使用Verilog写逻辑需要有一定的去噪的算法才能去除这些噪声，而不是依靠器件自身的硬件功能。
一、实验目的1. 熟悉CPLD的开发软件的基本使用。
2. 掌握CPLD逻辑电路设计方法。
3. 会用逻辑分析仪进行数字电路的测试分析。
二、实验任务和内容
1. 在CPLD中设计一个多位计数器电路，设计要求为：
（1）6位十进制加法/减法计数器，运行过程中可改变加法或减法；
（2）输入计数信号频率最高1MHz，信号电平为0～5V的脉冲信号。
（3）6位数码管动态扫描显示，显示亮度均匀，不闪烁。
（4）有手动清零按键。
2．对设计的电路进行软件仿真
3．计数器电路的CPLD下载、实验调试。
4．使用虚拟逻辑分析仪进行调试和测试
三、实验器材
1. 1.SJ-8002B电子测量实验箱 1台
2．计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力 1台
3．函数发生器 1台
4. SJ-7002 CPLD实验板 1块
5 . 短接线若干
四、实验原理
4.1 CPLD介绍
可编程逻辑器(PLD)是70年代发展起来的一种划时代的新型逻辑器件，一般来说，PLD器件是由用户配置以完成某种逻辑功能的电路。80年代末，美国ALTERA和XILINX公司采用E2CMOS工艺，分别推出大规模和超大规模的复杂可编程逻辑器件(CPLD)和现场可编程逻辑门阵列器件(FPGA)，这种芯片在达到高度集成度的同时，所具有的应用灵活性和多组态功能是以往的LSI/VLSI电路无法比拟的。到90年代，CPLD/FPGA发展更为迅速，不仅具有电擦除特性，而且出现了边缘扫描及在线编程等高级特性。另外，外围I/O模块扩大了在系统中的应用范围和扩展性。较常用的有XILIN X公司的EPLD和ALTERA及LATTICE公司的CPLD。
CPLD/FPGA的设计开发采用功能强大的EDA工具，通过符合国际标准的硬件描述语言(如VHDL或VERILOG-HDL)来进行电子系统设计和产品开发，开发工具的通用性，设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的CPLD/FPGA器件的硬件结构没有关系，所以设计成功的逻辑功能软件有很好的兼容性和可移植性，开发周期短；易学易用，开发便捷。
尽管CPLD、FPGA以及其它类型的PLD器件的结构各有其特点和长处，但是概括起来它们都是由三大部分组成的：（1）一个二维的逻辑块阵列，构成器件的逻辑组成核心；（2）输入/输出块（3）连接逻辑块的互联资源，连线资源由各种长度的线段组成，也包括用于连接逻辑块之间，逻辑块与输入输出部分的可编程连接开关。
本CPLD实验电路板选用ALTERA公司的EPM7128SLC84器件，EPM7128SLC84的特点为：84引脚Pin，内部有128个宏单元、2500个等效逻辑门、15ns的速度、PLCC84封装形式。除电源引脚、地线引脚、全局控制引脚和JTAG引脚外，共提供了64个可用I/O脚，这些引脚可以任意配置为输入、输出和双向方式。
图1 CPLD芯片EPM7128SLC84外形图
4.2 CPLD（FPGA）器件的设计和验证步骤
一般可分为设计输入、编译、功能仿真和时延仿真、器件下载（编程）、硬件电路三个设计步骤以及相应的功能仿真、时序仿真和器件测试三个设计验证过程。
（1）．设计输入：设计输入有多种方式，目前最常用的有电路图和硬件描述语言两种，对于简单的设计，可采用原理图的方式设计，对于复杂的设计可使用原理图或硬件描述语言（Verilog、AHDL、VHDL语言），或者两者混用，采用层次化设计方法，分模块层次地进行描述。原理图设计方法主要是按照数字系统的功能采用具体的逻辑器件组合来实现的，把这些由具体器件实现逻辑功能的电路图输入到软件当中。这种设计方法比较直观。硬件描述语言设计方法主要把数字系统的逻辑功能用硬件语言来描述
（2）编译：编译前先选择器件的系列、型号，分配输入/输出管脚进行管脚，然后开始编译编译是指从设计输入文件到熔丝图文件（CPLD）或位流文件（FPGA）的编译过程。在该过程中，编译软件自动地对设计文件进行综合、优化，并针对所选中的器件进行映射、布局、布线、产生相应的熔丝图或位流数据文件。
（3）仿真：分为功能仿真（Functional)和时延(Timing)仿真：编译成功的设计并不一定完全正确，可通过仿真来验证电路是否达到设计要求，基本思路是首先用波形编辑器编辑仿真文件，给输入加载不同的激励信号，然后运行仿真器，产生对应的输出，根据输入和输出的关系，以此判别设计的正确性。
