（机械电子工程专业论文）基于msp430的动态无功补偿控制器的研究.pdf

硕士学位论文 基于m s p 4 3 0 的动态无功补偿控制器的研究 摘要 随着科学技术的发展，越来越多的电子产品应运而生，人们对电能源越来越依赖。 电能源需求量越来越大，而地球上的能源却是有限的，节能已成为一个全球性话题。 电力是我国的主要二次能源，在电力系统中，大量感性用电设备的使用使得电网的无 功功率损耗严重，浪费大量的电能源，如何进行无功补偿，提高功率因素成为整个电 力行业首先需要解决的问题。通过市场调研，发现现有无功补偿控制器存在价格过高、 精度不高、使用寿命短的现象，大大影响其普及使用。在这一背景下，本文基于低成 本、高精度的理念设计了一套动态无功补偿控制器，这一装置的研发将有助于无功补 偿控制器的大范围使用，大大降低电能损耗。 本文设计的动态无功补偿控制器采用的核心部件是m s p 4 3 0 f g 4 6 18 ，围绕它设计 了各个与之配套的功能模块，包括电网参数测量模块、投切模块、通讯模块等，设计 出完备的电路原理图和功能流程图，完成了各个功能模块的软、硬件设计和功能实现。 最后，对整套系统进行了在线调试及结果分析，结果分析表明系统运行稳定，测量精 度满足设计要求。 基于低成本、高功效的设计目标，本文在现有技术的基础上，在诸多方面进行了 改进。本文采用的是软、硬件协同设计，降低成本重点放在软件设计上，尤其是在控 制策略的制定和算法的选择上。在控制策略的制定上，在传统的九分区基础上增加 u 和q 的设定，另外，本文提出通过谐波计算，设定电压、电流畸变率门限值， 预先分级投切电容器，解决了其它无功补偿控制器由于忽略负荷峰谷特性和谐波造成 设备使用寿命降低的问题。 为了提高测量精度，确保控制的准确性，在算法上，本文提出采用实序列的f f t 算法，通过e ra 跟踪捕获周期，并通过软件设计计算、补偿相位差。通过这样 的设计，系统可以在一个周期内完成采集、计算、控制功能，反应速度和测量、控制 精度都得到大大提高。通过现场实验，测量数据结果表明本动态无功补偿控制器软、 硬件设计合理，控制器工作稳定，测量精度高，达到预定的设计目标。 关键词：无功补偿控制策略f f t 算法低成本，高功效m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 硕士学位论文基于m s p 4 3 0 的动态无功补偿控制器的研究 a b s t r a c t w i mt 1 1 ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r ep r o 山l c t sc o m ei n t ob e i n g ， p e o p l ei n c r e a s m g l yr e l yo ne l e c t r i ce n e r g y t h ed e m a i l df o re l e 嘶c a le n e r g yi si n c r e a s i i l g ， b u tt h ee n e f g yo ne 积hi sl i i i l i 砌，e n e i g yc o n s e n ，a t i o nh a sb e c o m eag l o b a lt o p i c p o w e ri s c h j n a sm 勾o rs e c o n d a r ye n e 培y ，证m ep o w e rs y s t e m ，t h eu s eo fal a 略en u m b e ro f n o n l i n e a rl o a dr e a c t i v ep o w e rl o a d sm a k el a 唱e - s c a l ef l u c t 吼t i o n s ，i t 啾sal o to f e l e c t r i c a le n e r 鲂c o m p e i l s a t i n gr e a c t i v ep o w e ra n di m p r o v i n gt 1 1 ep o w e rf a c t o rh a v e b e c o m et h ef i r s ti s s u et 0b er e s o l v e do ft h ee n t i r ep o w e ri n d u 鼬哆t h r o u 曲m a r k e t r e s e a r c l l i n g ，t h ee x i s t e dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o i l sh a v ead e f i e c tm a tt l l e ya r et o o e x p e n s i v e ，m e i ra c c u r a c yc 觚n o tm e e t 吐l er e q u n m e n t sa n dt h e i ru s e 如l t i i n ei ss h o 吒w h a t 蓼e a t l ya 仃e c t i i l gt h e i ru 1 1 i v e r s a lu s e i