基于DSP的无功补偿装置的研究与设计

本科毕业设计（论文）题目：基于 DSP 的无功补偿装置的研究与设计院 系：工学院电气与电子工程系 专 业：电气工程及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 烟台南山学院毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 年 月 日烟台南山学院关于毕业设计（论文）使用授权的说明本人完全了解烟台南山学院有关保留、使用学士学位论文的规定，即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。指导教师签名： 论文作者签名： 年 月 日 年 月 日） 第 I 页基于 DSP的无功补偿装置的研究与设计摘 要本文针对电力系统中无功补偿装置发展现状需要，研制出了一种基于 DSP TMS320LF2407 控制的低压动态无功补偿装置。该装置作为无功补偿控制器和电网监测器的统一使用体，以实时的电网监测数据为依据，用以城镇 220V 电压网络为使用服务对象。本文主要研究了电力系统城镇 220V 电压网络采用 无功补偿来提高电网的性能，它包括无功补偿装置的控制原理及软、硬件设计。在应用程序系统硬件设计上，采用 16 位定点 DSP TMS320LF2407 来控制，他比传统的单片机控制运算具有速度高、实时性好等优点。硬件系统采用晶闸管控制投切电容器来实现全数字化控制，界面全中文液晶显示系统运行状况，全数字化控制实现了电容器的迅速、无弧、无冲击投切的优越性能。在软件设计上，应用汇编语言编程，按照模块化设计原则，提升了系统的通用性和维护的简易性。在投切原则上，与常见的功率因数控制方案相比较，应用无功功率控制，杜绝了轻载振荡，实现了控制装置应具有的优越功能。针对本文要求设计了较为完整的控制电路和外围设备硬件电路，包括触发电路、采样电路、显示电路以及通讯电路等。关键词： 无功补偿 电网监测 软硬件设计） 第 II 页RESEARCH AND DESIGN OF REACTIVE POWERCOMPENSATION DEVICE BASED ON DSPABSTRACTContraposing the developmental actuality of reactive power compensation system in power system ，a DSP (Digital Signal Processor) controlled Thyristor Switch Capacitors (TSC) system is designed based on TMS320LF2407 for reactive power dynamic compensation. As the combination of reactive power controller and electric power wires measurement， this devices working theory is based on the real-time data of the electric power wire and its intention is to complete the most felicitous compensation for the reactive power which exists in the 220V electric power wire. The paper mainly includes the followed parts： the ameliorating of the nets capability by the reactive power compensation， the control method and principle of reactive power compensation device and the hardware and software design of the device. The devices hardware core is the 16-bit fix point DSP TMS320LF2407 produced by TI corp， which has many merits such as high operating speed and high real-time. The system adopts thyristor as switch that connect capacitors to main circuit， numeralization control， and Chinese menu LCD screen interface displaying systems run-time Status momentarily. It actualizes the capacitors speediness， no are， no percussion switching， and has superior performance. The software design adopts the assemble language； we use the method of modularization which can improve the universal trait of the program and simplify the devices maintenance. Keywords： Reactive Power Compensation Monitor of Electric wire Digital Signal Processor(DSP)目录第 1章 绪论 .11.1 DSP 无功补偿的意义 .11.2 DSP 无功补偿装置的发展现状 .11.2.1 无功补偿装置的发展 .11.2.2 当前无功补偿装置分类 .21.3 DSP 无功补偿装置的选择 .21.3.1 控制投切装置的选择 .21.3.2 控制方式的选择 .21.4 DSP 无功补偿装置的应用实例 .3第 2章 无功补偿原理 .42.1 无功补偿的原理及实现 .42.2 无功功率计算和无功补偿 .42.2.1 无功功率计算 .42.2.2 电容对谐波的放大作用 .6第 3章 DSP 