摘 要：針對無功補償九域圖控制策略存在的問題，首先給出一種基于模糊控制理論的九域圖控制方法;同時設計了一套基于DSP的中高壓TSC無功補償裝置，該裝置能根據(jù)電網(wǎng)的無功情況實時投切電容器，并能實時顯示功率因數(shù)和溫度等參數(shù)，還可將備份數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端;最后結(jié)合硬件電路進行了相應軟件的設計。

關鍵詞：TSC無功補償;模糊控制策略;投切電容器組

0? ? 引言

為中高壓電網(wǎng)設計高性價比的無功自動補償設備是社會發(fā)展的需要，而其控制策略的選取也是一個非常值得研究的課題[1]。本文著重對晶閘管投切電容器組（TSC）進行研究，TSC裝置主要由電容器組和大功率的晶閘管構(gòu)成，當用戶（或負載）有無功需求時，電容器組能及時被投放到系統(tǒng)中進行無功補償;當用戶（或負載）無功需求減小時，電容器組能及時地被切除，從而達到無功補償?shù)哪康摹?/p>

采用TSC對任意時刻的無功需量進行精確補償并不可行，一定范圍的無功存在是合乎實際的。實際應用的TSC無功補償裝置大多采用多組電容器進行投切工作，通過電容器組搭配的不同而形成不同的補償級數(shù)，根據(jù)不同的無功負荷選取不同級數(shù)的電容器組動作。

1? ? TSC動態(tài)無功補償控制策略的選取

1.1? ? 傳統(tǒng)九域圖控制策略的缺點

使用九域圖控制策略投入某組電容器后，電壓和無功會超過規(guī)定的上限，從而造成往復的“投切振蕩”現(xiàn)象。目前普遍采用的控制方式是“先投后切，后投先切”，電容器組投切積累的熱量短時間內(nèi)不易散發(fā)出去，這就影響了排序在前的電容器組的使用壽命;而排序在后的電容器組的投切開關經(jīng)常處于動作狀態(tài)，大大縮短了投切開關的使用壽命[2]。

1.2? ? 基于模糊控制理論的九域圖控制方法

具有自適應能力的模糊控制恰能彌補傳統(tǒng)九域圖的不足，避免精密的、反復的控制。由于檢測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)是分段進行的，因此模糊控制的過程也是分段進行的，每次采集完數(shù)據(jù)都要進行模糊處理和決策，如此循環(huán)下去，完成模糊控制的全過程[2-3]。

無功補償模糊控制器的設計步驟如下：

1.2.1? ? 選定控制論域及隸屬度函數(shù)

選定電網(wǎng)電壓偏差的模糊集ΔU={NB，NS，ZO，PN，PS}，這里NB，NS，ZO，PN，PS分別表示電壓的偏差為負大、負小、合格、正小、正大，從而可確定ΔU的論域集為X1={-5，…，0，…，+5};同理可以選定電網(wǎng)無功偏差的模糊集ΔQ={NB，NS，ZO，PN，PS}，從而可確定ΔQ的論域集為X2={-5，…，0，…，+5};選取電容器組和變壓器的輸出變量模糊集YC={N，Z，P}、YU={N，Z，P}，從而可確定其各自的論域集為Y1={-3，…，0，…，+3}、Y2={-3，…，0，…，+3}。上述集合中的負號表示切斷電容器組或調(diào)變壓器降壓的模糊程度，0表示電容器組或變壓器不動作，正號表示投入電容器組或調(diào)變壓器升壓的模糊程度。通過反復校驗選定的梯形分布隸屬函數(shù)更符合無功模糊控制的特點。

1.2.2? ? 選定TSC無功補償控制規(guī)則

根據(jù)TSC無功補償控制的實驗結(jié)果，給出無功補償?shù)淖儔浩髡{(diào)壓和電容器組投切控制規(guī)則如表1和表2所示。

2? ? TSC動態(tài)無功補償硬件電路的設計

TSC無功補償系統(tǒng)采用TMS320F28335（DSP）作為主控芯片，其工作原理為：通過對母線電壓、電流進行單相或三相采樣，將采樣到的數(shù)據(jù)送到DSP的AD口中，經(jīng)過數(shù)字信號處理和轉(zhuǎn)換后送到存儲器寄存和PC端并通過液晶屏顯示出來，根據(jù)控制策略調(diào)節(jié)變壓器的電壓并觸發(fā)相應的晶閘管投切電容器組，從而達到無功補償?shù)哪康腫3]。

