基于GTO的靜止無功補償裝置研究

摘 要:基于大功率全控型電力電子器件GTO的靜止無功補償裝置具有自關斷特性，在以DSP控制技術的支持下，通過實時檢測電網無功功率的變化，自動發出GTO通/斷控制脈沖，快速投切電容器，實現對供電線路無功功率的跟蹤調節。該裝置比普通晶閘管補償裝置(TSC)的可靠性高。在實現三相共補與分相補償時，具有響應速度快、控制簡單、噪音和損耗小、可靠性高、結構簡練等優點。

關鍵詞:全控型電力電子器件GTO; DSP; 功率因數; 靜止無功補償裝置

中圖分類號:TP23 文獻標識碼: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

低壓電網無功功率補償的基本方法是通過投切電容器或者電抗器，使感性負載或容性負載引起的無功需求予以就地平衡。補償裝置中投切開關以及控制方式的技術性能是成套裝置質量的核心。

目前低壓電力無功補償裝置大多采用交流接觸器(有觸電開關)和反并聯普通晶閘管、固態繼電器(無觸點開關)作為投切開關。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償裝置的可靠性。以普通晶閘管(SCR)或固態繼電器為投切開關的低壓無功補償裝置(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點，但因普通晶閘管是半控器件，在遭遇電網浪涌沖擊和諧波干擾時，由于不能及時關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償裝置的主選開關還沒有成為現實。除了價格因素外，實際運用中存在易燒損現象也是制約其發展的原因之一[1]。

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

采用GTO無功補償裝置，在主電路構造、投切方式、控制電路設計等方面除吸收TSC裝置的技術優點外，還充分發揮了全控型器件在開關性能方面具有可關斷的特點，具有電路簡練、制造成本低、可靠性高等技術優勢。這種由電力電子器件開關GTO來實現無功調節的無功補償裝置已得到推廣使用。

1 GTO無功補償裝置的設計

1.1 主電路

電網三相負載不平衡在實際中是普遍存在的。因此補償裝置主電路采取了以三相共補為主，三相分補為輔的復合結構。三相共補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。三相分補電容器為星型接法，每一組電容器都由一套開關組件控制。

一套開關組件(GTO開關組件)由兩只反并聯的GTO器件、RC吸收模塊及過零模塊組成。低壓電網線電壓最大值與電容器充電電壓最大值疊加后瞬間可達到1 300多伏，因此應選擇額定電壓2 600 V以上的GTO器件。由于GTO的可控關斷特性，可響應計算機的控制而快速關斷，無需采用強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:

控制微機根據實時檢測到的電力線路無功量，以目標功率因數為參照量，選擇1路或n路組合的電容器，觸發該路的GTO開關組件使其導通。當線路無功量達到限定值(如cos φ>0.92)時，在門極與陰極間加關斷脈沖，撤除電容器。遇來自電網的浪涌電流、諧波干擾時，強行關斷GTO開關組件。

圖1 GTO無功補償裝置主電路

1.2 零電壓投入問題

在電力無功補償裝置的運行中，投切開關的投入和切除時刻對開關器件的安全有很大影響。電容器在切除后重新投入時，電網電壓與電容器殘壓之間存在有數值差和相位差的時段，因電容器上的電壓不能突變，此時段開關動作，會承受較大的電流沖擊，同時也對電網產生高頻沖擊(合閘涌流)。有觸電開關以及普通晶閘管被燒損皆與此有關。所以GTO的導通應選擇在電網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) 增設放電電阻。電容器被切除后，以較大的RC常數，加快電容放電速度，當電容殘壓降為零后，開關在電網電壓過零時導通。這種方法的缺點在于放電電阻的接入和撤除應與電容的撤除和投入同步，增加了無功補償裝置的控制難度。

