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广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：泰、虱掴， 叫。年月冲日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 留即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签罐。虱穗，导师签名 oc 戽么月2 oe t 基于d s p 的r s c 型无功补偿装置控制器的研究 摘要 近年来随着各种感性用电设备的广泛使用，从电网中吸取的无功功率也 大量增加，造成线路损耗增加，供电质量降低，影响输电系统的稳定。这 些问题可通过无功补偿来解决。但目前无功补偿装置主要依赖于进口，研 究具有自主产权的无功补偿装置及其控制器对我国电网稳定高效运行有着 重要现实意义。本文对基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的硬件系统和软 件系统进行了研究。 硬件系统部分：( 1 ) 选用d s p 作为核心处理器提高控制器的运行速度。 ( 2 ) 电流、电压互感器全部采用电流型互感器增强控制器的适应性。( 3 ) 为提高计算精度，首先利用数字采样电路对电网相关参数进行测量，其次 利用倍频电路保证电压和电流采样周期与电网频率同步。( 4 ) 使用固体继 电器作为投切开关，使控制过程简单快捷。( 5 ) 为满足各种场合需要，系统 采用多种方式将相关数据提供给用户。 软件系统部分包括d s p 处理软件和用户界面。d s p 处理软件主要完成 两大功能。第一，计算功率因数，并以此作为电容组投切控制依据，控制 器采用模糊控制的方法，无需准确建模即可使整个投切过程简单、快速、 准确；第二，谐波分析，谐波超过阈值时，将电容组全部切除，谐波分析 算法采用纯实数的f f t 节约算法和d s p 资源相结合的方法，速度可提高一 倍。用户界面部分包括液晶显示和p c 后台程序显示两种方式。 经过对本控制器的仿真、测试，结果表明本控制器运行正常，补偿控制 效果明显，可以在o 3 秒内将功率因数稳定到o 9 7 以上。 关键词：无功补偿t s c 谐波检测模糊控制器d s pf f t r e s e a r c ho nc o n t r o l l e ro ft s cr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nd e v i c eb a s e do nd s p a b s t r a c t r e c e n t l yt h en e e do fr e a c t i v ep o w e rh a sb e e ni n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yi nt h eg r i d w i t hi n d u c t i v el o a d w i d e l y u s e d i ti sw e l l k n o w nt h a tr e a c t i v e p o w e r t r a n s m i s s i o ni nt h eg r i dw i l li n c r e a s et h el i n el o s s e s ，w o r s e nt h eq u a l i t yo f p o w e rs u p p l y , a n da f f e c tt h es t a b i l i t yo ft h ew h o l et r a n s m i s s i o ns y s t e m t h e p r o b l e mc a nb es o l v e db yu t i l i z i n g r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n d e v i c e h o w e v e r , t h ed e v i c e sm a i n l yr e l yo ni m p o r ti nc h i n a i ti sm e a n i n g f u lt od e v e l o p a n dr e s e a r c hr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c ea n dt h ec o n t r o l l e rw i t h i n t e l l i g e n tp r o p e r t y t h ed e s i g no ft h y r i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r ( t s 