文研究的主要內容本文首先分析無功補償的重要意義，以無功補償技術的原理為基礎，研制真空開關投切電容器組的無涌流低壓無功補償裝置，分析和探討如何設計多功能、智能化的能夠更加合理的進行電容器組投切的無功補償裝置。主要包括以下幾個方面: ·分析無功功率補償的基本原理和方法 ·分析無功功率補償的容量確定 ·

20、根據要求設計用于三相四線制低壓電網的無功補償裝置，完成控制器 的硬件設計。控制器的設計需要著重考慮以下幾個方面: ·電網運行參數的準確獲得，為后續計算提供可靠數據 ·根據補償要求確定無功補償容量 ·確定電容器組的投切。采用合理的控制策略避免投切電容時造成涌流， 避免產生電容器組的投切振蕩等問題。 ·系統運行狀態的監控和重要數據的保存。2 無功補償的基本理論無功功率的概念是與交流電和非純阻性負載聯系在一起的。在直流系統或者純阻性負載的系統中不存在無功功率的概念，也就不存在無功補償問題。2.1交流電路的無功功率在正弦交流電路中，如果負載是線性的，電路中的電壓

21、和電流都是正弦波。圖2.1 無源一端口網絡對于如圖2.1所示的內部不含有獨立電源，僅含電阻、電感和電容等無源元件的一端口，設電路中正弦交流電壓為 (2.1)一端口等效負載為Z，則流過負載電路中的電流為 (2.2)當負載Z不是純阻性時，流過負載的電流就會和電壓有一個相角差值，即，此時電流表示為 (2.3)其中為負載的模。如果把電流i分解為和電壓同相位的分量和ip與電壓垂直的分量iq,則 ip和iq分別為: (2.4)此時電路的有功功率P就是其平均功率，即： (2.5)可以看出，有功功率P不再是電壓U和電流I的有效值乘積，還要乘以二者夾角的余弦值。電路的無功功率定義為: (2.6)可以看出，Q就是

22、式2.5中被積函數的第2項無功功率分量uiq的變化幅度。uiq的平均值為零，表示了其有能量的流動但是卻并不消耗功率。Q則表示了這種能量交換的幅度。從式2.5中可以看出，真正消耗功率的是被積函數的第1項有功分量uip產生的。因此，可以把式2.4描述的ip和iq分別稱為正弦電路的有功電流分量和無功電流分量。無功電流分量的產生是由于系統中含有電感性或電容性的負載而產生的，該電流用于建立磁場或靜電場，存儲于電感或電容中，并往返于電源與電感或電容之間，并不會象有功功率那樣被消耗掉。電路中將電壓u和電流i的有效值乘積定義為視在功率，即: (2.7)視在功率只是電壓有效值和電流有效值的乘積，它并不能準確反映

23、能量交換和消耗的強度，并且在一般電路中，視在功率并不遵守能量守恒定律。從式2.5、2.6和式2.7可以看出，有功功率、無功功率、視在功率在數值上滿足如下關系: (2.8)在正弦波網絡中，當負載為感性時，線路電壓相位會超前線路的電流相位，即此時的>0，無功功率Q>0，我們說網絡“吸收”感性無功功率，也可以說是“發出”容性無功功率;當負載為容性時，線路電壓相位會滯后線路的電流相位，即此時的<0，無功功率Q<0，我們說網絡“吸收”容性無功功率，也可以說是“發出”感性無功功率。無功功率的“發出”和“吸收”不同于有功功率的發出和吸收，這只是一種習慣說法而已。2.2并聯電容器補償無

24、功功率的原理2.2.1概述靜態無功功率補償指阻抗固定，其補償容量不能實時跟蹤負荷無功功率的變化，主要是用于提供固定無功功率補償容量的一種無功功率補償方式。無功功率補償裝置接入系統的方式有兩種：并聯和串聯。以并聯方式接入系統的無功功率補償裝置稱為并聯無功功率補償以串聯方式接人系統的無功功率補償裝置稱為串聯無功功率補償。并聯補償方式因為接線簡單、操作方便、對系統可靠性影響小而廣泛使用，串聯補償方式因為接線復雜、操作不方便、對系統可靠件影響大順使使用范圍受到限制，一般是在并聯補償方式不能滿足技術要求的情況下才使用。用于電力系統無功功率補償的靜態無功功率補償裝置有并聯電容器、并聯電抗器、串聯電容器、串

