摘 要:基于大功率全控型電力電子器件GTO的靜止無功補(bǔ)償裝置具有自關(guān)斷特性，在以DSP控制技術(shù)的支持下，通過實時檢測電網(wǎng)無功功率的變化，自動發(fā)出GTO通/斷控制脈沖，快速投切電容器，實現(xiàn)對供電線路無功功率的跟蹤調(diào)節(jié)。該裝置比普通晶閘管補(bǔ)償裝置(TSC)的可靠性高。在實現(xiàn)三相共補(bǔ)與分相補(bǔ)償時，具有響應(yīng)速度快、控制簡單、噪音和損耗小、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡練等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞:全控型電力電子器件GTO; DSP; 功率因數(shù); 靜止無功補(bǔ)償裝置

中圖分類號:TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0160-04

Research of GTO-based Static Var Compensator

WANG Yi-ping

(Xi’an Railway Vocational Technical Institute， Xi’an 710014， China)

Abstract: A static var compensator based on high-power full-controlled power electronic device GTO has the self-shutdown feature. Supported by DSP control technology， any change of reactive power in the power grid can be detected in real-time， and sent to GTO automatically with on-off control pulse to achieve the tracking and adjusting of reactive power in the supply line. The device has a higher reliability than the ordinary thyristor compensator(TSC). It provides the advantages of fast response， simple control scheme， low noise， low loss， high reliability and so on if the compensations of three phases and single phase are realized.

Keywords: full-controlled power electronic device GTO; DSP; power factor; static var compensator

0 引 言

低壓電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償?shù)幕痉椒ㄊ峭ㄟ^投切電容器或者電抗器，使感性負(fù)載或容性負(fù)載引起的無功需求予以就地平衡。補(bǔ)償裝置中投切開關(guān)以及控制方式的技術(shù)性能是成套裝置質(zhì)量的核心。

目前低壓電力無功補(bǔ)償裝置大多采用交流接觸器(有觸電開關(guān))和反并聯(lián)普通晶閘管、固態(tài)繼電器(無觸點開關(guān))作為投切開關(guān)。交流接觸器投切過程涌流大、操作過電壓高、觸頭易燒損，影響電容器的使用壽命和補(bǔ)償裝置的可靠性。以普通晶閘管(SCR)或固態(tài)繼電器為投切開關(guān)的低壓無功補(bǔ)償裝置(TSC或SVC)，雖然具有投切速度快、可頻繁投切、投切過程無涌流等優(yōu)點，但因普通晶閘管是半控器件，在遭遇電網(wǎng)浪涌沖擊和諧波干擾時，由于不能及時關(guān)斷而極易燒損并對電容器造成危害。所以由晶閘管取代交流接觸器成為低壓無功補(bǔ)償裝置的主選開關(guān)還沒有成為現(xiàn)實。除了價格因素外，實際運(yùn)用中存在易燒損現(xiàn)象也是制約其發(fā)展的原因之一[1]。

隨著大功率全控型電力電子器件GTO、IGBT、及IGCT的運(yùn)用，特別是脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)、四象限變流技術(shù)的完善，全控型電力電子器件用于交流電子開關(guān)顯示出技術(shù)先進(jìn)性。以GTO作為無功補(bǔ)償裝置的投切開關(guān)，既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點，還克服了普通晶閘管上述缺陷，是理想的低壓電力無功補(bǔ)償裝置的開關(guān)器件。

采用GTO無功補(bǔ)償裝置，在主電路構(gòu)造、投切方式、控制電路設(shè)計等方面除吸收TSC裝置的技術(shù)優(yōu)點外，還充分發(fā)揮了全控型器件在開關(guān)性能方面具有可關(guān)斷的特點，具有電路簡練、制造成本低、可靠性高等技術(shù)優(yōu)勢。這種由電力電子器件開關(guān)GTO來實現(xiàn)無功調(diào)節(jié)的無功補(bǔ)償裝置已得到推廣使用。

1 GTO無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計

1.1 主電路

電網(wǎng)三相負(fù)載不平衡在實際中是普遍存在的。因此補(bǔ)償裝置主電路采取了以三相共補(bǔ)為主，三相分補(bǔ)為輔的復(fù)合結(jié)構(gòu)。三相共補(bǔ)電容器采取三角形接法，按1，2，2方式編組，即第二組及之后的電容器容量均為第一組電容器容量的2倍，可形成2N-1級投切。例如三組電容器，就可組合為5級投切。三相分補(bǔ)電容器為星型接法，每一組電容器都由一套開關(guān)組件控制。

