低压电网SVG无功补偿装置设计

SHANDONG 毕业设计说明书 低压电网SVG 无功补偿装置设计 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自 动 化 学生姓名： 闫 萌 萌 学 号： 0812203383 指导教师： 周 敬 军 2012 年 6 月 摘 要 I 摘 要 近年来，由于工业的迅速发展，大功率非线性负荷的不断增加，不但改变 了电力系统的电网结构，对电网的冲击和谐波污染也不断上升，造成系统无功 分布不合理，甚至可能造成局部地区无功严重不足和电压水平普遍较低的情况， 以致出现种种电能质量问题，如功率因数低、谐波含量高、三相不平衡、功率 冲击、电压闪变和波动等等。通过合理的方案对电网进行适当的无功补偿，能 维持系统电压水平、提高系统电压稳定和设备利用率、提高功率因数避免大量 无功的远距离传输、提高输电能力、平衡三相功率、提高系统运行安全性和可 靠性。此外，还可以减少网络有功损耗减少费用。 本设计运用静止无功补偿(SVG)技术对低压电网进行无功补偿，SVG 采用 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方式，采用 IGBT 组成的电压逆变电路 模块。主要设计包括主电路设计、控制电路设计、测量单元设计、驱动电路以 及滤波电路单元等。由于需要随时进行无功功率的检测和补偿，对控制器的速 度要求较高，可以选择 DSP 进行控制控制单元的设计。 本论文所设计的 SVG 系统总体结构包括以下几个部分：主电路、控制电 路、测量电路、驱动电路和电源电路等几部分。测量电路采集负载电流信号、 装置输出电流信号、系统接入点电压信号和直流侧电容电压信号等数据，然后， 将这些数据信号传输给控制电路，控制电路根据给定的控制策略对从测量电路 输送过来的信号数据进行处理，产生触发逆变器的驱动信号，传送到驱动电路， 驱动电路将从控制电路接收到的驱动信号进行功率放大，然后加到逆变器，从 而控制逆变器输出端输出无功电流的变化，实现无功动态补偿的目的。 关键词：关键词：静止无功功率发生器(SVG)，无功补偿，IGBT Abstract II Abstract In recent years, the rapid development of the industry, high power nonlinear loads increase, not only changed the power system network structure, impact on the power grid and the harmonic pollution is increasing, causing system reactive power distribution is not reasonable, even may cause local reactive power shortage and voltage level is generally low, so that there are all sorts of power quality problems, such as low power factor, harmonic content is high, three-phase unbalance, power shock, voltage flicker and wave etc Through the reasonable scheme of power system proper reactive power compensation, can maintain the system voltage level, improve system voltage stability and the utilization ratio of equipment, to improve the power factor and avoid a large amount of reactive power for long distance transmission, improve the transmission capacity, balanced three-phase power system, improve the safety and reliability of the operation. In addition, also can reduce the network active power loss reduction cost. The design of the use of static var generator (SVG) technology on the low- voltage reactive power compensation, SVG is based on the instantaneous reactive power theory of reactive current detection method, using IGBT consisting of voltage inverter circuit module. The main design including the main circuit design, control