滤波器装置中晶闸管快速投切的设计与实现

刘洪高，马 琪，高 军

(1.杭州电子科技大学微电子CAD所，浙江杭州310018;

2.杭州国家集成电路设计产业化基地有限公司，浙江杭州310053)

0 引言

在低压供电系统中，为了保证在快速投切电容器组时不产生冲击电流及过电压，需要采用过零投切。一般晶闸管投切滤波器装置都具有过零检测/触发电路，保证晶闸管阀两端电压过零时触发晶闸管来实施电容器投切［1、2］。但是，在复杂的供电环境中冲击性负载易在配电网中产生大的电压波动及较高的电流谐波，应用简单的过零触发硬件电路(如MOC3083)容易产生误触发，且产品批量生产时硬件成本相对偏高。本文针对自行设计的晶闸管投切滤波器控制装置，设计并实现了一个较好的快速过零投切电容器的方法，对于晶闸管端电压偏离零点［3］的情况依然适用，达到精确控制投切、快速过零触发的目的，同时还大幅降低了后续产品的生产成本。

1 晶闸管投切滤波器控制装置的总体结构

该自行设计的晶闸管投切滤波器控制装置总体结构如图1所示。

图1 控制装置总体结构图

控制器采用综合控制的方式，采样提取电流值和初相值，计算电流的基波无功分量、负载无功功率，进行电容器投切判断，发出晶闸管投切电容器补偿指令，通过CAN总线发送给各个触发保护器，触发保护器在电压过零时实施投切，同时，触发保护器改变投切组合方式时，应通过CAN总线将当前投切状态回传给主控制器［4］。

控制器采用TI的32bit DSP芯片TMS320F2802作为计算处理主芯片，实时采集三相电流电压值，计算有效值，有功、无功功率，功率因数以及各高次谐波电流电压值(20次以内);并根据投切策略对3、5、7、11次谐波选择适当的投切方式，通过CAN总线发送给各触发保护器。

触发保护器内部功能模块如图2所示，接受控制器发送过来的投切方式，在电压过零点时实施投切;同时实时监测滤波器支路CT，对过流、过压、欠压等故障实施相应处理，并将相应改变后投切方式同步给主控制器。

图2 触发保护器内部结构

2 过零投切触发硬件电路的选择

在晶闸管投切电容器装置的过零触发硬件电路中，晶闸管阀一般采用2只晶闸管反向并联的方法，实现2只晶闸管轮流触发的效果，起到接通和断开补偿回路的作用［4］。本文设计的过零投切方法中，触发电路出于成本和操控简便的考虑，采用了1只晶闸管和1只二极管反向并联的接线方式。这种结构可有效避免冲击电流和过电压对供电系统及设备的影响，但晶闸管阀所承受的最大反向电压为电源电压峰值的2倍。

本文设计中，晶闸管还并联有由电阻和电容构成的吸收电路，用于吸收浪涌电流和抑制过电压。为抑制电容器投入电网时可能出现的冲击电流，采用加装电抗器的方式串联小电感［5］。触发电路如图3所示。

图3 触发电路简图

3 过零投切的过零检测方法的设计

确定晶闸管电压过零点的方法有两种，一种是从电网电压取得同步信号来判断过零点;另一种是从晶闸管阳极和阴极取得过零信号［4］。从晶闸管两端取得过零信号比较困难，过零触发要求电压高时截止，电压最低时导通。目前典型过零触发电路是 MOC3083，它在合闸瞬间会有误导通现象［6］。本文设计的过零投切方法中，过零检测方法通过实时采样主回路电网电压信号来判断过零点，由嵌入式软件实现。

电网频率50Hz，本文设计的过零检测方法，每个周期采样128个点(周期为156.25μs，即采样频率为6.4kHz，由DSP处理器中的定时器产生)，通过对经过A/D转换而来的采样信号进行计算，判断出峰值点(找到过零时刻)，并作出相应动作(投切)。整个程序可分为3个部分:电网电压频率的检测;峰值点(即过零点)的捕捉;峰值点的校正。3部分以下分别论述。算法的总体流程图如图4所示。

