基于TMS320F2812低压滤波补偿器的研究.doc

毕业设计说明书基于TMS320F2812低压滤波补偿器的研究学生姓名： 学号 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015 年 06 月中北大学2015届毕业设计说明书基于TMS320F2812低压滤波补偿器的研究 摘要本文首先分析了电网谐波的产生、放大以及危害，对各类谐波源做了相关的实际调查。其次，本文介绍了有源滤波和无源滤波两类滤波补偿装置，并分析了这两类补偿装置的优缺点。在我国目前条件下，无源滤波补偿装置是用户容易接受，有推广前景的产品。本文参考了国内外无源滤波补偿技术方面的大量文献，分析了这些低压滤波补偿装置存在的问题，通过合理的设计方法，研制了采用最优控制模型的新型滤波补偿控制器，并给出了基于DSP2812的滤波补偿控制器的硬件设计整体方案。本文还介绍了可对滤波补偿支路进行快速通断控制的无功功率调节器，及其晶闸管触发驱动电路，该电路配合控制器的控制指令，能实现快速，准确的滤波补偿。经运行测试证明，研制的各次滤波通道多支路的智能化全数字低压滤波补偿装置投入运行后可有效抑制谐波畸变，消除电网污染，提高功率因数，保障生产设备正常运行，使供电质量达到国家标准。关键词：谐波；无功补偿；数字滤波Abstract Firstly,the formAtion,enlargement and harm of power grid harmonic are analyzed in this papen Related inVestigations on all types of harmonic sources are done. Secondly,two types of compensation deVices of actiVe filter and passiVe filter are introduced and their ADVantages and disADVantages are analyzed.In Chinas current conditions,the passiVe filter deVice is an acceptable and promising deVice 0n the basis of a large number of documents of foreign and domestic passiVe fliter compensation technology,the existing problems of these low-Voltage filmr compensation deVice are analyzed.Through rational method,a new filter compensation controller ADopting optimAl control model is deVeloped and a hardware design scheme of filter compensation controller based on the structure of DSP2812 is giVen.The reactiVe power compensation ADjuster is introduced which could fleetly switch and control the filtering compensation slip.The SCR trigger driVe circuit is intlroduced whichcould work with the control orders of the controller to achieVe rapid,accurate filter compensation.It is proVed by the running test that the operation of Intelligentized Full Digital Low-Voltage Filter Compensation DeVice can effectiVely restrain harnlonic distortion,eliminate power grid pollution,improVe power factor,guarantee normAll operation of the production equipment,and mAke the power supply qual ity meet the national standardsKEY WORDS：Harmonic，ReactiVe Compensation，Digital Filter 