復(fù)合開關(guān)滾動投切型并聯(lián)補償電容器（CR-TSC）控制器研制

陳發(fā)綱

（惠州供電局，廣東 惠州 516001）

1 概述

電力行業(yè)發(fā)展到今天，無功補償技術(shù)已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，但隨著智能電網(wǎng)概念的提出，現(xiàn)階段的無功補償技術(shù)已無法滿足其要求，尤其是設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)及控制手段。而隨著大功率半導(dǎo)體技術(shù)的革命性發(fā)展及嵌入式技術(shù)的介入，給無功補償技術(shù)提供了另一個廣闊的平臺。本文針對并聯(lián)電容器補償無功這一方向，結(jié)合現(xiàn)階段各種設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀提出了一種新的硬件結(jié)構(gòu)并研制了相應(yīng)的控制器。

2 復(fù)合開關(guān)滾動投切型并聯(lián)補償電容器結(jié)構(gòu)

并聯(lián)電容器是指與系統(tǒng)中其它負載并聯(lián)，或直接并聯(lián)于線路某一結(jié)點上的電力電容器。并聯(lián)的電容器每個組別的接法有三角形接法及星形接法?，F(xiàn)階段由于考慮到電容器本體的耐壓等原因，大多數(shù)電容器組采用了星形接法，這在無形中極大的浪費了電容器的補償能力。

在結(jié)合了大功率半導(dǎo)體開關(guān)可控導(dǎo)通的優(yōu)點后，已出現(xiàn)了大量的三角形接法的關(guān)聯(lián)補償電容器。它的主要技術(shù)優(yōu)點是：可以在電壓過零時導(dǎo)通，電流過零時切斷。但由于大功率半導(dǎo)體開關(guān)的成本較貴且在導(dǎo)通后觸發(fā)脈沖的可控性較差等原因，采用如晶閘管等開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)斷路器的并聯(lián)補償電容器并沒有得到實質(zhì)性的推廣。

在此基礎(chǔ)上有科學(xué)家提出了復(fù)合開關(guān)的方法，復(fù)合開關(guān)是把一個電力電子開關(guān)與一個接觸器或其它機械可控開關(guān)并聯(lián)而成，它具有投入浪涌電流小，工作時無損耗等優(yōu)點，但此方法依然沒有解決成本問題，所以在復(fù)合開關(guān)的基礎(chǔ)上，本文提出以下一種新型結(jié)構(gòu)：復(fù)合開關(guān)滾動投切型并聯(lián)補償電容器（CR-TSC）。如圖1

采用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是只需要兩對晶閘管開關(guān)對就可以實現(xiàn)N組三角形接法的電容器組的投退。此結(jié)構(gòu)具體的工作原理為：

投入時：該組電容器組輔助接觸器閉合→晶閘管觸發(fā)閉合→主接觸器閉合→充電支路接觸器斷開→撤去觸發(fā)信號晶閘管關(guān)斷→輔助接觸器斷開。

切除時：該組電容器組輔助接觸器閉合→晶閘管觸發(fā)閉合→主接觸器斷開→充電支路接觸器閉合→撤去觸發(fā)信號晶閘管關(guān)斷→輔助接觸器斷開從以上內(nèi)容可以看出此優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以大幅度降低開關(guān)機構(gòu)的成本。

3 開關(guān)動作響應(yīng)時間

雖然本文設(shè)計的優(yōu)化結(jié)構(gòu)在控制時相對復(fù)雜且只有一組投切開關(guān)，但卻基本不影響三組電容器的投入/切除的響應(yīng)時間。下面以三組電容器結(jié)構(gòu)來說明：

3.1 如某時刻只需投或退其中一組電容器組時，該結(jié)構(gòu)響應(yīng)時間與普通結(jié)構(gòu)沒有任何差別。

3.2 當(dāng)某時刻需要投其中一組電容器和退另一組電容器時，考慮到電網(wǎng)對無功補償要求為寧可欠補也不過補的原則，任何結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)補償均采取先退后投的原則進行，因此均需要至少兩個開關(guān)動作周期。因此此種情況下對本結(jié)構(gòu)也基本無影響。

