CN102545226B - 一种用于谐波抑制和无功补偿的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于谐波抑制和无功补偿的装置及方法，属于输配电技术领域，一种用于谐波抑制和无功补偿的装置，采用双核系统，包括：电压互感器、电流互感器、中央处理器DSP、双口RAM、ARM控制器、高电位板、电光转换板、脉冲发生板、晶闸管、复合开关、回报板和外围设备，所述中央处理器DSP负责数据的处理，所述ARM控制器负责外围器件的控制，此外，还增加了滤波器。本发明在原有SVC无功补偿控制器的基础上提出了一种角-角-星的滤波器的连接方式，可实时灵活地调节电力系统中的无功补偿量，大大降低了电容器和电抗器的装机容量，减少成本的基础上达到了更好的补偿效果。

Description

一种用于谐波抑制和无功补偿的装置及方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，特别涉及一种用于谐波抑制和无功补偿的装置及方法。

背景技术

电能是当今最重要的能源形式，电力工业则是国民经济发展与社会进步的基础产业。随着我国国民经济的发展，电网中电力负荷不断增大，尤其是现代电力电子设备如整流器、电弧炉等非线性负荷大量接入电网，在提高了生产效率的同时也带来了一系列电能质量问题，消耗了大量的无功功率，降低了系统的功率因数，也造成供电母线的电压波动、闪变，同时给电网带来了大量的谐波。由于工业中使用这些不对称负荷导致了功率因数过低，使变压器等电力设备容量得不到充分利用，不但给用电企业带来损失，而且也造成了传输线路上的电能损耗，使电网电压的控制变得更为困难，引起电网三相不平衡，产生负序电流，从而造成电机转子的附加发热和振动等一系列问题，对电网的稳定性及供电质量产生更加严重的危害。如今对于谐波抑制和无功补偿方面主要采用的是静止无功补偿装置SVC(Static VarCompensator)，原因在于SVC补偿装置可以校正系统功率因数、滤除谐波电流、平衡三相系统、减少电压闪烁，其中用户最为关心的是电压闪变带来的问题。电压闪变的抑制率与SVC的补偿容量以及补偿器的响应速度有直接关系，在同样的补偿容量的条件下，如果想达到同样的闪变效果，响应速度慢的控制器需要更大的补偿容量，这就意味着要增加电容器和电抗器的装机容量，从经济角度来说是不合理的。影响控制器响应速度的因素主要是信号的检测、计算方法。传统的SVC无功补偿装置由于检测信号中含有较多谐波成分，会引起滤波前后有较大延时同时还会引入检测误差。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提出一种用于谐波抑制和无功补偿的装置及方法，以达到提高无功补偿效果的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种用于谐波抑制和无功补偿的装置，采用双核系统，包括：电压互感器、电流互感器、中央处理器DSP、双口RAM、ARM控制器、高电位板、电光转换板、脉冲发生板、晶闸管、复合开关、回报板和外围设备，所述中央处理器DSP负责数据的处理，所述ARM控制器负责外围器件的控制，此外，还增加了滤波器；

通过电压互感器和电流互感器将采集的模拟信号连接到中央处理器DSP的A/D模块中，中央处理器DSP的A/D转换后的数字信号输出端与中央处理器DSP的输入端口相连，中央处理器DSP将处理过的数据通过双口RAM与ARM控制器相连接；ARM控制器设置三路输出和一路输入：ARM控制器的第一路输出产生触发脉冲，通过锁存器后使信号保持在触发状态，信号经过脉冲发生板后产生所需参数的电测试信号；电测试信号通过电光转换板转变为光信号；光信号进入高电位板后输出电信号，将此电信号升压后触发晶闸管的导通；ARM控制器的第二路输出控制复合开关的投切，中央处理器DSP中计算出的无功补偿量实时控制滤波器的工作方式，达到谐波抑制和无功补偿的最佳效果；ARM的第三路输出控制外围设备，包括上位机的通讯、液晶显示和键盘；ARM控制器的一路输入将晶闸管的状态和复合开关的投切状态通过回报板传送回ARM控制器中，通过分析汇报信息，ARM控制器对滤波器的工作方式做出实时地调整；

