基于DSP的低压终端无功补偿仪的研究

【摘要】本课题的选题是根据四川省科技厅科技支撑项目“低压终端自动无功补偿仪的研制”而来，主要设计了一种适用于低压电网进行无功补偿的晶闸管投切电容器（TSC）装置，在设计中采用了电压无功复合投切判据，以无功功率作为主判据、电压作为辅助判据，并采用晶闸管与继电器相结合的复合开关作为电容器投切开关。控制器采用TI公司生产的TMS320LF2407A DSP作为控制系统主体，整个装置能够实现无功功率的快速、准确补偿，而且成本低，在低压城网中具有较好的实用性以及广阔的应用前景。

【关键词】无功功率补偿；晶闸管投切电容器；DSP控制器

1.引言

现代电网中，电动机等感性负荷占据很大比重，它们在做工时需要吸收大量的无功功率，实现能量的转换，带动设备做功。这样，电源提供的电功率并不完全供给给有功功率，还要一部分转换为无功功率，这无疑增加了电网电源的负担，降低了供电设备的效率，而且由于线路中无功电流的存在将增大网络损耗，降低输电线的使用寿命，严重影响供电质量。为了解决这一问题，我们设计了低压终端无功补偿装置，在电路中需要消耗无功功率的地方提供无功功率，即对无功功率进行补偿[1-3]。

2.无功补偿技术的有关理论分析

2.1 TSC型无功补偿装置的工作原理

图2-1给出了TSC型无功补偿装置的系统模型，其中2个反并联晶闸管作为补偿电容器的投切开关。首先，交流电源US经变压器PT和线路电抗XL后对负载供电，负载端电压为U2，负载电流为I，IP和IQ分别成为正弦电路中的电流有功分量和无功分量。在负载处经晶闸管开关T接入一个补偿电容器C，电容抗为XC=1/（2πfC），若选取C的大小使IC等于负载感性电流IQ，即：

，同时，IC为容性电流，超前电压U290°，-IC即为感性电流，滞后U290°，与负载感性电流IQ同相，这样，按上式选择电容C，负载的感性电流IQ的大小和幅值都等于电容器向电网输出的感性电流-IC，电容器C输出的无功功率抵消掉了负载消耗的无功功率，因此，整个电路中只有有功电流在流动，没有无功电流的损耗，负载的功率因数接近于1，这样就提高了电能的利用率，降低了电能在输送过程中造成的浪费。

2.2 无功补偿控制方式的研究

传统的无功补偿装置依靠单一的物理量作为参考量，难以实现精确的控制，本设计中，为了满足控制的需要，做到精准无误的控制，我们选择性能较好的两种控制方式相结合，即以无功功率为主要判据、电压为辅助判据的电压无功复合控制方式，利用无功功率校正控制避免投切震荡、以电网电压的限定值作为电容投切的约束条件，从而实电容器组的智能综合投切，在保证电压在合格的范围内实现无功平衡，既减少了网络损耗，又考虑到了电压质量。

图2-2为控制投切区域图，分为11个区域来进行控制。Q是系统的实际无功功率，U是实际电压值，控制策略中设置了两级电压门限和一级无功门限，分别是：电压上限U上限和下限U下限；电压上极限U上极限和下极限U下极限；无功上限Q上限和下限Q下限，当电网电压越上、下极限时，此时不考虑无功功率，投切电容器来改变电压值，使其回到上、下限之间，只有当电网电压在合格范围内才根据无功值来投切电容器，调节网络无功。

2.3 有关补偿电容器分组方法的研究

本设计中电容器的分组方式采用不等容分组方式。不等容分组方式是指各组电容器的容量不相等，分组容量比不宜过大，以不超过1：3为宜。例如：可以补偿15kvar无功容量的电容，按照1：2：4：8的比例来分，每组补偿容量分别为1kvar、2kvar、4kvar、8kvar，就可实现15级组合，分成4组就可以实现0～15kvar补偿级差为1kvar的无功补偿。这种分组方式补偿速度快，精度高，同时也节省了电容器投切开关的数量，降低了成本；缺点是只要最小一组容量能够进行投切，则总是对该组进行操作，以此类推，顺序操作，结果最小一组电容器频繁进行投切，使用寿命最短，且其控制也比较复杂。

本设计选用四种电容器，电容大小分别为60uf，30uf，15uf，8uf，当在220V工作电压下的容量分别为9043var，4521ar，2260var，1205var，这样可以补偿的无功功率最大可达到17030var。这四种电容器组可以实现0到17Kvar的补偿，可以分为15级调节控制。虽然软件控制较复杂，但可以节省投切开关的数量，减少了补偿装置的成本。

3.无功补偿装置的硬件设计

本课题设计的是基于DSP控制的晶闸管投切电容器（TSC）型无功补偿装置，其控制器采用DSP[4]为核心控制器，采用了集中补偿方式，装配在配电变压器低压母线上，对配电变压器所带的整个区域负荷进行补偿，利用电压无功复合投切判据来判定电容器组的投切，投切开关选用晶闸管与继电器结合使用的复合开关。其硬件原理结构框图如图3-1所示，主要包括控制器模块，电压、电流检测调理模块，脉冲驱动电路模块，复合开关模块以及通讯、存储模块几部分组成。

