【正文】 兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián)，其單相原理圖如圖 14所示。當(dāng)觸發(fā)角 α= 900 時(shí)，吸收的無(wú)功電流最大。 S C RU ( t )LA CU ( t )CS C RLA C 圖 14 TCR 型補(bǔ)償器原理圖 圖 15 TSC 型補(bǔ)償器原理圖 在工程實(shí)際中，可以將降壓變壓器設(shè)計(jì)成具有很大漏抗的電抗變壓器，用可控硅控制電抗變壓器，這樣就不需要單獨(dú)接入一個(gè)變壓器，也可以不裝設(shè)斷路器。如果在電抗變壓器的第三繞組選擇適當(dāng)?shù)难b置回路，例如加裝濾波器，可以進(jìn)一步降低無(wú)功補(bǔ)償產(chǎn)生的諧 波 [10]。根據(jù)投切電容器的元件不同，又可分為 TCR與固定電容器配合使用的靜止無(wú)功補(bǔ)償器 (TCR+FC)和 TCR 與斷路器投切電容器配合使用的靜止無(wú)功補(bǔ)償器 (TCR+MSC)。由于固定電容器的 TCR+FC 型補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償范圍從感性范圍延伸到容性范圍是要求電抗器的容量大于電容器的容量，另外當(dāng)補(bǔ)償器工作在吸收較小的無(wú)功電流時(shí)，其電抗器和電容器都已吸收了很大的無(wú) 功電流，只是相互抵消而已。 (TSC) 為了解決電容器組頻繁投切的問(wèn)題， TSC 裝置應(yīng)運(yùn)而生。兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管只是將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開(kāi)，串聯(lián)的小電抗器用于抑制電 8 容器投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的沖擊電流。 TSC用于三相電網(wǎng)中可以是三角形連接，也可以是星形連接。不是希望電容器級(jí)數(shù)越多越好，但考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性及經(jīng)濟(jì)性，一般用 K1 個(gè)電容值為 C的電容和個(gè)電容值為 C/2的電容組成 2K 級(jí)的電容組 數(shù) [12]。經(jīng)過(guò)多年的分析與實(shí)驗(yàn)研究，其最佳投切時(shí)間是晶閘管兩端的電壓為零的時(shí)刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時(shí) 刻 [13]。這種補(bǔ)償裝置為了保證更好的投切電容器，必須對(duì)電容器預(yù)先充電，充電結(jié)束之后再投入電容器。 低壓無(wú)功補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn) 低壓無(wú)功補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)模式主要有以下三種：裝于低壓電動(dòng)機(jī)的單臺(tái)就地補(bǔ)償；裝于配電變壓器低壓側(cè)的補(bǔ)償箱；裝于企業(yè)配電房或車間以及高層建筑樓層配電 間的自動(dòng)補(bǔ)償柜（如 PGJ 柜等）。 1）由三相共補(bǔ)到分相補(bǔ)償，以求達(dá)到更理想的補(bǔ)償效果。 3）從采用交流接觸器進(jìn)行通斷，到選用晶閘管開(kāi)關(guān)電路通斷，發(fā)展為等電壓接通、零電流分?jǐn)嗟淖罴淹?斷模式。 5）將低壓補(bǔ)償?shù)墓δ芗{入箱式變電站或美式箱式變電站的低壓部分。 7）選用干式或充 SF6 的自愈式并聯(lián)電容器，提高運(yùn)行可靠性，延長(zhǎng)使用年限。這兩類無(wú)功補(bǔ)償裝置的特 點(diǎn)在上一節(jié)中也有所介紹，總起來(lái)說(shuō)采用晶閘管控制投切的無(wú)功補(bǔ)償裝置在性能上比采用斷路器開(kāi)關(guān)的無(wú)功補(bǔ)償裝置好，它動(dòng)作時(shí)間短，通常能在一個(gè)周波 (即 20ms)內(nèi)動(dòng)作；動(dòng)作時(shí)無(wú)火花，更安全可靠，壽命長(zhǎng)。