【文章內(nèi)容簡介】 簡單較簡單復(fù)雜復(fù)雜諧波電流無大大大大小小分享調(diào)節(jié)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(yīng)用來看，SVC裝置控制簡單、價格低、能滿大多數(shù)用戶對于無功功率補償?shù)男枰?，?yīng)用最為普遍，在電力系統(tǒng)和工礦企業(yè)用戶中擁有廣大市場，是并聯(lián)無功補償?shù)闹饕b置。目前，國內(nèi)外有關(guān)SVC的研究多集中在對其應(yīng)用于輸電補償?shù)母鞣N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(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等智能控制手段相繼被引入SVC控制系統(tǒng)，使SVC系統(tǒng)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(xiàn)出與有源電力濾波器相結(jié)合的發(fā)展趨勢，但SVG控制復(fù)雜，所用全控器件價格昂貴，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(dāng)長的一段時間。而采用可關(guān)斷器件的STATCOM裝置，由于歷史和價格的原因，目前在國內(nèi)外應(yīng)用的實例并不多。然而STATCOM是性能最優(yōu)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(shè)計控制器的核心為電網(wǎng)參數(shù)檢測和包括控制在內(nèi)的各種邏輯的實現(xiàn)。電網(wǎng)參數(shù)測量采用高精度多功能三相電能專用計量芯片AT7022A，能夠準(zhǔn)確測量所需的各項電網(wǎng)參數(shù)，為CPU的處理提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)CPU采用ATMEL的Atmega64系列具有精簡指令集結(jié)構(gòu)的高性能處理器，完成電容投切的判斷、通訊、顯示、鍵盤、保護等一系列系統(tǒng)要求的多項邏輯功能。 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖控制器主要包括用于測量電網(wǎng)參數(shù)的ATT7022A及其外圍電路部分，為實現(xiàn)電容電壓過零點投切以避免產(chǎn)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(dāng)前狀態(tài)檢測部分，為保護裝置內(nèi)主要元件而設(shè)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(shù)據(jù)存儲、實時時鐘、通訊、液晶、鍵盤等必要的部分組成?？刂破鞲鱾€器件的工作電壓都是直流+5V，即系統(tǒng)中只要求唯一的+5V直流電源，包括CPU、ATT7022A、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(shè)計大大簡化。 Atmega64(L)微處理器簡介隨著電力系統(tǒng)自動化水平的不斷提高和人們對電力系統(tǒng)參數(shù)檢測和控制的要求的不斷提高，在控制系統(tǒng)中，需要處理的電網(wǎng)參數(shù)和數(shù)據(jù)量也越來越多，越來越大，對控制系統(tǒng)中的微處理器的要求也不斷提高。傳統(tǒng)的51和196等處理器由于速度較慢，集成度不高，片內(nèi)資源不夠豐富，抗干擾能力差等缺點逐漸凸現(xiàn)出來，相比現(xiàn)在不斷涌現(xiàn)出來的新型的高速度、高集成度、具有豐富片內(nèi)資源、具有更高的可靠性與抗干擾能力、價格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(shè)計生產(chǎn)的具有精簡指令發(fā)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(nèi)資源、更高的可靠性與抗干擾能力、價格更加低廉的優(yōu)點，是采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的新一代微處理器，其特點如下:先進的RISC結(jié)構(gòu)。130條指令，大多數(shù)指令執(zhí)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(shù)據(jù)存儲器。64K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命可達10，000次。2K字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命100，000次。4K字節(jié)片內(nèi)SRAM。64K字節(jié)可選外部存儲空間。可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密。通過SPI接口進行系統(tǒng)內(nèi)編程。JTAG接口()。符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持擴展的片內(nèi)調(diào)試功能，通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器，兩個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的擴展16位定時器/計數(shù)器。