目录1 引言11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.3 本文内容概述22 谐波源分析321谐波的引起322谐波的放大423谐波的危害42.3.1对配电系统的危害42.3.2对电力设备的危害53 滤波补偿装置的设计831两类滤波装置介绍832 LC滤波器9321 LC滤波器的几种结构和基本原理93212高通滤波器103.2.1.3双调谐滤波器113.2.2 LC滤波器设计准则113.3 晶闸管控制电抗器(TCR)133.3.1 TCR的基本工作原理133.3.2 TCR主要接线方式和配置类型143.3.3 TCR的控制系统143.4 晶闸管投切滤波器（TSF)153.4.1 TSF的基本工作原理153.4.2 TSF投入时刻选择163.4.3 TSF的控制基础和主要接线形式173.5 TCR-TSF型滤波补偿装置173.5.1 TCR-TSF型滤波补偿装置的结构173.5.2 TCR-TSF型滤波补偿装置的工作原理18第 页 共 页3.5.3 TCR-TSF型滤波补偿装置基本控制原理194 控制系统的硬件设计204.1 TCR-TSF型滤波补偿装置组成及控制系统204.2 硬件设计224.2.1 TMS320F2812概述224.2.2 模拟信号采集电路234.2.3 同步信号检测电路264.2.4 AD转换电路274.2.5 TCR脉冲发生板硬件设计274.2.6 TSF过零触发电路294.2.7 系统电源电路设计304.2.8装置的保护及实现315 控制系统的软件设计325.1 主程序325.2 TSF投切335.3 TCR控制345.4 信号采样模块356. 结论37附录38参考文献39致谢41第 页 共 页1 引言1.1 研究背景及意义随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加。各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源等大规模地应用，其负面效应也日益明显。电力电子装置的开关动作向电网中注入了大量的谐波和次谐波分量，导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真，从而替代了传统的变压器等铁磁材料的非线性引起的谐波，成为主要的谐波源。随着办公自动化和家用电器的日益普及，民用和商业用电在城市用电中的比例日益增大，其中计算机、电视机、洗衣机、收录机、电冰箱和电扇等家用电器虽然单台电器的谐波电流不大，由于数量极其庞大，并且工作同时性强(比如每天19：0021：00的电视黄金时段大量电视机同时工作)，所以其逐渐成为配电网谐波污染的主要来源。电网质量的下降严重影响着供、用电设备的安全经济运行，降低了人民的生活质量。世界各国已经十分重视电能质量的管理。谐波治理是电能质量问题的核心内容之一，也是现代电力生产发展的迫切需求1。1.2 国内外研究现状传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以发出不同大小的容性和感性无功功率。然而，由于它是旋转电机，因而损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。所以，70年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功功率补偿装置所取代。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器型的。1967年，英国GEC公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。此后，各国厂商纷纷推出各自的产品；但由于其铁芯需磁化饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流2。电力电子技术的应用的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院(Electric Power Research Institute)的支持下，西屋电气公司(Westinghouse Electric Corp)制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近10多年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定的增长，己占据了静止无功补偿装置的主导地位。它包括：晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)，以及这两者的混合装置(TCR+TSC)，或者晶闸管控制电抗器与固定电容器(FC)或机械投切电容器(MSC)混合使用的装置(如TCR+FC、TCR+MSC等)。