毕业论文低压动态无功补偿装置研究.pdf

低压动态无功补偿装置的研究摘要随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。无功功率在电网中传输 会造成网络损耗以及受电端电压下降，使电能利用率大大降低且严重影响供电质量。因 此，在电网中的适当位置装设无功补偿装置是满足电网无功需求的必要手段。本文介绍了无功补偿的目的和意义，阐述了国内外无功补偿的现状与发展趋势。针 对低压电网，本文分析了无功补偿原理及补偿接线方式，讨论了几种不同负荷情况下电 网最佳补偿点的位置及容量配置的问题。同时，在分析各种无功补偿控制策略的基础上,将模糊控制理论引入电容器的投切控制，兼顾了提高功率因数与改善电压质量，并且避 免了无功补偿装置往复投切问题。本文设计了一种适用于低压电网进行集中无功补偿的晶闸管投切电容器装置。在装 置设计中采用电压无功复合投切判据，以无功功率作为主判据、电压作为辅助判据，有 效地克服了以功率因数作为投切判据的控制方式中的轻载时容易产生投切振荡而重载 时容易出现补偿不充分的缺点，同时兼顾了降低功率损耗与改善电压质量；投切复合开 关采用单独的脉冲触发装置触发，保证了晶闸管在两端电压过零时触发，从而在硬件电 路上实现电容器组的无过渡过程投切，且简单可靠；控制系统采用价格比较便宜的 AT89C51单片机作为控制系统主体。装置能够实现无功功率的快速、准确补偿且成本 较低，具有较好的实用性以及广阔的应用前景。论文阐述了该控制系统的原理及软硬件 设计过程。最后，本文通过软件MATLAB/Simulink对装置进行了仿真研究，仿真结果表明该装 置可以有效的对系统无功进行补偿。关键字：无功补偿，模糊控制，单片机STUDIES ON THE LOW-VOLTAGE DYNAMIC REACTIVE POWER COMPENSATION DEVICEABSTRACTDue to increasing loads of electric power system,demand on reactive power was al so increasing.Because transmission of reactive power in electric network can lead to net work loss and step-down voltage,resulted in reduction of using efficiency of power ener gy and severely effected voltage quality.It became necessary means that reac-tive power compensation devices were installed in proper position of electric network.This paper introduced the principle and objective of var compensation,and presented the developmental actuality and trend of reactive power compensation system.Based on compensation principle and connection way,this paper studied switches of capacitors and the model of reactive power optimization planning about low voltage system.Based on anal ysis of other criterion methods,the paper introduced fuzzy control into var compe-nsatio n.This new method can manage the relationship between voltage quality and power fa ctor properly and eliminate the repeatedly switching problem.A TSC reactive power compensation device which was fit for low-voltage distribution Net work was introduced in this paper.The compound criterion whose main criterion is reactive power and