的控制方案的实现 .93.1 DSP 无功功率简述 .93.2 设计任务及要求 .93.3 主电路设计 .113.4 主控制器芯片的选取 .11第 4章 硬件设计 .124.1 模拟信号输入处理单元 .124.2 LF2407DSP 系统模块 .154.3 执行单元 .174.4 显示及通讯电路设计 .18第 5章 DSP 无功补偿的软件设计 .215.1 DSP 无功补偿装置的主程序 .215.2 中断程序 .225.3 串行实时时钟电路读写程序 .255.4 可靠性、抗扰性设计 .26第 6章 仿真与调试 .286.1 仿真工具简介 .286.2 DSP 无功补偿系统仿真分析 .286.2.1 试验结果 .296.2.2 结论分析 .29结论 .30致谢 .32参考文献 .33第 1 页第 1章 绪论1.1 DSP无功补偿的意义电压是衡量电能质量的一个重要指标，因此，必须对系统的各个节点进行监控，使电压水平维持在一个正常的范围以内。电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备，如轧钢机、电弧炉、电气化铁路等；同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备，如计算机、医用设备等。因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。1.2 DSP无功补偿装置的发展现状1.2.1 无功补偿装置的发展图 1.1 所示是最简单的无功补偿图。图 1.1 中，M 电机为要滞后无功功率设备，K2和 C 是向 M 提供无功的无功补偿装置。Kl 闭合使 M 运行，M 从电网吸取有功功率和无功功率。为减少电网中的无功水平将 K2 闭合，用 C 中的超前电流补偿 M 中的滞后电流完成无功补偿任务。图 1.1 最简单的无功补偿图由于 C 的补偿容量是固定的，它不能随着实际无功的变化而变化。因此，它适用于无功变化不大的场合 1。第 2 页1.2.2 当前无功补偿装置分类随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR、GTR、GTO 等的出现，将其作为投切开关速度可以提高 500 倍(约为 10s)，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，且可以进行单向调节。现今所指的无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型：一类是具有饱和电抗器的无功补偿装置(SR：SatulatedReactor)；第二类是晶闸管控制电抗器(TCR：Tyristor Control Reactor)；第三类是晶闸管投切电容器(TSC：Thyristor Switch CaPacitor)。这后两类晶闸管装置被统称为SVC(StaticVarCompensator) 。1.3 DSP无功补偿装置的选择1.3.1 控制投切装置的选择目前，广泛应用的几种无功补偿装置，即第二节所介绍的几种无功补偿装置，从不同的角度对装置的控制开关可以分为两类：一是断路器控制开关；二是晶闸管控制的开关。这两种无功补偿装置，总体说晶闸管控制开关的性能比断路器开关无功补偿装置好，它操作时间短，通常在一个周波（20ms）动作；行动没有火花，更安全可靠寿命长。但是断路器开关成本优于晶闸管，因此在工程中应用上也并没有被晶闸管开关完全取代。这两种装置的特性比较见表 1.1 所示。表 1.1 断路器开关与晶闸管开关控制投切的无功补偿装置性能比较装置 断路器开关控制 晶闸管控制投切性能 有火花 寿命短 无火花 寿命长动作时间 长（约几十毫秒） 短（约几十微秒）适应的负荷 相对稳定的负荷 可补偿冲击性负荷电压稳定性 电压有波动 通过控制投切时间，可消除电压波动价格 低 高1.3.2 控制方式的选择在控制器的控制规律上又可以分为功率因数控制和无功电流控制。功率因数控制和无功电流控制的对比见下表 1.2 所示。第 3 页表 1.2 功率因数控制与无功功率控制无功补偿装置性能比较装置 功率因数控制的无功补偿装置 无功电流控制的无功补偿装置补偿效果 重负荷时无功仍较大 重负荷时功率因数可达 0.99 稳定性 轻载时易发生震荡 无震荡控制功能 满足需要 无法满足参数调节 现场细调 工厂调节（1）了解负载的性质，以决定是否选择由断路器开关还是晶闸管开关控制投切无功补偿装置。对于住宅、写字楼、商场、电子、化工企业等负载变化平稳、周期长的场合，所以接触器的动作次数很少，使用寿命不再是主要问题。从既要满足补偿需要，又节省费用的选择原则来讲，由断路器开关控制的无功补偿装置完全可以作为首选。若供电线路负荷很大，同时上面又挂有较重要的设备，则还是以选择由晶闸管控制的无功补偿装置为宜。对于有电焊机、频繁起停的机械加工设备等负载变化快、变化幅度大的场合，由断路器开关控制的无功补偿装置显然无法满足要求。因此，应选择由晶闸管控制的无功补偿装置。（2）根据重要程度及自动化水平，选择控制功能。无功电流控制的无功功率补偿装置，除基本的控制功能外，附加功能也很多，如一般都有的：四象限操作、自动手动切换、自动识别各路电容器组的功率、自动根据负载调节切换时间、过电压报警及保护、线路谐振报警、电压电流畸变率测量及功率因数、电压、电流、有功功率、无功功率、电网频率的测量及显示等。1.4 DSP无功补偿装置的应用实例以大连港为例，仅装机容量 200kw 以上的门机就有 110 多台，且无补偿功率因数在 0.6 左右，无功线损较大。对于门机这种动态负荷变化较大，经常重复起动的设备，若使用有触点的补偿装置，则需要投入电容器组时不能及时投入，不需补偿时不能及时切除，而且补偿时不能一步达到最佳补偿容量，必然会造成过补和欠补。大连港和北京科能电气有限责任公司联合开发了采用定相位触发可控硅技术的新一代动态无功补偿装置器，投入运行后，补偿效果很好。第 4 页第 2章 无功补偿原理2.1 无功补偿的原理及实现无功补偿装置包括执行装置，模拟量输入，开关量输入、开关量输出模块，CPU 模块。无功补偿装置是采用微处理器检测电网上的实时模拟电压、电流信号，进行数字化处理并计算电网所需的无功功率，根据计算结果投入和切除电容补偿系统需要的无功功率 2。如图 2.1 为无功补偿原理图。状态检测动作命令现场图 2.1 无功补偿原理图从无功补偿器的