（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的静止无功补偿装置的控制研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 无功补偿对于维持电力系统的稳定与经济运行意义重大。早期的无功补偿装置 如同步调相机、饱和电抗器等都存在着响应速度慢以及损耗大等缺点，而静止无功 补偿器和以往的无功补偿器相比，有着调节速度快的优点。本文重点探讨了s v c 补 偿控制器的补偿导纳计算方法，通过m a t l a b 仿真分析了传统无功功率算法和瞬时 无功功率算法的区别。设计了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的主控单元和基于p l c 控制 器的监测单元，设计了1 0 k v 高压阀组、并进行了详细的介绍，最后给出现场的实 际波形和电能质量分析结果。 关键词：静止无功补偿控制器，数字信号处理器，瞬时无功功率理论 a b s t r a c t v - a rc o m p e l l s a t i o ni si m p o n a n tt ok e e pp o w e rs y s t 锄t on ms t a b l y 锄de c o n o m i c a l l y t h eo l dv a rc o m p a 塔a t o r ，f o re x 锄p l e ，s y n c h 0 n o u sc o n d e n s e r 舡l ds a t l l r a t e dr e a c t o rh a v e d e f 宅c to f s l o wr e s p o n s es p e e da n dl l i 吐l o s s h o w e v e r w i 也c o m p a r i s o no fo t l l e r c o m p c i l s a t o r s ，s t a t i cv a rc o m p c i l s a t o rh 鹤m e r i to ff b tr e s p o n s es p e e d t h e 枷d ed i s c u s s e s a l 鲥m mo fc o m p e n s a t i n ga d m i t t a n c e ，a n da i l a l y z e st r a d i t i o n a lr e a c 6 v ep o w e ra l 星r o r i t b m 锄d i i l s t 枷a n 0 0 1 j sr e a c t i v ep o w e r 也e o r yb ys i l i 】l u l a t i o no fma r l ab w ed e s i 星皿m a i l lc o i l 臼lu 1 1 i t b 弱e dt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 锄dm o i l i t o r i n gu l l i tb 鹤e dp l c i nt l l i sa n i c l e ，w ei r l 仃o d u c ed e s i g no f lo l f 、，t h v r i s t o rv a l v e t h er e a lw a v e f o n i l 锄dr e s u l to ft 骼t i l l gi s 西v 吼i n l i sl a s tc h a r p t e r q i1 a o ( p o w e re 1 e c t r o n i c sa 1 1 dp o w e rd r i v e r s ) d i r e c t e db yp r 0 s h ix i n c h u n k e yw o r d s ：s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r d s p i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的静止无功补偿装置的控制 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 盎盗： 日 期：皇! ：21 圣 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 导师签名： 日期：皇塞12 ：兰 日期：2 墨121 圣 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第一章引言 电力系统中的非线性元件会引起电流波形畸变而产生高次谐波，由于过去谐波的影 响不明显，未达到引起人们重视而采取对策的程度。近年来，大型电力电子装置的广泛 应用，它作为一个谐波源，使畸变的严重程度增大了，降低了电力系统的自然功率因数 n 】。