circuit design, measurement unit design, driving circuit and filter circuit unit. Due to the need to carry out reactive power detection and compensation, and the controller speed is higher, can select DSP control unit design. The design of SVG system structure includes the following parts: main circuit, control circuit, a measuring circuit, a drive circuit and a power supply circuit etc. Measuring circuit of load current signal acquisition device, the output current signal, system access point voltage signal and the DC side capacitor voltage signal data, and then, the data signals are transmitted to the control circuit, the control circuit according to the control strategy from the measuring circuit transmitted signal data processing, generating a trigger inverter drive signal, is transmitted to the drive circuit, Abstract III drive circuit from the control circuit receives the driving signal of power amplifier, and then applied to the inverter, thereby controlling the inverter output reactive current change, achieve the purpose of dynamic reactive power compensation. Key Words: static reactive power generator(SVG), reactive power compensation, IGBT 目 录 IV 目 录 摘 要 I ABSTRACTII 目 录IV 第一章 绪论1 1.1 课题研究的背景及意义1 1.2 无功补偿技术的发展2 1.3 静止无功发生器国内外发展现状4 1.4 本设计的主要任务5 第二章 SVG 无功补偿装置设计.6 2.1 总体结构设计6 2.2 SVG 工作原理 .7 2.3 主电路设计9 2.3.1 整流电路设计9 2.3.2 逆变电路设计10 2.3.3 直流侧电容设计12 2.3.4 连接电抗器设计12 2.4 控制电路13 2.4.1 TMS320F2812 的主要特点 14 2.4.2 片外程序和数据存储器15 2.4.3 时钟电路15 2.4.4 电源电路16 2.4.5 JTAG 仿真接口电路.17 2.4.6 复位电路设计18 2.4.7 串行通信19 2.5 驱动电路19 2.6 测量电路20 第三章 控制策略及软件设计22 目 录 V 3.1 控制策略选择22 3.1.1 直流间接控制22 3.1.2 直流直接控制24 3.2 瞬时无功功率检测25 3.3 软件流程及程序设计27 第四章 结论32 4.1 主要工作32 4.2 需进一步完善的工作32 参考文献33 致 谢35 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 随着现代工业的不断进步，人们对电能质量的要求越来越高，而现在各种 大功率非线性设备的应用影响电能的质量。电力系统的特定环境决定电网本身 运行规律中出现的无功功率，这给电网运行造成很多麻烦，尤其在现代电网中， 由于感性负荷占据比重较大，如电动机在消耗有功功率的同时，也要吸收无功 功率。无功功率会导致发电机功率下降、降低输配电设备效率、增大损耗等， 这将会严重影响供电质量。为了解决这一问题，需要对电网进行无功补偿。本 设计的目的就是对低压电网运用 SVG 技术进行无功补偿。 静止无功发生器(SVG)是定制电力技术和灵活柔性交流输电系统技术的重 要组成部分，用于供电系统的 SVG 可直接接入 400V35kV 等级的母线，能够 克服传统无功补偿装置的不足，可为电网和用电负载提供快速、连续的无功补 偿，对提高电网电压稳定性、滤除负载谐波及提高功率因数有很大的帮助1。 人们对节约能源、减少电源污染重要性的认识不断提高，静止无功发生器 在工业和生活中的应用得到推广，对其研究也正逐渐成为热点。SVG 具有以下 优点： (1)平衡三相有功和无功功率，减少电网对通信系统的干扰。 (2)提高供电质量，促使电力系统运行安全。 (3)降低设备发热，延长设备寿命。 (4)提高功率因数，抑制向系统输入无功功率，提高电网有功传输能力。 (5)提高发电机有功输出能力。 (6)提高输电能力，改善系统的稳定性。 (7)减小电网功率损耗，增大电力运行的经济效益。 第一章 绪论 - 2 - 1.2 无功补偿技术的发展 无功补偿是电力系统安全可靠、稳定运行、降损节能的必要措施。无功补 偿方式有：同步调相机、固定补偿电容器、可控串联电容补偿(TCSC)、静止无 功补偿器(SVC)以及静止无功发生器(SVG)等23。 (1)同步调相机：同步调相机是三相同步电机，过励磁运行时，向系统提供 感性无功功率提高系统电压；欠励磁运行时，从系统吸收感性无功功率，降低 系统电压。优点：可在暂态过程中提供动态无功功率，越靠近短路的地方输出 的无功功率越大，并不受对称或不对称短路故障的影响，当系统电压下降幅度 较大时，同步调相机有短时过载能了可支持系统电压的恢复。缺点：价格较高， 多用于高压输电系统，运行维护复杂、环境噪音严重，技术比较落后。 (2)固定补偿电容器：可以改善线路参数，减少无功功率。维护方便，装置 容量可灵活使用。缺点：它供给的无功功率与节点电压平方成正比，借电压下 降时，提供的无功功率反而减少，调节性能差。 (3)TCSC：基于晶闸管控制的串联补偿装置，主要用于电力输电系统，可 提高电网的传输能力与系统稳定性。缺点：只能在一定的范围内连续调整串联 电容的等值容抗和补偿度。 (4)SVC：SVC 之前主要运用与负荷冲击性较大的用户中，近年来也用于提 高电网输电能力和主网架的稳定性方面，主要分为晶闸管投切电容(TSC)和晶 闸管控制电抗器(TCR)两种类型。可连续而迅速的控制无功功率，响应速度快。 技术成熟、维修简单、工作可靠、应用广泛。 晶闸管投切电容器(TSC) TSC 电路主要是靠两个晶闸管的正反并联的开关来完成电容器投切的。运 用晶闸管的优点在于投切的过程中不会出现过电压、冲击电流。电容器是接入 在晶闸管两端电压过零时刻瞬间完成的而电容器切断是在晶闸管电流过零时刻 瞬间完成的，电容器可以以任意频率投切，在电容器回路中串一电抗器可以起 到限制放电电流和抑制次谐波谐振的产生。缺点：TCS 只能实现有级调节，一 般应用在配电系统中。 第一章 绪论 - 3 - 晶闸管控制电抗器(TCR) TCR 由一个电容器和可控电抗器并联组成，通过晶闸管控制电抗器的电流。 当系统电压较低需要无功时，通过 TCR 调节减小电抗电流；而当系统电压升高， 需要吸收无功时，通过 TCR 调节增大电抗电流。由于 TCR 本身会产生谐波，因 此常常会用滤波器代替部分滤波电容。 (5)SVG：又称 STATCOM，静止无功发生器(SVG)是用具有自换相功能的 电力半导体器件组成的桥式变流器来进行动态无功补偿的装置，SVG 并联在需 要补偿装置的母线上，交流无功功率是通过直流励磁电压产生的，而 SVG 与 系统交换无功功率并不依赖于母线的电压。SVG 的控制非常灵活，当电压下降 时，补偿效果也很好。可以通过控制电压输出幅值的大小，来控制系统无功功 率交换。当输出的电压比系统电压小时，电流会从交流系统流向逆变器，逆变 器从系统吸收无功功率；反之则提供无功功率。SVC 的内部电力电子开关器件 一般为晶闸管，晶闸管在导通时不可控，这会使得 SVC 的每步补偿的时间间隔 变大，当补偿的负载变化较大或补偿干扰性较大负载时，SVC 会因固有的时间 延迟因响应不够快而影响补偿效果。而 SVG 则适于变化较大的负载的无功冲 击电流的实时补偿。随着对 IGBT 等电力电子元件的不断研究开发，大功率和 高电压变流器的应用可靠性有了保障，随着现代控制设备的性能提高和大规模 集成电路器件的运用，复杂的控制电路经济性和可靠性也得到了提高，从而使 新型 SVG 得到开发应用。SVG 分为电压型桥式电路和电流型桥式电路4，由 于电压型控制方便、损耗小，在实际应用中比较广泛。与 SVC 相比，SVG 可 以在任何系统电压下提供全范围的无功输出电流，SVG 调节速度更快、调节范 围更宽、欠电压条件下的无功调节能力更强，具有良好的补偿特性。缺点：成 本投资高距离大范围使用还有一段距离。 与以 TCR 型为代表的 SVC 装置相比，SVG 的调节速度更快，运行范围宽， 而且在采取多重化、多电平或脉冲宽度调制(PWM)技术等措施后可大大减少补 偿电流中谐波的含量。 本设计采用 SVG 静止无功发生器进行低压电网的无功补偿，以达到快速 补偿和大范围调节的功能。 第一章 绪论 - 4 - 1.3 静止无功发生器国内外发展现状 随着高压大容量如 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)可关断器件的不 断发展和半导体变流器进行无功补偿理论的应用，20 世纪 80 年代出现了基于 可控器件的电流源和电压源变流器的并联补偿装置，该装置的特性脱离了阻抗 型装置的特性，是完全可控型的电流源或电压源，这使得并联补偿电容装置性 能得到了提升。这种补偿装置在低电压的情况下具有良好的特性，因为可控开 关器件的开关频率较高，变流器输出的谐波较小，变流器的工作范围更广，输 出的电流独立于电压变化。SVG 是基于变流器并联补偿装置的典型代表。 1980 年 1 月在日本诞生了世界上首台 SVG 样机，它是由三菱电机公司和 关西电力公司共同研制的，该样机容量为 20MVar，逆变器采用晶闸管强制换 相型元件。