摘要

·摘要

在电力系统中，无功功率是影响电压稳定的一个重要因素，它关系到整个电 力系统能否安全稳定地运行，无功补偿是保证电力系统高效可靠运行的有效措施 之一。针对电力系统中无功补偿装置发展的现状，研制出了一套基于DSP控制的 SC型低压动态无功补偿装置。

本文在分析无功补偿的原理和无功补偿的关键技术的基础上，主要研究了无 功补偿对电网性能的改善、无功补偿装置的控制方式及原理、以及控制器的软硬 件设计。在硬件上，采用TI公司的32位定点DSPTMS320F2808为控制器的CPU， 充分利用DSP速度快、计算功能强大的特点，配合检测电路、触发电路、投切电 路、调理电路和其它外围控制电路。根据测量和控制的要求，利用DsP的采样技 术和捕获技术，准确跟踪系统无功变化，达到对系统无功功率动态实时补偿。采

用过零检测光祸Moc3061书驱动三端双向可控硅BT139一6OOE投切电容器，可以在 电网电压过零点可靠触发双向可控硅，实现了电容器的快速，无弧，无冲击投切。 于Cod。ComposeStudio3.3集成开发环境，编写并调试控制和计算程序，使

系统软件便于维护，具有开发效率高、可移植性强的特点。在控制策略上，根据 “保证电压合格，无功基本平衡，尽量减少投切次数”的原则，采用无功功率与 电压综合判据作为投切电容器组的判据，与常见的功率因数控制方案相比较，避 免了轻载投切振荡，使无功调节更为合理。

经过模拟负荷投切实验，校验其软硬件系统性能，均达到了预期设计指标。 关键词:静止无功补偿器(SVc);晶闸管投切电容器(TSc);动态无功补偿; 字信号处理器(DSP)

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

静止型动态无功补偿技术是70年代世界范围内的重点攻关技术，在我国起步 虽晚，但其发展前景是广阔的。一方面，以电力电子装置为代表的非线性负荷的 使用造成电能质量问题的因素不断增长;另一方面，各种复杂的、精密的、对电 能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高。上 述问题的矛盾越来越突出，使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害 和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大，电能质量直接关系到国民经济 的总体效益。而在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上。如何提高和 保证电能质量，已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一〔”。 电网电压质量通常用稳定性、对称性及正弦性等指标衡量，随着现代电力电 子设备等非线性负荷大量接入电网，使电网供电质量受到严重影响，其中各种电 力电子开关器件的大量应用和负载的频繁波动是主要的干扰源，导致了一系列不 良影响:

(1)功率因数低，增加电网损耗，加大生产成本，降低生产率;

(2)产生的无功冲击引起电网电压降、电压波动及闪变，严重时导致传动装置及 保护装置无法正常工作甚至停产;

(3)产生高次谐波电流，导致电网电压畸变，能导致保护及安全自动装置误动作; 电容器组谐波及谐波电流放大，使电容器过负荷或过电压，甚至烧毁:增加 变压器损耗，引起变压器发热;导致电力设备发热，电机力矩不稳甚至损坏:’ 加速电力设备绝缘老化，易击穿;降低生产效率，增加损耗;干扰通讯信号; (4)导致电网三相不平衡，产生的负序电流使电机转子发生振动。

目前解决这一问题普遍使用的方法是在干扰负荷接入点同时接入静止型动态 无功功率补偿装置，即staticVarCompensator(SvC)，用以消除无功冲击，滤除 高次谐波，平衡三相电网，其典型代表为晶闸管控制电抗器+晶闸管投切电容器 (仆ytistorControlledReaCtor+仆州storSwitehedCapacitor-eses一一TCR+TSC)。TSC 型动态无功补偿装置(以下记为TSC)能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最

佳馈电功率因数，实现动态无功补偿，减小电压波动，提高电能质量，节约电能。 另外，TSC虽然不能连续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波而且损耗

较小的优点。若输出无功功率需要连续调节，或者要求能提供感性无功的情况下， TSC常与TCR配合使用。

无功功率补偿的作用就是要尽量减少无功功率对电网的影响。主要有以下几 点〔，，:

(l)提高供用电系统及负载的功率因数，降低输电线路及用电设备的容量和负 荷，减少功率损耗;

(2)稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点 设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力;

(3)在三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功 负载，减少了无功功率对电网的冲击。 1.2无功补偿装i的发展

随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。下面 介绍一下无功补偿装置的发展和应用。 1并联电容器

并联电容器是电网中应用最多的一种专用无功补偿器，它的特点是结构简单、 经济方便、适于分散安装，能较好地满足就地补偿的要求;分组投切的并联电容 器装置有良好的无功调节性能;投资省，能耗低，运行维护方便而得到广泛应用。 虽然并联电容器有许多优点，但它的容量有限，阻抗是固定的，不能跟踪负荷无 功需求的变化，即不能实现对无功功率的动态补偿，而且它的输出无功功率与安 装处电压平方成正比，当电压输出降低时，特别由于故障电压降低的时候，系统 需要电压支持，而并联电容器输出无功功率却继续急剧下降〔3〕。 2同步调相机

同步调相机又称同步补偿器，是作为并联补偿设计的一种同步机，它属于有 源补偿器。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情 况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。该装置优点是:在系统电 压下降时，靠维持或提高本身的出力，可以给系统提供紧急的电压支持。从功能

上讲，同步调相机是一个被拖动到某一转速并与电力系统不同运行的同步机。当 电机同步运行后，根据需要，人为控制其磁场，使之产生无功功率，或从系统吸 收无功功率。然而，同步调相机动态响应速度慢，运行噪声大，发出单位无功功 率的有功损耗大，且运行维护复杂，己经无法适应各类非线性负载的快速变化， 因此，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置所取代。 3静止无功补偿装置(SVC)

