智能无功补偿装置

智能无功补偿装置

张元军

1

刘绍东2 肖洋2 赵田丽3

（1. 徐州矿务集团 供电处，徐州 221000;2.中国石油辽阳石化，辽阳 111003;3.黑龙江科技学院 电气与信息工程学院，

哈尔滨 150027）

摘要：煤矿大功率设备通常采用晶闸管供电的直流电控系统，对电网会造成系统功率因数低，电压波动严重畸变等。本文采用AVR 单片机系统作为控制器的核心，从无功补偿原理出发，建立了自动补偿的最优控制方法，采用过零触发技术解决了晶闸管投切误触发的问题，减少了投切振荡，动态响应速度快。仿真结果表明，用该装置能较好地改进电压质量, 有效控制无功功率范围。

关键字：晶闸管控制电抗器(TCR); 无功功率补偿; 过零触发

Intelligent reactive power compensation device

ZHANG Yuanjun1,LIU Shaodong2,XIAO Yang2,ZHAO Tianli3

(1. Power supply department, Xuzhou mine group, Xuzhou 221000 ,China;2. China petrol Liaoyang

petrochemical company, Liaoyang 111003,China 3.College of Electrical and Information Engineering ,Heilongjiang Institute of Science and Technology ,Harbin150027,China)

Abstract: The coal mine high power equipment is usually the direct current electrically controlled system supplied by thyristor power, can cause low power factor, serious distortion of voltage fluctuation and so on for power networks. The AVR singlechip is used for the core of controller, the automatic compensation optimum control method is established based on reactive power compensation principle, the problem of thyristor switched wrong trigger is solved by the technology of zero crossing triggering, switched vibration is reduced, the speed of dynamic response is quick. The simulation result indicates that the voltage quality is improved well through that device, reactive power scope is controlled effectively.

Key words: thyristor controlled reactor; reactive power compensation; zero crossing triggering

0. 引言

随着半导体电力电子技术的发展与进步，各种变流变频装置广泛应用于煤矿中。矿井各种设备普遍采用晶闸管供电的直流拖动，晶闸管装置基本相当于一个感性负载，在工作时其基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率，同时产生大量的谐波电流，造成电网系统功率因数低、电压波形严重畸变等，合理的方法应该是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即对无功功率进行补偿。

本文所介绍的智能式无功补偿装置，其控制部分采用A VR 单片机为核心的新型实时无功功率控制器，性能稳定，功能设备简便，无需人工干预即可自动跟踪无功变化。 1.TCR 型SVC 补偿原理

由于冲击负荷一般产生大量的谐波电流，TCR 型SVC 通常由一个可调节电感量的电感元件（TCR ）和LC 滤波回路组成如图1，

TCR 型 SVC 与一般并联电容器补偿装置不

同的是能够跟踪电网或负荷的波动无功，进行随机性实时补偿，从而维持电压稳定。

图1 SVC单相等效接线图

Fig.1 Single-phase equivalent connection diagram of SVC

从图1可得稳态下无功功率和谐波电流平衡方程：

Q S =Q L +Q F -Q C (1)

I =I L +I F -I C (2) 图中Q F 表示负载无功功率（随机的）, Q L 为补偿电抗器的感性无功功率。Q C 为固定电容器组提供的容性无功功率，Q S 为系统无功功率。I 为谐波电流。

SVC 如图1接入系统中，电容器提供固定的容性无功Q C ，补偿电抗器通过的电流决定了补偿电抗器输出感性无功Q L 的大小，感性无功和容性无功相抵消，只要能做到系统无功Q S =QL +QF -Q C =常数（或0），则能实现电网功率因数=常数，电压几乎不波动。关键是准确制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流。LC 滤波器的设计，理想情况下是使流入系统的谐波电流I=IL +IF -I C =0。现场要求滤波器投入后使注入系统的各次谐波电路和电压谐波总畸变率在国标限值以内[1]。

2. 智能动态无功补偿器控制器硬件设计

该系统包括三相交流电压和电流信号采集、变换电路、单片机控制电路等。

图2 控制器的硬件结构框图

Fig.2 The hardware structure of controller

控制器的硬件结构框图见图2，AVR 单片机为控制器，加上检测电路(包括采样电路、调理电路) 和其它外围控制和驱动电路构成整个控制系统。控制电路需要检测来自PT 和CT 的9个输入量（三相电压，三相线电流，TCR 电流）。检测量经过各自互感器后变成了弱电信号，经隔离、滤波、放大、调理连接到AVR 的AD 端口。然后每路分别送A/D的采样输入端，经转换存入存储器中。然后由AVR 完成全部的数字信号处理工作，通过显示电路显示。 2.1控制器

该控制器是以Atmel 公司的新一代A VR 单片机（At-mega128）, 该单片机具有如下优越能，超功能精简指令，高速度、低功耗，

每一指令执行速度可达50ns, 内置看门狗Watchdog 定时器，防止程序走飞；片内有128KB Flash程序存储器，4KB EEPROM数据存储器，4KBRAM 存储器；多达48个I/O端口，34个不同的中断源。 2.2信号采集与变换

（1）电流、电压信号采集

为了使所采集的电压、电流信号能够真实地反映电网实际运行状态，本系统采用LEM 电压、电流传感器获取电压、电流信号。由于LEM 霍尔传感器具有可以测任意波形的电流和电压，甚至是瞬态峰值，测量的副边电流真实反映原边电流波形；原边电路与副边电路之间完全隔离；响应速度快、其延迟时间和响应时间均小于1us 。信号幅值失真小，相位具有线性相位特点。 （2）信号调理电路