所述的滤波器从外层至内层的连接依次为：角接方式、角接方式和星接方式；

最外层为角接方式：由三个结构相同支路组成：两个反并联的晶闸管串联一个电抗器作为SVC无功补偿控制器的TCR部分，SVC无功补偿控制器的TCR部分再串联一个电容器和一个开关，所述开关控制所述电容器的接入；

中间层为角接方式：由三个结构相同支路组成：电容器串联开关，所述开关控制所述电容器的接入；

最内为星接方式：由三个结构相同支路组成：两个反并联的晶闸管串联一个电抗器作为SVC无功补偿控制器的TCR部分；

采用用于谐波抑制和无功补偿的装置的方法，包括以下步骤：

检测电力系统中的电压值、电流值及支路电流值，并计算有功功率和无功功率的有效值，确定滤波器输出的无功补偿量的总值，按无功补偿量的总值确定初始所需要的电容器的容值，根据所需要的电容器的容值选取滤波器的工作方式，在所选滤波器的工作方式下，计算电感，

按照品质因数判断电感取值是否合理：

如果品质因数在30-150之间则认为电感取值合理，再继续判断滤波器的无功输出量是否满足系统实际要求的无功补偿量，如满足则结束，如不满足则重新选取滤波器工作方式；

如果品质因数不在30-150之间则认为电感取值不合理，调解晶闸管的触发角度，并重新计算电感值；

所述的工作方式包括低无功补偿量方式和高无功补偿量方式。

本发明优点：本发明在原有SVC无功补偿控制器的基础上提出了一种角-角-星的滤波器的连接方式，可实时灵活地调节电力系统中的无功补偿量，大大降低了电容器和电抗器的装机容量，减少成本的基础上达到了更好的补偿效果。

附图说明

图1为本发明一种实施方式用于谐波抑制和无功补偿的装置的示意结构图；

图2为本发明一种实施方式用于谐波抑制和无功补偿的装置的电路连接原理图；

图3为本发明一种实施方式用于谐波抑制和无功补偿的装置的滤波器电路原理图；

图4为本发明一种实施方式用于谐波抑制和无功补偿的装置的方法总流程图；

图5为本发明一种实施方式用于谐波抑制和无功补偿的装置的方法有功功率与无功功率的计算流程图；

图6为本发明一种实施方式用于谐波抑制和无功补偿的装置的方法TCR+FC型无功补偿器原理图；

图7为本发明一种实施方式用于谐波抑制和无功补偿的装置的方法补偿电纳与晶闸管触发角对应图示意图；

图8为本发明一种实施方式用于谐波抑制和无功补偿的装置的方法确定电感值流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

图1是按照本发明一种实施方式的用于谐波抑制和无功补偿的装置的结构图，其中，中央处理器的型号为TMS320F2812，双口RAM(随机存取存储器)的型号为CY7C133，ARM处理器的型号为ARM-LPC2400。

电压互感器和电流互感器将采集的模拟信号连接到中央处理器DSP的A/D模块中，经中央处理器DSP的A/D转换后的数字信号输出端与中央处理器DSP的输入端口相连，中央处理器DSP将处理过的数据通过双口RAM与ARM控制器相连接；ARM控制器设置三路输出和一路输入：ARM控制器的第一路输出产生触发脉冲，通过锁存器后使信号保持触发状态，信号经过脉冲发生板后产生所需参数的电测试信号；为避免误触发以及信号的衰减，电测试信号通过电光转换板转变为光信号；光信号进入高电位板后输出5V-24V的电信号，将此电信号升压后便可触发晶闸管的导通；ARM控制器的第二路输出控制复合开关的投切，根据中央处理器DSP中计算出的无功补偿量实时控制滤波器的工作方式，达到谐波抑制和无功补偿的最佳效果；ARM的第三路输出控制外围设备，包括上位机的通讯、液晶显示和键盘；ARM控制器的一路输入将晶闸管的状态和复合开关的投切状态通过回报板传送回ARM控制器中，通过分析汇报信息，ARM控制器对滤波器工作方式做出实时地调整。