1.3 本文内容概述 本文参考了国内外无源滤波补偿技术方面的大量文献，分析了这些低压滤波补偿装置存在的问题，通过合理的设计方法，研制了采用最优控制模型的新型滤波补偿控制器，并给出了基于DSP的滤波补偿控制器的硬件设计整体方案。完成了控制器的电压和电流采集电路、信号调理电路、AD采样电路以及DSP外围电路设计和调试，完成了TCR脉冲传送电路、TSF过零触发电路的设计。在硬件的基础上完成了控制器的采样、投切、控制等程序模块的设计。2 谐波源分析21谐波的引起 电网谐波主要来自于发电源质量不高产生谐波，输配电系统产生谐波，用电设备产生谐波3。其中用电设备产生谐波最多，下面一些用电设备都能产生谐波。 (1)晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下的部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉冲整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，还含有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40，这是最大的谐波源。 (2)变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成分很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。(3)电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是27次的谐波，平均可达基波的8-20，最大可达45。(4)气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。 (5)家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较高的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。 随着我国改革开放的深入，经济建设的高速发展和人民生活水平的日益改善，我国电力网即将开始面临前所未有的谐波局面。 国外发达国家的经验和预测均己证明这一点，例如美国IEEE学会就认为，伴随着当代一项最重要的科技进步，即电力电子技术的发展，作为非线性用电负荷的敏感电子器件已经大量涌现，其负荷在90年代中后期的美国上升到1992年的45倍。而日本电气协同研究会的电力系统高次谐波对策委员会论述，日本重要谐波源依次是电力换流器(占谐波源总数的66)、家用电器(占谐波源总数的23)和大型电弧炉，到2000年，日本谐波电流和电力系统容量的比例上升到1990年的2倍左右4。22谐波的放大为了补偿负载的无功功率，提高功率因数，我们常在负载处装有并联电容器。为了提高系统的电压水平，常在变电所安装并联电容器。此外，为了滤除谐波，也会装设由电容器和电感器组成的滤波器。在工频频率下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得很多，不会产生谐振。但对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振。这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常会使电容器和电抗器烧毁。在由谐波引起的事故中，这类事故占有很高的比例。文献1指出，由于谐波而损坏的电气设各中，电容器约占40，其串联电抗器约占30。日本一篇报告中指出，电容器和与之串联的电抗器的烧毁在谐波引起的事故中约占755。23谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该具有单一固定的频率，以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行了一些研究和共识，但那时谐波污染还不够严重，没有引起足够的重视6。近三四十年来，各类电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们的高度的关注。谐波电流、谐波电压对电力系统的影响及危害，概括起来，大致可以有以下几个方面：2.3.1对配电系统的危害 (1)影响线路的稳定运行 供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器在谐波影响下不能全面有效地起保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。 (2)影响电网的质量 电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，可达40。三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。2.3.2对电力设备的危害 (1)对电力电容器的危害 当电网存在谐波时，通入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加的更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍；对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍，但如果谐波含量过高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网谐波加剧，即产生谐波扩大现象。谐波的存在往往使电压呈现尖项波形，尖项电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10，电容器的寿命就要缩短1/2左右。在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。 (2)对电力变压器的危害 谐波使变压器的铜损增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁损增大，这主要表现在铁芯中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗增加，要减少变压器的实际使用量，或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁芯的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在lkHz左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。 (3)对电力电缆的危害 由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统的母线侧及线路的感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。 (4)对用电设备的危害 谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。 对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热，使额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都有可能因谐波产生误动作。 对漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接触器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对热继电器来说，因受谐波电流的影响，也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。 (5)对弱电系统设备的干扰 对计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。 (6)影响电力测量的准确性 目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表(多采用感应型)，当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。 (7)谐波对人体有影响从人的生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。3 滤波补偿装置的设计31两类滤波装置介绍 滤波补偿装置按机理可分为两大类：一类是有源滤波，另一类是无源滤波7。有源滤波是对谐波在时域上进行处理的方法，实际上它是一个谐波发生器，产生的波形可以与非线性负荷谐波波形(ie-ie1)相同，图3.1即有源滤波装置工作示意图。图3.1 有源滤波装置工作示意图电源电流为 （3-1） 即电源电流只含非线性负荷的基波电流。此情况有源滤波装置只做滤波使用。 有源滤波装置产生的波形也可以与非线性负荷电流去除其基波有功分量后的波形相同，图3.2为有源滤波补偿装置工作示意图。电源电流为 （3-2） 即电源电流只含非线性负荷的基波有功电流。此时有源滤波装置既能滤波又能起到无功补偿作用。 图3.2 有源滤波补偿装置工作示意图 有源滤波装置响应速度快，对电网参数变化不敏感，理论上可以滤除任何次的谐波，滤波效果好。