基于单片机的无功补偿控制装置设计

严智敏

摘 要：电网在无功功率不稳定和散热条件较差的环境下往往会出现由传输极限和动态稳定性引起的低频震荡隐患。本文针对这一问题，基于AVR 系列单片机中的ATMGEA48单片机，通过实验，进一步完善静止式无功补偿装置（SVC）的功能。

关键词：SVC；低频震荡；智能化；低压电网

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

0 引言

电网往往因为钢铁、轨道交通、石化公司等企业大型用电设备所带来的工业负荷将谐波污染注入其中。当然还有氩弧焊、精密空调、瞬时短路等短时间快速增大负荷的民用符合也会将谐波污染注入其中。这种谐波污染的主要特征包括：一是负荷电压在有功或无功状态下不规则波动，这对用电器的安全使用是有害的；二是高次谐波不规则产生，导致公用电网中显性检测值异常；三是供电系统的自然功率因数比正常值较低。个别情况下会导致三相不对称性产生的负序分量。

1 静止无功补偿器（SVC）

1.1 主要问题

从现有的文献和实践中可以得知，采用该装置可以有效稳定系统电压，从而达到优化电网系统的无功功率的目的。现有的低压SVC存在的主要问题在于：其一，无功补偿算法结构性设计问题。以家用无功补偿装置常见算法鲍威尔算法为例，该算法采用的是向量机原理设计，是一个NP难问题，随着影响因素及待测数据的快速增加，算法难以实现快速求得全局最优解；其二，SVC装置控制器设计问题。例如，基于PIC单片机[1]，该单片机的控制器未能充分解决该设备的机电模式呈现弱阻尼乃至负阻尼，引发各发电机功角间的相对摇摆和母线电压及传输线功率等参数的持续振荡的问题；其三，SVC装置投切开关设计问题[2]；在目前的市面上常见的SVC的控制器设计往往因为压缩成本的需要，将无功补偿控制依据设置为功率因数，因此这样的无功补偿装置仅仅检测一相电流，往往在SVC装置中产生 “欠补”或“过补”现象。其四，SVC装置电容器设计不足[3]。当系统轻载且负荷波动时，由于电容器设计方面的不足，对于投切电容器进行补偿的装置，往往因为电容器投切开关的振荡和频繁投切，而使得投切开关的无法承受频繁投切的操作。

在SVC装置类型中的TRC和TSC不断优化的同时，SVC在市场上的价格越来越容易被接受，目前已经可以实现工业化推广。不过，在某些特定环境下，市面上常见的SVC往往无法满足厂家对其精度、感性、容性等方面的要求，其控制不合理、散热不良的问题也暴露无遗。

1.2 工作原理

根据SVC无功补偿控制框图。可知，静止无功补偿器（SVC）的投切装置一般选用的是晶闸管。采用晶闸管优势在于可以快速满足系统无功功率的动态补偿的需求；其劣势表现在响应速度不理想、谐波污染无法有效控制规模、参数设置不合理会导致“欠补”或“过补”现象的产生。同当前电网系统中广泛应用快速励磁装置一道，跨区大容量远距离送电已经呈现常态化发展趋势，谐波污染已成为影响电网系统和谐运行的重要影响因素。

SVC一般由数据检测模块、控制模块、输出模块等组成。工作原理可以描述为：首先利用检测模块得到数字化的监控指标信号；其次，将该信号传送至控制模块。控制模块负责计算补偿参数，并将参数传送至逆变电路，并有该电路实际控制补偿电流的输出；最后，SVC 利用输出模块中的自换相桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或直接调节交流侧电流的相位和幅值实现补偿系统无功功率准确的动态补偿。SVC输出电压幅值大于系统电压幅值时，输出容性无功功率；当输出电压幅值小于系统电压幅值时输出感性无功功率。

1.3 SVC装置的优势

同互联电网、智能电网概念的建设一道，基于单片机的无功补偿控制装置设计的要求也越来越高。利用SVC技术可以有效提高系统补偿后的功率因数、有效提升电网系统的响应速度、有效降低谐波污染对电网的影响、有效增加无功补偿装置的使用寿命等等优势。

2 基于单片机的低压无功补偿装置SVC的实现

本文以AVR 系列单片机中的ATMGEA48单片机为例，设计一款基于该型号的低壓无功补偿装置SVC。以AVR 系列单片机中的ATMGEA48单片机为基础的SVC具有运行稳定、造价低廉、性价比高等特点。本文设计的装置工作原理是：首先，借助数模转换器实现三相主控信号的数模转换；其次，将数字化的主控信号送给控制核心AVR 系列单片机中的ATMGEA48单片机；最后，ATMGEA48单片机通过运算获取到无功功率和输出信号。这种设计方式的优势在于：将无功功率作为补偿依据，不会造成轻载时电容器的频繁投切导致的振荡，从而在控制精度，响应速度方面得到了提升。

单片机AVR 系列单片机中的ATMGEA48采用单总线结构，具有6路A/D采集通道，产生50Hz交流信号，周期20ms，“+5V”电压，MC1413为“+12V”，交集采集抬电压“+1.5V”，手动开关为“～220V”。

电压互感器和电流互感器检测到的电压与电流信号分别送到模数转换芯片ADC0809的INO，IN1口。ADC0809将数字信号送到AVR 系列单片机中的ATMGEA48单片机中，经过计算，由P2，P3口与8255A的PA ，PB ，PC口输出32位控制信号。

3 实验结果分析

本文设计的测试装置基本原理是：利用电源对本文提出的基于SVC设计的低压无功补偿装置施加恒定的电压，通过电流测量结果，测算实测电压值，对比验证本文提出的装置在无功补偿控制方面的效果。在下列实验中，假设输入电压由0逐步增加只220V，用上位机所测得的实际值，由于各项采集电路雷同，因此只选取了其中一项电压进行测试。

由A/D采样线性度测试可知，输入电压由0逐步增加到220V的过程中，采样电压与输入电压呈现正比例变化，能够到达预期电压339V，且线性度较好。

参考文献：

[1]王顺平，张振国，辛利斌，封继军，刘冬.基于PIC单片机的无功补偿器设计[J].电子科技，2016（05）：71-74.

[2]张贵生，周孟然，朱艳娜.基于单片机的智能动态无功补偿装置研究[J].科技视界，2015（15）：30+87.

[3]王强，马彬.基于单片机控制的低压电网无功补偿研究[J].数字技术与应用，2015（08）：8-9.