TMS320F2812的R/L_w端、/DS端、/RD端、XINT_L端、/READY端、A0～A10端、D0～D7端连接CY7C133的R/L_w端、/DS端、/RD端、XINT_L端、/READY端、A0～AL10端和D0～D7L端，CY7C133的R/W_R端、/CE_R端、/0E_R端、/INT_R端、/BUSY_R端、A₈～A_10R端分别连接ARM-LPC2400的/W_R端、PG4端、/RD端、PE4端、PG3端、DA₈～D_A10端，其中，A₀～A_7R端、D₀～D_7R端通过锁存器连接ARM-LPC2400的DA₀端～DA₇端。

本发明的一种实施方式给出滤波器电路原理图如图3所示，滤波器从外层至内层依次为：角接方式、角接方式和星接方式；

最外层为角接方式：由三个相同支路组成，以其中一个支路为例：两个反并联的晶闸管VT_1a串联一个电抗器L_1a作为SVC无功补偿控制器的TCR(thyristor controlled reactor晶闸管控制电抗器)部分，此部分再串联一个电容器C_1c和一个开关K_1a，开关K_1a控制电容器C_1a的接入；

中间层为角接方式：由三个相同支路组成，以其中一个支路为例：电容器C_2c串联开关K_2c，开关K_2c控制电容器C_2c的接入；

最内为星接方式：由三个相同支路组成，以其中一个支路为例：两个反并联的晶闸管VT_2a串联一个电抗器L_2c作为SVC无功补偿控制器的TCR部分；

当开关K_1a、K_1b、K_1c闭合时，调节晶闸管VT_2a、VT_2b、VT_2c此时为低无功补偿量；当开关K_2a、K_2b、K_2c闭合时，调节晶闸管VT_1a、VT_1b、VT_1c此时为高无功补偿量。

图4为本发明一种实施方式用于谐波抑制和无功补偿的装置的方法总流程图；该流程始于步骤401。然后在步骤402，检测电力系统的电压值、电流值及各支路(图3中C_1a所在支路、C_1b所在支路、C_1c所在支路、L_1a所在支路、L_1b所在支路、L_1c所在支路)的电流值，计算三相电压的有功功率和无功功率的有效值，并计算滤波器输出的无功补偿量总值，采用积分的方法，以A相电压为例，具体公式为：

$P_A\left(t\right)=\frac{1}{T}\underset{(t-T)}{\overset{t}{\∫}}{u}_a\left(\mathrm{\ωt}\right)\×i_a\left(\mathrm{wt}\right)\mathrm{dt}---\left(5\right)$

$Q_A\left(t\right)=\frac{1}{T}\underset{t-T}{\overset{t}{\∫}}{u}_a\left(\mathrm{\ωt}\right)\×i_a(\mathrm{wt}-\mathrm{\π}/2)\mathrm{dt}---\left(6\right)$

式中，P_A(t)是t时刻A相的有功功率的有效值，Q_A(t)是t时刻A相的无功功率的有效值，T是A相电压的周期，ω是角频率，u_a(ωt)、i_a(wt)是t时刻A相电压和电流的瞬时值，i_a(wt-π/2)是t-T/4时刻的A相电流瞬时值；

公式(5)、(6)是对电压电流瞬时值的模拟量在一个周期内进行积分，而实际采样的值是离散的数据量，所以要将这两个公式离散化，离散后的计算公式为：

$P_A\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{m=n-N+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_a\left(m\right)\×i_a\left(m\right)---\left(7\right)$

$Q_A\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{m=n-N+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_a\left(m\right)\×i_a(m-\frac{N}{4})---\left(8\right)$

式中，P_A(n)为第n个采样点处A相电压有功功率的有效值、Q_A(n)为第n个采样点A相电压无功功率的有效值，N是每个电压周期内采样的点数(N为4的倍数)，u_a(m)为第m个采样点A相电压的瞬时值，i_a(m)为第m个采样点A相电流的瞬时值，为第

个采样点处A相电流的瞬时值。

通过公式(5)、(6)可以很方便的用DSP计算出A相有功功率和无功功率的有效值，但是此方法采用乘积累加的形式，每个采样点需要进行N次乘法和加法，1次除法，这会占用DSP大量的计算时间，影响控制的实时性，因此把这个公式改进如下：