一套開關(guān)組件(GTO開關(guān)組件)由兩只反并聯(lián)的GTO器件、RC吸收模塊及過零模塊組成。低壓電網(wǎng)線電壓最大值與電容器充電電壓最大值疊加后瞬間可達(dá)到1 300多伏，因此應(yīng)選擇額定電壓2 600 V以上的GTO器件。由于GTO的可控關(guān)斷特性，可響應(yīng)計算機(jī)的控制而快速關(guān)斷，無需采用強(qiáng)迫換向電路從而使控制電路得以簡化。主電路如圖1所示，工作過程為:

控制微機(jī)根據(jù)實時檢測到的電力線路無功量，以目標(biāo)功率因數(shù)為參照量，選擇1路或n路組合的電容器，觸發(fā)該路的GTO開關(guān)組件使其導(dǎo)通。當(dāng)線路無功量達(dá)到限定值(如cos φ>0.92)時，在門極與陰極間加關(guān)斷脈沖，撤除電容器。遇來自電網(wǎng)的浪涌電流、諧波干擾時，強(qiáng)行關(guān)斷GTO開關(guān)組件。

圖1 GTO無功補(bǔ)償裝置主電路

1.2 零電壓投入問題

在電力無功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行中，投切開關(guān)的投入和切除時刻對開關(guān)器件的安全有很大影響。電容器在切除后重新投入時，電網(wǎng)電壓與電容器殘壓之間存在有數(shù)值差和相位差的時段，因電容器上的電壓不能突變，此時段開關(guān)動作，會承受較大的電流沖擊，同時也對電網(wǎng)產(chǎn)生高頻沖擊(合閘涌流)。有觸電開關(guān)以及普通晶閘管被燒損皆與此有關(guān)。所以GTO的導(dǎo)通應(yīng)選擇在電網(wǎng)電壓與電容器殘壓大小相等、相位一致的時刻，如圖2中的t1時刻[2]。

t1的確定有以下幾種方法:

(1) 增設(shè)放電電阻。電容器被切除后，以較大的RC常數(shù)，加快電容放電速度，當(dāng)電容殘壓降為零后，開關(guān)在電網(wǎng)電壓過零時導(dǎo)通。這種方法的缺點在于放電電阻的接入和撤除應(yīng)與電容的撤除和投入同步，增加了無功補(bǔ)償裝置的控制難度。

圖2 理想投切時刻

(2) 電容器預(yù)充電。電容器在投入前，先充電至電網(wǎng)電壓峰值，開關(guān)在電網(wǎng)電壓峰值時導(dǎo)通。這種方法延長了電容器的投入時間，而且使裝置變得復(fù)雜。

(3) GTO與二極管反并聯(lián)組成開關(guān)組件。在電容殘壓低于電網(wǎng)峰值時，二極管導(dǎo)通，電容器被充電至網(wǎng)壓峰值，開關(guān)在電網(wǎng)電壓峰值時導(dǎo)通。

(4) GTO組件端電壓檢測。當(dāng)GTO組件端電壓為零時，電容殘壓值與電網(wǎng)電壓峰值相等。

圖3中，開關(guān)組件的端電壓檢測信號經(jīng)電阻R降壓后送入光電耦合器，當(dāng)交流電源瞬時值與電容器殘壓相等時，測得的端電壓為0，此時電壓檢測環(huán)節(jié)輸出一個脈沖與微機(jī)導(dǎo)通指令相“與”后，觸發(fā)GTO導(dǎo)通[3]。

圖3 觸發(fā)原理

1.3 GTO開關(guān)組件的關(guān)斷

普通晶閘管在陽極電流過零時關(guān)斷，這種關(guān)斷屬于強(qiáng)迫性關(guān)斷，當(dāng)負(fù)載呈感性時，如果觸發(fā)脈沖過窄或不可靠(α<φ)，開關(guān)組件中一個晶閘管就無法導(dǎo)通[4]，大量的直流分量電流，極易造成晶閘管的燒損。

采用GTO開關(guān)組件，通過門級反向驅(qū)動電路向GTO施加反向關(guān)斷脈沖，在任何情況都能將電容器及時切除。圖3 中t2的位置，是GTO開關(guān)組件的關(guān)斷時機(jī)，與導(dǎo)通不同的是，關(guān)斷脈沖在開關(guān)組件端電壓為零后，應(yīng)選擇電網(wǎng)電流過零點時發(fā)出，這樣可增大GTO的電流關(guān)斷增益βoff，降低門極功耗[5]。

2 控制電路設(shè)計

GTO無功補(bǔ)償裝置控制器，選用TI公司TMS320LF2407A的DSP芯片，采用鎖相倍頻硬件同步的復(fù)序列快速傅里葉變換(FFT)，對三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、諧波電壓、諧波電流等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。

對于三相共補(bǔ)和分相補(bǔ)償，以負(fù)載電路所需的無功功率作為投切控制量，配合多種保護(hù)，實現(xiàn)對電網(wǎng)無功功率的動態(tài)、及時、準(zhǔn)確的有效補(bǔ)償[5]。