whose assistant criterion is voltage was applied in the device,whic h effectively overcame the defects of the power factor criterion in which switching oscill ation was often resulted in under light load and compensation was insufficient under hea vy load,and the compound criterion gave attention to decreasing power loss and impr oving voltage quality.The system adopted thyristor as switch that connect capacitors to main circuit,and the Thyristor was triggered by a special device in the zero-voltage co ndition and thus greatly reduced surge current.This sort of switch circuit achieved switc hing of capacitors without transition course and was simple and reliable.The device too k the AT89C51 which is a sort of cheap single chip micro-controller as main control ch ip.This device could fleetly and truly compensate reactive power and was low-cost.It p rocessed preferably practicability and wide application foreground in low voltage netwo rk.At last,the device was simulated through software MATLAB/Simulink,and simulation and experiment show that the basic principle and method was totally feasible and effectual.KEYWORDS:reactive power compensation,fuzzy control,Single Chip Microcomputer目录摘要.1ABSTRACT.2目录.4第一章 绪论.61.1 无功补偿的意义.61.2 无功功率补偿的历史与现状.7第二章无功功率补偿有关理论的研究.132.1 交流电路的无功功率.132.2 并联电容器组补偿无功功率的原理.142.3 永磁真空同步开关投切电容器组低压无功补偿装置.162.4 无功补偿容量的确定.172.5 无功补偿的经济效益分析.18第三章无功补偿装置硬件设计.193.1 主电路结构设计.193.2 无功补偿控制器硬件总体结构设计.213.2.1 信号采集通道及转换电路.22322功率因数测量电路.23323晶闸管触发驱动电路.253.2.4 显示电路.26325键盘电路.273.2.6 电源电路.273.2.7 复位电路.283.2.8 通信接口部分.29329开关量输入、输出模块部分.303.3 硬件设计中的抗干扰设计.31第四章 无功补偿装置控制系统软件设计.324.1 主程序结构.324.2 功率因数采样及数据处理模块设计.344.3 模糊控制算法程序模块设计.354.3.1 模糊控制器的结构设计.364.3.2 无功补偿模糊控制器的计算机实现.374.4 投切控制程序模块设计.384.5 软件设计中的抗干扰措施.40第五章 无功补偿装置的MATLAB仿真.435.1 仿真软件简介.435.2 无功补偿装置的仿真实现.43第六章 结论.46致谢.47参考文献.48附录.50第一章绪论1.1 无功补偿的意义随着我国经济改革的不断深入，经济发展速度越来越快，工业企业数量发展迅速，人民生活水平不断提高，这导致电力负荷的增长速度迅猛，相比较而言，发电机的装机 容量和输配电能力显得不足，致使全国的多数省份出现供电紧张的“电荒”情况，尤其 是经济发达地区和一些用电负荷较大的大中型城市。更有甚着出现了部分省、市的用电 高峰期采取拉闸限电以保证电网正常运行的措施，严重制约了国民经济的发展，也给人 民群众的日常生活带来极大不便。