i l l i sc o n t e x t t h i sp a p e rh a l sd e s i 印e dad y n 锄i c r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n c o n t r o l l e rb a s e d b ym ec o n c e p to f l o w c o s t锄d h i 曲一p r e c i s i o n ，“sd e v i c e 丽l lh e l pd e v e l o pt h eu n i v e r s a lu s e o ft 1 1 er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nc o m m l l e r ，伊e a t l yr e d u c i n gm ep o w e rl o s s t h ec o r e c o m p o n e n t o f也ed y n a m i cr e a c t i v e c o m p e n s a t i o n c o n 臼o l l e ri s m s p 4 3 0 f g 4 618 ，a r o u i l di tv 撕o u sa i l c i l l a 巧p a n sh a v eb ed e s i 印e d ，i n c l u d i n gn e 似o r k p a r a m e t e rm e a s u r e m e n tp a r t ，s w i t c m n gp a r t ，c o m m u l l i c a t i o np a n ，e t c 。t h i sp a p e rd e s i 掣l s d e t a i l e dc i r c u i td i a 影吼a i l df l o wc h a r t ，觚df i i l i s h e s l ed e s i 口a i l dr e a l i z a t i o no fh a r d w a r e a n ds o f h a r e f i n a l l y t h ep a p e rc o m p l e t e st l l e s y s t e mo n l i n ed e b u g g i n ga 1 1 d r e s u l t s a i l a l y s i s ，t h er e s u l t ss h o wm a tm es y s t e mi so p e r a t i n gw e l l ，t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y m e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s f o rt h ed e s i g ng o a lo fl o w c o s ta n dk 曲- p r e c i s i o n ，t h i sp a p e rm a k e si i n p r o v e m e 鹏 t ot h ee x i s t e dt e c l l l l o l o 黟t 1 1 i sp 印e ra d o p t st l l e c o d e s i 印o fs o r w a r ea 1 1 dh a r d w a r e ， r e d u c i n gf o c u so ns o 讯a r ed e s i g n ，e s p e c i a l l yo nt h ef o n n u l a t i o no fc o n t r o ls 仃a t e g ya n d a l g o r i t h mc h o i c e i l l 龇f o 肌u l a t i o no fs t r a t e g i e s ，t h i sp a p e ra d d st h es e t t 堍o f ua n d q o nt 1 1 eb a u s i so f 住a d i t i o n a l1 1 i n e d i s t r i c t i na d d i t i o n ，t h r o u g l lh a n n o i l i cc a l c u l a t i o n 。