晶闸管投切滤波器的无功连续补偿控制方法

摘要

晶闸管投切滤波器的无功连续补偿控制方法，属于电力电子和电能质量控制相结合的应用技术领域，本发明为解决现有技术中晶闸管投切滤波器无功补偿不连续，容易造成无功过补偿的问题。本发明方法采用晶闸管投切滤波器的投切对系统进行无功补偿控制，系统设置有三个5次谐波滤除通道TSF1、TSF2、TSF3和一个7次谐波滤除通道TSF4，该方法包括以下步骤：步骤一、采集三相电压信号ua,ub,uc和三相电流信号ia,ib,ic；步骤二、信号调理后送入DSP控制芯片中；步骤三、在DSP控制芯片中，获取7次谐波电流和5次谐波电流；步骤四、决定各谐波滤除通道的投切状态。

权利要求

1.晶闸管投切滤波器的无功连续补偿控制方法，该方法采用晶闸管投切滤波器的投切对系统进行无功补偿控制，系统设置有三个5次谐波滤除通道TSF1、TSF2、TSF3和一个7次谐波滤除通道TSF4，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、对所述晶闸管投切滤波器所在电网负载侧的三相电压信号ua，ub，uc和三相电流信号ia，ib，ic进行采样；

步骤二、通过信号调理电路对步骤一获取的三相电压信号ua，ub，uc和三相电流信号ia，ib，ic进行处理，并将处理后的信号送入DSP控制芯片中；

步骤三、在DSP控制芯片中，由瞬时无功功率理论计算出无功功率Q及谐波频谱分析获取谐波分量iah，ibh，ich，将所述谐波分量iah，ibh，ich进行傅立叶变换，获取7次谐波电流和5次谐波电流；

步骤四、根据谐波电流不能大于支路所能承受的滤波容量的原则，同时考虑支路无功补偿的容量，决定各谐波滤除通道的投切状态；并查询导通角与无功补偿容量数据库，选取投入状态的谐波滤除通道中的晶闸管导通角δ；

步骤四中各谐波滤除通道的投切状态的判断过程为：

步骤1、判断7次谐波电流是否大于7次谐波电流设定值；判断结果为是，执行步骤2；判断结果为否，执行步骤4；

步骤2、判断无功功率Q是否大于或等于7次谐波滤除通道的无功补偿容量额定值Q7；判断结果为是，投入TSF4，进行7次谐波滤除，然后执行步骤3；判断结果为否，执行步骤3；

步骤3、判断无功功率Q是否小于7次谐波滤除通道的无功补偿容量额定值Q7；判断结果为是，切除TSF4，然后执行步骤4；判断结果为否，执行步骤4；

步骤4、判断5次谐波电流是否大于5次谐波电流设定值；判断结果为是，执行步骤5；判断结果为否，执行步骤9；

步骤5、判断关系式(Q-Q7)≥Q5是否成立，其中Q5为5次谐波滤除通道的无功补偿容量额定值；判断结果为是，执行步骤6；判断结果为否，执行步骤7；

步骤6、当前是否要投入TSF1；若是，则投入TSF1，然后执行步骤7；若否，则投入 TSF2，然后执行步骤7；

步骤7、判断关系式(Q-Q7)＜-Q5是否成立；判断结果为是，切除TSF2，然后执行步骤8；判断结果为否，执行步骤8；

步骤8、判断关系式(Q-Q7)＜Q5是否成立；判断结果为是，切除TSF1，然后执行步骤9；判断结果为否，执行步骤9；

步骤9、判断关系式(Q-Q5-Q7)＞0是否成立；判断结果为是，执行步骤10；判断结果为否，返回步骤1重新进行判断；

步骤10、查询数据库选取晶闸管的导通角；然后执行步骤11；

步骤11、对定时器进行赋值；然后执行步骤12；

步骤12、定时器中断触发，然后返回步骤1重新进行判断。

2.根据权利要求1所述晶闸管投切滤波器的无功连续补偿控制方法，其特征在于，步骤三中获取谐波分量iah，ibh，ich的过程为：步骤31、将三相电流信号ia，ib，ic按公式

变换为α-β两相正交坐标系上瞬时电流iα，iβ；

式中，C3/2表示3/2坐标变换矩阵；

步骤32、将α-β两相正交坐标系上瞬时电流iα，iβ按公式获取瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；

