【導(dǎo)讀】隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷的增加，對(duì)無功功率的需求也日益增加。電網(wǎng)中的適當(dāng)位置裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置成為滿足電網(wǎng)無功需求的必要手段。于CS5464的TSC型智能無功補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)方案。觸發(fā)可控硅控制器，以抑制投切涌流。此外，還設(shè)計(jì)了一些外圍輔助硬件，在電網(wǎng)電壓/無功功率復(fù)合控制策略的基礎(chǔ)上，編寫了簡(jiǎn)潔。穩(wěn)健的代碼實(shí)現(xiàn)控制算法。該方案設(shè)計(jì)的控制器最多能夠控制16路電容器。容器組等容量配置的無功補(bǔ)償裝置中。

　　

【正文】 使供電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)降低。 諧波的抑制 要解決配電系統(tǒng)的諧波和無功補(bǔ)償問題必須綜合考慮濾波和補(bǔ)償這兩方面的因素，能滿足要求的實(shí)現(xiàn)方法有很多，經(jīng)過學(xué)習(xí)比較，這里主要研究?jī)煞N常見的濾波裝置。一種是無源濾波器；一種是有源濾波器。 無源濾波器 無源電力濾波器是傳統(tǒng)的補(bǔ)償無功和抑制諧波的主要手段，是一種用并聯(lián)濾波器濾除諧波的典型電路結(jié)構(gòu)，通常是根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能由電力電容器，電抗器和電阻組合而成。一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián) LC 電路與諧波源并聯(lián)，應(yīng)用其諧振原理，使某一次諧波在這個(gè)支路發(fā)生諧振，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，使該次諧波電流不再流入電網(wǎng)，達(dá)到抑制諧波的目的。如果要濾除若 干次諧波，就用若干個(gè)單調(diào)諧 LC 濾波器并聯(lián)接到電網(wǎng)。無源電力濾波器還可以設(shè)計(jì)成雙諧振的，同時(shí)濾除兩種頻率的諧波，還可以設(shè)計(jì)成高通濾波器，以濾除某一次上的諧波。 無源濾波器的優(yōu)點(diǎn)：因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓和容量可以做的很大，在吸收諧波的基礎(chǔ)上還可以補(bǔ)償無功，改善功率因素；維護(hù)方便；造價(jià)低，運(yùn)山 x 科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 無功補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)理論 27 行費(fèi)用也低；對(duì)某一次高次諧波的吸收效果明顯；設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)成熟。因此成為傳統(tǒng)的補(bǔ)償無功和抑制諧波的主要手段。 無源濾波器雖然存在上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但它也有不足之處。無源濾波器的濾波原理是在系統(tǒng)中為諧波提供一并聯(lián)低阻通路，因此由于結(jié)構(gòu)原理 上的原因，在應(yīng)用中存在著一些難以克服的缺點(diǎn)： (1)只能抑制按設(shè)計(jì)要求規(guī)定的諧波成分，抑制較低次諧波的單調(diào)諧濾波器只對(duì)調(diào)諧點(diǎn)的濾波效果明顯，而對(duì)偏離調(diào)諧點(diǎn)的諧波無明顯效果。而實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)考慮到設(shè)計(jì)投資，不可能依靠增加濾波器的辦法解決。 (2)濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，濾波效果隨系統(tǒng)運(yùn)行情況而變化，當(dāng)系統(tǒng)阻抗和頻率波動(dòng)時(shí)，濾波效果變差。特別是對(duì)電網(wǎng)阻抗和頻率的變化十分敏感，在一個(gè)復(fù)雜的電力系統(tǒng)中，這兩個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律很難精確預(yù)知，因此一個(gè)實(shí)際的濾波器要達(dá)到理想的濾波效果是很難的。 (3)當(dāng)系統(tǒng)阻抗和頻率變 化時(shí)，可能與系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)或者并聯(lián)諧振，從而會(huì)產(chǎn)生諧波放大現(xiàn)象，使裝置無法運(yùn)行，甚至使整個(gè)濾波系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。 (4)當(dāng)系統(tǒng)中諧波電流增大時(shí)，無源濾波器可能過載，甚至損壞設(shè)備。 (5)裝置體積大，損耗大。 (6)濾波要求和無功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)。 