基于TSC的静止无功补偿器设计

基于TSC的静止无功补偿器设计

摘要

本文提出了以静止无功功率理论为基础的晶闸管投切电容器(TSC)技术，并重点讲述了TSC型无功功率补偿技术的原理和投切时刻。TSC型无功功率补偿装置是静止无功补偿器(SVC)的一种，是低压无功补偿的首选方式，它本身不产生谐波、控制灵活、损耗小、运行维护费用低、可靠性高。同时对无功功率补偿方案进行了设计，本设计中采用低压集中补偿方式，电容器为不等容分组，接线方式运用星形连接，在投切控制方式上，采用电压-无功功率复合控制的策略，避免了投切判定单一带来的投切振荡问题。

本文设计的是晶闸管投切电容器型(TSC)无功功率补偿装置，其硬件设计包括主电路和控制电路的设计，主电路的硬件主要包括：电容器组、双向晶闸管、触发装置、保护电路等。控制电路的硬件主要包括：控制芯片嵌入式STM32、互感器模块、信号前置处理模块、模数转换模块AD536A、显示模块等。除此之外本文还给出了大量的硬件原理图和程序流程图。

关键词：无功功率补偿，晶闸管投切电容器，嵌入式STM32

Abstract

In this Paper,reactive power compensation are firstly introduced including the purpose and signification of the research,the principle of modern reactive compensation technology and comparison of different compensation equipment.the author,in the chapter 2,focuses on the principle and switched time of the Thyristor switched capacitor which(TSC)is a static var compensator based on the theory of the instantaneous reactive power with no harmonic generation,flexibly control,low loss and reasonable cost.The design of TSC system is also given in the chapter 2,including cacentralized compensation,unequal capacity grouping and Y connection.The voltage-reactive power multiplexed control mode avoids the Switch oscillationproblem due to single criterion of switching.

This design is based thyristor switched capacitor (TSC) reactive powercompensation device, the hardware design, including the main circuit and controlcircuit design, the main circuit of the hardware include: capacitor, Triac, triggering device, protection circuit. The hardware controlcircuit includes: controlchipmicrocontroller Embedded STM32, transformer module,signal pre-processing module,analog-digital conversion module AD536A, display module. In addition this also gives a lot of hardware schematics and program flow chart.

Keywords: reactive compensation technology, Thyristor switched capacitor, Embedded STM32

1主电路结构的设计

本课题设计的TSC型无功功率补偿装置，其主电路的结构包括控空气开关、避雷针、双向晶闸管、三相电容器、熔断器、可控开关、触发装置和串联电抗器等，主电路如图1.1所示。

图1.1 TSC主电路结构图

将A、B、C三相中的电流、电压进行采样，得到的采样信号送入控制器，控制器对采样信号进行计算、分析、处理，计算出系统所需要的无功功率，再通过之前确定的控制策略来判定是需要投入(切除)的电容器组数。将投切信号发送给触发装置，触发晶闸管导通或者关断来控制电容器组的投切。以下对主要元件进行功能的介绍：

(1)控制器，主要进行电参数的计算和电容器投切的判断，通过触发晶闸管开关，投切电容器组，其功能的实现将在后面进行详述。

(2)空气开关，又称空气断路器，是整个设计装置的总开关，主要作用是分配电能和保护线路和设备的过载、短路、过电压、欠电压等。

(3)避雷针，主要功能是保护整个装置，防止因雷击过电压而损坏。

(4)电容器，采用低压并联电容器，运用星形连接实现对系统的动态分相补偿。 (5)熔断器，同样是起保护作用，防止整个装置因过电流而损坏。

(6)双向晶闸管，可以认为是一对反并联的晶闸管的集成，有两个主电极和一个门极，门极使器件在主电极的正反两个方向均可触发导通。

(7)触发装置，它将控制器输出的投切信号转化为高频脉冲信号来控制晶闸管的导通与关断。

(8)串联电抗器，抑制电容器的投切涌流，使电容器正常运行。 1.1电容器

本论文根据实际需求，负载容量PC=134kW，对应的平均负载率为0.7。补偿前的功率因数为0.4，补偿后的功率因数为1。由式(2.28)可以确定总的补偿容量QC为：