式中：Em表示系统电压峰值；

步骤33、将瞬时有功功率p和瞬时无功功率q经过低通滤波器得到其直流分量步骤34、根据公式

获取三相基波电流iaf，ibf，jcf；

步骤35、根据公式

获取谐波分量iah，ibh，ich。

3.根据权利要求1所述晶闸管投切滤波器的无功连续补偿控制方法，其特征在于，步骤四中导通角与无功补偿容量数据库的建立过程为：改变晶闸管投切滤波器中的晶闸管导通角δ的大小，采集不同晶闸管导通角δ时的晶闸管投切滤波器的电抗XL、负载功率因数角并根据公式 获取对应无功功率Q，建立晶闸管导通角δ与无功功率Q对应关系的数据库。

说明书

晶闸管投切滤波器的无功连续补偿控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种无功连续的晶闸管投切滤波器(TSF，thyristor switched filter)控制技术，属于电力电子和电能质量控制相结合的应用技术领域。

背景技术

[0002] 晶闸管投切滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置。它能够对冲击负荷、时变负荷进行实时监测和动态补偿，滤除谐波，随时保持最佳功率因数，对于降低电网损耗、节约电能、提高电能质量有重要意义。

[0003] 常规的晶闸管投切滤波器采用“过零投切”方式，即在并联晶闸管电压过零时投入，在电流为零时自动切除。这种方式虽然能够做到根据负载的变化精确地控制投切时间，但是投切的无功容量是一定的，负荷连续变化时容易出现无功过补偿，导致电源电压过高，使线路和设备过电流，高次谐波危害大，严重时会毁坏设备。针对该问题，常用的办法是将某次谐波的一个通道分成两个或者3个并联的通道，且拆分原则符合8∶4∶2∶1的比例。由这几个并联支路共同补偿系统所需的无功功率。但是这种方式无功补偿是分级、不连续的，易出现无功过补。

发明内容

[0004] 本发明目的是为了解决现有技术中晶闸管投切滤波器无功补偿不连续，容易造成无功过补偿的问题，提供了一种晶闸管投切滤波器的无功连续补偿控制方法。

[0005] 本发明所述晶闸管投切滤波器的无功连续补偿控制方法，该方法采用晶闸管投切滤波器的投切对系统进行无功补偿控制，系统设置有三个5次谐波滤除通道TSF1、TSF2、TSF3和一个7次谐波滤除通道TSF4，

[0006] 其特征在于，该方法包括以下步骤：

[0007] 步骤一、对所述晶闸管投切滤波器所在电网负载侧的三相电压信号ua，ub，uc和三相电流信号ia，ib，ic进行采样；

[0008] 步骤二、通过信号调理电路对步骤一获取的三相电压信号ua，ub，uc和三相电流信号ia，ib，ic进行处理，并将处理后的信号送入DSP控制芯片中；

[0009] 步骤三、在DSP控制芯片中，由瞬时无功功率理论计算出无功功率Q及谐波频谱分析获取谐波分量iah，ibh，ich，将所述谐波分量iah，ibh，ich进行Fourier变换，获取7次谐波电流和5次谐波电流；

[0010] 步骤四、根据谐波电流不能大于支路所能承受的滤波容量的原则，同时考虑支路无功补偿的容量，决定各谐波滤除通道的投切状态；并查询导通角与无功补偿容量数据库，选取投入状态的谐波滤除通道中的晶闸管导通角δ。

[0011] 本发明的优点：本发明提出了一种基于重复控制和调节触发延迟角的晶闸管投切滤波器无功补偿局部连续可控的技术。采用重复控制策略，可以精确地跟踪系统需要补偿的无功功率。通过调节晶闸管触发延迟角改变滤波器的等效感抗从而控制晶闸管投切滤波器投入到系统中的无功功率，可以克服常规晶闸管投切滤波器出现的无功补偿不连续、无功过补等问题。以杭州某橡胶厂实测数据对本发明方法进行实验，结果证明，本发明方法很好地跟踪了负载的动态变化，及时发出了控制信号，在没有负载电流时也不会造成误触发，能够有效地进行无功补偿和谐波抑制，具有极高的可靠性和可行性。

[0012] 本发明方法对晶闸管投切滤波器进行数学建模，提供了一种基于触发延迟角调节的实现晶闸管投切滤波器无功补偿局部连续可调的重要途径，对克服常规晶闸管投切滤波器无功补偿不连续、无功过补偿，提高系统电能质量有及其重要的现实意义。

