尤力

摘 要 伴随着我国现代工业和电子技术的发展，大量的非线性、非对称性以及功率因素低的电子设备被挂接到电网中，如工业用电机、电焊机以及自动化生产线等。这些电子设备的正常运行过程中，会产生大量的无功功率，而大量的无功功率，势必会提高电网线路损耗，造成电网电压跌落，进而降低电网电能质量。因此，研发一款高性能的智能电容器对提高电网电能质量将具有非常重要的意义。

1 智能电容器发展现状

由于历史原因，国外电网建设初期主要目是时保证用户电能使用，同时，电网建设初期由于资金的短缺，造成我国当前国内电网结构存在诸多不合理的地方。而无功功率是指部分负载设备建立交变磁场时所需要的电功率，该电功率不对外做功。随着经济发展以及人们对高质量的电能需求增加[19]，我国在上个世纪八十年代末期开始对无功补偿装置进行了研究。由于我国在无功补偿相关领域发展相对较晚，在1987年，上海新扉科技有限公司联合上海同济大学开发了我国首台机械式并联无功补偿装置[20]，该装置成功研发，实现了并联式无功补偿国产化的能力。在上海电力公司的推广下，该装置被广泛应用于上海城网改造项目中，有效的提高了我国电网电能质量，同时，也在一定程度上助推了我国并联式无功补偿产品性能的提升。

当前，国外无功补偿装置占据了国内高端市场，这严重阻碍了我国无功补偿装置整体发展，且国内无功补偿装置存在控制精度不高、稳定差等缺点。因此，开发一套高精度、稳定性好的无功补偿装置具有非常重要的现实意义。针对上述问题，本课题开发了一套基于TMS320F2806的有功均衡及无功补偿装置系统，该仪表具有体积小巧、控制精度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点[22]。

2 智能电容器硬件电路设计

2.1 硬件结构概述

目前，实现智能电容器相关功能方式存在较多的方案，但智能电容器整套系统框架结构基本相同，即系统根据采集的电压值、电流值对电网进行电容投切。本课题根据电力公司对电容器实际功能需求，搭建了智能电容器整套系统结构框图。系统在保证智能电容器整体功能基础上，对智能电容器整套系统进行简化，提高了智能电容器整体可靠性和稳定性。

2.2 微控制器模块

根据智能电容器对单片机数据处理速度需求，本论文采用TMS320F28335芯片作为系统主控芯片，该芯片为32位数据处理器，满足了智能电容器对微处理器相关功能需求。

2.3 系统供电电路

2.3.1 开关电源模块

在智能电容器系统中，系统采用电网220V交流电源对智能电容器进行供电。为了保证智能电容器能够正常工作，系统需对智能电容器供电的220V交流电进行整流降压处理。考虑到智能电容器实际功能需求，本课题供电电压主要有以下三种电源，其分别为24V、5V、3.3V等。针对智能电容器实际功能需求，本系统设计了一款高性能开关稳压电源。

2.3.2 系统电源模块

由于本课题将开关电源模块输出电压设置为12V，而本课题选用的DSP供电电压为3.3V。为了保证开关稳压电源模块能够正常工作，本课题需对开关电源模块输出的电压进行降压处理。目前，降压芯片主要有线电源和开关电源。考为了保证智能电容器整套系统能够正常工作，本课题采用LM1117-3.3V芯片对开关电源输出的电压进行降压处理。

2.3.3 精密稳压源电路

在智能电容器系统中，系统以1.5V电源电压作为参考电源电压。而智能电容器整套系统电网电压、电流采集精度直接决定了整套系统测量精度和补偿精度，针对智能电容器实际功能需求，本论文设计了高精度参考电源模块。

2.4 电网信号采集与处理电路

2.4.1 电压采集电路

本课题设计的智能电容器需对电网电压进行采集，并根据采集的电网电压、电流对进行无功补偿。考虑到电网电压值为220V交流电，且电网中存在较高的噪声。针对智能电容器提出的相关功能需求，本课题搭建了电压调理模块。