$P_A(n+1)=P_A\left(n\right)+\frac{1}{N}[u_a(n+1)\×i_a(n+1)-u_a(n-N+1)\×i_a(n-N+1)]---\left(9\right)$

$Q_A(n+1)=Q_A\left(n\right)+\frac{1}{N}[u_a(n+1)\×i_a(n+1-\frac{N}{4})-u_a(n-N)\×i_a(n-\frac{5}{4}N)]---\left(10\right)$

式中，P_A(n+1)为P_A(n)的后一时刻值、Q_A(n+1)为Q_A(n)后一时刻值，

为了在DSP中计算时节省数据空间，在DSP的数据空间中为每个电参数分配

个存储空间，循环存储方式(即第

个采样点存放在第

个存储单元，第

个采样点存放在第1个存储单元，第

个采样点存放在第2个存储单元，……)，并给出了适合这种数据结构的公式(5)、(6)的两个变形：

$P=P+\frac{1}{N}[u(n-1)i(n-1)-u(n-N-1)i(n-N-1)]---\left(11\right)$

$P=P+\frac{1}{N}[u(n-1)i(n-1)-u(n+\frac{N}{4}-1)i(n+\frac{N}{4}-1)]---\left(12\right)$

$Q=Q+\frac{1}{N}[u(n-1)i(n+N-1)-u(n+\frac{N}{4}-1)i\_\mathrm{last}---\left(13\right)$

$Q=Q+\frac{1}{N}[u(n-1)i(n-\frac{N}{4}-1)-u(n+\frac{N}{4}-1)i\_\mathrm{last}---\left(14\right)$

式中，等号右边的P(或Q)是上一次计算出的有功功率(或无功功率)有效值，等号左边的P(或Q)是本次要计算的有功功率(或无功功率)有效值，i_last是被新采样电流值覆盖的旧的电流值，DSP中的计算过程，如图5所示，包括以下步骤：

步骤501：采样点序号n＝0；采样数据缓冲区u[N]＝{0}，i[N]＝{0}；有功功率P＝0，无功功率Q＝0；有功功率暂存值p_temp＝0，无功功率暂存值q_temp＝0；散转标志Flag＝0；

步骤502：判断n是否等于

若是，则执行步骤504；若否，则执行步骤505；

步骤503：n＝0；

步骤504：将电流i(n)的当前值保存到变量i_last，u(n)、i(n)更新为新采样的电压值、电流值，n自增1；

步骤505：判断Flag的值：若Flag取值为0，则执行步骤506；若Flag取值为1，则执行步骤509；若Flag取值为2，则执行步骤512；若Flag取值为3，则执行步骤515；