根据GB50227-2008的规定，单台电容器额定容量选择，应根据电容器组容量和每相电容器的串联段数和并联台数确定，宜在电容器产品额定容量系列的优先值中选取。由于电容

器采用星形联结，单相的无功补偿容量为15kvar，每相的电容器组采用8421原则，则四组电容器的补偿容量为8kvar，4kvar，2kvar，1kvar。根据GB50227-2008的规定，电容器额定电压选择，应符合下列要求：

(1) 宜按电容器接入电网处的运动电压进行计算； (2)电容器应能承受1.1倍长期工频过电压；

(3)应计入串联电抗器引起的电容器运行电压升高。 接入串联电抗器后，电容器运行电压应按下式计算：

式中UC——电容器运行的电压；

US——并联电容器装置的母线运行电压； S——电容器组每相的串联段数； K——电抗率。

电容器选择为250V系列BSMJWX自愈式电压并联电力电容器，适用于工频50Hz或60Hz交流低压电力系统。表1.1所示为电力电容器的参数表，其真实反映了电容器的型号、额定电压、额定电容以及规格。

表1.1电力电容器参数

1.2双向晶闸管

双向晶闸管（Triode AC Switch，TRIAC）是一个三端器件，它有两个主电极T1、T2和一个门极G，触发信号加在T2极和门极G之间，它在正反两个方向的触发电流作用下均可用同一门极控制触发导通。双向晶闸管在结构上可以看作是一对普通逆阻型晶闸管的反并联。双向晶闸管在门极G和主电路T2之间送入正触发脉冲电流（该电流从G流入，从T2流出）或负脉冲电流（从T2流入，从G流出）均能使双向晶闸管导通。根据T1、T2间电压极性的不同以及门极信号极性的不同，双向晶闸管有四种触发开通方式：

(1)主电极T1相对于T2电位为正的情况下，门极G和T2之间加正触发脉冲电流，这时双向晶闸管导通工作在第Ⅰ象限。

(2)主电极T1相对于T2电位为正的情况下，门极G和T2之间加负触发脉冲电流，电流由T2流入，从G流出，这时双向晶闸管导通，也工作在第Ⅰ象限。

(3)主电极T2相对于T1电位为正的情况下，门极G和T2之间加正触发脉冲电流，这时双向晶闸管导通工作在第Ⅲ象限。

(4)主电极T2相对于T1电位为正的情况下，门极G和T2之间加负触发脉冲电流，电流由T2流入，从G流出，这时双向晶闸管导通工作在第Ⅲ象限。

双向晶闸管一旦导通，即使失去触发电压，也能继续维持导通状态。当主电极T1、T2电流减小至维持电流以下或T1、T2间电压改变极性，且无触发电压时，双向晶闸管阻断，

只有重新施加触发电压，才能再次导通。双向晶闸管多被用在交流电路中，正、负半波都工作，其额定电流或额定通态电流不是像二极管和晶闸管那样按正弦半波电流平均值定义，而是用有效值定义的，即额定值为100A的双向晶闸管只能通过100A的有效值电流。而额定电流为100A的二极管、逆阻晶闸管则可通过157A的有效值电流。根据实际需要，单相电容器组的补偿容量分别为8kvar、4kvar、2kvar与1kvar。其对应的补偿电流为：

表1.2双向晶闸管参数选型

1.3保护装置

电容器是整个主电路的关键部分，如果不对电容器采取任何保护措施，电容器会由于自身老化，因过电流、过电压、谐波、温度过高等原因而损坏。一旦出现故障电容器没有及时的从电网中切除，其内部短路产生电弧，使绝缘油升温气化，严重时会引起电容器的爆炸，危害到人身安全。所以，必须对电容器组配备保护装置，以便能快速、准确地将故障电容器从电网中切除。通常情况下会对电容器做以下几种保护措施，如图1.3。