基于上述無源濾波器設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在的問題，國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)研究人員研究出若干解決辦法，通過采取優(yōu)化設(shè)計(jì)，在一定程度上提高了無源濾波器的使用效果。但無源濾波器由于原理上帶來的缺點(diǎn)是無法徹底克服的，因此，有必要采用其它濾波方式來抑制諧波。 有源電力濾波器 有源電力濾波器是一種能夠彌補(bǔ)無源濾波器不足的一種新型諧波抑制設(shè)備，是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對(duì)山 x 科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 無功補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)理論 28 大小變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。它的基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。其應(yīng)用可克服 LC 無源濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，與傳統(tǒng)無源濾波器相比，具有突出的優(yōu)點(diǎn)，概括起來主要有 [23]： (1)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有 極快的響應(yīng)。 (2)可同時(shí)對(duì)諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償無功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需要儲(chǔ)能元件容量也不大，且補(bǔ)償無功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)。 (3)即使補(bǔ)償電流過大，有源電力濾波器也不會(huì)發(fā)生過載，并能正常發(fā)揮補(bǔ)償用。 (4)受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振。 (5)能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。 (6)既可對(duì)一個(gè)諧波和無功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無功源集中補(bǔ)償。 基于有源濾波器的上述優(yōu)點(diǎn)，采用有源電力濾波器是對(duì)諧波進(jìn)行抑制的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，因而受到廣泛 的重視，對(duì)于保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。 但目前國(guó)內(nèi)的有源濾波器還處于研發(fā)階段技術(shù)還不夠成熟，應(yīng)用的有源濾波器大都是國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，如 ABB 公司，價(jià)格昂貴，只有少數(shù)的工廠和企業(yè)在用。因此在這里選用無源濾波裝置。 從工作原理來看，濾波裝置可分為兩類。一類為有源濾波器，即該濾波器本身為一諧波源，其發(fā)生的諧波與負(fù)荷產(chǎn)生的諧波大小相等，但方向相反，正好抵消了負(fù)荷產(chǎn)生的諧波，從而達(dá)到消除諧波的目的。這類濾波山 x 科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 無功補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)理論 29 器目前僅有小容量的裝置投人使用，尚須進(jìn)一步研究。另外一類是無源濾波器 ，它是采用電容、電感諧振的原理來達(dá)到“吸收”諧波的目的。由于其中有電容器，所以可以實(shí)現(xiàn)濾波兼并補(bǔ)雙重作用。 本系統(tǒng)所采用的相關(guān)理論與補(bǔ)償方式 本系統(tǒng)采用單片機(jī) C8051F022 讀取電能測(cè)量芯片 CS5464 測(cè)量的電力系統(tǒng)參數(shù)，通過可控硅控制器控制晶閘管（可控硅）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切電容器組，主要應(yīng)用于低壓自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置中。采用無觸點(diǎn)過零投切的原理進(jìn)行分散無功補(bǔ)償。采用三相共補(bǔ)和各相分補(bǔ)相結(jié)合的綜合補(bǔ)償方式和電容器組等容量配置方式， 采用 無功功率 和 電壓復(fù)合控制策略，在電容器組的使用上采取循環(huán)使用的方式，同時(shí)，本系統(tǒng)還具有多項(xiàng)報(bào)警參數(shù)設(shè)置、電容器參數(shù)設(shè)置、功率因數(shù)上下限、一次側(cè)電流互感器變比和投切間隔時(shí)間等，與其它的無功補(bǔ)償控制器相比，有更高的可靠性、靈活性，更加符合實(shí)際的需要。 本章小結(jié) 本章完成了對(duì)無功補(bǔ)償相關(guān)理論特別是 TSC型無功補(bǔ)償?shù)慕榻B總結(jié)及TSC 主電路中晶閘管的研究，詳細(xì)論述了器件串聯(lián)開關(guān)閥的設(shè)計(jì)，包括串聯(lián)元件的個(gè)數(shù)的計(jì)算，動(dòng)、靜態(tài)均壓電路的設(shè)計(jì)。