（4）器件编程：器件编程就是将熔丝图文件或位流数据文件下载到相应的CPLD或FPGA器件中。
（5）系统硬件电路测试
图2CPLD设计流程
4.3 设计软件的使用
对CPLD的设计可使用ALTERA公司的MAX－PLUSⅡ或Quartus Ⅱ,设计的主要步骤为：
（1）创建或打开一个工程。
（2）原理图输入方式：新建一个图形文件，输入符号（代表子模块或元件、输入输出引脚），连线，存盘。如图4所示为采用两片74190级联的两位十进制计数器电路，文件名为Z74190.gdf。
（3）文本输入方式：新建一个文本文件，输入HDL语言编写的电路，存盘。
（4）选择芯片为CPLD实验电路板选用的EPM7128SLC84器件，分配引脚。
（5）波形仿真，首先新建空白的波形文件，导入本设计电路的输入输出节点，给输入节点按照需要指定时钟信号和高低电平，开始仿真，得到结果，再分析结果。如图5为Z74190.gdf的仿真文件波形。
（6）CPLD程序的下载：我们采用的是并口下载电缆ByteBlaster，它可以对MAX7000S系列进行在线编程。该下载电缆具有以下几个部分：与PC机并行口相连的25针插座头、与PCB板插座相连的10针插头。其示意图如3所示。
图 3 并行电缆下载示意图
设计举例：图 4和图 5分别是用原理图方式设计的2位十进制计数器的原理图和软件仿真波形图。
图4两位十进制计数器电路图 图11－5 两位十进制计数器电路仿真波形图
4.4 CPLD实验电路板原理和虚拟逻辑分析仪使用
实验电路板的组成和虚拟逻辑分析仪的使用在本实验指导书的“实验四 逻辑分析仪的原理和应用”中已作了说明，请读者参考。图6 为CPLD板的详细电路图。CPLD与62芯插座定义表见表1和CPLD可供用户自定义的引脚见表2。
使用CPLD板的1.000MHz的晶振时钟，需放置CPLD板上S1短路块位置在右面。
表1 CPLD和62芯插座连线引脚定义
引脚名称 CPLD
芯片引脚
62芯插座引脚
说明
引脚名称
CPLD对应脚
62芯插座引脚
说明
DO0
P40
16
连接逻辑分析仪的24个输入通道
DO24
P63
28
系统保留
DO1
P36
48
DO25
P76
60
DO2
P41
17
DO26
P64
29
DO3
P44
49
DO27
P75
61
DO4
P45
18
DO28
P68
30
DO5
P46
50
VCC
P3,P13,
P26,P3
P43,P5,
P66,P78
31,62
+5V电源
DO6
P48
19
DO7
P49
51
DO8
P50
20
DO9
P51
52
GND
P1,P7,
P19,P32,
P42,P47,
P59,P72,
P82,P84
13,44
电源地
DO10
P55
21
DO11
P52
53
DO12
P54
22
DO13
P65
54
DO14
P57
23
CPLD时钟源
sourceCLK
P83
45
由S1短路
选择接
CPLD-CLK1
DO15
P67
55
DO16
P56
24
DO17
P69
56
DO18
P58
25
outsideclk
P39
15
选择接(P83)
DO19
P70
57
allCLR
P35
47
系统总清零
DO20
P61
26
outside_tri
P37
14
外部触发
DO21
P73
58
DO22
P60
27
DO23
P74
59
表2用户可用的CPLD自定义I/O引脚
P4 P5
P6
P8
P9
P10
P11
P15
P16
P17
P18
P20
P21
P22
P24
P25
P27
P28
P29
P30
P31
P77
P79
P80
P81
图6 CPLD实验板电路原理图
五、设计指导：
设计和调试的过程是：①任务分析，层次分解，得到顶层设计框图，大致确定每个子模快（子电路）的功能、输入和输出；②子模快电路设计和软件仿真；③完成顶层电路设计，顶层仿真；④分配引脚，下载，连线和调试。
软件仿真注意尽量给定符合实际电路工作的输入电平、时钟，仿真最小间隔不小于20ns，仿真时间长短适中。
5.1 设计任务分析
根据设计任务，可分为两大部分：多位计数器电路和计数结果动态显示电路。根据CPLD电路的层次化设计功能，设计出如图7所示的顶层设计框图。
6位十进制的计数器对输入的脉冲计数，有加减计数控制和清零计数值控制，输出6位十进制计数值，每位都用4位BCD码表示，共有24根线。
根据动态扫描显示的需要，必须设计一个6位BCD选1的多路数据选择器，输出的一位BCD码（4根线）送给BCD－七段译码器译成段信号，从CPLD输出给数码管的7段。同时多路数据选择器的控制选通信号需要3根，必须与6位数码管的位选信号同步。