电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用静止无功补偿装置推上了 电力系统无功功率控制的舞台。静止无功补偿装置由于其价格较低、维护简单、 工作可靠，在国内占据主流补偿装置的地位。SVe(StatieVareomvensat。r)先

后出现过不少类型，目前来看，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗器型、晶 闸管控制电抗器型和自饱和电抗器型3种。上述第二种又可分为:固定连接电容 器加晶闸管控制的电抗器(fixedeapaeitor+thyristorcontrolled

reactor—FC+TCR)、晶闸管开关操作的电容器加晶闸管控制的电抗器 (thyristorswitehedeapaeitor+thyristoreontrolled

reaotor—TSC+TCR)。SVC克服了同步调相机的响应速度慢，运行噪声大的缺点， 具有控制速度快、维护简单、成本较低的优点，所以在电力系统中得以大量应用。 但SVC也存在缺点，如工作于斩波状态的晶闸管会产生较大的谐波，’对电力系统 造成污染;其次这些装置并入系统后会改变系统的阻抗特性，过多安装这些设备 可能导致系统出现振荡。另外，由于晶闸管的关断不能控制，开关器件的工作频 率低，对电能质量的补偿能力相对减弱，动态性能难以提高很多，装置的网侧谐 波电流较大。目前国内外对SVC的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神经 网络控制和专家系统等智能控制手段也被引入SVC控制系统，使SVC系统的性能 更加提高。

4静止无功发生器(SVG)

随着电力电子技术的进一步发展，20世纪80年代以来，一种更为先进的静

止型无功补偿装置诞生了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，即 静止无功发生器。SVG的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联 在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其

交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，就可以使该 路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。 与传统的无功补偿装置相比，SVG有以下优点:

(1)连续调节、调节范围大、响应速度快、控制精度高;

(2)在采用多重化、多电平或P翎技术等措施后可大大减少补偿电流中的谐 波含量;

(3)可以分相调节，产生的损耗小、噪声小;

(4)可对系统电压进行瞬时补偿，而且在系统电压较低时仍能向系统注入较大 无功;

但是，SVG.目前还有很多的理论和实际运用的问题尚待解决。而且其控制 杂，所用的全控器件价格昂贵，所以目前还没有普及，尤其在我国，大功率电 电子器件目前基本依赖进口，成本太高，根据我国国情，此类装置的实用需要 长一段时间。而在低压无功补偿中要求装置体积小、重量轻、结构简单易于安 和维护，因此，TSC和TCR装置在当前的无功补偿领域得以广泛应用。 表1.1对各种无功补偿装置特点进行了简单的对比〔5]:

1.3本论文主要完成工作及内容

根据无功补偿装置的发展状况，对当前应用比较广泛的集中无功补偿装置性 能进行了比较，在此基础上，为了满足电力系统对实时性较高的要求，提出了采 用DSP芯片进行控制的TSC型动态无功补偿装置，并对该套装置的软硬件部分进 行了系统化设计。

本论文完成工作及内容如下:

1、研究无功补偿装置的种类和特性，重点阐述了晶闸管投切电容器(TSC)无功 补偿装置的原理、构成、设计方法，并对其动态补偿过程进行了详细分析;

2、探讨了基于瞬时无功功率的无功电流检测方法，分析了各种方法的利弊和改进 措施;

3、在实验室环境下，设计了一套基于DSP的TSC型动态无功补偿装置，对其硬件 电路进行了全面调试。在元件选择上，既考虑抗干扰能力强、高处理速度、高精 度，又兼顾成本低、适用性好、性价比高;充分考虑PCB布线和实物调节过程中 的干扰抑制。电压电流信号经过调理后送至真有效值转换芯片AD536A处理，输出 用于DSPTMS320F2808采样处理。根据实时采集的无功功率需求情况和变化情况， 做出投切判断和指令。控制光祸Moc3061舰与三端双向可控硅BT139~600E构成的 投切执行器，投入或切除相应电容器组。最后经过模拟负荷投切实验，得到了较 为理想的实验结果，验证了其可行性及可靠性;

4、软件控制部分以Tl公司的TMS320LF2808DSP芯片为核心，在CodeCompose Studio3.3集成开发环境下，编写并调试了A/D程序(精确获取经过互感器测量 并处理后的电网电压值、电流值)、捕获程序(通过ECAPI捕获调理后的电网电压 方波上升沿过零点，作为投入和切除电容器组时刻的控制条件;通过ECAPZ捕获

SN74HC74与SN74HC86等构成的相角检测电路输出的相角方波的上升沿与下降沿， 计算系统功率因数值)、功率因数检测程序、无功功率检测程序(根据检测到的电 压、电流和功角值，由DSP实时计算)、投切控制(根据检测到的无功功率值，将 电容器组按照编码方式投切)等程序，完成了软件设计;

5、Q格式运算(用于计算系统功角的正余弦值，与查表法和二分法等相比，计算 用时更少，结果更精确)的采用，保证检测与捕获单元的高精度;各级调理和整

定电路广泛采用山324N、6N137，保证调理的波形标准，幅值适当;

6、全部投切控制执行时间在10ms以内，实时性高;经过补偿后的功率因数确保 在0.95以上，系统无功当量控制在10.33Var以内，具有较高的补偿精度，补偿 结果完全符合预期设计要求和实际应用中的功率因数要求。