圖2 理想投切時刻

(2) 電容器預充電。電容器在投入前，先充電至電網電壓峰值，開關在電網電壓峰值時導通。這種方法延長了電容器的投入時間，而且使裝置變得復雜。

(3) GTO與二極管反并聯組成開關組件。在電容殘壓低于電網峰值時，二極管導通，電容器被充電至網壓峰值，開關在電網電壓峰值時導通。

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

圖3中，開關組件的端電壓檢測信號經電阻R降壓后送入光電耦合器，當交流電源瞬時值與電容器殘壓相等時，測得的端電壓為0，此時電壓檢測環節輸出一個脈沖與微機導通指令相“與”后，觸發GTO導通[3]。

圖3 觸發原理

1.3 GTO開關組件的關斷

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

采用GTO開關組件，通過門級反向驅動電路向GTO施加反向關斷脈沖，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開關組件的關斷時機，與導通不同的是，關斷脈沖在開關組件端電壓為零后，應選擇電網電流過零點時發出，這樣可增大GTO的電流關斷增益βoff，降低門極功耗[5]。

2 控制電路設計

GTO無功補償裝置控制器，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、諧波電壓、諧波電流等參數進行實時監測。

對于三相共補和分相補償，以負載電路所需的無功功率作為投切控制量，配合多種保護，實現對電網無功功率的動態、及時、準確的有效補償[5]。

2.1 控制裝置的硬件設計

硬件電路主要由檢測、控制、執行和電源等四部分組成。檢測單元對電網參數進行實時監測，并完成信號的A/D轉換;控制單元由DSP芯片完成對采樣值的運算，做出投切決策，輸出投切指令;執行單元接收投切指令后通過與過零觸發模塊與運算，控制GTO組件的導通和截止。硬件結構如圖4所示。

圖4 硬件結構

2.2 控制芯片及外圍電路

TMS320LF2407A是美國TI公司DSP芯片，采用增強的C2xx CPU內核結構，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40 MHz，速度更快;EVM板可對LF2407代碼進行全速檢查;其中有544 B的片上數據存儲器、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轉換器、可分別尋址程序存儲器、數據存儲器以及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個擴展接口，可提供任何評估電路。TMS320LF2407A中含有1個支持CAN 2.0B協議的CAN控制器，支持標準和擴展標識符，支持兩種信息幀格式(數據幀和遠程幀)，可自動應答遠程幀的請求，當出現錯誤或仲裁失敗時，具有自動重發數據功能。

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位的中央算術邏輯單元(CALU);

1個32位的累加器(ACC);

CALU的輸入和輸出定標移位器;

1個乘積定標移位器(PSCALE);

8個輔助寄存器(AR0~AR7);

1個輔助寄存器算術單元(ARAU)，該模塊提供了靈活而強大的間接尋址能力;

2個狀態寄存器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邏輯運算結果的位。

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

TMS320LF2407A具有8級硬件堆棧，當子程序調用或中斷發生時，程序地址產生邏輯把堆棧用于存儲返回地址或其他的一些參數;當子程序調用或中斷服務子程序完成時，返回指令將從堆棧頂返回地址或參數送到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、電流需經高精度互感器線性衰減再經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換單極性信號，輸入到DSP的A/D轉換器進行模數轉換?？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的運算精度。本裝置的采樣頻率為3.2 kHz。

2.4 鎖相環電路

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

被測的電網信號經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過分頻器分頻的信號在鑒相器內進行相位比較。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分頻器分頻后向被測信號的頻率靠攏，直至頻差消失，環路鎖定。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轉換，可使N個采樣點均勻分布于電網的一個整周波，實現無相位差同步采樣[7]。

2.5 人機界面

人機界面包括兩部分，即鍵盤輸入和液晶顯示器(LCD)。

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

LCD點陣數為64行128列，DSP通過數據總線傳送顯示字符，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的電平轉換，為匹配兩者的速度，還應使用鎖存器。