随后由美国国家电力研究院(EPRI)和西屋公司共同研制的1MVar 的 SVG 装置于 1986 年 10 月投入运行，其逆变器元件采用的是大功率 GTO， 这也是世界上首台采用大功率 GTO 的静止补偿器。1991 年日本在犬山变电站 投入运行了80MVar 的采用 GTO 研制的 SVG 装置6。1996 年 10 月美国 EPRI 与田纳西电力局和西屋电气公司联合，在田纳西电力系统的变电站研制了 100 MVar 的静止无功发生器装置。1993 年 3 月东京电力与东芝公司、日立 公司分别开发了 2 台 50MVA 的 STSTCOM 装置，并在东京投入使用15。1997 年，丹麦的 Rejsby Hede 风场的 8MVA 的静止无功发生器装置是由德国西门子 公司开发研制的。同年 7 月，美国 AEP 在肯塔基州一变电站投入运行了士 160MVA 的 STATCOM 装置。2001 年 5 月，美国 VELCO 投入使用了+133/41 MVA，115kV 的 STATCOM 装置。2003 年 9 月，日本中央铁路公司开发了 60MVA 的 SVG 装置。2005 年 1 月，由美国 Austin 能源公司研制了100MVar 的 SVG 装置并在 Holly 变电站投入运行。 我国在静止无功发生器这一领域的研究是从上世纪 90 年代开始的，并在 试验和应用方面取得了一些的成绩，如华北电力学院开发了基于可控硅元件强 迫换相的 STATCOM 实验装置，东北电力学院研制了基于 GTO 器件的无功发 生器的实验装置。为了对机理进行更全面的研究，清华大学首先研制了300 kVar 的中间工业试验装置，并于 1996 年投入运行。我国首台投入应用的大容 第一章 绪论 - 5 - 量柔性交流输电装置于 1999 年 3 月由清华大学和河南省电力局共同研制，它 的容量为20MVar ，该无功发生装置在河南洛阳的朝阳变电站运行成功，并 于 2000 年 6 月通过了鉴定。2001 年 2 月国家电力公司电力自动化研究院也将 200kVar STATCOM 投入了运行。2006 年 2 月 28 日，50MVarSTATCOM 在上海黄渡分区西郊变电站并网试运行。 目前生产制造 STATCOM 并市场化的厂家仅有少数家，多数厂家采用的 STATCOM 技术均为清华 FACTS 研究所技术，采用技术合作或技术引进的方 式。STATCOM 的生产厂家有：辽宁鞍山荣信，上海思源清能(四方清能)，许 继集团，南车株洲时代，天津先导倍尔，山东新风光电子、山大华天等厂家。 以上厂家生产制造的 STATCOM 目前均处于小批量生产试制、推广阶段，还没 有形成规模化、产业化。但是，随着电力电子技术的进步发展和 STATCOM 技 术的改进完善，STATCOM 必将成为输配电系统中无功补偿装置中的主流产品。 1.4 本设计的主要任务 本设计是基于低压电网 SVG 无功补偿装置的设计，主要设计以 DSP 芯片 TMS320F2812 数字控制为核心的 SVG 无功补偿装置。主要任务包括以下几个 方面： (1)介绍课题研究的背景及意义，无功补偿技术的发展，SVG 国内外发展。 (2)硬件电路的设计，主要包括设计的总体框架、SVG 的基本原理介绍、主 电路设计、IGBT 驱动电路设计、控制电路、测量电路、电源电路设计。 (3)软件流程设计，主要包括控制理论选择、瞬时无功功率理论应用、软件 流程设计及编程实现。 (4)设计结论，对整体设计做出评估和总结。 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 6 - 第二章 SVG 无功补偿装置设计 2.1 总体结构设计 本论文所设计的 SVG 系统总体结构包括以下几个部分：主电路、控制电 路、测量电路、驱动电路和电源电路等几部分，如图 2-1 所示。测量电路采集 负载电流信号、装置输出电流信号、系统接入点电压信号和直流侧电容电压信 号等数据，然后，将这些数据信号传输给控制电路，控制电路根据给定的控制 策略对从测量电路输送过来的信号数据进行处理，产生触发逆变器的驱动信号， 传送到驱动电路，驱动电路将从控制电路接收到的驱动信号进行功率放大，然 后加到逆变器，从而控制逆变器输出端输出无功电流的变化，实现无功动态补 偿的目的。 电源 整流器 负载 IGBT逆 变器 IGBT驱动 电路 测量电路 电源电路 控制器 直流电路 测量电路 图 2-1 SVG 系统结构框图 各部分的主要任务： 主电路：整流电路、逆变电路、直流侧电容、连接电抗器等的设计； 控制电路：以 DSP 芯片 TMS320F2812 为核心的数字控制电路的设计； 驱动电路：IGBT 驱动电路的设计； 测量电路：对系统的接入点电压、装置的输出电流、负载电流和直流侧电 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 7 - 压等进行采样测量的电路设计。 电源电路：为测量电路和控制电路提供电源的电路的设计。 2.2 SVG 工作原理 图 2-2 为 SVG 原理示意图，它是由电压源型逆变器组成，并通过调节晶闸 管的通断，将电容上的直流电压转化成与电力系统电压同步的三相交流电压， 再通过变压器和电抗器连入电网。因此可以适当的调节逆变器输出的电压，就 能达到控制设置运行方式，从而成功的使其工作在容性、感性或零负荷状态， 以此来达到无功补偿的目的。 