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 d e v i c eb a s e do n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) i s d e s c r i b e di nt h i st h e s i s t h eh a r d w a r ei sm a d eu po ft h ef o l l o w i n gp a r t s ：1 ) d s p , w h i c hi su s e da st h e c o r ep r o c e s s e rt os p e e du pt h ec o n t r o l l e r ；2 ) c u r r e n tt r a n s f o r m e r s ，w h i c ha r eu s e d t oi m p r o v es y s t e ma d a p t a b i l i t y ；3 ) i no r d e rt oi m p r o v ea c c u r a c y f i r s t l yd i g i t a l s a m p l i n gc i r c u i ti sa d o p t e df o rm e a s u r i n gr e l a t i v ep a r a m e t e r so fg r i d ，t h e nt h e f r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o nc i r c u i ti s u t i l i z e dt om a i n t a i nt h es y n c h r o n i c i t yo f s a m p l i n gp e r i o do fv o l t a g ea n dc u r r e n tw i t hg r i df r e q u e n c y ；4 ) t h es o l i d s t a t e r e l a y i su s e da ss w i t c hf o rf a s t p r o c e s s 5 ) m u l t i p l ew a y si s a d o p t e df o r d i s p l a y i n gd a t at ou s e r si nv a r i o u so c c a s i o n sb ys y s t e m ( 2 ) t h es o f t w a r ec o n s i s t so fd s pp r o c e s s i n gp r o g r a ma n du s e ri n t e r f a c e i i m o d u l e s t h ep fc a l c u l a t i o na n dh a r m o n i c sa n a l y s i sa r ei m p l e m e n t e db yd s p p r o c e s s i n g t h eq u a n t i t yo fs w i t c h e dc a p a c i t o ri sd e p e n do nt h ep f t h e c o n t r o l l e rw i t hf u z z yc o n t r o lc a nm a k et h es w i t c h e dp r o g r e s s e a s ya n df a s t w i t h o u ta c c u r a t em o d e l b e s i d e s ，t h ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r sc a nb er e m o v e d w h e nh a r m o n i c se x c e e d st h et h r e s h o l d t h ec o m b i n a t i o no ft h es a v i n ga l g o r i t h m o ft h er e a lf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) a n dd s pr e s o u r c e sc a nd o u b l et h e r u n n i n gs p e e d t h ep a r a m e t e ri n f o r m a t i o no fg r i di sd i s p l a y e d f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o na r ec a r r i e do n t h ee x