晶閘管投切濾波器的無功連續(xù)補(bǔ)償控制方法
【專利摘要】晶閘管投切濾波器的無功連續(xù)補(bǔ)償控制方法，屬于電力電子和電能質(zhì)量控制相結(jié)合的應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中晶閘管投切濾波器無功補(bǔ)償不連續(xù)，容易造成無功過補(bǔ)償?shù)膯栴}。本發(fā)明方法采用晶閘管投切濾波器的投切對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償控制，系統(tǒng)設(shè)置有三個(gè)5次諧波濾除通道TSF1、TSF2、TSF3和一個(gè)7次諧波濾除通道TSF4，該方法包括以下步驟：步驟一、采集三相電壓信號ua，ub，uc和三相電流信號ia，ib，ic；步驟二、信號調(diào)理后送入DSP控制芯片中；步驟三、在DSP控制芯片中，獲取7次諧波電流和5次諧波電流；步驟四、決定各諧波濾除通道的投切狀態(tài)。
【專利說明】晶閘管投切濾波器的無功連續(xù)補(bǔ)償控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無功連續(xù)的晶閘管投切濾波器（TSF，thyristor switched filter)控制技術(shù)，屬于電力電子和電能質(zhì)量控制相結(jié)合的應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 晶閘管投切濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的電力電子裝置。它能夠 對沖擊負(fù)荷、時(shí)變負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和動態(tài)補(bǔ)償，濾除諧波，隨時(shí)保持最佳功率因數(shù)，對于 降低電網(wǎng)損耗、節(jié)約電能、提高電能質(zhì)量有重要意義。
[0003] 常規(guī)的晶閘管投切濾波器采用"過零投切"方式，即在并聯(lián)晶閘管電壓過零時(shí)投 入，在電流為零時(shí)自動切除。這種方式雖然能夠做到根據(jù)負(fù)載的變化精確地控制投切時(shí)間， 但是投切的無功容量是一定的，負(fù)荷連續(xù)變化時(shí)容易出現(xiàn)無功過補(bǔ)償，導(dǎo)致電源電壓過高， 使線路和設(shè)備過電流，高次諧波危害大，嚴(yán)重時(shí)會毀壞設(shè)備。針對該問題，常用的辦法是將 某次諧波的一個(gè)通道分成兩個(gè)或者3個(gè)并聯(lián)的通道，且拆分原則符合8 : 4 : 2 : 1的比例。 由這幾個(gè)并聯(lián)支路共同補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功功率。但是這種方式無功補(bǔ)償是分級、不連續(xù) 的，易出現(xiàn)無功過補(bǔ)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中晶閘管投切濾波器無功補(bǔ)償不連續(xù)，容易造成 無功過補(bǔ)償?shù)膯栴}，提供了一種晶閘管投切濾波器的無功連續(xù)補(bǔ)償控制方法。
[0005] 本發(fā)明所述晶閘管投切濾波器的無功連續(xù)補(bǔ)償控制方法，該方法采用晶閘管投切 濾波器的投切對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償控制，系統(tǒng)設(shè)置有三個(gè)5次諧波濾除通道TSF1、TSF2、 TSF3和一個(gè)7次諧波濾除通道TSF4，
[0006] 其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0007] 步驟一、對所述晶閘管投切濾波器所在電網(wǎng)負(fù)載側(cè)的三相電壓信號ua，ub，u。和三 相電流信號i a，ib，i。進(jìn)行采樣；
[0008] 步驟二、通過彳目號調(diào)理電路對步驟一獲取的二相電壓/[目號ua，u b，u。和二相電流/[目 號ia，ib，i。進(jìn)行處理，并將處理后的信號送入DSP控制芯片中；
[0009] 步驟三、在DSP控制芯片中，由瞬時(shí)無功功率理論計(jì)算出無功功率Q及諧波頻譜分 析獲取諧波分量i ah，ibh，將所述諧波分量1，ibh，進(jìn)行Fourier變換,獲取7次諧波 電流和5次諧波電流；
[0010] 步驟四、根據(jù)諧波電流不能大于支路所能承受的濾波容量的原則，同時(shí)考慮支路 無功補(bǔ)償?shù)娜萘?，決定各諧波濾除通道的投切狀態(tài)；并查詢導(dǎo)通角與無功補(bǔ)償容量數(shù)據(jù)庫， 選取投入狀態(tài)的諧波濾除通道中的晶閘管導(dǎo)通角S。