t l ：l i s p a p e rs e t sv o l t a g ea n dc u r r e n td i s t o r t i o nm r e s h o l d ，p r e l l i e r a r c l l i c a ls 、) ，i t c l l i n g t 1 1 e c a p a c i t o r s ，s o l v i n g l ep r o b l e mo fr e d u c i n g 吐l ee q u i p m e n t su s e m t i i l l eb ye a r l i e r r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nc o n 们1 1 e r s n e g l e c to fp r o p e n i e s2 u l dh 姗o i l i cp e a kl o a d h lo r d e rt oi m p r o v et l l em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n de n s u r et l l ea c c u r a c yo fc o n 仃i d l ， i i l t l l ea l g o r i t l l i n ，t h j sp 印e ru s e sar e a l - s e q u e n c ef f t a l g o r i t l l m ，“u s e st i m e r at ot r a c ka n d c a p t u r ec y c l ea n dc a l c u l a t e sa n dc o m p e n s a t e st h ep h a s eb ys o r w a r ed e s i g n t h o u 曲t l l i s l i i 垒垒竺 一 硕士学位论文 d e s i 乳m es y s t e mc 距c o m p l e t e 咖c o l l e c t i o 玛c o m p u t 啦，c o r l 仃o l l i n gi no n ec y c l e ， r e a c t i o ns p e e d 、m e a s u r e m e n t 锄dc o n n o la c c u 唿c yh a v eb e e ng r e a t l ye n h a i l c e d 1 1 0 u 曲 f i e l de x p c 咖e n t s ，t 1 1 er e s u l t ss h o wm a tm ed e s i g no f 也eh a r d w a r ea n ds o 矗w a r ei s r e a s o n a b l e ，i t sp e r f b 珊a i l c ei s 北出l e ，i tm e e t sm e e x p e c t e dd e s i 盟r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ： r e a c t i v ep o w e rc o n 驴n s a t i o n c o n 廿o l s t r a t e g y f f tl 0 w c o s t a n d h i g h p r e c i s i o nm s p 4 3 0 f g 4 6 l8 硕士学位论文基于m s p 4 3 0 的动态无功补偿控制器的研究 1 绪论 1 1 动态无功补偿控制器的研究意义 随着社会科技的不断发展，越来越多的电器类产品被运用到人们生活的方方面 面，一方面这的确给人们的生活带来很大的便捷，另一方面这也对电能产生了极大的 依赖。全世界每年消耗的电能数量是极其惊人的，能源问题越来越突出。面对可以利 用的资源越来越少的境况，解决能源问题主要有两条途径，一是不断探索新的能源， 以便可以替代现有的能源，二是节能，要尽一切可能提高有限能源的利用率，降低损 耗【u 】。研究动态无功补偿控制器正是基于节能的目的，动态无功补偿控制器的投产 使用能有效降低电能损耗，提高电能源的利用率。同时，动态无功补偿控制器还能稳 定供电电网，这也满足了各行各业日渐增长的对供电质量和供电可靠性的要求。 在电力系统中，交流电在通过容性或感性负载的时候，它没有消耗电能，只是 为负载的正常运行提供了有效的电磁场，并没有做功，这就是无功功率1 3 ，4 j 。无 功功率对公用电网有很大危害，会造成多方面的影响： ( 1 ) 增加电力控制设备的容量，增加电网供电成本； ( 2 ) 增加供电线路的综合损耗以及用电设备的电能损耗； ( 3 ) 增大电网的电压降，影响电网系统电压质量。 在实际电网运行当中，有相当多的元器件会消耗无功功率，这其中包括大多数的 网络元件以及生活、工业负载中的阻感性负载，如异步电动机、电弧炉、轧钢机，以 及大多数的家用电器等，这些都是比较典型的阻感性负载。这些负载在正常运行的过 程中会额外产生较大的冲击性无功功率，这将会导致电网电压波动厉害。这些阻感性 设备是产生电网系统无功功率的主要来源，其产生的无功功率大大影响电力系统的供 电质量，同时也损耗了大量的电能，造成电能源的无谓损失【5 】。 如果负载产生的无功功率不能有效、实时进行补偿，为满足用户对供电质量的要 求，电力系统就必须得增大供电线路和变压器的容量，这样不仅会增加系统供电投资、 降低供电设备的利用率以及增加线路损耗，还会降低电力系统的供电能力，恶化电网 的供电质量，其带来的损失将是巨大的，因而必须进行无功功率的补偿。无功功率补 偿控制器在电力供电系统是一个很重要的环节，其能够起到提高电网的功率因数、降 低电能损耗、提高供电效率、改善供电质量的作用，合理使用响应速度快、精度高的 无功补偿控制器可以大大降低电网无功损耗，改善电网用电环境1 6 j 。无功补偿控制器 拥有广阔的应用市场，无功补偿的研究具有很大的应用意义。 