位选信号来自电路板的时钟（1MHz）分频，在用译码器译码（每次只能选中一个数码管）。要保证多位显示均匀和不闪烁，请计算和设计分频的频
电路的设计均有原理图设计和HDL语言文本设计两种方法，根据电路的特点和各人的情况，自己选用。
对每个子模快进行软件仿真，先创建波形文件，设定时间间隔和解释时间，编辑输入波形，运行仿真，分析结果是否正确。若不正确，则修改设计，重新编译后，再仿真，直到正确为止。
（1）6位十进制的计数器子模块设计：
没有现成电路可用，所以必须自己设计。
为什么不选用二进制计数器？（从显示要求、二进制转换为BCD电路的难易等考虑）
设计方法一：选用6个1位的可逆带清零十进制计数器级联得到。注意进位/借位信号的时序。
设计方法二：使用HDL语言编程，注意同时满足十进制、加、减的进位和借位。
（2）6位BCD选1的多路数据选择器设计：
没有现成电路可用，所以必须自己设计。
可选用多个数据选择器来组合。要求控制选通信号需要3根，按000－001－010－011－100－101变化，只有6个状态。
（3）BCD－七段译码器设计：
有现成电路选用，注意共阴和共阳数码管的区别。
位选信号产生
①位选译码：每次选中一个，可选用什么译码器？注意位选电平是高电平有效还是低电平有效。
②位选控制：要求为6个状态，设计电路可采用状态机的方法，但仔细分析6个状态之间的关系后，可得出符合_________的计数器。
设计方法：语言和图形均可。
分频电路：位选信号来自电路板的时钟（1MHz）分频，要保证多位显示均匀和不闪烁，先计算分频电路要求的输出频率，在设计分频电路。可使用计数器分频。
5.3分配引脚和编译、下载
引脚分配要满足CPLD电路板上已有的连线情况，把主要的输入信号和重要的中间结果同时分配给逻辑分析仪的输入通道A0~A23，可以利用逻辑分析仪进行测试，观察到电路实际的内部工作时序。每次分配引脚后，需重新编译后，再下载。
六、调试和测试结果
6.1实验硬件连接
根据各人设计的计数器电路和分配的引脚连线，计数器输入控制信号连接开关和按键，计数脉冲信号连接到函数发生器的TTL(CMOS)输出端。计数器的输出位选分别连接6个数码管的为选端L1～L6注意，左边的数码管为低位，7段信号分别连接。
6.2调试和测试
按照以下顺序对计数器电路进行测试，如不正确，请按下面步骤检查：连线——引脚分配——CPLD电路设计。改正错误，再测试，若是CPLD电路错误，需重新编译和重新下载。
①检查动态扫描电路
数码管7段信号全部直接接地，位选分别连接CPLD输出位信号，这时，6个数码管应该稳定显示“888888”。
②检查加法计数器是否正确
连接数码管7段信号到CPLD指定输出引脚，位选分别连接CPLD输出位信号，选计数器输入连接函数发生器的TTL电平信号输出端，设置函数发生器为方波，频率为1～2Hz，加/减控制信号输入“加”有效，观察数码管的显示，应是加1计数，更新频率即为输入信号频率。提高输入信号频率，使计数更新快，检查计数器进位和高位计数是否正确。
③检查减法计数器是否正确
加/减控制信号输入“减”有效，测试方法同上。
④检查“清零”控制是否正确。
主要研究内容：高压静止无功补偿成套装置是应用在电力系统中，可以根据负载变化随时调节补偿无功的自动化装置。根据补偿方法可分为调容式、调感式与静止无功发生器（SVG）方式，其中调容与调感方式属无源方式，SVG属有源方式。目前市场上出现的多为无源方式，其中调容方式正逐步成为主要的补偿方式。其主要原因在于调容方式占地面积小、成本低，且更换电力电子器件后对系统无突变过程。调感方式是采用电抗器与晶闸管作为支路，通过调节晶闸管的导通角度来达到调节无功补偿的目的，而一般场合系统需要补偿容性无功电流，因此调感方式需要匹配足够容量的大电容，通过改变电感电流达到调节电容的目的。此外，调节电感的导通角势必产生电流谐波，需要有滤波装置相配合；通常调感方式多用于补偿超高压系统的对地杂散电容，以避免末端电压升高问题。调容与调感属于应用不同场合两类产品，调容方式更适用于面向于负荷侧，而调感方式主要面向与大系统的电能传输。SVG是未来新一代的无功补偿装置，它既可以补偿感性电流，也可补偿容性电流，是当前无功补偿方式的替代产品，它的市场在未来。市场是一个企业的生命，若没有市场为依托，再先进的产品同样等于零，因此开发新产品必须要有市场认可为保障。市场的概念又非常广泛，同时存在针对性问题，即针对哪部分市场。企业涉足一个新领域需要一个被认可的过程，而这个过程最好从有市场需求且已经被市场认可的产品出发。根据目前国内无功补偿市场的发展情况，高压静止无功补偿系统产品开发。次序应该如下：采用真空开关投切电容器组（MSC）采用晶闸管串开关投切电容器组（TSC）采用晶闸管串开关投切电抗器（TCR）静止无功发生器（SVG）成套装置以上产品均用于35kV及以下高压电力系统之中。上述次序不仅根据市场状况分序，同时也从开发周期与工厂的实际情况出发，工厂不会出现投资开发过大或因为开发而暂时无法涉足市场问题。
