1广东顺容电气有限公司 528300；2华南农业大学资源环境学院环境科学与工程系
无功功率的合理分布是提高电力系统安全性与经济性的关键问题之一，一直受到电力公司的高度重视。为保证向用户提供安全、经济、可靠的电能，电力公司釆用无功补偿设备实现无功功率的就地补偿，避免无功功率的远距离传输，同时对功率因数达不到标准的用户实施罚款，而知高功率因数用户进行奖励。所以说，功率因数的提高对于供电公司以及用户而言都具有重要的现实意义。
关键词：TSC；设计
电力系统的安全、经济、稳定运行一直是电力部门追求的目标，而无功功率的合理分布在节能降耗、提高电能质量及系统稳定性方面有着重要的作用，近年来，我国电力工业不断发展，电力系统对无功功率的需求巨大，据统计分析，现阶段电力系统中的无功功率负荷约为有功功率负荷的1.3倍，且这个数值仍在不断增大，故无功功率分布的合理性显得尤为重要。同时随着电力用户自动化水平的提高，电力设备对电能质量的要求也越来越高，所以补偿电力系统无功功率以改善功率因数、提高电能质量己成为电力公司与广大用户迫切关注的问题
一、TSC无功补偿装置软件设计
1、软件程序实现功能
在进行软件程序设计之前，需明确软件程序实现的主要功能。第3章中已对装置的整体功能进行说明，根据装置的整体功能并结合硬件电路设计可得出软件程序需实现的功能：
1.编程实现投切控制策略，同时实现电容器组的循环投切功能。
2.对输入电压、电流信号进行A/D转换，并用合理算法对采样值进行计算分析。
3.DSP所发脉冲串时刻应能保证电容器于电压0点可靠投入，且尽量减少
晶闹管的门极损耗。
在进行DSP程序编程之前，需对投切控制策略及系统参数算法进行分析与选择，并对晶间管阀触发脉冲进行设计，在此基础上对DSP进行编程。
2、投切控制策略
TSC无功补偿虽然补偿原理相同，但是根据不同的控制量，其采用的控制策略有所不同，主要有功率因数控制策略、无功功率控制策略、电压与无功功率复合控制策略等。近年来，一些智能控制策略也被引入其中，如模糊控制、神经网络控制等。比较合理的控制策略应做到以下几点：最大限度的提高系统功率因数或稳定电压；不能过补；电容器组不能出现投切振荡现象；投切动作反应迅速。
1、功率因数控制策略
功率因数控制策略是电网无功控制的传统方法之一。它以电网中反映电压与电流相位差的功率因数作为投切电容器组的判据，以此来保证功率因数在合适的范围内，但该方法在电网轻载时存在投切振荡的问题。电网功率因数过低时，根据该控制策略，投入电容器组，若电网轻载，极可能出现投入一组电容器组就出现过补的情况，此时又控制切除电容器组。切除电容器组后功率因数过低，不满足要求，根据控制策略又投入一组电容器组，如此反复投切，这便是投切振荡现象。它导致电容器组的频繁投入与切除，严重影响晶闹管阀以及电容器组的使用寿命。
2.无功功率控制策略
无功功率控制策略是以电网无功功率缺额作为投切并联电容器组判据的一种控制方法。它根据电网电压、电流、功率因数等物理量，计算出电网无功功率缺额，并在电容器组中选择最接近又不过补的组合投入，以此来实现无功功率的补偿。该控制方法是一种直观的控制方法，能实现电容器组投切的一次到位，不存在投切振荡的问题。
3.电压与无功功率复合控制策略
图1 九区图
功率因数控制策略和无功功率控制策略属于单一控制方式，仅考虑功率因数或无功功率这一个控制量。无功功率沿线路的传输易造成线路末端的电压偏低，为保证系统电压稳定，可引入电压这一控制量，并与无功功率相结合，构成复合控制策略。该控制策略一般用在有有载调压变压器的变电站，有载调压变压器与TSC无功补偿装置共同配合保证电压稳定在合格范围内，无功功率基本得到补偿，一般用“九区图”表示如图1所示。
图中，U max、U min为系统电压的±限与下限，Q max、Q min为系统无功功率的上限与下限。显然，只有工作在0区时才同时满足电压与无功功率的要求。各区的具体控制策略如表1所示。
表1 九区图控制策略表
二、晶闸管阀触发脉冲设计
无论中性点接地与否，在电容器电压过零投入后都会引入涌流。由于涌流的存在，造成晶闸管电流不按正弦规律变化，不能确定电流何时过零，即无法确定晶阐管何时关断。为保证晶问管持续导通，在出现涌流的时间内连续发送脉冲串，当晶闹管电流过零时，反向晶闹管在接收到脉冲后自然导通。经仿真验证，涌流持续时间约为10个周期，故在电容器投入后的前0.2s内，发送连续脉冲串。
