专利名称：补偿动态三相不平衡负荷的方法及补偿装置的制作方法
技术领域：
一种补偿动态三相不平衡负荷的方法及补偿装置属于电力系统不平衡负荷补偿技术领域。
背景技术：
在输配电系统中要补偿动态负荷的不平衡，消除不平衡负荷在系统中造成的有害的负序电流；同时对负荷所需要的无功功率进行快速补偿，提高系统功率因数，减小电压波动。其第一个关键是控制器必须能够快速准确的算出负荷电流的基波对称分量，第二个关键是提出据此来切实有效的进行补偿的计算机实现方法。
借用序分量过滤器和相量识别器的原理，用计算机软件去实现，是广泛使用的计算对称分量的数字方法，见孙树勤著的“无功补偿矢量控制”，中国电力出版社，1998；罗士萍著的“微机保护实现原理及装置”，中国电力出版社，2001；但其原理本身会造成超过四分之一基波周期的延时，而且，为避免受到信号中所含谐波分量的影响，必须加入滤波环节，又引入附加的延时，总的时间延迟仍然比较大。另外一些算法，综合了新的数学变换形式和滤波方法，以达到既不受谐波影响、计算又准确快速的目标，见P.Sharma，S.I.Ahson，andJ.Henry.Microprocessor Implementation of fast Walsh-Hadamard Transform for Calculation ofSymmetrical Components.Proceedings of the IEEE，Vol.76，No.10，1385-1388，Oct.1988.以及T.Lobos.Fast Estimation of Symmetrical components in Real Time.IEE Proceedings-C，vol.139，No.1，Jan.1992.等，但是时间延迟一般都在四分之三个基波周期以上。
在文献L.Gyugyi，R.A.Otto，T.H.Putman.Principles and Applications of Static，Thristor-Controlled Shunt Compensators.IEEE Trans.on Power Apparatus and System，1978，PAS-97(5)1935-1945.中提出可以将补偿装置分作两个部分，一部分三相电纳是平衡的，在正序对称电压下仅产生正序电流，用来提供负荷所需的无功电流或维持电压，称作正序补偿器；另一部分三相电纳不平衡，在正序对称电压下仅产生负序电流，用来抵消不平衡负荷引起的负序电流，称作负序补偿器。它们可以用如图1所示的同一个补偿器来实现，但在文献中并未提出一种数字化的切实可行的补偿方法。
发明内容
本发明的内容在于一种补偿动态三相不平衡负荷的方法及补偿装置，它提供了一种原理简单，实现容易，精度高，延迟小的计算三相正弦信号基波对称分量的方法，同时，其补偿装置通过自动调整接入系统中的等值电纳，可以补偿动态负荷的不平衡，消除不平衡负荷在系统中造成的有害的负序电流；同时对负荷所需要的无功功率进行快速补偿，提高系统功率因数，减少电压波动。
本发明的补偿方法的特征在于
它依次含有如下步骤(1)用补偿装置读取它与系统连接处的三个线电压和负荷的三个线电流，读取用户对控制目标的设定值；(2)把采样读取的结果存入数据区中和当前采样点序号相对应的位置；(3)用函数dataprocu()进行不平衡控制的数据处理，它依次含有如下步骤1)用FIR低通滤波器对采入的系统线电压和负荷线电流信号进行滤波；2)对任何一路信号，由其相邻的两个采样值e1、e2，根据下列公式计算其在第一个采样时刻的相位α和有效值Etgα=e1sinωTs/(e2-e1cosωTs),]]>e12+e22-2e1e2cosωTs/2sinωTs,]]>其中，Ts为采样的时间间隔，即采样周期，ω是信号的角频率，在电力系统中正常情况下，ω＝100π；3)对上述求出的各信号的有效值和相位作积分滤波；4)以ab线电压为参考量，根据电压、电流的有效值和相位，得到它们的相量形式E.