本文還在第六章應(yīng)用Matlab 中的 Simulink 仿真工具建立了 補(bǔ)償電容器投切仿真模型，模擬晶閘管在不同時(shí)刻投切對(duì)補(bǔ)償電容器電壓電流的影響。山 x 科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制器的硬件設(shè)計(jì) 30 3 控制器的硬件設(shè)計(jì) 目前的 TSC 型無功補(bǔ)償控制器概括來說主要有三種類型：一是單純采用 8 位或 16 位單片機(jī)作為測(cè)量與控制的主處理器，這種控制器往往結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一，測(cè)量電網(wǎng)參數(shù)有限且不精確；二是采用 DSP 為主處理器，這類無功補(bǔ)償控制器不但能夠精確測(cè)量電網(wǎng)的各種參數(shù)，提高對(duì)無功補(bǔ)償動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，而且能夠很好的實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的控制算法 ，但是此類控制器一般軟硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，開發(fā)設(shè)計(jì)投入大，成本較高；三 就是測(cè)量部分選用專用的電能測(cè)量芯片，控制投切部分采用單片機(jī)，此類控制器軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，開發(fā)投入較小，性能穩(wěn)定，能夠滿足現(xiàn)代無功補(bǔ)償?shù)男枰?，而且隨著 IC 技術(shù)的不斷發(fā)展，專用電能測(cè)量芯片和單片機(jī)的性能和速度有了很大的提 高，成本也在不斷降低，因此，此類型的控制器亦將有更廣闊的市場(chǎng)。 本課題所設(shè)計(jì)的無功補(bǔ)償控制器屬于第三類型，其參數(shù)測(cè)量部分選用三片 CIRRUS LOGIC 公司的 CS5464 芯片，分別完成三相電能參數(shù)的測(cè)量，控制部分選用新華龍公司的 C8051F022 單片機(jī)，自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)的無功功率以及電壓，實(shí)現(xiàn)無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，具有對(duì)低壓電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、報(bào)警、參數(shù)存儲(chǔ)和通信等功能。 控制器設(shè)計(jì)原則 本課題在分析其它功補(bǔ)償裝置的功能和電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，按照國(guó)家相關(guān)規(guī)定 [20]，吸取其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并參考市場(chǎng)需求以及企業(yè)所面對(duì)的客戶，系山 x 科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制器的硬件設(shè)計(jì) 31 統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮了可靠性、精確性、經(jīng)濟(jì)性以及適用性等幾方面因素。具體設(shè)計(jì)時(shí)主要遵循了以下的原則： (1) 由于本系統(tǒng)兼有無功補(bǔ)償和配電監(jiān)測(cè)報(bào)警功能，需要對(duì)電網(wǎng)參數(shù)精確快速測(cè)量，所以選擇了專用電能測(cè)量芯片 CS5464； (2) 無功補(bǔ)償控制終端在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境時(shí)，環(huán)境比較惡劣，干擾比較嚴(yán)重，對(duì)可靠性要求較高，并且無功補(bǔ)償?shù)难b置根據(jù)需要不同配置安裝等都不同，需要控制器有更好的適用性，所以在選取 CPU 時(shí)，要考慮其是否具有豐富的集成外設(shè)功能以及精簡(jiǎn)外部電路設(shè)計(jì)，從而 提高系統(tǒng)的可靠性、適用性，這樣也可降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)成本，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力； (3) 采用低功耗硬件電路設(shè)計(jì)及微處理器芯片，系統(tǒng)運(yùn)行的低功耗是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的普遍取向，是電路設(shè)計(jì)的基本原則。同時(shí)設(shè)計(jì)還要考慮以后的系統(tǒng)應(yīng)用的需要，方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展。 控制器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) TSC 型無功補(bǔ)償控制器硬件主體部分一般包括檢測(cè)、控制、執(zhí)行以及電源四部分。