[0011] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明提出了一種基于重復(fù)控制和調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角的晶閘管投切 濾波器無功補(bǔ)償局部連續(xù)可控的技術(shù)。采用重復(fù)控制策略，可以精確地跟蹤系統(tǒng)需要補(bǔ)償 的無功功率。通過調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)延遲角改變?yōu)V波器的等效感抗從而控制晶閘管投切濾波 器投入到系統(tǒng)中的無功功率，可以克服常規(guī)晶閘管投切濾波器出現(xiàn)的無功補(bǔ)償不連續(xù)、無 功過補(bǔ)等問題。以杭州某橡膠廠實(shí)測數(shù)據(jù)對本發(fā)明方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明，本發(fā)明方法很 好地跟蹤了負(fù)載的動態(tài)變化，及時(shí)發(fā)出了控制信號，在沒有負(fù)載電流時(shí)也不會造成誤觸發(fā)， 能夠有效地進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波抑制，具有極高的可靠性和可行性。
[0012] 本發(fā)明方法對晶閘管投切濾波器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，提供了一種基于觸發(fā)延遲角調(diào)節(jié) 的實(shí)現(xiàn)晶閘管投切濾波器無功補(bǔ)償局部連續(xù)可調(diào)的重要途徑，對克服常規(guī)晶閘管投切濾波 器無功補(bǔ)償不連續(xù)、無功過補(bǔ)償，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量有及其重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0013] 本發(fā)明可以實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)諧波電流和需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率，實(shí)現(xiàn)晶閘管投切濾波 器精確跟蹤系統(tǒng)無功功率并且無功補(bǔ)償局部連續(xù)可調(diào)。本發(fā)明方法能夠保證電網(wǎng)的供電質(zhì) 量，滿足為電腦、電力設(shè)備和自動化流程等敏感負(fù)載提供"干凈"電能的需求。它解決了常 規(guī)晶閘管投切濾波器僅采用"過零投切"造成的無功補(bǔ)償不連續(xù)，無功過補(bǔ)償?shù)葐栴}，降低 了晶閘管投切濾波器設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，節(jié)約了成本，對于延長晶閘管投切濾波器使用壽命，提 高負(fù)載的用電安全性，保障其高效、安全穩(wěn)定運(yùn)行具有極其現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值與開發(fā)前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的晶閘管投切濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，包括信號調(diào)理電路， 控制芯片，驅(qū)動電路，各次濾波通道，負(fù)載等部分。圖中A、B、C為電網(wǎng)中三相交流電，i a，ib， 為三相電流信號，ua, ub, u。為三相電壓信號，N為濾波通道的次數(shù)，M為負(fù)載電動機(jī)；
[0015] 圖2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的晶閘管投切濾波器控制器控制流程簡圖。圖中ia，i b， 為三相電流信號，ua，ub，u。為三相電壓信號，i、u分別為電流、電壓信號，i f、uf分別為基波 電流、基波電壓，ih、uh分別為諧波電流、諧波電壓，P、Q分別為有功功率和無功功率，i stantod 為國家規(guī)定的注入電網(wǎng)的諧波電流標(biāo)準(zhǔn)值；
[0016] 圖3為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的TSF控制系統(tǒng)框圖，主要包括操作界面、控制器、主電路 等部分；
