电气工程及其自动化专业论文

本科毕业设计论文题目无功补偿智能控制器设计摘要长期以来电力系统网络损耗问题比较突出，而无功补偿是降低线损的有效手段。随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。在电网中的适当位置装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。本文在详细分析无功补偿的基本原理和控制方法的基础上，研究了一种基于CS5464的TSC型智能无功补偿控制器设计方案。该无功补偿控制器在硬件上采用三片CS5464芯片测量三相电网的各参数，选用C8051F022单片机为主控制单元，完成数据的简单处理、无功自动调节、电压检测与控制、数据存储与显示等功能，投切装置采用过零触发可控硅控制器，以抑制投切涌流。此外，还设计了一些外围辅助硬件，包括采样调理电路、人机界面（按键、液晶等）、光电隔离、数据存储以及电压报警等；采用了模块化的设计方法，由模块到整体构成了控制器稳健的软件体系。在电网电压/无功功率复合控制策略的基础上，编写了简洁稳健的代码实现控制算法。该方案设计的控制器最多能够控制16路电容器组，可以应用在电网三相共补、三相分补以及三相共补与分补相结合的电容器组等容量配置的无功补偿装置中。关键词：CS5464，TSC，C8051F022，无功补偿

AbstractInthepastseveralyears,theproblemofpowerlossisveryserious.However,reactivecompensationisaneffectivemethodtosavepowerloss.Duetoincreasingloadsofelectricpowersystem,demandofreactivepowerwasalsoincreasing.Itbecamenecessarymeansthatreactivepowercompensationdeviceswereinstalledinproperpositionofelectricnetwork.Onthebasisofanalyzingthebasictheoryandcontrolstrategy,adesignofanewkindofTSCsmartreactivepowercompensationcontrollerbasedonCS5464isstudied.Inhardwaredesignofthiscontroller,threeCS5464sareusedformeasuringthree-phaseelectricalparametersrespectively,theSCMofC8051F022isusedasthemaincontrolunittocarryoutthefunctionssuchassimpledataprocessing,reactivepowerautomaticadjustment,voltagedetectionandcontrol,datastorageanddisplayandsoon,zerotriggeredtheSiliconControlRectifier(SCR)controllerisusedforcontrollingSCRinthecast-cutequipment,whichcanrestricttheinrushcurrenteffectively.Furthermore,someexternalsupporthardwareisdesignedinthiscontroller,includingsamplingandfilteringcircuit,human-machineinterface(keyboard,LCD,etc.),photoelectricisolation,datastorage,voltagealarmandsoon.Modularizationdesignmethodisused.Stablesoftwaresystemofthiscontrollerisfinishedfromamoduletothewhole,Onthebasisofvoltage/reactivepowerofmultiplexcontrolstrategy,conciseandstableprocedurecodeiswritteninordertoachievecontrolalgorithms.Thiscontrollercancontrolupto16groupsofcapacitorandcanbeusedinthedeviceofthree-phasejointcompensation,thedeviceofthree-phaseseparatecompensationandthedeviceofcombinedthetwoundertheconditionofconfigurethesamecapacitor.Keywords:CS5464,TSC,C8051F022，reactivepowercompensation目录TOC\o"1-2"\u1绪论 11.1论文选题的背景及意义 11.2国内外研究现状 21.3课题研究的目的 71.4本文的主要工作 82无功补偿的相关理论 102.1无功补偿的一般概念 102.2TSC型无功补偿 152.3关于晶闸管器件的相关研究 212.4无功补偿与谐波抑制 242.5本系统所采用的相关理论与补偿方式 282.6本章小结 293控制器的硬件设计 303.1控制器设计原则 303.2控制器整体结构设计 313.3单片机C8051F022应用电路模块 32测量电路模块 343.5电网信号采样电路 37控制执行电路模块 38硬件电路抗干扰设计 444控制器的软件设计 474.1控制器软件整体结构设计 474.2控制器具体软件模块设计 495控制策略 555.1无功补偿投切判据分析 555.2本控制器控制策略与控制算法设计 586仿真实验及结果分析 626.1基于Matlab模型的仿真研究 62本章小结 687总结与展望 697.1本文总结 697.2展望 69致谢 71参考文献 72附录一英文资料翻译 75附录二总原理图 88

1绪论1.1论文选题的背景及意义随着国民经济的迅速发展，用电量的增加，电网的经济运行日益受到重视。近年来，随着现代工业和电力工业的不断发展，电能传输的距离和容量日益增大，工业用户对电能质量的要求越来越高。然而，企业广泛采用异步电动机和变压器，特别是近年来大型可控硅装置[1]的应用和大功率冲击性负荷[2]的存在，使得系统无功因数变低，电压波动加大。降低网损，提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统运行部门面临的实际问题，也是电力系统研究的主要方向之一，特别是随着电力市场的实行，输电公司（电网公司）通过有效的手段，降低网损[3]，提高系统运行的经济性，可给输电公司带来更高的效益和利润。电力系统无功功率优化和无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分。通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿，不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性,而且可以降低有功网损和无功网损，使电力系统能够安全经济运行。因此，无论从提高输电网的传输能力，降低损耗，提高系统稳定性，还是从提高供电质量的角度，都需要大量的无功补偿装置。