上述几个产品不存在原理实现问题，但存在实际产品化问题。产品的目的是要用户接受，这就需要用户的信息，避免闭门造车。而用户对现有产品的评价是开发过程中主要解决的问题，这可能会造成开发控制系统功能强大、系统庞大。因此，建立一个大系统，并避免系统的瓶颈受限于将来对功能的需求是产品化要考虑的首要问题，这也是产品化的目标
市场可行性分析：
近年来，随着我国电力装机容量速度递增，供电紧张的局面大为缓解。但是伴随着供电量增加的同时，电网建设的速度明显滞后，网络损耗问题日益突出。近几年来，国家电力公司和各省市电力部门都开始重视这一问题。大家已普遍重视到降低网损是供电部门减小供电成本的重要突破口，也是今后增加供电量的重要手段。据估计，通过降损来提高供电量，成本仅为兴建电厂成本的1/4～1/5，是非常可行的。在工程实践中，以下几种降损措施得到了重视：①改造电网结构，提高电压等级和增加变电站所，合理分配有功与无功；②更换高能耗变压器，采用新型节能变压器；③加大导线截面积，缩短供电半径；④采用无功功率补偿装置。第一种改造措施是基于对配电网长远发展考虑的好办法，它合理地改造不尽完善的供电网，可以提供10年以上电网高效、稳定的运行环境。但是由于工程投资巨大，投资回收期长，大多数地区在目前都难以开展此项工作。同样，第二、三种措施投资亦甚是可观，只有那些资金比较充足的地区可以考虑，而第四种措施投资最少。我国供电网长期以来由无功补偿匮乏而造成的网损甚为可观，这样不但造成线损大、电压波动大，而且直接影响输电容量，有电也送不过去。通过无功补偿来降低网损和提高电压是一种投资少、回报高的方案，同其它几种措施相比更适用于在全国范围内推广。电力系统中无功补偿装置具有重要地位，是变电站的必须装置，其对于降低网损、提高供电容量、提高电压质量具有决定性作用。电力系统每年大量兴建和改建各种变电站，所以无功补偿的市场容量是巨大的，据统计，近些年全国每年无功补偿装置安装容量平均在6000万千乏左右，而且每年仍以10%的容量递增。2000年全国电力系统无功补偿装置总容量在20000万千乏左右，其中电容器投切无功补偿装置的容量占总容量的85%（用电企业占40%，电力企业占45%）。可见，目前市场上绝大多数无功补偿装置仍是电容器投切方式。无功补偿装置的市场虽然很大，但是受到用户购买力、观念和重视程度等影响，在现阶段多数用户还是会首选价格低廉、维护简单的电容器投切方式。但是随着新型无功补偿装置技术的逐渐成熟、高功率电力电子器件可靠性的提高和成本的降低，不会用很长时间，TSC、TCR甚至SVG很快会占据无功补偿市场。从目前的市场来看，真空开关投切电容器组（MSC）成套装置属于成熟技术产品，而晶闸管投切电容器组（TSC）和晶闸管投切电抗器（TCR）两种产品已经开始进入市场，正在逐步被用户采纳和接受，但是静止无功发生器（SVG）成套装置属于世界各国正在着重研究与开发的新一代无功补偿产品，是所有无功补偿产品中的“贵族化商品”，目前在世界各国成功并网运行的只有很少几套。同时必须看到，作为高压无功自动补偿领域而言，静止无功发生器（SVG）成套装置是这一技术的最先进、最完善形式，也是企业能够主导无功补偿市场的核心产品。从技术角度上讲，低电压的SVC装置目前已经在国内实用化；从高电压领域上讲，开发该装置主要是解决好高压开关串（晶闸管串）均压、过电压保护、运行监控以及其控制模块防电晕与局部放电等几个问题。上述问题在高电压领域均属常规问题，解决的手段较多。可见，目前开发高电压静止无功补偿（SVC）装置是可行的，也是必要的。该产品可应用于35kV及以下电网的静止无功补偿，通过对电网中采样的电压、电流进行实时数字信号处理，得出所需补偿的无功量大小，确定投切支路。产品与技术的主要特点：①采用美国德州仪器（TI）公司TMS320C3x系列DSP芯片，运算速度快；②可以实现开关零电流投切，无开关涌流；③无功补偿响应速度快，TSC与TCR装置小于20ms；④优良的电磁兼容性能，抗强电磁干扰；⑤提供方便灵活远程通讯接口。
2、晶闸管投切电容器（TSC）成套装置
主要研究内容：