3 軟件設計

圖5為控制軟件的功能模塊框圖。

3.1 主程序

主程序協調各模塊的運行，完成系統的初始化、驅動LCD循環顯示等功能。采用C語言編程，以提高代碼的運算效率，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，待一個周期數據采樣結束后，開始FFT運算。為減少乘法運算次數，簡化邏輯關系和易于編程，本裝置采用基2算法。FFT由反序運算和蝶形運算組成。反序運算按碼位倒置的原理來實現，作為蝶形運算的先決條件。為避免數據溢出，對蝶形運算的中間結果進行歸一化處理。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

根據檢測到的線路無功需量，按照單相最低需求量進行三相共補，然后取平補齊，進行分相補償[9]。

補償量以給定的目標功率因數為限值，功率因數接近1時，退出一級，并進行投切信號封鎖，經一段延時后，解除封鎖，防止過補和投切振蕩[10]。

3.4 程序抗干擾及保護設計

抗干擾的主要措施是:利用定時器實現Watch-dog功能;采用程序冗余技術設置軟件陷阱，在EPROM中將剩余區寫入跳轉到程序入口的指令，一旦程序跑飛，跳轉至主程序;在初始化子程序中，關斷GTO，撤除電容。

當電網某相電壓過壓、欠壓、缺相或諧波超限時，迅速關斷GTO，以保護電容器不受損壞[11]。

4 結 語

(1) 以GTO開關組件為投切開關的低壓電力無功

補償裝置，利用GTO門極關斷特性實現電力電容器的

快速、頻繁投切。在電網浪涌電流、電網電壓波動以及諧波干擾出現時，可迅速關斷，及時撤除電容器，從而提高了低壓無功補償裝置的可靠性。

(2) 以DSP控制技術為核心的控制器，對電網用電參數進行實時檢測，在數據處理上簡化邏輯關系，編程簡單[10]。能跟蹤電力線路無功功率的變化，動態投切電容器，三項共補與分相補償相結合的結構，保證持續最佳功率因數(0.92～1.0)而不發生投切振蕩和無功返送。

(3) DSP控制技術與電壓過零控制技術相結合，安全可靠地控制GTO導通和關斷。提高無觸點開關的可靠性，簡化主電路元器件配置。

(4) 本文設計的低壓電力無功補償裝置，可用于集中補償、就地補償。成套裝置既可做成電容補償屏也可做成小型補償柜，可單臺獨立補償，也可聯柜運行。

(5) 按照本設計制造的低壓無功補償裝置，已在鐵路、油田、工礦企業等單位投入運行，負荷多為電機等沖擊性負荷，該裝置運行可靠，達到設計指標要求。

參考文獻

[1]黃家善.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社，2009.

[2]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社，2000.

[3]陳國呈，周勤利.變頻技術研究[J].上海大學自動化學院學報，1995(6):23-26.

[4]陸安定.發電廠變電所及電力系統的無功功率[M].北京:中國電力出版社，2003.

[5]陳堅.電力電子學——電力電子變換和控制技術[M].北京:高等教育出版社，2002.

[6]劉文華，陳建業，王仲鴻，等.采用GTO的新型靜止無功發生器[J].電力系統自動化，1997，21(3):24-32.

[7]王正元.面向新世紀的電力電子技術電源技術應用\\.自動化信息，2001(1):8-11.

[8]劉文華.基于GTO的新型靜止無功發生器的系統分析與參數設計[D].北京:清華大學，1996.

[9]SCHAUDER C D， MEHTA H. Vector analysis and control of advanced static VAR compensators\\//Fifth International Conference on AC and DC Power Transmission. London:\\， 1991: 266-272.

[10]GYUGYI L， SCHAUDER C D， WILLIAS S L. Unified power flow controller: a new approach to power transmi-ssion control\\. IEEE Trans. on Power Delivery， 1995， 10(2): 1085-1093.

[11]HOCHGRAF C， LASSETER R H. STATCOM controls for operation with unbalanced voltage\\. IEEE Trans. on Power Delivery， 1998， 13(2): 538-544.