2.1 控制裝置的硬件設(shè)計

硬件電路主要由檢測、控制、執(zhí)行和電源等四部分組成。檢測單元對電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，并完成信號的A/D轉(zhuǎn)換;控制單元由DSP芯片完成對采樣值的運(yùn)算，做出投切決策，輸出投切指令;執(zhí)行單元接收投切指令后通過與過零觸發(fā)模塊與運(yùn)算，控制GTO組件的導(dǎo)通和截止。硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)

2.2 控制芯片及外圍電路

TMS320LF2407A是美國TI公司DSP芯片，采用增強(qiáng)的C2xx CPU內(nèi)核結(jié)構(gòu)，代碼與24x系列的芯片兼容。與24x系列的DSP芯片相比，TMS320LF2407A采用3.3 V電源供電，功耗更低;CPU時鐘頻率可達(dá)40 MHz，速度更快;EVM板可對LF2407代碼進(jìn)行全速檢查;其中有544 B的片上數(shù)據(jù)存儲器、128 KB的板上存儲器、片上只讀閃爍存儲器、片上UART和1個MP7680/A轉(zhuǎn)換器、可分別尋址程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器以及I/O各 64位空間和2個事件管理模塊(EVA和EVB)，各有2個16位的通用定時器;4個擴(kuò)展接口，可提供任何評估電路。TMS320LF2407A中含有1個支持CAN 2.0B協(xié)議的CAN控制器，支持標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展標(biāo)識符，支持兩種信息幀格式(數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀)，可自動應(yīng)答遠(yuǎn)程幀的請求，當(dāng)出現(xiàn)錯誤或仲裁失敗時，具有自動重發(fā)數(shù)據(jù)功能。

本控制器采用的TMS320LF2407A微處理器主要包括以下功能模塊[6]:

1個32位的中央算術(shù)邏輯單元(CALU);

1個32位的累加器(ACC);

CALU的輸入和輸出定標(biāo)移位器;

1個乘積定標(biāo)移位器(PSCALE);

8個輔助寄存器(AR0~AR7);

1個輔助寄存器算術(shù)單元(ARAU)，該模塊提供了靈活而強(qiáng)大的間接尋址能力;

2個狀態(tài)寄存器ST0和ST1，它們包含有決定處理器工作方式、頁地址指針值以及指示處理器不同條件和算術(shù)邏輯運(yùn)算結(jié)果的位。

TMS320LF2407A的16×16位乘法器是由寄存器TREG，PREG和1個硬件乘法器構(gòu)成的，其中TREG是臨時寄存器，在作乘法運(yùn)算時用來存儲一個乘數(shù)，而PREG則是結(jié)果寄存器，存儲乘法運(yùn)算所產(chǎn)生的結(jié)果;

TMS320LF2407A具有8級硬件堆棧，當(dāng)子程序調(diào)用或中斷發(fā)生時，程序地址產(chǎn)生邏輯把堆棧用于存儲返回地址或其他的一些參數(shù);當(dāng)子程序調(diào)用或中斷服務(wù)子程序完成時，返回指令將從堆棧頂返回地址或參數(shù)送到CPU寄存器中去。

2.3 電壓電流采樣電路

由于TMS320LF2407A只能識別0～3.3 V信號，三相電壓、電流需經(jīng)高精度互感器線性衰減再經(jīng)抗混疊濾波器濾波后，再疊加一直流偏置電壓將雙極性信號轉(zhuǎn)換單極性信號，輸入到DSP的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換?？够殳B濾波器的作用是使輸入信號滿足奈奎斯特采樣定律，提高FFT的運(yùn)算精度。本裝置的采樣頻率為3.2 kHz。

2.4 鎖相環(huán)電路

鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop)是由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)和壓控振蕩器(VCO)三部分構(gòu)成的一種信號相差自動調(diào)節(jié)反饋電路(環(huán))。

被測的電網(wǎng)信號經(jīng)過低通濾波和滯回比較器整型，輸出信號再與壓控振蕩器輸出的經(jīng)過分頻器分頻的信號在鑒相器內(nèi)進(jìn)行相位比較。鑒相器輸出直流信號的幅度與相位差成比例。鑒相器的輸出經(jīng)低通濾波后控制壓控振蕩器的頻率，使壓控振蕩器的頻率經(jīng)分頻器分頻后向被測信號的頻率靠攏，直至頻差消失，環(huán)路鎖定。壓控振蕩器輸出頻率是被測信號頻率的N倍，用壓控振蕩器的輸出去控制采樣及A/D轉(zhuǎn)換，可使N個采樣點均勻分布于電網(wǎng)的一個整周波，實現(xiàn)無相位差同步采樣[7]。

