基于单片机的晶闸管控制的三相静止无功补偿器的设计

1、基于单片机的晶闸管控制的三相静止无功补偿器的设计md. ruhul amin & rajib baran roy（电气勾电子t程系信息技术与科学大 学（uits）摘要：为了确保电力系统的稳定性和可 靠性，对（facts）柔性交直流输电 采用的基本方法就是无功补偿。无功 补偿对于发电机、输电线路、断路器、变压器、继电器和绝緣都冇影响。但 由无功补偿过大引起的过电流会增加 损耗和导致过高的电压暂降，因此，输 电和配电中常用由并联电抗器组成的 就地补偿装置进行无功功率的补偿。常规的电气一机械式的无功补偿装置 由于开关动作慢，不能快速适应负荷 系统的变化，而电子式的无功补偿装 置比常规的装置就

2、具冇快速开关动作。 静止无功补偿器大多都是由（tsc）晶 闸管投切电容器和（tcr）品闸管控 制电抗器井同构成。本文中，着重讲 述基于三相静止无功补偿器采用晶闸 管控制开关微控制器设计，这种微控 制器，采用了快速灵活的晶闸管控制 丌关，快速灵活将是三相静止无功补 偿器的显著特征。关键词：电源；晶闸管；电感；微控 制器；柔性交直流输电 i绪论用var对交流电力系统进行无功补 偿的概念已经提出，它就是一种提高 交流电力系统11的性能的管理无功功 率的方法。不仅如此，它的提出，包 括了广泛和多元化的输电系统和负荷 问题，还涉及到了电能质量问题，至 此，许多的电能质量问题都可以尽可 能的减小，或者充分

3、的控制无功补偿m 來解决电能质量问题。大体上而言，无功补偿有两个方而，分别是负荷补 偿和电压补偿，从负载方面来说，无 功补偿主要任务是增强功率电力系统的重要性、t衡电源端的有功功率、 补偿电压、消除工业非线性1231负荷的 波动产生的谐波。电压补偿的任务是 减小特定的输送终端的电k波动.在店 里传输系统中的无功补偿装置可以提 高交流系统和高压直流输电终端的传 输效率、遏制稳态和暂态过电正、避 免严重的停电事故|4'5,61。串并联的 var无功补偿装置常用于优化自然交 流电力特性。串联的补偿装置用于优 化传输或配电系统参数，并联的补偿 装置悬高等效负载lh71。在这两种情况 下，有效的

4、控制环流于系统的无功电 流可以提高整体的交流电源系统的性 能，这对柔性交直流输电系统是非常 重要的。一般而言，同步调相机，固定幵关 或机械开关的电容器或电感器是常用 的无功补偿装置。近期采用晶闸管开 关控制的电容器和电抗器形式的静止 无功补偿器，应用于电力系统來管理 无功.。|7891同时，己优化控制特性的 脉冲宽度调制（pwm）自换向变换器 的应用，使得静态补偿器在产生或者 吸收电流的能力都比基本电力网络的 响应时间周期快1（111，12，基于高速可靠 的电力电子技术，强大的分析工具， 先进的控制技术和微型计算机技术的 柔性交直流输电系统事实上已经在开 发，柔性交直流输电系统代表电力传 输系

5、统操作的新概念13u4h "并联电容 器常用于感性负载增加的系统，这样 的系统的电压和频率随着滞后的无功 增加而降低。另一个方面，当系统的 感性负降低吋或者是空载吋，系统的 电压和频率随着滞活无功的降低而增 加，此时，需求的并联的电感的滞后 的电流增量。连接的电容和电感更有 益电力系统，为其提供无功功率支持， 改善电压分布，减少线路和变压器的 损失，释放电力系统容量，减少电力 系统能量损失。电力系统的低压低频， 会导致电力损失，降低电器和工业机 械的性能。同样，过电压也会损害电 器，阻碍电机运行。这些问题都可以 通过电感和电容的无功补偿装置来消 除。这些方法将通过基于单片机设计 的三

6、相静止无功补偿系统來实现。ii静止无功补偿器系统 在超高压和特高压的输送实践中，当线电压低于参考电压值吋，投入电 容式静止补偿器，当线电压过高时， 投入电感式的无功补偿器降低电压。 传统的并联补偿装置，如用于轻负载 接入的并联电感器，用于重负载接入 的并联电容器，更多的吋间用于断路 器17的电路屮。静止无功补偿系统可以 减轻以上的种种限制因素。在静止无 功补偿系统中，晶闸管代替断路器作 为丌关装置|161。相比于机械式的开关， 晶闸管开断更快，它也有可能通过控 制即吋切换来获得短暂的自由操作。 晶闸管高速，大电流切换的优点，在 提供最佳的超/将高压系统无功补偿装 置方而，提供的一种新的概念上的