无功优化计算[4]是在系统网络结构和系统负荷给定的情况下，通过调节控制变量（发电机的无功出力和机端电压水平、电容器组的安装及投切和变压器分接头的调节）使系统在满足各种约束条件下网损达到最小。通过无功优化不仅使全网电压在额定值附近运行，而且能取得可观的经济效益，使电能质量、系统运行的安全性和经济性完美的结合在一起，因而无功优化的前景十分广阔。无功补偿可看作是无功优化的一个子部分，即它通过调节电容器的安装位置和电容器的容量，使系统在满足各种约束条件下网损达到最小。进行功率因数补偿可以： (1)降低无功电流，减小线路及变电设备的损耗。线路损耗的功率与负载电流平方成正比，功率因数提高了，无功电流大大减小，则线路上的损耗也大大减小了。(2)可以改善供电电压质量。当功率因数提高后由于容性负载[5]的加入，使线路末端的电压平滑，起到了稳定电压的作用。(3)提高系统的裕度。当系统的设备容量不变时，提高功率因数，相当于增加负载的容量。(4)提高电路的功率因数不是负载本身的功率因数有什么改变而是负载本身的性能及指标将不受任何影响。由此可见，提高功率因数[6]，不但是当今能源形势的缓兵之策，也是关系到国计民生的长远政策。我们必须重视电能的高效利用，不光在传输过程中，在使用过程中也是一样。这不仅符合经济效率的规律，还是能源科学使用的具体表现。既然我们不能给后代生产出不可再生资源，但我们可以高效使用它们，减少无谓的消耗，这跟我们为后人创造能源是同出一辙的，具有相同的深远意义。1.2国内外研究现状从电力系统的诞生开始，并联补偿技术就开始在电力系统中应用，同步调相机可以看作是最早的并联补偿装置[7][8][9]。它是专门用来产生无功功率的同步电机。在过励磁和欠励磁的情况下，可以分别发出不同大小的容性和感性无功功率。在很长一段时间内，同步调相机在电力系统无功补偿中一度发挥主要作用。然而，由于它是旋转电机，运行维护复杂，响应速度较慢，随着负荷中心地区对环境要求的提高，旋转设备带来的噪声等问题使居民越来越不满意，目前有些国家甚至已经不再使用同步调相机。电力系统发电、输电、配电与用电必须同时完成，系统始终要处于动态的平衡状态，电力系统瞬时的不平衡可能导致安全稳定问题，因此要求并联补偿装置具有快速的响应，如达到周波级的响应速度，才能用于处理系统的问题。由于机械投切装置惯性大，动作时间在秒级，满足不了电力系统对快速性的要求，而随着大功率电力电子技术的发展，采用高压大容量快速的电子开关代替机械开关已经成为趋势。因此在20世纪70年代，出现了一系列的晶闸管投切的并联补偿装置和晶闸管控制的并联补偿装置，使电力系统的并联补偿进入了一个新的阶段。TSC(ThyristorSwitchedCapacitor)型SVC(StaticVarCompensator)由电容器和双向导通晶闸管组成[10]，其装置图如图1.1a)所示。这里的晶闸管仅起开关的作用，TSC只能提供容性电流，将多组TSC并联使用，根据容量需要逐个投入可以获得近似连续的容抗。TSC虽然不会产生谐波且损耗较小，但它对于冲击性负荷引起的电压闪变不能进行很好的抑制。FC+TCR(FixedCapacitor+ThyristorControlledCapacitor)型SVC由TCR和若干组不可控电容器并联而成，图1.1b)为其装置图。其中，电容器为固定连接，TCR支路采用触发延迟控制，形成连续可控的感性电流，TCR的容量大于FC的容量，以保证既能输出容性无功功率也能输出感性无功功率。FC+TCR型SVC虽响应速度快，但由于TCR在工作中产生的感性无功电流会被固定电容中的容性无功电流平衡，所以容易造成器件和容量的浪费，造成很大经济损失。TSC+TCR型SVC一般使用n组电容器和一组晶闸管相控电抗器，图1.1c)为其装置图。它的无功输出可在容性和感性范围内调节，在电力系统大扰动期间或扰动过后，因其电容器和电抗器可分别切除和投入，因此可将瞬间过电压降到最低。由于基于晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能[11]，所以，近10年以来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定的增长，已占据了静止无功补偿装置的主导地位。晶闸管投切的或控制的并联补偿装置彻底改变了机械投切装置或旋转装置速度慢的缺点，控制速度快，维护简单，成本较低，因此在电力系统中获得了大量的应用。但这些并联补偿装置本身也存在一定的问题，如晶闸管控制的装置只能以斩波方式工作，因此会产生较大的谐波[12]，其次这些装置并联接入电力系统后会改变系统的阻抗特性，过多安装这些设备可能导致系统振荡，而且正是由于这些设备还保留了阻抗型装置的一些特性，因此在系统电压偏低或偏高时，阻抗型装置的缺点（如电压低时电流也减小，导致补偿容量与电压平方成正比下降）影响了并联补偿装置的补偿效果。由于晶闸管的关断不能控制，因此开关频率低，对配电系统电能质量补偿能力弱。图1.1SVC装置图随着高压大容量可关断器件，如IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)、GTO(GateTurn-offThristor)、IGCT(IntegratedGateCommutatedThyristor)器件的发展，20世纪80年代出现了基于可关断器件的电压源或电流源变流器的并联补偿装置，这种并联补偿装置的特性完全脱离了阻抗型装置的特性，成为完全可控的电压源或电流源，使得并联补偿装置的性能得到较大的提升。由于可关断器件工作频率较高，变流器输出的谐波小，变流器工作范围大，输出电流独立于电压，因此在系统电压低时这种补偿装置具有很好的特性。而且基于变流器的并联补偿装置不需要大体积的电力电容器与电力电抗器，体积小，调节速度快，根据电力系统需要灵活配置。基于变流器并联补偿装置的典型代表是静止同步补偿器(STATCOM，StaticSynchronousCompensation)装置[13]，如图所示。20世纪90年代以来，基于变流器的并联补偿装置在输电系统和配电系统中获得了越来越广泛的应用。它在电网中吸收和发送无功，使传输容量更接近热稳极限，调节电压，以及抑制电压闪变提高系统的暂态稳定水平，而在配电网中主要起补偿交流负载所需的无功分量，维持节点电压稳定，以及补偿可能出现的谐波这些作用。图1.2STATCOM装置图图描述了无功补偿装置的发展情况概括。各种分立式的无功补偿装置有各自的特点和优势，在实际系统中，为了满足并联无功补偿各方面的要求，通常将它们结合起来使用。目前主要的组合方式有下面几种:（1）固定电容+晶闸管控制电抗器型(FC+TCR)，实际应用中，常用一个滤波网络来取代单纯的电容支路，能对TCR产生的谐波分量起着滤波的作用。（2）晶闸管投切电容+晶闸管控制电抗型(TSC+TCR)，由于TCR工作中产生的感性无功电流需要固定电容中的容性无功电流来平衡，因此在需要实现输出从额定感性无功到容性无功的调节时，TCR的容量则是额定容量的2倍，从而导致器件和容量上的浪费。TSC+TCR型可以克服上述缺点。（3）机械式投切电容+晶闸管控制电抗器型(MSC+TCR)，在一些要求不高、电容器投切不频繁的应用场合，可以采用机械式开关代替TSC支路的晶闸管，有利于降低成本和损耗。图1.3无功补偿装置发展框图（4）STATCOM+SVC，STATCOM的容性和感性无功容量的可控范围对称，但实际应用中对感性和容性无功容量的需求是不同的，因此将STATCOM与其它无功补偿设备结合起来可以解决这个问题，并降低整体成本。1.3课题研究的目的随着国民经济的迅速发展，用电量的增加，电网的经济运行日益受到重视。