2024年4月15日发(作者：邓斯)
研究与开发
基于Ｆ４ １ ０的矿井低压无功补偿控制器的研制
杨 意 于 群
（山东科技大学信息与电气工程学院，山东青岛 ２６６５９０）
摘要介绍了一种基于Ｃ８０５１Ｆ４１０单片机为控制核心的智能无功补偿控制器，并详细阐述了
其硬件结构、算法、控制策略，具有智能补偿、快速补偿、对龟网冲击小、成本低，安全稳定等
特点，降低电能损耗，极大改善了井下供电环境，提高电能质量。
关键词：无功补偿；Ｃ８０５１Ｆ４１０单片机；前向通道；傅氏算法
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃ８０５１Ｆ４１０ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ Ｍｉｎｅ
｝ｒａｎｇ Ｙｕ Ｑｕｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６５９０）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｕｃｓｅｓ ｏｎ ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃ８０５ １ Ｆ４ １ ０ ａｎｄ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｏｎ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｉｓ
ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ａｎｄ ｓｗｉｆｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ，ｌｉｔｔｌｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ａｎｄ ｌｏｗ—ｃｏｓｔ．Ｉｔ ｉｓ ａ
ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｔ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ
ｍｉｎｉｎｇ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｌｏｓｉｎｇ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ；Ｃ８０５ １ Ｆ４ １ ０；ｆｒｏｎｔａｌ ｃｈａｎｎｅｌ；ｆｏｕｒｉｅｒ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
在我国煤矿井下低压（６６０Ｖ、１ １４０Ｖ）供电系统
中，绝大多数负载为感性负载。因此，煤矿井下的功
率因数非常低，普遍在０．５～０．７之间。特别是在设备
起动瞬时，功率因数甚至低至０．３。这导致井下供电
末端电压非常低，起动瞬间只有空载电压的６７％左
右，是正常运行电压的７５％左右，这极易造成设备损
坏，影响设备的生产效率和使用寿命。因此，为了提
高井下供电系统的功率因数，稳定末端供电电压，同
时达到降低损耗、节约能源的目的，必须采取快速有
效的无功补偿方法，改善煤矿井下供电状况，提高电
能质量。
本控制器以Ｃ８０５１Ｆ４１０单片机为主控制芯片，
具有１个ｌ２位ＡＤＣ模数转换器，转换速度可达
２００ｋｓｐｓ，最高支持２４通道模拟信号输入。包含３２ＫＢ
的片内ｆｌａｓｈ储存器和２３０４字节片内ＲＡＭ。芯片可
以在工业温度范围（．４０℃～＋８５℃）内用２．０～２．７５ｖ
的工作电压稳定工作。
与普通８０Ｃ５ １单片机相比，它具备控制系统所