在各种不同的工矿企业以及人民日常生活的用电中，都不同程度的存在着功率因数 偏低的现象。如工矿企业建设时供电容量都较大，如果企业没有满负荷运行就会出现功 率因数偏低的现象。电力系统的用电负荷主要分为感应电动机、变压器、感应电炉与电 弧炉、电焊机和电焊变压器、整流设备等，这些用电设备在消耗有功功率的同时都会消 耗大量的无功功率，造成电网功率因数偏低。就我国来说，电动机所耗的电能占整个工 业用电的60%70%。根据上海市的统计资料，仅风机、水泵两项就占工业用电的40%左右，加之其他种类的电动机负载，整个电动机的耗电量超过全部工业用电的60%以上。大量的感性负载的使用使得电网必须提供足够的无功容量来满足负载要求，否则会造成 电网电压降低，电网供电质量下降的不良后果。感性负荷分布的不规律性也要求电网根 据负荷情况合理分配无功，否则容易形成大量无功功率在电网的流动，降低电网容量，使得电网线路损耗增加，同时也增加了供电成本，影响电力系统供电的经济性，尤其是 在我国的农网供电区域内，变电站数量少，供电线路覆盖面积大，长距离供电成为一种 普遍的现象，过低的功率因数使得线路损耗增大，供电网末端电压下降较大，这也间接 的提高了供电成本。解决上述问题的一个简单而行之有效的办法就是对电网进行无功功率补偿。电力系 统无功功率主要来源就是采用各种无功补偿设备本着尽可能就地补偿的原则在各个环 节对电网进行无功功率补偿。随着电子技术的发展，无功补偿设备越来越智能化，带有 微处理器控制器的智能无功补偿设备在电力系统中的应用越来越广泛，本课题就是在这 种背景下提出来的。试图就高性能、多功能的智能低压无功补偿装置的设计进行有益的 探讨。1.2 无功功率补偿的历史与现状1.2.1 无功功率补偿的分类无功补偿可以分为串联补偿和并联补偿。串联补偿的目的在于控制线路的阻抗参 数，欧美一些国家普遍采用串联补偿来提高输电线的传输能力。而我国大多采取并联补 偿的方式来补偿系统无功，并联补偿的目的在于控制线路的电压参数。并联补偿按补偿对象不同可分为系统补偿和负荷补偿两大类。系统补偿通常指对交流输配电系统进行补偿，目的是维持电网枢纽点处的电压稳 定，提高系统的稳定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流、降低线损等。负荷补偿通常是指在靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿，目的是提 高负荷的功率因数，改善电压质量，减少或消除由冲击性负荷、不对称负荷、非线性负 荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流波形畸变等危害。负荷 补偿可分为静态补偿和动态补偿。静态补偿是根据三相负荷的平衡化原理，通过在负荷点串、并入无功导纳网络，把 三相不对称负荷补偿成对供电系统来说是三相对称的。该方法优点是结构和控制简单、造价低，缺点是对工业电弧炉、电焊机等动态负荷难以达到理想的补偿效果。真正意义 上的不对称负荷动态补偿是从1977年Grandpierre提出分相控制的静止无功补偿器(Static Var Compensatory,SVC)的方法后开始的。分相控制的SVC能根据系统的实际情况，通过 调整可控硅触发角来改变SVC的各相补偿度，从而达到补偿负荷负序分量和调整负荷功 率因数的目的。因此，该方法一提出就受到了普遍关注913。1.2.2无功功率补偿装置的发展概况早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机(Synchronous Condenser,SC)和并联电容 器。同步调相机是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下,可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自二三十年代以来的几十年中，同步调 相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用，但它属于旋转设备，运行过程中 的损耗和噪声都比较大，维护复杂，且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功 功率控制的要求，目前在现场仅有少量使用。并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点，按电容器安装的位置不 同，通常有三种补偿方式：集中补偿、分组补偿、就地补偿。