這兩種裝置的特性比較見(jiàn)表 11： 表 11 斷路器開(kāi)關(guān)與晶閘管開(kāi)關(guān)控制投切的無(wú)功補(bǔ)償裝置性能比較 斷路器開(kāi)關(guān)控制 晶閘管控制 投切性能 有火花壽命短 無(wú)火花壽命長(zhǎng) 動(dòng)作時(shí)間 長(zhǎng) (約幾十毫秒 ) 短 (約幾十微秒 ) 適應(yīng)的負(fù)荷 相對(duì)穩(wěn)定的負(fù) 荷 可補(bǔ)償沖擊性負(fù)荷 電壓穩(wěn)定性 電壓有波動(dòng) 通過(guò)控制投切時(shí)間，可消 除電壓波動(dòng) 價(jià)格 低 高 9 任何一種智能無(wú)功補(bǔ)償裝置，都需要個(gè)控制器來(lái)完成電網(wǎng)參數(shù)的測(cè)量計(jì)算，控制電容組的投切。以晶閘管作開(kāi)關(guān)元件的無(wú)功補(bǔ)償裝置，控制器器發(fā)出的是晶閘管的觸發(fā)信號(hào)。無(wú)功電源與 有功電源一樣是維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定、保證電能質(zhì)量和安全運(yùn)行必不可少 的 [15]。但是，電網(wǎng)中存在諧波時(shí)，投切電容有可能發(fā)生電容把高次諧波量放大，更為嚴(yán)重的是如果電容與電網(wǎng)中的感性負(fù)載在某次諧波恰好發(fā)生諧振，電網(wǎng)電壓、電流有可能被無(wú)限放大，造成的后果不堪設(shè)想。 然而，傳統(tǒng)的單片機(jī)作為控制器的系統(tǒng)由于受硬件資源與速度的限制，采樣精度不高，每周波的采樣點(diǎn)少，只自出選擇計(jì)算量小的算法，結(jié)果限制了測(cè)量的精度。同時(shí)具有強(qiáng)大的控制功能，因此使用 TMS320LF2407 作內(nèi)核帶電力監(jiān)測(cè)的低壓智能無(wú)功補(bǔ)償裝置能更好的滿足實(shí)時(shí)性和精確性的要求。 (2) 輸入電流模擬量 額定輸入電流模擬量： 5A 50Hz 輸入端輸入阻抗： 不大于 2. 測(cè)量及顯示精度 (1) 電壓 各相電壓 % (2) 電流 各相電流 % (3) 有功功率 各相及總和 % (4) 無(wú)功功率 各相及總和 % (5) 視在功率 各相及總和 % (6) 頻率 % (7) 功率因數(shù) % 3. 控制要求 (1) 控制靈敏度 不大于 (2) 過(guò)電壓保護(hù) 應(yīng)在 105%～ 120%之間可調(diào)，動(dòng)作回差 612V (3) 延時(shí)時(shí)間 10～ 120s 可調(diào) (4) 過(guò)電壓分段總時(shí)限 不大于 60s (5) 投切動(dòng)作時(shí)間間隔 不小于 300s (6) 斷電后所有數(shù)據(jù)保持時(shí)間 不小于 72h 11 (1) 功能設(shè)置要求 1) 能實(shí)現(xiàn)三線對(duì)稱補(bǔ)償和分相補(bǔ)償組合 2) 投入、切除門限設(shè)定值 3) 延時(shí)設(shè)定值 4) 過(guò)壓保護(hù)設(shè)定值 5) 諧波超值保護(hù)設(shè)定值 6) 面板功能鍵操作應(yīng)具有容錯(cuò)功能 7) 面板設(shè)置應(yīng)具有硬件或軟件閉鎖功能 (2) 顯示功能 1) 工作電源工作顯示 2) 超前、滯后顯示 3) 輸出回路工作狀態(tài)顯示 4) 過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作顯示 5) 控制器應(yīng)具有電網(wǎng)即時(shí)運(yùn)行參數(shù)及設(shè)定值調(diào)顯功能 6) 控制器應(yīng)具有監(jiān)測(cè)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)顯功能 7) 諧波超值保打動(dòng)作顯示 8) 手動(dòng)、自動(dòng)指示顯示 (3) 延時(shí)及加速功能 :輸出回路動(dòng)作 應(yīng)具有延時(shí)及過(guò)電壓加速動(dòng)作功能。 (5) 自檢復(fù)歸功能 :控制器每次接通電源應(yīng)進(jìn)行自檢并復(fù)歸輸出回路 (即輸出回路處在斷開(kāi)狀態(tài) )。 (7) 閉鎖報(bào)警 :當(dāng)系統(tǒng)電壓大于或等于一定值 (該值可調(diào) )，閉鎖控制器投入回路；投切器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，閉鎖輸出回路并報(bào)警；執(zhí)行回路發(fā)生異常時(shí)，閉鎖輸出回路并報(bào)警。 