7、可 能。7为了获得快速的，精确的无功电 流，静止无功补偿装置，结合y并联 电容器并联电感器和通断高电压人电 流的2,9晶闸管，这种静止无功补偿装 置也可称为静止无功补偿系统。一些 静止无功补偿系统的共性说明如下。a.晶闸管投切电容器(tsc)图1是静止补偿器中的晶闸管投切电容器模型的基本电路图。这种分流 电容器由双向独立断的晶闸管进行丌 关，将其分割成适当的小电容器。tc 每一相都是由反并联的晶闸管swl、 sw2和电容器c两部分串联而成。接 入的电感l，其作c图1晶闸管投切电容器用一是降低晶闸管开通时的电流冲击，二是防止网络共振。当电容器电 压和网络电压相同时iwi,晶闸管瞬间 开通，这样电

8、容器就可以被控制开断。 由于自由周期电流可以有效的衰减， 这样晶闸管投切电容器(tcs)型的无 功补偿装置就宥逐级控制、平均半个 周期延迟、不产生谐波的特性。b晶闸管控制电感器(tcr)如下图2就是静止补偿器屮的晶闸管控制电感器(tcr)的基本电路图， 大多数情况卜这种补偿器还包含宥 一个固定电容器和一个低通滤波器， 图上没有両出来。它的每一相是有电 抗器l和两个反并联的晶闸管svvl、 sw2串联而成。通过控制相位角的控制 电抗器。通过改变相位角，可以平滑 的调节电抗器吸收的无功功率。这样， 在控制开断过程中会产生附加的奇次 电流。晶闸管的导通角在90°之内变化 的称为全导通，导通

9、角在90°-180°变 化的称为部分导通，如卜*图2所示。 在这个范围内，随着导通角的增加， 电抗器的电流基波分量减小16。这和 当于增加等效电感，减小电抗器吸收 的无功。c 阁2晶闸管控制电抗器 然而，应该注意的是，电抗器的电流变化只能发生在离散的时问点，这 就是说它的调整频率小于半个周期。 晶闸管控制电感器（tcr）型的无功 补偿装置典型特扯是可进行连续的控 制、最大半个周期的延迟、几乎无瞬 变。理论缺点是由于原件结构产生的 低频电流谐波，以及工作于电感区的 高损耗。c.晶闸管投切电容器（tsc）和晶 闸管控制电感器（tcr）浞合型若是不考虑无功功率的补偿范围， 任何静

10、态无功补偿器都可以有一个或 者两个设计方法（例如tcs+tcr）如 图3所示，在上述情况卜系统采用 电容投切，分步逐级分散控制无功功阁3 tsc和tcr混合型结构 率变化|21,连续控制的则是晶闸管控制 的电抗器。当它需要吸收无功功率， 整体的电容器全部断开，投入均压器 负责吸收无功。通过协调控制电抗器 和电容器之间的投切，尽可能的使其 得到充分控制。晶闸管投切电容器（tsc）和晶闸管控制电感器（tcr）混合型的静止 补偿器特点是连续控制，儿乎无瞬变, 产生低次谐波（因为相比于总的无功 变化率，可控电抗器的变化率小的多） 控制和操作灵活。晶闸管投切电容器 （tsc）和晶闸管控制电感器（tcr）

11、 混合型的静止补偿器和比于tcs-tcr 型的静止补偿器最大缺点就是它的价 格昂贵。静止无功补偿系统旳系统线 路进行快速，连续和变化步长小的无 功补偿，确保在大范围的负载情况卜 精确的线电流控制。iii静止无功补偿装置的设计思路 由于传输线路中的负载的増加，系统的无功增加，且电流滞g于电压。 若线路空载或者是轻载电压和电流大 约是和位和同。由于系统的有功、无 功、都是随着负载的变化而发生变化， 为了确保供应符合电能质量的电能， 通过无功补偿来使得电压和频率保持 稳定。为了实现上述要求，电容器组 和电感器组根据无功补偿需求补偿滞 后或者超前的电流。电容器组合和电 感器组的人小取决于系统线路中需要

12、 补偿的无功的大小。系统的电压和频 率随着系统负荷的变化而快速变化导 致了系统电流的超前或者滞后，因而 要求电感器组和电容器组课随着电流 变化而投入或者切除。老式机电式的 开关时间延迟和谐波都造成了稳定的 问题，使得补偿的无功容量达不到系 统的要求。电子式的开关可以稳定的 开断，消除谐波的影响，比机械式的 更可靠。为了执行开关动作正确效率 高，这就需要控制开关装置131能够随 着负载和无功的变化而可靠开断。像 晶闸管，mosfet, j-fet等这些都可 作为电子式开关，这些开关的特性都 是由们脉冲决定的。晶闸管式的电子 开关由于低瞬态和快速响应性141，以 及利用三端三端双向可控硅开关其快