一，集中补偿是电容器组 集中装设在企业或地方总降压变电所的610kV母线上，用来提高整个变电所的功率因 数，保障供电范围内无功功率基本平衡，可减少高压线路的无功损耗，而且能够提高供 电电压质量。二，分组补偿是将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或终端配电所 高压或低压母线上，这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅补偿容量和范围相对小些，但补偿效果比较明显，采用比较普遍。三，就地补偿是将电容器或电容器组装设在异步 电动机或电感用电设备附近，就地进行无功补偿，这种补偿方式既能提高用电设备供电 回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量，对中、小型设备十分适用。若能将这 三种补偿方式统筹考虑、合理布局，一定可以取得很好的技术经济效益。并联电容器的 缺点是只能补偿固定无功，且还可能与系统发生并联谐振，导致谐波放大，但是由于并 联电容器在其它方面的优势所致，到目前为止在我国仍是主要的无功补偿方式。现今所指的无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类 型5,7:一类是具有饱和电抗器的无功补偿装置(SaturatedReactor,SR);第二类是晶闸管 控制电抗器(Thyristor Control Reactor,TCR)；第三类是晶闸管投切电容器(Thyristor Switch Capacitor,TSC)。下面依次介绍此三类无功补偿装置的情况：(1)具有饱和电抗器的无功补偿装置(Saturated Reactor,SR)这种装置是最早的一种静止无功补偿装置，早在1967年，这种装置就在英国制成。饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两 种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利 用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕 组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电 流的大小。但是这种装置中选用的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4倍，且电抗 器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大23倍，另外这种装置有 振动和噪声，调整时间长、动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。(2)晶闸管控制电抗器(Thyristor Control Reactor,TCR)这种装置是利用晶闸管的相位控制来调整电抗器的电流，从而达到调整无功功率的目 的。其单相原理图如图1.1所示。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当 于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为9001800。当触发角a=900 时，晶闸管全导通，导通角6二1800,此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与 补偿器等效导纳之间的关系式：g=5/maS Sia/)(I)可知，增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的 效果。TCR型动态补偿方式具有以下优点：从。到最大功率连续可调；可以根据电网负 荷情况分相调节；电路简单，便于操作维护。不可避免的也具有一些缺点：在运行中会 产生谐波；占地面积大；电容、电抗器和晶闸管容量都是按系统最大冲击无功功率来配 备，设备投资大；从实际情况看，跟踪补偿装置大部分时间处于零或低无功功率补偿状 态，最大功率运行能耗大。单独的TCR只能吸收无功功率，不能发出无功功率，为了解决此问题，通常将并 联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器元件的不同，又可分为TCR 与固定电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+FC)和TCR与断路器投切电容器配合 使用的静止无功补偿器(TCR+MSC)。