零电流型TSC 双CPU 控制系统的设计

李宁

（江苏广识电气有限公司，江苏 徐州 221000）

电网无功功率补偿技术的发展经历了从电网并联电容器，到晶闸管投切电容器（TSC）一直发展到静止无功发生器几个阶段。目前老式的无功补偿设备基本淘汰，新式的更加先进的无功补偿设备越来越普及。静止无功发生器虽然性能先进，但其复杂的控制和高昂的价格使得其使用率不高；晶闸管投切电容器由于结构简单、动态性能好、价格便宜、得到了广泛的应用，用电负荷大的私人企业尤为青睐。

目前广泛使用的TSC大多为零电压型，当晶闸管两端的电压为零时投入电容器，此时也会产生合闸涌流，可达电容器额定电流的3倍，影响电容器的使用寿命，并且会对电网产生一定冲击。零电流型TSC是在晶闸管电压为零且是在电源电压峰值时导通，此时达到理想的投切条件，投入不会产生冲击涌流和谐波，故称为零电流型TSC。为达到电容电压一直维持在电源电压的峰值，必须为电容充电，一般其他的TSC是加入专门的充电电路；本文提出了通过合理的控制晶闸管导通时序来达到维持电容器电压稳定。

1 零电流型TSC过零投切的分析

本文提出了一种新型的零电流型TSC无功补偿装置，零电流型TSC通过检测判断电源电压的方向，在需要投入电容器组时，触发晶闸管导通，可以做到无冲击涌流快速的投入。

零电流型TSC从切除某支路到这一支路快速投入时零电流型TSC性能的体现。采用新的充电技术，可以使零电流型TSC快速在零电流状态下快速投入，投入时间在20ms以内。

零电流型TSC时序控制如图1所示。假设在t1～t7时刻段电容器并入系统，电容电压基本与电源电压同步，电容器电流超前电压90°。在电容器投入时，晶闸管两端电压为导通电压，基本可以忽略。在晶闸管电流过零时刻交替导通反并联的晶闸管使得电容器并入电力网络，假设检测到系统无功功率过补偿需要切除电容组时，直接禁止下一次要触发的脉冲，晶闸管会在下一个电流过零点关断，直接切除了电容。电容从电网切除后，如果没有充电电路的情况，电容器电压会在三分钟之内降到75V以下。下次再次投入运行时，如果直接触发晶闸管会产生巨大的冲击涌流。

图1 零电流型TSC时序控制

本文设计的零电流型TSC可以在需要投入时在10ms内快速的投入。在切除触发脉冲时检测晶闸管两端电压的符号，如图1在t7～t8时刻间，检测到晶闸管两端电压在坐标轴的下端，定义为负；这时触发晶闸管Vt1使在电容器切除状态下一直导通，由于晶闸管的单向导通特性，在电源电压低于电容器电压时晶闸管不导通，由于在20ms内电容器会放电，电容器电压会稍微低于电源电压，在电源电压高于电容器电压时，会为电容器充电，此时电源电压与电容器电压相差不大，且基本处于峰值，所以充电电流会很小，可以使电容器电压一直保持在峰值电压附近。因此再投入时不需要再次充电，保证了再次投入的快速性。

当系统容性无功功率低时，电源电压达到下半轴峰值时刻t11时，触发晶闸管Vt2，电容器电压与电源电压相等且在峰值，这时投入无冲击电流，且投入响应时间低于20ms。

TSC一般分组并入电网，如TSC某一支路第一次投入时，会检测晶闸管两端电压的正负符号，反映的是电源电压的符号，如果电源电压符号在正半轴，发出脉冲触发晶闸管Vt2，电容器不充电，但当电源电压从零点进入负半轴时电源会从电压为零时充电，根据公式ic=c（du/dt）这时的冲击电流是由电压的变化率产生，使冲击电流最小。当有几组电容器已经并联到电网时，再次投入另一组电容器时如果不采取特殊措施，其他投入的电容器和电源会同时为这一路电容器充电，这一支路充电电流会很大，有可能烧毁晶闸管，也有可能击穿电容器。

本文设计的零电流型TSC可以避免这种情况出现，在装置开机运行时，可以控制每一条支路电容，使其全部同时充电到电源电压峰值，以此避免某一条支路因电容充电而造成电流过大。