近年来，随着现代工业和电力工业的不断发展，电能传输的距离和容量日益增大，工业用户对电能质量的要求越来越高。然而，企业广泛采用异步电动机和变压器，特别是近年来大型可控硅装置的应用和大功率冲击性负荷的存在，使得系统无功因数变低，电压波动加大。降低网损，提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统运行部门面临的实际问题，也是电力系统研究的主要方向之一。特别是随着电力市场的实行，输电公司（电网公司）通过有效的手段，降低网损，提高系统运行的经济性，可给输电公司带来更高的效益和利润。电力系统无功功率优化和无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分。通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿，不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性,而且可以降低有功网损和无功网损，使电力系统能够安全经济运行。因此，无论从提高输电网的传输能力，降低损耗，提高系统稳定性，还是从提高供电质量的角度，都需要大量的无功补偿装置。目前，国内虽有上百家企业生产无功补偿控制器，但其中多数存在测量精度低、控制可靠性低、人机界面不友好、功能单一、控制简单等问题。本课题研究的目的就是研制一种可靠的低成本、多功能的无功补偿控制器。该控制器能够根据测量的电网参数在低压侧自动调节供给电网无功功率的大小；测量的参数范围广，包括：电压、电流、功率因数、有功及无功功率等；具有功能强大的人机界面，选用的点阵液晶显示器可以显示当前电网的各种参数，按键可以设置控制器运行需要的各种参数，包括：电压报警上极限/上限、电压报警下极限/下限、所用电容器的额定容量/额定电压、电容器共补和分补分配情况、投切电容器的时间间隔等参数；还具有数据存储等功能。该控制器应用灵活方便，适合安装于多种无功补偿场所，并且补偿速度快，效果好，成本低，便于推广利用。1.4本文的主要工作本文主要从系统设计、控制器的软硬件设计和控制策略等几个方面讨论了基于CS5464芯片的无功补偿控制器设计方案，并对系统设计中的几个关键性问题进行了详细的论述，本文完成的主要工作有：(1)介绍了无功补偿的国内外发展的现状及趋势，分析了各种类型的无功补偿装置的特点；详细介绍了无功补偿的概念及原理，以及本文所采用的TSC型无功补偿的原理及分类，然后介绍了TSC型无功补偿装置的主电路设计以及并联电容器投切开关类型及特点。(2)对晶闸管的串联特性进行研究，分析了晶闸管静态特性、动态特性和应用中的相关特性对器件串联使用的影响。根据理论公式及经验值设计器件串联使用的均压电路。通过Pspice软件仿真，修改器件模型中的关键参数，模拟实际应用中器件特性的分散性，通过大量的仿真分析比较，验证了均压电路的作用。(3)电容器无涌流投入是TSC关键技术之一，本文通过理论及Matlab建模仿真分析各种情况下电容器投入的浪涌电流，确定了在晶闸管两端电压过零时刻投切电容器，简化了电路设计，可以达到很好的效果。为此选用了专门的具有过零检测电路的晶闸管，确保投入时刻的准确。针对目前无功补偿控制器多采用单片机作为主处理器，测量精度、控制精度和控制策略有限制，本控制器采用CIRRUSLOGIC公司的电能测量芯片CS5464测量电力系统参数，新华龙公司单片机C8051F022为主控制CPU，围绕它们设计无功补偿控制器，包括系统的硬件设计和软件设计的智能型无功补偿控制器。(4)针对以往的无功补偿控制器仅以电力网中功率因数为投切电容器判据的问题，介绍了目前应用较多的几种控制策略以及它们的实现方法和特点，并详细介绍了本控制器所采用的复合控制策略以及具体的软件实现。(5)本装置设计了友好的人机界面，只需按键稍许的设置，该控制器就可以方便的在多种无功补偿场合使用，应用灵活方便，并实现了数据存储等功能。2无功补偿的相关理论2.1无功补偿的一般概念2.1.1无功补偿的原理分析提高系统功率因数的途径一般有：提高系统自然功率因数；安装无功补偿装置。无功补偿的原理简单来说，就是提供负载所需要的无功功率，将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，电容器释放能量，而电感放出能量时，电容器在吸收能量，能量就在它们之间交换，即阻感性负载需要的无功功率可由电容器提供，反之，阻容性负载需要的无功功率可由电抗器提供，因此，按照负载的性质安装不同的设备可以提供负载所需要的无功功率而不再需要从电源获得，减轻了电力系统的压力，补偿原理如图所示。图2.1无功补偿原理示意图负载需要的无功功率Q，装设无功补偿装置后，补偿的无功为QC，这样电源输出的无功减少了QC，功率因数由原来的提高到补偿后的，视在功率由原来的减少到，但有功功率并没有变化。视在功率的减少可相应的减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供电设备的投资。由功率损耗公式（）和电压损耗公式（）可见电源输送的无功功率的减小，使电力网和变压器的功率损耗下降，提高了供电效率，并且降低了电力网中的电压损耗，提高了供电质量[14][15]。（）（）如前所述，工农业及家用等用电设备大部分是阻感负载，可看作电阻与电感串联的电路，其功率因数为（2.3）图2.2并联电容器无功补偿电路图将、串联电路并联接入电容C后，电路如图所示。该电路的电流方程为（）由补偿相量示意图可知，并联电容后电压与的相位变小了，即供电回路功率因数提高了，根据补偿后的电流与电压的相位关系，分为电流滞后电压的欠补偿和电流超前电压的过补偿，过补偿的情况，会引起变压器二次电压的升高，而且阻容性无功功率同样会增加电能损耗。如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器的寿命。图2.3并联电容补偿相量示意图2.1.2无功补偿的方式无功补偿可以改善电压质量，提高功率因数，是电网采用的节能措施之一。配电网中常用的无功补偿方式为：在系统的部分变、配电所中，在各个用户中安装无功补偿装置；在高低压配电线路中分散安装并联电容机组；在配电变压器低压侧和车间配电屏间安装并联电容器以及在单台电动机附近安装并联电容器，进行集中或分散的就地补偿。1．就地补偿对于大型电机或者大功率用电设备宜装设就地补偿装置[14]。就地补偿是最经济、最简单以及最见效的补偿方式。在就地补偿方式中，把电容器直接接在用电设备上，中间只加串联熔断器保护，用电设备投入时电容器跟着一起投入，切除时一块切除，实现了最方便的无功自动补偿，切除时用电设备的线圈就是电容器的放电线圈。2．分散补偿当各用户终端距主变较远时，宜在供电末端装设分散补偿装置，结合用户端的低压补偿，可以使线损大大降低，同时可以兼顾提升末端电压的作用。3．集中补偿变电站内的无功补偿，主要是补偿主变对无功容量的需求，结合考虑供电压区内的无功潮流及配电线路和用户的无功补偿水平来确定无功补偿容量[15]。35KV变电站一般按主变容量的10%-15%来确定；110KV变电站可按15%-20%来确定。4．调容方式的选择(1)长期变动的负荷对于建站初期负荷较小，以后负荷逐渐增大的情况，组装设无载可调容电容器组。户外安装时可选用可调容集合式电容器；户内安装时可选用可调容柜式电容器装置。其基本原理为将电容器按二进制方式分成二组，通过分接开关或隔离开关选择投切组合，可以实现三档容量可调。随着负荷的改变，可以人工断电后改变投切组合满足某一时间段的无功平衡。这种场合可以装设无功自动调容装置，该装置可以满足无人值守综合自动化的要求。