25、聯電抗器及其組合。并聯電容器用于補償感性大功功率，并聯電抗器用于補償容性無功功率。串聯電容器和串聯電抗器也常用于電力系統。單獨使用時，串聯電容器用于補償線路等效感抗、降低線路感性無功功率流動和提高線路受電端的電壓串聯電抗器用于限制系統短路電流、補償線路等效容抗和降低線路容性無功功率流動；混合使用時，一般是串聯電抗器串聯在并聯電容器支路中，然后與并聯電容器一起接入系統，補償高頻無功功率，起到抑制高次諧波以及保護并聯電容器的作用。由于串聯電容器和串聯電抗器不如并聯電容器和并聯電抗器方便，無功功率補償效果也不及并聯電容器和并聯屯抗器，因此，靜態無功功率補償主要采用并聯電容器和并聯電抗器。并聯電容器首

26、先是在20世紀10年代中期用于功率因數的校正。但是，由于早期的電容器使用油作為絕緣介質，體積和重量太大而且價格很貴，電容器的應用受到限制。20世紀30年代，由于在電容器生產中引入了較便宜的絕緣材料和其他改進，使得其價格和體積有大幅度下降。因此，自20世紀30年代后期，電容器的使用有顯著的增加。發展到今天，并聯電容器成為一種提供大功功率的非常經濟的電力裝置，并聯電容器以價格低廉、安裝靈活、操作簡單、運行穩定、維護方便而受到歡迎，已被用在電力系統中的各點上，為提高輸電和配電的效率，保持電力系統無功功率平衡發揮了很大作用。并聯電容器的一個缺點是其無功功率輸出與電壓平方成正比，結果是在低壓時無功功率輸

27、出減小，而這時的系統卻需要更多的無功功率；并聯電容器的另一個缺點是電容器提供的無功功率在電壓穩定時是不變的，不能隨系統大功功率需求的改變而改變，是一種靜態無功功率補償裝置，適用于大功功率需求穩定的場所，但即使這樣，也容易造成欠補償或過補償。2.2.2并聯電容器補償無功功率的原理在交流電路中，純電阻元件中負載電流與電壓同相位，純電感負載中電流滯后電壓90°，純電容負載中電流超前電壓90°。也就是說純電容中的電流與純電感中的電流相位相差180°，可以互相抵消，即當電源向外供電時，感性負荷向外釋放的能量內容性負荷儲存起來；當感性負荷需要能量時，再出容性負荷向外釋放的能量

28、來提供。能量在兩種負荷之間互相交換，感性負荷所需要的無功功率就可從容性負荷輸出的無功功率中得到補償，實現了無功功率就地解決，達到補償的目的。為了便于容易理解電容器補償無功功率的原理，首先看一個簡單的并聯電路。假設電氣負荷正電阻R和電感L組成的并聯電路，對R、L電路進行人功功率補償，就需要對電路并接人電容C，因而電容器補償的等值電路與向量圖如圖2.2所示:在圖2.2(a)所示的電路中，電流方程為 (2.9)電容器提供的無功功率為 (2.10)由公式(2.9)可知，當并聯電容器不投入時，即不對負荷進行無功功率補償，那么電源即要向負荷提供有功電流，還要提供無功電流，電源向負荷提供的總電流;當并聯電容

29、器投入時，即對負荷進行無功功率補償，那么電源在向負荷提供有功電流的同時，提供無功電流為，電源向負荷提供的總電流，特別是當時，電源不需要向負荷提供無功電流，功率因數等于1。一般情況下，這是可能的情況有兩種：當并聯電容器的電容C較小，*時，負荷中的感性無功電流沒有被完全補償，這時電源的滯后，如圖2.2(c)所示，這種補償稱為欠補償；當并聯電容器的電容C較大，會出現*的情況，這時負荷中的感性無功電流被完全補償之后還有剩余容性電流，電源的超前，如圖2.2(d)所示，這種補償稱為過補償。通常不希望出現過補償情況，因為這樣會引起變壓器二次側電壓的升高，且容性無功功率在線路上傳輸同樣會增加電能損耗，還會增加