1 2 低压配电网动态无功补偿的原理和补偿方式 l 绪论 硕士学位论文 1 2 1 无功补偿原理 在低压配电网系统中，系统的功率因素直接影响了电网系统的供电质量。在输送 电线路中感性负载会消耗其中一部分电能，这样会造成端电压降低、功率因素角增大， 因而其无功功率会增加，功率因素会降低，大大影响了供电质量【7 1 。为解决这一问题， 把具有容性负荷的装置与这些感性负载并联接在同一电路中，利用容性负载的充、放 电功能，将会有效补偿产生的无功功率。将感性负载等效成电阻尺和电感三串联，并 联电容补偿无功功率的电路如图1 1 所示： - - - - - - - - - r 图1 1 并联电容补偿无功功率电路图 并联接入电容c 之前，功率因素c o s 妒= 1 三竺薯，其中丘= 础。如图1 1 所 、r + 义： 示，接入电容c 之后，电路的电流方程为： ，= ，c + ，r l( 1 1 ) 无功补偿前后向量的变化情况如图1 2 所示： l ， _ - ， 图1 2 无功补偿前后向量图 由图1 2 可以看出，仍 仍，并联容性负载后，电压【，和电流j 之间的相位差变 小了，这会提高供电系统的功率因素。由此可以得出结论：将具有容性功率负荷的装 置与电网中的感性负载并联在同一电路中，电能会在容性和感性负载之间相互交换， 感性负载所需要的无功功率可以由与之并联的容性负载补偿，可以有效地提高系统的 功率因素，这就是无功补偿的基本原理【引，而这类与感性负载并联的具有容性功率负 2 硕士学位论文基于m s p 4 3 0 的动态无功补偿控制器的研究 荷的装置就是本文所研究的动态无功功率补偿器。 1 2 2 无功功率补偿的方式 在电网运行当中，无功补偿控制器补偿方式多种多样，可以安装在各地的变电所 中，以补偿由于输送线路的综合损耗和网络元件的损耗所产生无功损耗，也可以安装 在用电设备比较集中的工厂车间或者各个生活小区等等，一般来说，按照并联电容器 安装位置的不同，无功补偿的方式一般有三种，每种补偿方式电容器组的安装位置与 补偿特点如表1 1 所示： 表1 1 无功功率补偿方式电容器组的安装位置及补偿特点 补偿方式电容器组安装位置补偿特点 集中补偿装设在总降压变电所的 用以提高整个变电所的功率因素，可 高压母线上。 以减少输送线路的综合损耗，同时也 能改善该地区的用电环境。 分组补偿装设在高功率设备比较是最常用的一种补偿方式，它灵活性 集中的工厂车间或生活强，补偿效果显著。 小区的配电所母线上。 就地补偿独立装设在需进行无功不仅可以提高电感性用电设备的功 补偿的电感性用电设备率因素，节约电能，还能提高设备的 周围。使用寿命。 在实际安装动态无功补偿控制器时，一般来说是以分组补偿为主，以降损为主要 目的，但具体选择哪种补偿方式则需要根据现场的情况来进行判断。在全面分析现场 用电状况以及用电设备的无功损耗后，需综合考虑这三种补偿方式的补偿特点，统一 规划，合理布局，做出最合理的无功补偿方式选择，这样才可取得最好的经济效益【9 1 。 1 3 国内外无功补偿控制器研究的发展及现状 上世纪3 0 年代，同步调相机( s c ) 是电力系统无功功率补偿的主要装置，它可 以根据电机不同的工作状况产生大小不同的无功功率，但是它存在噪声大、维护难、 速度慢等缺点，随着科技的不断发展，在越来越多的情况下它不能满足进行快速、实 时无功功率补偿的要求，已无法满足用户的需求u 。 7 0 年代后，静止性无功补偿装置( s v c ) 渐渐取代了同步调相机，这一时期的 静止无功补偿装置主要是饱和电抗器( s r ) 型的，其与同步调相机相比，具有响应 速度快等优势，但其工作过程中的噪声和电能损耗都很大，且其工作性能也不能很好 地满足用户需要，随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的普遍应用，使用晶闸 管的静止无功补偿装置应运而生，由于其较其它同类产品具有优良的性能，因而自问 1 绪论 硕士学位论文 世以来，就一直占住无功补偿市场的主导地位。使用晶闸管的静止无功补偿装置主要 包括晶闸管投切电容器( t s c ) 和晶闸管控制电抗器( t c r ) ，以及这两者的混合使 用装置( t c i h t s c ) 。 8 0 年代以来，随着电力电子技术的进一步发展，以及大量电子产品的出现及集 成，一种性能更为优越的静止性无功补偿装置研发成功并投入使用，这就是静止无功 发生器( s v g ) ，它是一种采用自换向变流电路的静止无功补偿装置【1 1 】，其性能较之 前同类产品有很大提高。 我国对无功补偿控制器的研究较晚，8 0 年代后才自主研发出自己的产品，和国 外无功补偿技术相比有较大的差距，但经过近年的研发及技术创新，这一差距正在渐 渐缩小。 综合对以上几种动态无功功率补偿控制器的各项性能进行比较，得到的比较结果 如表1 2 所示【1 2 】： 表1 2 各种动态无功功率补偿控制器的性能比较 同步调饱和电晶闸管投晶闸管控混合型静止补静止无功 相机抗器切电容器制电抗器偿器发生器 ( s c )( s r ) ( t s c )( t c r )( t c r + t s c )( s v g ) 吸收无功连续连续 分级 连续连续连续 响应速度较慢较快较快较快较快快 谐波电流无大无大大小 控制简单不控较简单较简单较简单复杂 分相调节有限不可以有限 可以可以可以 噪声大大小小小小 损耗大较大小 适中 小小 1 4 本文的研究背景 通过对市场上动态无功补偿控制器使用情况的调研，发现各行各业对于动态无功 补偿控制器的需求量是很大的，但限于现有无功补偿控制器存在的一些缺陷，很多企 业都限制使用这类产品。