需的丰富模拟和数字外设，包括看门狗、ＡＤＣ、
ＤＡＣ、电压比较器、电压基准输出、定时器、ＰＷＭ
等，并具备多种总线接口，包括ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、ＳＭＢＵＳ
总线以及ＣＡＮ总线。运行速度快，稳定性高。采用
本设计是基于Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ公司生产的
Ｃ８０５１Ｆ４１０单片机，应用电力电子技术控制晶闸管的
过零投切，有效克服了冲击电流对电网的影响，而且
流水线处理（ｐｉｐｅ ｌｉｎｅ）技术，执行效率高，它的峰
值速度可达５０ＭＩＰＳ。它比ＤＳＰ数字信号处理器相
比它的价格便宜，技术成熟，运行稳定，完全满足
快速无功补偿的要求。
响应速度快，对设备起动瞬时和正常运行时进行快速
有效的无功补偿，提高井下电力系统的稳定性。
１．２硬件框图
低压无功补偿控制器的组成主要包括前向通道
（电量采集和调理电路）、单片机、晶闸管驱动模块、
显示模块、键盘控制、ＥＥＰＲＯＭ、通信模块等。
１控制器的组成
１．１ 主控制芯片的选择
１２ Ｉ电 技柬 ２０１１年第１２期
控制器框图如图１所示。
Ｃ８０５ｌ
Ｆ４ｌ０
图１控制器框图
１．３ ＣＰＵ外围电路的设计
Ｃ８０５１Ｆ４１０单片机是３２引脚的ＬＱＦＰ封装，最
高支持２４通道模拟信号输入。本控制器分别使用其
Ｐ２．１至Ｐ２．６端口作为三相电压电流数据采集的模拟
量输入通道，Ｐ２．０端口作为上拉电压的数据采集的
模拟量输入通道，引脚２和引脚３２作为Ｃ２调试端
口，ＰＩ．２／ＶＲＥＦ端口作为内部基准电压输出管脚，
提供上拉电压的电压源。
图２ ＣＰＵ引脚接线及外围电路
Ｐ１．３至Ｐ１．６端口作为键盘信号输入通道，Ｐ１．７
和Ｐ０－３端口分别提供ＥＥＰＲＯＭ和显示模块的片选
信号，ＰＯ．２、Ｐ０．１及Ｐ０．０端口分别提供ＥＥＰＲＯＭ
和显示模块的串行数据输入、输出和时钟信号，Ｐ０．４
至Ｐ０．６端口作为单片机ＵＡＲＴ通信端口，电路图如
图２所示。
１．４前向通道的设计
由于本无功补偿器应用于煤矿井下低压６６０Ｖ、
１１４０Ｖ的供电系统中，选用型号为ＴＶ３ｌＣ ２ｍＡ／２ｍＡ
的微型电流型电压互感器，因此电压互感器的一次
侧串联一个６８０ｋ￣的电阻。经过互感器转换到二次
侧的电流为
６６０Ｖ时：，．＝６６０Ｖ／６８０ｋ．Ｑ ０．９７１ｍＡ
研究与开发
１１４０Ｖ时：Ｉｌ＝１１４０Ｖ／６８０ｋ．Ｑ：１．６７６ｍＡ。
在二次侧并联一个大小为１００Ｑ的电阻，将电
流信号转换为电压信号，输入单片机Ａ／Ｄ转换Ｉ／Ｏ
口中，电压的有效值为
６６０Ｖ时：Ｕ ：０．９７１ｍＡｘｌ００ｆｆ２＝０．０９７１Ｖ；
１１４０Ｖ时：Ｕ．＝１．６７６ｍＡｘ１００ｆ￣＝０．１６７６Ｖ。
电压信号Ａ／Ｄ转换前向通道如图３所示。
图３ 电压信号Ａ．Ｄ转换前向通道
电流信号Ａ．Ｄ转换前向通道与电压信号的相
似，同样是在二次侧并联一个电阻，将电流信号转
换为电压信号，由于篇幅问题，不再赘述。
为了方便单片机Ａ．Ｄ转换，本设计在电压互感
器的二次侧加上大小为１．１Ｖ的直流信号上拉电压，
由单片机的内部电压基准ＶＲＥＦ口输出２．２Ｖ的电压
分压得到。
Ｒ３和Ｃ１取值分别是１ｏ０Ｑ和０．１ ，是一组低
通滤波回路。
为了防止输入单片机Ｉ／Ｏ口的电压过大，在滤
波电路之后加一个击穿电压为３．３Ｖ的稳压管，起保
护单片机的作用。
在电压信号滤波之后，加一个电压跟随器，将
前后两级隔开，对输入电压其缓冲隔离的作用，防
止电压的突变影响单片机的稳定工作。
１．５晶闸管驱动器电路的设计
晶闸管驱动器的常规设计是将大功率双向晶闸
管光电耦合器直接并联到交流电压中，来驱动晶闸
管的投切。本设计中的晶闸管驱动器采用夏普公司