（2）短时段内负荷频繁变化的场合该场合宜装可快速跟踪的瞬态无功补偿装置。由于电容器每次投切前必须保证电容器没有残存的电荷，而电容器放电即使通过放电线圈亦需要数秒的时间，所以高压瞬态无功补偿装置（也称SVC）一般都是固定补偿最大容量的电容器，同时并联一组容量可调的电抗器，通过快速调整电抗器的输出无功，从而达到无功瞬态平衡的目的。电抗器的调整技术主要有可控硅控制空心并联电抗器[16]及直流偏磁调感两种方式，其中以前者较优，但价格较高。这些补偿方式在电力无功补偿系统中各有利弊，如果能将这些无功补偿方式统筹考虑，合理设计布局，将可以取得更好的经济效益。2.1.3无功补偿容量的确定确定补偿容量的方法是多种多样的，但其目的都是要提高配电网的某种运行指标。我们来介绍几种确定补偿容量的方法[17]。从提高功率因数需要确定补偿容量如果电力网最大负荷月的平均有功功率为，补偿前的功率因数为，补偿后的功率因数为，则补偿容量可用式（）计算（）若需要将功率因数提高到大于，小于，则补偿容量可用式（）确定。（）从降低线损需要来确定补偿容量线损是电力网经济运行的一项重要指标，在网络参数一定的条件下，线损与通过导线的电流的平方成正比。经过推算，此种情况下补偿容量是与第一种情况下是一样的。从提高运行电压需要来确定补偿容量在配电线路的末端，特别是重负荷、细导线的线路。运行电压较低，加装补偿电容以后，可以提高运行电压，这就可能在补偿电容过大时产生过电压，所以要考虑选择多大的补偿电容是合理的。在此种情况下有（）其中，——投入电容母线电压值；——阻抗容性分量；——变电所母线电压。用补偿当量确定补偿容量当采用补偿当量确定补偿容量时，可将线路分成段，算出每段的有功损耗值，即（）其中，——第段线路的补偿容量——第段线路的无功功率——第段线路的电阻。则段线路有功损耗的减少的总值为（）可得，补偿容量（）其中，——无功经济当量，即线路投入单位补偿量时有功损耗的减少量。此外，还有按运行费最小、年支出费用最小确定补偿容量以及考虑负荷分布时的补偿容量等等补偿容量的确定方法，根据实现的目标不同选择不同的确定补偿容量的方法，然后应用到无功补偿器的控制策略中，才能设计出更加合理的无功补偿控制器。2.2TSC型无功补偿2.2.1TSC型无功补偿的基本理论一个基本的TSC（晶闸管投切电容器）是由一对反向并联的晶闸管与一个电容器和一个小电感组成，反向并联的晶闸管的作用就如同一个双向开关，如图所示。两个反并联晶闸管将电容器并入电网或从电网中切除，串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。因此，当电容器投入时，TSC的电压—电流特性主要是电容器的伏安特性。在工程实际应用中，一般将电容器分成几组，每组由晶闸管投切，这样通过检测电网的无功需求投切这些电容器，TSC实际上是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器，它有两个工作状态，即“投入”和“断开”状态。“投入”状态下，双向晶闸管之一导通，电容器起作用，TSC发出容性无功功率；“断开”状态下，双向晶闸管均阻断，TSC支路不起作用，不输出无功功率[15]。图2.4TSC的结构原理图2.2.2并联电容器投切时刻的选取假设母线电压是标准的正弦信号，投入时电容上的残压为，认为晶闸管是一个理想的开关，则TSC支路电压方程用拉氏变换表示为（）经过简单的变换处理及逆变换后可以得到电容器上的瞬时电流为（）其中，，是电路的自然频率；，是电容的基波电纳；，是电流的基波分量的幅值；，为电路的自然频率与工频之比。式（）右侧的后两项代表预期的电流振荡分量，其频率为自然频率，可见投入TSC支路时完全没有过渡过程，必须同时满足：条件1：自然换相：（即）条件2：零电压切换条件：为了同时满足上述条件，过去大多数厂家均采用了假定电容两端电压已预充电到系统峰（谷）值电压，从而在电源电压峰（谷）值时开通晶闸管以投入电容器组的方法。这样，电容器电压不会产生跃变，也就不会产生冲击电流。一般来说，理想情况下，希望电容器预先充电电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，因此在投入时刻ic为零，之后才按照正弦规律上升。这样，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。图给出了TSC理想投切时刻的原理说明，图2.5TSC理想投切时刻但在实践中存在两个问题：一是如果没有预充电装置，则第一次投入或切除时间较长后再次投入时，由于放电的原因，此时电容电压通常为零，故会发生电流冲击；二是由于电容自身放电的原因，即便切除时间较短，电容电压也会下降。随着电力电子技术的不断发展，目前很多厂家生产并联电容器的过零触发模块，它的原理框图一般如图所示，它根据输入的投切信号，在TSC主电路里的晶闸管两端电压过零的时刻产生高频脉冲，触发晶闸管，达到向系统中投入电容器的目的。本次课题设计方案所选用的沈阳信达电力电子公司的CF6G-3型可控硅控制器采用的就是过零触发方式[18]。图2.6TSC过零触发模块的原理框图2.2.3TSC主接线方式电容器接线方式的不同，决定了补偿方式的不同。目前电容器组的接线方式有3种，分别是三角形接法，星形接法，三角形和星形相结合接法[19]。TSC常见的主接线方式有以下几种：(1)三相控制的△接线方式(图2.7a)。晶闸管阀为晶闸管反并联接线方式。晶闸管重投时需考虑电容器的残压，原因是电容器两端电压不能突变，电源电压和电容器残压的差值较大时触发晶闸管会产生很大的冲击电流，这一冲击会直接损坏晶闸管。(2)采用两个晶闸管阀实现对一组△接线电容器的投切(图2.7b)。为了提高运行的可靠性，防止电容器和晶闸管阀损伤，晶闸管投入时有过零检测，当晶闸管两端的电压过大时，该晶闸管的触发信号被闭锁。在晶闸管阀端电压过零点附近触发晶闸管。电流有一个暂态过渡过程。如果电源的等值电抗和串联电抗等参数配合较为合理，则这个暂态过程的持续时间不长、幅值也不大。并且很快过渡到稳定状态。值得注意的是，晶闸管阀切除后补偿电容上的残压将超过线电压峰值，这不仅对并联补偿电容器的耐压提出了更高的要求，而且对晶闸管的耐压也提出了更高的要求[20]。(3)采用Y0接线方式(图2.7c)。采用这种接线晶闸管电压定额可以降低，但电流定额增大了，电容器电压降低会提高其单位价格，同时投入时会产生短时不平衡中线电流。(4)Y接线，没有B相晶闸管阀，只控制A，C两相的接线方式(图2.7d)。这种方式可采用最普通的三相电容器组，又可少用晶闸管。但由于电容器剩余电压的不确定性，晶闸管承受的最大电压将升高，并且需要零电压触发电路。a)b)c)d)图2.7TSC常见主接线方式△接法只适用于三相共补电路，如果三相负荷不平衡、三相的功率因数角和电流差异较大，TSC主电路就只能采用Y接法，以满足分相补偿的要求。2.2.4电容器分组方式当采用TSC补偿设备时，由于其输出不能连续调节，电容器分组对补偿效果构成明显影响。为了延长电容器寿命，各组电容器投切频度应尽可能降低，且各组投切次数基本相当。为了达到较高补偿度，同时避免过补偿，分组容量应尽可能地小。二者之间存在一定矛盾，提出合理的分组策略也是一个研究内容。电容器的分组方式有等容分组方式和不等容分组方式。所谓等容分组方式，是指各组电容器的容量相等，其优点是易于实现自动控制，缺点是补偿级差大，要想获得较小的补偿级差，必须增加分组组数，相应的控制设备及所占空间也需要增加；所谓不等容分组方式，就是指各分组电容器的容量不相等，其优点是利用较少的分组就可获得较小的补偿级差。