基于谐波的无功功率补偿控制器研制探索

苗华

摘 要： 针对电网中谐波含量大及功率因素低的质量问题，设计了一种新的无功功率补偿控制器装置——TCR（晶闸管控制电抗器）+TS-HPF（晶闸管投切滤波器）混合型的无功补偿装置，控制器的主控芯片采用TMS320F2807，并配合使用高精度电能计量芯片ATT7022B，实现无功功率补偿和谐波抑制。

关键词： 谐波; 无功功率补偿; 控制器

中图分类号： TG 409

文献标志码： 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，在电力系统中，整流器、电弧炉等非线性负载的大量使用，导致谐波电流和无功功率流入电网，造成系统电压、电流波形畸变，严重影响影响电力系统的安全稳定，影响电能质量提高和节能降耗等[1-2]。因此，研发谐波抑制和无功功率补偿技术成为研究热点。

无功功率补偿方式种类极多，其中以晶闸管控制电抗器（TCR）组成的SVC（静止武功补偿器）是目前主要方式之一[3]。但基于TCR的控制器会产生地次级谐波，且补偿相应速度受晶闸管门控电路固有延时限制。以IGBT、GTO、IGCT为控制对象的控制器是新一代的无功功率补偿装置[4]，这种装置属于有源补偿，响应速度快、可调范围广，且输出谐波特性较好。但这种补偿装置多个直流侧的不均衡会造成波形畸变，系统不稳定等。基于此，研究新型无功功率补偿控制器，在不造成波形畸变基础上，实现谐波抑制，至关重要。本文提出了一种新的无功功率补偿控制器装置，实现电路的无功功率补偿和谐波抑制。

1 新型无功功率补偿控制器工作原理

本新型无功功率补偿控制器采用TCR（晶闸管控制电抗器）+TS-HPF（晶闸管投切滤波器）混合的无功补偿装置。新型无功功率补偿控制器结构框图，如图1所示。TCR采取支路控制三角形联结[5]，相对于传统的星性联结，注入电网线电流谐波含量少，可以实现连续无功调节，且可以实现分相控制。TS-HPF有6组成的分组投切滤波器组成，实现谐波抑制和分级无功无偿。FC是由滤波电抗器和电力电容器组成滤波装置，主要作用是补偿无功功率和滤出谐波。

（1）无功功率补偿

无功功率补偿器中SVC的输出无功是

QZ=QC1+…+QC6-QR，其中TS-HPF的输出无功QC1+…+QC6为恒定值。当负荷无功功率发生改变是，调节TCR的输出无功功率，可使系统供给的无功功率近似为常数。

（2）协调控制

新型无功功率补偿控制器由1个TCR和6组TS-HPF组成，滤波器逐级补偿无功，TCR连续补偿级间无功，两者需协调工作。协调控制实现由控制器完成，通过检测系统负荷的无功需求和TCR的当前无功输出状态，确定滤波器组的投入与切除。譬如当负荷无功增加到TCR容性输出极限，投入一组滤波器;当负荷无功减少到使TCR感性输出极限，及时切除一组滤波器。

2 新型无功功率补偿控制器硬件设计

2.1 系统架构

控制器硬件结构框图如图2所示。

系统以DSP作为控制核心，通过电压传感器和电流传感器采集电网信号进行分析。包括电网参数采集模块、数据处理模块、晶闸管驱动模块、TS-HPF分组滤波器模块、保护电路模块。控制核心为DSPTMS320F28027，采用了先进的哈佛总线结构和最新的架构技术。此外还配合高精度电能计量芯片ATT7022B进行信号处理。

2.2 数据采集模块

交流信号采集分为硬件同步采集、软件同步采集和异步采集。本方案采用硬件同步采集方式，对电压电流采用互感器测量方式，将芯片与电网隔离，从而使控制器获得良好的抗干扰性能。互感器流出信号经信号调理电路送入ATT7022B模数转换器。ATT7022B芯片在1000：1范围内无功测量满足2级，测量精度由于0.5%。此外该芯片测量数据齐全，支持纯软件校正，可以极大降低软件开发周期。

2.3 晶闸管出发电路

晶闸管触发电路采用TMS320F28027的主芯片控制核心TMS320F28027[6]。既可以实现传统控制需求，还能满足系统实时性要求。不但具有强大的数字信号处理能力，而且有较为完善的事件管理能力和嵌入式控制功能。DSP通过实时读取ATT7022B参数输出寄存器的值进行数据采集和处理，通过计算获得补偿系统的等效导纳。同时，DSP响应中断请求，启动事件管理能器EV的3个比较单元，产生6路PWM波正好驱动一个三相全桥电路。采用此种方式驱动晶闸管，并采用光电器件隔离，可以减少电磁干扰。