的ＰＣ８１７光电耦合器隔离上下两级电流信号，用驱
动晶闸管触发模块来触发晶闸管，优点是使光电耦
合器与交流电压隔离，使其承受的耐压大大减小，
延长了光电耦合器的寿命，提高了系统的安全性和
稳定性。电路图如图４所示。
图４晶闸管驱动器电路图
２０１１年第１２期电毒｜鼍技谍Ｉ １３
研究与开发
晶闸管触发模块采用＋ｌ２Ｖ直流供电，其内部本
身有过零触发模块，其Ｋ１、Ｋ２端口接在双向晶闸
管对的两端，以检测过零电流，实现晶闸管的过零
投切，大大减少了投切过程中冲击电流的产生，有
效减少了投切过程中对电网的冲击。
但是在过零投切的情况下，电容电压等于电源
电压，电流由零直接跃变成稳态电流，尽管电流幅
值可能不大，但是由于时间极短，ｄｉ／ｄｔ的值很大，
仍然可能会损坏晶闸管，所以应串联电抗器来抑制
电流的突变。
２无功补偿的算法及控制策略
２．１无功补偿的算法
无功补偿控制器的单片机根据Ａ—Ｄ转换采集到
的实际交流电压电流信号，为了提高计算速度，常
采用递推的傅里叶算法，其基本原理如下：
假定对被采样信号每周期采样点数为Ⅳ，采样
，＇
问隔ｒｓ＝ ，则在一个基波周期后的ｔ＝ｍＴ￣（ｍ＞Ｎ）
』Ｖ
采样时刻的计算值为
，＇ Ｎ ，＇一
（ ）：— ∑ （’ ｌ ｆ＋ 一Ⅳ）ｓｉｎ【等 （’ ｆ＋ 一Ⅳ）］
，＇ Ｎ ，＇一
（ ）： ∑ （ｆ＋ 一Ⅳ）ｃｏｓ［等 （ｆ＋ 一ＪⅣ）］
式中，ａｎ（ ）、 （ｍ）分别为第ｎ次谐波分量在ｔ＝ｍ
采样时刻计算的正、余弦项的幅值； （ｆ＋ｍ一｜Ⅳ）为
ｔ＝（ｆ＋ｍ—Ｎ）Ｔ（卢ｌ，２…，忉时刻的采样值。
以上两式与ｔ＝（ｉ＋ｍ—ＪＶ） 采样值的计算公式
只差ｘ（ｍ一Ⅳ）和 （ ）两项。据此，有下列递推公式
，） ，）
ａｎ（ ） （ 一１）十 【 （ ）一 （ 一Ⅳ）］ｓｉｎ（ ； 疗 ）
，） ’
（ ）：ｂ（ｍ一１）＋ ［ （ ）一 （ 一Ⅳ）］ｃｏｓ（ ）
以上两式的运算只需要２次乘法和４次加减法，
且与Ⅳ选取无关，极大地减少了运算量，因此具有
广泛的使用价值。
通过以上方法得到电压、电流值后，就能很方
便地计算出无功功率、功率因数等参数。
傅里叶算法原理简单，计算精度高，本身具有
较强的滤波作用，在电能质量复杂的环境下得到广
泛的应用。
２．２控制策略
根据选择控制量的不同，无功补偿可分为多种
控制方式，如根据电网电压、功率因数，无功功率
１４ ｌ电毒｜ｌ技撤 ２０１１年第１２期
等电量的大小及变化情况来控制电容器的投切。但
是在实际工程中，单纯根据某一种电量参数来进行
无功补偿控制不足以满足准确性的要求，例如：如
果在负载电流很小的情况下，单一依靠功率因数这
一
电量参数来控制电容器的投切，很容易造成投切
振荡的现象。所以比较合理的控制策略应该满足５
点要求：①最大限度的利用补偿设备来提高功率因
数，提高设备的利用率；②不发生过补。过度无功
补偿对电网电压有明显的太高作用，大大减小电力
设备的使用寿命。另外，过补还会增加无功电流，
增加线路损耗；③不发生投切振荡。投切振荡减小
电容器的使用寿命，甚至会严重威胁电网的安全，
对电网是十分不利的；④无冲击投切。即上文所述
的过零投切；⑤补偿应该迅速准确。电容器的投切
应根据计算量，将适合的电容器组投入或切除，迅
速简洁，一步到位，减少投切次数，不应按最小步
进递增或递减。
根据以上５点，本设计方案采取一种复合性投
切策略，即以负荷无功功率控制为主，以系统电压
作为辅助判断。无功功率控制方式响应速度快，补
偿目标直接，但未考虑到电网实际运行水平；系统
电压控制方式依据电网实际运行状态，能够得到更
准确的补偿效果，但是补偿的容量要经过复杂的计
算，不利于快速响应。因此，这两种控制方式的结
合既能快速响应，又能准确补偿。
经过单片机的数据处理，得到电网电流电压值、