p e r i m e n t a la n d s i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e ro p e r a t e sn o r m a l l ya n dc o m p e n s a t e s e f f e c t i v e l y , w h i c h c a nm a k et h ep fo v e ro 9 7i n0 3s e c o n d s k e y w o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；t s c ；h a r m o n i cd e t e c t i o n ； f u z z yc o n t r o l l e r ；d s p ； f f t 、 i i i 目录 摘要i a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 本课题的研究背景和意义1 1 ，2 无功补偿的研究现状2 1 3 无功功率补偿基本原理3 1 4 本论文的研究内容6 第二章相关理论研究7 2 1 工频参数的数学表达式7 2 2 电网参数数字取样测量原理7 2 3 离散化后的测量误差分析8 2 3 1 周期误差分析8 2 3 2 截断误差分析1 0 2 4 数值取样法测功率因数原理1 1 第三章控制器的硬件部分设计1 3 3 1 控制器总体框图1 3 3 2 处理器的选择1 3 3 3 电源管理单元1 4 3 4j t a g 仿真接口15 3 5 电压电流采集电路设计1 6 3 5 1 电压采集电路设计1 6 3 5 2 电流采集电路设计1 6 3 6 模拟电压信号调理电路17 3 6 1 前置滤波电路1 7 3 6 2 信号提升电路18 3 6 3 器件的要求与选用1 9 3 7a d 参考电源设计1 9 3 8 倍频电路的设计l9 3 8 1 锁相环原理2 0 3 8 2c d 4 0 4 6 倍频电路2 0 3 9 通讯接口的设计2 1 3 1 0 液晶接口的设计2 2 3 1 1 外接电容接口的设计2 3 3 1 2 时钟电路和外扩e e p r o m 电路2 4 3 1 3 电容器投切单元2 4 3 1 4 电磁兼容和电路板设计2 5 i v 第四章系统的软件部分设计2 6 4 1 系统总的流程图2 6 4 2 电压电流采集程序设计2 7 4 3 人机交互界面2 7 4 4 模糊控制软件模块设计2 8 4 4 1 并联无功补偿模糊控制器设计原理2 9 4 4 2 基于m a t l a b 的模糊控制器设计2 9 4 5 实数f f t 程序模块的设计3 4 4 6 后台控制程序3 9 第五章测试与验证4 0 5 1 电网参数计算验证4 0 5 2 基于模糊控制电容投切策略的m a t l a b 仿真结果4 l 5 3f f t 运算结果4 4 5 4 串口通信验证4 8 5 5 样机运行效果4 9 第六章总结与展望5 l 参考文献5 2 致谢5 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录5 7 v l 广西大学硕士掌位论文基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 1 1 本课题的研究背景和意义 第一章绪论 随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，大量感性用电设备投入到电网中，导 致对无功功率需求大量增加，造成目前电网功率因数较低【卜。1 ；另外电力电子装置近年 来被广泛应用，但其功率因数相对较低，给电网带来过重负担，造成目前电网供电质量 明显下降，供电部门经济效益大幅降低【z 3 1 。因此，解决电网功率因数过低问题刻不容 缓，当前世界各国电力设计部门和相关决策人员公认为无功补偿技术是解决功率因数过 低问题的主要手段。在我国，电力投资整体规划中也增加了大量无功补偿装置的相应投 资，所以无功补偿装置已成为我国电力规划中一个关键环节【2 】。 在电力系统中，由于电网中多数元件与负载都要吸入不同的无功功率，故无功功率 对电网或负载稳定运行有着极其重要的作用【1 7 】。为满足电网中元件与负载对无功功率 的需求，电网必须在某个地方提供足够的无功功率【1 ，】。若这些无功功率全都由发电厂 提供，由于发电厂距用户一般较远，无功功率需长距离输送，这种做法既不合理又不可 行【lj 。现行工程上比较合理的方法是在需要吸入无功功率的地方利用其他装置产生无功 功率，即对无功功率进行补偿【1 - 3 , 5 8 1 。 对供电系统的无功补偿其作用主要体现在以下两个方面【1 3 1 ： 1 、提高供电系统的功率因数，可减少供电设备的容量，降低功率的损耗，提高供电 的效率，减少用户电费的支出。 2 、提高供电系统的功率因数，供电质量可得到有效提高，输电系统稳定性可得到有 效改善，同时输电能力可大幅提高。 