=E∠α=2E(cosα+jsinα);]]>5)由对称分量法的定义，算出系统线电压和负荷线电流的对称分量E.1E.2E.0=131aa21a2a111E.abE.bcE.ca,]]>I.a1I.a2I.a0=131aa21a2a111I.aI.bI.c,]]>其中α＝ej2/3π， 为系统的三个线电压， 为负荷的三个线电流，和 分别代表正序、负序和零序分量；6)由负荷线电流的正序分量求得相电流 I.l=I.a1ejπ/6/3,]]>以及有功分量Ip=ReI.l,]]>无功分量Iq=ImI.l.]]>(4)用函数negatb()计算负序补偿器的三相等值电纳，负序补偿器部分的三相电纳 由下列各式得到BN,ab(c)E=1/3ReI.a2-ImI.a2,]]>BN,bc(c)E=1/3ReI.a2+ImI.a2,]]>BN,ca(c)E=-2/3ReI.a2;]]>(5)用函数positb()计算正序补偿器三相等值电纳，它与控制目标有关设控制目标为电压则由PI调节器根据用户对电压的设定值和电压实际值的误差，计算补偿装置正序补偿器的三相等值电纳 Bp(c)=Kpe+KiΣe,]]>e=E-Eref,]]>Eref为线电压的设定值，E为线电压的实际值，Kp为比例系数，Ki为积分系数；设控制目标为功率因数则由负序电流的有功分量Ip，无功分量Iq，系统线电压E代入下式得到补偿装置正序补偿器的三相等值电纳 Bp(c)=(Ip·1/λref2-1-Iq)/E,]]>其中λref为用户设定的负荷经过补偿后总的功率因数；(6)补偿装置实际应该输出的每相电纳值，即电纳参考值为正序补偿器等值电纳与负序补偿器等值电纳之和；(7)用函数tcrtsccomu()把各相电纳参考值转换为TCR控制角和TSC投切指令，它依次含有以下步骤1)判别电纳参考值＞0？若是，则TSC投切指令置1，TCR电纳参考值＝电纳参考值-TSC电纳；若否，则TSC投切指令置0，TCR电纳参考值＝电纳参考值；2)k＝四舍五入法取整(-TCR电纳参考值×100)；3)TCR控制角ang＝alpha[k]，alpha[]是保存电纳参考值对应的控制角的数组；4)TCR控制角电压Vang为 其中Vmax为90°控制角对应的电压，Vmin为180°控制角对应的电压；5)输出TCR控制角电压和TSC投切指令；(8)结束，返回。所述步骤(7)中建立TCR电纳参考值～控制角对应表的方法依次含有如下步骤(1)把补偿装置TCR的等值电纳输出范围0～-1进行n等分，得到一个n+1点序列B0，B1，…，Bn；(2)将序列中的每一个点Bk，k＝0，…，n，代入下边的公式，用牛顿叠代法求解相应控制角αk的值BRα=-2(π-α)+sin2απXR,]]>其中，BR(α)为对基波而言，晶闸管控制的电抗器的等效电纳值，XR为电抗器的基波电抗，并约定电抗器的导纳值为负，电容器的导纳值为正；(3)将α0，α1，…，αn转换成单位为“度”时的值，存入n+1维数组alpha[]中，因为alpha[k]对应的电纳参考值Bk＝-k/n，因此电纳参考值Bk对应的控制角αk在数组alpha[]中的下标k＝-Bk×n。
移相触发板移相的精度为1°时，n取值为100。
本发明的补偿装置的特征它含有依次串接的控制器、光发信器—光收信器—功率脉冲触发电路以及串接于系统三相各线间的主电路；其中控制器由DSP控制板、分别接收DSP控制板输出信号的TCR脉冲发生板和TSC过零触发板构成；主电路含有由一对反并联的晶闸管和电抗器串联组成的晶闸管控制电抗器(TCR)以及由一对反并联的晶闸管和电容器串联组成的晶闸管投切电容器(TSC)。所述的TSC过零触发板即晶闸管投切电容器用的分相过零触发控制装置，它由与反并联的晶闸管两端相连的霍尔元件式电压检测电路，输入端与该电压检测电路输出端相连且可以把输入的小电流信号转化为与晶闸管两端的电压同相位的方波电压信号的信号转换电路，与该信号转换电路输出端相连的过零检测信号发生电路，输入端分别与该过零检测信号发生电路的输出端和控制器的投入或切除信号输出端相连的或门电路，和该或门电路输出端相连且其输出的方波电压的占空比可调的延时电路以及输入端与该延时电路输出端相连而输出端与反并联晶闸管各控制端相连的可调频的晶闸管触发脉冲形成电路。
使用证明它实现了预期目标。
图1补偿装置的等效形式。
图2函数Adintserv()流程图。
图3函数dataprocu()流程图。