有功功率、无功功率、功率因数等判断无功补偿的关
键数据参数，再与已经设定好的参数进行比较，根据
按无功功率控制，按电压校正的控制策略，确定电容
器组的投切情况。其具体运行框图如图５所示。
图５控制策略运行框图
（ 转第２３页）
研究与开发
Ｃａｐａｃ ｒ Ｖｏｌｔａｇｅ ０ｆｐｈａｇｅ＾
卜 一＾Ⅷ
直流电容电压的平衡控制的效果，将不同时刻各相
直流电容电压的测试值见表１。
３结论
．
本文对载波移相ＰＷＭ控制策略进行了详细分
析，载波移相ＳＰＷＭ在不提高各单相桥开关频率的
前提下可大大改善输出电压的谐波性能，非常适合应
用于链式结构的变流器中。基于载波移相ＰＷＭ控制
策略，：Ｅ２００Ｍｖａｒ链式ＳＴＡＴＣＯＭ装置通过ＰＷＭ直
流制动等控制措施实现直流电容电压的平衡控制。
Ｔｉｍｅ
图６ Ａ相电容电压
为更直观的从数值上表现出上述控制措施实现
表１
Ｔｉｍｅ ｃＡ ＵｄｃＢ Ｌ ｃ
Ａｖ Ｍｉｎ／Ｖ Ｍａｘ／Ｖ Ａｖｇ／Ｖ Ｍｉｎ／Ｖ Ｍａｘ／Ｖ Ａｖｇ，ｖ Ｍｉｎ，、， Ｍａｘ／Ｖ
１０：４０ ２３０１ ２２８８ ２３ｌ５ ２２９３ ２２８２ ２３ｌ８ ２３０ｏ ．２２８０ ２３１８
１０：５０ ２２９９ ２２９１ ２３１４ ２２９２ ２２９１ ２３１４ ２３０３ ２２８８ ２３１８
ｌ１：００ ２３０ｌ ２２８９ ２３１３ ２３０２ ２２９０ ２３２０ ２３０７ ２２９３ ２３１９
ｌ１：１０ ２２９７ ２２８０ ２３１０ ２２９７ ２２７９ ２３１５ ２３００ ２２９０ ２３０９
ｌ１：２０ ２３０５ ２２８ｌ ２３２５ ２２９９ ２２８４ ２３ｌ８ ２２９９ ２２６７ ２３３４
１１：３０ ２３０２ ２２７６ ２３２５ ２３０２ ２２８１ ２３２０ ２３０２ ２２７８ ２３２７
１１：４０ ２３００ ２２８５ ２３１４ ２２９８ ２２８６ ２３１３ ２２９ｌ ２２６５ ２３ｌ５
通过３５ｋＶ并网运行试验的波形和直流电容电
【３］魏文辉，刘文华，倪镭，邹彬，宋强．链式ＳＴＡＴＣＯＭ直流侧
压数值分析可以看出，上述控制策略可以很好的实
电容稳态分析及参数设计『Ｊ］．电力系统自动化，２００４（４）．
现直流电容电压平衡控制，适应南方电网＋２００ＭＶＡ
［４】刘元清．配电网ＳＴＡＴＣＯＭ控制策略分析与装置研究
链式静止补偿器ＳＴＡＴＣＯＭ的性能要求。
［Ｄ】．河海大学，２００７．
参考文献
【５］ 李永东，高跃，候轩．大容量多电平变换器ＰＷＭ控制
技术现状及进展［Ｊ］．电力电子技术，２００５（５）．
［１】耿俊成，刘文华，袁志昌．链式ＳＴＡＴＣＯＭ电容电压不平衡
［６】 栗春，姜齐荣，王仲鸿．ＳＴＡＴＣＯＭ电压控制系统性能
现象研究（一）仿真和试验［Ｊ］．电力系统自动化，２ｏｏ３（１６）．
分析［Ｊ１．中国电机工程学报，２０００（８）．
［２】 王立杰．ＳＴＡＴＣＯＭ控制方法及ＰＷＭ策略的研究［Ｄ］．
江苏大学，２００７．
（上援第１４负）
３ 结论
【２】 于群，曹娜．电力系统微机继电保护［Ｍ】．北京：机械工
基于Ｆ４１０的矿下低压无功补偿控制器适用于
业出版社，２００８．
矿下６６０～１ １４０Ｖ电压等级的无功补偿控制，其计算
［３］童诗白，华成英．模拟电子技术基础［Ｍ］．北京：高等教
速度快，精度高，其无触点的投切方式减少冲击电
育出版社，２００１．
流的产生，极大地改善井下的供电质量，提高了井
［４】 许业清．实用无功功率补偿技术［Ｍ】．北京：中国科学
下设备运行的安全性和稳定性。
技术大学出版社，１９９８．
参考文献
作者简介
【１】 鲍可进．ＳＯＣ单片机原理与应用［Ｍ】．清华大学出版
杨意（１９８７一），男，山东齐河人，山东科技大学在读硕士生，研
社．２０１１．
究方向为电力系统无功补偿及谐波治理。
２０１１年第１２期电 技谍ｌ ２３