[0017] 圖4為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的TSF控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
[0018] 圖5為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的TSF裝置主控制程序流程圖；
[0019] 圖6為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的TSF通道投切控制程序流程圖；
[0020] 圖7為TSF裝置過零投入晶閘管電壓電流波形；
[0021] 圖8為TSF裝置過零投入電容電壓電流波形；
[0022] 圖9為TSF濾波通道切除時(shí)晶閘管電壓電流波形；
[0023] 圖10為TSF濾波通道切除時(shí)電容電壓電流波形；
[0024] 圖11為送入控制芯片的過零檢測信號；
[0025] 圖12為110°延遲脈沖觸發(fā)信號；
[0026] 圖13為110°延遲觸發(fā)的晶閘管電壓電流波形；
[0027] 圖14為110°延遲觸發(fā)的電容電壓電流波形；
[0028] 圖15為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的TSF重復(fù)控制框圖。i、u分別為電流電壓信號，C32為 3/2坐標(biāo)變換矩陣，C 23為2/3坐標(biāo)變換矩陣，為ia、ib兩相瞬時(shí)電流，ua、u b為兩相瞬時(shí)電壓， Q#為檢測出的系統(tǒng)的無功功率，iaf、ibf兩相瞬時(shí)基波電流，Q tsf為晶閘管投切濾波器補(bǔ)償?shù)?無功功率，Q為晶閘管投切濾波器實(shí)際補(bǔ)償?shù)臒o功功率，Q = f (a)為晶閘管導(dǎo)通角與無功功 率之間的關(guān)系式；
[0029] 圖16為TSF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。圖中I\、T2為正反并聯(lián)的晶閘管組，L為電感，C為電 容；
[0030] 圖17為觸發(fā)延遲角a、負(fù)載相位角戈和晶閘管導(dǎo)通角d的關(guān)系曲線圖；
[0031] 圖18為導(dǎo)通角d和TSF等效電納&之間的關(guān)系曲線圖；

【具體實(shí)施方式】

【具體實(shí)施方式】 [0032] 一：下面結(jié)合圖1至圖18說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述晶閘管 投切濾波器的無功連續(xù)補(bǔ)償控制方法，該方法采用晶閘管投切濾波器的投切對系統(tǒng)進(jìn)行無 功補(bǔ)償控制，系統(tǒng)設(shè)置有三個(gè)5次諧波濾除通道TSFl、TSF2、TSF3和一個(gè)7次諧波濾除通道 TSF4。
[0033] 該方法包括以下步驟：
[0034] 步驟一、對所述晶閘管投切濾波器所在電網(wǎng)負(fù)載側(cè)的三相電壓信號ua，ub，u。和三 相電流信號i a，ib，i。進(jìn)行采樣；
[0035] 步驟二、通過彳目號調(diào)理電路對步驟一獲取的二相電壓/[目號ua，u b，u。和二相電流/[目 號ia，ib，i。進(jìn)行處理，并將處理后的信號送入DSP控制芯片中；
[0036] 步驟三、在DSP控制芯片中，由瞬時(shí)無功功率理論計(jì)算出無功功率Q及諧波頻譜分 析獲取諧波分量i ah，ibh，U，將所述諧波分量I，ibh，U進(jìn)行傅立葉變換，獲取7次諧波電 流和5次諧波電流；
[0037] 步驟四、根據(jù)諧波電流不能大于支路所能承受的濾波容量的原則，同時(shí)考慮支路 無功補(bǔ)償?shù)娜萘?，決定各諧波濾除通道的投切狀態(tài)；并查詢導(dǎo)通角與無功補(bǔ)償容量數(shù)據(jù)庫， 選取投入狀態(tài)的諧波濾除通道中的晶閘管導(dǎo)通角S。
[0038] TSF3的晶閘管觸發(fā)延遲角的范圍為90°?180°。
[0039] 由瞬時(shí)無功功率理論計(jì)算出無功功率Q#及諧波頻譜分析ih，當(dāng)諧波含量超過標(biāo)準(zhǔn) 值時(shí)i h > istantod，發(fā)出抑制諧波指令；
[0040] 最后檢測實(shí)際補(bǔ)償?shù)臒o功功率，并與下一時(shí)刻系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率作對比， 重復(fù)地調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角使得補(bǔ)償?shù)臒o功無限逼近需要補(bǔ)償?shù)臒o功，并且使補(bǔ)償?shù)臒o功 一直跟隨需要的無功進(jìn)行動態(tài)變化。