当涌流过去后，系统趋于稳态。流过晶闹管的电流超前相电压90度，故电流零点对应于相电压的峰值，只需在相电压峰值时给脉冲，触发反向晶间管导通。考虑到线路存在一定的电阻，电流与相电压相位差可能与90度略有偏差，故可采用在相电压峰值附近发送连续脉冲串，电流过零后反向晶阐管自然导通。
通过上述分析，三相中任意一相发送的脉冲均如图2所示，图中用双脉冲表示脉冲串。为了程序流程图中说明的方便，现将10个周期连续脉冲串称为第一阶段脉冲串，随后电压峰值附件的脉冲串称为第二阶段脉冲串。
图2 单相脉冲发送图
一般无功补偿装置执行电容器组投入指令时，会一直发送脉冲串，这会增加晶闹管阀的门极损耗，减少了晶闹管阀的使用寿命，且对晶闸管阀的散热提出了更高的要求。也有无功补偿装置只于电压峰值时刻发送脉冲，但电容器组投入初期，电流存在涌流，其相位不一定超前电压90度，故这种发送方式易使电容器组投入后又立即切除。而本装置采用的脉冲发送方式结合上述两种发送方式，弥补了其缺点，投入初期连续发脉冲串10个周期，10个周期之后趋于稳态，之后进入第二阶段脉冲串，于相电压峰值附近发送。第一阶段10个周期的连续脉冲串使晶闸管阀在暂态期间可靠导通，而稳态后即使电网频率出现波动，第二阶段的脉冲串也可可靠使晶间管电流过零后反向晶闹管导通。这样，既保证了晶闹管阀的可靠导通，又最大限度的减少了晶间管阀的门极损耗。
由于三相电压相位不同，不同时刻到达电压峰值，如图3所示。对照图3，若三相电容器组都需投入，则稳态时刻脉冲发送顺序应为B—A—C，如图4所示。当检测到A相同步方波信号跳变时，DSP开始计时，并过（60° -第二阶段脉冲串时间）/2的时间后对B相晶间管发送脉冲，待B相脉冲发送完毕后再过（60° -第二阶段脉冲串时间；）对A相晶闹管发送脉冲，待A相脉冲发送完毕后再过（60° -第二阶段脉冲串时间）对C相晶间管发送脉冲，如此便实现了稳态时刻的脉冲发送。若其中一相不需投入，则该相不发送脉冲便可。
图3 三相电压及A相同步方波
图4 脉冲发送顺序
结语：为提高电网功率因数，减少无功在线路中的传输，保证供电质量，本文在分析各种无功功率补偿装置的基础上，提出一种基于DSP的TSC无功补偿装置的整体设计方法，完成了硬件以及软件的设计，并制作样机进行功能验证。样机验证结果表明，该TSC无功补偿装置的设计方法是有效可行的。主要成果如下：
1.功率因数与无功功率相结合的复合控制策略能有效防止电容器组投切振荡。
2.电压零点时刻投入电容器组能有效抑制涌流，保护电容器组。
3.晶闹管均压电路防止晶闸管的过电压，同时光纤隔离驱动电路隔离了强弱电间的电磁干扰，可靠触发晶闹管阀。
4.初次投入电容器组时，前10个电网周期采用连续发送脉冲串方式，之后只于相电压峰值时刻附近发送脉冲串，这种脉冲发送方式是可行的，且相比连续发送脉冲串的方式，大大降低了晶闸管门极损耗。
5.采样电路、同步方波电路、+1.5V与+3V电源电路、晶闸管阀均压电路、光纤隔离驱动电路、DSP供电电源电路、硬件看门狗电路均设计正确，实现了各自的功能。
6.软件编程充分利用了DSP的功能，实现了既定的数据分析处理、脉冲发送设定，循环投切、复合控制策略等功能。
7.在理论分析、硬件设计以及软件设计的基础上制作样机，样机能正常运行，实现了既定的功能。
参考文献：
[1]蒋建民，冯志勇，刘美仪.电力网电压无功功率自动控制系统[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2010.
[2]王士政.电力系统控制与调度自动化[M].北京：中国电力出版社，2012.
[3]郑秀聪.基于DSP的TSC动态无功与谐波综合补偿装置的设计[D].广东：华南理工大学，2011.
论文作者:何耀洪1,何文1,廖子聪2
论文发表刊物:《基层建设》2015年34期
论文发表时间:2016/10/24
标签：脉冲论文; 电容器论文; 功率因数论文; 功率论文; 电压论文; 策略论文; 相电压论文; 《基层建设》2015年34期论文;