这种具有TCR型的补偿器反应速度快、灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。(3)晶闸管投切电容器(Thyristor Switch Capacitor,TSC)这种装置是将并联补偿电容器分成若干组，根据负荷无功的变化情况对补偿电容器 进行分组投切，达到调整无功补偿量的目的，其单相原理如图1.2所示。TSC的单相电 路还有一个二极管与一个晶闸管反并联后与一个电容器串联的结构方式。TSC用于三 相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不 对称网络采用三角形连接。在工程实际中，不论是星形还是三角形连接，一般将电容器 分成几组，每组都可由晶闸管投切。这样，可根据电网的无功需求投切这些电容器。晶 闸管投切电容器装置特别适合于冲击性负荷及经常波动性超负荷的场所。现在普遍把这 种可以快速补偿电网无功功率的晶闸管投切电容器的无功补偿装置叫做动态无功补偿 器。TSC型动态补偿方式具有以下特点：结构紧凑，可设计成柜体形式，占地面积小；设备投资小，大约比TCR降低25%;运行能耗小；电容器是无过渡过程投切，本身不 产生谐波，合理的参数还可吸收谐波；接入系统灵活，可设计成高压型。缺点是不能连 续调节无功功率。TSC补偿器如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节。TSC对三相不平 衡负荷可以分相补偿，但对抑制冲击负荷引起的电压闪变，单靠电容器投入电网的电容 量的变化进行调节是不够的，所以TSC装置一般与电感相并联，其典型设备是TSC+TCR 补偿装置。这种补偿器均采用三角形连接，以电容器作为分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不会流入电网，大大减小了谐波。以上所举的装置合起来统称为SVC(Static Var Compensatory)。这些静止补偿器对电力 系统状况的调整和暂态性能的改善起到了重要的作用，且其控制技术也比较成熟，在实 际电力系统中也得到了不少有效应用12。但是它们都是利用晶闸管进行换相控制，在 无功变动时容易发生逆变现象，并且都需要大电感或大电容来产生感性和容性无功，因 而人们期待有新的补偿方式改善上述缺陷。随着电力电子技术的进一步发展，一种更先进的静止型无功补偿装置出现了，即采 用自换相变流电路的静止无功发生器(Static VarGenerator,SVG),也称之为高级静止无功 补偿器(Advanced Static Var Compensator,AS VC)o静止无功发生器的基本原理是将自换相 桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相 位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功 电流，实现动态无功补偿的目的。与传统的以TCR为代表的SVC装置相比，SVG的调节速度更快，运行范围宽，而且 在采取多重化、多电平或FWM技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。更重 要的是，SVG使用的电抗器和电容元件远比SVC中使用的电抗器和电容元件要小，这将 大大缩小装置的体积和成本。SVG具有如此优越的性能，显示了动态无功补偿技术的发 展方向。但是，SVG的控制方法和控制系统比SVC要复杂的多。另外，SVG要使用数量 较多的较大容量全控型器件，其价格目前仍比SVC使用的普通晶闸管高得多。因此，SVG 由于用小的储能元件而具有的总体成本的潜在优势，还有待于器件水平的提高和成本的 降低来得以发挥。在SVG的基础上，静止同步补偿器(Static Synchronous Compensatory,STATCOM),也称为新型静止无功发生器(Advanced Static Var Generator,ASVG)产生了。这种无功功率 调节装置可以从感性到容性平滑地调节无功功率，相当于一个电压大小可以控制的电压 源，其工作原理是：当装置产生的电压小于系统电压时，吸收感性无功功率，此时相当 于电感；当装置产生的电压大于系统电压时，输出容性无功功率，此时相当于电容。由以上概述可知，补偿无功功率的方法先后采用了同步调相机、并联电容器、静止无功 补偿装置（SVC、SVG、STATCOM）等。1.2.3无功功率补偿技术现状及发展趋势现在，在世界范围内，以TCR和TSC为代表的静止无功补偿装置SVC已经占据了动态 无功补偿的重要地位，是动态无功补偿技术研究的发展趋势。同时，SVG在一些发达国 家和地区也开始研究。截止到2000年，全世界已有超过40。