图4用“两点法”求对称分量过程中举例时所用的电压有效值波形图4aA相电压有效值波形图，4b正序电压有效值波形图，4c负序电压有效值波形图。
图5函数negatb()流程图。
图6函数positb()流程图。
图7函数tcrtsccomu()流程图。
图8负荷的等效形式。
图9不对称负荷和补偿装置组成的三相系统。
图10TCR电路原理和电流波形图10aTCR电路原理图，10bTCR电流波形图。
图11补偿装置的电路原理框图。
图12DSP控制板的电路原理框图。
图13不平衡负荷下(仅bc相有电阻负荷)补偿装置投入前后系统线电流波形图。
图14TSC过零触发板的原理框图。
表1在图13情况下补偿装置投入前后系统线电压的有效值。
具体实施例方式
先结合图1～图10对本方法予以说明。
在用函数dataprocu()处理不平衡控制数据，即求负荷线电流的正负序分量及相电流的有功分量Ip和无功分量Iq时，使用了本发明提出的“两点法”来计算三相正弦信号的基波对称分量。其具体的计算过程如下对任意一相输入信号，通过三角函数运算，由输入信号的三个采样点的值计算出输入信号的频率、有效值和相位。然后，由对称分量法的定义算出三相信号的正负零序分量。算法本身的延时仅为3倍的采样间隔。如果输入信号的频率已知，比如在电力系统中，信号频率为50赫兹不变，那么，利用两个采样点的数据就可以计算出上述各量，进一步提高响应速度。这时算法本身的延时仅为2倍的采样间隔。以每基波周期采样40次为例，采样间隔为0.5ms，算法本身的延时为1ms。在下文中称之为“两点法”。算法的具体说明如下。
以电压信号为例。设A相的电压信号为ea=2Easinωt---(1)]]>e1、e2、e3为对ea进行采样的三个相邻采样值。有e1=2Easinα---(2)]]>e2=2Easin(α+ωTs)---(3)]]>e3=2Easin(α+2ωTs)---(4)]]>其中α为第一个采样时刻ea的相角，Ts为两次采样的间隔时间，即采样周期。我们可以证明以下各式成立cosωTs＝(e1+e3)/2e2(5)tga＝e1sinωTs/(e2-e1cosωTs) (6)Ea=e12+e22-2e1e2cosωTs/2sinωTs---(7)]]>这样便可以得到A相电压在第一个采样时刻的相位和有效值，算出A相电压相量 如果可以假设系统的频率不变，即固定为50赫兹，那么ωTs是一个定值，利用(6)、(7)两式，计算ea的相位和有效值仅需要e1、e2两个采样值即可。同理可以算出B、C两相电压的有效值及同一时刻的相位。以A相电压相位为参考，即可得到B、C两相电压相量 和 然后，根据对称分量法的定义E.1E.2E.0=131aa21a2a111E.aE.bE.c]]>其中，a＝ej2/3π。(8)就可以算出三相电压的正负零序分量。
电流信号的对称分量算法和上边相同。
如果同时算出电压和负荷电流的相量，则根据对无功电流的定义电流相量在垂直于电压相量方向上的投影，可以求出负荷电流的无功分量，用于控制补偿装置输出相应的补偿电流。
以上说明中，我们假定输入信号不含谐波。实际情况下可能会有谐波，需要作如下处理首先对输入信号进行低通滤波，除去信号里的谐波成分，只保留基波成分；按照上述方法求信号的相量，运算结果仍会含有一定幅度的交流分量；再对相量的有效值和相位作一次积分滤波，就可以得到理想的结果。根据系统实际的谐波情况选择适当类型和长度的数字滤波器，总的时间延迟可以控制在10ms，即半个工频周期以内，精度也很好。对算法的应用举例如下。
三相电压信号中含有正序和负序基波、正序5次谐波，有效值分别为10、1、1。ea=10·2sinωt+2sin(ωt+θ)+2sin5ωt]]>eb=10·2sin(ωt+2π/3)+2sin(ωt+θ-2π/3)+2sin(5ωt+2π/3)]]>ec=10·2sin(ωt-2π/3)+2sin(ωt+θ+2π/3)+2sin(5ωt-2π/3)]]>在t＝20ms的时刻，正序分量有效值突变为5。假定系统频率为50赫兹不变，采用“两点法”求对称分量的过程如下。
