动态滤波无功补偿装置结构原理（基于DSP的静止无功补偿器设计与实现）

动态滤波无功补偿装置结构原理（基于DSP的静止无功补偿器设计与实现）LC滤波器是由滤波电容器、电抗器和电阻器组成的滤波装置，作用是补偿无功功率和滤除谐波。LC滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等几种[1]，实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。图2 TCR单相结构图图1 TCR型SVC结构图在实际工程设计中，要求滤波器投入后使注入系统的各次谐波电流和电压总畸变率在国际限制以内。TCR的单相基本结构是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，如图2所示，而三相多采用三角形联结[1]。这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路的结构。其中电抗器为储能元件，吸收感性无功。通过调整触发延迟角改变系统等效电纳，从而调节补偿器的等效电抗，达到调节感性无功的作用。

本文详细介绍了基于高性能32位定点DSP芯片TMS320F2812的TCR型静止无功补偿器，实验证明该装置具有良好的无功补偿性能。

随着电力电子技术的快速发展 大功率变流、变频设备在电力系统中得到广泛的应用。这些非线性的电力电子设备在工作时基波电流滞后于电网电压，消耗大量的无功功率，同时还会产生大量的谐波电流，也会消耗数量可观的无功功率。大量的无功电流导致供电电压的波动和闪变、供电电压的波形畸变、功率因数恶化，给电网带来不利影响。

晶闸管控制电抗器（简称TCR）是目前动态无功功率补偿中应用比较广泛的静态无功补偿装置，其性价比比较符合中国的国情，因此，本文提出一种基于TI公司高性能DSP芯片TMS320F2812的TCR型静止无功补偿装置(简称TCR型SVC)。

1 TCR型SVC的工作原理

TCR型SVC通常由TCR和LC滤波器组成。如图1所示。

图1 TCR型SVC结构图

在实际工程设计中，要求滤波器投入后使注入系统的各次谐波电流和电压总畸变率在国际限制以内。

TCR的单相基本结构是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，如图2所示，而三相多采用三角形联结^[1]。这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路的结构。其中电抗器为储能元件，吸收感性无功。通过调整触发延迟角改变系统等效电纳，从而调节补偿器的等效电抗，达到调节感性无功的作用。

图2 TCR单相结构图

LC滤波器是由滤波电容器、电抗器和电阻器组成的滤波装置，作用是补偿无功功率和滤除谐波。LC滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等几种^[1]，实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。

2 TCR型SVC的实现

TCR型SVC包括主电路和控制系统两部分 如图3所示。这里重点介绍控制系统的实现。控制系统通过采集系统电压、系统电流和负载电流信号，经过处理产生触发脉冲来控制TCR的晶闸管导通角，实现动态的无功功率补偿，同时检测电路故障信号实现对系统的保护功能。

图3 SVC结构组成图

2.1 硬件实现

图4 SVC控制系统的硬件结构图

从图4可以看出 该控制系统的硬件主要由信号调理单元、DSP控制单元、接口及继电保护单元、晶闸管驱动单元构成。

1) DSP控制单元

TMS320F2812作为目前最先进的32位定点DSP芯片，不仅有高速的CPU，巨大的存储容量，还有丰富的片内外设设备，便于接口和模块化设计，包括MCBSP多通道缓冲型串行接口、SPI串口、SCI异步串口、CAN总线控制器、A/D转换器、定时器以及事件管理器等。由于TMS320F2812的优异性能，本文选择TMS320F2812作为SVC控制器的核心控制芯片^[2]。

2) 信号调理单元

• 主要功能如下：检测三相电压和电流；对检测信号进行滤波处理，主要滤除高于采样频率的高频噪声信号；跟踪系统频率变化，获得相位同步信号；实现对检测信号的电平转换以满足DSP控制单元对输入信号的要求。

3) 接口及继电保护单元

• 主要功能如下：对DSP产生的驱动晶闸管的脉冲信号进行电平转换；通过设置继电器和产生脉冲封锁信号实现装置的正常启停；采集晶闸管故障信号实现对系统的保护。

4) 晶闸管驱动单元

主要功能是将脉冲信号放大、隔离得到晶闸管所需的高频强触发脉冲序列。

2.2 软件实现

• 软件主要实现的功能是：定时采样，并实现A/D转换；实现对采样信号的软件滤波，并计算各相需要补偿的无功功率；通过折半查找法实现无功功率与晶闸管导通角之间的非线性化，产生对应于晶闸管触发时刻的触发脉冲；对故障状态进行判断，产生保护信号。

为了提高装置的抗干扰能力，采用了软件看门狗等措施。软件程序包括循环结构的主程序和中断服务程序，主程序流程图如图5所示。中断服务程序是过零中断、A/D采样中断和单比较器比较中断，分别如图6、7、8所示。其中，以单比较器比较中断的优先级为最高，A/D次之，过零中断的优先级最低。

图5 主程序流程图

图6 过零中断服务程序流程图

图7 A/D中断服务程序的流程图

图8 单比较器比较中断服务程序的流程图

3 实验结果

为了验证TCR型SVC的无功补偿性能，制作出一台SVC样机，该样机的容量为30KVar，额定电压为380V，TCR三相采用三角形结构，每相电感值约为43.1mH LC滤波器组由3次单调谐滤波器、5次单调谐滤波器和二阶高通滤波器相并联组成。

无功功率补偿实验的条件如下：电源电压为380V、50Hz，无功负载为相控整流柜，其输出功率为50KVA。实验结果如表1所示，可以看出未投入SVC装置时，功率因数较低；采用了SVC装置后，无功功率得到了补偿，功率因数提高到接近于1，说明该SVC控制系统的设计是正确且有效的。

表1 三相无功补偿测试结果

4 结束语

针对当前电力系统领域中存在的实际问题，本文采用数字处理芯片TMS320F2812实现了TCR型SVC的控制系统，并详细说明了该控制系统的硬件和软件设计，实验证明本方案无功补偿效果良好，具有可观的应用前景。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“基于DSP的静止无功补偿器设计与实现”，作者为周宇英、宋璟毓。）