[0013] 本发明可以实时监测系统谐波电流和需要补偿的无功功率，实现晶闸管投切滤波器精确跟踪系统无功功率并且无功补偿局部连续可调。本发明方法能够保证电网的供电质量，满足为电脑、电力设备和自动化流程等敏感负载提供“干净”电能的需求。它解决了常规晶闸管投切滤波器仅采用“过零投切”造成的无功补偿不连续，无功过补偿等问题，降低了晶闸管投切滤波器设计复杂程度，节约了成本，对于延长晶闸管投切滤波器使用寿命，提高负载的用电安全性，保障其高效、安全稳定运行具有极其现实的应用价值与开发前景。

附图说明

[0014] 图1为实现本发明方法的晶闸管投切滤波器系统结构框图，包括信号调理电路，控制芯片，驱动电路，各次滤波通道，负载等部分。图中A、B、C为电网中三相交流电，ia，ib，ic为三相电流信号，ua，ub，uc为三相电压信号，N为滤波通道的次数，M为负载电动机；

[0015] 图2为实现本发明方法的晶闸管投切滤波器控制器控制流程简图。图中ia，ib，ic为三相电流信号，ua，ub，uc为三相电压信号，i、u分别为电流、电压信号，if、uf分别为基波电流、基波电压，ih、uh分别为谐波电流、谐波电压，P、Q分别为有功功率和无功功率，istandard为国家规定的注入电网的谐波电流标准值；

[0016] 图3为实现本发明方法的TSF控制系统框图，主要包括操作界面、控制器、主电路等部分；

[0017] 图4为实现本发明方法的TSF控制系统硬件结构图

[0018] 图5为实现本发明方法的TSF装置主控制程序流程图；

[0019] 图6为实现本发明方法的TSF通道投切控制程序流程图；

[0020] 图7为TSF装置过零投入晶闸管电压电流波形；

[0021] 图8为TSF装置过零投入电容电压电流波形；

[0022] 图9为TSF滤波通道切除时晶闸管电压电流波形；

[0023] 图10为TSF滤波通道切除时电容电压电流波形；

[0024] 图11为送入控制芯片的过零检测信号；

[0025] 图12为110°延迟脉冲触发信号；

[0026] 图13为110°延迟触发的晶闸管电压电流波形；

[0027] 图14为110°延迟触发的电容电压电流波形；

[0028] 图15为实现本发明方法的TSF重复控制框图。i、u分别为电流电压信号，C32为3/2坐*标变换矩阵，C23为2/3坐标变换矩阵，为ia、ib两相瞬时电流，ua、ub为两相瞬时电压，Q为检测出的系统的无功功率，iaf、ibf两相瞬时基波电流，QTSF为晶闸管投切滤波器补偿的无功功率，Q为晶闸管投切滤波器实际补偿的无功功率，Q＝f(a)为晶闸管导通角与无功功率之间的关系式；

[0029] 图16为TSF系统结构简图。图中T1、T2为正反并联的晶闸管组，L为电感，C为电容；

[0030] 图17为触发延迟角a、负载相位角jL和晶闸管导通角d的关系曲线图；

[0031] 图18为导通角d和TSF等效电纳BL之间的关系曲线图；

具体实施方式

[0032] 具体实施方式一：下面结合图1至图18说明本实施方式，本实施方式所述晶闸管投切滤波器的无功连续补偿控制方法，该方法采用晶闸管投切滤波器的投切对系统进行无功补偿控制，系统设置有三个5次谐波滤除通道TSF1、TSF2、TSF3和一个7次谐波滤除通道TSF4。

[0033] 该方法包括以下步骤：

[0034] 步骤一、对所述晶闸管投切滤波器所在电网负载侧的三相电压信号ua，ub，uc和三相电流信号ia，ib，ic进行采样；

[0035] 步骤二、通过信号调理电路对步骤一获取的三相电压信号ua，ub，uc和三相电流信号ia，ib，ic进行处理，并将处理后的信号送入DSP控制芯片中；

[0036] 步骤三、在DSP控制芯片中，由瞬时无功功率理论计算出无功功率Q及谐波频谱分析获取谐波分量iah，ibh，ich，将所述谐波分量iah，ibh，ich进行傅立叶变换，获取7次谐波电流和5次谐波电流；

[0037] 步骤四、根据谐波电流不能大于支路所能承受的滤波容量的原则，同时考虑支路无功补偿的容量，决定各谐波滤除通道的投切状态；并查询导通角与无功补偿容量数据库，选取投入状态的谐波滤除通道中的晶闸管导通角δ。