第二章TSC型无功补偿装置 2.1基本原理及发展

传统的无功功率的定义是在建立在工频周期的平均值基础上的，单相正弦电

路或三相对称正弦电路中，利用传统概念定义的有功功率尸二Ulcos甲，无功功率 Q=Ulsin甲，视在功率(S二UI)和功率因数等概念都很清楚。但当电压或电流中 含有谐波或在三相不平衡电路时，功率概念就比较复杂了，传统概念无法正确地 对其描述和解释，至今尚无获得公认的无功功率定义。但对无功功率这一概念的 重要性，对无功补偿重要性的认识，却是一致的。 1正弦电路功率理论

设电源电压为u、电流为i，则: u=护云了sinor·(2.1)

i一汤sin佃t一甲)·汤eos，sinor一汤sin甲eosot一i;+几(2·2)

式(2一2)中，甲是电流滞后电压的相角。电流i被分解为和电压同相位的分 量称和比电压滞后90’的分量几，即: s;一汤eos甲sinot(2.3) 几一汤sin伞eos叹(2.4)

电路中的有功功率就是其平均功率，即: ·‘d(。‘卜会f’(·‘，+·‘。，d伽‘， (。。。S，一。一，。。S、‘)d(to，卜会f兀(一班sin甲sinZot)口伽r) =〔万cos甲(2.5)

电路的无功功率定义为: Q=Ulsin中(2.6)

2非正弦电路功率理论

第二章TSC型无功补偿装置 2.1基本原理及发展

传统的无功功率的定义是在建立在工频周期的平均值基础上的，单相正弦电

路或三相对称正弦电路中，利用传统概念定义的有功功率尸二Ulcos甲，无功功率 Q=Ulsin甲，视在功率(S二UI)和功率因数等概念都很清楚。但当电压或电流中 含有谐波或在三相不平衡电路时，功率概念就比较复杂了，传统概念无法正确地 对其描述和解释，至今尚无获得公认的无功功率定义。但对无功功率这一概念的 重要性，对无功补偿重要性的认识，却是一致的。 1正弦电路功率理论

设电源电压为u、电流为i，则: u=护云了sinor·(2.1)

i一汤sin佃t一甲)·汤eos，sinor一汤sin甲eosot一i;+几(2·2)

式(2一2)中，甲是电流滞后电压的相角。电流i被分解为和电压同相位的分 量称和比电压滞后90’的分量几，即: s;一汤eos甲sinot(2.3) 几一汤sin伞eos叹(2.4)

电路中的有功功率就是其平均功率，即: ·‘d(。‘卜会f’(·‘，+·‘。，d伽‘， (。。。S，一。一，。。S、‘)d(to，卜会f兀(一班sin甲sinZot)口伽r) =〔万cos甲(2.5)

电路的无功功率定义为: Q=Ulsin中(2.6)

2非正弦电路功率理论

在含有谐波的非正弦电路中，有功功率和视在功率的概念与正弦带电路中的 定义相同。非正弦周期函数在满足狄利克雷(Diri。hlet)条件时，可以分解成傅 立叶级数，而电力系统中的电压和电流一般都满足狄利克雷(Diri。hlet)条件〔司。 、一1rZ:、，，、或甲:a。=二，-l_u(。t川(。t) 一Z兀‘U (2.7)

a。=工f’。(。;)。。s，。、(。;)(n=1、2、3、兀.u(2.8) 1。、，·~、“- b·“万J。“恤t)’m”。td恤t卫L“二‘、艺、3、 .…‘’) (2.9)

所以其有功功率P为:

尸·亡f“uid伽‘)一艺U，I·co‘甲·(2.10) 电压和电流的有效值分别为: (2.11)厕厕 I=

因此，其视在功率为: S二〔万 (2.12)

·厕厚(2.13)

我们可以定义无功功率:Q一存刃声(2.14)

这里，无功功率Q只反映了能量的流动和交换，并不反映能量在负载中的消 耗[7]O

2.2并联电容器

无功补偿电容器是目前使用最多的一种无功补偿装置，在国内外均得到广泛 的应用。并联电容器电容器可根据需要由若干电容器串、并联组成，容量可大可 小，既可以集中使用，又可以分散使用，且可分相补偿，可随时投切或全部电容 器，具有结构简单、运行灵活、有功损耗小、维护方便、投资少等优点〔s]。

I=Ie+I二(2.16)

由向量图2.lb可知，并联电容后电压U和I的相位差变小了，即供电回路的 功率因数提高了，这时I滞后U，称为欠补偿。

如果电容过大，使线路电流超前电压，这种情况称为过补偿，如果2.Ic所示。 通常不希望出现过补偿的情况，因为这样会引起变压器二次侧电压的升高，

且容性无功功率在线路上传输同样会增加电能损耗，还会增加电容器自身的损耗， 影响电容器的寿命。

2.2.2并联电容器补偿无功功率的方式

按照电容器安装的位置不同，通常分为集中、分组、就地三种补偿方式。

1、集中补偿:电容器组集中装设在企业或地方总降压变电所的6一IOkV母线上， 用于提高整体的功率因数，是该变电所的供电范围内无功功率基本平衡。

2、分组补偿:将电容器组装设在功率因数较低的车间或村镇终端变配电所高压或 低压母线上。这种补偿方式的补偿范围和容量相对较小但效果更加明显。

3、就地补偿:将电容器组装设在电感性用电设备附近，既能提高线路的功率因数， 又能改善用电设备的电压质量。

如果能够将三种补偿方式统筹考虑、合理布局，可以取得比较好的技术经济 效益。

2.3无功功率动态补偿基本原理

静止动态无功补偿装置(SVC)是一种可以控制无功功率的补偿装置。它与一

般并联电容器补偿装置的区别是能够跟踪电网或负载的无功波动，进行无功的及 时补偿，从而维持电压的稳定。从实用的观点来看，SVC主要用于冲击性负荷的就 地补偿和用于电力系统的无功集中补偿。