电电网网 电电网网 控控制制器器 电电网网数数据据采采集集 逆变器 T VIS 控制 C 图 2-2 SVG 原理示意图 SVG 装置调节无功的原理如图 2-3 所示，其直流侧为为 SVG 提供直流电 压的电源器件，直流电压再通过逆变器单元转换成交流电压，逆变器单元一般 由几个逆变桥电路并联或串联而成。交流电压的相位、大小和和频率的选择， 可通过控制逆变桥电路中的可关断器件(IGBT)的驱动脉冲来实现。逆变器通过 连接变压器并联到电网中，从而实现无功补偿的目的，此外连接变压器自身产 生的漏抗还能为整个系统提供限制电流的作用，以免产生过电流。输配电网等 效电路分析如图 2-4 所示。 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 8 - 注注入入系系统统的的电电流流 超超前前相相当当于于电电感感 注注入入系系统统的的电电流流 滞滞后后相相当当于于电电容容 I I I I sU sU sU sU IU IU IU IU X X jX jX 图 2-3 SVG 装置调节无功的原理示意图 AC + _ + _ _ E I LV R U jBGY 图 2-4 输配电等效电路图 Zs=R+jX，引起的电压降为： U (2-1) IZUEUs 负载电流可由下式求得： I (2-2) U jQP U BjUGU jBGUI 22 )( 把式(2-1)代入式(2-2)可得： (2-3) U QRPX j U QXPR U jQP jXRU ssss ss )( 分析图中各参数可看出，和之间的夹角很小，因此 U E (2-4) U QXPR U ss 在一般的传输电网中 R 比 Xs 小的多，因此，可以得出这样的结论：无功 功率的波动是引起电网电压的波动主要原因，而有功功率的波动对电网电压波 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 9 - 动的影响较小。 2.3 主电路设计 2.3.1 整流电路设计 (1)整流电路结构 采用可保证直流侧电压恒定的不可控整流方式进行整流电路设计。直流侧 可以用大电容作为稳压和滤波器件。如果在刚开始充电时就将大电容就直接接 到整流器的输出端，会产生很大的电流可能会烧坏整流器件，为了解决这一问 题，需要接入一个充电电阻，通过充电电阻将电容接到整流器的输出端先进行 充电，充电完成后断开充电电阻，使大电容直接连到整流器的输出端。当系统 关闭时放电电阻会自动给滤波电容放电，来增加系统安全性，主电路在不使用 的情况下要给滤波电容放电，避免事故发生。主电路中整流电路设计如图 2-5 所示。 三 三 三 三 三三三三 高 频滤 波 电容 三 三 KJ 三三三三三三 A C B 三 三 图 2-5 主电路整流部分原理图 (2)整流电路计算 交流电变成直流电可采用三相不可控整流方式，其中二极管的参数选择： 确定二极管电压的额定值 二极管耐压值 UM为： (2-5)23802 1.1 21182.3VVMACVUUK 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 10 - 式中，是整流桥输入电压额定值，是电压的波形系数，是安全系数。 ac U V K V 确定二极管电流的额定值 二极管峰值电流为： m I (2-6)Im22 10.214.4ANIA 二极管流经电流有效值为： D I (2-7) 0 2 0 11 120 ()Im8.3A 3603 DMIIdt 二极管的电流额定值为： n I (2-8)(1.5 2)7.9 10.6A 1.57 DI In 综合考虑二极管额定电压、额定电流以及滤波电容的充电电流的波动和现 实应用等条件，本设计可采用 6R30G-160(30A，1200V)的二极管整流模块。 2.3.2 逆变电路设计 (1)逆变电路设计 SVG 装置的逆变器采用三菱公司(日本)的 IGBT 模块，用两个 IGBT 组成 半桥，逆变器都反并联一个二极管，IGBT 模块的内部部件与散热板相隔离， 这样能够降低驱动功耗，降低管压降 VCE(SAT)同时提高工作频率，同时该模块 价格相对低廉。SVG 装置逆变部分主电路如图 2-6 所示。 IGBTIGBTIGBT IGBTIGBTIGBT + _ Ud A B C Ui 图 2-6 主电路逆变部分图 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 11 - (2)逆变电路的相关计算 确定 IGBT 电流额定值 直流侧电容两端的电压为： d U (2-9)1.351.35 380513VdsUU 逆变器的输出电压最大值为： maxi U (2-10)max 3 0.866 513444V 2 iUUd 逆变器的输出电压实际有效值为： i U (2-11) max444 0.95 0.95283V 22 i i U U 式中，=0.95，为最大调系数；=0.95，为计算死区影响时的系数。在额定 容量为 5kVar 的条件下输出的线电流可近似计算为： N I (2-12) 33 5 105 10 10.2A 32833 N i I U 峰值电流为： m I (2-13)Im22 10.214.4ANI 取安全系数为 1.52.0，因此额定电流为 25A。 N I IGBT 正反相峰值电压： (2-14)22380537VmUU 取安全系数为 1.52.0，因此额定耐压值可取为 1000V。 