复合开关滚动投切型并联补偿电容器（CR-TSC）控制器研制

陈发纲

（惠州供电局，广东 惠州 516001）

1 概述

电力行业发展到今天，无功补偿技术已经得到了长足的发展，但随着智能电网概念的提出，现阶段的无功补偿技术已无法满足其要求，尤其是设备的硬件结构及控制手段。而随着大功率半导体技术的革命性发展及嵌入式技术的介入，给无功补偿技术提供了另一个广阔的平台。本文针对并联电容器补偿无功这一方向，结合现阶段各种设备的发展现状提出了一种新的硬件结构并研制了相应的控制器。

2 复合开关滚动投切型并联补偿电容器结构

并联电容器是指与系统中其它负载并联，或直接并联于线路某一结点上的电力电容器。并联的电容器每个组别的接法有三角形接法及星形接法。现阶段由于考虑到电容器本体的耐压等原因，大多数电容器组采用了星形接法，这在无形中极大的浪费了电容器的补偿能力。

在结合了大功率半导体开关可控导通的优点后，已出现了大量的三角形接法的关联补偿电容器。它的主要技术优点是：可以在电压过零时导通，电流过零时切断。但由于大功率半导体开关的成本较贵且在导通后触发脉冲的可控性较差等原因，采用如晶闸管等开关代替传统断路器的并联补偿电容器并没有得到实质性的推广。

在此基础上有科学家提出了复合开关的方法，复合开关是把一个电力电子开关与一个接触器或其它机械可控开关并联而成，它具有投入浪涌电流小，工作时无损耗等优点，但此方法依然没有解决成本问题，所以在复合开关的基础上，本文提出以下一种新型结构：复合开关滚动投切型并联补偿电容器（CR-TSC）。如图1

采用此结构的优点是只需要两对晶闸管开关对就可以实现N组三角形接法的电容器组的投退。此结构具体的工作原理为：

投入时：该组电容器组辅助接触器闭合→晶闸管触发闭合→主接触器闭合→充电支路接触器断开→撤去触发信号晶闸管关断→辅助接触器断开。

切除时：该组电容器组辅助接触器闭合→晶闸管触发闭合→主接触器断开→充电支路接触器闭合→撤去触发信号晶闸管关断→辅助接触器断开从以上内容可以看出此优化结构可以大幅度降低开关机构的成本。

3 开关动作响应时间

虽然本文设计的优化结构在控制时相对复杂且只有一组投切开关，但却基本不影响三组电容器的投入/切除的响应时间。下面以三组电容器结构来说明：

3.1 如某时刻只需投或退其中一组电容器组时，该结构响应时间与普通结构没有任何差别。

3.2 当某时刻需要投其中一组电容器和退另一组电容器时，考虑到电网对无功补偿要求为宁可欠补也不过补的原则，任何结构的关联补偿均采取先退后投的原则进行，因此均需要至少两个开关动作周期。因此此种情况下对本结构也基本无影响。

3.3 当某时刻需要退出一组而将另外两组投入时，本结构同样可以通过两次开关动作周期即完成电容器组所需投退的状态。在第一周期内首先将需要退出的电容器组按正常方式切离电网，在第二周期开始前将需要投入的另两组电容器组通过辅助继电器并联（并联不影响电容器组安全，之后再利用一个开关动作周期将此两组电容与电网并联。

3.4 当三组电容器需要同时投退时，则可先将三组电容全部通过辅助继电器并联，其后通过一个开关动作周期将它们投/退。

综上所述，本文设计的优化结构是否满足系统响应时间的要求完全取决于开关的动作周期时间。在实验室测得完成一个动作周期需要500ms，因此此结构可以满足系统响应时间要求。

在此基础上，当电容器组数达到一定数量时（n≥4），若要达到任何一组电容器在任何时刻都可以及时的投入或切除，则需根据补偿线路的负载曲线预测每组电容器在一个开关动作时间内需要动作的概率，然后求出合理的开关组数。

4 硬件电路设计

基于以上图1的优化结构，本文采用80C196KC单片机为核心设计了一个智控制器，其原理图如图2所示：

图2

本控制电路包括采样、计算、控制命令输出、驱动晶闸管电路、人机接口及与外界智能终端接口等电路。

控制器的主控芯片为intel 16位单片机80c196kc，它负责处理由采样板及AD73360转换来的采样数据，计算出控制所需的所有参数，并根据控制参数计算出控制命令或控制信号，该控制命令及信号经由光隅隔离电路输出到触发板，然后触发板根据实时检测到的系统电压过零点进行电容组的投切。

