基于TSC的静止无功补偿器设计
摘要
本文提出了以静止无功功率理论为基础的晶闸管投切电容器(TSC)技术，并重点讲述了TSC型无功功率补偿技术的原理和投切时刻。TSC型无功功率补偿装置是静止无功补偿器(SVC)的一种，是低压无功补偿的首选方式，它本身不产生谐波、控制灵活、损耗小、运行维护费用低、可靠性高。同时对无功功率补偿方案进行了设计，本设计中采用低压集中补偿方式，电容器为不等容分组，接线方式运用星形连接，在投切控制方式上，采用电压-无功功率复合控制的策略，避免了投切判定单一带来的投切振荡问题。
本文设计的是晶闸管投切电容器型(TSC)无功功率补偿装置，其硬件设计包括主电路和控制电路的设计，主电路的硬件主要包括：电容器组、双向晶闸管、触发装置、保护电路等。控制电路的硬件主要包括：控制芯片嵌入式STM32、互感器模块、信号前置处理模块、模数转换模块AD536A、显示模块等。除此之外本文还给出了大量的硬件原理图和程序流程图。
关键词：无功功率补偿，晶闸管投切电容器，嵌入式STM32
Abstract
In this Paper,reactive power compensation are firstly introduced including the purpose and signification of the research,the principle of modern reactive compensation technology and comparison of different compensation equipment.the author,in the chapter 2,focuses on the principle and switched time of the Thyristor switched capacitor which(TSC)is a static var compensator based on the theory of the instantaneous reactive power with no harmonic generation,flexibly control,low loss and reasonable cost.The design of TSC system is also given in the chapter 2,including cacentralized compensation,unequal capacity grouping and Y connection.The voltage-reactive power multiplexed control mode avoids the Switch oscillationproblem due to single criterion of switching.
This design is based thyristor switched capacitor (TSC) reactive powercompensation device, the hardware design, including the main circuit and controlcircuit design, the main circuit of the hardware include: capacitor, Triac, triggering device, protection circuit. The hardware controlcircuit includes: controlchipmicrocontroller Embedded STM32, transformer
module,signal pre-processing module,analog-digital conversion module AD536A, display module. In addition this also gives a lot of hardware schematics and program flow chart.
Keywords: reactive compensation technology, Thyristor switched capacitor, Embedded STM32
1主电路结构的设计
本课题设计的TSC型无功功率补偿装置，其主电路的结构包括控空气开关、避雷针、双向晶闸管、三相电容器、熔断器、可控开关、触发装置和串联电抗器等，主电路如图1.1所示。
图1.1 TSC主电路结构图
将A、B、C三相中的电流、电压进行采样，得到的采样信号送入控制器，控制器对采样信号进行计算、分析、处理，计算出系统所需要的无功功率，再通过之前确定的控制策略来判定是需要投入(切除)的电容器组数。将投切信号发送给触发装置，触发晶闸管导通或者关断来控制电容器组的投切。以下对主要元件进行功能的介绍：
(1)控制器，主要进行电参数的计算和电容器投切的判断，通过触发晶闸管开关，投切电容器组，其功能的实现将在后面进行详述。
(2)空气开关，又称空气断路器，是整个设计装置的总开关，主要作用是分配电能和保护线路和设备的过载、短路、过电压、欠电压等。
reactivepower
(3)避雷针，主要功能是保护整个装置，防止因雷击过电压而损坏。
(4)电容器，采用低压并联电容器，运用星形连接实现对系统的动态分相补偿。
(5)熔断器，同样是起保护作用，防止整个装置因过电流而损坏。
(6)双向晶闸管，可以认为是一对反并联的晶闸管的集成，有两个主电极和一个门极，门极使器件在主电极的正反两个方向均可触发导通。
(7)触发装置，它将控制器输出的投切信号转化为高频脉冲信号来控制晶闸管的导通与关断。
(8)串联电抗器，抑制电容器的投切涌流，使电容器正常运行。
1.1电容器
本论文根据实际需求，负载容量PC=134kW，对应的平均负载率为0.7。补偿前的功率因数为0.4，补偿后的功率因数为1。由式(2.28)可以确定总的补偿容量QC为：
根据GB50227-2008的规定，单台电容器额定容量选择，应根据电容器组容量和每相电容器的串联段数和并联台数确定，宜在电容器产品额定容量系列的优先值中选取。由于电容器采用星形联结，单相的无功补偿容量为15kvar，每相的电容器组采用8421原则，则四组电容器的补偿容量为8kvar，4kvar，2kvar，1kvar。根据GB50227-2008的规定，电容器额定电压
选择，应符合下列要求：
(1)宜按电容器接入电网处的运动电压进行计算；
(2)电容器应能承受1.1倍长期工频过电压；
(3)应计入串联电抗器引起的电容器运行电压升高。
接入串联电抗器后，电容器运行电压应按下式计算：
式中UC——电容器运行的电压；
US——并联电容器装置的母线运行电压；
S——电容器组每相的串联段数；
K——电抗率。
电容器选择为250V系列BSMJWX自愈式电压并联电力电容器，适用于工频50Hz或60Hz交流低压电力系统。表1.1所示为电力电容器的参数表，其真实反映了电容器的型号、额定电压、额定电容以及规格。
表1.1电力电容器参数
1.2双向晶闸管
双向晶闸管（Triode AC Switch，TRIAC）是一个三端器件，它有两个主电极T1、T2和一个门极G，触发信号加在T2极和门极G之间，它在正反两个方向的触发电流作用下均可用同一门极控制触发导通。双向晶闸管在结构上可以看作是一对普通逆阻型晶闸管的反并联。双向晶闸管在门极G和主电路T2之间送入正触发脉冲电流（该电流从G流入，从T2流出）或负脉
冲电流（从T2流入，从G流出）均能使双向晶闸管导通。根据T1、T2间电压极性的不同以及门极信号极性的不同，双向晶闸管有四种触发开通方式：
(1)主电极T1相对于T2电位为正的情况下，门极G和T2之间加正触发脉冲电流，这时双向晶闸管导通工作在第Ⅰ象限。
(2)主电极T1相对于T2电位为正的情况下，门极G和T2之间加负触发脉冲电流，电流由T2流入，从G流出，这时双向晶闸管导通，也工作在第Ⅰ象限。
(3)主电极T2相对于T1电位为正的情况下，门极G和T2之间加正触发脉冲电流，这时双向晶闸管导通工作在第Ⅲ象限。
(4)主电极T2相对于T1电位为正的情况下，门极G和T2之间加负触发脉冲电流，电流由T2流入，从G流出，这时双向晶闸管导通工作在第Ⅲ象限。
双向晶闸管一旦导通，即使失去触发电压，也能继续维持导通状态。当主电极T1、T2电流减小至维持电流以下或T1、T2间电压改变极性，且无触发电压时，双向晶闸管阻断，只有重新施加触发电压，才能再次导通。双向晶闸管多被用在交流电路中，正、负半波都工作，其额
定电流或额定通态电流不是像二极管和晶闸管那样按正弦半波电流平均值定义，而是用有效值定义的，即额定值为100A的双向晶闸管只能通过100A的有效值电流。而额定电流为100A的二极管、逆阻晶闸管则可通过157A的有效值电流。根据实际需要，单相电容器组的补偿容量分别为8kvar、4kvar、2kvar与1kvar。其对应的补偿电流为：