步骤506：累加瞬时有功功率，累加和暂存在p_temp中；

步骤507：判断n是否等于

若是，则执行步骤508；若否，则执行步骤504；

步骤508：Flag设置为1，执行步骤504；

步骤509：累加瞬时有功功率和瞬时无功功率，暂存在p_temp和q_temp中；

步骤510：判断n是否等于N：若是，则执行步骤511；若否：则执行步骤504；

步骤511：瞬时有功功率累加值p_temp除以一周期采样点数N，得到有功功率有效值P，Flag设置为2，执行步骤504；

步骤512：根据公式(11)计算新的有功功率有效值，累加瞬时无功功率，累加和暂存在q_temp；

步骤513：判断n是否等于若是，则执行步骤514；若否：则执行步骤504；

步骤514：瞬时无功功率累加和p_temp除以一周期采样点数N得到无功功率有效值Q，Flag设置为2，执行步骤504；

步骤515：判断n的范围：若

则执行步骤516；若

则执行步骤517；若n＞N，则执行步骤418；

步骤516：根据公式(12)和(13)计算新的有功功率和无功功率的有效值，执行步骤504；

步骤517：根据公式(12)和(14)计算新的有功功率和无功功率的有效值，执行步骤504；

步骤518：根据公式(11)和(14)计算新的有功功率和无功功率的有效值，执行步骤504。

在步骤403，根据步骤402计算出的有功功率有效值和无功功率有效值，进而计算滤波器输出的无功补偿量的总值。

在步骤404，是按照无功补偿量的值来确定初始所需要的电容器的容值。在配电线路的末端，运行电压较低，特别在重负载、细导线的线路中，加装补偿电容后，提高运行电压，同时也产生了按提高电压的要求、选择多大的补偿电容才合理的问题。此外，在网络电压正常的线路中，加装补偿电容时，为满足网络电压的压升不能越限这一约束条件，也必须求出补偿容量Qc和网络电压增量之间的关系。装设补偿电容以前，网络电压的计算公式为：

$U_1=U_2+\frac{\mathrm{PR}+\mathrm{QX}}{U_2}---\left(1\right)$

式中，U₁为电源电压，U₂为变电所母线电压，R为网络电阻值，X为网络电抗值；

加装补偿电容后，电源电压U₁不变，变电所母线电压U₂升到U′₂，且有

$U_1=U_2^{\′}+\frac{\mathrm{PQ}+(Q-Q_C)X}{U_2^{\′}}---\left(2\right)$

因此

$\mathrm{\ΔU}=U_2^{\′}-U_2=\frac{Q_{C}X}{U_2^{,}},Q_C=\frac{U_2^{\′}\mathrm{\ΔU}}{X}---\left(3\right)$

式中U′₂为投入电容后母线电压值，单位为KV，ΔU为投入电容后母线电压的增量，单位为KV；

三相所需总电容计算公式为：

$\mathrm{\Σ}{Q}_C={3Q}_C=3\frac{{U^{,}}_{2L}}{\sqrt{3}}\×\frac{{\mathrm{\ΔU}}_L}{\sqrt{3}}\×\frac{1}{X}=\frac{{\mathrm{\ΔU}}_L\×U_{2L}^{,}}{X}---\left(4\right)$

式中，U′_2L为为投入电容后母线电压值最小值，VU_L为为投入电容后母线电压的最小增量值；

此时的电压和电压增量是针对线电压而言的。

在步骤405，根据步骤404计算出的容值，确定滤波器的工作方式。在滤波器运行时候总共考虑所有滤波支路总输出基波无功约束，取滤波器组中各滤波支路电容的额定安装容量之和最小作为目标函数，则整体优化模型为：

$\underset{\underset{Q_1...Q_N}{P_1...P_N}}{\min }\underset{f=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{CN},f}$

式中，P₁为基波有功功率，Q₁为基波无功功率，f为滤波编号，N为滤波器的总支路数，U_CN，f第N路谐波无功功率值。

约束条件如下：

所有滤波支路总输出基波无功约束条件公式为：

Q₁+Q₂+…+Q_N＝Q_sum          (15)

式中，Q₁、Q₂......、Q_n均为基波无功功率；

注入系统的谐波电流约束条件公式为：

I_sn≤I_lim，n       (17)

式中，I_sn为计算出的谐波电流值，I_lim，n为允许的最大谐波电流值。

节点谐波电压约束条件公式为：

U_n≤U_lim，n         (18)

式中，U_n为计算出的谐波电压值，U_lim，n为允许的最大谐波电压值。

电容器过电压约束条件公式为：

$U_{C1,f}+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{U}_{\mathrm{Cn},f}\≤K_u{U}_{\mathrm{CN},f}---\left(19\right)$

式中，U_C1，f第一路谐波电压值，

为第n次谐波电压值，K_u为电容器的过电压系数，

电容器过电流约束条件公式为：

$\sqrt{I_{C1,f}^2+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{Cn},f}^2}\≤K_i{I}_{\mathrm{CN},f}---\left(20\right)$

式中，I_C1，f为第1路谐波电流值，I_Cn，f为第n次谐波电流值，K_i为电容器的过电流系数，I_CN，f为第N路谐波电流值。

电容器的发热约束条件公式为：

$Q_{C1,f}+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{\mathrm{Cn},f}\≤K_Q{Q}_{\mathrm{CN},f}---\left(21\right)$

