TSC無功補(bǔ)償控制裝置研究

摘 要：針對無功補(bǔ)償九域圖控制策略存在的問題，首先給出一種基于模糊控制理論的九域圖控制方法;同時設(shè)計(jì)了一套基于DSP的中高壓TSC無功補(bǔ)償裝置，該裝置能根據(jù)電網(wǎng)的無功情況實(shí)時投切電容器，并能實(shí)時顯示功率因數(shù)和溫度等參數(shù)，還可將備份數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端;最后結(jié)合硬件電路進(jìn)行了相應(yīng)軟件的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：TSC無功補(bǔ)償;模糊控制策略;投切電容器組

0? ? 引言

為中高壓電網(wǎng)設(shè)計(jì)高性價比的無功自動補(bǔ)償設(shè)備是社會發(fā)展的需要，而其控制策略的選取也是一個非常值得研究的課題[1]。本文著重對晶閘管投切電容器組（TSC）進(jìn)行研究，TSC裝置主要由電容器組和大功率的晶閘管構(gòu)成，當(dāng)用戶（或負(fù)載）有無功需求時，電容器組能及時被投放到系統(tǒng)中進(jìn)行無功補(bǔ)償;當(dāng)用戶（或負(fù)載）無功需求減小時，電容器組能及時地被切除，從而達(dá)到無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

采用TSC對任意時刻的無功需量進(jìn)行精確補(bǔ)償并不可行，一定范圍的無功存在是合乎實(shí)際的。實(shí)際應(yīng)用的TSC無功補(bǔ)償裝置大多采用多組電容器進(jìn)行投切工作，通過電容器組搭配的不同而形成不同的補(bǔ)償級數(shù)，根據(jù)不同的無功負(fù)荷選取不同級數(shù)的電容器組動作。

1? ? TSC動態(tài)無功補(bǔ)償控制策略的選取

1.1? ? 傳統(tǒng)九域圖控制策略的缺點(diǎn)

使用九域圖控制策略投入某組電容器后，電壓和無功會超過規(guī)定的上限，從而造成往復(fù)的“投切振蕩”現(xiàn)象。目前普遍采用的控制方式是“先投后切，后投先切”，電容器組投切積累的熱量短時間內(nèi)不易散發(fā)出去，這就影響了排序在前的電容器組的使用壽命;而排序在后的電容器組的投切開關(guān)經(jīng)常處于動作狀態(tài)，大大縮短了投切開關(guān)的使用壽命[2]。

1.2? ? 基于模糊控制理論的九域圖控制方法

具有自適應(yīng)能力的模糊控制恰能彌補(bǔ)傳統(tǒng)九域圖的不足，避免精密的、反復(fù)的控制。由于檢測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)是分段進(jìn)行的，因此模糊控制的過程也是分段進(jìn)行的，每次采集完數(shù)據(jù)都要進(jìn)行模糊處理和決策，如此循環(huán)下去，完成模糊控制的全過程[2-3]。

無功補(bǔ)償模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟如下：

1.2.1? ? 選定控制論域及隸屬度函數(shù)

選定電網(wǎng)電壓偏差的模糊集ΔU={NB，NS，ZO，PN，PS}，這里NB，NS，ZO，PN，PS分別表示電壓的偏差為負(fù)大、負(fù)小、合格、正小、正大，從而可確定ΔU的論域集為X1={-5，…，0，…，+5};同理可以選定電網(wǎng)無功偏差的模糊集ΔQ={NB，NS，ZO，PN，PS}，從而可確定ΔQ的論域集為X2={-5，…，0，…，+5};選取電容器組和變壓器的輸出變量模糊集YC={N，Z，P}、YU={N，Z，P}，從而可確定其各自的論域集為Y1={-3，…，0，…，+3}、Y2={-3，…，0，…，+3}。上述集合中的負(fù)號表示切斷電容器組或調(diào)變壓器降壓的模糊程度，0表示電容器組或變壓器不動作，正號表示投入電容器組或調(diào)變壓器升壓的模糊程度。通過反復(fù)校驗(yàn)選定的梯形分布隸屬函數(shù)更符合無功模糊控制的特點(diǎn)。

1.2.2? ? 選定TSC無功補(bǔ)償控制規(guī)則

根據(jù)TSC無功補(bǔ)償控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出無功補(bǔ)償?shù)淖儔浩髡{(diào)壓和電容器組投切控制規(guī)則如表1和表2所示。

2? ? TSC動態(tài)無功補(bǔ)償硬件電路的設(shè)計(jì)

TSC無功補(bǔ)償系統(tǒng)采用TMS320F28335（DSP）作為主控芯片，其工作原理為：通過對母線電壓、電流進(jìn)行單相或三相采樣，將采樣到的數(shù)據(jù)送到DSP的AD口中，經(jīng)過數(shù)字信號處理和轉(zhuǎn)換后送到存儲器寄存和PC端并通過液晶屏顯示出來，根據(jù)控制策略調(diào)節(jié)變壓器的電壓并觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管投切電容器組，從而達(dá)到無功補(bǔ)償?shù)哪康腫3]。