其性能是无源滤波装置无法比拟的。但是有源滤波装置成本高，结构复杂，受电力电子器件开关频率的影响，还不能实现对较高次谐波(11次谐波)以上有效补偿，且单机容量还不能做的很大(日本单机电流做到几百安培)，而这些问题的解决具有相当大的难度。在我国现实情况下，大量推广使用有源滤波装置还有很大的困难8。 无源滤波装置是根据非线性负荷的谐波情况，由并联电容器，电抗器和电阻器经适当的参数组合而成若干滤波支路与谐波源并联运行，这些支路在谐波情况下，分别呈现很低的阻抗，将谐波电流短路，对工频而言则均为容性阻抗，起无功功率补偿作用，无源滤波实际上是对谐波在频域上进行处理的一种方法。无源滤波补偿装置最大的缺点是对电网参数变化十分敏感，对滤波支路以外次数的谐波滤除作用很小，但由于结构简单，容易实现，容量可以很大，成本低廉，况且目前大部分谐波以特征谐波为主，所以在我国目前条件下，无源滤波补偿装置是用户容易接受，有推广前景的产品9。本文正是基于这种理念，本着经济性，有效性和可靠性的原则，设计出用得起，效果好的滤波补偿装置。32 LC滤波器321 LC滤波器的几种结构和基本原理 LC滤波器也就是无源滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要10。LC滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等几种，实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。3211单调谐滤波器图3.3为单调谐滤波器原理图。滤波器对h次谐波（)的阻抗为 （3-3）式中，表示次单调谐滤波器。单调谐滤波器是根据L、C谐振原理构成的，谐波次数为 (3-4)在谐振点（)处，因很小，h次谐波电流主要由分流，很少流入电网中。而对于其他次数的谐波。，滤波器分流很少。因此，简单地说，只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将大部分流入滤波器，从而起到了滤除该次谐波的目的。 图3.3 单调谐波器原理图3212高通滤波器 高通滤波器也称为减幅滤波器,图3.4为四种典型形式的高通滤波器电路结构，分别为：一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和C型高通滤波器四种。 (1)一阶高通滤波器，需要的电容太大，基波损耗也太大，因此一般不采用。 (2)二阶高通滤波器的滤波性能最好，但与三阶相比，其基波损耗较高。 (3)三阶高通滤波器比二阶的多了一个电容C2，C2的容量与C1相比很小，它提高了滤波器对基波的阻抗，从而大大减少基波损耗，这是三阶高通滤波器的主要优点。(4)C型高通滤波器的性能介于二阶和三阶的之间。C2与L调谐在基波频率上，故可大大减少基波损耗。其缺点是对基波频率失频和元件参数漂移比较敏感。 图3.4 四种典型形式的高通滤波器电路结构 以上四种高通滤波器中，最常用的还是二阶高通滤波器，C型高通滤波器也有较好的推广应用价值。本文选择二阶高通滤波器进行讨论设计。 二阶高通滤波器阻抗为 （3-5） 随着频率变化发生变化，并且在高于某一频率的频带范围内呈现为低阻抗，形成对较高次谐波的低阻抗通路，使得这些谐波电流大部分流入高通滤波器；同时在较低频率的频带范围内呈现很高阻抗，使得基波电流不会被滤波器分流。3.2.1.3双调谐滤波器 除上述单调谐滤波器和高通滤波器外，在一些工程中还用到了双调谐滤波器11。图3-5为双调谐滤波器电路，它有两个谐振频率，同时吸收这两个频率的谐波，其作用等效于并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比，其基波损耗较小，且只有一个电感L1承受全部冲击电压。正常运行时，串联电路的基波阻抗远大于并联电路的基波阻抗，所以并联电路所承受的工频电压比串联电路的低得多。另外，并联电路中的电容C2容量一般较小，基本上只通过谐波无功容量12。由于双调谐滤波器投资较少，近年来在国内外一些高压直流输电工程中有所应用。但由于其结构比较复杂，调谐困难，故应用还较少。本设计并不采用此方式滤波。3.2.2 LC滤波器设计准则 设置LC滤波器的主要目的是为了抑制电网中的谐波。为保证电能质量，许多国家的谐波标准以及国际谐波标准都对谐波源向系统注入点处的谐波电压、电流限制值作出了具体的规定。在设计LC滤波器时，首先应该满足负载水平下对谐波限制的技术要求，然后再使滤波器在经济上最为合理，其中包括：各次谐波电压含有率HRUh、电压总谐波畸变率THDu、注入电网的各次谐波电流大小等。 如需考虑谐波对通信系统的干扰，则滤波性能还应满足电话谐波波形系数THFF或电话干扰系数TIF指标的规定要求。 