可控硅动态无功功率补偿装置(TSC型)技术报告山东科技大学2009年4月9日按照山东科技大学与益和电气集团股份有限公司签订的《可控硅动态无功功率补偿装置(TSC 型)》技术开发（委托）合同，山东科技大学项目组负责该项目装置中控制器部分的设计，并配合益和电气的产品设计、项目最终产品的型式试验工作。

项目组在整个开发设计过程中，严格执行了新产品开发程序，在技术问题上及时与益和电气联系，确保达到预期的技术经济性指标。

现就该项目整个开发过程的有关情况总结分析如下：第一章 控制策略与控制算法设计1.1控制器的控制策略本设计的无功补偿控制器分为手动模式和自动模式。

在手动模式下直接按照手动的设置投切即可，在自动模式下控制器根据控制策略和控制算法自动运行。

本无功补偿控制器控制策略采用以电网电压、无功功率作为控制量的复合控制策略，控制算法采用的是传统的比较判断算法，实行三相共补与分补相结合的补偿方式。

在以往的控制器设计中，多采用单纯的功率因数做为判据，在并联电容器投切的过程中容易产生投切振荡，会对电网造成不利影响，因此本次设计统筹考虑了无功及无功功率这两个因素，综合分析控制电容器组的投切，本控制器控制电容器组分为两方面内容： 1、什么情况下对电容器组进行投切控制器首先检测电网中的无功功率，判断是进行三相共补还是各相分补，然后计算当前状态下按照刚才的判断进行控制后对电网电压造成的影响，如果超过了所设定的电压门限，并且投切间隔时间未到，则不发出控制信号，否则，发出控制信号。

控制策略分区如图1.1所示，对应控制策略如表1.1所示。

能共不分220+_10%+18V 过压回差。

投门限1.2Qc ，切0.1Qc 。

QU U 上限 U 下限 Q 上限 Q 下限图1.1 控制策略分区图表1.1 分区控制策略表2、怎样对电容器组进行投切此次设计的无功补偿控制器主要是适用于等容量的补偿控制器，即共补电容器组等容量，分补电容器组等容量，但两者可以不等。

关于电容器组的使用上总的来说是采取“同相不同补、异相可同补、能共补不分补、循环使用”的原则，即对于同一相进行补偿时一次控制执行动作只能投入或切除一组电容器，所以共补和分补不会同时执行相同的动作，分相补偿时三相可进行同时补偿，但是每次动作每相最多只能控制一组电容器投切，除了当根据检测值没有共补需要投入，但各相补偿投入的容量足以用一组共补来替代的情况发生，此时足以用共补电容器替代的那些分补电容器切除掉，同时共补电容器投入一组，电容器的投切采用的是先投入先切除、先切除先投入的循环使用方法，循环的分配方法是共补电容器组一个循环，其他分相补偿电容器组各是一个循环，共补和分补的组数可以手动设定，当不需要分相补偿电容器组时，只需把分补的组数设置为0即可。

1.2电容器组容量相关的计算在无功补偿控制器使用的过程中，需要手动设定所设计装置电容器组的参数，包括共补电容器的总组数、单个额定容量、额定电压以及分补电容器组的各相的总组数、单个额定容量、额定电压。

在实际补偿的过程中，由于电网电压的变动，必须依据检测的电压算出投入一组电容器组实际补偿的容量，本无功补偿控制器的设计适合应用于共补时采用三角形接线方式，各相分补时使用星形接线方式。

由此可得出实际补偿时，共补和分补投入一个电容器组补偿的容量分别为2222)3()3A B C CN A B C C CN CN CNU U U Q U U U Q Q U U ⎛⎫++ ⎪++⎝⎭=⨯= （1.1） 22A ACCN CN U Q Q U '=⨯'（1.2）22B BCCN CN U Q Q U '=⨯'（1.3）22C CCCN CN U Q Q U '=⨯' （1.4） 其中，AC Q 、BC Q 、CC Q ——分补时各相投入一组电容器组实际补偿的容量；A U 、B U 、C U ——测量的三相相电压的有效值；CN Q 、CN U ——共补电容器组的额定容量、额定电压；CN Q '、CN U '——分补电容器组的额定容量、额定电压；C Q ——共补时投入一组电容器组实际补偿的容量。

1.3 控制策略软件设计根据前面的介绍，在主程序中设计的自动模式下控制策略的软件流程示意图如下所示：图1.2 控制策略程序流程图第二章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CS5463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C8051F020通过对CS5463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；执行单元主要有可控触发器（或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2.1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、实时时钟、串行通信、报警和指示等模块电路。

图2.1 控制器硬件结构图2.1 电信号采样与测量电路模块本部分主要包括电网电压转换预处理电路（图2.2）、电流转换预处理电路（图2.3）和CS5463应用电路（图2.4）。

PT1TRANS1R7220kV+V-2mA/2mAR8100R91kR101kR11300R12300C1218000pF220p F220p F VIN+VIN-图2.2 电压信号转换预处理电路R261kR28300I+I-R271kR29300R2515C1518000pF220pF220pFIIN+IIN-CT1TRANS110A/10mA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，管脚信息如图2.4所示，它具有以下特性：图2.4 CS5463的引脚封装图●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V A+ = +5 V; AGND = 0 V；VD+ = +3.3V～+5 VCS5463电压通道的量程为250±mV，有V oltage Gain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250±mV或者50±mV，也有Current Gain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，CS5463是一款功能强大、应用方便的专用电能测量芯片。

2.2 单片机C8051F020应用电路模块C8051F020 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：●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C8051F020具有片内VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器是真正能独立工作的片上系统。

所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。

FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。

片内JTAG 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU 进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。

该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。

在使用JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

每个MCU 都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-3.6V 的电压工作。

端口I/O、/RST 和JTAG 引脚都容许5V 的输入信号电压。

C8051F020 系列器件使用Silicon Labs 的专利CIP-51 微控制器内核。

CIP-51 与MCS-51指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x 的汇编器和编译器进行软件开发。

CIP-51 内核具有标准8052 的所有外设部件，包括5个16 位的计数器/定时器、两个全双工UART、256 字节内部RAM、128 字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及8/4个字节宽的I/O 端口。

与MCS-51相比，C8051F020 系列器件使用的CIP-51 微控制器内核具有以下特点：图2.5 C8051F020原理框图a增加的功能C8051F020 系列MCU 对CIP-51 内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。

扩展的中断系统向CIP-51 提供22个中断源（标准8051 只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。

一个中断驱动的系统需要较少的MCU 干预，因而有更高的执行效率。

在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。

MCU 可有多达7个复位源：一个片内VDD 监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0 提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR 引脚及/RST 引脚。