晶闸管投切电容器（TSC）型无功补偿装置利用大功率晶闸管通流容量大、开关频率高的特点，可以广泛用于频繁连续动作，实时跟踪调整无功功率的场合。TSC补偿装置开关无触点，因而寿命远高于真空开关投切方案，由于作为高压无功补偿，晶闸管需多级串联，所以高压晶闸管的串联与保护均压技术、电容器的过零投切技术等使得该方案技术含量及复杂性要远高于电容器真空开关投切（MSC）型无功补偿装置。晶闸管投切电容器（TSC）型无功补偿装置是灵活输电(FACTS)的一个重要发展方向。TSC设备具有可以根据系统情况调整功率因数，补偿快速变化的感性功率，其响应时间可以小于20ms，电容在投切时不产生涌流与过电压问题，补偿调整可以在1/4个周波内完成，可以实现每相独立补偿，故不存在三相系统不平衡问题。电容器的容量以二进制形式设置，因而调整的范围大，可提供遥控功能以实现系统的自动化，此外，装置具有自身器件诊断功能，设备采用光纤隔离信号传输，故使用安全。高压TSC装置的工作原理如下图所示。图中采样系统通过电压、电流互感器将系统的电压、电流信号数字化后送至控制系统；控制系统根据采样信号计算出所需补偿的无功，并依据二进制编码规则确定投切电容器的支路，然后发出相应的触发有效信号，此外，控制系统还可以监测整个TSC装置的运行状况；触发信号产生在系统相电压负峰值时刻，在控制系统发出有效信号时，触发信号才送至光纤传输系统；在TSC装置中采用光纤传输触发信号可以有效地将装置的高压部分与低压控制部分分隔开，避免高压侧对低压控制部分的干扰，有效地保护低压回路；开关侧触发回路可以将光纤传输过来的触发脉冲信号经光电转换后转换为电信号，经过变换，发出晶闸管开关所需的触发脉冲，使补偿电容器投入运行。开关串为一系列晶闸管/整流管相串联，整流管在系统电压du/dt<0时给电容器充电，这样晶闸管可以实现零电压触发，使得整个投切过程无过电压与涌流产生。
主要技术指标：
额定电压：35kV,10kV,6kV；
额定容量：300kvar～30000kvar；
额定频率：50Hz/60Hz；
控制方式：过零触发；
工作方式：具有手动补偿和自动补偿两种工作方式。
响应速度：≤0.02s
电容器组：100～900kvar/每支路
保护：过流，过电压，开关故障保护，越限报警和保护闭锁功能。
测量系统：数字信号测量系统（DSP），一个周波（20ms）内能对电网的各项参数进行测量。
通信接口：RS-232/RS-485通讯接口，电网数据可储存三个月以上。
显示：中文界面，汉字提示，实时显示电网的主要参数，有背光显示功能。
应用领域：
用于高压和低压配电系统电容器补偿装置的自动调节，提高电网功率因数。
3、静止无功发生器（SVG）成套装置
主要研究内容：
静止无功发生器（StaticVarGenerator）装置作为无功补偿系统的最先进形式，在欧洲被称为ASVC（AdvanceStaticVarCompensator）。SVG实际上是一个由电力电子高功率器件组成的阀阵列，作为逆变器，将直流侧电压转换为交流侧电压，与系统并列运行，其结构原理如下图所示。在实际SVG装置时会遇到以下问题：1）如何减小输出无功电流中的谐波成分；2）如何扩大SVG装置的容量以符合系统的要求；3）如何增加输出电压，以便SVG装置接入更高电压等级的系统。如果解决上述问题，可以考虑以下措施：1）采用串联或并联GTO（或IGBT），以提高容量和电压；2）采用多组逆变器串联的多重化结构，提高容量和电压，减少输出电压和电流中的谐波；3）采用适当的PWM技术，以减少谐波成分。在实际大容量的SVG制造上，这几项措施可同时采用；较小容量的SVG可能采用简单一些的结构。除了小容量的模型化SVG装置以外，多重化技术是必须采用的。在多重化技术中，利用几个单相或三相逆变器产生相位相差若干角度的方波电压，然后用变压器将此不同相位的方波电压串联在一起，所形成的结果电压呈阶梯状，更接近于正弦，所以输出电压含更少的谐波成分。实用的多重化方案如下图所示，其中变压器的一次侧是串联的，其电压是各二次侧电压之和，但是各变压器二次侧电压的相位、变压比不尽相同，各方波电压的宽度也可能不同，因此一次侧串联后形成的阶梯波可能是不等阶的。
SVG装置采用多重化的目的是使输出电压和电流接近正弦波，在SVG的结构化设计时，应以总谐波畸变率最小作为控制目标函数，求适当的脉宽、相位和幅值组合。此外，GTO和其他开关器件串联使用时，要求同一桥臂上各器件动作一致。这就要求各元件开关特性充分一致，但是考虑到GTO的频率不能过高，各GTO元件在开通和关断时参数不可能完全相同，则可以采用较低的脉宽调制频率实现多重化设计，以减少总谐波畸变率，同时提高SVG容量。
该补偿装置可以实现：在稳定状态下，维持系统电压不变，或按要求调压；在稳定状态下，维持系统某处的无功功率最小，或按经济性等要求调节无功量；在动态或暂态时，按系统稳定性要求调节无功量以提高稳定极限或抑制振荡。
