濾波器裝置中晶閘管快速投切的設(shè)計與實現(xiàn)

劉洪高，馬 琪，高 軍

(1.杭州電子科技大學(xué)微電子CAD所，浙江杭州310018;

2.杭州國家集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)化基地有限公司，浙江杭州310053)

0 引言

在低壓供電系統(tǒng)中，為了保證在快速投切電容器組時不產(chǎn)生沖擊電流及過電壓，需要采用過零投切。一般晶閘管投切濾波器裝置都具有過零檢測/觸發(fā)電路，保證晶閘管閥兩端電壓過零時觸發(fā)晶閘管來實施電容器投切［1、2］。但是，在復(fù)雜的供電環(huán)境中沖擊性負(fù)載易在配電網(wǎng)中產(chǎn)生大的電壓波動及較高的電流諧波，應(yīng)用簡單的過零觸發(fā)硬件電路(如MOC3083)容易產(chǎn)生誤觸發(fā)，且產(chǎn)品批量生產(chǎn)時硬件成本相對偏高。本文針對自行設(shè)計的晶閘管投切濾波器控制裝置，設(shè)計并實現(xiàn)了一個較好的快速過零投切電容器的方法，對于晶閘管端電壓偏離零點(diǎn)［3］的情況依然適用，達(dá)到精確控制投切、快速過零觸發(fā)的目的，同時還大幅降低了后續(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

1 晶閘管投切濾波器控制裝置的總體結(jié)構(gòu)

該自行設(shè)計的晶閘管投切濾波器控制裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制裝置總體結(jié)構(gòu)圖

控制器采用綜合控制的方式，采樣提取電流值和初相值，計算電流的基波無功分量、負(fù)載無功功率，進(jìn)行電容器投切判斷，發(fā)出晶閘管投切電容器補(bǔ)償指令，通過CAN總線發(fā)送給各個觸發(fā)保護(hù)器，觸發(fā)保護(hù)器在電壓過零時實施投切，同時，觸發(fā)保護(hù)器改變投切組合方式時，應(yīng)通過CAN總線將當(dāng)前投切狀態(tài)回傳給主控制器［4］。

控制器采用TI的32bit DSP芯片TMS320F2802作為計算處理主芯片，實時采集三相電流電壓值，計算有效值，有功、無功功率，功率因數(shù)以及各高次諧波電流電壓值(20次以內(nèi));并根據(jù)投切策略對3、5、7、11次諧波選擇適當(dāng)?shù)耐肚蟹绞?，通過CAN總線發(fā)送給各觸發(fā)保護(hù)器。

觸發(fā)保護(hù)器內(nèi)部功能模塊如圖2所示，接受控制器發(fā)送過來的投切方式，在電壓過零點(diǎn)時實施投切;同時實時監(jiān)測濾波器支路CT，對過流、過壓、欠壓等故障實施相應(yīng)處理，并將相應(yīng)改變后投切方式同步給主控制器。

圖2 觸發(fā)保護(hù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 過零投切觸發(fā)硬件電路的選擇

在晶閘管投切電容器裝置的過零觸發(fā)硬件電路中，晶閘管閥一般采用2只晶閘管反向并聯(lián)的方法，實現(xiàn)2只晶閘管輪流觸發(fā)的效果，起到接通和斷開補(bǔ)償回路的作用［4］。本文設(shè)計的過零投切方法中，觸發(fā)電路出于成本和操控簡便的考慮，采用了1只晶閘管和1只二極管反向并聯(lián)的接線方式。這種結(jié)構(gòu)可有效避免沖擊電流和過電壓對供電系統(tǒng)及設(shè)備的影響，但晶閘管閥所承受的最大反向電壓為電源電壓峰值的2倍。

本文設(shè)計中，晶閘管還并聯(lián)有由電阻和電容構(gòu)成的吸收電路，用于吸收浪涌電流和抑制過電壓。為抑制電容器投入電網(wǎng)時可能出現(xiàn)的沖擊電流，采用加裝電抗器的方式串聯(lián)小電感［5］。觸發(fā)電路如圖3所示。

圖3 觸發(fā)電路簡圖

3 過零投切的過零檢測方法的設(shè)計

確定晶閘管電壓過零點(diǎn)的方法有兩種，一種是從電網(wǎng)電壓取得同步信號來判斷過零點(diǎn);另一種是從晶閘管陽極和陰極取得過零信號［4］。從晶閘管兩端取得過零信號比較困難，過零觸發(fā)要求電壓高時截止，電壓最低時導(dǎo)通。目前典型過零觸發(fā)電路是 MOC3083，它在合閘瞬間會有誤導(dǎo)通現(xiàn)象［6］。本文設(shè)計的過零投切方法中，過零檢測方法通過實時采樣主回路電網(wǎng)電壓信號來判斷過零點(diǎn)，由嵌入式軟件實現(xiàn)。