1、用FIR低通滤波器对输入电压信号进行数字滤波，得到基波分量eal、ebl、ecl；2、由当前采样时刻和前一采样时刻的瞬时值，通过上边的(6)、(7)式算出eal、ebl、ecl各自的有效值和相角；3、以eal的相角作参考，算出ebl、ecl相对eal的相位；4、对eal、ebl、ecl的有效值和相对相位作积分滤波，得到三相基波电压相量 和 5、将 和 代入(8)式，就可以算出三相基波电压的正负零序分量。
我们把负荷也分作正序负荷和负序负荷两个部分，分别对应于正序补偿器和负序补偿器，用函数negatb()计算负序补偿器的三相等值电纳，其方法如下，参照图1和图9，对于负序补偿器可得-I.a2=E·jBN,ab(c)-aE·jBN,ca(c)---(9)]]>-aI.a2=a2E·jBN,bc(c)-E·jBN,ab(c)---(10)]]>由式(9)和(10)不难解出BN,ab(c)E=1/3ReI.a2-ImI.a2---(11)]]>BN,bc(c)E=1/3ReI.a2+ImI.a2---(12)]]>BN,ca(c)E=-2/3ReI.a2---(13)]]>其中 分别为负荷电流负序分量的实部和虚部。并且有BN,ab(c)+BN,bc(c)+BN,ca(c)=0---(14)]]>有了负序补偿器，就可以抵消由于负荷不平衡在系统中产生的负序电流。
正序补偿器是为了提供负荷所需的无功电流，以提高系统的功率因数，或者维持电压。当我们的控制目标为提高功率因数时，计算正序补偿器等值电纳的原理如下。
设负荷的功率因数角为，功率因数λ＝cos，负荷相电流的有功分量为Ip，无功分量为Iq，根据功率因数角的定义可知 正序补偿器提供的每相无功电流用I(c)表示，因为补偿装置和负荷并联在与系统的连接点上，所以每相总无功电流为Iq+I(c)。我们希望经过补偿后，二者总的功率因数为λref，那么应该有(Iq+I(c))/Ip=1/λref2-1---(16)]]>进而可知I(c)=Ip·1/λref2-1-Iq---(17)]]>因此，正序补偿器应输出的等值电纳为Bp(c)=I(c)/E=(Ip·1/λref2-1-Iq)/E---(18)]]>其中E为补偿装置与系统连接点处的线电压。
正序补偿器的等值电纳计算用函数positb()实现。
在图1、8、9中，参考相量是ab线电压，因此，正序负荷ab支路上的相电流 的实部和虚部分别对应有功分量Ip和无功分量Iq。由图8可以得到I.P,ab=I.a1·ejπ/6·1/3]]>=(1/2ReI.a1-3/6ImI.a1)+j(3/6ReI.a1+1/2ImI.a1)---(19)]]>其中 分别为负荷线电流正序分量的实部和虚部。所以有Ip=1/2ReI.a1-3/6ImI.a1---(20)]]>Iq=3/6ReI.a1+1/2ImI.a1---(21)]]>代入(18)式就可以得到正序补偿器的等值电纳。典型情况下，λref设定为1，代入(17)式，于是正序补偿器的补偿电流为I(c)=-Iq=-ImI.P,ab=-(3/6ReI.a1+1/2ImI.a1)---(22)]]>因此，图1中正序补偿器的电纳为BP,ab(c)E=-3/6ReI.a1-1/2ImI.a1---(23)]]>补偿器的三相电纳(正序+负序)分别为Bab(c)E=-3/6ReI.a1-1/2ImI.a1+1/3ReI.a2-ImI.a2---(24)]]>Bbc(c)E=-3/6ReI.a1-1/2ImI.a1+1/3ReI.a2+ImI.a2---(25)]]>Bca(c)E=-3/6ReI.a1-1/2ImI.a1-2/3ReI.a2---(26)]]>利用这些公式，可以从负荷电流相量得到补偿负荷不平衡和为负荷提供无功电流所需的补偿装置的三相电纳值，即电纳参考值。然后，DSP再把电纳参考值转换为TCR的控制角信号和TSC投切指令，分别发送给TCR脉冲发生板和TSC过零触发板。
当正序补偿器用于稳定电压时，采用常规的PI调节器作闭环调节，求得正序补偿器的等值电纳。
从上述过程可以看出，由采样得到的电压瞬时值、负荷电流瞬时值分别求得电压相量和负荷电流相量，进而计算出负荷电流的正负序分量，是实现这一补偿原理的关键环节，对控制器的响应速度和精度有重要影响。
以下根据晶闸管控制电抗器(TCR)的原理来说明如何用函数tcrtsccomu()来把各相电纳参考值转换为TCR控制角和晶闸管投切电容器(TSC)的投切指令。