式中，Q_C1，f基波无功功率为，Q_Cn，fn次谐波无功功率值为，K_Q为电容器的过热系数。

滤波器组内谐振频率约束条件公式为：

$f_{\mathrm{ii}}\∉[50n(1+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{emn}}),50n(1+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{emp}})]---\left(22\right)$

式中，f_it为组内谐波次数，n为谐波次数，δ_emn为负最大等效频率偏差，δ_emp为正最大等效频率偏差，

滤波器组内外谐振频率约束条件公式为：

$f_{\mathrm{io}}\∉[50n(1+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{emn}}),50n(1+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{emp}})]---\left(23\right)$

式中，f_io为；

因此，整体优化模型可按如下的解耦方式进行分解协调，公式为：

$\underset{\underset{Q_1...Q_N}{P_1...P_N}}{\min }\underset{f=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{CN},f}=\underset{Q_1...Q_N}{\min }\left(\underset{P_1...P_N}{\inf }\underset{f=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{CN},f}\right)=\underset{Q_{\mathrm{stf}}...Q_{\mathrm{hf}}}{\min }\left(\underset{P_1...P_N}{\inf }\underset{f=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{CN},f}\right)---\left(24\right)$

根据前述滤波器涉及谐波分量的假设，对n次单调谐滤波器，在基波无功输出量已分配的前提下，由于基波无功输出节点的基波电压、电容的电流及功率存在如下关系：

$Q_i=\frac{U_1^2}{X_{C1}-X_{L1}}=\frac{n^2}{n^2-1}\×\frac{U_1^2}{X_{C1}}---\left(25\right)$

式中，Q_i为基波无功功率，U₁为节点谐波电压，X_c1为电容的容抗值，X_L1为电感的感抗值。

$U_1=I_{C1}{Z}_1\≈I_{C1}(X_{C1}-\frac{X_{C1}}{n^2})=U_{C1}\frac{n^2-1}{n^2}---\left(26\right)$

式中，I_c1为第1相电容的电流值，U_c1为第1相电容的电压值，Z₁为第1相总阻抗值。

$I_{C1}=\frac{U_{C1}}{X_{C1}}---\left(27\right)$

$Q_{C1}=\frac{U_{C1}^2}{X_{C1}}---\left(28\right)$

式中，Q_c1为第1相电容的无功功率。

根据关系式当系统的电压发生波动或者系统电流发生波动时候这根据关系式系统自动计算出所需容抗，所得容抗与两种方式的容抗值Q_c1和Q_c2进行比较选取工作方式：

工作方式1：当Q_C＜Q_C1时，低无功补偿量，闭合K_1a、K_1b、K_1c，调节晶闸管VT_2a、VT_2b、VT_2c；

工作方式2：当Q_C1＜Q_C＜Q_C2时，高无功补偿量，闭合K_2a、K_2b、K_2c，调节晶闸管VT_1a、VT_1b、VT_1c；

如果Q_C＞Q_C2，超出补偿范围系统进行自动的报警提示。

在步骤406，依照选取的工作方式1或工作方式2确定电感。本发明的一个实施方式给出了滤波器无功补偿功能部分采用的TCR+FC型SVC静止无功补偿器，该装置原理如图6所示，由两个反并联的晶闸管串联一个电抗器作为TCR，再并联一个电容构成SVC静止无功补偿装置。其工作原理为：在整个系统确定投切电容量之后一般形成过补偿，于是投入电感值来平衡过补偿部分的电容值。该过程是通过调节TCR部分晶闸管的触发角来实现，以此来确定电感值。TCR的触发角α和其电纳值B_TCR的关系可以用下面公式进行计算：

$B_{\mathrm{TCR}}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\sin 2\mathrm{\α}}{{\mathrm{\πX}}_L}---\left(29\right)$

式中，B_TCR为待补偿的电纳值，X_L是TCR中电抗器的感抗值，α为晶闸管的触发角。上式给出了晶闸管的导纳和它的触发角之间的关系式，可以看出，如果知道触发角α，要求晶闸管在此触发角下的导纳，直接代入公式(29)即可算出，但是SVC静止无功补偿器进行补偿计算时，是先求得晶闸管需要提供的补偿导纳，然后去求相应的触发角，如果对公式求解将涉及到非线性方程的求解问题，非常复杂，没有实用价值。本发明的一个实施方式是通过查找表的方法，将一定范围内的触发角和它所对应的补偿导纳值按补偿导纳的大小顺序做成查找表，根据计算出的导纳值按照查找算法查得对应的触发角度。