采集后输出的信号需要偏置到模/数转换内核正常的输入范围，因此还需要下面的偏置电路。偏置电路主要的器件是运算放大器，其主要功能是将双极性交流信号转换为单极性信号，以便A/D模数转换器采样。具体由运放组成的加法电路、比例电路以及反相电路构成，如图3所示。

图3信号调理电路

Fig.3 The signal processing circuit

记加载在R 12上的信号为V i ，OP-07输出引脚6上输出的信号为V o 。整个电路的运算关系如下式:

V ⎛-12V i ⎫o =- ⎝R +11

R ⎪12⎪⎭⨯(R 14+R 15) (3)

取R 11＝R 12＝R ，R 14＋R 15＝R f ，则：

V o =-

(-12+V i )

R

R f (4)

2.3锁相同步采样

无功补偿控制器的核心控制技术是触发电路，它要求触发电路的可靠性高，对称性好。本文采用CD4046锁相环芯片，再造一个和采样信号严格同步的信号来直接控制信号的采样和转换，保证采样频率和信号基波频率的比值为固定值，实现取样频率和信号基波频率的准确跟踪。

锁相同步采样是由锁相环加倍频电路控制采样芯片实现的，其核心是锁相环。锁相同步采样电路由过零检测电路、锁相环电路、倍频电路组成。 （1）过零检测电路

过零检测电路检测来自基波选出电路的交流信号。依据零点，将正弦信号变为方波。采用低频低失调双电压比较器LM393实现过零检测功能[2]。LM393由两个独立的精密电压比较器组成，可以设计成单电源工作方式，允许信号近地检测。它的功耗低、比较器精度高。过零比较电路如下图4所示。

Fig.4 Zero crossing comparison circuit

理想的过零比较电路，当输入信号V i 到0V 立即翻转，用它检测电压信号时，灵敏度高。而电网中由于外界影响较大，波形不稳定，且经常掺杂一些干扰信号，可能使比较器产生振荡，造成误翻转。可以在运放的输入或者输出端加电容来消除这种情况。 （2）锁相环电路

工频电源的1个周期理论上是20m s ，但由于电网负荷的变化，周期经常不严格等于20m s 。为适应这种现状，将AVR 单片机对周期的计时改为对频率的计数。只要该频率为工频电源的倍频[3]，则每一倍频后的脉冲即代表一个固定的电角度。若该倍频脉冲串与工频电源的相位严格锁定，则这种方案可以从原理上消除电网频率不稳定造成的触发

误差。其原理如图5所示。

o

o

图5 锁相环原理图

Fig.5 The principle diagram of phase lock loop

（3）倍频电路

锁相倍频就是通过N 分频反馈环路，将压控振荡器频率锁定在输入信号的N 倍上。图6为锁相倍频同步采样控制电路，外接在VCO 输出后面的74HC123双单稳态触发器，对压控振荡器的输出进行整形，以满足启动A/D和控制采样保持器的需要。

图6 锁相倍频同步采样控制电路

Fig.6 Synchronous sampling controlling circuit of

phase-locked frequency multiplication

2.4键盘与显示电路

键盘和LCD 显示是进行人机交互的重要手段，为降低成本，缩小控制器的体积，本系统采用独立式键盘接口，使用多功能键，扩展4个按键。系统参数及信息显示采用点阵式液晶显示屏。由于要显示的数据较多，本系统采用128×64点阵模块。 3软件设计

软件采用模块化设计，主要包括：初始化、参数设定、信号采集以及显示保护等程序。

图7 系统主程序

Fig.7 The system main program

程序开始后首先进行初始化，进行一些基本设置和操作。然后进行频率测量，键盘扫描和系统参数设定，即若有键按下，首先判断是自动还是手动，然后按要求进行各种参数的设定并将设定好的参数保存在单片机中。然后进行电压电流量采样，每周期采样50个点，得到的数据存放在内部的数据存储器中，并且通过这些计算出所需要的电压量、电流量、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数。

4系统仿真

本文利用MATLAB 仿真软件对负载为矿井直流电动机的TCR 无功补偿系统进行仿真。仿真结果如图8～11所示。负载给定电流在0.6s 时由1000A 变成2000A ，从图中可以看出，当负载发生变化时，系统立即进行动态调节。负载无功功率Q

L 和TCR 无功功率Q TCR 等在两个周期左右就基本达到稳定状态。

6

TCR Reactive Power

A

. V / R C T Q t/s

图8 TCR 无功功率 Fig.8 TCR reactive power

6

Load Reactive Power

A

. V / L Q t/s

图9 负载无功功率 Fig.9 Load reactive power

图10 TCR控制角 Fig.10 Control angle of TCR

图11 系统线电流、线电压 Fig.11 System line current and vlotage

图11中，曲线1为系统线电压波形，曲线2为系统线电流波形，从图可知，系统线电压和系统线电流中基本不含谐波。 5. 总结

目前，国内煤矿大功率设备通常晶闸管供电的直流电控系统，对电网会造成系统功率因数低，电压波动严重畸变等不利影响。晶闸管控制电抗器（TCR ）动态无功补偿装置的引入有效地改善了电网的质量，提高系统功率因数，抑制了电压波动的不良影响，本文采用AVR 单片机系统作为控制器的核心，从无功补偿的原理出发，建立了自动补偿的最优控制方法，采用过零触发技术解决了晶闸管投切误触发的问题的问题，避免了投切振荡，动态响应速度快。 参考文献：

[1]王兆安，杨君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998

[2]郑应文. 基于锁相环的单片机控制可控硅整流触发器[J].东南大学学报2003,(9)：147－149

[3]李川香. 跟踪基频同步采样脉冲产生方法的研究[J].自动化仪表，1999，（12）：1－3

作者简介：

张元军（1981－），助理工程师，现从事技术工作。 E-mail:[email protected]