具有獨立振蕩器的實時計數(shù)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，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(jié)的兩線接口?？删幊痰拇蠻SART。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(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器。特殊的處理器特點:上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測。片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)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(yīng)用。 ATmega64 的引腳作為無功補償控制器基礎(chǔ)的電網(wǎng)參數(shù)測量部分在控制器中的地位不言而喻，準(zhǔn)確測量電網(wǎng)參數(shù)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(wǎng)參數(shù)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(wǎng)電能而設(shè)計的高精度芯片，包含了電網(wǎng)常用的各項參數(shù)測量功能。ATT7022A芯片特性、動態(tài)范圍1000:1支持IEC6205322的要求。，動態(tài)范圍1000:1支持IEC1268。提供有功、無功電能脈沖輸出。當(dāng)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(shù)據(jù)。可測量各相和合相瞬時有功、無功、視在功率?？蓽y量各相電壓、電流、功率因數(shù)，相位以及合相功率因數(shù)、相位?？蓽y量電網(wǎng)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(yīng)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(diào)試電表，讀測量數(shù)據(jù)。適用于三相三線和三相四線模式?？蓽y量含21次諧波的有功和無功功率。ATT7022A支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功電能脈沖輸出CFCF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)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(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。所以計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。ATT7022A內(nèi)部的電壓監(jiān)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(shè)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。內(nèi)部原理框圖 ATT7022A的內(nèi)部原理框圖引腳說明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，正常工作最大信號電平為 177。，兩個引腳內(nèi)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177。，兩個引腳內(nèi)部都有ESD 保護電路。REFCAP：，可以外接；。REFOUT：，用作外部信號的直流偏置。 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(nèi)部300K上拉電阻。CF 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(shù)據(jù)，下降沿取數(shù)據(jù)）。DIN：SPI串行數(shù)據(jù)輸入，DOUT為SPI串行數(shù)據(jù)輸出。OSCI：系統(tǒng)晶振的輸入端，或是外灌系統(tǒng)時鐘輸入。OSCO：晶振的輸出端。REVP：輸出端，當(dāng)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(zhǔn)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(yīng)保持在5V177。5%，為使電源的紋波和噪聲減小至最低程度。GND：數(shù)字地引腳VDD：。VCC：數(shù)字電源引腳；正常工作電源電壓應(yīng)保持在5V177。5%。ATT7022A的電源部分設(shè)計結(jié)合CPU的電源要求統(tǒng)一考慮，在系統(tǒng)電源設(shè)計里單獨論述，這里不作單獨闡述。從電網(wǎng)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(jīng)過變換電路轉(zhuǎn)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(zhǔn)確度、足夠大的功率溫度系數(shù)和長期穩(wěn)定性。