2 零电流型TSC硬件电路设计

零电流型TSC硬件组成整体结构如图2所示。采用型号为56F8356的DSP芯片和型号为XC3S50-4FTG100C的FPGA芯片作双CPU控制，硬件电路分两个部分。第一部分为控制器部分，完成系统电压、电流的采样，并把得到的电压、电流信号，经过电路调理成为DSP可读取的电压信号。第二部分为晶闸管投切控制电路，采用FPGA芯片作为核心部分，负责过零触发晶闸管。

图2 零电流型TSC硬件组成整体结构图

在数据处理和算法方面DSP优于FPGA；但是在时序控制和硬件设计方面FPGA优于DSP。计算电力系统无功功率，使用FFT算法符合DSP的优点，可提高系统响应速度。而晶闸管的投切电路不涉及算法，但投入时序控制要求很高，符合FPGA的优势。

零电流型TSC的设计，对晶闸管两端的电压检测是设备能否在电压零点投切的关键。检测的精度和可靠性，对装置安全运行有很大的影响。本文采用电阻分压的原理，检测晶闸管两端电压；由于检测的只是信号在零点的那一段，没有必要要把晶闸管全部的电压检测，所以设计了嵌位电路，晶闸管电压采样电路如图3所示。当晶闸管两端电压大于某一电压值时，进入电路后面的电压就会一定就会嵌位到+7V或者-7V。

图3 晶闸管电压采样电路

如图3检测晶闸管两端电压，通过电阻分压，进入电压跟随器，经过滤波电路输出脉动波形，再输入到后面电路；检测出的电压进入后面的符号判断电路和过零检测电路。

如图4是符号检测电路，检测到晶闸管两端电压，进入到集成运算放大电路。判断电容的充电方向；通过PHPC817隔离，把信号输入到FPGA芯片中。

图4 符号检测电路

过零检测电路如图5所示。当信号R.SIG信号进入到-2.3V～+2.3V时，电路会发出一个过零信号到FPGA芯片；当R.SIG在-2.3V～+2.3V时，对应的晶闸管两端电压为±42V左右，这时对晶闸管投切，冲击电流很小。

图5 过零检测电路

3 零电流型TSC软件设计

零电流型TSC系统软件主要由两部分作用，第一部分是控制器算法设计软件，运行在DSP中，这部分主要是通过检测电力网络电压和电流，经过信号调理电路和模数转换，进入DSP算出所需的参数，发出开通或者关断信号给FPGA芯片；第二部分是以FPGA为核心的零电流型TSC触发系统的软件的设计。

零电流型TSC装置工作过程是：在装置开机时，控制器程序自检，启动控制器；点开启及其投切命令，首先采样电压和电流，通过FFT算法得出系统无功功率、功率因数和系统各次谐波含量；进入模糊算法控制模块，计算出模块控制指令，通过通讯电路传送给FPGA投切电路。零电流型TSC在投切命令发出后，有FPGA芯片专门控制装置的过零投入和切除，其进行的主要是逻辑算法。FPGA控制电路板投切电路集成在一块电路板上；当电路板上电以后，在控制命令没有发出以前首先做投切准备工作，采样晶闸管两端电压，并判断电压符号。初始阶段，进行电压过零充电，当控制命令没有发出时，FPGA电路板会每周期为电容充电，使电容电压维持在电源电压附近，可以保证在投切时，快速的过零投切，达到无冲击电流的目的。当控制命令发出投切命令时，FPGA发出驱动晶闸管的电流信号，使晶闸管导通；当切除命令发出时，FPGA封锁电流信号，晶闸管会在下一次电流过零时自动关断。

4 系统测试

搭建试验平台，对零电流型TSC在过零投切进行试验，验证设计的正确性、可靠性以及合理性。投入状态下过零符号测试如图6所示。

图中，CH2为过零信号；CH3为晶闸管两端电压；CH4为符号信号。测试结果满足过零投入的要求。

5 结论

本文从提高动态无功补偿的动态性能、可靠性以及实用性方面分析了零电流型TSC的原理和工作过程，对零电流型TSC的关键技术和无功补偿的原理进行了详细的介绍。从硬件和软件两个方面综合分析，设计使用的是双CPU的控制；应用DSP芯片进行算法设计，使用FPGA进行逻辑开发。设计了零电流型TSC动态无功补偿设备，并对设备系统进行详细的测试，结果表明达到了设计要求。