3.1 复合开关电路设计

复合开关是电容器组的投切开关，本设计采用晶闸管与继电器相结合的方式来执行电容器组的投切，如图3-2所示，晶闸管与继电器并联，L1的作用是抑制电容投切时对晶闸管产生的冲击影响。当需要补偿无功时，应当将电容器并入电网，此时控制器发出该控制信号，并给晶闸管和继电器同时发送一个闭合驱动信号，由于晶闸管的响应速度比继电器快，故上半回路先导通，电容器立即投入电网补偿无功，延迟一段时间后，继电器闭合，此时，上、下回路都导通，只需要给晶闸管发送一个关断信号切断上回路即可；当需要将电容器从电网去除时，控制器发出该控制信号后，此时，只有继电器下回路导通运行，只对晶闸管发送接通脉冲信号，上下回路同时导通，然后对继电器发送关断信号，延迟一段时间后下回路断开，此时只有上回路导通，最后对晶闸管发送关断信号，两回路都关断，电容器组切除。

3.2 复合开关驱动电路设计

由于控制电路输出的PWM控制信号驱动能力有限，不足以直接驱动复合开关的开通或者关断，因此在主电路和控制电路之间还需要加入驱动电路。驱动电路作为整个硬件电路的重要一环，其良好的性能可以加快复合开关开断的速度，减少开关过程中产生的损耗，提高整个装置的工作效率，保障设备安全可靠运行。

本设计所选用的复合开关属于电压驱动型器件，既需要为其提供开通控制信号，也要提供关断控制信号，以保证它能按照要求可靠地开通或关断，所以我们选择6N173光耦合器来驱动复合开关的开通或关断，电路如图3-3所示。

DSP控制器将调理后的电流、电压等信号进行运算处理，得到三相投切控制信号并进行各相同步，然后发出控制脉冲控制驱动电路来驱动继电器与晶闸管进行开断，从而达到投切电容器组的目的。5V电压驱动晶闸管输入，15V电压驱动继电器输入。

4.无功补偿装置的建模仿真

根据无功补偿装置的硬件设计，我们对其设计电路进行仿真验证，模拟硬件电路的运行结果，根据仿真结果来分析硬件电路是否满足要求，若不满足则对硬件电路进行修改，重新设计并更改参数然后再进行软件仿真，如此反复直至达到设计目标。

本课题的主要目的是设计一种无功补偿装置能够补偿电网中的无功功率，使得电源的电功率尽可能全部地提供有功功率，这就要求网络中没有无功电流的流动，功率因数趋近于1。图4-10为补偿前后无功、有功功率的变化波形图，上方波形为有功功率补偿前后的变化波形，单位为（Kw），下方波形无功功率补偿前后的变化波形，单位为（Kvar）。为了观察对比补偿效果，我们在0.1秒后投入补偿装置，可以发现在0.1秒前，有功、无功功率波动频繁，投入补偿装置后，有功功率逐渐趋于稳定，无功功率也逐渐趋近于0值，说明该补偿装置补偿效果明显，能够达到理想的补偿效果，但是观察到网络中的无功功率明显提高，而有功功率提升效果不明显，说明该装置能够补偿网络中的无功，但不能有效的提高有功功率，提升电压的利用率，所以该装置还有待改进。

5.结论

本文设计的无功补偿装置是基于TSC型的低压终端无功补偿器，利用DSP控制器来完成整个系统的数据处理与计算、控制信号发出、与外界通讯等功能，根据检测的三相电路中的电压、电流等信号进行数据运算与处理，计算出网络中需要补偿的无功功率，再由控制器发出控制信号来执行电容器组的投切，调节网络无功。

该补偿器能快速跟踪电网负荷的突变，根据电网无功的需求适当补偿电容器，随时保持最佳馈电功率因数，实现动态无功补偿，同时，投切过程不产生谐波，对原电网的干扰小，成本低，自身能耗小。但是，由于TSC型补偿装置是分级式补偿，可能产生补偿死角，不能连续调节无功功率，在电网不稳定时还可能出现投切震荡，所以，TSC装置一般与TCR补偿装置组合[5-6]，这样即可以实现连续的无功调节，同时大大减小了谐波，因此，该设计还需要一定的改进和完善。

参考文献

[1]刘智勇，余志东.无功功率补偿技术及发展趋势[J].农村电气化，2004（6）：9-10.

[2]谷永刚，肖国春，裴云庆等.晶闸管投切电容器（TSC）技术的研究现状与发展[J].电力电子技术，2003.37（2）：85-88.

[3]邓彦国.智能低压无功补偿装置的研制[D].北京交通大学硕士学位论文，2007，3.

[4]赵世廉.TMS320X240x DSP原理及应用开发指南[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[5]国海，李咏鹿.无功补偿方案的确定及其问题的解决[J].现代农业科技，2006.11：162-163.

[6]高宇英，刘乾业.智能型低压无功补偿装置若干问题的探讨[J].电力电容器，2002（2）：44-45.

作者简介：

任琳（1987—），女，硕士，现就读于电子科技大学自动化工程学院，研究方向：控制理论与控制工程。

王冰峰（1965—），男，副教授，现供职于电子科技大学自动化工程学院，研究方向：电气传动系统及其控制、电力系统自动化。