本发明给出的一种实施方式是将晶闸管补偿导纳标幺化，用实际的补偿导纳计算值除以晶闸管所能提供的最大导纳值1/X_L，公式(29)变形为：

$B_{\mathrm{norm}}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\sin 2\mathrm{\α}}{\mathrm{\π}}---\left(30\right)$

这样，当触发角α在90°～180°范围内变化时，B_norm的取值范围为1～0；

在图7的曲线中取一组做成查找表，本发明的一种实施方式，设计SVC控制器，选择了101组点，它们分别是补偿电纳等于0.00，0.01，0.02，...，1.00时对应的触发角角度，为了方便查找和计算，将这些触发角角度直接转换为12-bit的整型数据存储在数组Alpha[0]～Alpha[100]中，当计算出补偿电纳的标幺值后，将标幺值乘以100之后四舍五入得到0～100中间的一个数，用这个数作为数组的下标直接得到对应的12-bit二进制的触发角数据用于锁存输出。

本发明的一个实施方式的流程图如图8，包括以下步骤：

步骤801：开始；

步骤802：投入电容器后由DSP计算出过补偿部分的电容值；

步骤803：将式子 $B_{\mathrm{TCR}}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\sin 2\mathrm{\α}}{{\mathrm{\πX}}_L}$ 进行标幺化得 $B_{\mathrm{norm}}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\sin 2\mathrm{\α}}{\mathrm{\π}},$ B_norm的取值范围为1～0；

步骤804：用matlab求解出α和B_norm的曲线图，如图6所示；

步骤805：将标幺化后的电纳值按0.00，0.01，0.02，...，1.00选取101个点，将每个点对应的触发角直接转换为12-bit的整型数据存储在数组Alpha[0]～Alpha[100]中；

步骤806：将实际测得的标幺值乘以100之后四舍五入得到0～100中间的一个数，用这个数作为数组的下标直接得到对应的12-bit二进制的触发角数据用于锁存输出；

步骤807：结束。

在步骤407，按品质因数判断电感取值是否合理，以A相为例，计算品质因数，公式为：

电流公式为：

$i_A=\sqrt{2}{I}_A\cos {\mathrm{\ω}}_{A}t$

式中，I_A为A相电流，ω_A为A相角频率，t为时间；

电感的能量公式为：

${\mathrm{\ω}}_{L_A\left(t\right)}=0.5{\mathrm{Li}}_A^2={\mathrm{LI}}_A^2{\cos }^2{\mathrm{\ω}}_{A}t$

式中，L为电感值；为电感能量。

总阻抗公式为：

$Z=R_A+{\mathrm{j\ωL}}_A+1/[(1/R_B)+{\mathrm{j\ωC}}_A]=[R_1+\frac{1/R_B}{{(1/R_B)}^2+{\left({\mathrm{\ωC}}_A\right)}^2}]+j[{\mathrm{\ωL}}_A-\frac{{\mathrm{\ωC}}_A}{{(1/R_B)}^2+{\left(\mathrm{\ω}{C}_A\right)}^2}]$

式中，Z为总阻抗，R_A为A相电阻，R_B为B相电阻，C_A为C相电容；

A相角频率公式为：

${\mathrm{\ω}}_A=\sqrt{(1/L_A{C}_A)-{(1/R_B)}^2}$

式中L_A为A相电感值。

电容的能量公式为：

$U_{C_0}=I_A/Y_B=[I_A/\sqrt{{(1/R_B)}^2+{\left(\mathrm{\ω}{C}_A\right)}^2}\arctan {\mathrm{\ω}}_A{R}_B{C}_A]$

为电容的电压值，Y_B为B相的电纳值。

系统在一个周期内消耗的总能量为：

${\mathrm{PT}}_0=(R_A{I_A}^2+{U_{C_0}}^2/R_B)T_0=(R_A+L_A/R_B{C}_A){I_A}^2{T}_0---\left(31\right)$