图10中为晶闸管控制电抗器(TCR)的电路原理10a和电流波形10b，Th1与Th2为两个反并联的晶闸管，分别在电源电压波形的正、负半周内导通。在晶闸管被触发的时刻，电压波形的相位称为控制角，用α表示。α为90°时，电抗器吸收的感性无功最大(称为额定功率)，180°时吸收的感性无功最小(称为空载功率)。由于电抗器几乎是纯感性负荷，因此电流滞后于电压约90°，为纯无功电流。α在0°～90°之间时，会产生含直流分量的不对称电流，所以控制角一般在90°～180°范围内调节。
对基波而言，晶闸管控制的电抗器可以看成一个可控电纳，其等效的电纳值和控制角α的关系如下BR(α)=-2(π-α)+sin2απXR---(27)]]>其中XR为电抗器的基波电抗，并约定电抗器的导纳值为负，电容器的导纳值为正。把电纳参考值转换成TCR控制角信号和TSC投切指令的方法1、判断电纳参考值是否大于零，如果是，则需要投入TSC，将TSC投切指令置“1”，TCR电纳参考值＝电纳参考值-TSC电纳；如果否，则不需投入TSC，将TSC投切指令置“0”，TCR电纳参考值＝电纳参考值；2、找TCR电纳参考值～控制角对应表，得到TCR电纳参考值相应的控制角；3、计算控制角对应的输出电压，由DSP板以电压信号的形式将控制角大小输出给TCR脉冲发生板。
注(1)补偿装置三相输出的等值电纳是不同的，所以三相各自的TCR控制角电压和TSC投切指令应按照上述方法分别计算。(2)电纳值以TCR额定输出，即控制角为90°时的等值电纳为基值。
建立TCR电纳参考值～控制角对应表的方法1、将补偿装置TCR的等值电纳输出范围0～-1进行n等分，得到一个n+1点序列B0，B1，…，Bn；2、将序列中的每一个点Bk，k＝0，…，n，代入上边的公式，用牛顿叠代法求解相应控制角αk的值；牛顿叠代法令f(α)＝2(π-α)+sin2α+πXRBR(α)，则f′(α)＝-2+2cos2α，迭代公式为α(i+1)＝α(i)-f(α(i))/f′(α(i))。步骤如下(1)取初值α(0)＝π/4，i＝0；(2)由α(i+1)＝α(i)-f(α(i))/f′(α(i))计算出α(i+1)；(3)|α(i+1)-α(i)|＜ε？，如果是，αk＝α(i+1)结束；如果否，i＝i+1，返回(2)；这里ε是αk的允许误差，BR(α)＝Bk。
3、将α0，α1，…，αn转换成单位为“度”时的值，存入n+1维数组alpha[]中。很显然alpha[k]对应的电纳参考值Bk＝-k/n，因此可得如下关系电纳参考值Bk对应的控制角αk在数组alpha[]中的下标k＝-Bk×n。
在装置运行过程中，DSP控制板得到电纳参考值B后，令k等于-B×n按四舍五入法取整，alpha[k]就是B对应的控制角。
电纳参考值等分点数n的选取理论上讲，n越大，电纳参考值就分得越细，TCR的输出就越精确和平滑。但实际上，分得过细时，两个相邻电纳参考值对应的控制角相差的度数很小，由于移相触发板移相精度有限，这种太小的差别实际输出时无法体现，也就没有价值。在我们的装置中，移相触发板移相精度大约为1°，n取值为100较合适。
将TCR控制角转变为相应电压信号的方法一般情况下，TCR脉冲发生板输入的电压信号和控制角一一对应。例如目前选用的沈阳信达的触发板，要求90°～180°的控制角，用7.5～0V的电压表示，二者基本上是线性关系。因此，控制角对应的电压值，由下边的公式计算 其中ang为TCR控制角，Vmax为90°控制角对应的电压，Vmin为180°控制角对应的电压。
以下将根据一个具体实例来说明本发明所提出的方法的
具体实施例方式计算实例的电路见图9。假设负荷为一个电弧炉，在某个状态下，三相导纳分别为Yab=-j12,Ybc=12-j12,Yca=32-j12.]]>系统线电压为E.ab=1,E.bc=-12-j32,E.ca=-12+j32.]]>补偿器参数TCR额定导纳BR＝-1/XR＝-1，TSC额定导纳BC＝0.8。