2024年4月15日发(作者：邓斯)
研究与开发
基于Ｆ４ １ ０的矿井低压无功补偿控制器的研制
杨 意 于 群
（山东科技大学信息与电气工程学院，山东青岛 ２６６５９０）
摘要介绍了一种基于Ｃ８０５１Ｆ４１０单片机为控制核心的智能无功补偿控制器，并详细阐述了
其硬件结构、算法、控制策略，具有智能补偿、快速补偿、对龟网冲击小、成本低，安全稳定等
特点，降低电能损耗，极大改善了井下供电环境，提高电能质量。
关键词：无功补偿；Ｃ８０５１Ｆ４１０单片机；前向通道；傅氏算法
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃ８０５１Ｆ４１０ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ Ｍｉｎｅ
｝ｒａｎｇ Ｙｕ Ｑｕｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６５９０）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｕｃｓｅｓ ｏｎ ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃ８０５ １ Ｆ４ １ ０ ａｎｄ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｏｎ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｉｓ
ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ａｎｄ ｓｗｉｆｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ，ｌｉｔｔｌｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ａｎｄ ｌｏｗ—ｃｏｓｔ．Ｉｔ ｉｓ ａ
ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｔ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ
ｍｉｎｉｎｇ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｌｏｓｉｎｇ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ；Ｃ８０５ １ Ｆ４ １ ０；ｆｒｏｎｔａｌ ｃｈａｎｎｅｌ；ｆｏｕｒｉｅｒ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
在我国煤矿井下低压（６６０Ｖ、１ １４０Ｖ）供电系统
中，绝大多数负载为感性负载。因此，煤矿井下的功
率因数非常低，普遍在０．５～０．７之间。特别是在设备
起动瞬时，功率因数甚至低至０．３。这导致井下供电
末端电压非常低，起动瞬间只有空载电压的６７％左
右，是正常运行电压的７５％左右，这极易造成设备损
坏，影响设备的生产效率和使用寿命。因此，为了提
高井下供电系统的功率因数，稳定末端供电电压，同
时达到降低损耗、节约能源的目的，必须采取快速有
效的无功补偿方法，改善煤矿井下供电状况，提高电
能质量。
本控制器以Ｃ８０５１Ｆ４１０单片机为主控制芯片，
具有１个ｌ２位ＡＤＣ模数转换器，转换速度可达
２００ｋｓｐｓ，最高支持２４通道模拟信号输入。包含３２ＫＢ
的片内ｆｌａｓｈ储存器和２３０４字节片内ＲＡＭ。芯片可
以在工业温度范围（．４０℃～＋８５℃）内用２．０～２．７５ｖ
的工作电压稳定工作。
与普通８０Ｃ５ １单片机相比，它具备控制系统所