2.5 人機(jī)界面

人機(jī)界面包括兩部分，即鍵盤輸入和液晶顯示器(LCD)。

補(bǔ)償裝置的電容分組數(shù)、各組容量、過電壓值、欠電壓值、CT、目標(biāo)功率因數(shù)、投切延時等限定參數(shù)皆可由鍵盤直接輸入。

LCD點陣數(shù)為64行128列，DSP通過數(shù)據(jù)總線傳送顯示字符，地址總線傳送控制信號，利用外部I/O空間選通引腳提供LCD使能信號。

由于LCD與DSP電源不匹配，需要3.3 V/5 V的電平轉(zhuǎn)換，為匹配兩者的速度，還應(yīng)使用鎖存器。

3 軟件設(shè)計

圖5為控制軟件的功能模塊框圖。

3.1 主程序

主程序協(xié)調(diào)各模塊的運(yùn)行，完成系統(tǒng)的初始化、驅(qū)動LCD循環(huán)顯示等功能。采用C語言編程，以提高代碼的運(yùn)算效率，滿足實時性要求[8]。

圖5 軟件功能模塊

3.2 采樣中斷模塊

圖6為采樣中斷流程圖。程序在A/D中斷后，由DSP讀取采樣值，待一個周期數(shù)據(jù)采樣結(jié)束后，開始FFT運(yùn)算。為減少乘法運(yùn)算次數(shù)，簡化邏輯關(guān)系和易于編程，本裝置采用基2算法。FFT由反序運(yùn)算和蝶形運(yùn)算組成。反序運(yùn)算按碼位倒置的原理來實現(xiàn)，作為蝶形運(yùn)算的先決條件。為避免數(shù)據(jù)溢出，對蝶形運(yùn)算的中間結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。程序采用匯編語言，充分利用了DSP反序間接尋址和間接尋址方式。

圖6 采樣中斷流程

3.3 投切控制模塊

根據(jù)檢測到的線路無功需量，按照單相最低需求量進(jìn)行三相共補(bǔ)，然后取平補(bǔ)齊，進(jìn)行分相補(bǔ)償[9]。

補(bǔ)償量以給定的目標(biāo)功率因數(shù)為限值，功率因數(shù)接近1時，退出一級，并進(jìn)行投切信號封鎖，經(jīng)一段延時后，解除封鎖，防止過補(bǔ)和投切振蕩[10]。

3.4 程序抗干擾及保護(hù)設(shè)計

抗干擾的主要措施是:利用定時器實現(xiàn)Watch-dog功能;采用程序冗余技術(shù)設(shè)置軟件陷阱，在EPROM中將剩余區(qū)寫入跳轉(zhuǎn)到程序入口的指令，一旦程序跑飛，跳轉(zhuǎn)至主程序;在初始化子程序中，關(guān)斷GTO，撤除電容。

當(dāng)電網(wǎng)某相電壓過壓、欠壓、缺相或諧波超限時，迅速關(guān)斷GTO，以保護(hù)電容器不受損壞[11]。

4 結(jié) 語

(1) 以GTO開關(guān)組件為投切開關(guān)的低壓電力無功

補(bǔ)償裝置，利用GTO門極關(guān)斷特性實現(xiàn)電力電容器的

快速、頻繁投切。在電網(wǎng)浪涌電流、電網(wǎng)電壓波動以及諧波干擾出現(xiàn)時，可迅速關(guān)斷，及時撤除電容器，從而提高了低壓無功補(bǔ)償裝置的可靠性。

(2) 以DSP控制技術(shù)為核心的控制器，對電網(wǎng)用電參數(shù)進(jìn)行實時檢測，在數(shù)據(jù)處理上簡化邏輯關(guān)系，編程簡單[10]。能跟蹤電力線路無功功率的變化，動態(tài)投切電容器，三項共補(bǔ)與分相補(bǔ)償相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，保證持續(xù)最佳功率因數(shù)(0.92～1.0)而不發(fā)生投切振蕩和無功返送。

(3) DSP控制技術(shù)與電壓過零控制技術(shù)相結(jié)合，安全可靠地控制GTO導(dǎo)通和關(guān)斷。提高無觸點開關(guān)的可靠性，簡化主電路元器件配置。

(4) 本文設(shè)計的低壓電力無功補(bǔ)償裝置，可用于集中補(bǔ)償、就地補(bǔ)償。成套裝置既可做成電容補(bǔ)償屏也可做成小型補(bǔ)償柜，可單臺獨(dú)立補(bǔ)償，也可聯(lián)柜運(yùn)行。

(5) 按照本設(shè)計制造的低壓無功補(bǔ)償裝置，已在鐵路、油田、工礦企業(yè)等單位投入運(yùn)行，負(fù)荷多為電機(jī)等沖擊性負(fù)荷，該裝置運(yùn)行可靠，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求。

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