2.4 SCI通信

TMS320F28027同时集成RS-232和RS-485通信的高性能数字处理芯片。本控制器采用DSP集成串行通信接口SCI，信息数据通信采用RS-485总线网络结构，其传输距离可高达1 200 m，传输速率最高可达56 bit/s，且布线成本低，单独组网，不受其他设备共用网络干扰的影响。

2.5 控制器防干扰设计

对于控制器来讲，不仅需要满足相应的功能需求，还必须进行防干扰设计。本方案采用光耦合器方式进防干扰设计。

光耦合器以光作为媒介传输电信号，对输入输出电信号具有很好的隔离作用。包括三部分，即：光发射器、光接收器以及信号放大器。输入电信号驱动发光二管发光，被光探测器接收形成光电流，通过进一步放大后输出，完成电信号-光信号-电信号的转换，进而实现输入、输出、隔离作用。光耦合器的电信号传输具有单向性，因此具有良好的电绝缘性和抗干扰能力。且输入端为电流型低组元件，因此具有较强的共模抑制能力。本控制选用TLP512光耦作为抗干扰设计，隔离输入输出信号。

3 新型无功功率补偿控制器软件设计

基于谐波的新型无功功率补偿控制器基于DSPF28027搭配ATI7022B进行信息分析和处理[7]，采用C语言作为汇编语言，利用模块化设计思路进行。这种方式不仅降低了程序编写复杂度，还减少了CPU空间资源开销，加快了程序执行速度。开发环境为CCStudio3.3，控制上电后首先进行系统初始化，然后7022B读取目前补偿点的各电量参数。当出现失电压、过电流和缺相等不安全现象就启动故障报警，记录故障原因，并同时退出无功补偿装置。如果没有故障，则DSP进行数据分析和计算。

基于DSP的数据分析和处理主要包括无功功率测量、电容投切、基本保护、显示程序、通信等子程序。本文就无功功率测量算法和电容投切模块进行详细介绍。

3.1 基于Hilbert变换的无功功率测量算法

快速傅里叶变换测量算法（FFT）是常用的用于无功功率测量算法， 具有精度高的优点，但实时性差，且计算量大;另一种为实时性好的数字移相测量法，但此算法在测量信号中含有谐波时误差较大。基于此，本控制器采用离散傅里叶变换和离散傅里叶逆变换实现Hilbert变换[8]，将各次谐波电压分别准确移相90°。利用加汉宁窗插值快速傅里叶变换算法对谐波的赋值、相位、频率进行计算。

希爾伯特变换器是幅频特性为1，正频率分量相移-90°，负频率分量 90°的全通滤波器，其频率特性为：

本系统每个周期采样64点，送去Hilbert变换，单次算法计算时间为80 ms，满足需求。

3.2 电容投切

电容投切流程图如图3所示。

考虑到电网三相无功功率不平衡，本文研发的新型控制器是以电网电压、电流功率因素和无功功率大小、电容组投切状态作为投切依据。当系统处于过电流、欠电压、过流、谐波过畸变等保护状态时，控制器不投入电容，已投入电容会依次切除。

4 总结

实践证明，采用该基于谐波的新型无功功率补偿控制器，不可以实现无功功率的功率因素保持在0.98～0.99，谐波畸变率较大降低。这说明：采用TCR（晶闸管控制电抗器）+TS-HPF（晶闸管投切滤波器）混合型的无功补偿装置，可以实现电网的无功无偿和谐波抑制。此外采用主控芯片采用TMS320F2807，并配合使用高精度电能计量芯片ATT7022B，可以提高运算精度，降低误差。

参考文献

[1] 陈善坚. 谐波抑制和无功功率补偿技术研究[J]. 甘肃联合大学学报（自然科学版）， 2011（6）：46-50.

[2] 陈起良. 电力电子技术与谐波抑制、无功功率补偿技术研究综述[J]. 电子技术与软件工程， 2013（20）：197.

[3] 鲁俊生. 电力网无功功率补偿技术的现状[J]. 企业技术开发， 2009， 28（6）：2.

[4] 牛轶男， 冯婷， 汪扬， 等. 电力系统无功补偿技术发展现状[J]. 信息通信， 2011（1）：48-51.

[5] 钱献人， 周玉莲， 翁霁程. TCR型静止动态无功功率补偿技术在高线设备上应用[J]. 浙江冶金， 2013（2）：13-16.

[6] 张晓力， 廉小亲， 王嵩，等. 基于TMS320F28027的光伏控制系统设计及实现[J]. 电源技术， 2012， 36（9）：1351-1353.

[7] 卢慧芬， 顾云杰， 禹红斌，等. 基于DSP的光伏并网发电模拟装置的研究[J]. 太阳能学报， 2013， 34（8）：1335-1339.

[8] 刘乾坤. 基于插值FFT算法重构的Hilbert变换测量无功功率的新方法[J]. 电力系统保护与控制， 2009， 37（15）：19-22.

（收稿日期： 2019.07.20）