产品关键技术：
高压静止无功补偿成套系统装置可以根据系统情况调整功率因数，补偿快速变化的感性功率；电容在投切时不产生涌流与过电压问题；可以实现每相独立补偿，故不存在三相系统不平衡问题；电容器的容量以二进制形式设置，因而调整的范围大。此外，装置具有自身器件诊断功能，设备采用光纤隔离信号传输，故使用安全。产品的关键技术有：①控制系统能够对系统电压、电流检测，经计算确定投切支路；能够准确发出触发控制信号；可以提供一个远程控制标准通讯接口；可以实现装置开关串的故障自诊断功能；控制系统必须运行可靠。②晶闸管开关串过电压与过电流保护采取措施进行静态均压保护；消除雷电过电压与开关串的局部放电；晶闸管开关串的动态均压技术，抑制晶闸管开关时过高的电压与电流上升率；合理设计晶闸管/整流管模块与开关侧触发电路实际安装结构；开关串高压部分的防电晕设计，需要对高压部分作具体的数值分析，计算出合理的可加工结构参数；高压部分绝缘材料应具有良好的沿面放电特性。③自诊断监测方法：装置由串级变压器铁芯可以采样电压，并监测这一电压的变化情况，因而可以对晶闸管开关串故障及时报警，以避免故障的进一步扩大；装置可以监测开关串支路退出运行时的泄露电流。此外，为了降低制造成本也可以采用经降压变压器在低压侧补偿方式或利用变压器作为开关的方式（即在低压侧利用晶闸管使变压器开路与短路），但这些方法都会使得系统的稳定性降低且过渡过程精确分析困难。可见，高压静止无功补偿成套系统装置是将高电压、电力电子与计算机控制技术相结合的产物，因而属高技术产品，是今后我国无功补偿设备发展的一个重要方向。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，可以预测，在一定时期内其市场必将一直迅速而稳定地增长，占据静止无功补偿装置的主导地位。尤其是应用在电压等级较高的电力系统中，对提高系统的稳定性、运行安全性、提高输电效率等方面更有着重要的现实意义。因此，开发高压无功补偿装置产品不仅可以带来相当可观的经济效益，而且对我国电力工业的进一步发展有着积极的促进作用。
4、电力有源滤波器（APF）成套装置
主要研究内容：�
随着近年来电力电子设备的广泛应用（如家用电器、调速电机、电气化铁道、开关型电力负载等），就会在电力系统中产生大量的谐波分量，这些谐波分量会造成系统电流波形发生严重的畸变，从而使得供电质量下降、用电设备运行的可靠性降低。因此，改善电力系统的供电质量是今后电力供电部门发展的一个重要方向。电力滤波可分为有源方式与无源方式。无源方式通常采用调谐方式，但无源方式常常需要考虑过载问题，此外无源滤波方式的设计需要考虑负载的特性。有源滤波的原理是采用电力电子器件产生一个与系统中的谐波成分相位相反的同样的谐波分量注入系统，从而抵消系统中的谐波成分，达到补偿非线性负载的目的。电力有源滤波（ActivePowerFilter－APF）装置能够对变化的谐波及无功进行快速的动态跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而是替代传统无源滤波装置的现代新型电力设备。与无源滤波补偿装置相比，其具有以下突出优点：（1）不仅能抑制各次谐波，还可以抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较合理；（2）滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；（3）实现调节与控制自动化，替代传统的机械调控与 *** 作手段。可见，有源滤波装置具有巨大的技术与性能优势，随着电力电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，有源滤波补偿装置必然会得到越来越广泛的使用。近几年随着我国城网改造的逐步深入，电力系统的改造产品逐步从降低线损、安全供电、在线监测以及线路、输变电站、发电自动化方面等预计将转向改善供电质量方面。改善电力系统的供电质量不仅可以提高系统的安全运行、降低损耗，也可以改善用电设备的工作条件、增加用电设备的使用寿命等。因而改善电力系统的供电质量将成为今后我国电力工业发展的一个重要内容。与传统的无功补偿及L-C串联支路滤波方式相比较，电力有源滤波成套装置具有自动化程度高、投入或退出运行时对系统的影响小、补偿与滤波效果好、反应时间短、占地少、使用安装方便等优点，是今后电力滤波的发展方向。由于电力有源滤波成套装置具有提供纯净电源、消除谐波发生源以及滤除系统中谐波成份等作用，因此它的应用领域十分广阔，如各大工厂、公司、输变电所、研究所、学校、机关部门、居民小区、电气化铁路变电站、地铁等。此外，电力有源滤波成套装置属高新技术产品。因此，具有自动化程度高的电力有源滤波装置将是今后滤波设备发展的方向，开发电力有源滤波成套装置将有可观的经济效益与社会效益。