按照8：4：2：1原则分组的不等容分组方式，虽然软件控制比较复杂，但却大大节省了电容器所占用的空间，也大大节约了电容器投切开关的数量，实现了较高的补偿精度的同时也大大节约了补偿装置的成本。2.3关于晶闸管器件的相关研究TSC主电路的核心是晶闸管开关阀，当电压等级较高时，单管耐压难以满足要求，所以器件串联分压成为必然的选择，而器件串联运行又会带来静、动态均压，缓冲保护等各种问题。2.3.1晶闸管串联技术研究为保证串联器件的安全运行，在器件串联使用前，首先要对器件进行筛选，选用特性、参数一致性较好的器件进行串联。虽然如此，由于器件制造工艺等方面的原因，即使是同一型号、同一规格，甚至同一批号的产品，它们在特性、参数上毕竟是有差异的，不可能严格一致。这样，当器件串联运行时，由于器件静态特性上的差异，将使阻断状态下各串联元件的静态电压分配不均衡，造成所谓的静态不均压；而由于器件动态参数上的不一致，导致各串联元件开关速度的不一致，造成动态电压分配不均衡，造成所谓的动态不均压[21]。（1）影响静态均压的因素和静态均压措施造成静态不均压的原因主要是各串联器件在静态特性上存在差异。如图表示两个串联元件的阳极伏安特性曲线，由于两元件正向伏安特性的差异，在阻断状态下，如果流过相同的漏电流Io，但它们所承受的静态电压V1和V2不同，并且因特性曲线斜率很小，几乎与横轴平行，所以V1和V2在数值上可能相差很大，静态电压分配极不均衡，其中V1还未发挥其耐压能力，而V2却已经接近转折电压并可能超出其安全运行的范围。图2.7串联晶闸管阳极伏安特性曲线为使串联元件在阻断时承受均衡的电压，必须采取静态均压措施。在各串联元件上并联一定数值的电阻Rj是常用的静态均压措施，Rj称为均压电阻，如图所示。器件静态阻断特性的差异可以用器件漏电阻的不同来描述。假设VT1为n只串联元件中的失配元件，其漏电阻为r1，实际承受电压为V1，其余n-1只元件的漏电阻均为r2，各自承受电压V2。未并联Rj时，各串联元件中流过相同漏电流Io，则QUOTEIo=VCCr1失配电压为QUOTE(2.14)并联Rj后，QUOTEr1=Rjr1Rj+r1r1QUOTE??V'=r1-显然ΔV′<ΔV，Rj越小，ΔV′也越小。当然，Rj不宜过小，否则流过的电流较大，Rj上的功率损耗也会增大，正确的选择应从ΔV′和功耗两方面综合考虑。图2.8静态均压电路一般可根据公式(2.16)QUOTE(2.17)其中：UNT为晶闸管额定电压；IR为断态重复平均电流；πIR为近似漏电流峰值；UTm为作用在串联晶闸管上的正、负向峰值电压；KRj为系数，三相取KRj。（2）影响动态均压的因素和动态均压措施串联元件动态不均压是指在开通和关断瞬态过程中出现的动态电压分配不均衡，动态不均压一般发生于开通瞬间电压的后沿和关断瞬间电压的前沿，这主要是由于各元件的开通时间ton和关断时间toff等动态参数的不一致所造成的。抑制关断过程中产生的动态不均压，通常采用并联电容的方法，如图所示。并联均压电容Cj后，由于电容两端电压不能突变，原先流过关断SCR的电流转而流经Cj，使先关断SCR上的电压以充电速度缓慢建立，这样，各串联元件所承受动态电压便可处于基本均衡的状态。图2.9动态均压电路实际均压电容支路中，通常还要串联一个数值不大的电阻。当串联元件关断后，Cj上充有一定电压，储存了一定的能量，当下一次元件开通时，Cj要经过元件放电并形成相当大的放电电流，使流经元件的电流(或di/dt)大大超过允许值。串联电阻R就是为了限制这个放电电流。2.开通过程中的动态均压晶闸管开通过程中同样存在动态均压问题，由于多个晶闸管元件的开通时间不一致，即使是同时触发，开通时间短的元件先导通，于是全部正向电压都由其余尚未导通的元件承担，如果动态均压不良，可使其中某一元件的正向电压超过转折电压，造成硬性转折，对元件是一种损伤。动态均压电容和电阻的参数可按下列各式计算Cj=(2~4)ITa×10-3(μF)(2.18)动态均压并联电容的交流耐压值应大于UTm/n。动态均压并联电阻一般取10~30Ω，电阻的功率为P≥fC(UTm/n)×10-6(W)(2.19)式中：f为电源频率；ITa为晶闸管的额定电流现取一组实际工程中常用的晶闸管的参数。2.4无功补偿与谐波抑制现代电力配电网中谐波抑制和无功功率补偿不再是两个独立的问题，二者相互之间有非常紧密的联系，主要表现在[22]:(1)无功补偿与谐波抑制都与电力电子技术有密切的关系，而各种电力电子装置目前已成为供用电系统最为主要的谐波源，同时其功率因数也很低，消耗大量的无功功率。(2)补偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置，如LC滤波器、有源电力滤波器中的许多类型都可以补偿无功功率，高功率因数整流器既限制了谐波，也提高了功率因数。(3)很多无功补偿装置，如晶闸管控制电抗器(TCR)在正常运行时会产生大的特征谐波注入电网，因此必须采取措施将这些谐波滤除或减弱。在波形畸变情况下,视在功率S与有功功率P和无功功率Q之间的关系变为:（）视在功率减去有功功率后余下的包括两部份,现用一数学量D来表示所余下的其中一部份伏安值(习惯上D就称之为畸变功率),这样,视在功率就成为三维空间向量和,即:（）畸变功率D具有无功功率的性质。因此,谐波电流可以看作是无功功率的增加(谐波无功功率)。它与电磁无功功率在电网中流动时一样,会增加线路和变压器的铜损耗,并使供电网络的功率因数降低。谐波的抑制要解决配电系统的谐波和无功补偿问题必须综合考虑滤波和补偿这两方面的因素，能满足要求的实现方法有很多，经过学习比较，这里主要研究两种常见的滤波装置。一种是无源滤波器；一种是有源滤波器。1、无源滤波器无源电力滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段，是一种用并联滤波器滤除谐波的典型电路结构，通常是根据所要实现的功能由电力电容器，电抗器和电阻组合而成。一个简单的串联LC电路与谐波源并联，应用其谐振原理，使某一次谐波在这个支路发生谐振，呈现低阻状态，使该次谐波电流不再流入电网，达到抑制谐波的目的。如果要滤除若干次谐波，就用若干个单调谐LC滤波器并联接到电网。无源电力滤波器还可以设计成双谐振的，同时滤除两种频率的谐波，还可以设计成高通滤波器，以滤除某一次上的谐波。无源滤波器的优点：因其结构简单，电压和容量可以做的很大，在吸收谐波的基础上还可以补偿无功，改善功率因素；维护方便；造价低，运行费用也低；对某一次高次谐波的吸收效果明显；设计制造经验成熟。因此成为传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。无源滤波器虽然存在上述诸多优点，但它也有不足之处。无源滤波器的滤波原理是在系统中为谐波提供一并联低阻通路，因此由于结构原理上的原因，在应用中存在着一些难以克服的缺点：(1)只能抑制按设计要求规定的谐波成分，抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的滤波效果明显，而对偏离调谐点的谐波无明显效果。而实际工程设计时考虑到设计投资，不可能依靠增加滤波器的办法解决。(2)滤波特性受系统参数影响较大，滤波效果随系统运行情况而变化，当系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差。特别是对电网阻抗和频率的变化十分敏感，在一个复杂的电力系统中，这两个参数的变化规律很难精确预知，因此一个实际的滤波器要达到理想的滤波效果是很难的。(3)当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生串联或者并联谐振，从而会产生谐波放大现象，使装置无法运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行。