需的丰富模拟和数字外设，包括看门狗、ＡＤＣ、
ＤＡＣ、电压比较器、电压基准输出、定时器、ＰＷＭ
等，并具备多种总线接口，包括ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、ＳＭＢＵＳ
总线以及ＣＡＮ总线。运行速度快，稳定性高。采用
本设计是基于Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ公司生产的
Ｃ８０５１Ｆ４１０单片机，应用电力电子技术控制晶闸管的
过零投切，有效克服了冲击电流对电网的影响，而且
流水线处理（ｐｉｐｅ ｌｉｎｅ）技术，执行效率高，它的峰
值速度可达５０ＭＩＰＳ。它比ＤＳＰ数字信号处理器相
比它的价格便宜，技术成熟，运行稳定，完全满足
快速无功补偿的要求。
响应速度快，对设备起动瞬时和正常运行时进行快速
有效的无功补偿，提高井下电力系统的稳定性。
１．２硬件框图
低压无功补偿控制器的组成主要包括前向通道
（电量采集和调理电路）、单片机、晶闸管驱动模块、
显示模块、键盘控制、ＥＥＰＲＯＭ、通信模块等。
１控制器的组成
１．１ 主控制芯片的选择
１２ Ｉ电 技柬 ２０１１年第１２期
控制器框图如图１所示。
Ｃ８０５ｌ
Ｆ４ｌ０
图１控制器框图
１．３ ＣＰＵ外围电路的设计
Ｃ８０５１Ｆ４１０单片机是３２引脚的ＬＱＦＰ封装，最
高支持２４通道模拟信号输入。本控制器分别使用其
Ｐ２．１至Ｐ２．６端口作为三相电压电流数据采集的模拟
量输入通道，Ｐ２．０端口作为上拉电压的数据采集的
模拟量输入通道，引脚２和引脚３２作为Ｃ２调试端
口，ＰＩ．２／ＶＲＥＦ端口作为内部基准电压输出管脚，
提供上拉电压的电压源。
图２ ＣＰＵ引脚接线及外围电路
Ｐ１．３至Ｐ１．６端口作为键盘信号输入通道，Ｐ１．７
和Ｐ０－３端口分别提供ＥＥＰＲＯＭ和显示模块的片选
信号，ＰＯ．２、Ｐ０．１及Ｐ０．０端口分别提供ＥＥＰＲＯＭ
和显示模块的串行数据输入、输出和时钟信号，Ｐ０．４
至Ｐ０．６端口作为单片机ＵＡＲＴ通信端口，电路图如
图２所示。
１．４前向通道的设计
由于本无功补偿器应用于煤矿井下低压６６０Ｖ、
１１４０Ｖ的供电系统中，选用型号为ＴＶ３ｌＣ ２ｍＡ／２ｍＡ
的微型电流型电压互感器，因此电压互感器的一次
侧串联一个６８０ｋ￣的电阻。经过互感器转换到二次
侧的电流为
６６０Ｖ时：，．＝６６０Ｖ／６８０ｋ．Ｑ ０．９７１ｍＡ
研究与开发
１１４０Ｖ时：Ｉｌ＝１１４０Ｖ／６８０ｋ．Ｑ：１．６７６ｍＡ。
在二次侧并联一个大小为１００Ｑ的电阻，将电
流信号转换为电压信号，输入单片机Ａ／Ｄ转换Ｉ／Ｏ
口中，电压的有效值为
６６０Ｖ时：Ｕ ：０．９７１ｍＡｘｌ００ｆｆ２＝０．０９７１Ｖ；
１１４０Ｖ时：Ｕ．＝１．６７６ｍＡｘ１００ｆ￣＝０．１６７６Ｖ。
电压信号Ａ／Ｄ转换前向通道如图３所示。
图３ 电压信号Ａ．Ｄ转换前向通道
电流信号Ａ．Ｄ转换前向通道与电压信号的相
似，同样是在二次侧并联一个电阻，将电流信号转
换为电压信号，由于篇幅问题，不再赘述。
为了方便单片机Ａ．Ｄ转换，本设计在电压互感
器的二次侧加上大小为１．１Ｖ的直流信号上拉电压，
由单片机的内部电压基准ＶＲＥＦ口输出２．２Ｖ的电压
分压得到。
Ｒ３和Ｃ１取值分别是１ｏ０Ｑ和０．１ ，是一组低
通滤波回路。
为了防止输入单片机Ｉ／Ｏ口的电压过大，在滤
波电路之后加一个击穿电压为３．３Ｖ的稳压管，起保
护单片机的作用。
在电压信号滤波之后，加一个电压跟随器，将
前后两级隔开，对输入电压其缓冲隔离的作用，防
止电压的突变影响单片机的稳定工作。
１．５晶闸管驱动器电路的设计
晶闸管驱动器的常规设计是将大功率双向晶闸
管光电耦合器直接并联到交流电压中，来驱动晶闸
管的投切。本设计中的晶闸管驱动器采用夏普公司
