基于DSP的磁閥式可控電抗器無用補償系統研究

趙建青等

摘要：電網系統中一般采用并聯電容器-電抗器組等無源設備進行無功補償并兼作濾波，但由于負載經常處于變化之中，采用固定容量補償方式常常不能滿足要求。通過分析磁閥式可控電抗器及動態無功補償裝置工作原理，論證了磁閥式可控電抗器在電網系統中無功補償的優越性和可行性。以DSP和ARM數字處理器為核心，設計了MCR的控制系統，可以對電抗器的感性無功輸出進行平滑的調節，從而實現動態無功補償的目的。

關鍵詞：磁控電抗器；磁閥；無功補償；DSP

中圖分類號：TM761 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）29-0024-02

無功功率對電氣設備建立和維持交變磁場起著至關重要的作用。電力系統總體表現為感性，如果負荷中滯后的感性無功功率得不到補償或由于電容的投切使得補償的容性無功過多，則電網的功率因數就不能處于合理范圍內，所以實現無功功率在電網中的平衡是保證電壓質量的基本條件。20世紀80年代中期前蘇聯學者提出了磁閥式可控電抗器（MCR），通過控制晶閘管的導通時間來得到電路所需的直流電流，從而獲得相應的直流偏磁。通過交直流磁場的疊加來控制小面積磁閥段的飽和度，最終達到平滑調節電抗器輸出容量（即無功功率）的目的。磁閥式可控電抗器成本較低、結構簡單、控制方便、可靠性高，目前已成功應用于中高壓電網無功控制電氣化鐵路動態無功功率補償系統，高壓電機磁控軟啟動中。本系統采樣“ARM+DSP”的雙核結構，該結構在相關檢測領域早有應用。本研究首先分析磁閥式可控電抗器的電路原理，繼而分析整套無功補償裝置的原理，然后對控制系統的相關硬件和軟件進行設計，最后進行MCR的運行調試。

1 磁閥式可控電抗器的工作原理

磁閥式可控電抗器（Magnetic Control Reactor，簡稱MCR）的鐵芯采用磁閥結構，通過調節晶閘管的導通時間，控制繞組中的直流電流大小，從而控制小面積磁閥的飽和程度，以此來控制電抗器的感性無功輸出。磁控電抗器的原理如圖1所示。

在一個工頻周期內，晶閘管K1、K2輪流導通。二極管在K1、K2不導通時，起到續流作用，通過改變K1、K2的觸發角，可以改變感性電流的輸出，對輸出的感性無功進行調節，最終對輸出的無功進行調節。當α=180°時，晶閘管不導通，電抗器處于空載狀態，鐵芯不飽和，電抗器磁阻很大，電感值為最大值，無功補償輸出最小；當α為一定角度時，磁閥部分處于飽和狀態，此時磁阻最小，電感達到最小值，無功補償輸出最大。因此，可以根據系統負荷的變化，實時調節電抗器的輸出容量，保證電網的高功率因數。

2 磁閥式可控電抗器動態無功補償裝置原理

圖2為無功補償系統，磁閥式可控電抗器可直接連接在高壓電網上，電抗器采用工作繞組和控制繞組分開的接線形式，工作繞組一般采用三角形連接方式。整個系統由磁控電抗器、固定補償電容器和濾波裝置組成。當電容器組過補，系統處于容性狀態時，可增大晶閘管的導通角，增大感性無功輸出，抵消過補的容性無功，使系統處于感性的高功率因數狀態。當系統處于感性的低功率因數狀態，而投電容又過補時，減小晶閘管的導通角，減小感性無功輸出，提高系統功率因數。

3 控制系統設計

3.1 控制裝置硬件結構

3.1.1 DSP芯片。系統采用的DSP芯片為AD公司的BF506F，該芯片屬于Blackfin處理器家族中的BF50x系列，具有4MB可執行閃存以及ENOB為11+的真12位雙通道SAR ADC。BF506F的內核時鐘頻率為400MHz，外設集包括2個三相PWM單元、1個ADC控制模塊、2個SPI接口、2個SPORT接口、1個CAN控制器、1個PPI、8個通用計數器以及1個移動存儲器接口。

3.1.2 采樣模塊。一共有9路采樣，分別是母線三相電壓、母線三相電流和MCR本體三相電流。每一采樣電路都經過兩級互感器的轉換，最后變為電流信號進入DSP，進入DSP之后利用FFT算法進行計算。

3.1.3 觸發模塊。利用PWM波將觸發信號通過光纖發出，改變晶閘管的觸發角，從而改變晶閘管的導通時間。

3.1.4 通信模塊。DSP有兩個串口，一個連接ARM，由ARM控制液晶屏，屏幕顯示三相電壓、母線電流、MCR本體電流、有功功率、無功功率、功率因數等，便于值班人員監測。另一串行口可根據外部通信協議的需要自行設置，如RS-485、101規約等。

3.1.5 故障保護模塊。磁控電抗器本體故障量有溫度、壓力、瓦斯、過流、過壓，當檢測到這些信號時，需采取相應措施對電抗器進行保護。

3.2 系統軟件設計

軟件設計流程圖如圖4所示。通過對電網的電壓、電流進行采樣，可以計算出所需補償的無功大小，再控制晶閘管的觸發角，從而達到補償系統無功的目的。

4 實驗波形

5 結語

本研究設計和制作了磁閥式可控電抗器的控制裝置，由DSP繼續相關電量的采集、處理，通過這些數據采用無功功率調節算法進行計算，最后輸出相應的觸發脈沖。利用ARM建立簡單的人機交互界面，方便用戶進行操作。實驗結果表明該系統能夠有效地對電網系統進行無功補償。

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作者簡介：趙建青（1956—），男，廣東江門人，廣東電網公司江門供電局高級工程師，研究方向：電力系統自動化。