对电力系统进行无功补偿的主要目的是提高电力系统的功率因数、保持系统 电压的稳定，下面对无功功率动态补偿的原理作以简要介绍。

(a)(b)

图2.2无功功率动态补偿的原理 (a)单相电路(b)动态补偿原理

Fig.2.2PrinciPleofreactivePowerdynamiceomPensation

(a)single一Phaseeireuit’(b)PrineiPleofdynamieeompensation

图2.Za为系统、负载和补偿器的单相等效电路图。其中，U为系统线电压;

和X为系统电阻和电抗。设负载变化很小，故有△U《U，假定R《X时，反映 统电压与无功功率关系的特性曲线如图2.2b所示，由于系统电压变化不大，其 坐标也可以换成无功电流。可以看出，该特性曲线是向下倾斜的，即随着系统 给的无功功率Q的增加，供电电压下降。实际上，由电力系统中的分析可知， 统的特性曲线可近似用下列表示: u一u。(1一其)百义(2.17) 或者记为: Q一犷△一5. 一 一一 一酬U0

式中:U一无功功率为零时的系统电压; SSC一系统短路容量。

由此可见，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。

投入补偿器后，系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即 Q=么+Qr(2.18)

因此，当负载无功功率q变化时，如果补偿器的无功功率g总能够弥补QL的

变化，从而使Q维持不变，及△Q=O，则△U也将为0，供电电压保持恒定。这就 是对无功功率进行动态补偿的原理。图2.2b给出了进行动态无功补偿，并使系统 工作点保持在Q=Q，二常数的示意图。当使系统工作点保持在Q=0除，即图中的 C点时，就实现了功率因数的完全补偿。可见，补偿功率因数的功能可以看做是改 善电压调整功能的特例。

在工程实际中，为了分析方便，常常把负载也包括在系统之内考虑，总体等 效为一个串联一定内阻的电压源，即将图2.Za中点划线框内的部分等效为2.3a 中点划线框内的部分，并忽略内部阻抗中的电阻，而电抗记为X、。等效后系统电 源电压为等效前连接点处未接补偿器的电压。另外，由于补偿器具有维持连接点 电压恒定的作用，故可以将其视为恒定电压源，电压值取为系统未接补偿器(即 补偿器吸收的无功电流为零)时连接点处的正常工作电压，也就是图2.2中补偿 器未接且负载无功不变时的供电电压，记为U可。其电压一电流特性如图2.3b所 示，为一水平直线，由于电流为无功电流，电压又维持一定，因此也可以看做电 压一无功功率特性曲线。。这样，整个等效电路即如图2.3a所示。 ??? Ie01:I

(么)(么)(Q)

图2.3等效电路及特性

(a)等效电路(b)电压一电流(无功功率)特性 Fig.2.3Equivalenteircuitanditseh别旧cteristie

(a)equivalenieircuit(b)theeh刽门比teristieofvoltslge一un℃nt(reactivepower 当图2.3a中未接补偿器而由于某种原因(例如负载无功的变化)使连接点处

电压变化△U、时，也就是图2.3a中系统电源电压变化△U、时，接入补偿器后，连 接点电压即可以回到正常值。由图2.3a可得，此时补偿器所吸收的无功功率应为: Qr=

△UsU呵 Xs (2.19)

换句话说，一台可吸收无功功率为Qr的补偿器，可以补偿的系统电压变化为: △Us=(2.20)Q一.ef戈一u

按照电力系统中的常规做法，这里才用的是标么制，各量均为标么值，故三 相电路与单相电路的公式是一样的，且与三相的连接方式无关。

以上所讨论的补偿器具有水平的电压一电流特性曲线，能维持连接点电压恒 定不变，被称为完全补偿器或理想补偿器。实际的静止无功补偿装置一般不设计 成具有水平的电压一电流特性，而是设计成具有如图2.4b所示的倾斜特性，倾斜 的方向是电压随吸收的感性电流的增加而升高。在下述中将看到，这种倾斜的特 性可以兼顾补偿器容量和电压稳定的要求。另外，这种倾斜特性可以改善并联的 补偿器之间的电流分配，并有利于预留稳定要求的无功备用〔刃。

因此其等效电路可以看作在恒定电压源的基础上还串联了一个等效电抗X，，如图 2.4a所示。由该等效电路可得，当未接补偿器时，由于负载无功的变化所引起连 接点电压的变化为△U、时，也即等效电路中若系统电源电压便变化为△U、时，则 投入补偿器后补偿器吸收的无功功率为: Qr=

△UsU可 Xs+Xr (2.21)

可见，与理想补偿器相比，所需吸收的无功功率减小了。而连接点电压并不 像理想补偿时那样保持原正常值不变，而是变化了△U。 △u一△u。一兰=一“Xs+X，(2.22)

从图2.3a和2.4a可以看出，系统和补偿器之间是串联而构成回路的关系，

所以工程实际中还常常应用求系统的负载特性与补偿器电压一电流特性交点的方 法来分析静止无功补偿器的工作点〔’0]。 2.4自动投切电容器

2.4.1自动投切电容器的分类

自动投切电容器装置根据控制开关的不同，分为机械投切电容器(MSC)和晶

闸管投切电容器(TSC)。MSC的控制开关主要是断路器和接触器，TSC的控制开关 主要是晶闸管和可控硅。

机械投切电容器装置具有结构简单、控制方便、性能稳定和成本低廉等优点 但是响应速度慢、不能频繁投切，主要应用于性能要求不高的场合。晶闸管投切 电容器装置具有无机械磨损、响应速度快、平滑投切以及良好的综合补偿效果等 优点;但相对于机械投切电容器装置而言，控制系统较复杂、可靠性低、投资费 用较高(需增设降压变压器、晶闸管机组等)，并且对设计制造、运行管理的技术 要求较高〔!!〕。