的ＰＣ８１７光电耦合器隔离上下两级电流信号，用驱
动晶闸管触发模块来触发晶闸管，优点是使光电耦
合器与交流电压隔离，使其承受的耐压大大减小，
延长了光电耦合器的寿命，提高了系统的安全性和
稳定性。电路图如图４所示。
图４晶闸管驱动器电路图
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研究与开发
晶闸管触发模块采用＋ｌ２Ｖ直流供电，其内部本
身有过零触发模块，其Ｋ１、Ｋ２端口接在双向晶闸
管对的两端，以检测过零电流，实现晶闸管的过零
投切，大大减少了投切过程中冲击电流的产生，有
效减少了投切过程中对电网的冲击。
但是在过零投切的情况下，电容电压等于电源
电压，电流由零直接跃变成稳态电流，尽管电流幅
值可能不大，但是由于时间极短，ｄｉ／ｄｔ的值很大，
仍然可能会损坏晶闸管，所以应串联电抗器来抑制
电流的突变。
２无功补偿的算法及控制策略
２．１无功补偿的算法
无功补偿控制器的单片机根据Ａ—Ｄ转换采集到
的实际交流电压电流信号，为了提高计算速度，常
采用递推的傅里叶算法，其基本原理如下：
假定对被采样信号每周期采样点数为Ⅳ，采样
，＇
问隔ｒｓ＝ ，则在一个基波周期后的ｔ＝ｍＴ￣（ｍ＞Ｎ）
』Ｖ
采样时刻的计算值为
，＇ Ｎ ，＇一
（ ）：— ∑ （’ ｌ ｆ＋ 一Ⅳ）ｓｉｎ【等 （’ ｆ＋ 一Ⅳ）］
，＇ Ｎ ，＇一
（ ）： ∑ （ｆ＋ 一Ⅳ）ｃｏｓ［等 （ｆ＋ 一ＪⅣ）］
式中，ａｎ（ ）、 （ｍ）分别为第ｎ次谐波分量在ｔ＝ｍ
采样时刻计算的正、余弦项的幅值； （ｆ＋ｍ一｜Ⅳ）为
ｔ＝（ｆ＋ｍ—Ｎ）Ｔ（卢ｌ，２…，忉时刻的采样值。
以上两式与ｔ＝（ｉ＋ｍ—ＪＶ） 采样值的计算公式
只差ｘ（ｍ一Ⅳ）和 （ ）两项。据此，有下列递推公式
，） ，）
ａｎ（ ） （ 一１）十 【 （ ）一 （ 一Ⅳ）］ｓｉｎ（ ； 疗 ）
，） ’
（ ）：ｂ（ｍ一１）＋ ［ （ ）一 （ 一Ⅳ）］ｃｏｓ（ ）
以上两式的运算只需要２次乘法和４次加减法，
且与Ⅳ选取无关，极大地减少了运算量，因此具有
广泛的使用价值。
通过以上方法得到电压、电流值后，就能很方
便地计算出无功功率、功率因数等参数。
傅里叶算法原理简单，计算精度高，本身具有
较强的滤波作用，在电能质量复杂的环境下得到广
泛的应用。
２．２控制策略
根据选择控制量的不同，无功补偿可分为多种
控制方式，如根据电网电压、功率因数，无功功率
１４ ｌ电毒｜ｌ技撤 ２０１１年第１２期
等电量的大小及变化情况来控制电容器的投切。但
是在实际工程中，单纯根据某一种电量参数来进行
无功补偿控制不足以满足准确性的要求，例如：如
果在负载电流很小的情况下，单一依靠功率因数这
一
电量参数来控制电容器的投切，很容易造成投切
振荡的现象。所以比较合理的控制策略应该满足５
点要求：①最大限度的利用补偿设备来提高功率因
数，提高设备的利用率；②不发生过补。过度无功
补偿对电网电压有明显的太高作用，大大减小电力
设备的使用寿命。另外，过补还会增加无功电流，
增加线路损耗；③不发生投切振荡。投切振荡减小
电容器的使用寿命，甚至会严重威胁电网的安全，
对电网是十分不利的；④无冲击投切。即上文所述
的过零投切；⑤补偿应该迅速准确。电容器的投切
应根据计算量，将适合的电容器组投入或切除，迅
速简洁，一步到位，减少投切次数，不应按最小步
进递增或递减。
根据以上５点，本设计方案采取一种复合性投
切策略，即以负荷无功功率控制为主，以系统电压
作为辅助判断。无功功率控制方式响应速度快，补
偿目标直接，但未考虑到电网实际运行水平；系统
电压控制方式依据电网实际运行状态，能够得到更
准确的补偿效果，但是补偿的容量要经过复杂的计
算，不利于快速响应。因此，这两种控制方式的结
合既能快速响应，又能准确补偿。