市场前景分析：
二十一世纪中国电网面临着全面的改造和升级，国家每年将对其投入近千亿资金。而柔性交流输电控制系统（FACTS）作为其中最关键的技术，其投资比例将至少不低于10%，该产品已被列为“九五”国家级重点产品之一、国家经贸委三大节能重点产品之一、国家电力公司确认的二十一世纪电力革命性前沿技术。作为柔性交流输电系统重要组成部分的电力有源滤波成套装置，其核心技术的先进性，在性价比上具有国外同类产品无可比拟的优势，该产品市场空间巨大，行业门槛极高，可以预见，投资者既可从该产品本身获得稳定的超额利润，同时由于该产品的市场概念极佳，也可通过资本运作，从资本市场上获得高额资本利得收入。我国现有许多企业的电网需增设滤波补偿装置，广阔的地域，较长的电气化铁道变电站也有不少需增设滤波装置，但由于经济能力及落后的意识等原因，尚未实施，不少企业宁可月月罚款，也不采取措施，仅很少数量有电网治理设备，大多还需进行治理，目前情况是积债甚多。随着改革的深入，企业追求经济效益愿望的提高，法制和环保意识的加强，电力有源滤波装置在今后十年左右的时间内会有较广阔的市场。在企业电网和公共电网上配置有源滤波装置能净化电网，提高供电质量，对保证企业和社会的正常用电十分重要，我国早已公布了有关标准，并对严重的电网污染用户处以罚款。电力有源滤波补偿装置的推广使用，将使我国广大电网品质得以改善，实现“绿色供电”造福整个社会，具有广泛的社会效益。
近几年随着电力系统实施“厂网分开”，电厂“竞价上网”这就要求厂家（电厂）、供应商（电网，即供电公司）采用电力有源滤波及无功补偿装置，实现节能降耗，提高供电质量。我国城网改造的逐步深入，电力系统的改造产品逐步从降低线损、安全供电、在线监测以及线路、输变电站、发电自动化方面等预计将转向改善供电质量方面。改善电力系统的供电质量不仅可以提高系统的安全运行、降低损耗，也可以改善用电设备的工作条件、增加用电设备的使用寿命等。因而改善电力系统的供电质量将成为今后我国电力工业发展的一个重要内容。作为电力系统，随着补偿容量的需求增高，采用以电力电子高功率器件为基础的电力有源滤波与无功补偿装置要比传统的采用电容的无功补偿装置的材料成本要低。与传统的L-C串联支路滤波方式相比较，电力自动化有源滤波装置具有自动化程度高、投入或退出运行时对系统的影响小、补偿与滤波效果好、响应时间短、占地少、使用安装方便等优点，是今后电力补偿与滤波的发展方向。由于电力有源滤波装置具有提供纯净电源、消除谐波发生源以及滤除系统中谐波成份等作用，因此它的应用领域十分广阔，如各大工厂、公司、输变电所、研究所、学校、机关部门、居民小区、电气化铁路变电站、地铁等。此外，电力有源自动化波装置属高新技术产品，因此开发生产电力有源自动化无功补偿及滤波装置将有可观的经济效益。该装置可应用于35kV及以下电网中，滤除电网中有害的谐波，避免谐波对高压电力产品的破坏，延长高压电器的使用寿命，净化电网，抑制电网谐波“污染”；同时可以补偿电网中的无功，以节约能源。随着电力电子工业的发展，器件的性价比不断提高，该产品必然会在电气化铁路、冶金、矿山、油田等高用电负荷、高谐波污染的工业领域得到广泛的使用。此外，该产品从技术上也完全可以应用于380/220V低压电网，提高城乡电网的供电质量。
原理结构：
高压有源滤波成套装置由滤波APF控制器、多个模块化滤波单元以及冷却系统、保护装置等一些附属设备组成，原理结构如下图所示。APF控制器负责根据采集到的谐波电流、系统电压计算需补偿谐波电流，随后传至各个滤波单元，各滤波单元根据各自分配的滤波容量，调制出补偿电流，经由变压器高压边逐级串连接入高压，将产生的补偿电流注入电网，实现有源滤波。图中所示的控制电路硬件结构原理以DSP（数字信号处理器）芯片为核心，所用的DSP芯片为美国德州仪器公司的TMS320VC33，其指令周期为10ns，该处理器具有便于数字信号处理的特殊指令系统，保证了控制电路工作的实时性。该成套装置在布置方案上，可以分为主控制柜（包括控制器、手动 *** 纵部分、电源）、隔离开关柜（包括避雷器等保护装置系统）、滤波单元柜（每个滤波单元柜包括IGBT模块、直流电容器、平波电感、中频变压器）。装置参照标准为GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》；结构设计执行GB3906-91《3-35kV交流金属封闭开关设备》标准。