谐波的危害主要有以下几个方面瞄1 ： ( 1 ) 谐波使公用电网用电设备产生谐波损耗，降低了电能的生产、传输和利用效 率，电器设备过热，产生附加的振动和噪声； ( 2 ) 谐波影响用电设备的正常工作，引起电机产生附加损耗、机械振动、噪声、 过电压，使变压器局部过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化，影响电视机和 换流设备的正常工作； ( 3 ) 谐波容易引起设备故障，引起电力系统局部发生串联谐振或者并联谐振，谐 波发生放大，造成电容器过热，膨胀甚至产生破裂； ( 4 ) 谐波引起继电保护和自动化控制装置误动作，使电能计量失准，造成混乱； ( 5 ) 谐波对通信和电子设备产生干扰。 在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例，异步电动机、变压器、荧 光灯等都是典型的阻感负载，异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统中所 提供的无功功率占有很高的比例。近年来大容量的电弧炉在世界范围内广泛使用，在 提高了生产效率的同时也带了一系列电能质量问题，电弧炉在工作时电极处于短路状 态，不但消耗大量的无功功率，且因电弧不稳定，电弧炉消耗的无功功率波动也很大。 由于冲击无功的作用，对电压造成严重的波动和闪变，降低生产效率，增加能耗，同 时造成产品质量下降。对这些冲击性非线性负荷或不对称负荷应进行就地无功补偿和 谐波污染治理，即对该类污染从源头进行治理，以达到提高电能质量、节能降耗、增 加产量和提高产品质量的目的。 静止型无功补偿装置简称为s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) ，是在6 0 年代后期发展 起来的，1 9 6 7 年，英国g e c 公司制成了第一批自饱和电抗器静止型无功功率补偿装置。 此后，各国厂家互相竞争，目前，英国g e c 公司、美国g e 公司、瑞典a s 队公司、瑞士a b b 公司以及日本的三菱、富士、日立等公司都生产了各具特点的系列产品。随着国内电力 电子技术快速发展，以及大功率电力电子器件成本的降低，国内已经掌握了静止型无功 补偿装置的设计制造技术，s v c 装置在配电系统可以发挥如下的作用： 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 吸收负荷谐波电流，减小电压畸变率，降低谐波电流引起的损耗； ( 2 ) 改善系统的电压质量，减少电压波动，提高供电的电压合格率，快速连续的 调节能力可减小闪变； ( 3 ) 通过有效的无功功率补偿，使无功功率分区平衡，提高功率因数，减少无功 潮流，降低网损； ( 4 ) 分相补偿，可使用平衡化算法使三相负荷平衡，减少负序电流； s v c 技术可应用于：电力系统、电气化铁路牵引站、冶金企业及其它行业。s v c 设备 可用于无功功率补偿、电压控制和谐波治理，为改善我国的电能质量，消除不安全隐患， 降低网损作贡献。 s v c 装置主要分为以下几种： ( 1 ) 饱和电抗器( s r + f c ) ( 2 ) 晶闸管相控电抗器( s r + f c ) ( 3 ) 晶闸管投切电容器( t s c ) 表卜l 给出了三种s v c 装置的性能比较： 名移 饱和电抗器晶闸管相控电抗器晶闸管投切电容器 指八 ( s r + f c )( s r + f c )( t s c ) 响应时间( m s ) 2 0 0 芝 3一 磐瓣譬獬| 美曼一。_ ， - 1 i i 。 t s m s i 各 图3 4 同步信号波形 从图中可以看到，由于电网电压中含有高次谐波，在零点附近电压多次过零，因此 过零比较器输出电压就会反复地从一个电平跳跃到另一个电平，这是因为简单电压比较 器虽然灵敏度高，但它的抗干扰能力差，也就是说如果输入信号受到干扰，输出的同步 信号就会在阈值附近变化n 羽。 由于同步信号是触发脉冲的时间基准，一旦同步信号多次过零就会导致程序混乱， 造成晶闸管的误触发，t c r 晶闸管阀的触发延迟角范围是口= 9 0 0 1 8 0 。如果在口= 0 出现误触发脉冲，则t c r 晶闸管阀中流过的电流是口= 9 0 0 的两倍，严重的情况可能使 阀组出现过流损坏。 提高过零比较电路的抗干扰能力有两种方法： ( 1 ) 采用滞环比较器电路d3 1 ，当输入信号因受干扰或者含有高次谐波时，只要变化量 不超过两个阈值之差，这种比较器输出的电压就不会来回变化，通过该方法产生的同步 信号要滞后电压信号一定角度，由于电网电压波形常常是变化的，该角度并不固定，所 华北电力大学硕士学位论文 以通过软件校正的方法必然会带来很大的误差，因此这种方法并不适用。 ( 2 ) 采用r c 电路滤除高次谐波，净化输入到比较器前的电压波形，采用该方法可以 有效滤除电压信号中的高次谐波，但是滤波会带来波形延迟的影响，并且滤波效果越好， 滤波后的波形产生的相移越大，图3 5 的波形给出了滤波前后的波形： 誉 詈 弑。! 鬣主徐 ： 拶：一 ：删：瓢 = - 压信号：y ：二；iv ； i 薹 t 5 m s 格 图3 5r c 滤波前后波形 从图3 5 中可以看到经过滤波后的波形基本接近正弦波了，但是相角却后移了接近 9 0 度，这样的信号是没有办法直接采用的。