基于諧波的無功功率補(bǔ)償控制器研制探索

苗華

摘 要：?針對電網(wǎng)中諧波含量大及功率因素低的質(zhì)量問題，設(shè)計了一種新的無功功率補(bǔ)償控制器裝置——TCR（晶閘管控制電抗器）+TS-HPF（晶閘管投切濾波器）混合型的無功補(bǔ)償裝置，控制器的主控芯片采用TMS320F2807，并配合使用高精度電能計量芯片ATT7022B，實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償和諧波抑制。

關(guān)鍵詞：?諧波; 無功功率補(bǔ)償; 控制器

中圖分類號： TG 409

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research and Development of Reactive Power Compensation

Controller Based on Harmonics

MIAO Hua

（Department of Mechanical and Electrical Engineering， Yulin Vocational And Technical College，? Yulin， Shanxi? 719000， China）

Abstract：

In view of the harmonic content and low power factor of power quality problems， this paper designs a new device， which consists of the reactive power compensation controller （thyristor controlled reactor） and TS-HPF （thyristor cast slice filter） hybrid reactive power compensation device. The controller uses TMS320F2807 master control chip， and is supported by high precision electric energy measurement chip ATT7022B to realize reactive power compensation and harmonic suppression.

Key words：

harmonic wave; reactive power compensation; controller

0 引言

近年來，在電力系統(tǒng)中，整流器、電弧爐等非線性負(fù)載的大量使用，導(dǎo)致諧波電流和無功功率流入電網(wǎng)，造成系統(tǒng)電壓、電流波形畸變，嚴(yán)重影響影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，影響電能質(zhì)量提高和節(jié)能降耗等[1-2]。因此，研發(fā)諧波抑制和無功功率補(bǔ)償技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。

無功功率補(bǔ)償方式種類極多，其中以晶閘管控制電抗器（TCR）組成的SVC（靜止武功補(bǔ)償器）是目前主要方式之一[3]。但基于TCR的控制器會產(chǎn)生地次級諧波，且補(bǔ)償相應(yīng)速度受晶閘管門控電路固有延時限制。以IGBT、GTO、IGCT為控制對象的控制器是新一代的無功功率補(bǔ)償裝置[4]，這種裝置屬于有源補(bǔ)償，響應(yīng)速度快、可調(diào)范圍廣，且輸出諧波特性較好。但這種補(bǔ)償裝置多個直流側(cè)的不均衡會造成波形畸變，系統(tǒng)不穩(wěn)定等?；诖耍芯啃滦蜔o功功率補(bǔ)償控制器，在不造成波形畸變基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)諧波抑制，至關(guān)重要。本文提出了一種新的無功功率補(bǔ)償控制器裝置，實(shí)現(xiàn)電路的無功功率補(bǔ)償和諧波抑制。

1 新型無功功率補(bǔ)償控制器工作原理

本新型無功功率補(bǔ)償控制器采用TCR（晶閘管控制電抗器）+TS-HPF（晶閘管投切濾波器）混合的無功補(bǔ)償裝置。新型無功功率補(bǔ)償控制器結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。TCR采取支路控制三角形聯(lián)結(jié)[5]，相對于傳統(tǒng)的星性聯(lián)結(jié)，注入電網(wǎng)線電流諧波含量少，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)無功調(diào)節(jié)，且可以實(shí)現(xiàn)分相控制。TS-HPF有6組成的分組投切濾波器組成，實(shí)現(xiàn)諧波抑制和分級無功無償。FC是由濾波電抗器和電力電容器組成濾波裝置，主要作用是補(bǔ)償無功功率和濾出諧波。

（1）無功功率補(bǔ)償

無功功率補(bǔ)償器中SVC的輸出無功是

QZ=QC1+…+QC6-QR，其中TS-HPF的輸出無功QC1+…+QC6為恒定值。當(dāng)負(fù)荷無功功率發(fā)生改變是，調(diào)節(jié)TCR的輸出無功功率，可使系統(tǒng)供給的無功功率近似為常數(shù)。

（2）協(xié)調(diào)控制

新型無功功率補(bǔ)償控制器由1個TCR和6組TS-HPF組成，濾波器逐級補(bǔ)償無功，TCR連續(xù)補(bǔ)償級間無功，兩者需協(xié)調(diào)工作。協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)由控制器完成，通過檢測系統(tǒng)負(fù)荷的無功需求和TCR的當(dāng)前無功輸出狀態(tài)，確定濾波器組的投入與切除。譬如當(dāng)負(fù)荷無功增加到TCR容性輸出極限，投入一組濾波器;當(dāng)負(fù)荷無功減少到使TCR感性輸出極限，及時切除一組濾波器。

2 新型無功功率補(bǔ)償控制器硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)以DSP作為控制核心，通過電壓傳感器和電流傳感器采集電網(wǎng)信號進(jìn)行分析。包括電網(wǎng)參數(shù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、晶閘管驅(qū)動模塊、TS-HPF分組濾波器模塊、保護(hù)電路模塊?？刂坪诵臑镈SPTMS320F28027，采用了先進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)和最新的架構(gòu)技術(shù)。此外還配合高精度電能計量芯片ATT7022B進(jìn)行信號處理。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