[0038] TSF3的晶闸管触发延迟角的范围为90°～180°。

[0039] 由瞬时无功功率理论计算出无功功率Q*及谐波频谱分析ih，当谐波含量超过标准值时ih＞istandard，发出抑制谐波指令；

[0040] 最后检测实际补偿的无功功率，并与下一时刻系统需要补偿的无功功率作对比，重复地调节晶闸管的导通角使得补偿的无功无限逼近需要补偿的无功，并且使补偿的无功一直跟随需要的无功进行动态变化。

[0041] 本实施方式步骤一中，三相电网负载侧电压信号的检测采用电压传感器实现，三相电网负载侧电流信号的检测采用电流传感器实现。采集到的信号经过调理后转化为0-3.3V信号，送入到DSP的A/D端口，经过A/D转换存入存储器中。步骤三中的三相电压和电流有效值的计算、无功功率和有功功率的计算、功率因数的计算、各次谐波电流的计算、补偿导纳的计算以及步骤五中TSF3号通道晶闸管触发角的计算以及其它三个TSF通道的过零投切指令的分析等数字信号处理的实现都是由DSP芯片完成的。步骤五中TSF晶闸管通道的触发由主电路实现，包括过零检测电路、锁相环电路和倍频电路三部分。过零检测电路检测过零点，使得周期性连续变化的输入信号变转化方波信号。锁相环电路对该方波信号的频率和相位进行跟踪，锁相环电路由鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)组成，其中锁相环是核心部分。倍频电路实现采样频率为被测信号频率的N倍频，比如，实现128倍频，那么在工频信号为50Hz时，锁相倍频频率为50×128＝6400Hz，则一个周期内有128个采样脉冲。

[0042] DSP芯片可以采用型号为MS320F2812的DSP芯片，DSP2812是TMS320LF2407A的升级版本，速度跃升到150M，处理数据位数跃升到32位定点，拥有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD数据采集，具有强大的运算功能和较高的采样频率，完全能够满足算法的实时性和精度。MS320F2812芯片的AD采样频率为10KHz。

[0043] 具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤三中获取谐波分量iah，ibh，ich的过程为：

[0044] 步骤31、将三相电流信号ia，ib，ic按公式

[0045]

[0046] 变换为α-β两相正交坐标系上瞬时电流iα，iβ；

[0047] 式中，C3/2表示3/2坐标变换矩阵；

[0048] 步骤32、将α-β两相正交坐标系上瞬时电流iα，iβ按公式

[0049]

[0050] 获取瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；

[0051] 式中：Em表示系统电压峰值；

[0052] 步骤33、将瞬时有功功率p和瞬时无功功率q经过低通滤波器得到其直流分量p、q；

[0053] 步骤34、根据公式

[0054]

[0055] 获取三相基波电流iaf，ibf，icf；

[0056] 步骤35、根据公式

[0057]

[0058] 获取谐波分量iah，ibh，ich。

[0059] 本实施方式采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测法。该谐波检测法不仅检测延时小，实时性好，能够同时检测谐波和无功电流，而且在电网电压发生畸变时依然能够准确地测出高次谐波电流。

[0060] 通过该方法完成电网谐波电流检测和需要补偿的无功功率计算，为下一步的谐波抑制和无功功率补偿打下基础。

[0061] 具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤四中导通角与无功补偿容量数据库的建立过程为：改变晶闸管投切滤波器中的晶闸管导通角δ的大小，采集不同晶闸管导通角δ时的晶闸管投切滤波器的电抗XL、负载功率因数角 并根据公式获取对应无功功率Q，建立晶闸管导通角δ与无功功率Q对应关系的数据库。

[0062] 根据滤波器系统结构简图，按照基尔霍夫定律列写电路方程并求解可得：

[0063] 公式一：

[0064]

[0065] 公式二：

[0066]

[0067] 上述两个公式中，Im为滤波器的基波峰值电流，ω是基波的角频率，α为晶闸管触发延迟角，δ为晶闸管导通角， 为负载功率因数角。公式一给出了滤波器系统电流表达式。公式二给出了α、δ、 之间的关系。当α和 已知时，即可由公式二确定δ，从而确定公式一所示的电流表达式成立的时间区域。

[0068] 根据滤波器系统电流表达式公式一，对其波形进行Fourier分解，进一步可以得到晶闸管投切滤波器的等效电纳为：

[0069] 公式三：

[0070] 式中XL为滤波器系统电抗，等效电纳的最大值为BLmax＝1/XL。

[0071] 由公式三可知，在不同晶闸管导通角情况下，TSF各通道的等效电纳是不相同的。当晶闸管触发延迟角变化时，导致TSF的电纳值的改变，由于所加的交流电是恒定的，从而使得TSF通道投入到系统的无功功率量发生变化。进一步可得，电容产生的无功功率即晶闸管投切滤波器系统投入到电网的无功功率可以表示为：