30、電容器自身的損耗，影響電容器的壽命。 (a) R、L、C并聯的等值電路 (b) R、L串聯后與C并聯的等值電路 (c) 欠補償的向量圖 (d) 過補償的向量圖圖2.2 并聯電容器補償的等值電路圖向量圖2.3并聯電容器的補償方式和接線方式并聯電容器組是電網中使用較廣的一種專用于無功功率補償的設備，它以其低廉的價格、方便的使用而受到廣泛使用。其補償原理前文己有敘述，這里不再介紹。按照電容器組安裝位置的不同，并聯電容器組無功功率補償方式一般可以分為集中補償方式、分散補償方式和單機就地補償方式三種。集中補償方式：將電容器組直接安裝在變電所的610KV母線上，用來提高整個變電所的功率因數，使該變電所的供

31、電范圍內無功功率基本平衡。可以減少高壓線路的無功損耗，而且能夠提高供電電壓質量。分組補償方式：將電容器組分別裝設在功率因數較低的終端配電所高壓或低壓母線上，也稱為分散補償。這種方式具有與集中補償相同的優點，僅無功補償容量和范圍相對小些。但是分組補償效果比較明顯，采用的較為普遍。就地補償方式：將電容器或電容器組裝設在異步電動機或者電感性用電設備附近，就地進行無功補償，也稱為單獨補償或個別補償方式。這種方式既能提高為用電設備供電回路的功率因數，又能改善用電設備的電壓質量，對中小型設備十分適用。 采用并聯電容器組方式的低壓無功補償技術根據電容器組投切開關的不同又可以有不同的方案。一種是采用空氣接觸器

32、投切電容器組的方案，該方案具有經濟實惠、價格低廉的優點，但是一般來說，其單柜的補償容量比較小，并且存在合閘涌流大、合閘彈跳嚴重的缺點，會影響電容器使用壽命。另一種是采用可控硅投切電容器組的補償方案，該方案具有在電壓零點無涌流接通電流的優點，但是存在可控硅發熱嚴重功耗較大、抗過電壓抗電流沖擊能力差、導通時會產生諧波等缺點。采用設計采用了并聯電容組三角形接線方式，電容器的投切采用永磁真空同步開關，實現電容器組的投入過程無涌流。系統的原理如圖2一6所示。2.4 無功補償容量的確定無功補償裝置的用途就是為電網補償無功功率，但是對電網的無功補償容量不是隨意的，需要根據電網的運行情況來確定，因此確定無功補

33、償容量成為必不可少的步驟。確定無功補償容量最直接的方法就是從提高功率因數的需要來確定補償容量。如果補償線路有功功率為P1，補償前的功率因數為cos1，補償后的功率因數為cos2，則補償容量可以用下述公式計算: (2.13)上式中QC表示線路中需要的補償容量。對于補償后的功率因數cos2的設定要適當，通常設為0.91.0之間的某個合適的值，該值不宜設的過高。例如對于一個有功功率為100kw功率因數為0.75的待補償線路，如果將功率因數補償到0.9，按照式2.13計算所得的補償容量為39.5kvar，如果將功率因數補償到1.0，計算所得的補償容量則為88.2kvar，可以看出，在超過0.9的高功率

34、因數下進行無功補償其效益將顯著下降。所以可能的情況下可以將補償后功率因數適當設置的低些。對于并聯電容器組補償方式來說，電力電容器組額定容量與其接線方式有關。對于三相電路，電容器容量為: (2.14)上式中：QC表示電容器容量，單位kvar f為交流電網的頻率，f=50Hz U為相電壓，單位kV C為單相電容器值，單位µF對于三相三角形接線的系統，線電壓等于相電壓，而對于三相星形接線的系統，線電壓等于相電壓的倍，對于同樣的電容器組三角形接線的無功出力是星形接線的3倍，這也是將并聯電容器組以三角形連接并聯于電網的原因。2.5無功補償的經濟效益無功補償的經濟效益主要體現在減少無功功率在電網