在实际的硬件电路设计中，我们是以a 相 电压作为同步信号的，如果采用c 相电压作为同步信号，那么c 相电压经过r c 滤波 电路后延迟1 2 0 度，由于c 相电压超前a 相电压1 2 0 度，这时滤波后的c 相电压和a 相电压相位正好相同，这样产生的电压信号相位即满足要求，高次谐波也被滤除掉了。 产生同步信号的电路如下图3 6 ： 图3 6 同步信号调理电路 同步信 号输出 图3 6 中r w l 2 和c 3 7 构成r c 滤波回路，通过调节r w l 2 的电阻值就可以改变滤 2 4 华北电力大学硕士学位论文 波效果和延迟时间，在调试时用四通道示波器t p s 2 0 1 4 ，一个通道测试电压信号u a ， 一个通道测试r w l 2 的3 脚，同时调节电阻值，直到u c 滤波后的波形和u a 相位相同 为止。实际测试表明即使输入的电压信号含有很丰富的高次谐波也不会影响同步信号的 输出，得到的同步信号完全满足要求。 3 4 模拟信号处理电路 3 4 1 电流、电压互感器 为了实现和系统侧电气装置上的隔离以及满足模拟量处理电路的要求，从系统 侧一次互感器引过来的电流、电压信号要再次经过互感器的信号变换，d v d i o o l 型卧式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器具有全封闭，机械性能好，电压隔离 能力强的优点，同时还具有很高的精度，完全可以满足本设计的要求，它即可以当 作电流互感器使用，也能当作电压互感器，具体接线方式如图3 7 电压信号处理 图3 7 信号调理电路 图3 7 中的接线方法电气参数如表3 1 ： 电流信号处理 电压互输入输出电压相移非线性线性范额定电流耐压 感器 电压 度 围 1 0 0 0 砌cl 2i c5 、o 1 2 倍额6 n l a 6 m a3 0 0 0 矿 电源电压 定 电流互额定输入额定输出 相移非线性线性范输出电压耐压 感器电流电流 度 围 9 a6 m a5 0 1 2 倍额l 2i c6 0 0 0 矿 定电源电压 表3 1 电流、电压互感器电气参数 华北电力大学硕士学位论文 不管是电压信号处理电路还是电流信号处理电路，最终送入到a d 芯片的信号 都是电压信号，下面介绍一下如何选择图3 7 中电容电阻参数，电压信号处理电路 中互感器额定电流j 。是6 剃，考虑一定裕度，输入电压巧= l o o y 时j 。= 4 蒯，所以 r 2 = 2 5 k ，最终取标准值为r 2 = 2 4 k 。根据设计要求输入到a d 芯片的电压信号范围 为o 5 v ，图3 7 中电路输出电压信号范围为2 5 + 2 5 v ，因此2 圪，r 2 5 y ，计算 得到，r 1 7 7 y 。根据公式w = b 厶，所以母= 4 2 5 ，最终取标称值耳= 4 2 0 。根据 公式c o = 3 0 0 0 咄( 1 1 厂) ，计算得到c d = o 0 2 2 订。电流信号处理电路中= 9 4 时， 厶= 6 ，剃。根据线性关系输入电流厶= 5 彳时，厶= 3 3 3 ，州，根据公式厅= 足厶，并 且盯1 7 7 矿，所以尺，= 5 3 l ，考虑到一次电流可能超过5 a ，因此选择r = 4 7 0 ， = o 0 2 2 缸f 。 3 4 2 信号抬升电路 从电压、电流信号处理电路中产生的信号是交流信号不能直接送入a d s 7 8 4 4 内 部，需要采用信号抬升电路将交流信号变成0 5 v 的信号，具体电路如图3 8 输入 信号 r 22 k _ ( ) + 4 ，v r o - - 一， j 2 r ：2 至l 。3 u 一l ： l “ 卜l n 4 1 4 8 1 2u + u o 鍪鳖厂镪4 一； d 2 n 4 1 4 8 ，、，、t 、? 图3 8 信号抬升电路 输出 信号 根据运放特点，流入到运放中的电流几乎为零，因此咄所以警= 警 设r 2 = r 3 ，得= 2 以一。又因为矿= u = u ，求得= 2 u 一，所以需要抬 升2 5 v 时，u = 1 2 5 y 即可以。图3 8 中的d l 和d 2 构成了限幅电路，如果大于 5 2 v ，则d 1 导通使限制在5 2 v 以内，如果小于- o 2 v ，则d 2 导通使始终 大于o 2 v 。 华北电力大学硕士学位论文 3 5 电源电路的设计 3 5 1l m 2 5 9 6 开关电压调节器 l m 2 5 9 6 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3 a 的驱动电流， 同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3 3 v 、5 v 、1 2 v ，可调版本可以 输出小于3 7 v 的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 1 5 0 k h z ，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4 个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了l m 2 5 9 6 的使用，极大地简化了开关 电源电路的设计。