键盘与显示屏主要作用是提供一个人机交互的媒介，实时显示一些在线参数、提供控制参数或显示参数输入的接口等。

图3

串口扩展通信主要是为了提供充足的通信口，GM8123是一款串口扩展芯片，可将一路串行通信口扩展成三路，扩展出的三个口主要作用是提供与外界智能终端的接口。

5 软件设计

在硬件的基础上，作者自行编制了一套相应的执行程序，结合该控制器可与外界智能终端接口的特点，程序中扩展了三种运行模式：1、自控模式，2、环比模式、3、被控模式

在自控模式中，从采样到输出完全由本控制器自身的设定决定，只向上位PC反馈结果。而在环比模式中，需要由外界智能终端提供相应的电压、电流、无功功率及相应的控制命令，在得到这些相应信息后，本控制器会将自身采样计算所得的相应参数与其进行对比，如果结果相同则输出控制，如果不同则继续比较，直到结果相同则再次输出控制。而被控制模式则将控制权完全交由外界智能终端，并关闭控制器本身的采样及计算功能，人机接口则采用中断模式唤醒以节省功耗。具体的软件流程见图3。

6 抗干扰措施

考虑到设备的运行环境，本文设计的控制器也考虑了相应的抗干扰措施。

6.1 采样软件抗干扰设计

在本设计中，根据电网三相电压间的相位特性在程序中加入了特有的数据提取方法。

在三相交流电路中，频率变化一般不大，三相的频率可以认为是一样的。当负载为平衡负载时三相的电压、电流为三相平衡电流时。假设abc三相的相电压、电流有效值分别为EMa，EMb，EMc，IMa，IMb，IMc。根据三相电路的相关特性，三相电压、电流瞬时值有如下关系。

在一个周期内，ua的值出现相同数值的时刻只有两个，假设A相值第一次为 ua时，B、C 的值为：ub1、uc1，A相值第一次为ua时，B、C的值为：ub2、uc2，虽然这两个时刻的 ub1不等于 ub2，uc1不 等于uc2，但ub和uc的这两个值是可以计算出来的，且ub1=uc2，ub2=uc1。

根据这个性质，计算出ub和uc可能的两个值后，再把采样转换电路转换出来的ub和uc采样值分别与这两个计算出来的可能值进行比较，只要不超过一定范围，就可以认为这组采样值未受到干扰，否则将这一次采样的数据删除不进入功率计算程序。

除法此之外在软件抗干扰中还作了如下处理：

1.开启看门狗功能。

2.在程序存储器原本空置的地方填写返回语句，返回程序头。

3.所有未用中断均设返回语句。

6.2 硬件抗干扰设计

6.2.1 开关结构处理：在TSC的主电路结构中，开关结构的动作将会产生一定的浪涌电流，如果对这个电流处理不好，有可能导致此电路的值较大，并对系统产生危害，退一步说，就算不产生系统级的危害，这个浪涌电流也会对周围的电磁场产生影响，而TSC控制器主控制板一旦受到的影响太大则会产生数据通信错误，这也是需要避免的。因此，在主电路开关结构中，需要加入合适的吸收电路，吸收电路的作用是：抑制电力电子元件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。由于本文设计的TSC应用于低压补偿，因此只需要基本的RCD吸收电路即可。

6.2.2 控制器电路板地线连接：在PCB板的制作中，如果模拟电路的地线、数字电路的地线及高压电路的地线间如果没有合理的连接方式，将极大程序上的影响控制器的性能。严重时会出现过大的地电流导致系统控制失常的现象。在PCB板设计时，各种地间的连接必须采取单点连接[5]且需用磁珠隔离。

结语

经过了长时间的不断改进和优化，现已研制出实验室样机。在研制过程中，采用了matlab/simulink对本控制器进行了建模仿真，仿真的结果已达到了目的要求。具体仿真模型及波形见图4、图 5

[1]陈发纲.新型TSC设备研制及应用研究[D].广州：广东工业大学，2010.

[2]南余荣，李刚，鲁聪达等.基于单片机的复合开关及其在低压无功补偿中的应用[J].现代电子技术，2004，第 15期：84-86.

[3]陈发纲，程汉湘，农为踊.低压晶闸管投切电容器（TSC）装置的应用与优化[J].电子元器件应用，2010，第3期：26-29.

[4]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[5]鄂飞.电压外置渐变式控制策略在有源电力滤波器中的应用[D].广州：广东工业大学，2006.