35、中的流動，提高電力系統有功輸送容量和供電能力，降低輸電線路因輸送無功功率造成的輸送線路損耗，節省投資，在有限的輸電網絡中最大可能地為用戶輸送更多地有功電能等幾個方面。根據有功功率的計算公式2.5有: (2.15)由公式2.15可知負載電流I與線路功率因數cos成反比，如果線路輸送的有功功率一定，那么功率因數提高則可使線路中的電流降低，根據線路損耗的計算公式可知，線損下降。安裝無功補償設備的最主要的目的就是為了提高線路的功率因數，從而降低線路損耗。以廣東省中山供電局李拴怡的文章“低壓無功補償的綜合經濟效益”中所寫數據為例，按中山供電局電網的供電量，根據有代表性的五個110kV變電站無功補償的節能

36、計算，在10kV系統裝設10000kvar集中補償，可在110kV網絡中獲得年節電60萬kw.h之利。如果在380V低壓系統中裝設同樣多的無功補償，則在110kV及以下電網中，年節電量達80萬kw·h。這就等于給地方系統節省80萬元電力建設資金。也就是說，每降損1kw·h，可節省電力建設費1元。而給新用戶輸送的80萬kw·h/年電量，不需增加運行費。可以看出，其經濟效益明顯。3傳統靜止無功補償裝置所謂靜止無功補償是指它沒有機械運動部件，與同步調相機相比，靜止無功補償器是完全靜止的設備。但它的補償是動態的，即根據無功的需求或電壓的變化自動跟蹤補償。靜止無功補償系統中

37、的各種無功補償器都是用無功器件(電容器和電抗器)產生無功功率，并且根據需要調節容性或感性電流。靜止補償器的另一個特點是依靠晶閘管等電力電子器件完成調節或投切功能，它們可以頻繁地調節或投切。其動作速度是毫秒級的，遠比機械動作快。對于系統中平衡無功功率或不變動的無功功率常采用傳統的電容器補償或稱為固定電容補償(FC)，開關投切電容器(BSC)，由它們補償無功的不動部分時和動態的補償結合起來，形成靜止無功補償裝置(SVC)。靜止無功補償裝置主要有以下三大類型：一類是具有飽和電抗器的靜止無功補償裝置SR(Saturated Reactor)；第二類是晶閘管控制電抗器TCR(Thyristor cont

38、rol Reactor)晶閘管投切電容器TSC(Thyristor switch Capacitor)，這兩類裝置通稱為SVC；第三類就是采用自換相變流技術的靜止無功補償裝置動態無功補償器(SVG)。3.1具有飽和電抗器的無功補償器（SR）具有飽和電抗器的無功補償器(SR)根據電抗器的不同又可以分為自飽和電抗器無功補償裝置和可控飽和電抗器無功補償裝置兩種。由飽和電抗器和固定電容器并聯組成（帶有斜率校正）的靜止補償器的原理圖和伏安特性如下圖所示。飽和電抗器SR具有這樣的特性，當電壓大于某值后，隨著電壓的升高，鐵芯急劇飽和。從補償器的伏安特性可見，在補償器的工作范圍內，電壓的少許變化就會引起電流的

39、大幅度變化。與SR串聯的電容CS 是用于斜率校正的。圖3.1 飽和電抗器型精致補償器SR具有損耗大、有較大的振動和噪聲、調整時間長、動態補償速度慢等缺點，所以飽和電抗器型靜止無功補償器應用的比較少。3.2 晶閘管控制電抗器(TCR)由TCR與固定電容器并聯組成的靜止補償器示于圖3.2。電抗器與反相并聯連接的晶閘管相串聯，利用晶閘管的觸發角控制來改變通過電抗器的電流，就可以平滑的調整電抗器吸收的基波無功功率。觸發角從90º變到180º時，可使電抗器的基波無功功率從其額定值變到零。圖3.2 晶閘管控制電抗器型靜止補償器 3.3晶閘管投切電容器(TSC)晶閘管控制電抗器常與晶閘管

40、投切電容器TSC并聯組成靜止補償器，其原理接線示于圖3.3(a)。圖中三組晶閘管投切電容器和一組固定電容器與電抗器并聯。這種補償的伏安特性如圖3.3(b)所示，圖中數字表示電容器投入的組數。 (a) 原理圖 (b)伏安特性圖3.3 晶閘管投切電容器型靜止補償器3.4 靜止無功發生器SVG20世紀80年代以來出現了一種更為先進的靜止型無功補償裝置，這就是靜止無功發生器。它的主體部分是一個電壓源型逆變器，其原理如圖2.5所示。逆變器中六個可關斷晶閘管（GTO）分別與六個二極管反向并聯，適當控制GTO的通斷，可以把電容C上的直流電壓轉換成與電力系統電壓同步的三相交流電壓，逆變器的交流側通過電抗器或變