2.4.2晶闸管投切电容器(TSc) 单相TSC的原理结构如图2. 的原理

sa所示，它由电容器、两个反并联晶闸管和阻抗

基于DSP的TSC型无功补偿装置研究与设计

小的限流电抗器组成，其中限流电抗器主要作用是限制晶闸管由于误操作引起 冲击电流，而这种误操作往往是由于误控制导致电容器在不适当的时机进行投 引起的。同时，限流电抗器与电容器通过参数搭配可以避免与交流系统电抗在 些特定频率上发生谐振。 (a)(b)

图2.5TSC的基本原理

(a)单相结构图(b)分组投切的TSC单相简图 Fig.2.5ThebasiePrineiPleofTSC

(a)single一hasestrUcturedi叫梦别rn(b)theTSCsingle一Phasedi铭r田rnofPacketswitehing 在工程实际中，一般将电容器分成几组，如图2.5b，每组都可以由晶闸管投 。这样，可根据电网的武功需求投切这些电容器，’TSC实际上就是断续可调的吸 容性无功功率的动态无功补偿器。

4.3晶闸管投切电容器(TSC)的动态过程分析

通过判断系统负载特性与补偿器电压一电流特性交点的方法来分析TSC的动 调节过程。

图2.6所示是以改善电压调整为目标的TSC受扰动后的动态调节过程。在系 统受到扰动前，其负载线为l，，TSC有一组电容投入运行，其伏安特性为0A，因此 系统稳定工作l，与0A的交点a。若系统受到干扰，负载线突然有l，降低至l:，则工 作点会突然降至l:与以的交点b，系统电压因此降到b点电压，这个电压下降被 TSC控制系统检测到后，由其逻辑电路决定投入第二组电容，补偿器电压一电流特 性因此变为0B，系统工作点移至0B与几的交点。，从而将电压恢复到能接受的范 围内。

2.5无功电流检测

2.5.1三相电路无功电流和谐波检测方法现状

无功电流和谐波的检测方法是整个无功补偿装置的关键之处，能否精确的检 测出需要补偿的无功分量，并具有良好的动态跟踪性能，直接决定了装置的整体 无功补偿功能。无功电流和谐波检测方法一般有: (l)模拟滤波器检测法〔’2，

最早还不能检测出无功电流，而只能检测谐波电流，其方法是采用模拟滤波 器来实现，即采用陷波器将基波电流分量滤除，得到谐波分量。或采用带通滤波 器得出基波分量，在与被检测电流相减得到谐波分量。

该方法具有简单快速的优点，但这种检测方式有很多缺陷，由于滤波器的中 心频率固定，当电网频率波动时，滤波器效果将随之变差;滤波器的中心频率对 元件的参数十分敏感，这样较难得到理想的幅频特性和相频特性。并且，该方法 不能分离出无功电流。目前，这种方法己经极少采用。 (2)基于FFT的检测法〔，3，

随着计算机和微电子技术的发展，数字信号处理器的数据处理能力和实时控 制能力比以往有了很大的提高，因此开始采用傅里叶分析的方法来检测无功电流 和谐波电流〔川。该方法是建立在傅里叶分析的基础上的，因此要求被补偿的波形 是周期变化的，否则会给检测结果带来较大的误差。这种检测方法根据处理器采 集到的一个周期的电流值进行FFT分解，得到各次谐波的幅值和相位系数，为了 减少离散数据的时间特点，可采用高效的复序列快速傅里叶变化的算法。该算法 能够将两个相同序列的数据整合到同一个FFT运算过程，只需要一次FFT的计算 即可同时求出两路输入信号的频率，提高了系统实时数据处理的能力。

FFT检测法的缺点是需要测得一个周期的电流值，而且需要进行两次变换，虽 然采用复序列快速傅里叶变换的算法，其计算量依然很大，需要浪费较多的计算 时间，从而使得检测到的无功和谐波电流有较长时间的延迟(至少延迟一个周期)， 检测出的结果实时性较差。

(3)基于瞬时无功功率理论的检测法〔‘5一‘7〕

传统理论中的有功功率，无功功率等都是在平均值基础上或向量的意义上定

义的，它们只适用于电压电流均为正弦波的情况，而瞬时无功功率理论中的概念， 都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何 过渡过程的情况。基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前无功补偿装置 和有源电力滤波器中应用最广的一种检测方法，首先于1983年由日本学者赤木泰 文提出，此后该理论经不断研究逐渐完善。现在包括p一q算法和i，一i;算法。其中 p一q算法适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测;i，一i。法不仅在电 网电压畸变时使用，在电网电压不对称时也同样有效。

基于瞬时无功功率理论的检测方法理论上可检测出除基频分量外的所有高频 分量，同时可检测出无功电流分量。在只检测无功电流时，可以完全无延时地得

出检测结果。检测谐波电流时，因被检测对象中谐波的构成和采用滤波器的不同， 会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。对于电网中最典型的谐波源 —三相桥整流器，其检测延时约为1/6个周期。可见该方法具有良好的实时性。 后面将对这两种方法做详细的介绍。 (4)基于神经网络的自适应检测法

随着各种新的算法的出现，近年来还出现了基于神经网络的自适应谐波电流

检测法，将电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压 波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无功分量。该自适应检测法的特点 是在电压波形畸变情况下也具有较好的自适应能力，缺点是动态响应速度较慢。 2.5.2基于瞬时无功功率的无功电流检测

三相电路瞬时无功功率理论，首先在谐波和无功电流的实时检测方面得到了 成功的应用。目前有源电力滤波器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流 检测方法应用最多。这种方法，在只检测无功电流时，可以完全无延时地得 出检测结果。检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波的构成和采用滤波器的 不同，会有不同的延时，但延时最多不超过一个周期。可见，该方法具有很好的 实时性。