1、补偿装置的DSP控制板采集系统线电压和负荷的线电流，采用前边所述的计算三相电信号基波对称分量的方法(“两点法”)，求负荷电流的正负序分量，步骤如下(1)首先对AD采样得到的信号做低通滤波，保留电压、电流中的基波分量；(2)分别计算各个电压、电流信号的有效值和相位，并将结果作积分滤波。以ab线电压作参考相量，求出三个线电流的相量E.ab=1,I.a=-j32,I.b=-3+14-j3-34,I.c=3+14+j3+34;]]>(3)根据对称分量法的定义，即(8)式，计算出负荷电流的正负序分量I.a1=14-j(1+312)]]>I.a2=-14-j(12-312)]]>2、由(11)、(12)、(13)式计算出补偿装置负序补偿器部分的三相电纳BN,ab(c)=12-36,BN,bc(c)=-12,BN,ca(c)=36.]]>3、求正序补偿器的等值电纳补偿装置通过调节输出无功电流的大小可以调节电压。控制目标设为电压时，由PI调节器根据用户对电压的设定值和实际电压的误差，算出补偿装置正序补偿器的三相电纳。本例中，假设用户对电压的设定值为1，则由于系统线电压此时也为1，补偿器的正序电纳等于0。
如果控制目标为功率因数，且λref设定为1，则正序补偿器的等值电纳由(23)式计算BP,ab(c)=(-3/6ReI.a1-1/2ImI.a1)/E=12]]>4、由控制算法得到的补偿装置实际应该输出的三相电纳值，即电纳参考值为正序与负序电纳之和控制目标为功率因数时Bab(c)=1-36,Bbc(c)=0,Bca(c)=12+36.]]>控制目标为电压时Bab(c)=12-36,Bbc(c)=-12,Bca(c)=36;]]>5、把各相的电纳参考值转变为TCR的控制角电压和TSC投切指令控制目标为功率因数时ab相电纳参考值＝0.71＞0，需要投入TSC，TSC投切指令置1；TCR电纳参考值＝电纳参考值-TSC电纳＝0.71-0.8＝-0.09；k＝四舍五入法取整(-TCR电纳参考值×100)＝9；TCR控制角ang＝alpha[k]＝alpha[9]＝146.38°；TCR控制角电压 (Vmax＝7.5V，Vmin＝0V)。bc相电纳参考值＝0，不需要投入TSC，TSC投切指令置0；显然，TCR控制角ang＝180°；TCR控制角电压＝0V。ca相电纳参考值＝0.79＞0，需要投入TSC，TSC投切指令置1；TCR电纳参考值＝电纳参考值-TSC电纳＝0.79-0.8＝-0.01；TCR控制角ang＝163.48°；
TCR控制角电压＝1.38V。控制目标为电压时，DSP板各相的输出计算方法和上边相同，不再赘述。
以上各步都是在图2的函数Adintserv()流程图的统一组织下完成的。
以下请见图11～图14，将就补偿装置及其实际补偿效果进行说明。其中图11里的is为负荷的线电流，us为系统线电压，ut为同步信号，也取自系统线电压，uz为TSC主电路晶闸管端电压信号。△表示接法为三相三线制。LEM模块是利用霍尔原理测量电信号的器件，这里使用的是电压LEM模块，可以把电压信号转换为电流信号。
补偿装置的主电路由两部分组成晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)。TCR由一对反并联的晶闸管和电抗器串联组成，控制晶闸管导通的时间可以调节接入系统中的等效电抗。TSC由一对反并联的晶闸管和电容器串联组成，控制晶闸管的导通和关断可以快速的投入或切除电容器。
补偿装置控制器主要由三个部分构成DSP控制板、TCR脉冲发生板和TSC过零触发板。其中DSP控制板根据用户设定的控制目标和系统运行状态确定补偿装置应当输出的TCR控制角信号和TSC的投切指令；TCR脉冲发生板根据控制角信号及同步电压的输入发出经过移相的高频脉冲，控制TCR主电路里晶闸管的导通角度，改变接入系统的等效电抗；TSC过零触发板则根据控制板输出的投切指令产生高频脉冲，触发TSC主电路里的晶闸管，达到投切电容器的目的。
DSP控制板选用北京合众达公司的C32SS型应用板。它的特点是，采用浮点型数字信号处理器TMS320C32作中央处理器(CPU)，承但最主要的运算任务。DSP高速度、高精度的优点是实现本发明算法的保证。DSP控制板上除了CPU外，还具有8路12位A/D转换器，8路开关量输入，8路开关量输出，256kSRAM，键盘及显示接口，RS232和RS485串行通信接口等。板上还具有备看门狗和电源监测电路，增强了控制器的容错功能。其中DSP芯片TMS320C32的工作频率为40MHz，单条指令执行时间为25ns。图12为控制板的硬件原理框图。