3.3 當(dāng)某時刻需要退出一組而將另外兩組投入時，本結(jié)構(gòu)同樣可以通過兩次開關(guān)動作周期即完成電容器組所需投退的狀態(tài)。在第一周期內(nèi)首先將需要退出的電容器組按正常方式切離電網(wǎng)，在第二周期開始前將需要投入的另兩組電容器組通過輔助繼電器并聯(lián)（并聯(lián)不影響電容器組安全，之后再利用一個開關(guān)動作周期將此兩組電容與電網(wǎng)并聯(lián)。

3.4 當(dāng)三組電容器需要同時投退時，則可先將三組電容全部通過輔助繼電器并聯(lián)，其后通過一個開關(guān)動作周期將它們投/退。

綜上所述，本文設(shè)計的優(yōu)化結(jié)構(gòu)是否滿足系統(tǒng)響應(yīng)時間的要求完全取決于開關(guān)的動作周期時間。在實驗室測得完成一個動作周期需要500ms，因此此結(jié)構(gòu)可以滿足系統(tǒng)響應(yīng)時間要求。

在此基礎(chǔ)上，當(dāng)電容器組數(shù)達到一定數(shù)量時（n≥4），若要達到任何一組電容器在任何時刻都可以及時的投入或切除，則需根據(jù)補償線路的負載曲線預(yù)測每組電容器在一個開關(guān)動作時間內(nèi)需要動作的概率，然后求出合理的開關(guān)組數(shù)。

4 硬件電路設(shè)計

基于以上圖1的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，本文采用80C196KC單片機為核心設(shè)計了一個智控制器，其原理圖如圖2所示：

圖2

本控制電路包括采樣、計算、控制命令輸出、驅(qū)動晶閘管電路、人機接口及與外界智能終端接口等電路。

控制器的主控芯片為intel 16位單片機80c196kc，它負責(zé)處理由采樣板及AD73360轉(zhuǎn)換來的采樣數(shù)據(jù)，計算出控制所需的所有參數(shù)，并根據(jù)控制參數(shù)計算出控制命令或控制信號，該控制命令及信號經(jīng)由光隅隔離電路輸出到觸發(fā)板，然后觸發(fā)板根據(jù)實時檢測到的系統(tǒng)電壓過零點進行電容組的投切。

鍵盤與顯示屏主要作用是提供一個人機交互的媒介，實時顯示一些在線參數(shù)、提供控制參數(shù)或顯示參數(shù)輸入的接口等。

圖3

串口擴展通信主要是為了提供充足的通信口，GM8123是一款串口擴展芯片，可將一路串行通信口擴展成三路，擴展出的三個口主要作用是提供與外界智能終端的接口。

5 軟件設(shè)計

在硬件的基礎(chǔ)上，作者自行編制了一套相應(yīng)的執(zhí)行程序，結(jié)合該控制器可與外界智能終端接口的特點，程序中擴展了三種運行模式：1、自控模式，2、環(huán)比模式、3、被控模式

在自控模式中，從采樣到輸出完全由本控制器自身的設(shè)定決定，只向上位PC反饋結(jié)果。而在環(huán)比模式中，需要由外界智能終端提供相應(yīng)的電壓、電流、無功功率及相應(yīng)的控制命令，在得到這些相應(yīng)信息后，本控制器會將自身采樣計算所得的相應(yīng)參數(shù)與其進行對比，如果結(jié)果相同則輸出控制，如果不同則繼續(xù)比較，直到結(jié)果相同則再次輸出控制。而被控制模式則將控制權(quán)完全交由外界智能終端，并關(guān)閉控制器本身的采樣及計算功能，人機接口則采用中斷模式喚醒以節(jié)省功耗。具體的軟件流程見圖3。