41、壓器并聯接入系統。適當控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活的改變SVG的運行工況，使其處于容性負荷、感性負荷或零負荷狀態。圖3.4 靜止無功發生器SVG具有響應速度快、可以分相調節、可以實現對無功功率的連續補償、諧波電流小、損耗低、噪聲低等優點，但是它也有控制復雜的缺點。3.5小結表3.1各種靜止無功補償裝置性能比較裝置性能同步調相機（SC）飽和電抗器（SR）晶閘管控制電抗器（TCR）晶閘管投切電容器(TSC)混合型靜止償器靜止無功發生器(SV靜止同步補償器(STATCOM)相應速度慢較快較快較快較快快快吸收無功連續連續連續分級連續連續連續控制方式簡單不可控較簡單較簡單較簡單復雜復雜諧波電流無大大

42、大大小小分享調節有限不可可以有限可以可以可以損耗大較大中小小小小噪聲大大小小小小小從無功功率補償裝置的應用來看，SVC裝置控制簡單、價格低、能滿大多數用戶對于無功功率補償的需要，應用最為普遍，在電力系統和工礦企業用戶中擁有廣大市場，是并聯無功補償的主要裝置。目前，國內外有關SVC的研究多集中在對其應用于輸電補償的各種場合時控制策略和方法的進一步探討上，隨著模糊控制、人工神經網絡、專家系統等智能控制手段相繼被引入SVC控制系統，使SVC系統的性能更加提高，但還有很多理論和實際運用的問題尚待解決。而對SVG的研究除了控制方法以外，還呈現出與有源電力濾波器相結合的發展趨勢，但SVG控制復雜，所用全控

43、器件價格昂貴，目前還沒有普及。尤其在我國，大功率電力電子器件基本依賴進口，成本太高，此類裝置的實用化尚需相當長的一段時間。而采用可關斷器件的STATCOM裝置，由于歷史和價格的原因，目前在國內外應用的實例并不多。然而STATCOM是性能最優的無功補償裝置，是FACTS核心，值得加強研究和推廣使用 。4 無功補償控制器硬件電路設計控制器的核心為電網參數檢測和包括控制在內的各種邏輯的實現。電網參數測量采用高精度多功能三相電能專用計量芯片AT7022A，能夠準確測量所需的各項電網參數，為CPU的處理提供準確的數據。系統CPU采用ATMEL的Atmega64系列具有精簡指令集結構的高性能處理器，完成電

44、容投切的判斷、通訊、顯示、鍵盤、保護等一系列系統要求的多項邏輯功能。控制器硬件系統結構框圖如圖4.1所示。圖4.1 系統總結構框圖控制器主要包括用于測量電網參數的ATT7022A及其外圍電路部分，為實現電容電壓過零點投切以避免產生涌流而必須的相電壓過零檢測電路，為進行電壓諧波分析而必須的相電壓A/D采樣，為投切電容器組做必要參考的電容器組當前狀態檢測部分，為保護裝置內主要元件而設計的元件工作溫度檢測部分，輸出控制動作的控制繼電器輸出部分，以及數據存儲、實時時鐘、通訊、液晶、鍵盤等必要的部分組成。控制器各個器件的工作電壓都是直流+5V，即系統中只要求唯一的+5V直流電源，包括CPU、ATT702

45、2A、液晶顯示屏、存儲芯片、時鐘芯片、繼電器、光電隔離器、運算放大器等的工作電壓都是直流單+5V，不存在多個電源混合使用、多種邏輯電平并存的情況，這使控制器的電源設計大大簡化。4.1 Atmega64(L)微處理器簡介隨著電力系統自動化水平的不斷提高和人們對電力系統參數檢測和控制的要求的不斷提高，在控制系統中，需要處理的電網參數和數據量也越來越多，越來越大，對控制系統中的微處理器的要求也不斷提高。傳統的51和196等處理器由于速度較慢，集成度不高，片內資源不夠豐富，抗干擾能力差等缺點逐漸凸現出來，相比現在不斷涌現出來的新型的高速度、高集成度、具有豐富片內資源、具有更高的可靠性與抗干擾能力、價格