N U 根据上述 IGBT 相关参数的计算和市场供货情况，本设计选用的 IGBT 模 块为 CM50DY-20(50A，1000V)。 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 12 - 2.3.3 直流侧电容设计 静止无功发生器的逆变电路直流侧在开关频率足够高的情况下可以不设储 能元件6。但在实际工程应用中，因为逆变电路所吸收的电流中既有基波又有 谐波，会造成无功能量在静止无功发生器和电源之间往返变换，因此在实际应 用中直流侧仍需要储能元件，一般选择电容器作为储能元件，同时该电容器还 可以抑制直流侧电压的波动。一般来说逆变器的直流电容容量越大，其输出端 的电压就会越稳定、谐波含量也越小，但在实际应用中没有必要选择很大容量 的电容，大电容价格较高、不经济。直流电压的波动决定了直流侧电容容量大 小，工程设计的经验计算公式为： (2-15) kU I C d N 2 . 0 式中，0.2 为补偿能量系数；k 为直流电压波动的系数，一般取 0.5-1； 为直流电容的电压，此处取 850V；是系统电源的频率，取 l00。当 k 取 d U 值为 0.5时，取电容器耐压为 1.5 倍安全裕 6 0.2 7.6 10 1139 F 100850 0.005 C 量：8501.5=1275V。 综上所述选取 4700/450V 的电解电容，三个电解电容串联后总耐压值F 为 1350V，总电容量为 1567。F 2.3.4 连接电抗器设计 静止无功发生器与系统之间连接电抗器的设计对装置运行的作用很大，这 是设计的一个重点。连接电抗器有两方面的作用，一是通过电抗器将逆变单元 和电力系统耦合在一起，二是运用电抗器消除逆变器单元输出电压的高次谐波， 从而使静止无功发生器输出的电压更接近正弦波。 当 SVG 的容量和系统的接入点电压等级确定之后，连接电抗的值与电源 电流跟踪指令信号的速度成反比，电抗器也会影响电源电流的谐波畸变率。当 电感选择太小，虽然动态响应快，但实际补偿电流相对于期望补偿电流具有较 大的超调，形成毛刺且容易造成系统振荡、工作不稳定。 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 13 - (2-16)()()( )( tutUtiR dt tdi Lsdh h 式中，Us为负载侧交流电压值，Ud为直流侧电压值，为参考电流的变化 dt tdih)( 率。若忽略电阻大小，可以得到： (2-17) dt di UU L jk hnd max 在电感值的选择时可参考工程上推导出的经验公式： (2-18) ma d i U L 9 4 静止无功发生器同时补偿谐波成分，假设补偿到 9 次潜波，最大电感应为： ，取连接电感值为 12。H 4 . 12 26 . 791009 8504 mL Hm 2.4 控制电路 静止无功功率发生器开关控制策略是其中重要的一个环节，因此 SVG 的 核心控制电路的设计也就成为了 SVG 系统最重要的环节之一。本设计中控制 板采用以 TMS320F2812 作为控制核心，电路由 DSP 和 CPLD 组成的数字控制 系统，其结构如图 2-7 所示。该系统具有硬件设计简单、集成度高、电磁兼容 性好等优点。 TMS 320F 2812 复位电路 时钟电路 电源电路 JTAG仿真 片外存储器 串行通信 图 2-7 TMS320F2812 统结构图 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 14 - 2.4.1 TMS320F2812 的主要特点 本设计是以 DSP 芯片 TMS320F2812 为核心的数字控制电路的设计，下面 介绍一下 TMS320F2812 的相关内容17。 (1)具有 32 位定点 DSP TMS320C28xTMCPU 内核 (2)存储器 4K 16 bit ROM 18K 16 bit RAM 128K 16 bit Flash (3)速度 6.6ns 的指令周期，每秒可以执行 150M 条指令。 (4)事件管理器(EV) 12 路比较 PWM 通道； 4 个 16 位通用定时器，均具有 4 种计数模式； 6 个全比较单元； 6 个捕获单元，其中 4 个具有连接正交编码器脉冲的功能； 外部时钟输入和外部比较输入。 (5)模/数转换器(ADC) 内置具有两个 8 选 1 多路切换器和双采样保持器的 12 位 ADC 内核； 快速的转换时间为 80ns(ADC 工作在 25MHz)； 16 个模拟输入通道； 自动排序功能，具有两个独立的最多可选择 8 个模拟转换通道的排序器， 可独立以双排序器模式工作，也可级连后组成最多可选择 16 个通道的模式， 每次需要转换的通道均可通过编程来选择。 多个触发源可启动 ADC，可通过软件、EVA、EVB 和外部引脚来触发； 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 15 - 采样和保持获取时间窗具有单独的预定标。 具有 56 个单独可编程的多路复用 I/O 引脚 (6)串行外设接口模块(SPI) (7)串行通信接口模块(SCI) (8)CAN 控制器模(块 CAN) (9)多通道缓冲串行口(McBSP) 2.4.2 片外程序和数据存储器 为提高调试效率，系统扩展了片外的程序存储器，这样就不用每次都把程 序烧入片内 FLASH 中，可以更方便的进行在线调试18。