零電流型TSC 雙CPU 控制系統(tǒng)的設(shè)計

李寧

（江蘇廣識電氣有限公司，江蘇 徐州 221000）

電網(wǎng)無功功率補償技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從電網(wǎng)并聯(lián)電容器，到晶閘管投切電容器（TSC）一直發(fā)展到靜止無功發(fā)生器幾個階段。目前老式的無功補償設(shè)備基本淘汰，新式的更加先進(jìn)的無功補償設(shè)備越來越普及。靜止無功發(fā)生器雖然性能先進(jìn)，但其復(fù)雜的控制和高昂的價格使得其使用率不高；晶閘管投切電容器由于結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能好、價格便宜、得到了廣泛的應(yīng)用，用電負(fù)荷大的私人企業(yè)尤為青睞。

目前廣泛使用的TSC大多為零電壓型，當(dāng)晶閘管兩端的電壓為零時投入電容器，此時也會產(chǎn)生合閘涌流，可達(dá)電容器額定電流的3倍，影響電容器的使用壽命，并且會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定沖擊。零電流型TSC是在晶閘管電壓為零且是在電源電壓峰值時導(dǎo)通，此時達(dá)到理想的投切條件，投入不會產(chǎn)生沖擊涌流和諧波，故稱為零電流型TSC。為達(dá)到電容電壓一直維持在電源電壓的峰值，必須為電容充電，一般其他的TSC是加入專門的充電電路；本文提出了通過合理的控制晶閘管導(dǎo)通時序來達(dá)到維持電容器電壓穩(wěn)定。

1 零電流型TSC過零投切的分析

本文提出了一種新型的零電流型TSC無功補償裝置，零電流型TSC通過檢測判斷電源電壓的方向，在需要投入電容器組時，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，可以做到無沖擊涌流快速的投入。

零電流型TSC從切除某支路到這一支路快速投入時零電流型TSC性能的體現(xiàn)。采用新的充電技術(shù)，可以使零電流型TSC快速在零電流狀態(tài)下快速投入，投入時間在20ms以內(nèi)。

零電流型TSC時序控制如圖1所示。假設(shè)在t1～t7時刻段電容器并入系統(tǒng)，電容電壓基本與電源電壓同步，電容器電流超前電壓90°。在電容器投入時，晶閘管兩端電壓為導(dǎo)通電壓，基本可以忽略。在晶閘管電流過零時刻交替導(dǎo)通反并聯(lián)的晶閘管使得電容器并入電力網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)檢測到系統(tǒng)無功功率過補償需要切除電容組時，直接禁止下一次要觸發(fā)的脈沖，晶閘管會在下一個電流過零點關(guān)斷，直接切除了電容。電容從電網(wǎng)切除后，如果沒有充電電路的情況，電容器電壓會在三分鐘之內(nèi)降到75V以下。下次再次投入運行時，如果直接觸發(fā)晶閘管會產(chǎn)生巨大的沖擊涌流。

圖1 零電流型TSC時序控制

本文設(shè)計的零電流型TSC可以在需要投入時在10ms內(nèi)快速的投入。在切除觸發(fā)脈沖時檢測晶閘管兩端電壓的符號，如圖1在t7～t8時刻間，檢測到晶閘管兩端電壓在坐標(biāo)軸的下端，定義為負(fù)；這時觸發(fā)晶閘管Vt1使在電容器切除狀態(tài)下一直導(dǎo)通，由于晶閘管的單向?qū)ㄌ匦裕陔娫措妷旱陀陔娙萜麟妷簳r晶閘管不導(dǎo)通，由于在20ms內(nèi)電容器會放電，電容器電壓會稍微低于電源電壓，在電源電壓高于電容器電壓時，會為電容器充電，此時電源電壓與電容器電壓相差不大，且基本處于峰值，所以充電電流會很小，可以使電容器電壓一直保持在峰值電壓附近。因此再投入時不需要再次充電，保證了再次投入的快速性。

當(dāng)系統(tǒng)容性無功功率低時，電源電壓達(dá)到下半軸峰值時刻t11時，觸發(fā)晶閘管Vt2，電容器電壓與電源電壓相等且在峰值，這時投入無沖擊電流，且投入響應(yīng)時間低于20ms。

TSC一般分組并入電網(wǎng)，如TSC某一支路第一次投入時，會檢測晶閘管兩端電壓的正負(fù)符號，反映的是電源電壓的符號，如果電源電壓符號在正半軸，發(fā)出脈沖觸發(fā)晶閘管Vt2，電容器不充電，但當(dāng)電源電壓從零點進(jìn)入負(fù)半軸時電源會從電壓為零時充電，根據(jù)公式ic=c（du/dt）這時的沖擊電流是由電壓的變化率產(chǎn)生，使沖擊電流最小。當(dāng)有幾組電容器已經(jīng)并聯(lián)到電網(wǎng)時，再次投入另一組電容器時如果不采取特殊措施，其他投入的電容器和電源會同時為這一路電容器充電，這一支路充電電流會很大，有可能燒毀晶閘管，也有可能擊穿電容器。

本文設(shè)計的零電流型TSC可以避免這種情況出現(xiàn)，在裝置開機運行時，可以控制每一條支路電容，使其全部同時充電到電源電壓峰值，以此避免某一條支路因電容充電而造成電流過大。