交流信號采集分為硬件同步采集、軟件同步采集和異步采集。本方案采用硬件同步采集方式，對電壓電流采用互感器測量方式，將芯片與電網(wǎng)隔離，從而使控制器獲得良好的抗干擾性能?；ジ衅髁鞒鲂盘柦?jīng)信號調(diào)理電路送入ATT7022B模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ATT7022B芯片在1000：1范圍內(nèi)無功測量滿足2級，測量精度由于0.5%。此外該芯片測量數(shù)據(jù)齊全，支持純軟件校正，可以極大降低軟件開發(fā)周期。

2.3 晶閘管出發(fā)電路

晶閘管觸發(fā)電路采用TMS320F28027的主芯片控制核心TMS320F28027[6]。既可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)控制需求，還能滿足系統(tǒng)實(shí)時性要求。不但具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，而且有較為完善的事件管理能力和嵌入式控制功能。DSP通過實(shí)時讀取ATT7022B參數(shù)輸出寄存器的值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，通過計算獲得補(bǔ)償系統(tǒng)的等效導(dǎo)納。同時，DSP響應(yīng)中斷請求，啟動事件管理能器EV的3個比較單元，產(chǎn)生6路PWM波正好驅(qū)動一個三相全橋電路。采用此種方式驅(qū)動晶閘管，并采用光電器件隔離，可以減少電磁干擾。

2.4 SCI通信

TMS320F28027同時集成RS-232和RS-485通信的高性能數(shù)字處理芯片。本控制器采用DSP集成串行通信接口SCI，信息數(shù)據(jù)通信采用RS-485總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其傳輸距離可高達(dá)1 200 m，傳輸速率最高可達(dá)56 bit/s，且布線成本低，單獨(dú)組網(wǎng)，不受其他設(shè)備共用網(wǎng)絡(luò)干擾的影響。

2.5 控制器防干擾設(shè)計

對于控制器來講，不僅需要滿足相應(yīng)的功能需求，還必須進(jìn)行防干擾設(shè)計。本方案采用光耦合器方式進(jìn)防干擾設(shè)計。

光耦合器以光作為媒介傳輸電信號，對輸入輸出電信號具有很好的隔離作用。包括三部分，即：光發(fā)射器、光接收器以及信號放大器。輸入電信號驅(qū)動發(fā)光二管發(fā)光，被光探測器接收形成光電流，通過進(jìn)一步放大后輸出，完成電信號-光信號-電信號的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸入、輸出、隔離作用。光耦合器的電信號傳輸具有單向性，因此具有良好的電絕緣性和抗干擾能力。且輸入端為電流型低組元件，因此具有較強(qiáng)的共模抑制能力。本控制選用TLP512光耦作為抗干擾設(shè)計，隔離輸入輸出信號。

3 新型無功功率補(bǔ)償控制器軟件設(shè)計

基于諧波的新型無功功率補(bǔ)償控制器基于DSPF28027搭配ATI7022B進(jìn)行信息分析和處理[7]，采用C語言作為匯編語言，利用模塊化設(shè)計思路進(jìn)行。這種方式不僅降低了程序編寫復(fù)雜度，還減少了CPU空間資源開銷，加快了程序執(zhí)行速度。開發(fā)環(huán)境為CCStudio3.3，控制上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后7022B讀取目前補(bǔ)償點(diǎn)的各電量參數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)失電壓、過電流和缺相等不安全現(xiàn)象就啟動故障報警，記錄故障原因，并同時退出無功補(bǔ)償裝置。如果沒有故障，則DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計算。

基于DSP的數(shù)據(jù)分析和處理主要包括無功功率測量、電容投切、基本保護(hù)、顯示程序、通信等子程序。本文就無功功率測量算法和電容投切模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 基于Hilbert變換的無功功率測量算法

快速傅里葉變換測量算法（FFT）是常用的用于無功功率測量算法， 具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)時性差，且計算量大;另一種為實(shí)時性好的數(shù)字移相測量法，但此算法在測量信號中含有諧波時誤差較大?；诖?，本控制器采用離散傅里葉變換和離散傅里葉逆變換實(shí)現(xiàn)Hilbert變換[8]，將各次諧波電壓分別準(zhǔn)確移相90°。利用加漢寧窗插值快速傅里葉變換算法對諧波的賦值、相位、頻率進(jìn)行計算。

希爾伯特變換器是幅頻特性為1，正頻率分量相移-90°，負(fù)頻率分量 90°的全通濾波器，其頻率特性為：

本系統(tǒng)每個周期采樣64點(diǎn)，送去Hilbert變換，單次算法計算時間為80 ms，滿足需求。

3.2 電容投切

電容投切流程圖如圖3所示。

考慮到電網(wǎng)三相無功功率不平衡，本文研發(fā)的新型控制器是以電網(wǎng)電壓、電流功率因素和無功功率大小、電容組投切狀態(tài)作為投切依據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)處于過電流、欠電壓、過流、諧波過畸變等保護(hù)狀態(tài)時，控制器不投入電容，已投入電容會依次切除。

4 總結(jié)

實(shí)踐證明，采用該基于諧波的新型無功功率補(bǔ)償控制器，不可以實(shí)現(xiàn)無功功率的功率因素保持在0.98～0.99，諧波畸變率較大降低。這說明：采用TCR（晶閘管控制電抗器）+TS-HPF（晶閘管投切濾波器）混合型的無功補(bǔ)償裝置，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的無功無償和諧波抑制。此外采用主控芯片采用TMS320F2807，并配合使用高精度電能計量芯片ATT7022B，可以提高運(yùn)算精度，降低誤差。

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（收稿日期： 2019.07.20）