该芯片特点如下n 劓： 可调输出电压范围1 2 v 3 7 v 4 。 输出线性好且负载可调节。 输出电流可高达3 a ，输入电压可高达4 0 v 。 采用1 5 0 k h z 的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高。 具有过热保护和限流保护功能。 该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误 差可以保证在4 的范围内，振荡频率误差在1 5 的范围内；可以用仅8 0 ua 的待机电 流，实现外部断电；具有自我保护电路( 一个两级降频限流保护和一个在异常情况下 断电的过温完全保护电路) 。 3 5 2 控制器电源电路 在线性电源电路中常用的稳压器件是7 8 系列三端稳压器，在开始的设计中，为 了得到+ 5 v 电源，我们先用7 8 1 2 稳压器得到+ 1 2 v 电源，然后再用7 8 0 5 降压得到+ 5 v ， 然而在实际运行中发现7 8 0 5 的发热量非常大，即使增大散热片的面积也不能解决问题， 并且温度上升到一定程度后7 8 0 5 自动保护造成+ 5 v 电源没有输出。这是因为7 8 系列 稳压器的功耗和输入输出的电压差以及负载的电流有关，负载电流越大稳压器功耗越 大。为了解决这一问题，决定采用l m 2 5 9 6 开关电压调节器，从上一小节可知，它输出 的电流可达到3 a 。电路原理图如图3 9 ： 2 7 华北电力大学硕士学位论文 王 型函 恻錾l n孟，爿n 什l 客 菱l a yl 丁丁 图3 9 电源电路 l m 2 5 9 6 属于开关器件其外围元件虽然少，但是选型和电路板的布局都很重要，下 面介绍几个设计要点： 电感l 1 ：根据降压斩波电路的原理，电感l 1 在电路中起着续流的作用，所以电感的 l 值一般都比较大，并且能够通过很大的电流，因此选用4 7 u h 3 a 的电感。n 嗄2 5 9 6 的 开关频率达到1 5 0 l ( h z ，电感会对周围的线路产生很大的高频干扰，这里电感选用磁屏 蔽结构的贴片电感器，在布局时尽量靠近l m 2 5 9 6 ，并且远离联到4 脚的反馈线。 输出电容c 3 ：这个电容是用来对输出滤波以及提高环路的稳定性，在设计开关调节器的 应用中，必须使用小阻抗或低等效电阻( l o we s r ) 的电解电容或固态钽电容，这里我 们选用了钽电解固态贴片电容，参数为2 2 0 u f 1 0 v 。 吸纳二极管d l ：在l m 2 5 9 6 的应用( 调节器) 中，需要一个吸纳二极管来为电感电流( 当 开关断开时) 提供通路，这必须是一个快速二极管且要靠近l m 2 5 9 6 ，管脚要短、相连接 的导线也要短。由于肖特基二极管开关速度快、正向压降小，所以，使用中其性能很好， 特别是在输出电压低的应用中( 5 v 或更低) 。超快恢复或高效整流二极管在使用中性能 也很好，但是在突然关闭时，可能会引起不稳定或电磁干扰，所以设计中选用1 n 5 8 2 4 快 恢复二极管。 3 7 ，j 、结 本章首先介绍了控制系统的结构框图和主要功能，然后分析了主控电路板中看门狗 电路的工作原理，针对简单比较器对高次谐波抗干扰能力差的缺点，改进了同步信号电 路，并给出了改善后的波形。介绍了模拟信号处理电路中元器件参数的选择方法和电路 工作原理，然后讲解了基于l m 2 5 9 6 的电源电路设计方法，通过本章的设计，控制系统 的硬件电路已经完成，为后面软件的运行打好了基础，并为s v c 的现场运行作好了准 各。 u l l 8 华北电力大学硕七学位论文 第四章控制系统软件设计 本章将对控制软件的整体功能进行论述，在第三章的硬件电路的基础上分别对 d s p 的控制流程、v b e 板的控制流程、p l c 的梯形图作了说明。 4 1软件整体设计 本文设计的s v c 控制系统包含d s p 软件编程、p l c 模块编程和触摸屏人机界面编 程，在设计过程中有如下原则： ( 1 ) 各软件分工明确，d s p 软件程序主要负责实现s v c 的电流电压采样、补偿导 纳的计算，p l c 模块负责各种输入、输出开关量和故障状态的监测，触摸屏是控制 终端，主要用于参数设定、系统电压和t c r 电流的显示，故障记录等功能。 ( 2 ) 软件之间的数据通讯采用标准的4 8 5 通讯方式，模块之间的数据交换采用 起始数据校验和异或数据校验的方式，为了减少模块之间的地线干扰，我们采用了 高速光耦对各模块的地线进行了隔离。 ( 3 ) 在s v c 初始化阶段，p l c 和d s p 之间要进行数据传输，由于p l c 属于慢速设备， 而d s p 属于工作频率很高的快速设备，所以d s p 的软件编程中要注意插入等待指令， 便于和p l c 的工作频率保持同步。 ( 4 ) 人机界面的设计也是软件设计中要仔细考虑的问题，由于触摸屏界面的最 终操作对象是用户，所以简单明了的数据显示、安全便捷的操作方式都是设计重点， 另外为了防止用户或者非操作人员误操作s v c 装置，关键的投入、退出s v c 和参数设 置的界面都需要输入管理员密码。 4 2d s p 芯片的软件设计 4 2 1 中断向量 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 通过中断请求系统中的一个两级中断来扩展系统可响应 的中断个数。因此d s p 的中断请求应答硬件逻辑和中断服务程序软件都是一个两级 的层次，这一点和普通的单片机是有所区别的，普通的单片机一旦发生外部中断便 会直接进入中断子程序。d s p 中断服务子程序有两级：通用中断子程序g i s r 和特定 中断服务子程序s i s r ，当发生外部中断请求时，在g i s r 中保存必要的上下文，从外 设中断向量寄存器p i v r 中读取外设中断向量，这个向量用来产生转移到s i s r 的地址 入口。对每一个从外设来自中断控制器的中断都有一个特定的s i s r ，在s i r s r 中执 行对该外设事件的响应。下面的程序是外部中断子程序： 华北电力大学硕士学位论文 v o i di n t e r r u p tg i s r l ( v o i d ) v o i dx i n t l s i s r ( v o i d ) ：外部中断1 子程序 s w i t c h ( 水p i v r ) c a s e0 x 0 0 0 l ：x i n t l s i s r ( ) ：b r e a k ： d e f a u l t ：b r e a k ： ) a s m ( ” c l r ci n t m ”) ； e n a b l ei n t e r u p ta f t e rr e t u r n r e t u r n ： ) 当外部中断x i n 个l 产生请求时，首先进入g i s r l 子程序，此时术p i v r = 0 x 0 0 0 l ，在 经过比较判断后程序进入下一级的子程序x i n t l _ s i s r ( ) 。 4 2 2d s p 芯片运算格式 t i 公司的d s p 芯片采用了数据总线与地址总线分开的改进哈佛结构，达到了进 一步提高运算速度的要求。与之对应的运算格式，也为d s p 快速运算提供了软件支 持。 t i 公司的t m s 3 2 0 系列产品，可以大致分为定点运算和浮点运算两种类型。本 课题所采用的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 属于定点格式芯片。与其它浮点芯片相比较，最大缺 点在于处理小数运算较为繁琐。定点运算格式的d s p 芯片处理小数运算时，主要有 以下两条途径： 其一，可以利用c 语言汇编器自动将运算中的小数转化成i e e e 浮点格式，再 利用自带的i e e e 浮点运算函数进行处理。该方法的前提是拥有c 语言汇编器以及 i e e e 浮点运算函数库的支持。 i e e e 7 5 4 1 9 8 5 标准定义了四种浮点数的格式，即单精度格式、扩展单精度格 式、双精度格式和扩展双精度格式u 。由于在d s p 芯片中单精度格式用得最多，因 此下面介绍i e e e 单精度浮点格式的表示方法。如图5 1 所示，在单精度浮点格式 中，浮点数的总长度为3 2 位。其中，s 是尾数的符号位，共1 位，s = 0 表示为正 数，s = 1 表示为负数；e 是指数，用无符号数表示，共8 位，取值范围为0 2 5 5 ： f 是尾数的分数部分，共2 3 位。 3 13 02 3 2 20 图5 一l 单精度浮点数的格式 用此种方法处理小数，最大的优点就是精度非常高，至少可精确到小数点后6 华北电力大学硕士学位论文 位；另外，直接用c 语言进行编程大大简化了软件的开发周期。但是，i e e e 格式 的算术运算相当复杂，每进行一次简单的小数运算都需调用类型转换函数和运算函 数，从而使得程序运算速度不一定能满足实时性要求。 其二，预定标算法。在定点d s p 芯片中，所有的操作数都是整数，至于这个整 数表示的是整数还是小数，表示多大的数值，对d s p 芯片本身是没有区别的，因此， 通过程序员来确定小数点处于1 6 位中的哪一位，通过设定小数点在1 6 位数中的不 同位置，便可以表示不同大小和不同精度的小数。 d s p 芯片中，数是以2 的补码表示的，每个1 6 位数的最高位是符号位，o 表示正 数，1 表示负数，其余1 5 位表示数值。由程序员设定小数点位于1 6 位中的不同位置， 就称为数的定标。数的定标由q 表示法和s 表示法两种。表5 1 列出了1 6 位数的q 表 示、s 表示及它们所能表示的十进制数值范围。 