12 主電路設(shè)計(jì) 帶電力監(jiān)測(cè)的智能無(wú)功補(bǔ)償裝置的 總電路 圖如圖 21 所示?？紤]系統(tǒng)的復(fù)雜性及經(jīng)濟(jì)性，電容器分組采用二進(jìn)制方案，即采用（ K1）個(gè)電容值均為 C 的電容和一個(gè)電容值為 (C/2)的電容，這樣的分組可使組成的電容值有 2K 級(jí)。 本系統(tǒng)由 TMS320LF2407DSP 控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)無(wú)功功率和電壓并跟蹤系統(tǒng)無(wú)功功率的大小，采用晶閘管投切并聯(lián)電容器組的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。該裝置具備完整的顯示控制保護(hù)功能。并可實(shí)時(shí)在線設(shè)置投入門限、切除門限、過(guò)壓值、欠壓值、延時(shí)值等參數(shù)。 主控制器芯片的選取 本系統(tǒng)采用 TI 公司的 TMS320LF2407 作為主控制器，主要是考慮諧波測(cè)量的準(zhǔn)確性與無(wú)功補(bǔ)償是不可分割的。處理速度很決，達(dá)到 30MIPS，在晶振頻率為 20MHz 時(shí)，計(jì)算一次 64 點(diǎn)的 FFT 運(yùn)算用時(shí)只有 611s,特別適合于處理諧波分析。同時(shí)它又具有低成本、低功耗、高性能的處理能 力 [17]。 2. 片內(nèi)有高達(dá) 32K 字的 FLASH 程序存儲(chǔ)器，高達(dá) 字的數(shù)據(jù) /程序 RAM,544 字雙口 RAM(DARAM)和 2K 字的單口 RAM (SARAM)。他們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反向器控制； PWM 的對(duì)稱和非對(duì)稱波形；3 個(gè)捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路； 16 通道 A/D 轉(zhuǎn)換器控制。 5. 看門狗定時(shí)器模塊 (WD1)。 7. 控制器局域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 模塊。能與系統(tǒng)中的其他控制器進(jìn)行異步通信 (RS232)。 10. 基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。方便擴(kuò)展外設(shè)，滿足多數(shù)控制對(duì)像輸入輸出的需求。 2. 硬件乘法器：乘法是 DSP 的重要組成部分。它能實(shí)現(xiàn)單指令乘加運(yùn)算和變址運(yùn)算。它將多條指令進(jìn)行壓縮，如指令功能壓縮和指令周期縮短 (200ns 降到 20ns 以下 )，可以在一個(gè)指令周期內(nèi)執(zhí)行多條指令，提高了處理器的速度。 5. 在芯片內(nèi)設(shè)置了專門的硬件數(shù)據(jù)指針的逆序?qū)ぶ饭δ堋? 綜合這幾方面原因，采用 F2407 做主控制器，既能滿足作為控制器的功能，它突出的計(jì)算能力又能快速準(zhǔn)確的分析諧波量，在諧波量超標(biāo)的情況下，停止投入電容器，防止了重大事故的發(fā)生。此模塊的作用是將電壓互感器 (YH)和電流互感器 (LH)二次輸出的電壓、電流模擬量經(jīng)過(guò)上述環(huán)節(jié)處理成大小與輸入量成正比、相位不失真的模擬量，輸入到DSP 的 A/D 轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行采樣，將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能接受與識(shí)別的數(shù)字量，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算。考慮 DSP 的數(shù)字處理能力突 出，適于進(jìn)行線性運(yùn)算的特點(diǎn)，以及測(cè)量精度的要求，取系統(tǒng)的采樣頻率為 3200Hz，即每周波采樣 64 點(diǎn)，可準(zhǔn)確測(cè)量 32 次諧波量。由互感器得到的電壓電流信號(hào)線性衰減成能輸入 DSP 的量程范圍，再經(jīng)抗混疊濾波器濾波，輸入 DSP 的A/D 轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。 電流互感器 T1, T2 和 T3 的原邊電流 ,為 0～ 5A，互感器 CT，變比為 12500/1，則refVIRV ?? 