嚴(yán)智敏

摘 要：電網(wǎng)在無功功率不穩(wěn)定和散熱條件較差的環(huán)境下往往會出現(xiàn)由傳輸極限和動態(tài)穩(wěn)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(jī)中的ATMGEA48單片機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步完善靜止式無功補(bǔ)償裝置（SVC）的功能。

關(guān)鍵詞：SVC；低頻震蕩；智能化；低壓電網(wǎng)

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

0 引言

電網(wǎng)往往因?yàn)殇撹F、軌道交通、石化公司等企業(yè)大型用電設(shè)備所帶來的工業(yè)負(fù)荷將諧波污染注入其中。當(dāng)然還有氬弧焊、精密空調(diào)、瞬時短路等短時間快速增大負(fù)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(fù)荷電壓在有功或無功狀態(tài)下不規(guī)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(guī)則產(chǎn)生，導(dǎo)致公用電網(wǎng)中顯性檢測值異常；三是供電系統(tǒng)的自然功率因數(shù)比正常值較低。個別情況下會導(dǎo)致三相不對稱性產(chǎn)生的負(fù)序分量。

1 靜止無功補(bǔ)償器（SVC）

1.1 主要問題

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)和實(shí)踐中可以得知，采用該裝置可以有效穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，從而達(dá)到優(yōu)化電網(wǎng)系統(tǒng)的無功功率的目的?，F(xiàn)有的低壓SVC存在的主要問題在于：其一，無功補(bǔ)償算法結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)問題。以家用無功補(bǔ)償裝置常見算法鮑威爾算法為例，該算法采用的是向量機(jī)原理設(shè)計(jì)，是一個NP難問題，隨著影響因素及待測數(shù)據(jù)的快速增加，算法難以實(shí)現(xiàn)快速求得全局最優(yōu)解；其二，SVC裝置控制器設(shè)計(jì)問題。例如，基于PIC單片機(jī)[1]，該單片機(jī)的控制器未能充分解決該設(shè)備的機(jī)電模式呈現(xiàn)弱阻尼乃至負(fù)阻尼，引發(fā)各發(fā)電機(jī)功角間的相對搖擺和母線電壓及傳輸線功率等參數(shù)的持續(xù)振蕩的問題；其三，SVC裝置投切開關(guān)設(shè)計(jì)問題[2]；在目前的市面上常見的SVC的控制器設(shè)計(jì)往往因?yàn)閴嚎s成本的需要，將無功補(bǔ)償控制依據(jù)設(shè)置為功率因數(shù)，因此這樣的無功補(bǔ)償裝置僅僅檢測一相電流，往往在SVC裝置中產(chǎn)生 “欠補(bǔ)”或“過補(bǔ)”現(xiàn)象。其四，SVC裝置電容器設(shè)計(jì)不足[3]。當(dāng)系統(tǒng)輕載且負(fù)荷波動時，由于電容器設(shè)計(jì)方面的不足，對于投切電容器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难b置，往往因?yàn)殡娙萜魍肚虚_關(guān)的振蕩和頻繁投切，而使得投切開關(guān)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(yōu)化的同時，SVC在市場上的價格越來越容易被接受，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化推廣。不過，在某些特定環(huán)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(jù)SVC無功補(bǔ)償控制框圖。可知，靜止無功補(bǔ)償器（SVC）的投切裝置一般選用的是晶閘管。采用晶閘管優(yōu)勢在于可以快速滿足系統(tǒng)無功功率的動態(tài)補(bǔ)償?shù)男枨?；其劣勢表現(xiàn)在響應(yīng)速度不理想、諧波污染無法有效控制規(guī)模、參數(shù)設(shè)置不合理會導(dǎo)致“欠補(bǔ)”或“過補(bǔ)”現(xiàn)象的產(chǎn)生。同當(dāng)前電網(wǎng)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用快速勵磁裝置一道，跨區(qū)大容量遠(yuǎn)距離送電已經(jīng)呈現(xiàn)常態(tài)化發(fā)展趨勢，諧波污染已成為影響電網(wǎng)系統(tǒng)和諧運(yùn)行的重要影響因素。

SVC一般由數(shù)據(jù)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(shù)字化的監(jiān)控指標(biāo)信號；其次，將該信號傳送至控制模塊?？刂颇K負(fù)責(zé)計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)，并將參數(shù)傳送至逆變電路，并有該電路實(shí)際控制補(bǔ)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(cè)輸出電壓的相位和幅值，或直接調(diào)節(jié)交流側(cè)電流的相位和幅值實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率準(zhǔn)確的動態(tài)補(bǔ)償。SVC輸出電壓幅值大于系統(tǒng)電壓幅值時，輸出容性無功功率；當(dāng)輸出電壓幅值小于系統(tǒng)電壓幅值時輸出感性無功功率。

1.3 SVC裝置的優(yōu)勢

同互聯(lián)電網(wǎng)、智能電網(wǎng)概念的建設(shè)一道，基于單片機(jī)的無功補(bǔ)償控制裝置設(shè)計(jì)的要求也越來越高。利用SVC技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)補(bǔ)償后的功率因數(shù)、有效提升電網(wǎng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度、有效降低諧波污染對電網(wǎng)的影響、有效增加無功補(bǔ)償裝置的使用壽命等等優(yōu)勢。

2 基于單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償裝置SVC的實(shí)現(xiàn)

本文以AVR 系列單片機(jī)中的ATMGEA48單片機(jī)為例，設(shè)計(jì)一款基于該型號的低壓無功補(bǔ)償裝置SVC。以AVR 系列單片機(jī)中的ATMGEA48單片機(jī)為基礎(chǔ)的SVC具有運(yùn)行穩(wěn)定、造價低廉、性價比高等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的裝置工作原理是：首先，借助數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)三相主控信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換；其次，將數(shù)字化的主控信號送給控制核心AVR 系列單片機(jī)中的ATMGEA48單片機(jī)；最后，ATMGEA48單片機(jī)通過運(yùn)算獲取到無功功率和輸出信號。這種設(shè)計(jì)方式的優(yōu)勢在于：將無功功率作為補(bǔ)償依據(jù)，不會造成輕載時電容器的頻繁投切導(dǎo)致的振蕩，從而在控制精度，響應(yīng)速度方面得到了提升。

單片機(jī)AVR 系列單片機(jī)中的ATMGEA48采用單總線結(jié)構(gòu)，具有6路A/D采集通道，產(chǎn)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(guān)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(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809的INO，IN1口。ADC0809將數(shù)字信號送到AVR 系列單片機(jī)中的ATMGEA48單片機(jī)中，經(jīng)過計(jì)算，由P2，P3口與8255A的PA ，PB ，PC口輸出32位控制信號。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)的測試裝置基本原理是：利用電源對本文提出的基于SVC設(shè)計(jì)的低壓無功補(bǔ)償裝置施加恒定的電壓，通過電流測量結(jié)果，測算實(shí)測電壓值，對比驗(yàn)證本文提出的裝置在無功補(bǔ)償控制方面的效果。在下列實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)輸入電壓由0逐步增加只220V，用上位機(jī)所測得的實(shí)際值，由于各項(xiàng)采集電路雷同，因此只選取了其中一項(xiàng)電壓進(jìn)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(xiàn)正比例變化，能夠到達(dá)預(yù)期電壓339V，且線性度較好。

參考文獻(xiàn)：

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