(4)当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备。(5)装置体积大，损耗大。(6)滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调。基于上述无源滤波器设计和运行中存在的问题，国内外的设计研究人员研究出若干解决办法，通过采取优化设计，在一定程度上提高了无源滤波器的使用效果。但无源滤波器由于原理上带来的缺点是无法彻底克服的，因此，有必要采用其它滤波方式来抑制谐波。2、有源电力滤波器有源电力滤波器是一种能够弥补无源滤波器不足的一种新型谐波抑制设备，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小变化的谐波以及变化的无功进行补偿。它的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。其应用可克服LC无源滤波器等传统谐波抑制和无功补偿方法的缺点，与传统无源滤波器相比，具有突出的优点，概括起来主要有[23]：(1)实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。(2)可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要储能元件容量也不大，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。(3)即使补偿电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿用。(4)受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。(5)能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。(6)既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。基于有源滤波器的上述优点，采用有源电力滤波器是对谐波进行抑制的一个发展趋势，因而受到广泛的重视，对于保证电力系统运行的安全性、可靠性和经济性具有重要意义，具有广阔的应用前景。但目前国内的有源滤波器还处于研发阶段技术还不够成熟，应用的有源滤波器大都是国外进口产品，如ABB公司，价格昂贵，只有少数的工厂和企业在用。因此在这里选用无源滤波装置。从工作原理来看，滤波装置可分为两类。一类为有源滤波器，即该滤波器本身为一谐波源，其发生的谐波与负荷产生的谐波大小相等，但方向相反，正好抵消了负荷产生的谐波，从而达到消除谐波的目的。这类滤波器目前仅有小容量的装置投人使用，尚须进一步研究。另外一类是无源滤波器，它是采用电容、电感谐振的原理来达到“吸收”谐波的目的。由于其中有电容器，所以可以实现滤波兼并补双重作用。2.5本系统所采用的相关理论与补偿方式本系统采用单片机C8051F022读取电能测量芯片CS5464测量的电力系统参数，通过可控硅控制器控制晶闸管（可控硅）实现自动投切电容器组，主要应用于低压自动无功补偿装置中。采用无触点过零投切的原理进行分散无功补偿。采用三相共补和各相分补相结合的综合补偿方式和电容器组等容量配置方式，采用无功功率和电压复合控制策略，在电容器组的使用上采取循环使用的方式，同时，本系统还具有多项报警参数设置、电容器参数设置、功率因数上下限、一次侧电流互感器变比和投切间隔时间等，与其它的无功补偿控制器相比，有更高的可靠性、灵活性，更加符合实际的需要。本章小结本章完成了对无功补偿相关理论特别是TSC型无功补偿的介绍总结及TSC主电路中晶闸管的研究，详细论述了器件串联开关阀的设计，包括串联元件的个数的计算，动、静态均压电路的设计。本文还在第六章应用Matlab中的Simulink仿真工具建立了补偿电容器投切仿真模型，模拟晶闸管在不同时刻投切对补偿电容器电压电流的影响。

3控制器的硬件设计目前的TSC型无功补偿控制器概括来说主要有三种类型：一是单纯采用8位或16位单片机作为测量与控制的主处理器，这种控制器往往结构简单，功能单一，测量电网参数有限且不精确；二是采用DSP为主处理器，这类无功补偿控制器不但能够精确测量电网的各种参数，提高对无功补偿动态响应速度，而且能够很好的实现更加复杂的控制算法，但是此类控制器一般软硬件设计复杂，开发设计投入大，成本较高；三就是测量部分选用专用的电能测量芯片，控制投切部分采用单片机，此类控制器软硬件设计简单，开发投入较小，性能稳定，能够满足现代无功补偿的需要，而且随着IC技术的不断发展，专用电能测量芯片和单片机的性能和速度有了很大的提高，成本也在不断降低，因此，此类型的控制器亦将有更广阔的市场。本课题所设计的无功补偿控制器属于第三类型，其参数测量部分选用三片CIRRUSLOGIC公司的CS5464芯片，分别完成三相电能参数的测量，控制部分选用新华龙公司的C8051F022单片机，自动跟踪电网的无功功率以及电压，实现无功功率的动态补偿，具有对低压电网的动态监测、报警、参数存储和通信等功能。3.1控制器设计原则本课题在分析其它功补偿装置的功能和电路结构的基础上，按照国家相关规定[20]，吸取其设计经验并参考市场需求以及企业所面对的客户，系统设计主要考虑了可靠性、精确性、经济性以及适用性等几方面因素。具体设计时主要遵循了以下的原则：(1)由于本系统兼有无功补偿和配电监测报警功能，需要对电网参数精确快速测量，所以选择了专用电能测量芯片CS5464；(2)无功补偿控制终端在实际应用环境时，环境比较恶劣，干扰比较严重，对可靠性要求较高，并且无功补偿的装置根据需要不同配置安装等都不同，需要控制器有更好的适用性，所以在选取CPU时，要考虑其是否具有丰富的集成外设功能以及精简外部电路设计，从而提高系统的可靠性、适用性，这样也可降低系统的设计开发成本，进一步提高产品的市场竞争力；(3)采用低功耗硬件电路设计及微处理器芯片，系统运行的低功耗是现代电子系统的普遍取向，是电路设计的基本原则。同时设计还要考虑以后的系统应用的需要，方便系统功能扩展。3.2控制器整体结构设计TSC型无功补偿控制器硬件主体部分一般包括检测、控制、执行以及电源四部分。本控制器中检测部分采用三片CS5464对三相电参数进行测量，并将其计算测量的结果存储到自身的数据寄存器中；控制单元采用单片机C8051F022通过对CS5464计算测量结果的读取，再根据设计控制策略，做出投切决策并输出投切信号；执行单元主要有CF6G—3型可控硅控制器和可控硅构成，实现合适时刻对电容器的投入或切除。控制器硬件结构框图如图所示。本系统除包含上述主体功能的硬件组成部分外，还包括了完成其它辅助功能的硬件模块，主要包括人机界面、数据存储、电源、键盘、报警和指示等模块电路。图3.1控制器硬件结构图3.3单片机C8051F022应用电路模块3.3.1单片机C8051F022简介C8051F022单片机是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚，其主要特性有[26][27]：高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）全速、非侵入式的在系统调试接口(片内）真正12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关两个12位DAC，具有可编程数据更新方式64k字节可在系统编程的FLASH存储器4352（4096+256）字节的片内RAM可寻址64k字节地址空间的外部数据存储器接口硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口5个通用的16位定时器具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器3.3.2单片机C8051F022的硬件资源分配根据本系统的设计需要以及考虑到以后的系统扩展，对于单片机的硬件资源分配如表所示。