由于滤波装置是由各种不同形式的滤波器组和而成的，结构并非唯一，在满足前述技术要求的前提下，可有多种不同的滤波装置方案。在工程上，往往选择最经济的方案，为此需要对不同的方案做经济分析13。 除以上技术要求和经济分析外，设计滤波装置还应考虑： (1)单调谐滤波器的谐振频率会因电容，电感参数的偏差或变化而改变，电网频率会有一定波动，这将导致滤波器失谐。设计时应保证在正常失谐的情况下滤波装置仍能满足各项技术要求。 (2)电网阻抗变化会对滤波装置尤其是其中的单调谐滤波器的滤波效果有较大影响，更为严重的是，电网阻抗与滤波装置有发生并联谐振的可能，设计时必须予以考虑。 根据以上准则，提出设计滤波装置的设计一般步骤如下： (1)准备设计的原始数据 i设计前必须对电力系统的运行进行谐波分析，求出系统中谐波源向电力系统注入的各次谐波电流； ii对电力系统做谐波阻抗分析； iii确定电力系统频率的最大正负偏差量； iV按国家标准的规定，确定各次谐波电流、各次谐波电压含量及电压总畸变率的极限值； V确定滤波装置应提供的无功补偿容量大小； Vi确定电力系统中的背景谐波。滤波装置往往是为了特定谐波源设置的，但系统中可能存在其他谐波源，他们产生的谐波电流也会流入谐波装置，从而增加滤波装置的负担，若不考虑这些谐波，则滤波装置较易发生过载。如缺乏准确的资料，也应做粗略估计。 (2)确定滤波装置的构成 滤波装置的构成主要是指由几组单调滤波器构成，是否装设高通滤波器，其截止频率如何选取，以及采用何种方式满足无功补偿的要求。 单调滤波器主要用于滤除谐波源中的主要特征谐波。若谐波源为整流装置，一般只需设置滤除奇次谐波的滤波器。只对几个特征谐波进行单调滤波器设计滤除，然后再设计一组高通滤波器将截止频率选在较高次即可。 (3)滤波装置中各滤波器参数的初步设计 初步确定各单调谐滤波器、高通滤波器中各元器件参数、容量等。具体设计方法由下文介绍。 (4)滤波装置的最后确定 单独设计好各个滤波器后，应对以下方面进行进一步的计算和校核： i计算滤波器之间的相互影响。滤波器之间的相互影响甚至会超过系统谐波阻抗对滤波器的影响。在滤波装置初步确定之后，可对每个滤波器重新设计，设计每个滤波器时将系统谐波阻抗与其他滤波器的阻抗作为设计时总的系统谐波阻抗。 由各滤波器的基波无功容量和系统运行所需的无功补偿要求，确定并联补偿电容器的容量。 考虑并联电容器的影响，进一步修正滤波器参数。以上过程一般经过3-4个循环即可达到工程设计要求； ii校核滤波装置是否满足谐波抑制的要求及对通信系统干扰的要求。若不满足要求，应修正相应滤波器参数，直至满足要求，便可确定滤波装置最终参数； iii滤波装置参数确定后，应对系统进行谐波潮流计算，若出现低次非特征谐波情况下有谐振现象，则应考虑装设3次滤波器；iV对不同方案进行经济分析，按年费用最小作最佳选择，最终确定方案。3.3 晶闸管控制电抗器(TCR)3.3.1 TCR的基本工作原理TCR的基本原理如图3.5所示。其单相基本结构就是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，而三相多采用三角形连接14。这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路结构。图3.5 TCR单相电路图 由分析可知，触发延迟角的有效移相范围为9018015。其位移因数始终为0，也就是说，基波电流都是无功电流。=90时，晶闸管完全导通，导通角=180，与晶闸管串联的电抗相当于直接接到电网上，这时其吸收的基波电流和无功功率最大。当触发延迟角在90180之间时，晶闸管为部分区间导通，导通角180。增大触发延迟角的效果就是减小电流中的基波分量，相当于增大补偿器的等效阻抗，或者说减小其等效电纳，因而减少了其吸收的无功功率。3.3.2 TCR主要接线方式和配置类型三相的TCR接线通常采用三角形联结。这样的电路并联到电网上，就相当于三相交流调功电路16。由于采用三角形联结，故线电流中将不会存在3次及3的倍数次谐波。在实际工程中还常常将每一相的电抗分别接在晶闸管对的两端。这样可以使晶闸管在电抗器损坏时能得到额外的保护。图3.6 TCR+电容器电路图 由于TCR只能吸收感性无功功率，因此，在实际工程往往配以电容器并联使用，如图3.6所示。这样的话，装置既可以吸收感性无功功率，也可以吸收容性无功功率，此外，为防止电容器投切所带来的冲击电流，需在电容器支路串联小的电抗器，适当配合电容器支路的电容电抗器即可为TCR支路产生的谐波电流提供通路。3.3.3 TCR的控制系统 TCR的控制系统应能检测系统的有关变量，并能根据检测过来的信号及系统设定的参考输入值，产生相应的晶闸管触发延迟角，以调整补偿器吸收的无功功率17。