以瞬时无功功率理论为基础，计算p、q或i，、几为出发点即可得出电路谐波 和无功电流检测的两种方法，分别称之为p一q检测法和i，一几检测法。

lp一q检测法

该检测方法的框图如2.1所示，图中C篇为C，的逆，CZ。=以。

该方法根据定义算出p、q，经过低通滤波器(LPF)得p、q的直流分量户和

电网电压波形无畸变时，户为基波有功电流与电压作用所产生，母为基波无功电 与电压作用所产生。有户、母就可以计算出被检测电流ia、耘、ic的基波分 份、标、份。将基波分量与被检测电流相减，即可得到被检测电流的谐波分

临、编、ic^。当有源电力滤波器同时用于补偿谐波和无功时，就需要同时检测出 偿对象中的谐波和无功电流。在此情况下，只需断开图2.7中的q通道。这时 由户即可计算出被检测电流ia、几、l’c的基波有功分量嘛、嘛、icrt: (2.﹁1..11por.lles--l内C飞︸，‘C一一﹁leeseeswe胜-J.愉.愉Icrt.厂lesleseseses‘J 将iaPf、愉、i、与io、耘、ic相减，即可得出被检测电流的谐波分量和无功 量之后益、俪、与。 21，一i;检测法 i， 一几检测法的原理图如2.8所示。

Smmt (2.4)

一COS仍t 一COS仍t 一Sin仍t 里尸..!L 一一C中图

该方法中，需要用到与a相电网电压e。同相位的正弦信号sin叹和对应的余弦 信号一cosot，他们由一个锁相环(PLL)和一个正、余弦信号发生电路得到。根据 定义能够计算出今、几，经过LPF滤波得出的i，、几直流分量几鸡。这里，今鸡是 由基波分量i护i护份产生的，因此由iP凡即可计算出ia，、喻、份，进而计算出 谐波分量标、瓜、ic^。

基波分量jribf’份计算如下: (2.25)

门Jleees一.伟一.与尸已!L!CC一一 ，Jee.welesweeses.

.与la.，Ic.，eewelweesJres

当要检测谐波电流和无功电流之和时，只需要断开图2.8中计算i;的通道即 可。

对于三相三线制电路，只要电网电压波形发生畸变，而不论三相电压、电流

是否对称，p、q运算方法的检测结果都有误差，只是误差的情况不同;而按i，一几 运算方式检测时，由于只取sinot、一cosot参与运算，畸变电压的谐波成分在运算 过程中不出现，因而检测结果不受电压波形畸变的影响，检测结果是准确的〔’s]。 2.5.3无功电流检测方法的改进[191

在三相四线制系统中，三相不平衡将导致三相电流之和不为零。按对称分量 法，三相负载电流可以分解为正序、负序和零序三种对称分量之和，即: i=i，+i_+10(2.26)

正序分量三相幅值相等，相位按A、B、C依次滞后1200;相位按A、B、C 依次超前120。:零序分量在幅值和相位上均相同，即: iao==100=ico(2.27)

三相至两相变换可表示为:

日·生{一份价侧(2.28) ，J..eseeeseslhocoao-，‘;口.;‘r..lesesJes ，‘飞︸C(2.29)

﹁ee己J.eseses八UnU

尸:﹂一一﹃.eseeeslesesl几Jbocoao尸..eseeesesJl，Jleseseeleseses人一气兀‘111山勺、工一一1︷2一万2 ︵0︸ 123

可知，采用瞬时无功功率检测法时，零序分量并不反映到正交的 Q一p坐标中，由此产生了零序谐波泄露，会使补偿产生误差。

现阶段我国低压电网采用三相四线制，由于单相负荷的不平衡分配，零序电 流必然存在，加之低压电网的地磁谐波含量较大，用该方法检测电网中的谐波电 流必将产生零序泄露误差。

由于上面的瞬时无功功率检测方法有其不足，本文提出一种新的检测方法对 其进行改进。该方法的检测原理图如图2.9所示。 俩.场.场

XXXXXXXXXXXXXXX尸尸尸尸尸尸 乡乡乡乡乡 lll口口口口口

卜卜卜卜门门份份口口口口口巴巴 图2.9改进算法的无功检测原理图

Fig2.9Thesehematiedi砚歹ajrnofimProvedalgorithmiereactivepowerdeteetionmethod 为简单起见，假设电网黯e。、e。、ec三相对称而且没有畸变，，。: e。=凡sin“t

e*=凡sin佃t一1200) e。=E，sin(ot+1200) (2.30)

TsC型无功补偿装置

负载电流i。、i。、ic可表示为基波与谐波电流之和: ，。=，。、+艺“ (2.31)

ic=ic，+艺ick

考虑到三相不平衡，将电流分为正序、负序、零序。则基波电流表示如下: ia，=I，，sin(而一甲)+I卜sin(。t+0卜)+几。 i，，=I卜sin(ot一甲一1200)+I卜sin佃t+0卜+1200)+几。 icl=11，sin(。t一甲+1200)+几_sin(。t+0卜一1200)+11。 (2.32) 其中乙，、六_、入。分别是基波正序、负序、零序分量的幅值，.甲是功率因数角， e卜是基波负序的初始相位。

谐波电流也分为正序、负序、零序，k次谐波电流可表示为: 临=Ik*sin(灿t+0**)+Ik_sin(灿t+0卜)+Ik。

i，=Ik，sin(扬t+0*，一1200)+Ik_sin(标t+0卜+1200)+Ik。(2.33) i‘=Ik、sin(灿t+0*十+1200)+Ik一sin(灿t+0卜一1200)+Ik。