目前国内电网中使用的无功补偿装置存在如下缺陷： l 、多数使用机械开关( 如接触器) 作为投切开关，在投切时会产生电弧或浪涌，从 而烧坏其触点，且速度也较慢。 2 、投切策略方面使用循环依次投切电容的方法，速度较慢、控制复杂，准确度低。 3 、功补偿装置和控制器主要依赖国外进口。电容投切有时会使谐波放大产生谐振， 而国内生产的控制器均没考虑谐波对其投切产生的影响。 基于以上分析，研究具有自主产权的无功补偿装置对保持电网稳定高效运行有着十 广西大掌硕士学位论文 基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 广西大学司北b 学位论文基于d s p 的t s c 型元功补偿控制a - 的研究 价格相对低廉、运行效果良好、可满足多数用户实际需求等诸多优点，故在目前电网中 逐渐被采用，特别是在工矿、钢铁企业等大型企业用户中拥有十分广阔的市场，所以 t s c 型无功补偿装置今后将成为国内无功补偿的主要装置【1 6 1 。 目前高级静止无功发生器在国外已经有所应用，但是仍处于研究阶段，设备运行不 够稳定。目前国内的高级静止无功发生器处于刚刚起步阶段，且电子器件多数依靠进口。 这种设备因为价格比较高昂，目前在中小企业中推广也比较困难【m 1 9 , 2 2 2 4 】。 在静止无功补偿装置控制策略研究方面，现在国内外有关研究人员都在进一步研究 可适用于各种输电补偿场合的控制策略与方法p 。近年来随着计算机技术的发展，现代 控制理论也得到了飞速发展，有些智能控制理论( 如模糊控制、人工神经网络以及专家 系统等) 已逐渐成熟，研究人员为了使s v c 装置的性能更加可靠，运行更加稳定，这 些理论很快被引入到s v c 控制策略中，但这些理论研究目前尚处于实验室研究阶段， 且在实际运用中还有诸多问题尚需解决。 1 3 无功功率补偿基本原理 无功补偿的基本原理是在同一个电路回路中，同时具有容性与感性两种负荷，感性 负荷释放能量时，容性负荷吸入相应能量；容性负荷释放能量时，感性负荷吸入相应能 量。无功补偿就是提供足够能量来满足感性和容性负荷之间的能量交换。图1 1 解释了 无功功率补偿的基本原型2 0 ，2 1 ，3 。 图1 - 1 无功功率补偿原理 f i g 1 1p r i n c i p l eo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n 在没有无功补偿前，感性负荷所需的无功功率q 全部由电源提供。现在使用一种容 广西大学硕士掌位论文基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 性的无功功率补偿装置对该电路进行无功补偿，补偿的无功功率为q c ，感性负荷从电源 中吸收的无功功率则减少为q = q q 。 视在功率s 与有功功率p 之比称为功率因数，用c o s ( 0 表示，其大小表示电源利用效率， 比值越大代表电源利用程度越高，其最小值为o ，最大值为1 。在功率因数为0 时，有功 功率也为0 ，表示负载和电源之间处于往返的无功功率交换状态，没有做任何有功功， 这时电源利用率最低，当功率因数为最大时，有功功率和视在功率相等，这时电源利用 效率最高。 根据电网电流的计算公式i = p ( u c o s e ) ，可知，在电厂发送功率不变的情况下， 功率因数越小，在线路中形成的电流就越大，则在线路中电能的消耗和整个电力系统的 消耗都会增大；与之相反，功率因数越大，线路中电流就会越小，损耗在线路中的电能 也会越少，从而供电效率得到提高。因此，在电力系统中力求功率因数接近于1 。根据 图1 1 ，通过增加容性无功补偿设备，系统功率因数由原来的c o s q ，提高到c o s q ，视在功 率由原来的s 减少到s ，于是有效地提高了供电效率与供电质量【2 0 2 1 ，3 。 图1 2 的电力系统模型解释了t s c 型无功补偿装置的原理。图中，负载端电压矾是由 交流电源u 。经变压器p t 后，再经线路电抗蜀后得到的电压，经过负载z 可以得到负载电 流j ，同时形成功率因数角矽，功率因数c o s 呼o 。 图! - 2 具有t s c 型无功补偿装置的电力系统 f i g 卜2p o w e rs y s t e mw i t ht s cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r s 电力电容器c 可在负载处经双向晶闸管开关t 接入或切除，根据电工学相关理论可知 电容器的容抗为五，= l ( 2 万f c ) ，电流丘为流入电容器c 的容性电流，其特点是超前负载 电压u 2 9 0 。，若选取合适的电容器c ，使之产生的容性电流乇恰好与负载感性电流易相 等，即 4 7 - - 西大学硕士掌位论文 基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 七= u 勉2 2 ，r f c u 25i o2i s i n t p ，c = i s i n a p ( 2 7 r f u 2 )( 1 - 1 ) 那么这个电流就可补偿负载的感性电流厶。