通过仔细分析，总结出现有动态无功补偿控制器主要存在以 下几个问题： ( 1 ) 测量精度不高。一般来说，动态无功补偿控制器的使用环境比较恶劣，受 到外界的影响很大，现有无功补偿控制器的抗干扰能力较差。另外，现有无功补偿控 制器对电网参数的测量以及无功功率、功率因素的计算方法都存在一些有待改进的地 方。这些因素的存在，大大降低了补偿控制器的测量精度，现有无功补偿控制器的测 量精度一般都是o 5 ，难以满足企业降低电能损耗的要求，测量精度有提高的空间。 ( 2 ) 并联电容器损坏严重。由于控制策略选择不当等因素导致无功补偿控制器 4 硕士学位论文基于m s p 4 3 0 的动态无功补偿控制器的研究 的控制做出错误的判断，从而导致电容器频繁的投切，这直接导致了电容器损坏严重， 降低设备使用寿命，造成了无谓的经济损失。 ( 3 ) 价格过高。一般来说，企业对这类控制器的需求量是相当大的，不仅总配 电终端需要配置无功补偿控制器，功率较大的用电设备也需要配备这样的装置，以补 偿其无功损耗，控制器的价格过高增加了其使用成本，很多企业会选择放弃安装此类 装置，这很不利于动态无功补偿控制器的普遍使用，也就不能很好的降低能源损耗。 随着电子产品的更新换代，以及电力技术的日益成熟，一批性价比高的电子产品 应运而生，它们的测量精度、集成度等都有了很大提高，其价格却是大大降低。同时， 很多相关技术、计算方法也得到进一步的发展，系统的控制精度也得到了很大提高， 这些因素都给改进现有产品的性能提供了一个可靠的基础。再结合无功补偿控制器的 使用需求以及现有装置存在的缺陷，研发生产一套价格更低、精度更高、寿命更长的 无功补偿装置是很有必要的。新产品的研发成功，将会大大降低产品的使用成本，同 时也可以提高电网的功率因素，降低电能损耗，提高电压质量，因而，动态无功补偿 控制器的研发意义重大。 1 5 本文研究的主要内容 结合国电南自公司“基于m s p 4 3 0 的动态无功补偿控制器的研究”的产品研究项 目，在查阅大量中外文科技文献的基础上，围绕动态无功补偿控制器的研发主要进行 了以下几个方面的工作： ( 1 ) 分析了无功补偿的工作原理，对各种无功功率动态补偿控制器的各项性能 进行综合的对比。 ( 2 ) 分析现有动态无功补偿控制器的优、缺点，以及针对其所存在缺点提出改 进措施，提高其工作性能。 ( 3 ) 本设计以m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 单片机为核心元件，围绕它对无功补偿控制器进 行全面的硬件电路设计，包括对电网中电压、电流等模拟信号的采集、数据的a d 转换、电流的强弱转换、数据存储、人机交互、输出控制以及通讯等模块，完成元器 件的选型和具体硬件电路设计等，并给出具体的设计原理图。 ( 4 ) 按照设计完成的电路原理图，给出详细的系统工作流程图，并结合动态无 功补偿控制器所要求达到的性能指标完成对整个控制器的软件编辑，包括模拟信号采 集、a d 转换、历史数据存储、人机交互、对数据进行计算和判断以及通讯等部分。 ( 5 ) 对动态无功补偿控制器进行全面调试，判断是否满足预定的性能要求，如 果出现问题则对控制器的软、硬件进行综合修改，直至满足设计要求为止。 ( 6 ) 对动态无功补偿控制器进行全面优化，使控制器的性能更加稳定，控制更 加精确，操作更加便捷。 5 2 动态无功补偿控制器的总体设计 硕士学位论文 2 动态无功补偿控制器的总体设计 针对无功功率的诸多危害以及无功补偿的必要性，以下结合一个案例理论分析其 无功补偿后的经济效益。 某配电站变压器额定容量是3 5 0 k v a ，功率因素为o 8 ，日平均负荷为2 4 5 k w ，平 均线损率是9 。使用动态无功补偿控制器后功率因素提高到0 9 5 ，分析该配电站安 装动态无功补偿控制器后的经济效益： ( 1 ) 减少变压器容量值丛= s ( 1 - 曩) = 3 5 0 ( 卜軎羹) = 2 8 8 ( k 瑚) ( 2 1 ) ( 2 ) 线路损耗下降率战= 【1 一( 兰) 2 】1 0 0 = 2 9 ( 2 2 ) ( 3 ) 节约线损p = 2 4 5 9 2 9 = 6 4 ( k 缈)( 2 3 ) 年平均节电量：形= 6 4 2 4 3 0 0 = 4 6 0 8 0 ( k 聊1 ) ( 2 4 ) 通过动态无功补偿后变压器的负载能力得到了有效提高，同时也能降低电网的线 路损耗，节约电能源效果显著。为解决现有控制器存在的一些问题，本文基于低成本、 高功效的理念设计一套动态无功补偿控制器。 2 1 动态无功补偿控制器的整体功能结构设计 一套装置的设计，核心控制元件的选择至关重要，由于动态无功补偿控制器的工 作环境是接入电网中，其需要处理的是数量庞大且不断变化的各类电网数据，这就需 要控制元件具有高性能的模拟技术并具备极强的数据处理能力和精确的控制能力，以 便能够快速而准确地将电网中的模拟参数量转换成数字参数，并进行快速的计算及发 出准确的控制指令【1 3 】。