摘要：本文主要設(shè)計(jì)了一種適用于低壓電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)?a target="_blank">晶閘管投切電容器（TSC）裝置，在設(shè)計(jì)中采用了電壓無(wú)功復(fù)合投切判據(jù)，以無(wú)功功率作為主判據(jù)、電壓作為輔助判據(jù)，并采用晶閘管與繼電器相結(jié)合的復(fù)合開(kāi)關(guān)作為電容器投切開(kāi)關(guān)。

　　控制器采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A DSP作為控制系統(tǒng)主體，整個(gè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功功率的快速、準(zhǔn)確補(bǔ)償，而且成本低，在低壓城網(wǎng)中具有較好的實(shí)用性以及廣闊的應(yīng)用前景。

　　1.引言

　　現(xiàn)代電網(wǎng)中，電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)荷占據(jù)很大比重，它們?cè)谧龉r(shí)需要吸收大量的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，帶動(dòng)設(shè)備做功。

　　這樣，電源提供的電功率并不完全供給給有功功率，還要一部分轉(zhuǎn)換為無(wú)功功率，這無(wú)疑增加了電網(wǎng)電源的負(fù)擔(dān)，降低了供電設(shè)備的效率，而且由于線(xiàn)路中無(wú)功電流的存在將增大網(wǎng)絡(luò)損耗，降低輸電線(xiàn)的使用壽命，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。為了解決這一問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了低壓終端無(wú)功補(bǔ)償裝置，在電路中需要消耗無(wú)功功率的地方提供無(wú)功功率，即對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。

　　2.無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的有關(guān)理論分析

　　2.1 TSC型無(wú)功補(bǔ)償裝置的工作原理

　　圖2-1給出了TSC型無(wú)功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)模型，其中2個(gè)反并聯(lián)晶閘管作為補(bǔ)償電容器的投切開(kāi)關(guān)。首先，交流電源US經(jīng)變壓器PT和線(xiàn)路電抗XL后對(duì)負(fù)載供電，負(fù)載端電壓為U2,負(fù)載電流為I,IP和IQ分別成為正弦電路中的電流有功分量和無(wú)功分量。在負(fù)載處經(jīng)晶閘管開(kāi)關(guān)T接入一個(gè)補(bǔ)償電容器C,電容抗為XC若選取C的大小使IC等于負(fù)載感性電流IQ,即：

　　同時(shí)，IC為容性電流，超前電壓U290°，-IC即為感性電流，滯后U290°，與負(fù)載感性電流IQ同相，這樣，按上式選擇電容C,負(fù)載的感性電流IQ的大小和幅值都等于電容器向電網(wǎng)輸出的感性電流-IC,電容器C輸出的無(wú)功功率抵消掉了負(fù)載消耗的無(wú)功功率，因此，整個(gè)電路中只有有功電流在流動(dòng)，沒(méi)有無(wú)功電流的損耗，負(fù)載的功率因數(shù)接近于1,這樣就提高了電能的利用率，降低了電能在輸送過(guò)程中造成的浪費(fèi)。

　　2.2 無(wú)功補(bǔ)償控制方式的研究

　　傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置依靠單一的物理量作為參考量，難以實(shí)現(xiàn)的控制，本設(shè)計(jì)中，為了滿(mǎn)足控制的需要，做到精準(zhǔn)無(wú)誤的控制，我們選擇性能較好的兩種控制方式相結(jié)合，即以無(wú)功功率為主要判據(jù)、電壓為輔助判據(jù)的電壓無(wú)功復(fù)合控制方式，利用無(wú)功功率校正控制避免投切震蕩、以電網(wǎng)電壓的限定值作為電容投切的約束條件，從而實(shí)電容器組的智能綜合投切，在保證電壓在合格的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)功平衡，既減少了網(wǎng)絡(luò)損耗，又考慮到了電壓質(zhì)量。

　　圖2-2為控制投切區(qū)域圖，分為11個(gè)區(qū)域來(lái)進(jìn)行控制。Q是系統(tǒng)的實(shí)際無(wú)功功率，U是實(shí)際電壓值，控制策略中設(shè)置了兩級(jí)電壓門(mén)限和無(wú)功門(mén)限，分別是：電壓上限U上限和下限U下限；電壓上極限U上極限和下極限U下極限；無(wú)功上限Q上限和下限Q下限，當(dāng)電網(wǎng)電壓越上、下極，此時(shí)不考慮無(wú)功功率，投切電容器來(lái)改變電壓值，使其回到上、下限之間，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓在合格范圍內(nèi)才根據(jù)無(wú)功值來(lái)投切電容器，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)無(wú)功。