若把电容器看做一个电流源，它向电网中输 出一乞的电流，根据其矢量图( 如图l - 3 所示) 可知一丘是滞后于9 0 。的电流，故可认 为是感性电流。综上所述，只要严格按式( 1 1 ) 选择电容c ，即可使电容器c 输出的感性 电流一丘的值完全与负载感性电流厶的值相等，电容器和感性负载并联后可等效为一个 纯阻性负载，故电网中的电流只有有功电流，即功率因数为l 。 通过以上过程可将电网的功率因数提高到l ，电网中只有有功电流，传输给负载的只 有有功功率p ，就最大限度地降低了功率损耗，提高了电能的利用率，改善了供电质量， 大大降低运行成本。 一i c 0 一 l ! p。 一 1r 、 图卜3 矢量示意图 f i g 1 - 3v e c t o rd i a g r a m 在图1 2 所示工作过程中，电容器c 相当于一个滞后无功功率发生器，提供滞后无功 电流。需要电容器投入电网进行无功补偿时，控制器使晶闸管在电压的正半波和负半波 都处于导通状态，从而使电容器投入电网；不需要无功补偿时，控制器使双向晶闸管在 电压的正半波与负半波都处于阻断状态，使电容器c 从电网中切除。可认为晶闸管是一 个能在电网中投入或切除电容器的开关。该系统补偿电网中无功功率的大小主要取决于 电容c 容量的大小所确定。由于电网中负载的无功功率大小会随时变化，若简单用一两 个固定容量的电容器做补偿，则无法得到良好的补偿效果。而电容器投入容量过多，无 功功率就会过渡补偿称为过补，功率因数也会小于1 ，同样达不到预想的补偿目标。因 此，最好的解决的办法是设置多个小容量的电容器，适时检测负载无功的情况，然后计 算出投入或切除不同容量的电容器，这样可以得到较好的补偿效果1 1 8 】。 广西大学硕士掌位论文基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 1 4 本论文的研究内容 l 、根据无功补偿的基本原理，本文对t s c 型无功补偿控制器的主要硬件电路的体 系结构、电路组成、元器件的选型等进行了深入的研究。其中重点讨论了如何利用倍频 电路保证电压和电流采样严格同步提高计算精度问题。 2 、深入研究了t s c 型无功补偿控制器的整个软件的组成，各个模块的功能。重点 研究了模糊控制器在无功补偿控制中应用程序的设计及实验，并详细说明了模糊控制相 关参数的选取依据。 3 、依据电网有关规定，控制器对电网1 5 次以内谐波进行分析，且谐波大于5 0 时， 将电容组全部切除。在谐波分析方面本文采用纯实数f f t 节约算法，并结合d s p 的资 源进行了优化设计。 4 、最后对样机的所有硬件和软件做了验证，结果表明，样机的所有硬件均可正常工 作，软件计算结果误差较小，控制准确无误。利用m a t l a b 对控制策略进行了仿真， 结果表明无功补偿效果明显，达到了预期的设计效果。 6 广西大学硕士掌位论文基于d s p 的t s c 型元功补偿控制器的研究 第二章相关理论研究 本章首先介绍了电网电压、电流、有功功率和瞬时无功的数字取样计算方法，其次 详细证明了利用数字采样计算功率因素方法的正确性。 2 1 工频参数的数学表达式 理解无功功率比理解有功功率困难，且目前无功功率在学术界定义也不统一，现在 主要有两种理论解释无功概念，分别是传统的无功理论与瞬时的无功理论。在传统的无 功理论中非常清晰与准确的描述了有功、无功和视在功率以及功率因数等概念。但当电 压含有谐波时，功率现象相对比较复杂，传统的无功理论则显得无能为力【l 】。瞬时无功 理论就能很好的解释这些问题，下面将从瞬时无功理论进行本课题的理论分析计算。 在工频信号电压下，若负载是线性负载时则其电压和电流的瞬时值可分别表示为 甜( ，) = 弛s i n ( ，z 研+ 吮) = l 砸) = 2 厶s i n ( n w t + o ) ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 式中，( 9 和丁分别表示基波的角频率和周期；丸和纯分别表示电压和电流的, 次谐波的 相移。乩和厶分别表示电压与电流船次谐波的有效值。 有功功率可表示为： 尸= 拍泖) f ( ，) a t = 手r s ( 纯圳( 2 - 3 ) 无功功率可表示为： 9 = 亍1r u s i n ( 纯一吮) ( 2 - 4 ) 视在功率可表示为： s = u 。l ， ( 2 5 ) 2 2 电网参数数字取样测量原理 测量工频的参数就是测量交流信号的有关参数，常规的测量方法主要分为模拟电路 测量法和数字采样法两种。模拟电路测量法只能测量有效值、功率等基本参数，精度较 7 广西大学硕士掌位论文基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 低且不能分析谐波；而数字采样测量法可对交流信号的所有参数进行测量、分析和计算。 