经过单片机的数据处理，得到电网电流电压值、
有功功率、无功功率、功率因数等判断无功补偿的关
键数据参数，再与已经设定好的参数进行比较，根据
按无功功率控制，按电压校正的控制策略，确定电容
器组的投切情况。其具体运行框图如图５所示。
图５控制策略运行框图
（ 转第２３页）
研究与开发
Ｃａｐａｃ ｒ Ｖｏｌｔａｇｅ ０ｆｐｈａｇｅ＾
卜 一＾Ⅷ
直流电容电压的平衡控制的效果，将不同时刻各相
直流电容电压的测试值见表１。
３结论
．
本文对载波移相ＰＷＭ控制策略进行了详细分
析，载波移相ＳＰＷＭ在不提高各单相桥开关频率的
前提下可大大改善输出电压的谐波性能，非常适合应
用于链式结构的变流器中。基于载波移相ＰＷＭ控制
策略，：Ｅ２００Ｍｖａｒ链式ＳＴＡＴＣＯＭ装置通过ＰＷＭ直
流制动等控制措施实现直流电容电压的平衡控制。
Ｔｉｍｅ
图６ Ａ相电容电压
为更直观的从数值上表现出上述控制措施实现
表１
Ｔｉｍｅ ｃＡ ＵｄｃＢ Ｌ ｃ
Ａｖ Ｍｉｎ／Ｖ Ｍａｘ／Ｖ Ａｖｇ／Ｖ Ｍｉｎ／Ｖ Ｍａｘ／Ｖ Ａｖｇ，ｖ Ｍｉｎ，、， Ｍａｘ／Ｖ
１０：４０ ２３０１ ２２８８ ２３ｌ５ ２２９３ ２２８２ ２３ｌ８ ２３０ｏ ．２２８０ ２３１８
１０：５０ ２２９９ ２２９１ ２３１４ ２２９２ ２２９１ ２３１４ ２３０３ ２２８８ ２３１８
ｌ１：００ ２３０ｌ ２２８９ ２３１３ ２３０２ ２２９０ ２３２０ ２３０７ ２２９３ ２３１９
ｌ１：１０ ２２９７ ２２８０ ２３１０ ２２９７ ２２７９ ２３１５ ２３００ ２２９０ ２３０９
ｌ１：２０ ２３０５ ２２８ｌ ２３２５ ２２９９ ２２８４ ２３ｌ８ ２２９９ ２２６７ ２３３４
１１：３０ ２３０２ ２２７６ ２３２５ ２３０２ ２２８１ ２３２０ ２３０２ ２２７８ ２３２７
１１：４０ ２３００ ２２８５ ２３１４ ２２９８ ２２８６ ２３１３ ２２９ｌ ２２６５ ２３ｌ５
通过３５ｋＶ并网运行试验的波形和直流电容电
【３］魏文辉，刘文华，倪镭，邹彬，宋强．链式ＳＴＡＴＣＯＭ直流侧
压数值分析可以看出，上述控制策略可以很好的实
电容稳态分析及参数设计『Ｊ］．电力系统自动化，２００４（４）．
现直流电容电压平衡控制，适应南方电网＋２００ＭＶＡ
［４】刘元清．配电网ＳＴＡＴＣＯＭ控制策略分析与装置研究
链式静止补偿器ＳＴＡＴＣＯＭ的性能要求。
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参考文献
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现象研究（一）仿真和试验［Ｊ］．电力系统自动化，２ｏｏ３（１６）．
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（上援第１４负）
３ 结论
【２】 于群，曹娜．电力系统微机继电保护［Ｍ】．北京：机械工
基于Ｆ４１０的矿下低压无功补偿控制器适用于
业出版社，２００８．
矿下６６０～１ １４０Ｖ电压等级的无功补偿控制，其计算
［３］童诗白，华成英．模拟电子技术基础［Ｍ］．北京：高等教
速度快，精度高，其无触点的投切方式减少冲击电
育出版社，２００１．
流的产生，极大地改善井下的供电质量，提高了井
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参考文献
作者简介
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社．２０１１．
究方向为电力系统无功补偿及谐波治理。
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