零電流型TSC 雙CPU 控制系統的設計

李寧

（江蘇廣識電氣有限公司，江蘇 徐州 221000）

電網無功功率補償技術的發展經歷了從電網并聯電容器，到晶閘管投切電容器（TSC）一直發展到靜止無功發生器幾個階段。目前老式的無功補償設備基本淘汰，新式的更加先進的無功補償設備越來越普及。靜止無功發生器雖然性能先進，但其復雜的控制和高昂的價格使得其使用率不高；晶閘管投切電容器由于結構簡單、動態性能好、價格便宜、得到了廣泛的應用，用電負荷大的私人企業尤為青睞。

目前廣泛使用的TSC大多為零電壓型，當晶閘管兩端的電壓為零時投入電容器，此時也會產生合閘涌流，可達電容器額定電流的3倍，影響電容器的使用壽命，并且會對電網產生一定沖擊。零電流型TSC是在晶閘管電壓為零且是在電源電壓峰值時導通，此時達到理想的投切條件，投入不會產生沖擊涌流和諧波，故稱為零電流型TSC。為達到電容電壓一直維持在電源電壓的峰值，必須為電容充電，一般其他的TSC是加入專門的充電電路；本文提出了通過合理的控制晶閘管導通時序來達到維持電容器電壓穩定。

1 零電流型TSC過零投切的分析

本文提出了一種新型的零電流型TSC無功補償裝置，零電流型TSC通過檢測判斷電源電壓的方向，在需要投入電容器組時，觸發晶閘管導通，可以做到無沖擊涌流快速的投入。

零電流型TSC從切除某支路到這一支路快速投入時零電流型TSC性能的體現。采用新的充電技術，可以使零電流型TSC快速在零電流狀態下快速投入，投入時間在20ms以內。

零電流型TSC時序控制如圖1所示。假設在t1～t7時刻段電容器并入系統，電容電壓基本與電源電壓同步，電容器電流超前電壓90°。在電容器投入時，晶閘管兩端電壓為導通電壓，基本可以忽略。在晶閘管電流過零時刻交替導通反并聯的晶閘管使得電容器并入電力網絡，假設檢測到系統無功功率過補償需要切除電容組時，直接禁止下一次要觸發的脈沖，晶閘管會在下一個電流過零點關斷，直接切除了電容。電容從電網切除后，如果沒有充電電路的情況，電容器電壓會在三分鐘之內降到75V以下。下次再次投入運行時，如果直接觸發晶閘管會產生巨大的沖擊涌流。

圖1 零電流型TSC時序控制

本文設計的零電流型TSC可以在需要投入時在10ms內快速的投入。在切除觸發脈沖時檢測晶閘管兩端電壓的符號，如圖1在t7～t8時刻間，檢測到晶閘管兩端電壓在坐標軸的下端，定義為負；這時觸發晶閘管Vt1使在電容器切除狀態下一直導通，由于晶閘管的單向導通特性，在電源電壓低于電容器電壓時晶閘管不導通，由于在20ms內電容器會放電，電容器電壓會稍微低于電源電壓，在電源電壓高于電容器電壓時，會為電容器充電，此時電源電壓與電容器電壓相差不大，且基本處于峰值，所以充電電流會很小，可以使電容器電壓一直保持在峰值電壓附近。因此再投入時不需要再次充電，保證了再次投入的快速性。

當系統容性無功功率低時，電源電壓達到下半軸峰值時刻t11時，觸發晶閘管Vt2，電容器電壓與電源電壓相等且在峰值，這時投入無沖擊電流，且投入響應時間低于20ms。

TSC一般分組并入電網，如TSC某一支路第一次投入時，會檢測晶閘管兩端電壓的正負符號，反映的是電源電壓的符號，如果電源電壓符號在正半軸，發出脈沖觸發晶閘管Vt2，電容器不充電，但當電源電壓從零點進入負半軸時電源會從電壓為零時充電，根據公式ic=c（du/dt）這時的沖擊電流是由電壓的變化率產生，使沖擊電流最小。當有幾組電容器已經并聯到電網時，再次投入另一組電容器時如果不采取特殊措施，其他投入的電容器和電源會同時為這一路電容器充電，這一支路充電電流會很大，有可能燒毀晶閘管，也有可能擊穿電容器。

本文設計的零電流型TSC可以避免這種情況出現，在裝置開機運行時，可以控制每一條支路電容，使其全部同時充電到電源電壓峰值，以此避免某一條支路因電容充電而造成電流過大。