　　2.3 有關(guān)補(bǔ)償電容器分組方法的研究

　　本設(shè)計(jì)中電容器的分組方式采用不等容分組方式。不等容分組方式是指各組電容器的容量不相等，分組容量比不宜過(guò)大，以不超過(guò)1:3為宜。例如：可以補(bǔ)償15kvar無(wú)功容量的電容，按照1:2:4:8的比例來(lái)分，每組補(bǔ)償容量分別為1kvar、2kvar、4kvar、8kvar,就可實(shí)現(xiàn)15級(jí)組合，分成4組就可以實(shí)現(xiàn)0~15kvar補(bǔ)償級(jí)差為1kvar的無(wú)功補(bǔ)償。這種分組方式補(bǔ)償速度快，高，同時(shí)也節(jié)省了電容器投切開(kāi)關(guān)的數(shù)量，降低了成本；缺點(diǎn)是只要一組容量能夠進(jìn)行投切，則總是對(duì)該組進(jìn)行操作，以此類(lèi)推，順序操作，結(jié)果一組電容器頻繁進(jìn)行投切，使用壽命短，且其控制也比較復(fù)雜。

　　本設(shè)計(jì)選用四種電容器，電容大小分別為60uf,30uf,15uf,8uf,當(dāng)在220V工作電壓下的容量分別為9043var,4521ar,2260var,1205var,這樣可以補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率可達(dá)到17030var.這四種電容器組可以實(shí)現(xiàn)0到17Kvar的補(bǔ)償，可以分為15級(jí)調(diào)節(jié)控制。雖然軟件控制較復(fù)雜，但可以節(jié)省投切開(kāi)關(guān)的數(shù)量，減少了補(bǔ)償裝置的成本。

　　3.無(wú)功補(bǔ)償裝置的硬件設(shè)計(jì)

　　本課題設(shè)計(jì)的是基于DSP控制的晶閘管投切電容器（TSC）型無(wú)功補(bǔ)償裝置，其控制器采用DSP為控制器，采用了集中補(bǔ)償方式，裝配在配電變壓器低壓母線(xiàn)上，對(duì)配電變壓器所帶的整個(gè)區(qū)域負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，利用電壓無(wú)功復(fù)合投切判據(jù)來(lái)判定電容器組的投切，投切開(kāi)關(guān)選用晶閘管與繼電器結(jié)合使用的復(fù)合開(kāi)關(guān)。其硬件原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示，主要包括控制器模塊，電壓、電流檢測(cè)調(diào)理模塊，脈沖驅(qū)動(dòng)電路模塊，復(fù)合開(kāi)關(guān)模塊以及通訊、存儲(chǔ)模塊幾部分組成。

　　3.1 復(fù)合開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

　　復(fù)合開(kāi)關(guān)是電容器組的投切開(kāi)關(guān)，本設(shè)計(jì)采用晶閘管與繼電器相結(jié)合的方式來(lái)執(zhí)行電容器組的投切，如圖3-2所示，晶閘管與繼電器并聯(lián)，L1的作用是抑制電容投切時(shí)對(duì)晶閘管產(chǎn)生的沖擊影響。當(dāng)需要補(bǔ)償無(wú)功時(shí)，應(yīng)當(dāng)將電容器并入電網(wǎng)，此時(shí)控制器發(fā)出該控制信號(hào)，并給晶閘管和繼電器同時(shí)發(fā)送一個(gè)閉合驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于晶閘管的響應(yīng)速度比繼電器快，故上半回路先導(dǎo)通，電容器立即投入電網(wǎng)補(bǔ)償無(wú)功，延遲一段時(shí)間后，繼電器閉合，此時(shí)，上、下回路都導(dǎo)通，只需要給晶閘管發(fā)送一個(gè)關(guān)斷信號(hào)切斷上回路即可；當(dāng)需要將電容器從電網(wǎng)去除時(shí)，控制器發(fā)出該控制信號(hào)后，此時(shí)，只有繼電器下回路導(dǎo)通運(yùn)行，只對(duì)晶閘管發(fā)送接通脈沖信號(hào)，上下回路同時(shí)導(dǎo)通，然后對(duì)繼電器發(fā)送關(guān)斷信號(hào)，延遲一段時(shí)間后下回路斷開(kāi)，此時(shí)只有上回路導(dǎo)通，對(duì)晶閘管發(fā)送關(guān)斷信號(hào)，兩回路都關(guān)斷，電容器組切除。