套、总容量约为60Gvar的 SVC在输配电系统中运行；全世界已有超过600套、总容量约为40Gvar的SVC在工业部 门使用。我国的输电系统中有6套容量为105170Mvar的SVC安装在5个500kV变电站，均为进口；工业用户安装了 100多套SVC,约有1/5是进口的。从2001年起中国电力科 学研究院已为工业用户提供了26套1035kVTCR型SVC新平台，10kVTSC型SVC装置于 2001年、2003年在变电站分别投入运行，填补了 SVC国内工程化应用的空白。而 STATCOM装置是基于变流器的无功功率补偿装置，其技术是所有基于变流器的FACTS 装置的基础，已经获得了广泛的重视2125。世界上各大著名的电气设备制造商（如西 门子公司、ABB公司、阿尔斯通公司、GE公司、三菱公司等）都开发了STATCOM工业 装置产品。1999年我国清华大学也开发了士20Mvar STATCOM装置，且在河南电网成 功投入运行。STATCOM装置在国际上已有几十套示范工程投入使用，单套容量已达到 200Mvar,该技术正在逐渐成熟.从无功功率补偿装置的应用来看，SVC装置控制简单、价格低、能满足大多数用户 对于无功功率补偿的需要，应用最为普遍，在电力系统和工矿企业用户中拥有广大市场,是并联无功补偿的主要装置。目前，国内外有关SVC的研究多集中在对其应用于输电补偿的各种场合时控制策略 和方法的进一步探讨上，随着模糊控制、人工神经网络、专家系统等智能控制手段相继 被引入SVC控制系统，使SVC系统的性能更加提高，但还有很多理论和实际运用的问题 尚待解决2125。而对SVG的研究除了控制方法以外，还呈现出与有源电力滤波器相结 合的发展趋势，但SVG控制复杂，所用全控器件价格昂贵，目前还没有普及。尤其在我 国，大功率电力电子器件基本依赖进口，成本太高，此类装置的实用化尚需相当长的一 段时间。而采用可关断器件的STATCOM装置，由于历史和价格的原因，目前在国内外 应用的实例并不多。然而STATCOM是性能最优的无功补偿装置，是FACTS的核心，值 得加强研究和推广使用17,29,25 o1.3 本文的主要内容第一章中，首先介绍了无功补偿研究的目的和意义，接着阐述了无功功率补偿的历 史、现状及技术发展趋势，并对各种不同类型的无功补偿装置进行了比较。第二章中，详细阐述了无功功率补偿的有关理论，针对低压电网，重点分析了TSC 型无功补偿原理、补偿容量和补偿位置的优化方法及其无功补偿自动投切控制方式。第三、四章中，根据要求设计了用于低压电网的无功补偿装置，介绍了装置的主电 路原理及其主要元件的选取方法，完成了无功功率补偿控制器的有关硬件设计，编写了 控制器软件，并对软硬件设计中采用的抗干扰措施进行了总结。第五章中，利用MATLAB/SimuLink软件中的仿真功能对设计的无功补偿装置进行 了仿真，结果表明设计的该装置可以对系统无功实时补偿。第六章中，对全文进行了总结。第二章无功功率补偿有关理论的研究无功功率的概念是与交流电和非纯阻性负载联系在一起的。在直流系统或者纯阻性 负载的系统中不存在无功功率的概念，也就不存在无功补偿问题。2.1交流电路的无功功率在正弦交流电路中，如果负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。图2.1无源一端口网络对于如图2.1所示的内部不含有独立电源，仅含电阻、电感和电容等无源元件的端口，设电路中正弦交流电压为二夜UsinS(2.1)端口等效负载为z,则流过负载电路中的电流为i=2U sin(wO/z(2.2)当负载Z不是纯阻性时，流过负载的电流就会和电压有一个相角差值9,即，氏时电流 表示为 i=(a/2C/z)sin(+)=21 sin(+(/)(2.3)此时电路的有功功率P就是其平均功率，即：1 2%p=uid(yvt)(2.4)2万Jo则 p=。上O政(2.5)可以看出，有功功率P不再是电压U和电流川g有效值乘积，还要乘以二者夹角的余弦 值。电路的无功功率定义为：Q=UI(2.6)无功电流分量的产生是由于系统中含有电感性或电容性的负载而产生的，该电流用 于建立磁场或静电场，存储于电感或电容中，并往返于电源与电感或电容之间，并不会 像有功功率那样被消耗掉。电路中将电压U和电流i的有效值乘积定义为视在功率，即：s=uxi(2.7)视在功率只是电压有效值和电流有效值的乘积，它并不能准确反映能量交换和消耗的强 度，并且在一般电路中，视在功率并不遵守能量守恒定律。从上式(2.5)(2.6),(2.7)可以看出，无功功率，有功功率，视在功率在数值时上 满足如下关系：在正弦波网络中，当负载为感性时，线路电压相位会超前线路的电流相位，即此时 无功功率Q0,我们说网络“吸收”感性无功功率，也可以说是“发出”容性无 功功率；当负载为容性时，线路电压相位会滞后线路的电流相位，即此时。