46、更加低廉的新一代微處理器，越來越顯示出其自身的不足。Atmega64(L)是ATMEL公司設計生產的具有精簡指令發熱高性能的8位微處理器理器，具有高速度、高集成度、豐富的片內資源、更高的可靠性與抗干擾能力、價格更加低廉的優點，是采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RISC結構的新一代微處理器，其特點如下:·先進的RISC結構。130條指令，大多數指令執行時間為單個時鐘周期，工作于16MHz時性能高達16MIPS。只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。·非易失性程序和數據存儲器。64K字節的系統內可編程Flash，擦寫壽命可達10，000次;2K字節的EEPROM，擦寫壽命100

47、，000次;4K字節片內SRAM;64K字節可選外部存儲空間。可以對鎖定位進行編程以實現用戶程序的加密;通過SPI接口進行系統內編程。·JTAG接口(與工EEE1149.1標準兼容)。符合JTAG標準的邊界掃描功能，支持擴展的片內調試功能，通過JTAG接口實現對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。·兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數器，兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的擴展16位定時器/計數器。·具有獨立振蕩器的實時計數器RTC。·兩路8位PWM通道，6路編程分辨率從1到16位可變的PWM通道。·8路10位ADC

48、，8個單端通道，7個差分通道，2個具有可編程增益(1x，10x，或200x)的差分通道。·面向字節的兩線接口;可編程的串行USART;可工作于主機/從機模式的SP工串行接口。·6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴展的Standby 模式，軟件選擇時鐘頻率。·具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器。·特殊的處理器特點:上電復位以及可編程的掉電檢測;片內經過標定的RC振蕩器。·53個可編程的通用I/O口。以上特點使得Atmega64(L)得到了廣泛的應用。 圖4.2 ATmega64 的引腳

49、4.2電量信號采集和預處理4.2.1計量芯片ATT7022A簡介作為無功補償控制器基礎的電網參數測量部分在控制器中的地位不言而喻，準確測量電網參數是控制器一切工作的前提。為了能夠滿足控制器的測量電網參數要求，測量部分采用了高精度多功能三相電能專用計量芯片ATT7022A。ATT7022A是專為測量電網電能而設計的高精度芯片，包含了電網常用的各項參數測量功能。1、ATT7022A芯片特性·有功精度滿足0.2S、0.5S，動態范圍1000:1支持IEC62053-22的要求。·無功精度滿足0.5S，動態范圍1000:1支持IEC1268。·提供有功、無功電能脈沖輸出。

50、·當任意一項功率反相時，有反相指示。·提供正向和反向有功/無功電能數據。·可測量各相和合相瞬時有功、無功、視在功率。·可測量各相電壓、電流、功率因數，相位以及合相功率因數、相位。·可測量電網頻率，電壓信號夾角。·提供電壓相序及斷相檢測功能，提供電流相序檢測功能。·提供失壓判斷功能。·對三相四線應用，提供三相電流相量和的有效值。·具有SPI接口，方便的進行軟件調試電表，讀測量數據。·適用于三相三線和三相四線模式。·可測量含21次諧波的有功和無功功率。ATT7022A支持全數字域的增益、相

51、位校正，即純軟件校表。有功、無功電能脈沖輸出CF1、CF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標準表，進行誤差校正。ATT7022A提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數以及校表參數的傳遞。所以計量參數都可以通過SPI接口讀出。ATT7022A內部的電壓監測電路可以保證芯片加電和斷電時正常工作。ATT7022A的外圍電路設計主要包括電源、電壓及電流模擬輸入、脈沖輸出及SPI通訊接口電路等幾部分。2、內部原理框圖圖4.3 ATT7022A的內部原理框圖3、引腳說明V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N為輸入電流信道的正、負模擬輸入引腳。完全差動輸入方式，正常工作最大信號