因此，其控制系统主要包含以下几个模块： (1)检测电路：检测控制系统所需的系统变量及补偿器变量，如系统电压，流过传输线或是补偿器本身的无功功率或者是流过传输线的有功功率等。 (2)控制电路：为达到更好的稳态及动态性能，对检测过来的信号进行分析处理，通过采样过来的电压和电流信号计算系统有功，无功，功率因数等。由系统设定参考值决定晶闸管的触发角。(3)触发电路：根据控制电路输出的控制信号产生具有一定触发延迟角的触发脉冲，触发电路含对电网交流信号的同步变换电路，脉冲信号的隔离放大电路等。 检测电路要检测哪些量，这是由补偿器的功能所决定的。控制策略分开环和闭环控制两大类。开环控制的优点是相应速度快，控制电路较为简单，它适用于需要负载补偿的场合，尤其在减少电压闪烁方面有成功的应用。而闭环控制的优点是精度高，对于输电或配电系统补偿，特别是那些离负载和电源都较远的输电线路的中间点，更适合采用闭环控制。无论是哪种控制方式，控制电路输出的控制信号一般都为期望补偿器所具有的等效电纳，也就是补偿器等效电纳参考值。3.4 晶闸管投切滤波器（TSF)3.4.1 TSF的基本工作原理 晶闸管投切滤波器TSF是属于无源LC滤波器的一种，是TSC的一种特殊情况。TSF的单相电路结构如图3.7所示。图3.7 TSF单相电路图 TSF与TSC相似工作原理，其区别在于前者是晶闸管投切滤波支路，投切顺序是先投后切;后者是晶闸管投切电容器组，投切顺序可以循环投切18。TSF的工作原理:首先，对其一相中的一只晶闸管发触发脉冲，使其对支路中的滤波电容器预先充电，滤波电容器的端电压应达到峰值。当准备把滤波支路导通时，各相电网的线电压达到峰值时，此时另外一只晶闸管的端电压为零时，发出触发脉冲使该晶闸管导通，TSF滤波支路投入电网中从而开始工作。为了使TSF无冲击电流的投切，也减小系统电压的波动，通常TSF都采用过零电压、过零电流的触发技术。3.4.2 TSF投入时刻选择 滤波支路的投切时刻是TSF技术的关键。如果TSF支路投切时刻不恰当，TSF支路可能会出现比较大的冲击电流和过电压19。TSF支路投入的原则是:TSF支路投入时，即晶闸管的导通时刻，必须是电网电压与预先充电的滤波电容器电压相等的时刻。根据滤波电容器的特点，在其两端的电压有阶跃变化时，将产生很大的冲击电流，可能损外坏晶闸管或给供电电源带来振荡等影响。因此，希望滤波电容器预先充电电压到电源电压峰值，也将晶闸管的触发相位固定在电源电压的峰值点时刻。图3.8 TSF工作原理图TSF工作原理电路如3.8图所示。冲击电流的大小通过理论推导分析，用拉氏变换表示的电压方程为 （3-6）式中，为滤波电容器上的初使电压。设以晶闸管第一次被触发的时刻作为计算时间的起点，对应的电压波形中的角度是。经过简单的变换处理及逆变换后可以得到滤波电容器上的瞬时电流为 （3-7）式中，为电路自然频率，给出；为滤波电容器的基波导纳；。3.4.3 TSF的控制基础和主要接线形式 1、晶闸管投切滤波器的控制基础 晶闸管投切滤波器TSF的控制电路部分主要功能是决定滤波支路投入或切除，同时避免出现滤波支路的投切振荡。 2、晶闸管投切滤波器的主要接线形式 晶闸管投切滤波器TSF有星形有中线接法、星形无中线接法和三角形接法等三种接线方式。 星形有中线的接法，其晶闸管电压定额低、可以分相投切，但晶闸管额定电流高。星形无中线接法，可以抑制三倍次谐波电流，但有两相电容才能形成回路，且不能分相控制。三角形接法也可以抑制三倍次谐波电流，但晶闸管额定电压高。3.5 TCR-TSF型滤波补偿装置 通常TCR-FC，TSF装置也可以解决冶金行业中冲击性负荷的电能质量问题。这些装置也都有一些缺点，TSF不能平滑的调节无功容量，输出有级无功容量；而TCR-FC中TCR容量装置成本高，本身产生谐波电流，装置损耗大。因而，可以考虑TCR与TSF混合使用的装置一TCR-TSF型滤波补偿装置，能够克服各自的缺点，且充分发挥双重优点，TCR-TSF型滤波装置能够解决电压波动，有很好的谐波抑制能力，也能补偿大量无功功率20。3.5.1 TCR-TSF型滤波补偿装置的结构图3.9为TCR-TSF型滤波补偿装置的结构图，其结构由有几组TSF支路及一组TCR支路组成。 图3.9 TCR-TSF型滤波补偿装置结构图TCR-TSF型滤波补偿装装置能够节能，装在低压侧供电系统，成本低。3.5.2 TCR-TSF型滤波补偿装置的工作原理 TCR-TSF型滤波补偿装置的基本工作原理:根据供电系统的无功量，决定需要补偿几组滤波支路TSF，然后再用TCR支路补偿供电系统的容性无功21。当TSF支路全部投入时，TCR支路没有输出无功功率时，滤波补偿装置输出额定无功容量即最大无功;当仅有TCR支路投入时，滤波补偿装置装置发出最大感性无功容量。 TCR控制器根据电网电压u、电流i来综合计算给出控制触发角延迟角，用来改变相控电抗器中L的电流，从而实现平滑调节无功功率的目的。