因此，在本設(shè)計中采用精密的互感器轉(zhuǎn)換方式。，因此可以做的很小，鐵心采用高導(dǎo)磁率系數(shù)的坡莫合金或優(yōu)質(zhì)鋼帶制成，以減小鐵心損耗和有限導(dǎo)磁率所產(chǎn)生的相角差。本文闡述的無功補償控制器測量電網(wǎng)參數(shù)采取三相四線制接線，根據(jù)ATT7022A的輸入通道特點，結(jié)合所測量電網(wǎng)電壓可能的變化范圍。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 前向模擬信號輸入通道前向模擬信號輸入通道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(chǎn)的TV31B02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(huán)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(jiān)測設(shè)備。 TV31B電流型電壓互感器，一次側(cè)串接功率電阻后并聯(lián)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(tǒng)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(zhuǎn)換為電流，再通過互感器將電流轉(zhuǎn)換成電壓的方式。該方式采用了互感器，可以將芯片與電網(wǎng)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）: () KΩ為TV31B02的初級電阻選擇帶電阻R=110KΩ (1/2W)。,互感器副邊取樣電阻為： ()采樣電阻阻值選擇為250Ω。低通抗混疊濾波器的設(shè)計采用簡單的阻容式低通濾波器，電阻電容值采取芯片廠商推薦值。（2）電流輸入電流輸入采用元星TA20型精密交流電流互感器[17]，該系列電流互感器采用環(huán)氧樹脂灌封結(jié)構(gòu)，輸入線圈為內(nèi)置式，次級引線引出，安裝迅速、使用方便，體積小，精度高，電壓隔離能力強、安全可靠?；ジ衅麟娏鞅葹?A/5mA，次級電路不允許開路使用，使用時初級線圈應(yīng)串聯(lián)于被測電流回路中?？紤]電流通道的ADC輸入電壓的參數(shù)，互感器副邊取樣電阻為： ()采樣電阻阻值選擇為20Ω。，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)要講究對稱，并采用溫度性能較好的元器件，從而使電路達到良好的濾波，抗干擾作用，并保證電能表獲得良好的溫度特性。 ATT7022A與單片機的接口ATT7022A與單片機有6條連線，其中四條為SPI接口線:CS、SCK、DIN、DOU，一條ATT7022A的復(fù)位控制線RESET，一條握手信號線SIG。ATT7022A的數(shù)據(jù)寫入與讀出采用四線制的SPI總線方式，軟件編程考慮采取I/O口模擬SPI總線時序的方式，所以ATT7022A的四條SPI總線連接到CPU的任意四個雙向的I/O口就可以了。ATT7022A的復(fù)位信號線和與CPU之間的握手信號線直接接到CPU的雙向I/O口。ATT7022A和CPU的工作電壓都是5V，不存在電平不兼容問題。 ATT7022A與CPU連接圖SPI應(yīng)用時應(yīng)注意：SPI通訊連線應(yīng)盡可能短，為了減小干擾，可以在SPI信號線上串聯(lián)一個10?電阻并在信號輸入端加一個去耦電容，這樣電阻電容構(gòu)成一個低通濾波器，從而可以消除接收信號的高頻干擾。注意CS、SCLK、DIN所串電阻和所并電容要盡量靠近芯片，DOUT所串電阻和所并電容要盡量靠近單片機。單片機對SIG信號或其狀態(tài)進行監(jiān)控。SIG信號是用來通知外部MCU的一個握手信號。ATT7022A上電復(fù)位或者異常原因重新啟動時，SIG將變?yōu)榈碗娖?。?dāng)外部MCU通過SPI寫入較表數(shù)據(jù)后，SIG將立即變?yōu)楦唠娖?。為了在上電和單片機復(fù)位后，ATT7022A能與單片機同步工作，ATT7022B的同步信號由單片機控制，復(fù)位過程為RESET信號保持大于20uS低電平，芯片復(fù)位，此時SIG輸出高電平，然后單片機將RESET信號拉高，大約經(jīng)500uS左右，ATT7022A完成初始化，SIG輸出低電平信號，此后才能進行SPI操作。，增強其抗干擾能力。 A相電壓零點檢測單元為了防止在控制器投切電容器組時產(chǎn)生涌流，應(yīng)該合理選擇投切電容器組時的相電壓的電角度，這就要求控制器具備檢測電網(wǎng)電壓電角度的功能。本控制器采用檢測A相電壓過零點的辦法來檢測電網(wǎng)電壓過零點。 A相電壓過零檢測電路當(dāng)A相電壓為正值時，通過限流電阻使得光電隔離器的原邊發(fā)光二極管流有合適的電流而發(fā)光，副邊的三極管結(jié)構(gòu)因為B極的受到光照而使得C極和E極導(dǎo)通，導(dǎo)通阻抗接近零，使得副邊PG1處被拉為低電平，從而使得CPU的PG1口為低電平，CPU通過檢測PG1口的電平狀態(tài)便可以知道當(dāng)前電網(wǎng)A相的電壓處于正半周還是負半周，并且可以通過檢測PG1口的電平跳變來檢測電網(wǎng)A相的過零點位置。圖中的二極管D5和穩(wěn)壓管D2是防止在A相電壓為負值時，使光電隔離器承受過高的反向電壓損壞而設(shè)計的。采用該方法檢測電網(wǎng)過零點的最大優(yōu)點就是電路簡單、隔離效果好，缺點是過零點檢測存在延遲，并且不夠準(zhǔn)確，尤其是電網(wǎng)中諧波含量較高