图1.3电容器保护装置结构图

(1)空气开关，空气开关是在引入补偿的A、B、C三相的电源处，单相补偿电容器中的额定电流可由补偿无功电流计算出，即

（2）过电流保护，将熔断器作为电容器的过电流保护，一旦发现有电容器出现故障，它能及时的将故障电容器切除，保证其他电容器不受影响，正常运行。

根据GB50227-2008规定，用于单台电容器保护的外熔断器选型时，应采用电容器专用熔断器。用于单台电容器保护的外熔断器的熔丝额定电流，应按电容器额定电流的1.37~1.50倍选择。现根据电容器组4路不同的电流值选择4种合适的熔断器。

(3)过载保护，设置热继电器，避免电容器长期工作在过负载状态下。热继电器一般是串联于补偿电路中，这样，热继电器便能直接反映其过载电流，合理的选择热继电器可以进行电容器的过负载保护，一般整定为额定电流的1.1~1.15倍。

(4)过电压保护，将氧化锌避雷针作为电容器的过电压保护，可吸收瞬时操作过高压。其工作原理是氧化锌在低压环境时呈高阻态，而在过压时呈通态，从而使与其并联的设备在低压时正常工作，高压时减少流过设备的电流，从而保护了并联的电器设备。

(5)抑制冲击电流，为了抑制电容器在投入系统时可能造成的冲击电流，在每相电容器上串联小电感。 2控制电路的设计

本论文设计的无功补偿控制系统是由互感器单元、信号前置处理单元、模数转换单元、过零比较单元、基于嵌入式STM32的微处理系统、键盘及显示单元。如图2.1所示。

图2.1控制系统框架图

本控制装置嵌入式STM32为控制核心，从主电路中引出电参数，使之依次通过互感器环节、滤波环节、过零比较器/有效值芯片、AD转换器后将参数输入到嵌入式以获取电流有效值、电压有效值和相角差。通过内部计算后得到功率因数和无功功率，将结果显示到液晶

总结与展望

有功平衡和无功平衡是保证电力系统正常运行不可缺少的条件。由于电能的特点要求电网中无功电源发出的无功功率之和等于无功负载消耗的无功功率和在电力传输过程中消耗的无功功率之和。无功补偿的目的就是为了提高功率因数，减少功率的消耗、提高设备的容量、稳定系统电压。在长距离的输电中，减少线路上的无功电流，从而减小了线路损耗，保证了输电系统的稳定性。本文根据无功补偿的传统概念和瞬时无功功率概念搭建出整个补偿装置的框架图。本文从经济效益和性能等方面考虑，主要对系统的硬件电路和软件流程进行设计，都采用具有直观、清晰的模块化设计，包括互感器模块、信号前置处理模块、模数转换模块、过零比较模块、人机交换模块、基于嵌入式STM32的微处理系统、投切控制模块。本文设计的无功补偿装置具有以下几个特点：

(1)考虑到性价比的问题，本文采用低能耗、性能稳定的嵌入式STM32，该芯片处理速度较快、价格低廉。

(2)本系统还可以对电参数如电压、电流、功率因数等进行实时监测，有助于分析电网质量。

(3)在无功补偿控制方式上，采用无功功率-电压复合控制方式，避免了投切判定单一带来的投切振荡问题。

(4)在数据通信方面，采用RS-232串口通信，可以将测量的结果传至上位机，方便工作人员到现场采集数据。

随着电力电子技术(包括器件制造技术、主电路拓扑技术、脉冲调制技术)及自动控制技术、计算机技术、微电子技术及能量储存技术的发展。电力系统的自动化程度也会进一步的提高。本论文设计的无功补偿装置基本上可以满足低压用户对无功的需求，但是由于个人能力有限，研究条件的限制，设计中的控制系统在很多方面都有待改进：

(1)在数据处理方面，可以采用更数据处理更强大、计算速度更快的DSP作为主控制芯片。DSP具有强大的计算功能以及内置10位A/D转换器，可以令数据处理更精确，处理的熟读更快。

(2)在滤波方面，可以采用先进的全相位数字滤波器，保证滤波后不会发生相移。 (3)在控制策略方面，采用人工智能、神经网络等，使无功功率补偿更加可靠。

(4)在通信方面，可以进一步采用现场总线(Filed Bus)、TCP/IP、电力载波等，使其可以进行远程控制。

(5)在智能化方面，使系统具有自诊断、故障恢复与远程升级等功能。

参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jmy2.html