基于諧波的無功功率補償控制器研制探索

苗華

摘 要：?針對電網中諧波含量大及功率因素低的質量問題，設計了一種新的無功功率補償控制器裝置——TCR（晶閘管控制電抗器）+TS-HPF（晶閘管投切濾波器）混合型的無功補償裝置，控制器的主控芯片采用TMS320F2807，并配合使用高精度電能計量芯片ATT7022B，實現無功功率補償和諧波抑制。

關鍵詞：?諧波; 無功功率補償; 控制器

中圖分類號： TG 409

文獻標志碼： A

Research and Development of Reactive Power Compensation

Controller Based on Harmonics

MIAO Hua

（Department of Mechanical and Electrical Engineering， Yulin Vocational And Technical College，? Yulin， Shanxi? 719000， China）

Abstract：

In view of the harmonic content and low power factor of power quality problems， this paper designs a new device， which consists of the reactive power compensation controller （thyristor controlled reactor） and TS-HPF （thyristor cast slice filter） hybrid reactive power compensation device. The controller uses TMS320F2807 master control chip， and is supported by high precision electric energy measurement chip ATT7022B to realize reactive power compensation and harmonic suppression.

Key words：

harmonic wave; reactive power compensation; controller

0 引言

近年來，在電力系統中，整流器、電弧爐等非線性負載的大量使用，導致諧波電流和無功功率流入電網，造成系統電壓、電流波形畸變，嚴重影響影響電力系統的安全穩定，影響電能質量提高和節能降耗等[1-2]。因此，研發諧波抑制和無功功率補償技術成為研究熱點。

無功功率補償方式種類極多，其中以晶閘管控制電抗器（TCR）組成的SVC（靜止武功補償器）是目前主要方式之一[3]。但基于TCR的控制器會產生地次級諧波，且補償相應速度受晶閘管門控電路固有延時限制。以IGBT、GTO、IGCT為控制對象的控制器是新一代的無功功率補償裝置[4]，這種裝置屬于有源補償，響應速度快、可調范圍廣，且輸出諧波特性較好。但這種補償裝置多個直流側的不均衡會造成波形畸變，系統不穩定等。基于此，研究新型無功功率補償控制器，在不造成波形畸變基礎上，實現諧波抑制，至關重要。本文提出了一種新的無功功率補償控制器裝置，實現電路的無功功率補償和諧波抑制。

1 新型無功功率補償控制器工作原理

本新型無功功率補償控制器采用TCR（晶閘管控制電抗器）+TS-HPF（晶閘管投切濾波器）混合的無功補償裝置。新型無功功率補償控制器結構框圖，如圖1所示。TCR采取支路控制三角形聯結[5]，相對于傳統的星性聯結，注入電網線電流諧波含量少，可以實現連續無功調節，且可以實現分相控制。TS-HPF有6組成的分組投切濾波器組成，實現諧波抑制和分級無功無償。FC是由濾波電抗器和電力電容器組成濾波裝置，主要作用是補償無功功率和濾出諧波。

（1）無功功率補償

無功功率補償器中SVC的輸出無功是

QZ=QC1+…+QC6-QR，其中TS-HPF的輸出無功QC1+…+QC6為恒定值。當負荷無功功率發生改變是，調節TCR的輸出無功功率，可使系統供給的無功功率近似為常數。

（2）協調控制

新型無功功率補償控制器由1個TCR和6組TS-HPF組成，濾波器逐級補償無功，TCR連續補償級間無功，兩者需協調工作。協調控制實現由控制器完成，通過檢測系統負荷的無功需求和TCR的當前無功輸出狀態，確定濾波器組的投入與切除。譬如當負荷無功增加到TCR容性輸出極限，投入一組濾波器;當負荷無功減少到使TCR感性輸出極限，及時切除一組濾波器。

2 新型無功功率補償控制器硬件設計

2.1 系統架構

控制器硬件結構框圖如圖2所示。

系統以DSP作為控制核心，通過電壓傳感器和電流傳感器采集電網信號進行分析。包括電網參數采集模塊、數據處理模塊、晶閘管驅動模塊、TS-HPF分組濾波器模塊、保護電路模塊。控制核心為DSPTMS320F28027，采用了先進的哈佛總線結構和最新的架構技術。此外還配合高精度電能計量芯片ATT7022B進行信號處理。

2.2 數據采集模塊

交流信號采集分為硬件同步采集、軟件同步采集和異步采集。本方案采用硬件同步采集方式，對電壓電流采用互感器測量方式，將芯片與電網隔離，從而使控制器獲得良好的抗干擾性能。互感器流出信號經信號調理電路送入ATT7022B模數轉換器。ATT7022B芯片在1000：1范圍內無功測量滿足2級，測量精度由于0.5%。此外該芯片測量數據齊全，支持純軟件校正，可以極大降低軟件開發周期。

2.3 晶閘管出發電路

晶閘管觸發電路采用TMS320F28027的主芯片控制核心TMS320F28027[6]。既可以實現傳統控制需求，還能滿足系統實時性要求。不但具有強大的數字信號處理能力，而且有較為完善的事件管理能力和嵌入式控制功能。DSP通過實時讀取ATT7022B參數輸出寄存器的值進行數據采集和處理，通過計算獲得補償系統的等效導納。同時，DSP響應中斷請求，啟動事件管理能器EV的3個比較單元，產生6路PWM波正好驅動一個三相全橋電路。采用此種方式驅動晶閘管，并采用光電器件隔離，可以減少電磁干擾。