2.4.2 电流采集电路

在智能电容器系统中，系统需要测量电网中电力线所承载的电流大小。考虑到电网中电流值相对较大，而智能电容器只能对电压信号进行采集，针对智能电容器相关功能需求，本论文设计了电流信号采集模块。

2.4.3 频率采集电路

在智能电容器系统中，系统需要获取电网中交流电压信号频率参数，根据智能电容器频率采集功能需求，本课题论文设计了一款基于斯密特触发器频率采集硬件电路。

2.5 投切開关控制电路

在智能电容器系统中，投切开关控制的合理性，其能够防止涌流以及电弧。而在投切开关控制电路中，其主要包括开关电压过零点检测电路、电网电压过零点检测电路以及磁保持继电器驱动电路等组成。

2.6 温度信号采集电路

在智能电容器系统中，若电容器温度过高时，其会造成电容器出现膨胀甚至爆炸等事故，进而影响电容器整体使用寿命。系统选用10K热敏电阻对智能电容器上的温度进行测量，随着热敏电阻温度的升高，其热敏电阻的阻值随着降低，系统将热敏电阻与电阻进行分压处理，故系统可通过采集热敏电阻上的电压值，即可实现对热敏电阻阻值大小进行测量。由于热敏电阻阻值与温度成非线性关系，故系统通过查找电阻与温度的关系，即可实现对电容器温度大小进行测量[38]。

2.7 RS485通信电路

在智能电容器系统中，系统采用RS485通信模块进行远程数据传输。考虑到智能电容器实际应用环境相对比较复杂，系统采用光耦对RS485通信模块进行隔离。由于本论文采用MAX1487芯片进行RS485数据传输，其在进行数据传输时，需通过TMS320F28335单片机上I/O引脚控制RE引脚和TE引脚，为了避免RS485模块占用过多的I/O引脚，本课题设计了一款新型RS485通信功能模块，系统通过三极管将MAX1487芯片上RE引脚和TE引脚接入到三极管集电极，并将三极管基极与发射端口相连接，其实现了MAX1487数据传输的自动切换功能，降低了系统RS485通信功能模块软件程序设计难度。

2.8 数据存储模块

在智能电容器系统中，系统实时对电网中无功功率、有功功率、功率因数、电网电压、电网电流等参数进行采集，并将采集的参数信息进行实时存储。针对智能电容器实际功能需求，系统采用AT24C16芯片进行数据存储。由于AT24C16芯片采用标准的IIC总线接口，为了降低智能电容器整套系统硬件电路设计难度，系统将AT24C16芯片与TMS320F28335单片机上IIC总线接口直接相连接。由于IIC总线接口能够挂接大量的IIC总线接口的芯片，为了便于TMS320F28335芯片对存储地址进行识别，系统需对AT24C16芯片上地址A0、A1引脚进行设置。考虑到智能电容器需频繁对AT24C16进行数据读写，故系统将AT24C16芯片上读写保护引脚进行拉低设置。

3 总结

伴随着国内电网系统升级改造，其相关配套产品也得到了长期的发展。目前，市面上存在多种型号智能电容器，但它们普遍存在使用寿命短、补偿精度差、补偿速度慢以及价格高等缺点。因此，开发一款性能高、价格低、稳定好的智能电容器对我国电网改造具有重要的现实意义。但由于本人时间和能力有限，使得本课题研究的智能电容器仍存在许多待改进的地方。今后，人们可在本课题研究基础上，对智能电容器进行研究。

参考文献

[1] 赵新卫， 张绍通， 杨伟杰，等. 智能电容器多路阶梯式补偿装置现场应用分析[J]. 电力电容器与无功补偿， 2015， 36（1）：11-14.

[2] 张亮， 徐魁， 陈刚，等. 一种用户侧智慧型电能质量综合治理装置的设计与应用[J]. 电力电容器与无功补偿， 2017， 38（6）：23-27.