随着微电子技术、半导体制造技术的快速发展，以及计算机技术的不断进步，数字采样 测量方法已成为电参量测量领域的一种重要方法f 3 8 1 。 采用用数字信号处理方法采样量化后，包含了三次谐波的电压、电流信号可表示为： “( 刀) ：l 风s i n ( 后缈以z + 么) i 1 (26)l 咖) = 弘s i n ( 尼缈门c + 体) 在式( 2 - 6 ) 中，量化采样的时间间隔为i ，每个周期内采样点数为，为了保证同步 采样，上面两个参数必须满足 t = 咽( 2 7 ) 其中，参数r 表示交流基波的周期。 将式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 和( 2 3 ) ，利用积分学的知识将其离散化，经过离散化后的 表达式如下： = 辱 k = 骶 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) p = 寺“( 甩) 咖) ( 2 1 0 ) 式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 是经过离散化后的电压、电流有效值和有功功率表达式， 都可直接使用式( 2 6 ) 中的采样值进行计算，且与其他的参数无关，前提是必须满足 式( 2 7 ) 的同步采样条件，计算无功功率同样需满足这个条件。 2 3 离散化后的测量误差分析 2 3 1 周期误差分析 通过上节分析可知，若采样周期不同步，就会产生误差。因误差是由周期不同步引 起的，故称为周期误差。分析误差时先不考虑谐波的影响，即式( 2 6 ) 中的三= 1 。因 采样周期与基波周期不同步，则会产生一个时间差丁，表达为a t = c t ，可认为该 基波周期多了一个丁的时间，即丁+ 丁，首先假设采样点的值非常大，即采样时间 间隔非常小，可推出 8 广西大掌司配b 掌位论文 基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 吒= 后丢n - i 皿s i n ( 嗍】2 = 风1 一专c o s 2 ( 崛 而 专篓c o s 2 ( 吣圳志r + a t c o s 2 ( 吣圳西 = 端c o s ( 础m 办) 虽然存在一个a t ，但其值非常小，故可将式( 2 1 2 ) 简化为 怒co(ta t ) c o s ( 以m 舻志a c o s ( 2 识) + 、 “7 r 丁+r 1 、7 于是 吒= x - 2 u l l - l c o s 2 ( c o n t s + # 1 ) 。 = 函一器c o s 2 办 皿 1 - 若c o s 2 荔】 同理可推出： 2 u 1 1 一意c o s 2 ( a 】 吲= 陬a t m c o s2丁#引j x 1 0 0 _ i 湍f 1 0 0 蚓_ | 粉i x l 0 0 i 器f 1 0 0 同理，平均功率由周期误差引起的相对误差为 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 削篇堂篇l x 1 0 0 _ a t ) c o s ( 稿i高1)cos(#t100 p 8 ， l 尸i i ( 7 1 + 仍) ll ( + 仍) i p 7 从式( 2 一1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 - 1 8 ) 可知由采样周期不同步所引起的周期误差与每个周期内 的采样点数n 有关，也与采样的起始点位置有关。 假设每个周期采样点数n 为1 2 8 ，则周期误差最大为 丁：占：一：0 1 5 6 2 5 i i l s n f1 2 8 x 5 0 “ 9 广西大学硕士掌位论文 基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 根据式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 分别算出由周期误差引起的电压有效值测量误差与电 流有效值的测量误差为0 3 9 ，而平均功率的测量误差为0 7 8 。因此由采样不同步所 引起的误差必须加以克服，不容忽视。 当交流信号含有一定量的谐波时，波形将有不同程度的畸变，同样可根据上面推理 得到电流、电压有效值以及平均功率的相对误差，且误差更大，故为了提高测量精度就 必须提高在每个周期内的采样点数的值1 3 引。 2 3 2 截断误差分析 根据2 2 节的推导，离散化的公式实质是运用梯形积分法替代原连续表达式，梯形 积分法如图2 1 所示，由图可知，该替代存在截断误差，该误差可以用式( 2 - 1 9 ) 表示： 图2 - 1 梯形公式示意图 f i g 2 lt r a p e z o i d a lf o r m u l ad i a g r a m 】- - 掣删( a r b ) ( 2 - 1 9 ) 对一个周期为丁的信号进行均匀采样，一个周期内采样点数的值为n ，由式( 2 1 9 ) 推 出，其第i 个采样区间的梯形近似的截断误差可表示为 q = 一杀删 _ 1 ) e 哪椰 ( 2 - 2 。) 