0,无功功 率Q36。,。=90 0=90-个落(32)式中乂为%由正变负时，TO停止计数，得到与时间差t成正比的计数值，从而得到电 网的功率因数COS?O采用Mukisim软件对上述设计的电路图3.5进行仿真，结果如图3.6所示图3.6仿真结果从实验仿真结果来看，该方法设计的电路可以有效的检测电网的功率因数。采用该 方法设计的功率因数检测电路硬件结构简单、稳定性较好，无需中性点，可以方便的进 行安装调试。323晶闸管触发驱动电路控制器是无功补偿装置的核心处理单元，但控制器将采样信号换算后，发出相应的 投切控制信号时，必须有高频触发脉冲去触发晶闸管。如何选择适当的时刻触发晶闸管 导通以对电容器进行无冲击投切动作，是TSC设计的关键技术。总的原则是电源电压 与电容器预先充电电压相等的时刻，而通常的做法都不可避免地有各种缺点，因此本文 采用设计独立的TSC脉冲触发装置，利用ULN2003AN（其输出达到500mA）来驱动脉冲触 发装置工作，从而控制晶闸管的导通和关断，即电容器的投入与切除。本文设计的脉冲 触发装置基本原理图如图3.7所示。由于电容器上的电压是一直变化的，所以晶闸管上的电压是一个不能根据电源电压 计算出来的一个动态值，必须在投切的时候对晶闸管两端的电压进行实测。因此本文采 用了 380V/24V同步变压器对晶闸管复合开关的电压采集信号进行降压处理，得到的三 相同步电压，再经过滤波电路（主要滤去高次谐波）后作为脉冲触发板的同步电压输入信 号。如图3.7所示，无功补偿系统脉冲触发装置的电路可以人为的分成模数转换电路、单片机逻辑处理电路和隔离放大驱动电路三个部分。模数转换电路部分的主要由二极管 回路和光电耦合三极管组成，输入是对电网进行采样处理的三相交流电（幅值约为24V）,输出为通过光电耦合三极管转换后的三个数字逻辑电平。单片机控制系统将模数转换电 路部分输出的逻辑电平进行逻辑判断处理，输出两路对晶闸管的投切控制信号。隔离放 大部分将这两路控制信号进行功率放大，使其满足晶闸管触发的要求。图3.7单相晶闸管触发电路原理图324显示电路本文中设计的显示电路共分为两部分，一部分是利用发光二极管来实现系统整体工 作状态显示。另一部分是利用MAX7219显示驱动器驱动4个LED显示器46,47,用以 显示电压、电流以及功率因数，显示内容通过按键来切换。状态显示电路通过ULN2003驱动8个发光二极管对系统工作状态进行实时显示。其中4个分别用于系统的过压显示、欠压显示、功率因数的超前及滞后显示，其余4个 用于电容器组投切状态显示，每一个二极管代表一组电容器组，哪一组电容器投入哪一 组的指示灯亮。其电路连接图如图3.8所示（见附录）。MAX7219是MAXIM公司生产的一种串行输入/输出共阴极显示驱动器，可以驱动 8位7段数字LED显示器，其片内包含一个BCD码到B码的译码器、多路复用扫描电 路、字段和字位驱动器以及存储每个数字的8x8RAM,每位数字都可以被寻址和更新,允许对每一位数字选择B码译码或不译码。采用三线串行方式与MCU接口，电路十分 简单，只需要一个10K左右的外部电阻来设置所有LED的段电流，LED的显示亮度 可以通过软件进行控制。MAX7219与单片机的连接通过3线SPI串行接口，非常方便。这里MAX7219的3根串行总线（时钟端CLK、串行输入端DIN、装载端LOAD）分别接到 TCPU的PLO、Pl.K P1.6端，其中时钟端和输入端与TLC2543的以及X25045的复用，以节省CPU的I/O 口资源。其与CPU的连接如图3.9所示。图3.9MAX7219和AT89c51的连接电路325键盘电路在控制电路中，通常需要以按键来控制程序流程或输入数据，如果按键不多时，可 以采用独立按键设计，即一个键对应一条输入位线，但如果按键太多，通常以矩阵式扫 描法来做按键检查。本控制系统中由于仅设置了3个按键，按键数量较少，因此采用一 个键对应一条输入位线的接法。3个按键中一个作为预留键，其余两个用于显示状态切 换。系统正常时显示功率因数，当有键按下时，系统将显示电压或电流。键盘电路的接 线如图3.10所示（见附录）。3.2.6 电源电路图3.11系统电源电路直流电源是电子设备中供给能量的部分，是不可缺少的单元。本系统采用了由交流 电经变压、整流、滤波、稳压而形成的直流电源。早期的直流电源其稳压部分是由独立 元件组成，所用元器件多，占空间大，接线多。自集成稳压器件问世后，大大方便了电 源的设计。目前常用的有三端固定式、三端可调式和开关式。