電網(wǎng)頻率50Hz，本文設(shè)計的過零檢測方法，每個周期采樣128個點(diǎn)(周期為156.25μs，即采樣頻率為6.4kHz，由DSP處理器中的定時器產(chǎn)生)，通過對經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換而來的采樣信號進(jìn)行計算，判斷出峰值點(diǎn)(找到過零時刻)，并作出相應(yīng)動作(投切)。整個程序可分為3個部分:電網(wǎng)電壓頻率的檢測;峰值點(diǎn)(即過零點(diǎn))的捕捉;峰值點(diǎn)的校正。3部分以下分別論述。算法的總體流程圖如圖4所示。

(1)首先要檢測電網(wǎng)電壓的頻率，以保持與電網(wǎng)電壓同步。檢測方法一般有2種:1)采用方波轉(zhuǎn)換電路、定時器中斷的方式，首先將正弦波轉(zhuǎn)換成方波，得到一個完整的電流周期，通過這個方波觸發(fā)計時器，從而實現(xiàn)計算得到電網(wǎng)頻率，這種方法需要添加不少硬件;2)采用傅立葉變換檢測計算頻率，這種方法可用軟件實現(xiàn)。顯然，傅立葉變換測頻算法具有較強(qiáng)的濾波能力，而且計算數(shù)據(jù)還可以用于電壓基波和各次諧波的計算，有很好的實用性。

這里采用的是第2種方法，傅式測頻法，設(shè)電網(wǎng)參考頻率f0=50Hz，實際頻率f=f0+df，則電壓為u(t)=Ucos(2 ft+θ)=Ucos(2 f0t+2 dft+θ)，令 θ(t)=(2 dft+θ)，則 u(t)=Ucos［2 f0t+θ(t)］，對u(t)作離散傅立葉變換:，同時由于θ(t)=2dft+θ，因此=2df，所以，故所求頻率為f=f0+df，θm(t)為第m個數(shù)據(jù)窗的相位，θm+n(t)為第m+n個數(shù)據(jù)窗的相位［7］。

(2)峰值點(diǎn)的捕捉是通過對采樣的128個點(diǎn)進(jìn)行比較判斷，最大值點(diǎn)即為信號峰值點(diǎn)，之后不再捕捉峰值點(diǎn)，而是通過檢測到的電網(wǎng)頻率的變化來保持同步。但是正常工作時，電網(wǎng)頻率不可能一直為50Hz，有一定的偏差(一般情況下上下波動不會超過0.5Hz)，所以每過一個基頻周期在峰值點(diǎn)投切時，就要根據(jù)電網(wǎng)頻率變化對峰值點(diǎn)進(jìn)行修正，這樣投切用到的峰值點(diǎn)就會一直與實際的電網(wǎng)電壓保持同步。

(3)峰值點(diǎn)的修正，此處是利用頻率的修正后頻點(diǎn)的偏移量來對峰值點(diǎn)作相應(yīng)處理而來，頻率的修正是通過周期差與相位角變化之間關(guān)系來計算的。首先定時器控制采樣周期不變，采樣點(diǎn)數(shù)128點(diǎn)，采樣一個周期仍是20ms，然后通過FFT檢測末點(diǎn)值的相位變化，記錄其相位角差，若電網(wǎng)頻率是50Hz時末點(diǎn)相位α，頻率變化后一周期末點(diǎn)值的相位為β，則相位差θ為(β－α)，由(T1－T2)/t=θ/2 ，這里t=20ms，T1是50Hz時的信號周期20ms，通過上述公式即可求出頻率變化信號的周期T2，然后((T1－T2)/T2)×128即為一周期采樣頻點(diǎn)變化量，通過這個值對原信號峰值頻點(diǎn)做相應(yīng)增減即可得到校正后的峰值點(diǎn)。頻率以及頻點(diǎn)偏差的計算流程如圖5所示。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計開發(fā)了一種可替代硬件過零電路的過零檢測方法，方法簡潔、靈活、高效，基本能達(dá)到精確檢測過零、快速過零投切的目的，可實現(xiàn)電容器的無沖擊投切?，F(xiàn)場應(yīng)用實踐也表明，在諧波電流嚴(yán)重的狀態(tài)下該方法依然可以正常動作，適合TSC的不同主回路和不同電壓等級等情況。

圖4 過零檢測方法總流程

圖5 頻率以及頻點(diǎn)偏差的計算流程

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