本控制器中檢測(cè)部分采用三片 CS5464 對(duì)三相電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并將其計(jì)算測(cè)量的結(jié)果存儲(chǔ)到自身的數(shù)據(jù)寄存器中；控制單元采用單片機(jī) C8051F022 通過對(duì) CS5464 計(jì)算測(cè)量結(jié)果的讀取，再根據(jù)設(shè)計(jì)控制策略，做出投切決策并輸出投切信號(hào)；執(zhí)行單元主要有 CF6G—3 型可控硅控制器和可控硅構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)合適時(shí)刻對(duì)電容器的投入或切除。 控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。本系統(tǒng)除包含上述主體功能的硬件組成部分外，還包括了完成其它輔助功能的硬件模塊，主要包括人機(jī)界面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、 電源、鍵盤、 報(bào)警和指示等模塊電路。 山 x 科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制器的硬件設(shè)計(jì) 32 圖 控制器硬件結(jié)構(gòu)圖 單片機(jī) C8051F022 應(yīng)用電路模塊 單片機(jī) C8051F022 簡(jiǎn)介 C8051F022 單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí) MCU 芯片，具有 64 個(gè)數(shù)字 I/O 引腳，其主要特性有 [26][27]： ? 高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051 兼容的 CIP51 內(nèi)核（可達(dá) 25MIPS） ? 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口 (片內(nèi)） ? 真正 12 位、 100ksps 的 8 通道 ADC，帶 PGA 和模擬多路開關(guān) ? 真正 8 位 500ksps 的 ADC，帶 PGA 和 8 通道模擬多路開關(guān) ? 兩個(gè) 12 位 DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式 ? 64k 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器 ? 4352（ 4096+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM ? 可尋址 64k 字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口 ? 硬件實(shí)現(xiàn)的 SPI、 SMBus/ I2C 和兩個(gè) UART 串行接口 ? 5 個(gè)通用的 16 位定時(shí)器 山 x 科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 控制器的硬件設(shè)計(jì) 33 ? 具有 5 個(gè)捕捉 /比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器陣列 ? 片內(nèi)看門狗定時(shí)器、 VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器 單片機(jī) C8051F022 的硬件資源分配 根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要以及考慮到以后的系統(tǒng)擴(kuò)展，對(duì)于單片機(jī)的硬件資源分配如表 所示。 表 單片機(jī) C8051F022 硬件資源分配 引腳號(hào)（引腳名稱） 端口配置 用途說明 60（ ） 交叉開關(guān)（ SCK） 上拉 2k 漏極開路 SPI 通信總線的時(shí)鐘線 59（ ） 交叉開關(guān)（ MISO） 上拉 2k 漏極開路 SPI 通信總線的主機(jī)輸入從 機(jī)輸出線 58（ ） 交叉開關(guān)（ MOSI） 上拉 2k 漏極開路 SPI 通信總線的主機(jī)輸處從 機(jī)輸入線 56（ ） 交叉開關(guān)（ SDA） 上拉 2k 漏極開路 SMBus 的數(shù)據(jù)線 55（ ） 交叉開關(guān)（ SCL） 上拉 2k 漏極開路 SMBus 的時(shí)鐘線 47（ ） 上拉 2k 漏極開路 第一片 CS5464 片選端口 48（ ） 上拉 2k 漏極開路 第二片 CS5464 片選端口 49（ ） 上拉 2k 漏極開路 第三片 CS5464 片選端口 50（ ） 上拉 2k 漏極開路 三片 CS5464 復(fù)位線 34（ ） 交叉開關(guān)（ /INT0） 無上拉 漏極開路 三片 CS5464 的中斷線接口 8881（ P5） 8073（ P6） 上拉 2k 漏極開路 16 路控制輸出端口 51（ ） 52（ ） 53（ ） 9891（ P4） 上拉 2k 漏極開路 上拉 2k 漏極開路 上拉 2k 漏極開路 上拉 2k 漏極開路 液晶 REQ 端口 液晶復(fù)位端口 液晶 BUSY 端口 液晶數(shù)據(jù)線 39（ ） 40（ ） 41（ ） 上拉 2k 漏極開路 上拉 2k 漏極開路 上拉 2k 漏極開路 按鍵控制端口 1 按鍵控制端口 2 按鍵控制端口 3 42（ ） 上拉 2k 漏極開路 運(yùn)行指示燈控制口 山 x 科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文