基于DSP的磁阀式可控电抗器无用补偿系统研究
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摘要：电网系统中一般采用并联电容器-电抗器组等无源设备进行无功补偿并兼作滤波，但由于负载经常处于变化之中，采用固定容量补偿方式常常不能满足要求。通过分析磁阀式可控电抗器及动态无功补偿装置工作原理，论证了磁阀式可控电抗器在电网系统中无功补偿的优越性和可行性。以DSP和ARM数字处理器为核心，设计了MCR的控制系统，可以对电抗器的感性无功输出进行平滑的调节，从而实现动态无功补偿的目的。
关键词：磁控电抗器；磁阀；无功补偿；DSP
中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0024-02
无功功率对电气设备建立和维持交变磁场起着至关重要的作用。电力系统总体表现为感性，如果负荷中滞后的感性无功功率得不到补偿或由于电容的投切使得补偿的容性无功过多，则电网的功率因数就不能处于合理范围内，所以实现无功功率在电网中的平衡是保证电压质量的基本条件。20世纪80年代中期前苏联学者提出了磁阀式可控电抗器（MCR），通过控制晶闸管的导通时间来得到电路所需的直流电流，从而获得相应的直流偏磁。通过交直流磁场的叠加来控制小面积磁阀段的饱和度，最终达到平滑调节电抗器输出容量（即无功功率）的目的。磁阀式可控电抗器成本较低、结构简单、控制方便、可靠性高，目前已成功应用于中高压电网无功控制电气化铁路动态无功功率补偿系统，高压电机磁控软启动中。本系统采样“ARM+DSP”的双核结构，该结构在相关检测领域早有应用。本研究首先分析磁阀式可控电抗器的电路原理，继而分析整套无功补偿装置的原理，然后对控制系统的相关硬件和软件进行设计，最后进行MCR的运行调试。
1 磁阀式可控电抗器的工作原理
磁阀式可控电抗器（Magnetic Control Reactor，简称MCR）的铁芯采用磁阀结构，通过调节晶闸管的导通时间，控制绕组中的直流电流大小，从而控制小面积磁阀的饱和程度，以此来控制电抗器的感性无功输出。磁控电抗器的原理如图1所示。
在一个工频周期内，晶闸管K1、K2轮流导通。二极管在K1、K2不导通时，起到续流作用，通过改变K1、K2的触发角，可以改变感性电流的输出，对输出的感性无功进行调节，最终对输出的无功进行调节。当α=180°时，晶闸管不导通，电抗器处于空载状态，铁芯不饱和，电抗器磁阻很大，电感值为最大值，无功补偿输出最小；当α为一定角度时，磁阀部分处于饱和状态，此时磁阻最小，电感达到最小值，无功补偿输出最大。因此，可以根据系统负荷的变化，实时调节电抗器的输出容量，保证电网的高功率因数。
2 磁阀式可控电抗器动态无功补偿装置原理
图2为无功补偿系统，磁阀式可控电抗器可直接连接在高压电网上，电抗器采用工作绕组和控制绕组分开的接线形式，工作绕组一般采用三角形连接方式。整个系统由磁控电抗器、固定补偿电容器和滤波装置组成。当电容器组过补，系统处于容性状态时，可增大晶闸管的导通角，增大感性无功输出，抵消过补的容性无功，使系统处于感性的高功率因数状态。当系统处于感性的低功率因数状态，而投电容又过补时，减小晶闸管的导通角，减小感性无功输出，提高系统功率因数。
3 控制系统设计
3.1 控制装置硬件结构
3.1.1 DSP芯片。系统采用的DSP芯片为AD公司的BF506F，该芯片属于Blackfin处理器家族中的BF50x系列，具有4MB可执行闪存以及ENOB为11+的真12位双通道SAR ADC。BF506F的内核时钟频率为400MHz，外设集包括2个三相PWM单元、1个ADC控制模块、2个SPI接口、2个SPORT接口、1个CAN控制器、1个PPI、8个通用计数器以及1个移动存储器接口。
3.1.2 采样模块。一共有9路采样，分别是母线三相电压、母线三相电流和MCR本体三相电流。每一采样电路都经过两级互感器的转换，最后变为电流信号进入DSP，进入DSP之后利用FFT算法进行计算。
3.1.3 触发模块。利用PWM波将触发信号通过光纤发出，改变晶闸管的触发角，从而改变晶闸管的导通时间。
3.1.4 通信模块。DSP有两个串口，一个连接ARM，由ARM控制液晶屏，屏幕显示三相电压、母线电流、MCR本体电流、有功功率、无功功率、功率因数等，便于值班人员监测。另一串行口可根据外部通信协议的需要自行设置，如RS-485、101规约等。
3.1.5 故障保护模块。磁控电抗器本体故障量有温度、压力、瓦斯、过流、过压，当检测到这些信号时，需采取相应措施对电抗器进行保护。
3.2 系统软件设计
软件设计流程图如图4所示。通过对电网的电压、电流进行采样，可以计算出所需补偿的无功大小，再控制晶闸管的触发角，从而达到补偿系统无功的目的。
4 实验波形
5 结语
本研究设计和制作了磁阀式可控电抗器的控制装置，由DSP继续相关电量的采集、处理，通过这些数据采用无功功率调节算法进行计算，最后输出相应的触发脉冲。利用ARM建立简单的人机交互界面，方便用户进行操作。实验结果表明该系统能够有效地对电网系统进行无功补偿。
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汉：武汉水利电力大学出版社，1999.
作者简介：赵建青（1956―），男，广东江门人，广东电网公司江门供电局高级工程师，研究方向：电力系统自动化。