2 零電流型TSC硬件電路設(shè)計

零電流型TSC硬件組成整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用型號為56F8356的DSP芯片和型號為XC3S50-4FTG100C的FPGA芯片作雙CPU控制，硬件電路分兩個部分。第一部分為控制器部分，完成系統(tǒng)電壓、電流的采樣，并把得到的電壓、電流信號，經(jīng)過電路調(diào)理成為DSP可讀取的電壓信號。第二部分為晶閘管投切控制電路，采用FPGA芯片作為核心部分，負(fù)責(zé)過零觸發(fā)晶閘管。

圖2 零電流型TSC硬件組成整體結(jié)構(gòu)圖

在數(shù)據(jù)處理和算法方面DSP優(yōu)于FPGA；但是在時序控制和硬件設(shè)計方面FPGA優(yōu)于DSP。計算電力系統(tǒng)無功功率，使用FFT算法符合DSP的優(yōu)點，可提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。而晶閘管的投切電路不涉及算法，但投入時序控制要求很高，符合FPGA的優(yōu)勢。

零電流型TSC的設(shè)計，對晶閘管兩端的電壓檢測是設(shè)備能否在電壓零點投切的關(guān)鍵。檢測的精度和可靠性，對裝置安全運行有很大的影響。本文采用電阻分壓的原理，檢測晶閘管兩端電壓；由于檢測的只是信號在零點的那一段，沒有必要要把晶閘管全部的電壓檢測，所以設(shè)計了嵌位電路，晶閘管電壓采樣電路如圖3所示。當(dāng)晶閘管兩端電壓大于某一電壓值時，進(jìn)入電路后面的電壓就會一定就會嵌位到+7V或者-7V。

圖3 晶閘管電壓采樣電路

如圖3檢測晶閘管兩端電壓，通過電阻分壓，進(jìn)入電壓跟隨器，經(jīng)過濾波電路輸出脈動波形，再輸入到后面電路；檢測出的電壓進(jìn)入后面的符號判斷電路和過零檢測電路。

如圖4是符號檢測電路，檢測到晶閘管兩端電壓，進(jìn)入到集成運算放大電路。判斷電容的充電方向；通過PHPC817隔離，把信號輸入到FPGA芯片中。

圖4 符號檢測電路

過零檢測電路如圖5所示。當(dāng)信號R.SIG信號進(jìn)入到-2.3V～+2.3V時，電路會發(fā)出一個過零信號到FPGA芯片；當(dāng)R.SIG在-2.3V～+2.3V時，對應(yīng)的晶閘管兩端電壓為±42V左右，這時對晶閘管投切，沖擊電流很小。

圖5 過零檢測電路

3 零電流型TSC軟件設(shè)計

零電流型TSC系統(tǒng)軟件主要由兩部分作用，第一部分是控制器算法設(shè)計軟件，運行在DSP中，這部分主要是通過檢測電力網(wǎng)絡(luò)電壓和電流，經(jīng)過信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入DSP算出所需的參數(shù)，發(fā)出開通或者關(guān)斷信號給FPGA芯片；第二部分是以FPGA為核心的零電流型TSC觸發(fā)系統(tǒng)的軟件的設(shè)計。

零電流型TSC裝置工作過程是：在裝置開機時，控制器程序自檢，啟動控制器；點開啟及其投切命令，首先采樣電壓和電流，通過FFT算法得出系統(tǒng)無功功率、功率因數(shù)和系統(tǒng)各次諧波含量；進(jìn)入模糊算法控制模塊，計算出模塊控制指令，通過通訊電路傳送給FPGA投切電路。零電流型TSC在投切命令發(fā)出后，有FPGA芯片專門控制裝置的過零投入和切除，其進(jìn)行的主要是邏輯算法。FPGA控制電路板投切電路集成在一塊電路板上；當(dāng)電路板上電以后，在控制命令沒有發(fā)出以前首先做投切準(zhǔn)備工作，采樣晶閘管兩端電壓，并判斷電壓符號。初始階段，進(jìn)行電壓過零充電，當(dāng)控制命令沒有發(fā)出時，F(xiàn)PGA電路板會每周期為電容充電，使電容電壓維持在電源電壓附近，可以保證在投切時，快速的過零投切，達(dá)到無沖擊電流的目的。當(dāng)控制命令發(fā)出投切命令時，F(xiàn)PGA發(fā)出驅(qū)動晶閘管的電流信號，使晶閘管導(dǎo)通；當(dāng)切除命令發(fā)出時，F(xiàn)PGA封鎖電流信號，晶閘管會在下一次電流過零時自動關(guān)斷。

4 系統(tǒng)測試

搭建試驗平臺，對零電流型TSC在過零投切進(jìn)行試驗，驗證設(shè)計的正確性、可靠性以及合理性。投入狀態(tài)下過零符號測試如圖6所示。

圖中，CH2為過零信號；CH3為晶閘管兩端電壓；CH4為符號信號。測試結(jié)果滿足過零投入的要求。

5 結(jié)論

本文從提高動態(tài)無功補償?shù)膭討B(tài)性能、可靠性以及實用性方面分析了零電流型TSC的原理和工作過程，對零電流型TSC的關(guān)鍵技術(shù)和無功補償?shù)脑磉M(jìn)行了詳細(xì)的介紹。從硬件和軟件兩個方面綜合分析，設(shè)計使用的是雙CPU的控制；應(yīng)用DSP芯片進(jìn)行算法設(shè)計，使用FPGA進(jìn)行邏輯開發(fā)。設(shè)計了零電流型TSC動態(tài)無功補償設(shè)備，并對設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的測試，結(jié)果表明達(dá)到了設(shè)計要求。