基于DSP的低压终端无功补偿装置的研究

1.引言

现代电网中，电动机等感性负荷占据很大比重，它们在做工时需要吸收大量的无功功率，实现能量的转换，带动设备做功。

这样，电源提供的电功率并不完全供给给有功功率，还要一部分转换为无功功率，这无疑增加了电网电源的负担，降低了供电设备的效率，而且由于线路中无功电流的存在将增大网络损耗，降低输电线的使用寿命，严重影响供电质量。为了解决这一问题，我们设计了低压终端无功补偿装置，在电路中需要消耗无功功率的地方提供无功功率，即对无功功率进行补偿。

2.无功补偿技术的有关理论分析

2.1 TSC型无功补偿装置的工作原理

图2-1给出了TSC型无功补偿装置的系统模型，其中2个反并联晶闸管作为补偿电容器的投切开关。首先，交流电源US经变压器PT和线路电抗XL后对负载供电，负载端电压为U2,负载电流为I,IP和IQ分别成为正弦电路中的电流有功分量和无功分量。在负载处经晶闸管开关T接入一个补偿电容器C,电容抗为XC若选取C的大小使IC等于负载感性电流IQ,即：

同时，IC为容性电流，超前电压U290°，-IC即为感性电流，滞后U290°，与负载感性电流IQ同相，这样，按上式选择电容C,负载的感性电流IQ的大小和幅值都等于电容器向电网输出的感性电流-IC,电容器C输出的无功功率抵消掉了负载消耗的无功功率，因此，整个电路中只有有功电流在流动，没有无功电流的损耗，负载的功率因数接近于1,这样就提高了电能的利用率，降低了电能在输送过程中造成的浪费。

2.2 无功补偿控制方式的研究

传统的无功补偿装置依靠单一的物理量作为参考量，难以实现精确的控制，本设计中，为了满足控制的需要，做到精准无误的控制，我们选择性能较好的两种控制方式相结合，即以无功功率为主要判据、电压为辅助判据的电压无功复合控制方式，利用无功功率校正控制避免投切震荡、以电网电压的限定值作为电容投切的约束条件，从而实电容器组的智能综合投切，在保证电压在合格的范围内实现无功平衡，既减少了网络损耗，又考虑到了电压质量。

图2-2为控制投切区域图，分为11个区域来进行控制。Q是系统的实际无功功率，U是实际电压值，控制策略中设置了两级电压门限和一级无功门限，分别是：电压上限U上限和下限U下限;电压上极限U上极限和下极限U下极限;无功上限Q上限和下限Q下限，当电网电压越上、下极限时，此时不考虑无功功率，投切电容器来改变电压值，使其回到上、下限之间，只有当电网电压在合格范围内才根据无功值来投切电容器，调节网络无功。

2.3 有关补偿电容器分组方法的研究

本设计中电容器的分组方式采用不等容分组方式。不等容分组方式是指各组电容器的容量不相等，分组容量比不宜过大，以不超过1:3为宜。例如：可以补偿15kvar无功容量的电容，按照1:2:4:8的比例来分，每组补偿容量分别为1kvar、2kvar、4kvar、8kvar,就可实现15级组合，分成4组就可以实现0~15kvar补偿级差为1kvar的无功补偿。这种分组方式补偿速度快，精度高，同时也节省了电容器投切开关的数量，降低了成本;缺点是只要最小一组容量能够进行投切，则总是对该组进行操作，以此类推，顺序操作，结果最小一组电容器频繁进行投切，使用寿命最短，且其控制也比较复杂。

本设计选用四种电容器，电容大小分别为60uf,30uf,15uf,8uf,当在220V工作电压下的容量分别为9043var,4521ar,2260var,1205var,这样可以补偿的无功功率最大可达到17030var.这四种电容器组可以实现0到17Kvar的补偿，可以分为15级调节控制。虽然软件控制较复杂，但可以节省投切开关的数量，减少了补偿装置的成本。

3.无功补偿装置的硬件设计

本课题设计的是基于DSP控制的晶闸管投切电容器(TSC)型无功补偿装置，其控制器采用DSP为核心控制器，采用了集中补偿方式，装配在配电变压器低压母线上，对配电变压器所带的整个区域负荷进行补偿，利用电压无功复合投切判据来判定电容器组的投切，投切开关选用晶闸管与继电器结合使用的复合开关。其硬件原理结构框图如图3-1所示，主要包括控制器模块，电压、电流检测调理模块，脉冲驱动电路模块，复合开关模块以及通讯、存储模块几部分组成。

3.1 复合开关电路设计

复合开关是电容器组的投切开关，本设计采用晶闸管与继电器相结合的方式来执行电容器组的投切，如图3-2所示，晶闸管与继电器并联，L1的作用是抑制电容投切时对晶闸管产生的冲击影响。当需要补偿无功时，应当将电容器并入电网，此时控制器发出该控制信号，并给晶闸管和继电器同时发送一个闭合驱动信号，由于晶闸管的响应速度比继电器快，故上半回路先导通，电容器立即投