52、電平為 ±1.5V，兩個引腳內部都有ESD 保護電路。V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N為輸入電壓信道的正、負模擬輸入引腳。完全差動輸入方式，正常工作最大輸入電壓為±1.5V，兩個引腳內部都有ESD 保護電路。REFCAP：基準電壓2.4V，可以外接；該引腳應使用10F電容并聯0.1F瓷介電容進行濾波去耦。REFOUT：基準電壓輸出2.4V，用作外部信號的直流偏置。圖4.4 ATT7022B引腳圖SEL：輸入端口，輸入為低電平時選擇三相三線方式、高電平時選擇三相四線方式，內部300K上拉電阻。CF1、 CF2：輸出有功無功電能脈沖，其頻率反映合相平均有功功率的大

53、小，常用于儀表有功無功功率的校驗，也可以用作電能計量。CS：SPI 片選信號，低電平有效。SCLK：輸入端口，SPI串行時鐘輸入（上升沿放數據，下降沿取數據）。DIN：SPI串行數據輸入，DOUT為SPI串行數據輸出。OSCI：系統晶振的輸入端，或是外灌系統時鐘輸入。晶振頻率為24.576MHz。OSCO：晶振的輸出端。REVP：輸出端，當檢測到任意相的有功功率為負時，輸出高電平。 AGND：電源模擬電路(即ADC和基準源)的接地參考點。AVCC：電源，該引腳提供ATT7022A模擬電路的電源，正常工作電源電壓應保持在5V±5%，為使電源的紋波和噪聲減小至最低程度，該引腳應使用10F

54、電容并聯0.1F瓷介電容進行去耦。GND：數字地引腳VDD：內核電源輸出3.3V。外接10F電容并聯0.1F瓷介電容進行去耦。VCC：數字電源引腳；正常工作電源電壓應保持在5V±5%，該引腳應使用10F電容并聯0.1F瓷介電容進行去耦。4.2.2系統前向輸入通道設計ATT7022A的電源部分設計結合CPU的電源要求統一考慮，在系統電源設計里單獨論述，這里不作單獨闡述。從電網接入的大電壓、大電流不能直接接入計量芯片的輸入中，必須經過變換電路轉換為小電壓、小電流。一般電壓電流采樣有兩種方法：一是采用精密電阻輸入變換電路，進行分壓分流得到小電壓小電流；二是采用電壓電流互感器。采用精密電阻電

55、路不會引起相角誤差，但對電阻要求較高，電阻要求具有足夠高的準確度、足夠大的功率溫度系數和長期穩定性。因此，在本設計中采用精密的互感器轉換方式。0.5級以下的電子電能表用的互感器二次側負載較小，因此可以做的很小，鐵心采用高導磁率系數的坡莫合金或優質鋼帶制成，以減小鐵心損耗和有限導磁率所產生的相角差。本文闡述的無功補償控制器測量電網參數采取三相四線制接線，根據ATT7022A的輸入通道特點，結合所測量電網電壓可能的變化范圍，系統前向模擬信號輸入通道原理設計如圖4.5所示。圖中只畫出一相的原理圖，其它兩相與之相同。（a）電壓輸入通道（b）電流輸入通道圖4.5 前向模擬信號輸入通道前向模擬信號輸入通道

56、主要包括信號的變換與隔離，信號的采樣與放大、輸入信號電平抬升和低通濾波等部分。(1)電壓輸入電壓輸入采用元星電子公司生產的TV31B-02型電流型電壓互感器16。元星TV31系列電流型電壓互感器，采用印刷線路板安裝方式，安裝方便，采用環氧樹脂灌封，絕緣強度高，磁芯為坡莫合金，主要用于高精度、小相位誤差的電壓、功率和電能監測設備。 TV31B電流型電壓互感器，一次側串接功率電阻后并聯與線路中，互感器電流比為2mA/2mA，次級電路不允許開路使用。在三相四線制系統中，A、B、C三相相對于中線N的電壓為220V，先通過串接功率電阻的方法將電壓轉換為電流，再通過互感器將電流轉換成電壓的方式。該方式采用了互感器，可以將芯片與電網進行有效地隔離，從而獲得良好的抗干擾性。電壓通道使用的電壓互感器電流比為2mA/2mA，所以串接功率電阻的阻值選擇為（額定電壓為220V）: (4.1)0.13 K為TV31B-02的初級電阻選擇帶電阻R=110K (1/2W)。考慮電壓通道的ADC輸入電壓的參數一般取0.5V,互感器副邊取樣電阻為： (4.2)采樣電阻阻值選擇為250。