因此选用m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 单片机，它价格适宜，处理能力强， 能够快速计算庞大的数据，另外其具有丰富的片内资源，使用方便，其内嵌的a d c 、 液晶驱动等模块也精简了电路的整体设计【1 4 1 ，能够有效降低生产成本，符合拟定的低 成本、高功效的原则，满足本动态无功补偿控制器的设计要求。 m s p 4 3 0 f g 4 6 18 是一款超低功耗的1 6 位工业级混合信号处理器，其具有相当突 出的优点：其功耗低，工作性能稳定：数据计算能力强、速度快；片内资源很丰富， 集成有a d c 、液晶驱动等多个模块，其中a d c 模块数据转换速度可以达到2 0 0 k b s ， m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 单片机的管脚图和原理框图如图2 1 、图2 2 所示【l 毛州： 6 硕士学位论文 基于m s p 4 3 0 的动态无功补偿控制器的研究 图2 2m s p 4 3 0 f g 4 6 18 原理框图 本课题拟研究的动态无功补偿控制器主要适用于2 2 0 矿2 0 的低压电网环境， 采取的方式主要是分组补偿和就地补偿。本动态无功补偿控制器基于m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 单片机，采取软硬件协同设计的方法。由于该单片机本身功能的强大以及其丰富的片 内外设，所以将降低成本、提高精度重点放在软件设计上，包括算法的改进、控制策 略的优化等。整个无功补偿控制器的设计主要分为三个部分：检测部分、控制部分及 执行部分，控制部分是核心部分【l 7 ，l 引。其逻辑关系如图2 3 所示： 图2 3 无功补偿控制器逻辑关系图 检测部分：主要是对电网中的u 。、吼、u 。、l 、，6 、，。等电网参量的测量与 7 2 动态无功补偿控制器的总体设计硕士学位论文 记录，其中包括电流互感器、电压互感器、强弱信号转化电路、对电网谐波的隔离与 滤波以及精确的a ，d 转换等。 控制部分：它的主要功能是对输入进来的电压、电流等参数进行存储以及相关的 运算，计算出相应的有功功率和无功功率，从而根据控制策略做出准确的判断，发出 指令控制电容器组的投切；另外其还会监测并保障整个无功补偿装置的安全运行，当 出现电压超限或者三相电压、电流缺相等情况，会及时发出控制指令，将电容器组全 部断开，以免造成电容器的损坏甚至整个电网系统的瘫痪。 执行部分：主要就是根据控制单元发出的控制指令，作出相关的熔断器的熔断和 电容器组的投切等动作。 动态无功补偿控制器具体细分为：电参量测量模块、电网参量计算模块、电容器 投切控制模块、键盘和显示模块、数据存储模块、通讯模块以及辅助模块【1 9 】，其整体 功能结构如图2 4 所示： 图2 4 动态无功补偿控制器总体结构图 动态无功补偿控制器的工作原理为：控制器接入电路后，动态无功补偿控制器开 始工作，公用电网的三相电压、电流通过电压、电流互感器输入到电网参量测量模块， 该模块对公用电网进行电信号的强弱转换，转换成符合数据采集单元使用要求的电信 8 硕士学位论文基于m s p 4 3 0 的动态无功补偿控制器的研究 号，再经过a ，d 转换进行数据采样，m c u 根据采集、转换的电压、电流值进行计算， 得到电网系统的功率因素、无功功率等参数。用户通过键盘模块设定投入门限、切除 门限等门阈值，将计算得到的参数值和用户设定的门阈值进行比较，根据控制策略， 做出准确判断，确定电容器组的投切。随后，由投切命令控制驱动电路，再由驱动电 路控制负荷开关在电压为零时投入电容器，在电流为零时切除电容器，对电容器组进 行相关控制【2 0 1 。有效改善电压质量，提高功率因素，减少网络中的无功功率，降低电 能损耗。 2 2 动态无功补偿控制器的整体功能流程设计 动态无功补偿控制器整体功能流程设计如图2 5 所示，由电网参数测量模块、电 网参数计算模块、键盘模块、数据存储模块、投切模块、通讯模块等几个模块组成【2 l 】。 图2 5 系统整体功能流程图 9 2 动态无功补偿控制器的总体设计 硕士学位论文 2 3 动态无功补偿控制器的系统性能设计指标 ( 1 ) 基本参数 电源电压：a c 2 2 0 v 士2 0 ； 电源频率：5 0 h z 士5 ； 取样电压：a c 2 2 0 v | 士2 0 ； 取样电流：o 5 a ； 取样电压回路功耗： o 1 w 相； 取样电流回路功耗： 0 5 、w 相； 取样电压回路过载能力：1 2 倍额定电压连续工作； 取样电流回路过载能力：2 倍额定电流连续工作，2 0 倍额定电流连续工作1 0 s 。 ( 2 ) 测量精度 电压：士0 2 ； 电流：士0 2 ； 功率因数：士1 0 ； 有功功率：士o 5 ； 无功功率：士o 5 ； 谐波电压含有率：士o 5 ( 2 1 5 次) ； 谐波电流含量：士o 5 ( 2 1 5 次) 。 ( 3 ) 投切响应时间：不大于2 0 m s 。 ( 4 ) 控制参数：灵敏度5 0 m a 。 ( 5 ) 通讯 物理接口：r s 4 8 5 i 峪2 3 2 ； 通讯规约：m o d b u si 删； 波特率：9 6 0 0 b p s ； 通讯方式：现场点对点或远程联网通讯； 现场采用数据采集器或笔记本电脑； 远程采用台式机或工作站。 ( 6 ) 工作环境条件 环境温度：一5 4 0 ； 相对湿度：4 0 时2 0 9 0 ； 大气压力：7 9 5 1 0 6 0 l 【p a ( 海拔2 0 0 0 m 及以下) 。 2 4 结论 l o 硕士学位论文基于m s p 4 3 0 的动态无功补偿控制器的研究 通过详细搭建动态无功补偿控制器的整体功能结构设计框架、整体功能流程设计 框架以及分析相关的性能指标，具备用户需要的实时显示电网系统的电压、电流、功 率因素、无功功率等值的操控界面，并可根据不同的使用环境实时设置其工作模式、 过压值、电容值、投入门限、切除门限等参数的输入窗口。本无功补偿控制器选用 m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 为控制核心，采用软、硬件协同设计的方法，实时检测电网三相电压、 电流、功率因素、有功功率、无功功率等运行数据，为电网的后期综合管理提供第一 手数据。根据检测的电网参量计算电网系统无功功率及功率因素的大小，初步设定控 制策略采用复合开关投切并联电容器组，来补偿电网的无功功率。 本动态无功补偿控制器集无功补偿控制、电容器保护于一体，主要用于分组补偿 和就地补偿中，可以有效补偿电网中的无功功率损耗，提高电能使用效率，提高电网 电压质量，可广泛的应用于大功率用电设备比较集中的企业、工厂，也可用于低压配 电网终端以及各生活小区，其性能较以往的同类型产品将会有一个比较明显的提高。 3 动态无功补偿控制器的理论分析 硕士学位论文 3 动态无功补偿控制器的理论分析 动态无功补偿控制器接入电网运行后，通过控制器的强弱信号转换电路以及a d 转换模块会获取实际电网的三相电压、电流数据，这两类数据不能供控制器做出正确 的电容器投切判断；控制器主要是根据电网系统的无功功率和功率因素这些参数来判 断是否需要投切电容器组、需要投入多少容量的电容；因而需要推导出无功功率和功 率因素的计算公式，从而根据采集的电压、电流数据来实时计算电网的无功功率和功 率因素，以供无功补偿装置控制所用。其它补偿器的控制策略忽略谐波过大对设备寿 命的影响，为了改善控制策略，需要推导电网谐波的相关计算公式并进行详细的分析。 在单片机进行实际的电网参数计算时，仅有其计算公式是不够的，还需要选择一种适 宜的数字信号处理方法来对采集的数据进行计算和分析，f f t 算法是如今处理数字信 号最有效的方法之一。本设计拟将实序列f f t 算法引入到电力行业的具体运用中， 其计算速度快，能够准确而快速地处理数据繁多的电网数据，还能测量出电压电流的 基波和各次谐波的幅值和相位以便实时进行相位补偿，可以有效提高测量精度。 3 1 电参量分析研究 无功补偿控制器的研制主要目的是为了补偿无功功率、提高功率因素，首先分析 这两者的理论计算公式，给出无功功率和功率因素的计算结果。 正弦电路是最理想的电网工作模式，无功功率和功率因素的实际计算正是基于正 弦电路的基础之上，首先分析正弦电路的无功功率和功率因素计算公式。 在正弦电路中，设电网的电压和电流可分别表示为： 材= 函s i n 耐 ( 3 1 ) f = 2 ，s i l l ( 耐一妒) = 2 ，c o s 妒s i i l 耐一2 ，s i n 9 c o s 耐= f p + ( 3 2 ) 式中9 为电流滞后电压的相位角捌。 电路中的有功功率p 是整个电路的平均功率，有功功率可表示为： 尸= 去卜刃( 耐) = 去弛+ 唧拟) = c 唧 ( 3 3 ) 同理，电路的无功功率可表示为： q = s i i l 9( 3 4 ) 电路的视在功率可表示为： s = 凹 ( 3 5 ) 功率因素可表示为： 1 2 a ：昙：c 唧 s ( 3 6 ) 在公用电网的实际运行中，由于电网谐波以及外界的影响，电网电路不会是完整 的正弦波形，基于正弦电路的基础上，再分析非正弦电路中无功功率和功率因素的计 算公式。 非正弦电路的有功功率是电路的平均功率，其计算公式为： p = 去f “删( 硼= 二玑l c 。s ( 3 7 ) 再分析非正弦电路电压、电流的有效值，其可分别表示为： u = 蓐 i = 辱 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 基于正弦电路中视在功率和无功功率的计算公式可以推导出非正弦电路中视在 功率和无功功率的计算公式： - 几一 s = 研2 1 善四1 善e ( 3 j o ) q ：后c 可 ( 3 1 1 ) 设非正弦电路中电压的有效值为u ，有效电流为，电路中基波的电流有效值 及与电压相位角分别为| f l 和妒- ，n 次谐波电流有效值为l ，可以有以下推导结论： p = 明l c o s 妒l ( 3 1 2 ) 绣= s i n 妒l ( 3 1 3 ) s 2 = u 2 j 2 = u 2 矸+ u 2 e ( 3 1 4 ) d 2 = s 2 一尸2 一q ；= 【，2 ( 3 1 5 ) 九= 昙= 三竺吕笋= 争c 。s 9 ，。