容易推出当l = 1 时，电压与电流的相对误差分别为 i 等| - 而2 7 2 刍n - 1 3 n c o s2 c 胁 i l 3 鲁 、”“。 i 争i ：而2 , 刀2 乞n - ic 。s 2 ( 国巩+ 仍) l o o 3 n ik 。i 3 岳_ 、吖 同理可推出平均有功功率的相对误差为 l o ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 广西大学硕士掌位论文基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 等：筹兰堕磐盟掣1 0 0 ( 2 2 3 ) 尸3 3 急 c o s ( 识一仍) 7 显然，越大，则由截断误差引起的相对误差就会越小。根据式( 2 2 3 ) 可知有功功率 的相对误差不仅与有关，且还与电压电流之间的相位差有关，故有功功率的相对误差 要比电压和电流的相对误差要大一些。 2 4 数值取样法测功率因数原理 数值取样法测功率因数与其他方法测功率因数相比，具有很高的精度，该方法同样 是基于2 2 节所述的同步采样量化技术，首先同步采样电压与电流两个信号，得到采集 周期内每个点的瞬时值，然后根据这两组的瞬时值计算出其相位差，从而得到功率因数。 其数学证明如下： 设两个不同相位的正弦信号为 材o ) = u s i n ( c 掰+ 矽) ( 2 2 4 ) f ( f ) = is i n ( o j t + t p ) ( 2 2 5 ) 材( f ) f o ) = u ls i n ( c o t + 口i ) s i n ( o j t + 缈) ：c o s ( 矽一缈) 一s mc o s ( 2 a ) t + + 9 ) ( 2 - 2 6 ) 式中，氐= 去。 在式( 2 - 2 6 ) 中，如果矽、g o 不变时，前面首项c o s ( 矽一缈) 为常数，而次项 c o s ( 2 a ) t + 矽+ 伊) 是个关于时间r 的变量，同时是角频率为2 缈的余弦信号，由此可知， “( ，) 与附) 相乘的结果为一个正弦信号与一常数项之和，推出其有功功率为 尸= 土tr 蚺f o ) a t = 亭r 【氐c 。s ( 矽一妒) 一最c 。s ( 2 c o t + 矽+ 妒) 协 ( 2 2 7 ) = s mc o s ( 矽一缈) = & c o s a # 式( 2 2 7 ) 中，矽= 红一织实质是电压u ( t ) 与电流砸) 两个信号之间相位之差。而视在功 率为 s = 万u 万i = 丁u = 瓯 ( 2 - 2 8 ) 由此可见功率因数为 8 2 ( 2 - 2 9 ) 基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 此种方案随着取样点的增加，对于低频信号可得到相当精确的计算结果，且编程简 单，易于实现。 1 2 广西大掌硕士掌位论文基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 第三章控制器的硬件部分设计 3 1 控制器总体框图 图3 - l 系统总体框图 f i g 3 - 1s y s t e mb l o c kd i a g r a m 按照图3 1 所示的系统总体框图，本文研究的内容主要包括设计出t s c 型无功补偿 装置控制器的电路原理图，制作电路p c b 板，编写控制器程序，并进行算法验证，测 试其运行效果。依据控制器的总体框图，该控制器主要通过电压、电流互感器分别采集 电网的电压、电流信号，这些信号通过低通滤波器将其高频信号滤除后，随后信号调理 电路将信号进行放大处理和1 2 8 倍频，再经d s p 的a ，d 转换将采集数据存入d s p ，以 供数据处理。d s p 经过数据计算得到电网电流、电压、功率因数、1 5 次谐波等参数。 依据功率因数并结合模糊控制策略控制外部电容器组投切，提高电网的功率因数。若谐 波大于5 0 则切除所有电容组。液晶和p c 机的后台界面能够同时显示相关参数。为了 方便实际应用，该控制器加入了时钟和数据存储电路 3 2 处理器的选择 该控制器的关键部分是处理器( c p u ) ，它主要负责控制器的数据采集、数据处理和 计算结果显示，本系统选用美国德州仪器公司生产的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片，该处理器是 一款适用于工业控制的高性能3 2 位d s p 。