13、速丌关动作和高电流处理能力，这样 就替代了机电开关。一个晶闸管它的 动作发生在一个力'向，（交流电源的正半周或者是负半周），一个三端双向 可控硅可控制w个方向（交流电源的 正半周和负半周）。因此控制交流负载, 三端双h nh空硅的应用更为广泛 555定吋器集成电路（1c）可以用来控 制宥许多外部电路去获得三端双向可 控硅栅极所需脉冲的丌关的动作。再 利用可编程的单片机atmegal6控制 开关的动作。静止无功补偿系统的简易流程图 然而，在其他系统中，通常期窜和需要控制正半周期和负半周期。为了 实现上述功能，三端双向可控硅的丌 关转置在电压的正半周期和负半周期 动作。三端双向可控硅因其大

14、电流操 作性能而广泛用于交流负载的控制之 中17。如图4中的方框流程图简单的 描述了不补偿装置的输入，控制，幵 关及谐波抑制儿个部分。iv静止无功补偿器的设计 a系统输入如图5所示，系统输入部分包含育 一个降压变压器，整流桥，ic7805 （用 于输出整流的）和电容器。三和星形 连接的传输系统的高电压通过降压变 压器变为12v的中性点电压，安装的 变压器输出（pt）的传输系统可用于 下一级的输入部分。在降压之后，交 流电通过整流桥变为直流电，再经电 容器的滤波之后成为纯直流电作为 ic7805输入，ic7805用于产生恒定的 5v作为单片机的参考电压。传输线路的整流和集成电路7805部分如w

15、5屮所示，是一个三相的变压 器tr1,整流桥和恒定电压源集成电 路 7805。b单片机和控制部分如图6，控制部分由每相两个可变电阻和单片机atmega8组成。可变电 阻器rv1, rv3和rv5与集成电路 7805的抽出基准电压的输入端连接。 通过改变rv2、rv4、rv6负值所连 接单片机 atmegal6 的 adco、adc2、 adc4这三个独立的输入端口值可以 控制基准电压值。图6单片机控制部分因此，连接于整流电路之后的三个 不同相的rv2、rv4和rv6得电正可 以被称为输电线路的实时电压。这三 相电压相对输入单片机atmegal6的adc1 adc3 adc5z这三个独立输入 口

16、。单片机通过程序运行处理数据， 进而为动作开关提供栅极脉冲值。c晶闸管开关和谐波抑制部分 如图7是补偿器的晶闸管开关部分，这个开关包含冇晶体管和三端双 向可控硅阿个部分。在传输线路的线 电压随着感性负载增加而下降的吋候， 微处理器输出栅极脉冲给三端双a 口j* 控硅元件投入电容器到传输电路中。在线路电压随着负载减小或者空载时 而上升时，微处理器输出栅极脉冲给 三端双向可控硅元件投入电感器到传 输电路中。同时断开连接于电路中的 电容器。由于微处理器只产生正脉冲， 所以基极产生的脉冲是通过晶体管结 构的共射极转化而来。由于共射极晶 体管的反向特性，输入正向电压，可 以输出反转180°的反

17、向电压。相似的， 在线路中的三端双a吋控硅需要接入 电容，而之前在线路接入的是电感时， 可通过共射极晶体管输出反相电正关 断甩感。可控硅开关由于满足系统的要求进行快速的 三端双m吋控硅控制电容器和电感器 的投入和切除，这样产生的谐波引起 系统的不平衡。补偿器的谐波抑制部 分有与线路并联的电容和电感组成。图8是补偿器的整体的电路图。输 入的是三相系统的三相线电压，经降 压变压器降低为交流的12v。单片机 不可以在交流电源下工作，因此需要 通过全波整流桥整流为直流。虽然而 整流器将交流整为直流冇波动，在三 和电路上连接的cl、c3、c5三个电容 器就可以消除波动。集成电路7805是 5v的恒定电压

18、源，为单片机单提供电 压，为单片机的几个adc接口提供基 准电正。电容器c2用于消除单片机的 输入电压的波动。3 耳1rttrr图8补偿器的整体电路图单片机atmega 16将实吋电压和集成电路7805彩技输出的电压某准伯:进 行比对，对于第一个单相，连接于单 片机的端口 adc0和adc1两个可调 电附分别调整实时系统电压和参考电 压。实吋系统电压连接于单片机adc0 输入端口，参考电压则连接于单片机 adc1输入端1。由于线路中感性负载 的增加，使adc0端口的电正值低于 adc1端口的电压值，则pb0 口输岀 5v的栅极脉冲给双控晶闸管u2投入 电容器c4至输电线路。相反，在线路 轻载或