[0041] 本實(shí)施方式步驟一中，三相電網(wǎng)負(fù)載側(cè)電壓信號的檢測采用電壓傳感器實(shí)現(xiàn)，三 相電網(wǎng)負(fù)載側(cè)電流信號的檢測采用電流傳感器實(shí)現(xiàn)。采集到的信號經(jīng)過調(diào)理后轉(zhuǎn)化為 0-3. 3V信號，送入到DSP的A/D端口，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換存入存儲器中。步驟三中的三相電壓和 電流有效值的計(jì)算、無功功率和有功功率的計(jì)算、功率因數(shù)的計(jì)算、各次諧波電流的計(jì)算、 補(bǔ)償導(dǎo)納的計(jì)算以及步驟五中TSF3號通道晶閘管觸發(fā)角的計(jì)算以及其它三個(gè)TSF通道的 過零投切指令的分析等數(shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn)都是由DSP芯片完成的。步驟五中TSF晶閘管 通道的觸發(fā)由主電路實(shí)現(xiàn)，包括過零檢測電路、鎖相環(huán)電路和倍頻電路三部分。過零檢測 電路檢測過零點(diǎn)，使得周期性連續(xù)變化的輸入信號變轉(zhuǎn)化方波信號。鎖相環(huán)電路對該方波 信號的頻率和相位進(jìn)行跟蹤，鎖相環(huán)電路由鑒相器（PD)、環(huán)路濾波器（LPF)和壓控振蕩器 (VCO)組成，其中鎖相環(huán)是核心部分。倍頻電路實(shí)現(xiàn)采樣頻率為被測信號頻率的N倍頻，t匕 如，實(shí)現(xiàn)128倍頻，那么在工頻信號為50Hz時(shí)，鎖相倍頻頻率為50X128 = 6400Hz，則一個(gè) 周期內(nèi)有128個(gè)采樣脈沖。
[0042] DSP 芯片可以采用型號為 MS320F2812 的 DSP 芯片，DSP2812 是 TMS320LF2407A 的 升級版本，速度躍升到150M，處理數(shù)據(jù)位數(shù)躍升到32位定點(diǎn)，擁有EVA、EVB事件管理器和 配套的12位16通道的AD數(shù)據(jù)采集，具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能和較高的采樣頻率，完全能夠滿 足算法的實(shí)時(shí)性和精度。MS320F2812芯片的AD采樣頻率為ΙΟΚΗζ。

【具體實(shí)施方式】 [0043] 二：本實(shí)施方式對實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，步驟三中獲取諧波分 量iah，i bh，Lh的過程為：
[0044] 步驟31、將三相電流信號ia，ib，i。按公式

【權(quán)利要求】
1. 晶閘管投切濾波器的無功連續(xù)補(bǔ)償控制方法，該方法采用晶閘管投切濾波器的投切 對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償控制，系統(tǒng)設(shè)置有三個(gè)5次諧波濾除通道TSFl、TSF2、TSF3和一個(gè)7次 諧波濾除通道TSF4。 其特征在于，該方法包括以下步驟： 步驟一、對所述晶閘管投切濾波器所在電網(wǎng)負(fù)載側(cè)的三相電壓信號ua，ub，u。和三相電 流信號ia，ib，i。進(jìn)行采樣； 步驟二、通過信號調(diào)理電路對步驟一獲取的三相電壓信號ua，ub，u。和三相電流信號i a， ib，i。進(jìn)行處理，并將處理后的信號送入DSP控制芯片中； 步驟三、在DSP控制芯片中，由瞬時(shí)無功功率理論計(jì)算出無功功率Q及諧波頻譜分析獲 取諧波分量iah，ibh，U，將所述諧波分量I，ibh，U進(jìn)行傅立葉變換，獲取7次諧波電流和 5次諧波電流； 步驟四、根據(jù)諧波電流不能大于支路所能承受的濾波容量的原則，同時(shí)考慮支路無功 補(bǔ)償?shù)娜萘?，決定各諧波濾除通道的投切狀態(tài)；并查詢導(dǎo)通角與無功補(bǔ)償容量數(shù)據(jù)庫，選取 投入狀態(tài)的諧波濾除通道中的晶閘管導(dǎo)通角S。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述晶閘管投切濾波器的無功連續(xù)補(bǔ)償控制方法，其特征在于，步 驟三中獲取諧波分量iah，i bh，U的過程為： 步驟31、將三相電流信號ia，ib，i。按公式
變換為α-β兩相正交坐標(biāo)系上瞬時(shí)電流ia，ie ; 式中，C3/2表示3/2坐標(biāo)變換矩陣； 步驟32、將α-β兩相正交坐標(biāo)系上瞬時(shí)電流ia，按公式