6 抗干擾措施

考慮到設(shè)備的運行環(huán)境，本文設(shè)計的控制器也考慮了相應(yīng)的抗干擾措施。

6.1 采樣軟件抗干擾設(shè)計

在本設(shè)計中，根據(jù)電網(wǎng)三相電壓間的相位特性在程序中加入了特有的數(shù)據(jù)提取方法。

在三相交流電路中，頻率變化一般不大，三相的頻率可以認為是一樣的。當(dāng)負載為平衡負載時三相的電壓、電流為三相平衡電流時。假設(shè)abc三相的相電壓、電流有效值分別為EMa，EMb，EMc，IMa，IMb，IMc。根據(jù)三相電路的相關(guān)特性，三相電壓、電流瞬時值有如下關(guān)系。

在一個周期內(nèi)，ua的值出現(xiàn)相同數(shù)值的時刻只有兩個，假設(shè)A相值第一次為 ua時，B、C 的值為：ub1、uc1，A相值第一次為ua時，B、C的值為：ub2、uc2，雖然這兩個時刻的 ub1不等于 ub2，uc1不 等于uc2，但ub和uc的這兩個值是可以計算出來的，且ub1=uc2，ub2=uc1。

根據(jù)這個性質(zhì)，計算出ub和uc可能的兩個值后，再把采樣轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換出來的ub和uc采樣值分別與這兩個計算出來的可能值進行比較，只要不超過一定范圍，就可以認為這組采樣值未受到干擾，否則將這一次采樣的數(shù)據(jù)刪除不進入功率計算程序。

除法此之外在軟件抗干擾中還作了如下處理：

1.開啟看門狗功能。

2.在程序存儲器原本空置的地方填寫返回語句，返回程序頭。

3.所有未用中斷均設(shè)返回語句。

6.2 硬件抗干擾設(shè)計

6.2.1 開關(guān)結(jié)構(gòu)處理：在TSC的主電路結(jié)構(gòu)中，開關(guān)結(jié)構(gòu)的動作將會產(chǎn)生一定的浪涌電流，如果對這個電流處理不好，有可能導(dǎo)致此電路的值較大，并對系統(tǒng)產(chǎn)生危害，退一步說，就算不產(chǎn)生系統(tǒng)級的危害，這個浪涌電流也會對周圍的電磁場產(chǎn)生影響，而TSC控制器主控制板一旦受到的影響太大則會產(chǎn)生數(shù)據(jù)通信錯誤，這也是需要避免的。因此，在主電路開關(guān)結(jié)構(gòu)中，需要加入合適的吸收電路，吸收電路的作用是：抑制電力電子元件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。由于本文設(shè)計的TSC應(yīng)用于低壓補償，因此只需要基本的RCD吸收電路即可。

6.2.2 控制器電路板地線連接：在PCB板的制作中，如果模擬電路的地線、數(shù)字電路的地線及高壓電路的地線間如果沒有合理的連接方式，將極大程序上的影響控制器的性能。嚴重時會出現(xiàn)過大的地電流導(dǎo)致系統(tǒng)控制失常的現(xiàn)象。在PCB板設(shè)計時，各種地間的連接必須采取單點連接[5]且需用磁珠隔離。

結(jié)語

經(jīng)過了長時間的不斷改進和優(yōu)化，現(xiàn)已研制出實驗室樣機。在研制過程中，采用了matlab/simulink對本控制器進行了建模仿真，仿真的結(jié)果已達到了目的要求。具體仿真模型及波形見圖4、圖 5

[1]陳發(fā)綱.新型TSC設(shè)備研制及應(yīng)用研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]南余榮，李剛，魯聰達等.基于單片機的復(fù)合開關(guān)及其在低壓無功補償中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，第 15期：84-86.

[3]陳發(fā)綱，程漢湘，農(nóng)為踴.低壓晶閘管投切電容器（TSC）裝置的應(yīng)用與優(yōu)化[J].電子元器件應(yīng)用，2010，第3期：26-29.

[4]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[5]鄂飛.電壓外置漸變式控制策略在有源電力濾波器中的應(yīng)用[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2006.