19、者空载时，adc0端i i的电压值 高于adc1端口的电压值，pb2 口输 山5v的栅极脉冲给晶体管u3控制电 感器l1投入输电线路，同吋，pb1 u 输出另一个脉冲给q1的基极，q1的 集电极连接宥5v的电压，此时npn 型的晶体管q1的共射极反向输出基 极信号值至集电极，连接于q1的集电 极的电容器c6限制信号的直流成分。过滤该-5v直流后的脉冲被馈送到三 端双向可控硅u2的栅极，通过强制换 流关断u2。原理相似，电容器还在运 行吋，从npn型晶体管q2的共射极 输出的负的脉冲至三端双向可控硅u3 的栅极关断u3, q2的负脉冲的产生 原理与q1相同，而它的转换信号输出 于pb3,连接于q

20、2集电极的电容器 c7阻断它的正直流。经过过滤的-5v 的直流脉冲被馈送至u3三端双向可 控硅，通过强制换流关断u3。再来看第二个单和，由于线路中感 性负载的增加，使adc2端u的电压 值低于adc3端口的电压值，pb4端 i输出5v的栅极脉冲触发器投入电 容器cio至输电线路中。相反，由于 线路中轻载或者空载,adc2端口的电 压值高于adc3端u的电压值，输出 端kj pb6提供5v的栅极脉冲至u6 触发其投入与其连接的电感l4到输电 线路中。同时，输出pb5提供另一个 5v的栅极脉冲至q3的基极，q3的集 电极已经连接有5v的电压，npn型 的晶体管q3共射极将基极信号反向 输出至集电极

21、，与q3集电极连接的电 容器c11阻断之前的正直流成分，经 过过滤的-5v的宵流脉冲被馈送u5的 栅极，通过强制换流关断u5。和似的， 若电容器运行，三端双向可控硅u6被 来自于npn型晶体管q4的井射极产 生的负栅极脉冲关断u6,这个晶体管 型q4的负脉冲的产生和q3的pb7 口 的转化信号原玴和同，与其集电极连 接的电容器c12阻断正的直流成分， 之后经过过滤的-5v的脉冲被馈送至 品体管u6的栅极，通过强制换流关断u6o根据三和系统的中性点的电压的 变化重复上述过程，之后的补偿系统 再通过电容电感连接的谐波抑制器对 每一相进行谐波消除。三个独立的相 电压和基准电压独立运行。v仿真和结论使

22、用仿真敕件proteus8对设计的 补偿器进行试验获得仿真结果。如阁9, 是在实时系统电压小于基准电压时， 需要触发三端双向可控硅u2, u6, u8 来连接电容器c7，c11和c17至传输线 路的栅极脉冲仿真图。相反的，在图9 也可看出，在实时系统电压高于于基 准电压时，需要触发三端双向可控硅 u3等来连接电容器li，l4,和l7至传 输线路的栅极脉冲仿真图。开通可控硅正栅极脉冲图在图10中，仿真图是根裾系统需求，需要通过npn沏的品体管共射极 产生关断三端双向可控硅来从传输线 路屮切除电容器或者是电感器的吋的 负的栅极脉冲波形。关断可控硅负栅极脉冲阁仿真图11是未投入无功补偿器的降低的系统

23、的线电压波形，图12是投 入补偿器后的系统的线电压的波形。 显而易见，未投入补偿的电压波形滞 后的补偿电正波形20°，阁12就是传 输线路接入电容器后的电压波形。相似的，在系统轻载和空载吋，系 统的线电压额定值就会堉加，这时，期望的是通过打开三端双向可控硅投 入电感器来维持电压y衡。 vi结束语电力系统的电压和频率随着负载 变化而不断变化是电力系统的常见m 题.为了保证用户需求，满足设计需耍, 必须保证电力供应电压和频率额定值 稳定，还必须确保无功和有功额定值 稳定。对系统进行无功功率补偿可以 使系统的吋靠性维持在一定的水平。静止无功补偿装置常用于对高压传输 系统的无功功率补偿，最常

24、用的就是 tsc （晶闸管投切电容器）和tcr（晶闸 管控制电抗器）型的无功补偿裝置。基 于单片机模型所设计的系统的补偿器 的结合了 tsc、tcr和谐波抑制，这样 的补偿装置可以用于高压直流输电系 统和高压交流输电系统，在应用于特 高压的柔性交直流领域，使用先进技术和高速动作的丌关装置以确保最小 监控的可靠性。静止无功发生器专门 利用类似于晶闸管这样的半导体器件 去h'd传输线路投入电感器或者电容器 这样既可以满足系统需求，也不会因 为丌关设备引起谐波。这种结合单片 机和三端双向可控硅的无功补偿这种 的设计为超高压系统、特高压系统的 无功补偿系统提供了一种新的设计原 理。参考文献1

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