1250011160，其中 為交流地，對(duì)應(yīng)的直流電平為 。 15 T 4T 5T 6R 1 2 4R 1 2 3R 1 2 21 0 01 0 01 0 0V r e f [ + 1 . 6 5 v ]R 1 1 9R 1 2 0R 1 2 11cU 1bU 1aUG R O U N DG R O U N DG R O U N D1 1 0 K1 1 0 K1 1 0 KY R 33 9 0 v3 9 0 vY R 3 圖 23 電壓 信號(hào)形成回路 3. ALF 低通濾波電路 圖中 Dl, D2 將輸出信號(hào)鉗制在 ，保證輸入 LF2407A / D 轉(zhuǎn)換口的電壓在 0～，以保證其 AD 轉(zhuǎn)換的正常工作。 由于需計(jì)算到工頻信號(hào)的 30 次諧波，即需 對(duì) 50x30= 1500Hz 的信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，系統(tǒng)的采樣頻率為周波采樣 64 點(diǎn) ， 采 樣 頻 率Hzf s 32020450 ??? ，因此輸入 DSP 的信號(hào)最高頻率應(yīng)為 Hzff sh 16002 ?? ，即低通濾波器應(yīng)將大于 1600Hz 的信號(hào)濾除。系統(tǒng)放 16 大增益 12 ????? RRA up。 選用 LM117 產(chǎn)生穩(wěn)壓電路。 將數(shù)據(jù)代入得VVref ? 。再由采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算出采 17 樣頻率，以保證同步采樣，消除非同步采樣引起的頻譜泄漏，保證測(cè)量精確性。有多個(gè)觸發(fā)源可以啟動(dòng) AD轉(zhuǎn)換，包括軟件啟動(dòng)、 EVA， EVB 和外部觸發(fā) (ADCSOC)。在這兩種工作方式下， ADC 模塊都能夠?qū)σ恍蛄修D(zhuǎn)換進(jìn)行自動(dòng)排序。 LF2407DSP 系統(tǒng)模塊 該模塊包括 LF2407DSP 電路，存儲(chǔ)器 (SRAM)電路，電源保護(hù)電路，上電復(fù)位電路和串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。LF2407 具有 16 位數(shù)據(jù)線和 16 位地址線。 ADCIN00～ ADCIN5為 AD轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入，其中 ADCIN00, ADCINI、 ADCIN2 為三相電壓輸入， ADCIN3, ADCIN4,ADCIN5 為三相電流量輸入，將三相電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 SCITXD 和 SCIRXD 接口作為通訊線， CAP1 為事件管理器 1 的捕捉引角，用來(lái)捕捉方波信號(hào)的上升沿，從而測(cè)量電網(wǎng)信號(hào)的周期。 2. 存儲(chǔ)器電路 LF2407 自帶 32K 的 Flash，外部可擴(kuò)展 64K 數(shù)字存儲(chǔ)器和 64K 程序 存儲(chǔ)器。DS和 PS分別接 2407 的 DS 和 PS 引角，它們分別為數(shù)據(jù)空間選通引角和程序空間選通引腳，當(dāng)它們?yōu)榈碗娖綍r(shí)，分別表示選通數(shù)據(jù)空間和程序空間。其中 32K 空間擴(kuò)展為程序存儲(chǔ)器， 32K空間擴(kuò)展為數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器。 18 A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A 1 0A 1 1A 1 4A 1 3A 1 2A 2A 1A 0 54321D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D 9D 1 0D 1 1D 1 2D 1 3D 1 4D 1 57891 01 31 41 51 62 93 03 13 23 53 63 73 81 81 92 02 12 42 52 62 74 24 14 4A 0A 161 73 94 04 32 22 33 31 11 23 4V 3 . 3S R A MN CN CV C CV C CG N DG N DC EW EO EO BL BU 9123D S P S U 1 0 A7 4 F 0 8D