产品关键技术：�
该装置核心部分为滤波装置中央控制器与各滤波单元控制器硬件平台，该硬件平台应具有便于控制模块化、主回路单元化的特点。由高速DSP芯片来完成滤波算法，而由通用P89C51芯片完成键盘、显示与上位机通讯功能。滤波补偿电流检测算法的软件实现是整个控制器的核心之一，其原理框图如图所示，软件程序编制采用TI公司为其DSP系列产品提供的开发软件平台CodeComposerTM实现。具体编程可以采用C与汇编混合编程的方法实现。正是由于采用了专门的浮点DSP芯片，才能实现滤波补偿电流的实时计算，计算所得的补偿电流经串行编码后，由光纤通讯下传至各滤波单元控制器中，用于进行电流跟踪比较，输出各滤波单元的补偿电流。主电路直流电容充电电压的控制也是保证滤波装置正常工作的关键技术，作为滤波成套装置在补偿谐波电流的同时，要求在直流电容充电的过程中不能产生新的谐波，因此需要对充电电流加以控制。这样在控制各滤波单元回路时，同时采集直流电容端电压U+、U-，将充电电流正弦化的控制加入IGBT开关的控制中。该产品主要具有完善的滤波主控制器与滤波单元控制器设计，滤波主控制器与滤波单元控制器经由光纤连接，完全无电气上的联系，故抗电磁干扰能力强；此外，该装置既可以补偿谐波电流，也可以兼有无功补偿的功能；同时可以提供电压、电流、有功、无功等电参数，以及投切记录、故障记录等信息。产品其余技术主要参照相关国家标准完成。
主要技术指标：�
额定电压：≤35kV�
额定容量：≤30MVA�
滤波效果：符合GB/T14549-93�
滤波次数：19次�
触发方式：光电触发�
PWM电源：0～500V可调�
工作方式：手动、自动两种方式。�
冷却：水冷/风冷�
响应速度：0.02s�
环境温度：-40℃～+55℃�
海拔高度：<1000m�
保护：过流，速断，过电压，谐波超限�
应用环境：户内（特殊要求可户外）�
应用领域：
电力有源滤波及无功补偿装置具有3个主要功能：吸收电网谐波，改善功率因数，抑制电压波动。主要用于电力系统变电站的滤波及无功补偿，可以根据负荷进行自动投切。此外还可以广泛应用于电弧炉，轧钢机，提升机等冲击性负荷及机场、地铁、钻井平台、体育场、港口、程控交换机站、写字楼、住宅小区等对电能要求高的场所。
5、新型消弧线圈自动调谐控制器及装置
主要研究内容：
产品主要用于城乡6kV～35kV中压配电网中，补偿单相接地故障时电网的电容电流，使接地点的残流减小，故障相接地电弧的恢复电压上升速度降低，使电弧自行熄灭，从而提高配电网的供电可靠性。产品特点：①采用中性点外加信号法（变频法）实时测量线路对地电容，测量精度高、速度快；②晶闸管调容式补偿方式，调谐过程无火花，属无触点投切；③具有自动选线功能。此外，可以提供有源型单相接地故障自动跟踪补偿装置，该装置可以替代消弧线圈自动调谐装置，其原理是利用检测的容性电流信号，采用高功率电力电子模块，准确制造一个感性电流分量注入系统，实现完全连续跟踪补偿，属于国内领先的技术方案。目前我国6～35kV配电网，绝大部分采用中性点不接地的方式运行，随着配电网的扩大，电缆线路增多，配电网对地的电容电流不断增加，致使单相接地时由于接地电弧不能自灭而发展的相间短路的几率增高；同时,电容电流比较大时易发生谐振过电压现象，使配电网的安全运行得不到保证。为了从根本上采取有效措施，确保配电网的安全供电，采用自动调谐的消弧线圈接地补偿系统，能有效抑制弧光过电压的幅值和谐振过电压的产生，大大减少单相接地引起相间故障而跳闸的停电事故。在我国，当单相接地电容电流大于规程规定值时，大多采用消弧线圈接地补偿方式，利用消弧线圈的电感电流补偿配电网的电容电流，使接地点的残流减小，故障相接地电弧的恢复电压上升速度降低，以致电弧能够自行熄灭，从而提高配电网的供电可靠性。但是目前采用的消弧线圈大部分是手动调匝式的，在实际运用中，因存在调节不方便，运行人员判断调节有困难，脱谐度无法控制等问题，会影响电网的安全运行。因此，为了保证消弧线圈运行在最佳状态，本产品设计出消弧线圈自动调整系统。它能跟踪运行方式的变化及系统电容电流的变化，自动调节消弧线圈电感值，使消弧线圈始终补偿在既能熄灭电弧又不产生谐振过电压的最佳状态，实现6kV～35kV系统的自动跟踪补偿。系统组成：本产品的新型消弧线圈自动调谐控制器及装置可实现6～35kV系统的对地电容电流自动跟踪补偿。消弧线圈自动调谐接地补偿装置主要由四部分组成：①接地变压器SJD，一次线圈采用Z型连接，高压中性点引出接消弧线圈；②消弧线圈XD，副线
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