[0072] 公式四：

[0073] 由上面的式子可以得到无功功率跟随晶闸管触发延迟角和负载功率因数角之间的变化关系。当负载一定时，可以计算出晶闸管触发延迟角和无功功率之间的数值关系，进而得到导通角与无功补偿容量数据库。

[0074] 所述导通角与无功补偿容量关系的具体推算过程如下：

[0075] 结合图16-图18，TSF相当于是一对正反并联的晶闸管串联单相滤波器的电路，其中的两个正反并联晶闸管起到将电容器并入电网或者将其从电网中断开的作用，串联的电感和电容构成5次、7次或者其它次数的谐波滤除通道。根据等效电路，则系统电流的求解过程如下：

[0076] 公式五：

[0077] 公式六：

[0078] 公式七：

[0079] 公式八：i|ωt＝α＝0

[0080] 公式九：i|ωt＝α+δ＝0

[0081] 公式十：

[0082] 其中e是系统电源电压，Em是系统电压峰值，E是系统电压有效值，w是基波的角频率，L是该滤波通道电感值，C是该滤波通道电容值，uc是电容器两端电压，i是系统电流，R为系统电阻。将公式七代入公式六，再以公式八为初始条件，求解公式六即可获得公式一，得到系统电流i的表达式。将公式九带入公式一，可得公式二，得到触发延迟角α，负载功率因数角 和晶闸管导通角δ之间的关系，关系曲线如图17所示。

[0083] 公式十一：

[0084] 公式十二：

[0085] 公式十三：

[0086] 公式十四：Q＝E2/BL×sinθ1

[0087] 公式十五：θ1＝arctan(ai1/bi1)

[0088] 对公式一所表示的电流i进行Fourier分解可得公式十一。由Fourier分解得到的Fourier系数，进一步可以得到负载电流基波有效值I1。取负载功率因数角 将公式二和公式十一带入到公式十二中可以得到基波电流I1和晶闸管导通角d之间的关系，如公式十三，进而可以得到TSF的等效电纳的表达式公式三。电容产生的无功功率即TSF投入到电网的无功功率如公式十四，其中负载电流基波的初相角的计算如公式十五。最后，可以得到由负载相位角表示的无功功率表达式公式四。

[0089] 具体实施方式四：下面结合图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤四中各谐波滤除通道的投切状态的判断过程为：

[0090] 步骤1、判断7次谐波电流是否大于7次谐波电流设定值；判断结果为是，执行步骤2；判断结果为否，执行步骤4；

[0091] 步骤2、判断无功功率Q是否大于或等于7次谐波滤除通道的无功补偿容量额定值Q7；判断结果为是，投入TSF4，进行7次谐波滤除，然后执行步骤3；判断结果为否，执行步骤3；

[0092] 步骤3、判断无功功率Q是否小于7次谐波滤除通道的无功补偿容量额定值Q7；判断结果为是，切除TSF4，然后执行步骤4；判断结果为否，执行步骤4；

[0093] 步骤4、判断5次谐波电流是否大于5次谐波电流设定值；判断结果为是，执行步骤5；判断结果为否，执行步骤9；

[0094] 步骤5、判断关系式(Q-Q7)≥Q5是否成立，其中Q5为5次谐波滤除通道的无功补偿容量额定值；判断结果为是，执行步骤6；判断结果为否，执行步骤7；

[0095] 步骤6、当前是否要投入TSF1；若是，则投入TSF1，然后执行步骤7；若否，则投入TSF2，然后执行步骤7；

[0096] 步骤7、判断关系式(Q-Q7)＜-Q5是否成立；判断结果为是，切除TSF2，然后执行步骤8；判断结果为否，执行步骤8；

[0097] 步骤8、判断关系式(Q-Q7)＜Q5是否成立；判断结果为是，切除TS F1，然后执行步骤9；判断结果为否，执行步骤9；

[0098] 步骤9、判断关系式(Q-Q5-Q7)＞0是否成立；判断结果为是，执行步骤10；判断结果为否，返回步骤1重新进行判断；

[0099] 步骤10、查询数据库选取晶闸管的导通角；然后执行步骤11；

[0100] 步骤11、对定时器进行赋值；然后执行步骤12；

[0101] 步骤12、定时器中断触发，然后返回步骤1重新进行判断。