由于 TMS320F2812 采用 20MHZ 时钟频率，即时钟周期为 50ns，对存储器的存储速度要求较高， 因此设计中采用的是 Cypress 公司的 CY7C1021 芯片，其存储时间为 33ns，数 据宽度是 16 位，容量 64K。通过与门电路实现逻辑将其共用为程序 RAM 和数 据 RAM。该 RAM 的低 32K 被定义为数据空间，地址为 0x00000x7FFF；高 32K 被定义为程序空间，地址为 0x80000xFFFF。图 2-8 为片外存储器扩展电 路图。 1 2 3 74HC08 /D S A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 A 8 A 9 A 10 A 11 A 12 A 13 A 14 /R D /W E /B HE 40 /B LE 39 N C 22 IO 0 7 IO 1 8 IO 2 9 IO 3 10 IO 4 13 IO 5 14 IO 6 15 IO 7 16 IO 8 29 IO 9 30 IO 10 31 IO 11 32 IO 12 35 IO 13 36 IO 14 37 IO 15 38 V CC 11 V CC 33 N C 23 N C 28 G ND 34 G ND 12 /O E 41 /W E 17 /C E 6 A 0 5 A 1 4 A 2 3 A 3 2 A 4 1 A 5 44 A 6 43 A 7 42 A 8 27 A 9 26 A 10 25 A 11 24 A 12 21 A 13 20 A 14 19 A 15 18 CY7C1021 A (0-14 ) 3.3V /PS /DS 3.3V D (0-15 ) D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D 8 D 9 D 10 D 11 D 12 D 13 D 14 D 15 图 2-8 片外存储器扩展电路图 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 16 - 2.4.3 时钟电路 TMS320F2812 DSP 的时钟可以有两种连接方式，即内部无源晶振振荡器方 式和外部有源晶振振荡器方式。有源晶振驱动能力较强，频率范围很宽，在 1Hz400MHz 之间，无源晶振价格虽然便宜，但是驱动能力较差，一般不能供 给多个器件共享，且频率范围较窄，在 10kHz60MHz 之间。本文采用的是外 部有源时钟方式，直接选择一个 1.8V 供电的 30MHz 有源晶振实现。时钟电路 如图 2-9 所示。 X1/XCLKIN X2 DSP C 1 20pF C 2 20pF 30MHz X1/XCLKIN X2 DSP NC 1.8V 0.33uF R 1K VDD 4 GND 2 OUTPUT 3 1 30M Hz三三三三 (a)内部振荡器方式 (b)外部时钟源方式 图 2-9 时钟电路图 2.4.4 电源电路 (1)DSP 电源 TMS320F2812 需要两组电源供电，内核电源为 1.8V，片内外设电源为 3.3V。一般 3.3V 和 1.8V 电源可通过 5V 电源变换得到。图 2-10 为采用芯片 TPS767D318PWP 进行电源转换的原理图。 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 17 - C1 0.1uF C2 47uF C3 0.1uF C4 47uF C5 47uF C6 0.33uF C7 47uF C8 0.33uF 5V 1.8V 3.3V 1N4001 1N4001 1N4001 N C 1 N C 2 1G N D 3 /1EN 4 1IN 5 1IN 6 N C 7 N C 8 2G N D 9 /2EN 10 2IN 11 2IN 12 N C 13 N C 14 N C 15 N C 16 2O U T 17 2O U T 18 N C 19 N C 20 N C 21 /2RESET 22 1O U T 23 1O U T 24 1F B/NC 25 N C 26 N C 27 /1RESET 28 TPS76D318 1.8V 3.3V 图 2-10 电源转换原理图 (2)15V 电源设计 测量电路电源如图 2-11 所示，变压器的主线圈接 220V、50Hz 交流电源， 次级线圈将输出 15V 的交流电，经整流全桥整流再经滤波电容 C1 滤波后，大 约可以得到 19V 有脉动的直流电源。三端稳压块 7815 是将滤波电容 C1 得到的 19V 有脉动的直流电源稳压变成 15V 稳定的、波纹系数非常小的直流电源，此 15V 电源再经过滤波电容 C2 后，基本上可以得到非常稳定的 15V 直流电压源。 由于三端稳压块 7815 自身会产生一种频率很高的热噪声，而电解电容 C2 只对 低频比较敏感，可以滤去大部分的低频脉动波，对高频的杂波却无能为力，故 加上一个高频瓷片滤波电容 C3 滤去高频杂波。这两个滤波电容并联联接，可 同时滤去高低频率的各种交流波，最后得到的直流电压源的电压质量是非常高 的。 