其中人+、人_、人。分别是k次谐波正序、负序、零序分量的幅值，ek+、氏_是 谐波正序、负序的初始相位。

三相瞬时功率p可由下式计算得到: P=eaia+e。几+ecic

=e。(ia.+艺“)+e，(几，+艺iak)+e:(ic，+Zick)kkk

=(e。ia，+e，几，+e‘ic，)+Z(e口瓜+e，瓜+e。瓜)(2.34) =夕，+Z夕*

将式子(3.8)、(3.10)、(3.11)代入夕:、夕*，化简可得: P，=e。ia，+e，i。，+e‘icl 3__ =百七，，l ‘、。。9甲一号二‘】一(“+”1一)(2.35)

P*=eaiak+e，i，+ecic* 3__

=二也，Ik*cosl(k

乙一;知‘+。1+]一县E，Ik_乙eos[(k+l知t+0*_](2.36) 将式(2.32)和(2. ，=夕、+X，*k 33)代入(2.34)可得: 3__ =二七，，l

‘*一，一号二‘】一(‘，+”】一) ·万‘号E·‘*一【(‘-‘、‘+”1十】一号E。‘卜一。(‘+‘、‘+”卜， (2.37)

上式包含直流分量和一些列谐波分量。谐波频率最低可达10OHz，经过低通滤 ，___、.，，、‘、._，、~_二、卜:~~.一一一一一3__~一吸(L冲)，P甲阴谓饭分量叫以得云，只剩卜稳忐但P=二七之卜cos甲。县甲， 乙

了1+cos甲就是基波正序电流有功分量的幅值。对于A相，基波正序电流有功分量 i口l，=11十eos币sinot。其中i。1， 可以由下式得到:

ial，=I一*eos甲sinor (圣E，‘，+一，)·(二9。。‘) 号E‘ Pxea

e了+e了+e了

同理可以得到其他两相基波正序电流的有功分量: (2.38)

ial，=11十cos甲sin伽t一1200) Px召右

e了+e了+e了 (2.39) ia，，=几*cos甲sin佃t+1200) Pxec

e云+e了+e了 (2.40)

从实际负载电流i。、几、ic中减去基波正序电流的有功分量ial，、与，、ic，，， 即可得到包括基波无功电流、零序电流、负序电流及谐波电流在内的所有有害电 流。

本节首先介绍了三相电路无功电流和谐波检测方法的现状;然后详细阐述了

现在最普遍用的基于瞬时无功功率的无功电流检测方法，该方法有p一q和i，一i。两 种检测法，分析了两种方法的具体检测过程及各自的特点，并且提出了一种更理 想的基于瞬时无功功率理论的检测方法，能够更好的测出三相电路的无功电流。 2.6TSC发展动向

晶闸管投切电容器具有优良的动态无功功率补偿性能。近年来在低压配电网 中得到了迅速的广应用。该技术在以下几个方面的发展动向值得注意:

(1)进一步提高TSC产品的可靠性，降低产品成本。TSC产品是集强电(晶闸管、 电容器等)与弱电(微处理器、存储器等)于一体，它们间的电磁干扰是非常严 重的。合理选择电子器件及设计控制器电路，合理选择检测物理量和控制算法， 进一步提高产品的可靠性和抗干扰能力，减小投切的振荡，降低产品成本，提高 产品的竞争力是今后的一个研究方向。

(2)无功参量的快速检测及控制新方法。快速准确地检测系统的无功参数，是TSC 进行快速动态补偿的前提条件。虽然目前提出了一些检测

(3)研制兼具补偿无功和抑制谐波的多功能产品。TSC实现了电容器快速、无冲 击投切，但当供电系统或负荷中存在大量谐波时，往往由于谐波放大导致电容器 损坏或晶闸管烧毁。研制开发兼有TSC与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波 器(TsF一Thyrist。rswstChedFizter)，将成为改善系统功率因数、抑制谐波、 稳定系统电压、改善电能质量的有效手段〔20]。

(4)高压系统中的TSC技术。由于受到晶闸管耐压水平的限制，目前用于高压系 统的TSC是通过变压器降压接入的，如用于电气化铁道牵引变电所中的TSC。研制 直接接入高压电网进行高压动态无功补偿的装置具有重要意义。该方式的关键问 题是要解决补偿装置可控硅和二极管的耐压，即多个晶闸管元件串联及均压、触 发控制的同步性等。

电对象为:用于去除过零比较后方波负半周的LM324N、SN74HC74双D触发器、 SN74HC86异或门和6N137光祸等; 44444 33333 22222 lllll

图3.3直流电源电路 Fig3.3Thepowereircuit 3.2.2电压检测电路

交流电压的真有效值是通过电路对输入交流电压进行“平方~求平均值

一开平方”的运算得到的。真有效值转换芯片的最大优点是能够精确测量各种电

压波形的有效值，而不必考虑被测波形的参数以及失真。本课题采用AD536A将0‘SV 的交流电压转化成为0‘3V的直流电压，送入DSP，进行模数转换，如图3.4所示。 {{{塑，·啊，，，，，，，，，，，，，，，，，，，， lll型，+。旦」2’’’’’’’’’’’一卜卜韶艾.书一一}}}刃闰2白。吸n3‘‘，’、.’{{{{{{{.vCcNC，长.eeee