表3.1单片机C8051F022硬件资源分配引脚号（引脚名称）端口配置用途说明60（）交叉开关（SCK）上拉2k漏极开路SPI通信总线的时钟线59（）交叉开关（MISO）上拉2k漏极开路SPI通信总线的主机输入从机输出线58（）交叉开关（MOSI）上拉2k漏极开路SPI通信总线的主机输处从机输入线56（）交叉开关（SDA）上拉2k漏极开路SMBus的数据线55（）交叉开关（SCL）上拉2k漏极开路SMBus的时钟线47（）上拉2k漏极开路第一片CS5464片选端口48（）上拉2k漏极开路第二片CS5464片选端口49（）上拉2k漏极开路第三片CS5464片选端口50（）上拉2k漏极开路三片CS5464复位线34（）交叉开关（/INT0）无上拉漏极开路三片CS5464的中断线接口88-81（P5）80-73（P6）上拉2k漏极开路16路控制输出端口51（）52（）53（）98-91（P4）上拉2k漏极开路上拉2k漏极开路上拉2k漏极开路上拉2k漏极开路液晶REQ端口液晶复位端口液晶BUSY端口液晶数据线39（）40（）41（P2.5）上拉2k漏极开路上拉2k漏极开路上拉2k漏极开路按键控制端口1按键控制端口2按键控制端口342（）43（）44（P2.2）上拉2k漏极开路上拉2k漏极开路上拉2k漏极开路运行指示灯控制口过压指示灯控制口欠压指示灯控制口45（）上拉2k漏极开路蜂鸣器控制端口测量电路模块3.4.1CS5464功能简介CS5464是一个包含两个ΔΣ模-数转换器（ADC）、功率计算功能、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片，芯片外形图管脚信息如图3.2所示，它具有以下特性[24][25]：电能数据线性度：在1000：1动态范围内线性度为±0.1%片内功能：——可以测量瞬时电压、电流、IRMS和、VRMS、视在功率、有功功率、无功功率、有功的基波和谐波功、无功的基波功率、功率因数、频率——具有电能-脉冲转换功能——具有系统校准和相位补偿——具有温度传感器两种无功计算方式符合IEC，ANSI，，JIS工业标准功耗<12mW优化的分流器接口单电源地参考信号片内2.5V参考电压（最大温漂25ppm/℃）内带电源监视器简单的三线数字串行接口可以从串行EEPROM智能“自引导”，不需要微控制器电源配置VA+=+5V;AGND=0V；～+5V图3.2CS5464的外形图和引脚封装图CS5464电压通道的量程为mV，有VoltageGain寄存器，允许一个附加可编程4倍放大器，电流通道的量程可以设置为mV或者mV，也有CurrentGain寄存器，允许一个附加可编程4倍放大器，芯片的采样周期和计算周期都可以根据需要灵活设置，其本身又带有强大的数字滤波器，对数据进行低通滤波，以去除调制器输出的高频噪声。通道的低通滤波器由一个固定的Sinc3滤波器实现，通道的数据接下来通过一个可选IIR补偿滤波器，以补偿通过低通滤波器后产生的幅值损耗。两个通道都提供了一个可选的高通滤波器（用HPF表示），它可以加入信号通路，以在Vrms/Irms、有功功率、视在功率计算之前除去电流/电压信号中的直流成分。任意一个通道中的HPF如果不用，则这通道将启动全通滤波器（用APF表示），以保持电压和电流的传感信号之间的相位关系。可见，CS5464是一款功能强大、应用方便的专用电能测量芯片。3.4.2CS5464应用电路在本系统的设计中，采用了三片CS5464分别完成三相电参数的测量，其中一片通过的晶振提供时钟信号，后两片的时钟信号由第一片的CPUCLK管脚提供，这样可以使三片测量芯片工作同步。通过SPI串行通信总线与单片机C8051F022通信，图3.3所示是本系统中测量的核心部分CS5464应用电路图。图3.3CS5464应用电路本装置设计了并联电容器支路自动诊断功能，这样能够及时的发现无功补偿装置运行中的隐患，减少危险的发生。使用了一片CS5464对电容器支路电流进行测量，通过一片CS5464和两片CD4051对16路电容器电流循环测量检测，可实时检测电容器的投切情况，当电容器电流过大时可以发出警告。电容器支路电流测量电路如图3.4所示。图3.4电容器支路电流测量电路电网信号采样电路在电压信号转换预处理（图3.5）过程中，首先经过110k的电阻把电网中的强电压信号转换为互感器能够接受的电流在2mA范围内的电流信号，经过2mA/2mA变比的电流型电压互感器转换为弱电侧的电流信号，则R8两端电压UR8=(220/110k)×100=200mV，转换为电能测量芯片CS5464能测量的±250mV范围内的信号，因为芯片CS5464本身带有数字滤波器，在这里仅对转换后的电压信号作简单的滤波处理，然后把预处理的信号接入到CS5464的电压输入通道VIN+，VIN-引脚端，这样就完成了一相电压信号的采集。图3.5电压信号转换预处理电路图3.6电流信号转换预处理电路在电流信号转换预处理（图3.6）过程中，首先经过变比为10A/10mA的电流互感器把电网中的大电流信号转换为小电流信号，则UR25=10×15=150mV，转换为CS5464量程范围内的电压信号，经过简单滤波后接入到CS5464的电流通道IIN+、IIN-引脚端，完成一相电流信号的采集。控制执行电路模块3.6.1光电隔离与投切模块单片机读取CS5464检测计算出的数据，按照设计的控制策略发出控制信号，触发控制电路执行动作。可见，控制执行电路在控制器的设计中占有非常重要的位置，不但要满足电容器过零投切的要求，还要能够有较强的可靠性。本次设计的控制器控制执行电路模块主要有光电隔离电路和可控硅控制器模块构成。由于单片机输出的触发信号是0V或者5V的逻辑信号，抗干扰能力比较差，为了减少因系统干扰而产生的误动作，在控制端提高了控制电压，使用15V的电压来触发可控硅控制器，这样在单片机的触发信号和可控硅控制模块间添加了用TLP521-4设计的光电隔离电路，其原理如图所示。其中+5V电源来自于单片机模块电源，+15V电源来自于选用的CF6G—3型可控硅控制器。由于单片机控制端口都有上拉电阻，复位状态下输出高电平，所以采用单片机输出低电平时实现投入电容器组，电路工作时，当单片机控制端口输出低电平信号时，可控硅控制器端口输出+13V左右的电平触发可控硅控制器使相应的可控硅导通，完成投入一组电容器的动作；当单片机控制端口输出高电平信号时，可控硅控制器端口输出0V电平触发可控硅控制器使相应的可控硅断开，完成投入一组电容器的切除。本设计选用的是沈阳信达电力电子生产的CF6G-3型三相交流无触点开关可控硅控制器[28]，自身可提供15V控制电源，其特点有：高可靠的可控硅电压过零触发，三相独立控制，直流控制电压输入5-24V（最小电流1mA）脉冲变压器输出，触发功率大；有自同步功能；一体化结构，接线简单，互换性好；工作可靠，抗干扰能力强。图3.7光电隔离电路图3.6.2人机交互模块对于智能化系统来说，人性化的人机交互，不仅能够方便系统的使用，而且还能通过多功能的人机交互工具丰富系统的功能，通过一些实时参数显示、指示灯和报警器等动态监控电网以及控制器的运行状况，此部分主要包括：液晶显示电路、键盘电路、指示灯电路、报警器电路四部分。