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 18 - 1 2 3 4 C1 470uF C3 100uF C2 0.33uF C4 0.1uF +15V 三三三 1 2 3 4 C5 470uF C7 100uF C6 0.33uF C8 0.1uF -1 5V 1 2 3 78 15 7815 1 2 3 7815 7815 图 2-11 驱动电源电路图 2.4.5 JTAG 仿真接口电路 JTAG 扫描逻辑电路用于仿真和测试，采用 JTAG 可实现在线仿真，同时 也.是调试过程装载数据、代码的唯一通道。通过 JTAG 接口可将仿真器与目标 系统相连接。为了与仿真器通信，DSP 控制板必须带有 14 引脚的双排直插管 座。TMS320F2812 和 14 针仿真插座连接的电路如图 2-12 所示。 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 JTAG R1 4.7V R2 4.7V 3.3V C1 0.1uF C2 10uF 5V T CK T DO T M S T DI E M U 0 /T RS T E M U 1/O FF 图 2-12 JTAG 接口电路图 2.4.6 复位电路设计 可靠的复位电路是 DSP 系统必不可少的。由于 DSP 系统的时钟频率较高， 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 19 - 在运行时极有可能发生干扰和被干扰的现象，严重的系统问题可能出现死机现 象。为了克服这些情况，除了在软件上做一些保护措施外硬件上必须做相应的 处理。硬件上最有效的保护措施是采用合理有效的复位电路相结合的方式。 通常的复位电路有 RC 电路法和专用芯片法两种方式，两模块的连接方式 分别如图 2-13 和图 2-14 所示。其中图 2-13 中的 74LVT14 非门起到抗干扰的作 用。图 2-14 是采用 MAX811 的复位电路，在上电和电源电压超限的情况下产 生复位信号。3 脚为手动复位输入，该引脚为低时，在 2 号脚产生一个复位输 出，复位输出信号一直有效，直到引脚变为高电平 180ms 后才变为高电平。本 设计就是采用 MAX811 芯片组成的复位电路。 /X RS D SP 74LVT14 RESET 200 10K 1.8V 22uF GND 1 /R ST 2 /M R 3 Vcc 4 M AX811 /XRS DSP RESET 1K 1.8V 图 2-13 RC 复位电路图 图 2-14 MAX811 复位电路图 2.4.7 串行通信 TMS320F2812 串口支持 16 级接收和发送 FIFO，有一个 16 位波特率选择 寄存器，灵活性极大。此外，芯片上集成了一个 12 位 ADC，具有 16 通道服用 输入接口，两个采样保持电路，最快转换周期为 60ns。 本设计通过 RS-232C 进行串行通信，RS-232C 是采用的 12V 电源，但是 TMS320F2812 采用的是却是 3.3V 电源，因此需要运用 MAX232 进行电平转换。 硬件接口电路图如图 2-15 所示。 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 20 - 1 6 2 7 3 8 4 9 5 DB9 C11uF C21uF C3 1uF C5 1uF C41uF C 1+ 1 C 1- 3 C 2+ 4 C 2- 5 R 1IN 13 T 1O UT 14 V CC 16 V + 2 V - 6 G ND 15 R 1O UT 13 T 1IN 11 M AX 323 3.3V PC RXD TXD DSP 图 2-15 串行通信接口电路图 2.5 驱动电路 与主电源电路不同，驱动控制电路主要针对的是 DSP 控制系统的弱电控制 部分。由于模块要直接和配电系统相连，因此必须利用隔离器件将模块和控制 部分的弱电电路隔离开来，以保护 DSP 控制系统。同时由于 IGBT 模块的工作 状况很大程度上取决于正确、有效、及时的控制信号。所以设计一个优良的光 耦控制电路也是模块正常工作的关键之一。 门极驱动控制电路的任务是:将 DSP 输出的 03.3V 的 PWM 信号转换成 015V 的 IGBT 驱动信号，驱动信号低有效。门极驱动控制电路如图 2-16 所 示(以其中一路为例)，PWM 是 DSP 输出的开关信号，经光耦隔离器件 TLP250 隔离和电平转换后送入逆变器 IGBT 中。TMS320F2812 发出的 PWM 脉冲经过 电阻 Rl(100)接入型号为 TLP250 的光耦输入端，光耦的一个输出端经电阻 R4(51)引到 IGBT 门极，另两个输出端分别接+l5V 电源和地，电容 Cl(0.1F)起 到稳定直流电源的作用，电容 C2(10F)起到增大驱动能力的作用。 第二章 SVG 无功补偿装置设计 - 21 - R1 100 R2 R3 R4 51 T1 T2 C1 0.1uF C2 10uF TLP250 OUT PWM 3.3V +15V 图 2-16 IGBT 门极驱动电路图 当 TMS320F2812 的 PWM 引脚输出高电平时，发光二极管导通并发出对 应的光脉冲，光电二极管随之导通，三极管 Tl 导通，T2 截止，输出端 OUT 输 出高电平(约为+