2.4 SCI通信

TMS320F28027同時集成RS-232和RS-485通信的高性能數字處理芯片。本控制器采用DSP集成串行通信接口SCI，信息數據通信采用RS-485總線網絡結構，其傳輸距離可高達1 200 m，傳輸速率最高可達56 bit/s，且布線成本低，單獨組網，不受其他設備共用網絡干擾的影響。

2.5 控制器防干擾設計

對于控制器來講，不僅需要滿足相應的功能需求，還必須進行防干擾設計。本方案采用光耦合器方式進防干擾設計。

光耦合器以光作為媒介傳輸電信號，對輸入輸出電信號具有很好的隔離作用。包括三部分，即：光發射器、光接收器以及信號放大器。輸入電信號驅動發光二管發光，被光探測器接收形成光電流，通過進一步放大后輸出，完成電信號-光信號-電信號的轉換，進而實現輸入、輸出、隔離作用。光耦合器的電信號傳輸具有單向性，因此具有良好的電絕緣性和抗干擾能力。且輸入端為電流型低組元件，因此具有較強的共模抑制能力。本控制選用TLP512光耦作為抗干擾設計，隔離輸入輸出信號。

3 新型無功功率補償控制器軟件設計

基于諧波的新型無功功率補償控制器基于DSPF28027搭配ATI7022B進行信息分析和處理[7]，采用C語言作為匯編語言，利用模塊化設計思路進行。這種方式不僅降低了程序編寫復雜度，還減少了CPU空間資源開銷，加快了程序執行速度。開發環境為CCStudio3.3，控制上電后首先進行系統初始化，然后7022B讀取目前補償點的各電量參數。當出現失電壓、過電流和缺相等不安全現象就啟動故障報警，記錄故障原因，并同時退出無功補償裝置。如果沒有故障，則DSP進行數據分析和計算。

基于DSP的數據分析和處理主要包括無功功率測量、電容投切、基本保護、顯示程序、通信等子程序。本文就無功功率測量算法和電容投切模塊進行詳細介紹。

3.1 基于Hilbert變換的無功功率測量算法

快速傅里葉變換測量算法（FFT）是常用的用于無功功率測量算法， 具有精度高的優點，但實時性差，且計算量大;另一種為實時性好的數字移相測量法，但此算法在測量信號中含有諧波時誤差較大。基于此，本控制器采用離散傅里葉變換和離散傅里葉逆變換實現Hilbert變換[8]，將各次諧波電壓分別準確移相90°。利用加漢寧窗插值快速傅里葉變換算法對諧波的賦值、相位、頻率進行計算。

希爾伯特變換器是幅頻特性為1，正頻率分量相移-90°，負頻率分量 90°的全通濾波器，其頻率特性為：

本系統每個周期采樣64點，送去Hilbert變換，單次算法計算時間為80 ms，滿足需求。

3.2 電容投切

電容投切流程圖如圖3所示。

考慮到電網三相無功功率不平衡，本文研發的新型控制器是以電網電壓、電流功率因素和無功功率大小、電容組投切狀態作為投切依據。當系統處于過電流、欠電壓、過流、諧波過畸變等保護狀態時，控制器不投入電容，已投入電容會依次切除。

4 總結

實踐證明，采用該基于諧波的新型無功功率補償控制器，不可以實現無功功率的功率因素保持在0.98～0.99，諧波畸變率較大降低。這說明：采用TCR（晶閘管控制電抗器）+TS-HPF（晶閘管投切濾波器）混合型的無功補償裝置，可以實現電網的無功無償和諧波抑制。此外采用主控芯片采用TMS320F2807，并配合使用高精度電能計量芯片ATT7022B，可以提高運算精度，降低誤差。

參考文獻

[1] 陳善堅. 諧波抑制和無功功率補償技術研究[J]. 甘肅聯合大學學報（自然科學版）， 2011（6）：46-50.

[2] 陳起良. 電力電子技術與諧波抑制、無功功率補償技術研究綜述[J]. 電子技術與軟件工程， 2013（20）：197.

[3] 魯俊生. 電力網無功功率補償技術的現狀[J]. 企業技術開發， 2009， 28（6）：2.

[4] 牛軼男， 馮婷， 汪揚， 等. 電力系統無功補償技術發展現狀[J]. 信息通信， 2011（1）：48-51.

[5] 錢獻人， 周玉蓮， 翁霽程. TCR型靜止動態無功功率補償技術在高線設備上應用[J]. 浙江冶金， 2013（2）：13-16.

[6] 張曉力， 廉小親， 王嵩，等. 基于TMS320F28027的光伏控制系統設計及實現[J]. 電源技術， 2012， 36（9）：1351-1353.

[7] 盧慧芬， 顧云杰， 禹紅斌，等. 基于DSP的光伏并網發電模擬裝置的研究[J]. 太陽能學報， 2013， 34（8）：1335-1339.

[8] 劉乾坤. 基于插值FFT算法重構的Hilbert變換測量無功功率的新方法[J]. 電力系統保護與控制， 2009， 37（15）：19-22.

（收稿日期： 2019.07.20）