本装置的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件7805和7812进行 设计，并且所有的集成稳压芯片均装有充分裕量的散热片。为防止电源之间的相互干扰，需对模拟电路和数字电路进行独立供电，因此电源电 路设计输出两路+5V的稳压电源和一路+12V的稳压电源。系统的供电电源电路如图 3.11所示。3.2.7 复位电路在单片机应用系统的设计中，复位电路的设计是相当重要的。因此要求系统的复位 电路必须能够准确、可靠的工作。一个好的复位电路必须满足两点：其一、系统上电时 有足够的有效复位电平时间，以便使CPU在晶振起振达到稳态后可靠复位；其二、系 统断电后，复位端能快速放电，以便使系统在连续快速开关时能可靠复位。为了防止电磁干扰、电网波动、停电等因素造成的系统死机、数据丢失、程序跑飞 等现象的发生，为了提高系统的可靠性，单片机控制系统中常用到看门狗定时器、串行 E2PROM和电压检测电路。本课题采用了X25045芯片，该芯片把上述的三种功能集成 在单个封装之内，这种组合减小了电路板的面积，降低了系统成本。同时它可以用简单 的三总线SPI接口和软件协议对其进行编程和读写，节省了 CPU的I/O 口资源。X25045与 CPU的接口电路如图3.12所示。图3.12X25045与AT89c51的接口电路本系统中运用到了X25045的电压检测电路和看门狗定时器。图3.14中，RESET为 复位信号输出引脚(漏极开路的输出端)。当X25045的电源检测电路检测到系统电源降 到最小工作电压以下时，RESET变为高电平，直到系统电源返回正常值为止。因此，若 把RESET接到单片机的复位端，则可把单片机系统复位，从而使系统免受低电压的影 响。如果允许看门狗定时器工作，当保持CS“1”或“0”的时间长于看门狗超时周期 时，RESET也变成高电平，同样能使系统复位，为单片机提供了独立的保护系统。3.2.8 通信接口部分控制器要求带有标准的RS232串行通信口，用于和上位机通讯。EIA RS-232标准 接口定义了按位串行传输数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的接口信息。如图3.13所示，用于和上位机通信图3.13与上位机通信接口电路上位机按一定的格式发送命令给单片机，单片机响应串行口中断，按通信协议依次 将数据传送到上位机。329开关量输入、输出模块部分开关量输入通道是干扰窜入的通道，要切断这条通道，就要去掉单片机控制器和输入通 道之间的公共地线，实现彼此电隔离以抑制干扰脉冲。最常用的隔离器件是光电耦合器。本系统采用光电耦合器TLP521来隔离开关量输入通道和单片机控制器,TLP521片内 集成了由发光二极管D和光敏三极管7组成的光电耦合器，可进行开关量的转换。如图当开关量输入到TLP521的输入引脚时，电流流过发光二极管发出红外光，光敏三 极管丁受激发后便产生电流打，电阻也为光敏三极管集电极电阻。7导通时在集电极 输出低电平，7截止时，被拉高至VCC高电平，从而在输出侧产生压降，这样便将电 流转换成电压信号送给单片机控制器。3.3 硬件设计中的抗干扰设计由于本文设计的TSC无功补偿装置要求长年连续的运行，控制器及其整个装置在 现场测量与运行时，必定会受到来自各方面的干扰，这些干扰信号会影响到整个补偿装 置的控制精度，降低系统可靠性。因此，本文在设计过程中采用了下列措施来提高系统 的抗干扰性能。1、接地抗干扰措施：在控制器的设计中，PCB电路板上数字地与模拟地分开，并 加大了线性电路的接地面积。低频电路的地采用单点并联接地；高频电路采用多点串联 接地，所布地线加粗，高频元件周围用栅格壮大接地面积。地线阻抗的最大问题是导致部件之间的互相干扰。在本设计中，除了缩短和加粗地 线设计外，采用PCB板分区集中并联一点接地，如图3.15所示。在图3.15(a)中，每一分 区元件集中于一点接地，自成独立回路，这样可以使地线电流不会流到其它功能模块中 去，避免对其它单元的干扰。同时再将各功能模块单元的接地块与输入电源地相连，形 成图3.15(b)所示的接地方式。为了减少线路阻抗，地线和电源线采用大面积汇流排。(b)图3.15 PCB板的接地设计2、采用光电隔离抗干扰措施：通过光电隔离措施，从电路上把干扰源和易于干扰 部分分离出来，使控制器与现场实现强电和弱电隔离。在控制器中，开关量输入输出都 使用了光电隔离器。采用光电隔离能有效抑制尖脉冲及各种噪声的干扰。在光电隔离的 输入端，即使是幅值很高的干扰，也会由于没有足够的能量使发光二极管发光而被抑制 掉，且输入与输出回路之间是光隔离的，而且又是在密封条件下进行的，故不会受到外 界干扰。3、去耦抗干扰措施：在控制器印刷线路板的设计中，每个集成电路的电源与地之 间都加一个去耦