111111111111111111卜2于OU门44444444444444444444444“侧NC‘渝weee 砰砰一一一一十十一。。...翻翻.吠吠吠吠吠吠。日‘劝.钾怡‘一一~-门门rrrrr.555{刃闷3+++1月_______444v‘目川冲扩一11广今今 {{{{{{{{{{{{{{{{{肠阴.VCC，，11·15VVVVVVVVVVVVV遭攀兰竺叶门11111 全全全一晰vCc十’’’’’’’’’凡】J516.?????????? 】】O~~~~~~~~~~~~~~~~~~~廿廿廿廿皿皿乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏留留留留留留留 湃湃纵纵纵纵纵 图3.4电压检测电路

Fig3.4Theeireuitofdeteetingvoltage

将交流电压信号经过LM324调理后，送入AD536A进行交直流转换，AD536A的 6脚输出直流信号。经过交流互感器降压后输出的电压范围是O、5V，输出端vout Tsc型无功补偿装置硬件设计

的直流电压范围为0、12.5V。调试时首先调节可变电阻R25，使经过两级LM324调 理后的电压为4.242V，输出端vout再加一组调理电路，使得输出的直流电压值为 3V，可变电阻R26用于调节输出零位。 3.2.3电流检测电路

电流检测电路的原理与电压检测相似，其检测电路如图3.5所示。 LLLLLLLLLLLLLLLLLVVVVVVVVVin+Veeee

NNNNNNNNNNNNNNNNNNNcNeee2222222222222-甲eeNccc IIIllllll一1，事事CavNeee ，，，，，dBCO...

VVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVout凡凡 IIIIIIIIIIInIouttt

图3.5电流检测电路

Fig3.5Theeireuitofdeteetingeurrent 3.2.4相角检测电路

图3.6所示为系统的相角检测电路，系统电压和电流信号经过零检测电路处

理，变为幅值为4v的方波信号，其中，电压信号经过RC滤波后送入芯片SN74HC74 双D触发器的CLKI脚;电流信号经过RC滤波分为两路，其中一路直接进入SN74HC86 芯片的引脚1，另一路经过一个RC充放电延时和IN4O07去负半波的处理后，送至 SN74HC86的引脚2，经过异或操作后由引脚3输出经SN7404反相后，送至SN74HC74 的清零端CLRI，完成清零操作，从而获得与电压信号的相位延迟，最终，由SN74HC74 的D端输出相角的方波波形;SN74HC74双D触发器的CLKZ，输出送入DSP的捕获 单元，对其进行上升沿捕获，获得相角值。图3.7为用PsPi。e仿真电压过零检测 前和后的波形。

3.3电容器投切控制电路

3.3.1光祸控制电容器投切电路

图3.8所示为用光祸Moc3O61一M控制的电容器投切控制单组电路。当DSP发 出投切电容指令时，光祸控制双向可控硅导通，将电容器投入系统运行。

Moc3061一M是过零触发双硅输出光祸，它集光电隔离、过零检测、过零触发等 功能于一身，避免了以往电路为了保证过零触发都要设计复杂的过零检测、触发 电路的弱点，具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、无噪声、易检修等优点〔门。 DSP发出投切电容指令时，作用于1、2脚，其最佳触发电流为10、15mA;光祸控 制双向可控硅导通，将电容投入电路运行。

图中R1是作为触发器输出的限流电阻;另外，在高电感性负载时，用来防止

双向可控硅驱动器受到损坏。R2是门级电阻，当可控硅灵敏度较高时，门级阻抗 也很高，并上R2可提高抗干扰能力。R3和Cl是针对电感性负载而设计的缓冲网 络电路。因为对于电感性负载，电流与电压之间将发生相位移动，从而当电流降 到维持电流以下时，双向可控硅两端依然存在一定的电压，如果电压出现的太快， 可控硅会失去控制而继续导通。图中的L以D为电容器，该电路共有四组， 量按照1: 这样只需4

2:4:8的比例进行分组投切，可实现16级组合，若是15kvar 电容容 电容，

组就可以达到Ikvar的级差，而等容分组方式则需要分成巧组才能达

到Ikvar的补偿级差。这种不等容分组虽然软件稍微复杂，但却大大节省了电容 器所占的空间，而且还节约了电容器投切开关的数量，这样在实现了较高的补偿 精度的同时，还大大节约了补偿装置的成本。 投切控制主回路电路如图3.9所示:

DSPTMS320F2808输出电压为3.3V，受其最大输出电流4mA的限制，采用四

路LM324构成的电压跟随器，提高其带载能力，选择Moc3061一M输入电阻为330 欧姆，这样，将输入电流限定在10mA左右，正符合Moc3061一的最佳触发电流。 当正向电流流过1、2端时，即完成触发过程，因为其内置过零检测电路的作用， 当4、6端电压过零时(按照图中接法，该时刻即为电网电压过零时刻)，双向可 控硅触发导通，接入相应电容器组;当1、2端去除触发信号时，右端电路同样受 内置过零检测电路的作用，待电网电压过零时，BT139一600E关断，切除相应电容 器;正是基于这样一个投切的操作过程，来自DSP的指令以编码的方式送入四路 电压跟随器，按照核算的无功功率投切相应电容器组。 3.3.2投切电容量的计算

电容器的补偿容量与采用的补偿方式、未补偿时的负载情况、电容器接法等

有关。在本系统中采用分组补偿方式，一般按提高功率因数的需要确定补偿容量。 例如，将平均功率因数从cos甲，提高到cos甲2，则需要装设补偿无功功率的电容器 补偿容量为:

Qc=Qc，一QcZ=Ullsin甲，一Ulzsin甲2=凡tan甲，一凡tan叭 =凡(加叮甲，一tan甲2)=a只。匆。 (3.1)

其中:匆。=tan甲，一tah甲2—补偿率(或比补偿容量，单位:kvar/kw)，它

表示要使Ikw的有功负荷的功率因数由cos甲1提高到cos甲:，所需要的无功功率补 偿容量kvar值。 a— 平均负荷系数。

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