TCR脉冲发生板采用3块沈阳信达公司CF2B-2A型单相触发板，作了以下改动1、电源兼同步用的变压器由输入220V或380V输出±20V，改为输入66V输出±20V，接在装置里3000V比100V的互感器的低压边，该互感器用于测量系统的线电压。2、仅使用开环调节的功能，去掉了开环/闭环调节切换开关，将线路接成开环调节状态。
TSC过零触发板为自行设计，已申请发明专利，专利名晶闸管投切电容器(TSC)用的分相过零触发电路。专利申请号01136260.X，其电路原理框图见图14。
TCR脉冲发生板和TSC过零触发板输出电脉冲，送给光发信器，变成光信号；光信号再通过光纤送到光收信器。光收信器把光信号转换为电信号，送给功率脉冲触发板。功率脉冲触发板再把输入的小功率的电脉冲转变为大功率电脉冲，触发晶闸管。光收信器和发信器选用安捷伦公司的产品，型号分别为HFBR2521和HFBR1521。光纤采用英赛尔公司Eus-100型。功率脉冲触发板选用北京金自天正智能控制有限公司的一种通用型晶闸管触发板。
图13是不平衡负荷下(仅bc相有电阻负荷)补偿装置投入前后系统线电流的波形图。表1是补偿装置投入前后系统线电压的有效值。
本方法已用于一套2千伏、240千乏补偿装置。试验表明，它可以快速准确的补偿负荷的不平衡和所需的无功电流，具有响应快、精度高的优点。
权利要求
1.一种补偿动态三相不平衡负荷的方法，含有用补偿装置读取它与系统连接处的线电压、负荷的线电流；用计算三相电信号基波对称分量的方法求出负荷电流的正、负序分量；再根据控制目标的设定值，补偿动态负荷的不平衡，消除不平衡负荷在系统中造成的有害的负序电流，同时对负荷所需要的无功功率进行补偿的步骤。其特征在于，它依次含有如下步骤(1)用补偿装置读取它与系统连接处的三个线电压和负荷的三个线电流，读取用户对控制目标的设定值；(2)把采样读取的结果存入数据区中和当前采样点序号相对应的位置；(3)用函数dataprocu()进行不平衡控制的数据处理，它依次含有如下步骤1)用FIR低通滤波器对采入的系统线电压和负荷线电流信号进行滤波；2)对任何一路信号，由其相邻的两个采样值e1、e2，根据下列公式计算其在第一个采样时刻的相位α和有效值Etgα=e1sinωTs/(e2-e1cosωTs),]]>E=e12+e22-2e1e2cosωTs/2sinωTs,]]>其中，Ts为采样的时间间隔，即采样周期，ω是信号的角频率，在电力系统中正常情况下，ω＝100π；3)对上述求出的各信号的有效值和相位作积分滤波；4)以ab线电压为参考量，根据电压、电流的有效值和相位，得到它们的相量形式E.=E∠α=2E(cosα+jsinα);]]>5)由对称分量法的定义，算出系统线电压和负荷线电流的对称分量E.1E.2E.0=131aa21a2a111E.abE.bcE.ca,]]>I.a1I.a2I.a0=131aa21a2a111I.aI.bI.c,]]>其中a＝ej2/3π， 为系统的三个线电压， 为负荷的三个线电流， 和 分别代表正序、负序和零序分量；6)由负荷线电流的正序分量求得相电流 I.l=I.a1ejπ/6/3,]]>以及有功分量Ip=ReI.l,]]>无功分量Iq=ImI.l.]]>(4)用函数negatb()计算负序补偿器的三相等值电纳，负序补偿器部分的三相电纳由下列各式得到BN,ab(c)E=1/3ReI.a2-ImI.a2,]]>BN,bc(c)E=1/3ReI.a2+ImI.a2,]]>BN,ca(c)E=-2/3ReI.a2;]]>(5)用函数positb()计算正序补偿器三相等值电纳，它与控制目标有关设控制目标为电压则由PI调节器根据用户对电压的设定值和电压实际值的误差，计算补偿装置正序补偿器的三相等值电纳 Bp(c)=Kpe+KiΣe,]]>e=E-Eref,]]>Eref为线电压的设定值，E为线电压的实际值，Kp为比例系数，Ki为积分系数；设控制目标为功率因数则由负序电流的有功分量Ip，无功分量Iq，系统线电压E代入下式得到补偿装置正序补偿器的三相等值电纳 Bp(c)=(Ip·1/λref2-1-Iq)/E,]]>其中λref为用户设定的负荷经过补偿后总的功率因数；(6)补偿装置实际应该输出的每相电纳值，即电纳参考值为正序补偿器等值电纳与负序补偿器等值电纳之和；(7)用函数tcrtsccomu()把各相电纳参考值转换为TCR控制角和TSC投切指令，它依次含有以下步骤1)判别电纳参考值＞0？