式中，PT₀系统一个周期内消耗的总能量，P为有功功率，T₀为一个周期时间；

系统的品质因数Q公式为：

Q＝2π(ω_A/P_AT_A)

将式(31)代入上式得：

Q＝2π×{L_AL_A ²/[R_A+(L_A/R_BC_A)]I_A ²T₀}＝[ω_AL_A/R_A+(L_A/R_BC_A)]

如果计算出的品质因数Q在30-150之间则认为电感取值合理，并执行步骤408；

如果品质因数Q不在30-150之间则认为电感取值不合理，调解晶闸管的触发角度，从新计算电感值。

在步骤408，判断滤波器的无功输出是否满足实际要求的无功补偿量，如满足则执行步骤410，如不满足，则重新返回步骤405，更改滤波器的工作方式。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种用于谐波抑制和无功补偿的装置，采用双核系统，包括：电压互感器、电流互感器、中央处理器DSP、双口RAM、ARM控制器、高电位板、电光转换板、脉冲发生板、晶闸管、复合开关、回报板和外围设备，所述中央处理器DSP负责数据的处理，所述ARM控制器负责外围器件的控制，此外还增加了滤波器；

通过电压互感器和电流互感器将采集的模拟信号连接到中央处理器DSP 的A/D模块中，中央处理器DSP 的A/D模块转换后的数字信号输出端与中央处理器DSP的输入端口相连，中央处理器DSP将处理过的数据通过双口RAM与ARM控制器相连接；ARM控制器设置三路输出和一路输入：ARM控制器的第一路输出产生触发脉冲，通过锁存器后使信号保持在触发状态，信号经过脉冲发生板后产生所需参数的电测试信号；电测试信号通过电光转换板转变为光信号；光信号进入高电位板后输出电信号，将此电信号升压后触发晶闸管的导通；ARM控制器的第二路输出控制复合开关的投切，根据中央处理器DSP中计算出的无功补偿量实时控制滤波器的工作方式；ARM的第三路输出控制外围设备，包括上位机的通讯、液晶显示和键盘；ARM控制器的一路输入将晶闸管的状态和复合开关的投切状态通过回报板传送回ARM控制器中，通过分析回报信息，ARM控制器对滤波器的工作方式做出实时地调整；

其特征在于：

所述的滤波器从外层至内层的连接依次为：角接方式、角接方式和星接方式；

最外层为角接方式：由三个结构相同支路组成：两个反并联的晶闸管串联一个电抗器作为SVC无功补偿控制器的TCR部分，SVC无功补偿控制器的TCR部分再串联一个电容器和一个开关，所述开关控制所述电容器的接入；

中间层为角接方式：由三个结构相同支路组成：电容器串联开关，所述开关控制所述电容器的接入；

最内层为星接方式：由三个结构相同支路组成：两个反并联的晶闸管串联一个电抗器作为SVC无功补偿控制器的TCR部分。

2.采用权利要求1所述的用于谐波抑制和无功补偿装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：

检测电力系统中的电压值、电流值及支路电流值，并计算有功功率和无功功率的有效值，确定滤波器输出的无功补偿量的总值，按无功补偿量的总值确定初始所需要的电容器的容值，根据所需要的电容器的容值选取滤波器的工作方式，在所选滤波器的工作方式下，计算电感，

按照品质因数判断电感取值是否合理：

如果品质因数在30-150之间则认为电感取值合理，再继续判断滤波器的无功输出量是否满足系统实际要求的无功补偿量，如满足则结束，如不满足则重新选取滤波器工作方式；

如果品质因数不在30-150之间则认为电感取值不合理，调节晶闸管的触发角度，并重新计算电感值。

3.根据权利要求2所述的用于谐波抑制和无功补偿装置的方法，其特征在于：所述的工作方式包括低无功补偿量方式和高无功补偿量方式：

  当                                                

时，为低无功补偿量；式中，

为补偿容量，

为第1相电容的无功功率；

当

时，为高无功补偿量，式中，为第2相电容的无功功率。

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