3 ，6 ，s ， 一 ( 3 1 6 ) 式中，q ，是非正弦电路基波产生的无功功率，d 是谐波产生的无功功率2 3 1 。 3 2 谐波计算理论分析 谐波的计算主要包括含有率、畸变率等几个参数指标，以下进行详细的电网谐波 理论分析。 在电网系统中，正弦电压可表示为： 材“) = 2 【厂s i n ( ，+ a ) ( 3 1 7 ) 式中u 为电网电压有效值，a 为初相角，为角频率。 实际情况中，电网不会是完整的正弦波，在非正弦电压电路中，电路电压可分解 为如下傅里叶级数形式： 1 3 3 动态无功补偿控制器的理论分析硕士学位论文 材( 耐) = 口o + ( 口。c o s 玎耐+ 6 。s i n 刀耐) ( 3 1 8 ) 首先分析电网谐波电压和电流含有率计算公式。n 次谐波电压含有率以舰玑表 示： 舰u = 鲁1 0 0 ( ) ( 3 1 9 ) 式( 3 1 9 ) 中以为第n 次谐波电压的有效值，u 为基波电压的有效值。 同理可得，n 次谐波电流含有率月彤。= 等1 0 0 ( ) ( 3 2 0 ) 1 式( 3 2 0 ) 中l 为第n 次谐波电流的有效值，l 为基波电流的有效值。 电网谐波电压含量u 和谐波电流含量，h 的计算公式分别为： = ( 3 2 1 ) yn = 2 - = 、e ( 3 2 2 ) y 一= 2 电网电压谐波总畸变率觋和电流谐波总畸变率印，的计算公式分别为： 觋= 瓷1 0 0 ( ) ( 3 2 3 ) 珏哆= 孚1 0 0 ( ) ( 3 2 4 ) l 在实际电网谐波计算中，只要将相应的电压和电流实际值代入到上述公式中，就 可以计算出电网谐波的电压和电流的含有率、畸变率等几个参数指标值，为动态无功 补偿控制器的控制部分发出准确的控制指令提供依据【2 4 ，2 5 1 。 3 3 实序列f f t 算法研究 无功功率、功率因素及电网谐波的计算是保证无功补偿控制策略准确而成功执行 的前提条件，精确而快速的无功参数计算可以极大地提高无功补偿系统性能。快速傅 里叶即f f t 算法是一种被广泛使用的数字信号频谱分析方法，其在原有的傅里叶算 法基础上进一步优化，大大降低了运算量，可靠性更强。使用f f t 算法能够将数字 中电压或者电流信号的基波以及谐波分量全部分离出来，测量精度很高。由于电网系 统中电压、电流等参数数目庞大，且实时变化，结合f f t 算法本身的优点，本设计 拟将f f t 算法具体运用到电网的实际应用中，推导出电网无功功率、功率因素等参 量的f f t 算法公式【z 6 j 。 本动态无功补偿装置需要测量的是电网各次谐波的电压和电流幅值，即进行运算 的是实数而不是复数，为减少运算量和提高计算精度，本设计具体采取的是实序列 f f t 算法。针对测量数据都是实数的情况，一般是构造一个虚部为零的复序列，f f t 1 4 硕士学位论文 基于m s p 4 3 0 的动态无功补偿控制器的研究 计算还是按复序列进行计算的，无疑将会浪费电脑内存，降低电脑计算速度，这将大 大影响动态无功补偿控制器的性能，因而本设计采用了两实合一复的实序列f f t 算 法，即将电压量当作实部，电流量当作虚部，然后再通过公式计算将这两部分分离开 来的算法。 基于实序列f f t 算法的电网参量计算法法，其最重要的环节是根据采集到的电 网电压、电流值分别对电压和电流做实序列f f t 运算，分离出其基波和各次谐波电 压和电流的幅值和相位值，再根据分离得到的这些数据来计算电网无功功率及功率因 素等参量值【2 7 1 。以下为电网无功功率、功率因素等参量的实序列f f t 算法计算公式 推导。 假设同时采样点电压序列 甜0 ) ) 和电流序列 f ( 刀) ) ，构造复序列： x ( 刀) = “( 刀) + _ ，f ( 刀) ( o 疗s 一1 ) ( 3 2 5 ) 对复序列 x ( 刀) ) 进行离散傅里叶变换： _ ，一1 x ( 七) = 肼r 【x ( 刀) 】= 【工( 玎) p 叫2 刑腻】 ( 3 2 6 ) 0 由式( 3 2 5 ) 可得： 。一 r1 l 材( ，1 ) = 去【x ( 刀) + x ( 刀) 】 ： ( 3 2 7 ) lf ( 刀) = x ( 以) 一x ( ，1 ) 】 l z ， 再对式( 3 2 7 ) 进行离散傅里叶变换，可得到其电压、电流的频谱为： d 置2 舅u c k ， 。2 9 ， 卜等睢， 一 则可以得到各次( 1 k 譬一1 ) 谐波电压、电流的有效值( u 置，茁) 和有效功 吣击厄面而而而诼瓦而 ( 3 3 0 ) k 赤厄而丽而而丽而丽( 3 3 1 ) o o2 一 b 妨 名 叫 一 m u 弋 o 卜 d r l k上巧 ” ” 删 啪 3 动态无功补偿控制器的理论分析 硕士学位论文 乓2 寺 x r ( k ) z l ( 一k ) + x l ( k ) 。x r ( 一k ) 】 ( 3 3 2 ) 式中x r ( k ) 和x 。( k ) 分别为构造的复序列x ( k ) 的实部和虚部。则电压和电流的 有效值分别为： 拈善u 三 ( 3 3 3 ) 卜1 荟，三 ( 3 3 4 ) 根据电压、电流的有效值可以得到以下结果： 尸= ( 3 3 5 ) s = u - ， ( 3 3 6 ) q ：厨 ( 3 3 7 ) c o s 砂=