若是，则TSC投切指令置1，TCR电纳参考值＝电纳参考值-TSC电纳；若否，则TSC投切指令置0，TCR电纳参考值＝电纳参考值；2)k＝四舍五入法取整(-TCR电纳参考值×100)；3)TCR控制角ang＝alpha[k]，alpha[]是保存电纳参考值对应的控制角的数组；4)TCR控制角电压Vang为 其中Vmax为90°控制角对应的电压，Vmin为180°控制角对应的电压；5)输出TCR控制角电压和TSC投切指令；(8)结束，返回。
2.根据权利要求1的补偿动态三相不平衡负荷的方法，其特征在于，所述步骤(7)中建立TCR电纳参考值～控制角对应表的方法依次含有如下步骤(1)把补偿装置TCR的等值电纳输出范围0～-1进行n等分，得到一个n+1点序列B0，B1，…，Bn；(2)将序列中的每一个点Rk，k＝0，…，n，代入下边的公式，用牛顿叠代法求解相应控制角αk的值BR(α)=-2(π-α)+sin2απXR,]]>其中，BR(α)为对基波而言，晶闸管控制的电抗器的等效电纳值，XR为电抗器的基波电抗，并约定电抗器的导纳值为负，电容器的导纳值为正；(3)将α0，α1，…，αn转换成单位为“度”时的值，存入n+1维数组alpha[]中，因为alpha[k]对应的电纳参考值Bk＝-k/n，因此电纳参考值Bk对应的控制角αk在数组alpha[]中的下标k＝-Bk×n。
3.根据权利要求1或2的补偿动态三相不平衡负荷的方法，其特征在于移相触发板移相的精度为1°时，n取值为100。
4.根据补偿动态三相不平衡负荷的方法而提出的补偿装置，其特征在于，它含有依次串接的控制器、光发信器—光收信器—功率脉冲触发电路以及串接于系统三相各线间的主电路；其中控制器由DSP控制板、分别接收DSP控制板输出的TCR脉冲发生板和TSC过零触发板构成；主电路含有由一对反并联的晶闸管和电抗器串联组成的晶闸管控制电抗器(TCR)以及由一对反并联的晶闸管和电容器串联组成的晶闸管投切电容器(TSC)。
5.根据权利要求4的补偿动态三相不平衡负荷的补偿装置，其特征在于所述的TSC过零触发板即晶闸管投切电容器用的分相过零触发控制装置，它由与反并联的晶闸管两端相连的霍尔元件式电压检测电路，输入端与该电压检测电路输出端相连且可以把输入的小电流信号转化为与晶闸管两端的电压同相位的方波电压信号的信号转换电路，与该信号转换电路输出端相连的过零检测信号发生电路，输入端分别与该过零检测信号发生电路的输出端和控制器的投入或切除信号输出端相连的或门电路，和该或门电路输出端相连且其输出的方波电压的占空比可调的延时电路以及输入端与该延时电路输出端相连而输出端与反并联晶闸管各控制端相连的可调频的晶闸管触发脉冲形成电路。
全文摘要
补偿动态三相不平衡负荷的方法及补偿装置属于电力系统不平衡负荷补偿技术领域，其特征在于它仅需在补偿装置与系统连接处采集两个采样点的线电压和负荷线电流的值，便可计算出相应的正弦信号基波对称分量，再由此算出正、负序补偿器的三相等值电纳，它们之和即为补偿负荷不平衡和为负荷提供无功电流所需的三相电纳值，即电纳参考值。再用晶闸管控制电抗器的电纳参考值为三相电纳值与晶闸管投切电容器电纳值之差的方法把三相电纳值转换为晶闸管控制电抗器的控制角信号和晶闸管投切电容器的投切指令，分别发送给晶闸管控制电抗器脉冲发生板和晶闸管投切电容器过零触发板，对主电路的晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器进行控制，它具有响应时间短、精度高的优点。
文档编号H02J3/26GK1450704SQ0210387
公开日2003年10月22日 申请日期2002年4月5日 优先权日2002年4月5日
发明者逯帅, 张海波, 刘秀成, 陈建业, 王赞基, 赵广 申请人:清华大学