　　3.2 復(fù)合開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　由于控制電路輸出的PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力有限，不足以直接驅(qū)動(dòng)復(fù)合開(kāi)關(guān)的開(kāi)通或者關(guān)斷，因此在主電路和控制電路之間還需要加入驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路作為整個(gè)硬件電路的重要一環(huán)，其良好的性能可以加快復(fù)合開(kāi)關(guān)開(kāi)斷的速度，減少開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的損耗，提高整個(gè)裝置的工作效率，保障設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

　　本設(shè)計(jì)所選用的復(fù)合開(kāi)關(guān)屬于電壓驅(qū)動(dòng)型器件，既需要為其提供開(kāi)通控制信號(hào)，也要提供關(guān)斷控制信號(hào)，以保證它能按照要求可靠地開(kāi)通或關(guān)斷，所以我們選擇6N173光耦合器來(lái)驅(qū)動(dòng)復(fù)合開(kāi)關(guān)的開(kāi)通或關(guān)斷，電路如圖3-3所示。

　　DSP控制器將調(diào)理后的電流、電壓等信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，得到三相投切控制信號(hào)并進(jìn)行各相同步，然后發(fā)出控制脈沖控制驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器與晶閘管進(jìn)行開(kāi)斷，從而達(dá)到投切電容器組的目的。5V電壓驅(qū)動(dòng)晶閘管輸入，15V電壓驅(qū)動(dòng)繼電器輸入。

　　4.無(wú)功補(bǔ)償裝置的建模仿真

　　根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償裝置的硬件設(shè)計(jì)，我們對(duì)其設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，模擬硬件電路的運(yùn)行結(jié)果，根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)分析硬件電路是否滿(mǎn)足要求，若不滿(mǎn)足則對(duì)硬件電路進(jìn)行修改，重新設(shè)計(jì)并更改參數(shù)然后再進(jìn)行軟件仿真，如此反復(fù)直至達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　本課題的主要目的是設(shè)計(jì)一種無(wú)功補(bǔ)償裝置能夠補(bǔ)償電網(wǎng)中的無(wú)功功率，使得電源的電功率盡可能全部地提供有功功率，這就要求網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有無(wú)功電流的流動(dòng)，功率因數(shù)趨近于1.圖4-10為補(bǔ)償前后無(wú)功、有功功率的變化波形圖，上方波形為有功功率補(bǔ)償前后的變化波形，單位為（Kw），下方波形無(wú)功功率補(bǔ)償前后的變化波形，單位為（Kvar）。為了觀(guān)察對(duì)比補(bǔ)償效果，我們?cè)?.1秒后投入補(bǔ)償裝置，可以發(fā)現(xiàn)在0.1秒前，有功、無(wú)功功率波動(dòng)頻繁，投入補(bǔ)償裝置后，有功功率逐漸趨于穩(wěn)定，無(wú)功功率也逐漸趨近于0值，說(shuō)明該補(bǔ)償裝置補(bǔ)償效果明顯，能夠達(dá)到理想的補(bǔ)償效果，但是觀(guān)察到網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)功功率明顯提高，而有功功率提升效果不明顯，說(shuō)明該裝置能夠補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)功，但不能有效的提高有功功率，提升電壓的利用率，所以該裝置還有待改進(jìn)。

　　5.結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的無(wú)功補(bǔ)償裝置是基于TSC型的低壓終端無(wú)功補(bǔ)償器，利用DSP控制器來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算、控制信號(hào)發(fā)出、與外界通訊等功能，根據(jù)檢測(cè)的三相電路中的電壓、電流等信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理，計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率，再由控制器發(fā)出控制信號(hào)來(lái)執(zhí)行電容器組的投切，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)無(wú)功。

　　該補(bǔ)償器能快速跟蹤電網(wǎng)負(fù)荷的突變，根據(jù)電網(wǎng)無(wú)功的需求適當(dāng)補(bǔ)償電容器，隨時(shí)保持饋電功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，同時(shí)，投切過(guò)程不產(chǎn)生諧波，對(duì)原電網(wǎng)的干擾小，成本低，自身能耗小。但是，由于TSC型補(bǔ)償裝置是分級(jí)式補(bǔ)償，可能產(chǎn)生補(bǔ)償死角，不能連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率，在電網(wǎng)不穩(wěn)定時(shí)還可能出現(xiàn)投切震蕩，所以，TSC裝置一般與TCR補(bǔ)償裝置組合，這樣即可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的無(wú)功調(diào)節(jié)，同時(shí)大大減小了諧波，因此，該設(shè)計(jì)還需要一定的改進(jìn)和完善。（作者：任琳，王冰峰）