獲取瞬時(shí)有功功率P和瞬時(shí)無功功率q ; 式中：Em表不系統(tǒng)電壓峰值； 步驟33、將瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q經(jīng)過低通濾波器得到其直流分量p、€; 步驟34、根據(jù)公式
獲取三相基波電流iaf，ibf，icf; 步驟35、根據(jù)公式
獲取諧波分量I，ibh，込。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述晶閘管投切濾波器的無功連續(xù)補(bǔ)償控制方法，其特征在于，步 驟四中導(dǎo)通角與無功補(bǔ)償容量數(shù)據(jù)庫的建立過程為：改變晶閘管投切濾波器中的晶閘管導(dǎo) 通角S的大小，采集不同晶閘管導(dǎo)通角δ時(shí)的晶閘管投切濾波器的電抗負(fù)載功率因數(shù) 角％，并根據(jù)公式
獲取對應(yīng)無功功率Q，建立晶閘管導(dǎo) 通角S與無功功率Q對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述晶閘管投切濾波器的無功連續(xù)補(bǔ)償控制方法，其特征在于，步 驟四中各諧波濾除通道的投切狀態(tài)的判斷過程為： 步驟1、判斷7次諧波電流是否大于7次諧波電流設(shè)定值；判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟2 ; 判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟4; 步驟2、判斷無功功率Q是否大于或等于7次諧波濾除通道的無功補(bǔ)償容量額定值Q7 ; 判斷結(jié)果為是，投入TSF4,進(jìn)行7次諧波濾除，然后執(zhí)行步驟3 ;判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟3 ; 步驟3、判斷無功功率Q是否小于7次諧波濾除通道的無功補(bǔ)償容量額定值Q7 ;判斷結(jié) 果為是，切除TSF4,然后執(zhí)行步驟4 ;判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟4 ; 步驟4、判斷5次諧波電流是否大于5次諧波電流設(shè)定值；判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟5 ; 判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟9; 步驟5、判斷關(guān)系式（Q-Q7)彡Q5是否成立，其中Q5為5次諧波濾除通道的無功補(bǔ)償容 量額定值；判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟6 ;判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟7 ; 步驟6、當(dāng)前是否要投入TSFl ;若是，則投入TSF1，然后執(zhí)行步驟7 ;若否，則投入TSF2， 然后執(zhí)行步驟7 ; 步驟7、判斷關(guān)系式（Q-Q7) <-Q5是否成立；判斷結(jié)果為是，切除TSF2,然后執(zhí)行步驟 8;判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟8; 步驟8、判斷關(guān)系式（Q-Q7) <Q5是否成立；判斷結(jié)果為是，切除TSF1，然后執(zhí)行步驟9; 判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟9; 步驟9、判斷關(guān)系式（Q-Q5-Q7) > O是否成立；判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟10 ;判斷結(jié)果為 否，返回步驟1重新進(jìn)行判斷； 步驟10、查詢數(shù)據(jù)庫選取晶閘管的導(dǎo)通角；然后執(zhí)行步驟11 ; 步驟11、對定時(shí)器進(jìn)行賦值；然后執(zhí)行步驟12 ; 步驟12、定時(shí)器中斷觸發(fā)，然后返回步驟1重新進(jìn)行判斷。
【文檔編號】H02J3/01GK104393605SQ201410571438
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】王立國, 張海聰, 楊喆, 徐殿國, 于健雄, 李振宇, 高寒, 劉悅, 李雪云, 欒添瑞, 張淋 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)