其最高时钟频率可达1 5 0 m h z ，内部集成 1 2 8 k b 的f l a s h 存储器、1 8 k b 的片上r a m 存储器，数据总线和地址总线都是3 2 位 的，其片内有3 2 x 3 2 位乘法器具有6 4 位的运行能力，可用定点计算代替浮点数计算， 1 3 基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 降低费用。与外界通信方面，拥有c a n 总线、通用异步串行口( u 趾盯) 、同步串口( s c i ) 广西大学硕士掌位论文 基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 图3 - 3 电源管理电路 f i g3 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fp o w e rm a n a g e r m e n t 本系统的电源管理电路如图3 3 所示，t p s 7 6 7 d 3 1 8 电源芯片的输入电压为5 v 1 3 v ， 先将3 3 v 输出调整器的使能端直接接地，一旦控制器上电，该电路立即将3 3 v 电压调 整输出，该电压输出通过分压电路进行分压，当其达到2 5 v 时可使场效应管b s s l 3 8 导通，场效应管导通后将t p s 7 6 7 d 3 1 8 的1 8 v 的使能端直接拉为低电平，这样当i o 口 的电压达到2 5 v 时，该电源芯片再建立1 8 v 的电压供给d s p 内核，从而严格按照两路 电压的上电次序来建立电压。另外，为提高可靠性、抗电磁干扰性，1 8 v 和3 3 v 数字 电压分别通过磁珠进行滤波，可构成1 8 v 数字电源、3 3 v 数字电源和3 3 v 模拟电源。 3 4j t a g 仿真接口 处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 支持在线仿真，调试软件或编译调试综合环境通过仿真接口 可对控制器进行在线实时仿真。仿真接口采用标准1 4 针j t a g 接口。其引脚端子定义 如图3 4 所示： + 33 v d 图3 4j t a g 接口电路 f i g 3 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fj t a gi n t e r f a c e 基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 3 5 电压电流采集电路设计 为方便安装和调试，本系统电压和电流的采集方案均使用互感器进行采集，只需更 改软件的变比，即可实现任何电压与电流的检测和计算，该方案不仅适合安装调试，且 广西大掌硕士学位论文基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 不： 图3 - 6 电流采集电路 f 培3 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f c u r r e n ta c q u i s i t i o n 图3 - 6 中，r i 将电流转换为电压，即v 0 = i ：r ，彤这里选取2 0 0 ，c 。用作相位校 正，选取依据为c o = 4 5 乡o r f 心，这里选取o 1 3 3 i t t f 。 3 6 模拟电压信号调理电路 该电路主要将互感器采集的电压、电流等模拟量信号进行信号调理以供a d 采集。 3 6 1 前置滤波电路 由信号采集原理可知，信号经采样后，在采样频率一半以上的位置会发生频率混叠 现象，如图3 7 所示。为保证采集数据的准确性，需在数据采样前加入抗混叠滤波器， 该设计作用是在采样量化前用低通滤波器将高频部分滤掉，以防采样后频率重叠。常用 的有巴特沃思、切比雪夫两种低通滤波器，本系统采用两阶的巴特沃思低通滤波器，其 特点是通带内信号放大到较高时不会产生自激现象，电路图如3 8 所示。电网要求分析 1 5 次谐波，因此设计滤波器的q 值为1 ，3 d b 带宽为7 5 0 h z ，图3 - 9 所示是该电路的相 位和频率响应波特图，可知达到了设计要求。 jl s j ， ， ， ， ， ， ，、， v - - - - 4 n - - - - - 一 ，x - - - - ，1 ，、， ， ， ， ，t，t，t ，、， ，、 ， ， ， ， l 一s 一m d n mn ) s 图3 7 频率混叠示意图 f i g 3 - 7d i a g r a mo f t h ef r e q u e n c ya l i a s i n g 广西大掌硕士掌位论文基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 l 1 l r 2 净 l = h 1 6 乜_ l l m 丁 j 1 一 广西大掌硕士学位论文基于d s p 的t s c 型无功补偿控制器的研究 3 6 3 器件的要求与选用 1 、对运放的要求。增益带宽积( g b ) 应足够大，单