q 表示s 表示 十进制数表示范围 q 15 s 0 1 5 1 x 0 9 9 9 9 6 9 5 q 1 4s 1 1 42 x 1 9 9 9 9 3 9 0 q 1 3 s 2 1 3 4 x 3 9 9 9 8 7 7 9 q 1 2s 3 1 28 x 7 9 9 9 7 5 5 9 q 1 1s 4 1 l1 6 x 1 5 9 9 9 5 1 1 7 q 1 0s 5 1 0一3 2 x 3 1 9 9 9 0 2 3 4 q 9s 6 96 4 x 6 3 9 9 8 0 4 6 9 q 8s 7 81 2 8 x 1 2 7 9 9 6 0 9 3 8 q 7 s 8 72 5 6 x 2 5 5 9 9 21 8 7 5 q 6 s 9 65 1 2 x 5 1 1 9 8 0 4 3 7 5 q 5 s l o 5 一1 0 2 4 x 1 0 2 3 9 6 8 7 5 q 4 s 1 1 4 2 0 4 8 x 2 0 4 7 9 3 7 5 q 3s 1 2 34 0 9 6 x 4 0 9 5 8 7 5 q 2 s 1 3 281 9 2 x 8 1 9 1 7 5 q l s 1 4 11 6 3 8 4 x 1 6 3 8 3 5 q 0 s 1 5 03 2 7 6 8 x 3 2 7 6 7 表5 一l 从表5 1 可以看出，同样的1 6 位数，若小数点的位置不同，表示的具体数值 也不同。例如2 0 0 0 h ，用q 0 表示时代表十进制的8 1 9 2 ，用q 1 5 表示时则代表十进 制的0 5 。但对d s p 芯片来说，处理方法是完全相同的。 华北电力大学硕士学位论文 从表5 1 还可以看出，不同的q 所表示的数不仅范围不同，而且精度也不相 同。q 越大，数值范围越小，但精度越高；相反，q 越小，数值范围越大，但精度 就越低。例如，q o 的数值范围是一3 2 7 6 8 到+ 3 2 7 6 7 ，其精度为l ，而q 1 5 的数值范围 为一1 到0 9 9 9 9 6 9 5 ，精度为l 3 2 7 6 8 = o 0 0 0 0 3 0 5 1 。因此，对定点数而言，数值 范围与精度是一对矛盾，一个变量要想能够表示比较大的数值范围，必须以牺牲精 度为代价；而想提高精度，则数的表示范围就相应地减小。在实际的定点算法中， 为了达到最佳的性能，必须充分考虑到这一点。 浮点数与定点数的转换关系可表示为： 浮点数( x ) 转换为定点数( ) ：x 。= ( 石宰2 q 定点数( ) 转换为浮点数( x ) ：x = ( 加口f ) 毛2 一q 例如，浮点数x = o 5 ，定标q = 1 5 ，则定点数= lo 5 3 2 7 6 8l = 1 6 3 8 4 ，式中ii 表示下取整。反之，一个用q = 1 5 表示的定点数1 6 3 8 4 ，其浮点数为1 6 3 8 4 2 。1 6 = 1 6 3 8 4 3 2 7 6 8 = o 5 。 采用预定标方法必须预先预测操作数的范围，选择合适的q 值。进行加减运算 的数q 值必须相同，否则要将q 值大的数通过左移使其定标值与另一个相同；乘法 结果的q 值是两个乘数的和，根据计算的要求经过相应的移位可以实现结果的正确 存储，而除法则用条件减来实现。 经实际验证，在采用i e e e 浮点数格式进行计算时，即使一次简单的小数加法 就要耗时5 0 8 0 个时钟周期，一个浮点数的开平方运算竟要3 0 0 0 多个时钟周期； 而一次整数加法或乘法仅需要几个时钟周期，移位运算只要一两个时钟周期。因此 在实际应用中需要采取预定标的方法处理小数。仅在需要较高精度，结果范围难以 估计且d s p 执行时间充裕的情况下才用直接用浮点数进行计算。 4 2 3d s p 软件流程图 程序主要由初始化和主循环两部分组成，并在外部中断的触发下，按照固定的 节拍执行。初始化完成设置系统参数、配置引脚功能以及s p 工和s c i 参数。接收参 数采用查询方式，一旦检测到接收标志位置位则将接收寄存器中的值传送给变量， 直到接收完参数为止，然后对接收到的数组进行异或校验只有参数正确才会把参数 保存起来。下一步是采样计算准备发送脉冲，如果检测到d s p 的开机口线有开关量 输入则程序进入到发脉冲的循环，在发脉冲过程中还不断对关机口线进行查询，检 测到关机信号时程序退出循环，准备进入下次开机。图4 2 是程序的流程图。 3 2 华北电力大学硕士学位论文 4 3v b e 板主程序流程 图4 - 2 主控板程序流程 v b e 板又叫作阀基电子设备板，该电路板的功能主要是接收来自高电位电子单元 的状态信息和产生触发晶闸管需要的光信号，另外还将接收到的阀组信息通过4 8 5 传送 给p l c 控制器。s v c 投入运行后，v b e 板每隔1 0 i i l s 向阀组的t e 板发送一次地址号， 由于t e 板上有双脉冲识别电路所以不会误触发晶闸管，相对应的t e 板收到地址号后 迅速返回该电路板上的状态信息，强板接收到信息进行异或校验正确后将t e 板信息 传送给对应的地址单元，最后经过数据编码后传送给p l c 控制器。 图4 3 v b e 板程序流程 华北电力大学硕士学位论文 4 4p l c 程序流程 我们选用了s i m a t i cs 7 - 2 0 0 系列p l c 控制器作为s v c 装置的故障监测、逻辑控 制功能，p l c 可靠的运行特性保证了s v c 运行的稳定性，同时p l c 和触摸屏具有通用的网 络通讯，更有利于进行人机界面的编程和控制。