2.1? ? 電壓和電流采樣電路

本文主要對6 kV中高壓電網(wǎng)進行無功補償，需要進行電壓和電流采樣，其電路如圖1所示，通過調(diào)節(jié)電阻R2-4和R2-5可使采樣電路保持對稱，通過調(diào)節(jié)電阻R2-4、R2-5和使OPA27工作在單電源模式下，可使放大器的輸出電壓在0～3.3 V之間。

2.2? ? 晶閘管觸發(fā)電路

在實際的中高壓無功補償應用場合中，往往將多個晶閘管串聯(lián)起來達到更高的耐壓等級，這種補償?shù)年P鍵技術在于實現(xiàn)多個串聯(lián)晶閘管的同時觸發(fā)，其觸發(fā)電路如圖2所示。

在過零檢測電路中，通過TLP521光耦和74HC04D來產(chǎn)生電壓過零信號，以此控制晶閘管的導通。當主晶閘管的左端晶閘管導通時，高壓側(cè)的能量將通過R7-4、C7-2和D7-2給C7-4充電，充電電壓一旦超過D7-1的穩(wěn)壓幅值時，D7-1將被擊穿，同時會觸發(fā)SCR1，導通后的SCR1將C7-3短路，C7-4因此而停止充電，完成了高位取能充電的過程[4]。

過零檢測電路輸出的方波信號送到DSP的IOPE0口中，會產(chǎn)生與晶閘管兩端電壓對應的脈沖信號，DS75451與門和Q7-1給光纖提供足夠強度的電流，使脈沖信號能夠在光纖里順利地傳輸和足夠可以驅(qū)動晶閘管。

2.3? ? 補償裝置鍵盤設定與顯示電路

TSC無功補償鍵盤設定與顯示電路如圖3所示，鍵盤電路有切換鍵、設定鍵、上調(diào)鍵、下調(diào)鍵和確定鍵，通過切換鍵可以對當前電容器組和晶閘管的顯示溫度進行切換，通過設定鍵和調(diào)整鍵可設定電容器組和晶閘管溫度的上限值，設定完上限值后按下確認鍵可返回溫度顯示狀態(tài)。液晶顯示電路與DSP進行并行通信，可顯示電網(wǎng)當前的電量參數(shù)和電容器的投切狀態(tài)。IOPB0～IOPB7為液晶模塊的數(shù)據(jù)線，IOPD7、RS、R/W為控制線。

2.4? ? 與PC機通信及存儲電路

由于無功補償系統(tǒng)需要對運行數(shù)據(jù)進行備份、傳輸和分析，因此有必要設計與PC機通信及存儲電路，如圖4所示。DSP通過IOPB0給AT24C64提供合適的時鐘，然后將數(shù)據(jù)存入指定地址，當AT24C64電源掉電時，會自動保存DSP內(nèi)部RAM中的重要數(shù)據(jù)，從而保證了存儲數(shù)據(jù)的完整性。DSP可將存儲的數(shù)據(jù)送到上位機（PC端）。

3? ? TSC動態(tài)無功補償程序的設計

無功補償控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示。DSP讀取電網(wǎng)電壓和電流的瞬時值，并計算出無功功率和功率因數(shù)等數(shù)值，同時根據(jù)電網(wǎng)運行的無功情況，采用模糊控制策略來投切電容器組和溫度保護單元，以保護電容器組安全運行。

4? ? 結(jié)語

無功補償是目前應用比較普遍的一種技術，本文選取了靜止無功補償器類型中的晶閘管投切電容器進行研究，給出了基于模糊控制理論的無功補償控制策略，設計了一套基于DSP的智能化TSC無功補償裝置，可以根據(jù)實際的無功需要，通過組合不同的電容器自動進行無功補償。

[參考文獻]

[1] 蘇再道，方益民，劉言偉.TSC型無功補償技術的研究[J].通信電源技術，2016，33（4）：17-19.

[2] 李升.基于九區(qū)圖的變電站電壓無功控制策略研究[J].冶金動力，2004（5）：3-6.

[3] 高梓維.中低壓配電網(wǎng)無功電壓補償協(xié)調(diào)優(yōu)化方法的研究[D].沈陽：沈陽工程學院，2019.

[4] 陳夢云.模塊化TSC無功補償裝置研究與設計[D].淄博：山東理工大學，2018.

收稿日期：2020-04-15

作者簡介：王騰飛（1981—），男，山東煙臺人，講師，研究方向：永磁同步電機控制和無功補償。