3.6.3液晶显示电路兼顾到控制器尺寸、成本以及要显示的参数等因素，本次设计选用了金鹏电子的OCMJ4*8B液晶显示器[29]，其引脚说明如表所示，应用接线电路如图所示。由于本控制器要显示的内容比较多，在应用的过程中，采取自动和手动滚屏显示的办法，正常工作时，软件控制各屏自动滚动，当需要查看某个参数时，也可以用按键手动换屏查找，并且还有报警提示功能，当检测电网中电压越极限时，会自动显示出提示或警告信息。图3.8液晶应用接线电路图表3.2液晶显示模块引脚说明引脚名称方向说明引脚名称方向说明1LED-I背光源负极（LED-0V）10DB5I数据52LED+I背光源正极（LED+5V）11DB6I数据63VSSI地12DB7I数据74VDDI+5V13BUSYO应答信号=1：已收到数据并在处理中；=0：模块空闲，可接收数据5DB0I数据014REQI请求信号，高电平有效6DB1I数据115RESI复位信号，低电平有效7DB2I数据216NC8DB3I数据317RT1LCD灰度调整，外接电阻端9DB4I数据418RT2LCD灰度调整，外接电阻端3.6.4键盘电路键盘是用来设定控制参数的基本手段以及控制器手动模式下工作的必备工具。为方便使用，本装置设计了7按键键盘，按键K1的功能是实现控制器系统的硬件复位，其具体电路如图所示，其余按键有一片74HC165[30]来驱动实现，完成系统的其他一些功能，其具体电路如图所示，功能分配如下：按键K2：在参数设置时实现光标的右移；在控制器正常的检测、投切时实现液晶显示屏向前换屏；按键K3：在参数设置时实现光标的左移；在控制器正常的检测、投切时实现液晶显示屏向后换屏；按键K4：实现要设置参数的加1；按键K5：实现要设置参数的减1；按键K6：进入参数设置情景；按键K7：确定键。图3.9按键实现系统复位电路图3.1074HC165实现6按键电路图3.6.5人机交互的其它电路模块指示灯电路如图、蜂鸣器电路如图，这部分电路设计比较简单，这里仅给出电路连接图。图3.11指示灯电路图3.12蜂鸣器电路3.6.6系统电源模块系统电源设计对于一个系统的稳定运行至关重要，在无功补偿装置的应用中，一般只有220V或者380V强电电压，在本控制器的设计中用到+5V电源和电源，所以需要将配电网的电压转换为控制器可用的弱电电压。在这一过程中，我们首先选用了开关电源将220V的相电压通过W7805稳压器转换成+5V电压，然后采用芯片AMS1117转换成电压，外加一些辅助的滤波等电路就完成了控制器电源的设计，+5V电源中利用三极管增大了电源的输出电流，具体电路原理如图所示。a)+5V电源模块电路电源模块电路图3.13电源模块电路原理图硬件电路抗干扰设计3.7.1隔离技术隔离的目的之一是从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使之相互之间仅有保持信号联系，不发生直接电的联系，这样就有效的把通过电路传播的干扰的隔离开来。本控制器的设计中具体使用了三种隔离方式：（1）互感器隔离：电力控制系统既包括强电部分又包括弱电部分，两者之间如果有直接的电路连接很容易产生干扰，系统采用了电压、电流互感器把强电信号按比例转换为弱电信号，实现了弱电与强电的隔离，保证控制器工作的可靠性。（2）光电耦合隔离：单片机输出的控制信号是电压比较低的逻辑电平信号，而一般受控端是电网的强电电路，本控制器的设计采取了中间用光电耦合芯片TLP-521隔离两者之间的电气连接，这样不但减少了电网对控制器的干扰，由于采用较高控制电压控制可控硅控制器，提高了控制信号的抗干扰能力，保证了信号的有效性。（3）电路板上的各个电路单元彼此隔离：电路板设计时，尽量把完成某一功能的电路模块设计在一起，之间用铺地隔离开来，可以有效地减少各个电路模块之间的干扰。3.7.2接地设计电缆控制系统中涉及到的有系统地、机壳地、数字地和模拟地等，本控制器在接地的处理上采取了以下的措施：（1）数字地和模拟地分开。电路板上既有高速的逻辑电路，又有线性电路，设计中使它们尽量分开，并将两者的地线分别与电源端地线相连。（2）合理加粗接地线和铺铜。尽量加大线性电路的接地面积，各个电路模块之间合适的铺铜以及在CS5464背面大量铺铜，可以有效提高抗干扰能力。3.7.3屏蔽技术屏蔽可以用来隔离空间辐射。一方面可抑制外部辐射对本系统的干扰，另一方面也阻止本系统产生的辐射干扰向外传播。本控制器采用金属壳体将电磁辐射源及被保护单元体封闭起来，并将金属壳体接地。3.7.4去藕设计藕合来源于传输线间分布电容和分布电感引起的电磁涡合，涡合强弱与相邻两信号线间互阻抗和信号线本身的阻抗有关。设计印制线路板时，电源的出线端和其地线要靠近，平行铺设，并把布线的距离缩短到最短程度，以免输电过程中过长导线产生的感应电势；在电源和交流采样信号入口处分别并接47μF电解电容和μF钽电容，电解电容用于滤除低频成分，但在高频时呈电感特性，而钽电容的高频阻抗极小，能抑制高频干扰；每个集成电路的电源、地之间都要加一个去耦电容。去耦电容有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。3.7.5滤波设计滤波器对抑制脉冲噪声干扰效果显著。它既可以抑制干扰源的发射，又可以抑制干扰频谱对敏感设备、电路或元件的影响，滤波包括模拟滤波和数字滤波。本控制器设计中采用有RC低通滤波器，在数字量输入端对地并接一个电容以稳定输入电位，使其不随干扰电压变化或者当干扰电压变化还未达到元件的动作电平时，干扰脉冲即己消失，此外在控制器的电源端也使用了RC滤波器，防止因电源波动影响控制器的工作，从而抑制了干扰。在电力控制系统中，精确的测量和可靠的控制是至关重要的，直接影响着系统运行情况的好坏。而可靠性是由多种因素共同决定的，其中抗干扰性是系统可靠性的重要指标，尤其是在电力系统中，既涉及到电网的强电，又要考虑到控制部分的弱电。所以在设计的过程中，要综合考虑，采用有效办法提高系统的抗干扰能力，保证系统稳定可靠运行。

4控制器的软件设计一个好的系统，不但要看其硬件设计的合理性，还要看其软件设计的质量。本控制器软件的核心就是实现对电网参数的精确测量和对电容器组的合理可靠的控制，再外加一些其他的辅助软件模块，构成了整个系统的软件设计，在本章中将对本系统的软件进行详细的介绍。4.1控制器软件整体结构设计本系统要求首先是通过电能测量芯片CS5464对电网交流电路的六路信号、、、、、进行采样与计算，把计算好的各电网相关数据存储到相应寄存器，通过单片机C8051F022读取相关数据再经过简单的运算得出电网参数的实际数据，然后按照设计好的控制策略发出控制信号，控制可控硅的导通或关断，从而实现电容器组的投切以完成无功补偿的任务。控制器软件部分主要包括CS5464应用软件模块、人机交互软件模块、数据存储软件模块和控制算法软件模块等部分。主程序软件执行的流程示意图如图所示。图4.1主程序流程图4.2控制器具体软件模块设计本部分对组成系统软件的各个模块详细介绍，其中控制算法部分放在第五章单独介绍。4.2.1CS5464应用软件模块4.2.1.1CS5464的初始化及校准CS5464上电后，先给出复位脉冲到复位端，完成一次硬件复位，然后进行CS5464的初始化，主要完成以下工作[24][25]：(1)SDI、SCLK、各个CS为低（片选芯片，拉低脚位）；(2)在串口上连续发3个SYNC1（0xFF）命令，再发1个SYNC0（0xFE）命令；(3)把0x800000写到状态寄存器，用途是清除状态寄存器DRDY位等功能；(4)把0x000001写到配置寄存器，用途是设定K=1等功能；(5)把0x000028写到周期计数寄存器，用途是设定N=40；