s 7 2 0 0 系列的强大功能使其无论在独 立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此s 7 2 0 0 系列具有极高的性能， 价格比。s 7 2 0 0 系列出色表现在以下几个方面帕： ( 1 ) 极高的可靠性 ( 2 ) 极丰富的指令集 ( 3 ) 易于掌握 ( 4 ) 便捷的操作 ( 5 ) 丰富的内置集成功能 ( 6 ) 实时特性 ( 7 ) 强劲的通讯能力 ( 8 ) 丰富的扩展模块 p l c 的梯形图流程如图钳所示 图4 _ 4 p l c 的梯形图流程 华北电力大学硕士学位论文 45 触摸屏界面 主界面显示了s v c 系统简明单线框图，其中包括5 次、7 次、1 】次滤波器和t c r 装置，同时显示了触摸屏各键以驶系统运行时的各种参数。图4 5 为未运行时的主界面， 上电后及运行时主界面中f c 真空断路器和t c r 真空断路器将实时反映其真实的吸台 或释放状态。 45 小结 幽4 5 控制系统主界面 本章首先重点介绍了s v c 控制系统软件设计原则，然后介绍了d s p 中断的原理和 用定点数表示浮点数的预定标方法以及主控芯片d s p 的软件流程，v b e 板是高压 阀组和控制屏之间的数据传输中介，也针对该电路板的软件编程作了说明，最后介 绍了西门子p l c 的性能和梯形图的工作流程和人机界面，经过实际运行表明数据运 算采用d s p 芯片，逻辑及故障监测采用p l c 的结构形式，使得s v c 的稳定性和响 应速度得到了很大的提高。 华北电力大学硕士学位论文 5 1 总体设计 第五章1 0 k v 高压晶闸管阀组设计 晶闸管阀组由反并联的晶闸管串联而成，在阀组里面还包括高电位电子单元、阻容 吸收回路、冷却系统。图5 1 给出了晶闸管阀组中某一相的组成图： c lr lc 2i 您c 6r 6 l 图5 1 单相阀组结构图 ( 1 ) 串联的电容和电阻跨接在晶闸管两端组成阻容吸收回路，该电路可以限制晶闸 管关断时两端出现的暂态过电压，另外还有静态均压的作用。 ( 2 ) l l 和l 2 是小电抗，它们位于晶闸管阀组的两端，由于晶闸管阀组间存在杂散 电容，当晶闸管导通时，要先对其充电，小电抗的作用就是减缓杂散电容的充电时间， 也就是限制了晶闸管电流的上升率。 ( 3 ) l q l 和l q 2 是空心电抗器，一相的电抗器由两部分构成，当其中一个电抗器 损坏时，另外一个电抗器仍可以工作达到保护阀组的目的。 ( 4 ) t e l t e 6 是高电位电子单元，它的主要作用是把光脉冲转换成电脉冲触发晶 闸管，监测晶闸管的状态，对晶闸管进行过电压保护。 除了以上的设备外，晶闸管阀组还有一套冷却系统，它可以保证晶闸管工作在可靠 的温度范围内，使得s v c 正常稳定运行。 5 2 高电位电子单元 高电位电子单元( 英文名称t h 妒s t o re l e c t r o n i c s ，简称t e 板) 的主要任务是向晶 闸管发送脉冲，并产生监测回报信号，通过光纤发送给控制屏。t e 板接收和发送信号 都采用石英光纤，因此在每块t e 板上都有光发射和光接收器。此外在过电压时为了有 华北电力大学硕士学位论文 效保护晶闸管，在t e 上安装了b o d 保护电路，该电路还可以在t e 板出现故障时作为 紧急触发电路。t e 板的电源由阻容吸收回路提供，每两个晶闸管对应一块t e 板。 t e 板的电路构成如图5 2 所示： 5 2 1r c 取能电路 图5 - 2 高电位电子单元 电脉冲经过功率放大才能触发晶闸管，如何取得功放能量，也是高电位电子单元需 要考虑的问题，如果采用高绝缘电压的隔离变压器，由地电位传送能量则隔离变压器制 造困难，成本高。现在有两种“内取能的办法，也就是从主回路上耦合出能量的方法， “内取能”主要分为主电流取能和主电压取能。主电流取能是通过特殊的电流互感器串 联在主回路上，将交流电流信号整流、滤波和削波，作为触发功放的能量。我们采用的 是主电压取能即r c 取能回路，电路原理图如图5 3 ： 图5 3r c 取能原理图 由图5 3 可知，在电压为正向上升阶段时，电压石经过r c 电路和d l 向c 3 、c 4 华北电力奎堂堡主堂垡堡茎一 ：_ ：i i 忑：磊孟三。到6 2 v 时，稳压管d 3 击穿产生触发信号， 戮砦氅和萎盟群盖篙篱茹磊三焉台瑟夏流回 ! 警凳：嚣。亲黧篙淼黧塞嚣嚣善；羞i 三二三荔品吕：x 充电回路。当电压反向时d 2 导通，阻容吸收电流经d 2 佩短k 1 利。因u 1 剐。 肌 蜒 言 o u _ l f 、i o 蜒 言 q o 三时篓纛耄筹耄嚣篡篙瓣篙嚣 戮，妻苎警l ： 慧徽蔫鬈习嚣| r 茹i 淼磊， 然：慧篡絮耄裟慕焉嚣篇茹“ 要曼黧黧纛裟糕裟黜燃翟瓮川艮 下面絮篓兰? 篓季篇鬻翟品篙麓以为可控鲫两 ( 】) 图5 4 中x c = 1 以l = 1 5 9 七q ，r c 电路甲电阻k 1 一j u 叹u 麒“ 黼西删眦路嚣乙分始倒。 