(1)首先要检测电网电压的频率，以保持与电网电压同步。检测方法一般有2种:1)采用方波转换电路、定时器中断的方式，首先将正弦波转换成方波，得到一个完整的电流周期，通过这个方波触发计时器，从而实现计算得到电网频率，这种方法需要添加不少硬件;2)采用傅立叶变换检测计算频率，这种方法可用软件实现。显然，傅立叶变换测频算法具有较强的滤波能力，而且计算数据还可以用于电压基波和各次谐波的计算，有很好的实用性。

这里采用的是第2种方法，傅式测频法，设电网参考频率f0=50Hz，实际频率f=f0+df，则电压为u(t)=Ucos(2 ft+θ)=Ucos(2 f0t+2 dft+θ)，令 θ(t)=(2 dft+θ)，则 u(t)=Ucos［2 f0t+θ(t)］，对u(t)作离散傅立叶变换:，同时由于θ(t)=2dft+θ，因此=2df，所以，故所求频率为f=f0+df，θm(t)为第m个数据窗的相位，θm+n(t)为第m+n个数据窗的相位［7］。

(2)峰值点的捕捉是通过对采样的128个点进行比较判断，最大值点即为信号峰值点，之后不再捕捉峰值点，而是通过检测到的电网频率的变化来保持同步。但是正常工作时，电网频率不可能一直为50Hz，有一定的偏差(一般情况下上下波动不会超过0.5Hz)，所以每过一个基频周期在峰值点投切时，就要根据电网频率变化对峰值点进行修正，这样投切用到的峰值点就会一直与实际的电网电压保持同步。

(3)峰值点的修正，此处是利用频率的修正后频点的偏移量来对峰值点作相应处理而来，频率的修正是通过周期差与相位角变化之间关系来计算的。首先定时器控制采样周期不变，采样点数128点，采样一个周期仍是20ms，然后通过FFT检测末点值的相位变化，记录其相位角差，若电网频率是50Hz时末点相位α，频率变化后一周期末点值的相位为β，则相位差θ为(β－α)，由(T1－T2)/t=θ/2 ，这里t=20ms，T1是50Hz时的信号周期20ms，通过上述公式即可求出频率变化信号的周期T2，然后((T1－T2)/T2)×128即为一周期采样频点变化量，通过这个值对原信号峰值频点做相应增减即可得到校正后的峰值点。频率以及频点偏差的计算流程如图5所示。

4 结束语

本文设计开发了一种可替代硬件过零电路的过零检测方法，方法简洁、灵活、高效，基本能达到精确检测过零、快速过零投切的目的，可实现电容器的无冲击投切。现场应用实践也表明，在谐波电流严重的状态下该方法依然可以正常动作，适合TSC的不同主回路和不同电压等级等情况。

图4 过零检测方法总流程

图5 频率以及频点偏差的计算流程

［1］ 郑金菊，余水宝.相位实时检测技术研究［J］.电测与仪表，2003，40(12):29－32.

［2］ 刘静章，王进旗，王凤波.过零检测技术在相位检测中应用［J］.电子测量技术，2004，(5):67－68.

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［4］ Su Hongsheng，LiQunzhan.Rough controlling TSC for reactive current compensation in traction substations［C］.Shanghai:Conference Proceedings of CES/IEEE 5th International Power Electronics and Motion Control Conference，2006:44 －54.

［5］ 巩庆.晶闸管投切电容器动态无功补偿技术及其应用［J］.电网技术，2007，31(2):118～122.

［6］ 王忠清，杨建宁.谈晶闸管投切电容器 TSC的触发电路［J］.电力电容器，2007，28(4):30～36.

［7］ 贺毅，贺建闽，曹建设.电网频率数字化测量研究［J］.电气化铁道，2005，(5):21～23.