2.1? ? 電壓和電流采樣電路

本文主要對6 kV中高壓電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，需要進(jìn)行電壓和電流采樣，其電路如圖1所示，通過調(diào)節(jié)電阻R2-4和R2-5可使采樣電路保持對稱，通過調(diào)節(jié)電阻R2-4、R2-5和使OPA27工作在單電源模式下，可使放大器的輸出電壓在0～3.3 V之間。

2.2? ? 晶閘管觸發(fā)電路

在實(shí)際的中高壓無功補(bǔ)償應(yīng)用場合中，往往將多個晶閘管串聯(lián)起來達(dá)到更高的耐壓等級，這種補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)在于實(shí)現(xiàn)多個串聯(lián)晶閘管的同時觸發(fā)，其觸發(fā)電路如圖2所示。

在過零檢測電路中，通過TLP521光耦和74HC04D來產(chǎn)生電壓過零信號，以此控制晶閘管的導(dǎo)通。當(dāng)主晶閘管的左端晶閘管導(dǎo)通時，高壓側(cè)的能量將通過R7-4、C7-2和D7-2給C7-4充電，充電電壓一旦超過D7-1的穩(wěn)壓幅值時，D7-1將被擊穿，同時會觸發(fā)SCR1，導(dǎo)通后的SCR1將C7-3短路，C7-4因此而停止充電，完成了高位取能充電的過程[4]。

過零檢測電路輸出的方波信號送到DSP的IOPE0口中，會產(chǎn)生與晶閘管兩端電壓對應(yīng)的脈沖信號，DS75451與門和Q7-1給光纖提供足夠強(qiáng)度的電流，使脈沖信號能夠在光纖里順利地傳輸和足夠可以驅(qū)動晶閘管。

2.3? ? 補(bǔ)償裝置鍵盤設(shè)定與顯示電路

TSC無功補(bǔ)償鍵盤設(shè)定與顯示電路如圖3所示，鍵盤電路有切換鍵、設(shè)定鍵、上調(diào)鍵、下調(diào)鍵和確定鍵，通過切換鍵可以對當(dāng)前電容器組和晶閘管的顯示溫度進(jìn)行切換，通過設(shè)定鍵和調(diào)整鍵可設(shè)定電容器組和晶閘管溫度的上限值，設(shè)定完上限值后按下確認(rèn)鍵可返回溫度顯示狀態(tài)。液晶顯示電路與DSP進(jìn)行并行通信，可顯示電網(wǎng)當(dāng)前的電量參數(shù)和電容器的投切狀態(tài)。IOPB0～I(xiàn)OPB7為液晶模塊的數(shù)據(jù)線，IOPD7、RS、R/W為控制線。

2.4? ? 與PC機(jī)通信及存儲電路

由于無功補(bǔ)償系統(tǒng)需要對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行備份、傳輸和分析，因此有必要設(shè)計(jì)與PC機(jī)通信及存儲電路，如圖4所示。DSP通過IOPB0給AT24C64提供合適的時鐘，然后將數(shù)據(jù)存入指定地址，當(dāng)AT24C64電源掉電時，會自動保存DSP內(nèi)部RAM中的重要數(shù)據(jù)，從而保證了存儲數(shù)據(jù)的完整性。DSP可將存儲的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)（PC端）。

3? ? TSC動態(tài)無功補(bǔ)償程序的設(shè)計(jì)

無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示。DSP讀取電網(wǎng)電壓和電流的瞬時值，并計(jì)算出無功功率和功率因數(shù)等數(shù)值，同時根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行的無功情況，采用模糊控制策略來投切電容器組和溫度保護(hù)單元，以保護(hù)電容器組安全運(yùn)行。

4? ? 結(jié)語

無功補(bǔ)償是目前應(yīng)用比較普遍的一種技術(shù)，本文選取了靜止無功補(bǔ)償器類型中的晶閘管投切電容器進(jìn)行研究，給出了基于模糊控制理論的無功補(bǔ)償控制策略，設(shè)計(jì)了一套基于DSP的智能化TSC無功補(bǔ)償裝置，可以根據(jù)實(shí)際的無功需要，通過組合不同的電容器自動進(jìn)行無功補(bǔ)償。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 蘇再道，方益民，劉言偉.TSC型無功補(bǔ)償技術(shù)的研究[J].通信電源技術(shù)，2016，33（4）：17-19.

[2] 李升.基于九區(qū)圖的變電站電壓無功控制策略研究[J].冶金動力，2004（5）：3-6.

[3] 高梓維.中低壓配電網(wǎng)無功電壓補(bǔ)償協(xié)調(diào)優(yōu)化方法的研究[D].沈陽：沈陽工程學(xué)院，2019.

[4] 陳夢云.模塊化TSC無功補(bǔ)償裝置研究與設(shè)計(jì)[D].淄博：山東理工大學(xué)，2018.

收稿日期：2020-04-15

作者簡介：王騰飛（1981—），男，山東煙臺人，講師，研究方向：永磁同步電機(jī)控制和無功補(bǔ)償。