驸一酮之意= 黧意二黼 电流繁然9 饿鬻翟髫器焉蒸跣 2 7 祭然簇主警岛篡蔷蕊巍。 k ：当，烹黧罴纛耄耄羹凳妻显j 鸶芝：凳鼍鼍j q ：印：玑 考虑上面假设，所以充电电流为f _ 瓮。议u 为乙三削儿吧吧也剐z 气” 华北电力大学硕士学位论文 所以r = 呸“f = c 艺l 峨，根据已知条件，g = 4 4 订，u 5 6 0 v ，心= 1 5 9 后q ， u a k - 2 。v ，所以充电时间为丁= 竺兰坐二堑掣= 2 聊s 。 5 2 2 光电触发电路 光电触发电路的功能是将光信号转换成电信号送到逻辑回路n 7 1 ，如图5 5 所示： 图5 5 光电转换电路 光接收器在接收到光信号前，a 点的电位为+ 5 v ，也就是l m 3 3 9 的“端电位为 + 5 v ，而“+ 端电位为+ 5 5 v ，“+ 端大于“端，所以比较器2 脚输出高电平。当 接收到来自低压侧的光信号后光接收器导通，“+ 端电位下降，此时“+ 端电位小于 + 5 v ，“端大于“+ 端，因此比较器2 脚输出低电平，由此可见，光接收器不仅有 光电转换作用，而且还有倒相作用。 电脉冲信号还要经过逻辑电路进行识别后，再经过放大电路将脉冲放大成可以触发 晶闸管的脉冲信号，触发脉冲应该满足下面条件n 引： ( 1 ) 触发脉冲宽度应该保证晶闸管可靠导通，对于高压s v c 由于r c 取能电路的 特殊性，不能采用宽脉冲或脉冲列触发，根据文献【1 5 】资料，高压晶闸管的触发脉冲宽 度达到2 0 i l s 就可以可靠触发，另外由于t e 板上有强制触发电路，对于偶然的触发不 好的情况，该电路可以产生强制脉冲信号，因此触发脉冲宽度设计为6 0 u s 。 ( 2 ) 触发脉冲应该有足够的幅度，对于户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应该增大为 器件的最大触发电流的3 5 倍，脉冲前沿的陡度也要增加，一般要达到l 2 a u s 。 ( 3 ) 所提供的触发脉冲不应超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏 安特性的可靠触发区域内。 我们所设计的高电位电子单元最终产生的触发脉冲信号如图5 6 ： 3 9 华北电力大学硕士学位论文 i l 。l 。l l i i l 。 ：i 肿= 2 5 a - 一 ：j 。t l 卅2 ；2 0 u s ： t l t 3 = 6 0 u s ：。： ! j ：i i i i 1 t j 。， f ；、- i ：1 2 i + j r ；! ! ! ! j l 。 u - l j ：t二 ：。：。：一。t l 乜! l ：。0 _ l i i m l c h t 5 lv 2 暑0 s 。! ： t 2 5 u s 格 i f l 。l 。 - 0 0 _ i i i ：- i i 品2 5 0 一 八i j o j：o 一： - 。! o 。! 。- i ：l r ；节= o 4 i i s i i 闹c 玳jv 1 西：。：。i _ 。i i i i 1 图5 - 6 触发脉冲信号 t ，l u s 格 根据a b b 公司给出的触发电流信号的几个参数标准n 叭，经过测试得到表5 1 弋 i 舯d i d t 仃 啦 门极最大电流脉冲电流上升率脉冲沿上升时间强脉冲宽度 a b b 推荐参数2 5 a2 a u s l u s 5 2 0 u s 测试参数 2 5 a6 2 5 a u s0 4 u s2 0 u s 表5 1 触发电流信号参数 从表5 1 可以看到触发电路产生的脉冲信号完全满足a b b 晶闸管的触发要求，各 项参数都在合理范围之内。 图5 7 是t e 板产生的正负脉冲信号和晶闸管触发后两端电压波形： 凄 是 j 凄 是 j 连 言 垦 5 i i i 。l 。一 u l ：硅两端 j l i ! r ：电库 ： 一 o 1 4 j 1 8 ： ，!i ! u 2 ：正尚门： i ：7 螂冲： l 。i 、 1 ：卜1 卜 一 u 3 ：“门： i 似j f l ：； 卜一弋： ：，：j z ! 妻譬：茗一“。8 “+ “。? 蜂醋鲁& 崩懈；寰 7 m 4 “j v - i t 。i 1 - i _ l 仍m s 格 图5 7 触发脉冲和品闸管两端电压波形 华北电力大学硕士学位论文 从图中可知，触发脉冲稳定可靠，晶闸管导通良好没有出现误触发以及触发后不导 通的情况。 由于晶闸管和电抗器是串联关系，所以晶闸管和电抗器两端电压之和正好等于系 统电压，如图5 8 ： 5 2 3b o d 保护电路 ；：! _ t ! _ ；：! - i ：_ t ：_ - - ； 蹶蕊 ；i ；： i ；i ； ；! i ； ； 磐试糍罂 图5 8 晶闸管、电抗器两端电压波形 由晶闸管组成的变流装置在运行时出现的过电压可分为外因过电压和内因过电压 两类，外因过电压主要来自雷击和系统中的开关操作过程，内因过电压主要来自阀组内 部晶闸管的周期开关过程，以及串联的晶闸管之间因开通或关断性能差异造成的瞬态电 压分配不均。由于晶闸管的过电压能力很低，因此晶闸管阀必须有针对各种过电压的保 护措施。对