电力系统无功功率的平衡是电能质量的重要保证。在电力系统0.4kV低压电网中，采用无功补偿的方法来提高功率因数，减少无功损耗，是改善供电质量、减少损耗、提高设备利用率的重要手段之一。目前低压无功补偿装置多采用MCU作为主处理器，通过A/D采样电网的电压、电流参数，实时计算电网的无功功率、无功电流或功率因数，根据相应的控制策略来控制电容器组的投切，实现对电网的无功补偿。这类控制器由于A/D采样精度不高，计算量较大，对CPU计算性能要求高，软硬件设计复杂且难度大，无功补偿精度低，系统响应时间比较长等，通常只能用于对无功补偿动态响应速度要求不高的场合。鉴于此，本文提出一种基于专用电能计量芯片+MCU的新型动态无功补偿控制器。

　　1 控制器工作原理及硬件设计

　　实现高精度的无功补偿的前提是能够准确的测量电网的运行参数，包括对有功功率、无功功率、能量、电网的功率因数、谐波状况等参数的采集和测量。利用ATT7022A电能计量芯片可以得到这些参数的精确值，并且简化了软件的设计。在控制策略上，许多无功补偿控制器以功率因数作为投切判据(实际上功率因数的高低并不能直接反映无功缺额的大小)，极易造成在某些情况下频繁误动。若采用无功电流判据，这比仅用功率因数作判据好些，但也不够完善。本设计采用无功缺额作为主判据，以功率因数和电压作为辅助判据的综合判据，通过执行机构实现补偿电容器的循环投切，对无功补偿电容的控制更加合理。本文选用ATT7022A电能计量芯片搭配8位单片机ATMGAME168的设计方案，可以完成对电网运行参数及时精确地测量，实现自动无功补偿。

　　1.1 的结构及性能介绍

　　ATT7022A是一颗高精度三相电能专用计量芯片，具有l6位A/D转换精度，内嵌有专用DSP电路，集成了6路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。

　　能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，并支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功频率校验输出CF1、CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。ATT7022A提供一个SPI接口，方便与外部控制器之间进行计量参数以及校表参数的传递。

　　图2 电压和电流的采样输入电路

　　控制单元：在综合考虑单片机的稳定性、可靠性、经济性的基础上，选定AVR系列ATmegal28L单片机作为主控芯片。ATmegal28L是一款高性能低功耗的8位微处理器，采用RISC体系结构，有53个可编程的I/O口，2个可编程的USART口，128K字节系统可编程Flash和4K字节的EEPROM，同时支持片内调试，通过JTAG接口可以方便地对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位进行编程。ATmegal28L通过SPI总线接口实现与ATT7022的通信，完成校表数据的写入和寄存器结果的读出。

　　过零触发模块：控制单元通过对ATT7022的测量结果分析、判断，决定是否进行无功补偿，即电容器的投切，由于电容器两端电压不能突变，电网电压和电容器电压的差值较大时，触发晶闸管会产生很大的电流冲击，为了防止在投切电容器时的电流冲击，必须在晶闸管两端电压为零时刻投切。所以选择具有过零触发能力的芯片控制电容器的投切，本控制器选用的是Motorola公司的MOC3083晶闸管。其外部连线如图3所示。

　　图3 双向晶闸管过零触发电路

　　数据存储单元：FM24C64为64K位FRAM铁电存储器，其支持1012次写入，用于保存系统的某些初始值，低压电网运行参数的定时存储，系统故障状态的存储等功能，以便监控主站随时查阅历史记录。

　　2 控制器的软件设计

　　低压电网运行的各项参数可通过ATT7022采样、计算得出，CPU不用进行A/D采样数据的处理，这使CPU的运算量大大降低，并且大大简化了软件程序设计，使系统的运行更为精确、可靠。所以，软件设计的重点主要是实现对从ATT7022所得到的各项参数的分析，依托合理的控制策略，进而实现更加合理、可靠地投切电容器和外围接口电路的软件设计等。

　　本装置采用的电容器投切的控制策略是以无功缺额为主要判据，并结合功率因数与电压的控制策略。分析电网是否过压和欠压，在保证电压稳定的前提下，分析电网的无功功率，判断功率因数，与设定值比较，决定是否投切电容器以及如何投切更加合理，最大可能的实现对无功功率的补偿。

　　系统主程序流程图中ATT7022的初始化，主要是系统的校准，它决定了电网参数测量的精确度，系统的校准包含相位补偿设置、功率增益、相位校正、电压/电流校正、启动电流设置等。系统软件主程序流程如图4示。

　　图4 系统主程序流程图www.whtlhgdq.com