通常为90-180。TCR的晶闸管导通角为2()，无功功率的计算公式如下: （3-8）式中为相控电抗的基波感抗，为供电系统的线电压。为了使TSF无冲击电流的投切，也减小系统用电电压的波动，通常TSF都采用过零电压、过零电流的触发技术。另外TSF支路考虑晶闸管的额定电流值，通常用两只反并联晶闸管三角形连接。3.5.3 TCR-TSF型滤波补偿装置基本控制原理 图3.10为TCR-TSF型滤波补偿装置控制原理框图，总体上实现3个功能: (1)根据检测的系统变量，计算出首先几组TSF支路需要投入，并计算系统无功功率。投切顺序是首先投入TSF1，然后依次投入TSF2, TSF3.TSFn。切除时顺序相反，首先切TSFn，然后依次TSF(n-1)、 TSF(n-2).TSF1。 (2) TSF投入时暂态过渡过程要最小。(3) 通过改变控制触发延迟角，实现动态调节TCR的输出无功功率，使用户的功率因数能够保持在较高的水平。 TSFn投切指令 TSF2投切指令计算TSF、TCR支路电流，确定投入支路 TSF晶闸管TSF1投切控制TCR晶闸管TCR触发延迟角控制 图3.10 TCR-TSF型滤波补偿装置控制原理框图4 控制系统的硬件设计4.1 TCR-TSF型滤波补偿装置组成及控制系统 1. TCR-TSF型滤波补偿装置的主电路 TCR-TSF型滤波补偿装置的主电路由TSF和TCR组成，如图4.1所示。 根据用户负荷的谐波特性，TSF通常由3, 5, 7, 11次滤波支路组或相同次数的几组滤波支路组成。在滤设计波支路时，除了考虑负荷的谐波电流、无功补偿外，还需要考虑TCR晶闸管触发产生的谐波电流。 TCR的容量稍大于TSF支路的容量，使装置能够实现平滑调节无功功率。 2. TCR-TSF型滤波补偿装置控制系统TCR-TSF型滤波补偿装置控制系统包括控制器和保护部分。 图4.1 TCR-TSF型滤波补偿装置主电路及控制系统图1、 TCR-TSF型滤波补偿装置控制器控制器如图4.1中虚线所示。控制器的功能:检测系统的变量包括供电系统的电压、电流和频率)，计算系统的瞬时无功功率；TSF支路投切的判断，并发出控制信号和指令；根据计算的无功功率，进行TCR支路中晶闸管控制角的运算和控制；滤波补偿装置和触发脉冲的保护22。控制器主要由检测电路、控制电路和触发电路等三部分组成。(1) 检测电路:检测电路可以检测控制所需的系统变量和装置变量电流、频率、无功功率等参数。电压、电流等模拟信号首先通过电压/电流互感器转换为电压信号，然后经过调理等再输送到AD采样。(2) 控制电路：对给定信号和检测信号进行处理，获得控制指令信号。主要由微处理器根据检测的系统变量进行信号处理工作(包括系统电压，电流有效值的计算、系统有功及无功功率的计算、TSF投切信号的判断和发出触发信号、TCR触发角度的计算及发出触发信号)。(3) 触发电路:触发电路主要功能是把触发信号从弱信号经功率放大、整形后产生能触发TCR、TSF晶闸管的脉冲。控制器的方案确定:根据控制器的功能和电路，控制器要实现实时快速信号的检测和处理、瞬时功率的计算、TCR触发控制角度的计算、触发和TSF触发等。因此，控制器需要的微处理器具有快速性、实时性和准确性，同时需要完成瞬时功率和控制算法的计算，还需要能产生晶闸管触发同步信号。一般的单片机不易实现。而DSP(TMS320F2812)本身有数字信号处理运算速度快、精度高的特点，并能够保证实时的信号处理的，准确率很高，芯片本身带有脉冲宽度调制(PWM)通道，符合控制器的需求。因而，方案采用DSP(TMS320F2812)做为控制器的微处理器，实现实时快速信号的检测和处理，实现控制算法的计算，TSF投切指令、TCR的触发延迟角的计算，并产生给TCR和TSF的触发脉冲信号，同时送至TCR、TSF各自独立的触发板。2、 装置保护部分为了保障TCR-TSF型滤波补偿装置能够安全投入运行，而且一旦系统出现故障，不会损坏装置，或者装置出现故障，不会对系统造成破坏性影响。实现方法：控制器根据测得的电压、电流等信号来判断是否有故障，并实施相应的处理;装置采用传统的继电保护。4.2 硬件设计4.2.1 TMS320F2812概述 DSP器件是一种非常适合进行数字信号处理运算的微处理器，它特别适用于高密度，重复运算及大数据流量的信号处理中。DSP微处理器在功能上作了扩充和增强，内部集成了很多外设。芯片采用了修正的哈佛结构，使得过去8位机及部分16位机在几个周期才能完成的工作在一两个周期内就能完成，加上先进的数据流处理和多级流水线处理，DSP芯片的性能更是在数字信号处理和快速控制领域独占鳌头。DSP芯片具有数据处理快、有良好的实时可编程能力、软硬件接口灵活开放、升级方便等特点，成为实时可编程信号处理系统的主流。 TMS320F2812是TI公司生产的高性