2 零電流型TSC硬件電路設計

零電流型TSC硬件組成整體結構如圖2所示。采用型號為56F8356的DSP芯片和型號為XC3S50-4FTG100C的FPGA芯片作雙CPU控制，硬件電路分兩個部分。第一部分為控制器部分，完成系統電壓、電流的采樣，并把得到的電壓、電流信號，經過電路調理成為DSP可讀取的電壓信號。第二部分為晶閘管投切控制電路，采用FPGA芯片作為核心部分，負責過零觸發晶閘管。

圖2 零電流型TSC硬件組成整體結構圖

在數據處理和算法方面DSP優于FPGA；但是在時序控制和硬件設計方面FPGA優于DSP。計算電力系統無功功率，使用FFT算法符合DSP的優點，可提高系統響應速度。而晶閘管的投切電路不涉及算法，但投入時序控制要求很高，符合FPGA的優勢。

零電流型TSC的設計，對晶閘管兩端的電壓檢測是設備能否在電壓零點投切的關鍵。檢測的精度和可靠性，對裝置安全運行有很大的影響。本文采用電阻分壓的原理，檢測晶閘管兩端電壓；由于檢測的只是信號在零點的那一段，沒有必要要把晶閘管全部的電壓檢測，所以設計了嵌位電路，晶閘管電壓采樣電路如圖3所示。當晶閘管兩端電壓大于某一電壓值時，進入電路后面的電壓就會一定就會嵌位到+7V或者-7V。

圖3 晶閘管電壓采樣電路

如圖3檢測晶閘管兩端電壓，通過電阻分壓，進入電壓跟隨器，經過濾波電路輸出脈動波形，再輸入到后面電路；檢測出的電壓進入后面的符號判斷電路和過零檢測電路。

如圖4是符號檢測電路，檢測到晶閘管兩端電壓，進入到集成運算放大電路。判斷電容的充電方向；通過PHPC817隔離，把信號輸入到FPGA芯片中。

圖4 符號檢測電路

過零檢測電路如圖5所示。當信號R.SIG信號進入到-2.3V～+2.3V時，電路會發出一個過零信號到FPGA芯片；當R.SIG在-2.3V～+2.3V時，對應的晶閘管兩端電壓為±42V左右，這時對晶閘管投切，沖擊電流很小。

圖5 過零檢測電路

3 零電流型TSC軟件設計

零電流型TSC系統軟件主要由兩部分作用，第一部分是控制器算法設計軟件，運行在DSP中，這部分主要是通過檢測電力網絡電壓和電流，經過信號調理電路和模數轉換，進入DSP算出所需的參數，發出開通或者關斷信號給FPGA芯片；第二部分是以FPGA為核心的零電流型TSC觸發系統的軟件的設計。

零電流型TSC裝置工作過程是：在裝置開機時，控制器程序自檢，啟動控制器；點開啟及其投切命令，首先采樣電壓和電流，通過FFT算法得出系統無功功率、功率因數和系統各次諧波含量；進入模糊算法控制模塊，計算出模塊控制指令，通過通訊電路傳送給FPGA投切電路。零電流型TSC在投切命令發出后，有FPGA芯片專門控制裝置的過零投入和切除，其進行的主要是邏輯算法。FPGA控制電路板投切電路集成在一塊電路板上；當電路板上電以后，在控制命令沒有發出以前首先做投切準備工作，采樣晶閘管兩端電壓，并判斷電壓符號。初始階段，進行電壓過零充電，當控制命令沒有發出時，FPGA電路板會每周期為電容充電，使電容電壓維持在電源電壓附近，可以保證在投切時，快速的過零投切，達到無沖擊電流的目的。當控制命令發出投切命令時，FPGA發出驅動晶閘管的電流信號，使晶閘管導通；當切除命令發出時，FPGA封鎖電流信號，晶閘管會在下一次電流過零時自動關斷。

4 系統測試

搭建試驗平臺，對零電流型TSC在過零投切進行試驗，驗證設計的正確性、可靠性以及合理性。投入狀態下過零符號測試如圖6所示。

圖中，CH2為過零信號；CH3為晶閘管兩端電壓；CH4為符號信號。測試結果滿足過零投入的要求。

5 結論

本文從提高動態無功補償的動態性能、可靠性以及實用性方面分析了零電流型TSC的原理和工作過程，對零電流型TSC的關鍵技術和無功補償的原理進行了詳細的介紹。從硬件和軟件兩個方面綜合分析，設計使用的是雙CPU的控制；應用DSP芯片進行算法設計，使用FPGA進行邏輯開發。設計了零電流型TSC動態無功補償設備，并對設備系統進行詳細的測試，結果表明達到了設計要求。