（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的tsc型无功补偿装置研究与设计.pdf

英文摘要 a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e ri sa ni m p o r t a n tf a c t o rt ot h ev o l t a g es t a b i l i t y , a n di ti sa l s or e l a t e d t os e c u r ea n ds t e a d y o p e r a t i o no ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m s r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ni so n eo ft h ep o t e n tm e t h o d so fm a i n t a i n i n gt h e e f f e c t i v ea n dr e l i a b l e o p e r a t i o no ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m i nt e r m so ft h ed e v e l o p m e n t a la c t u a l i t yo f r 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 ei ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，ak i n do ft s c ( t h y r i s t o r s w i t c hc a p a c i t o r s ) d e v i c ei sd e s i g n e d t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yi n c l u d et h ef o l l o w e dp a r t s ：t h ei m p r o v e m e n to ft h ee l e c t r i c n e t sc a p a b i l i t yb yt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n , t h ec o n t r o lm e t h o da n dp r i n c i p l e o fr 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 eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h e d e v i c e ah i 曲p e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 0 8i sa st h ec o n t r o l l e r s c p u d s ph a sm a n ym e r i t ss u c ha sh i 曲o p e r a t i n gs p e e da n dh i g hr e a l - t i m e m e a n w h i l e ， t h ed e t e c t i n gc i r c u i t s ，t r i g g e rc i r c u i t ，s w i t c hc i r c u i t ，m o d u l a t ec i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i t a n do t h e rp e r i p h e r yc o n t r o lc i r c u i t sa r ed e s i g n e d c o n s i d e rt ot h e r e q u i r e m e n to f m e a s u r ea n dc o n t r o l ，t h et e c h n o l o g yo fd s p ss a m p l i n ga n dc a p t u r ea r eb o t ha d o p t e d ， w h i c hc a nr e a l i z ea u t o - t r a c k i n gt h ec h a n g eo ff r e q u e n c ya n dc o m p e n s a t ed y n a m i c a l l y r e a c t i v e p o w e r t h es y s t e ma d o p tt r i a c ( t r i o d ea c s e m i c o n d u c t o rs w i t c h ) b t l3 9 6 0 0 e ，w h i c hi s t r i g g e r e db y z e r o - c r o s sp h o t o t r i a cd r i v e r o p t o c o u p l e r - m o c 3 0 6 1 一ma ss w i t c h b ym e a n so fz e r o c r o s s i n gt r i g g e r i n go ft h i s s w i t c h , i tr e a l i z et h ec a p a c i t o r ss p e e d i n e s s ，n oa r c ，n oi m p a c ts w i t c h i n g o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gd i f f e r e n tk i n d so fc o n t r o lm e t h o do fv a rc o m p e n s a t i o n , t h ep a p e rt a k ei n t oa c c o u n tt h eb o t ho fv o l t a g ea n dv a r c o m p a r i n gw i t hf a m i l i a rc o n t r o l m e t h o dc o n s i d e r i n gp o w e rf a c t o r ，t h i sm e t h o da v o i d st h es w i t c ho s c i l l a t i o no nt h e c o n d i t i o no fl i g h tl o a d i n ga n dm a k er e a c t i v ep o w e ra d j u s t m e n tm o r er e a s o n a b l e c o n t r o la n dc a l c u l a t i o np r o g r a mo ft h es y s t e m ss o f t w a r ea r ed e v e l o p e da n d d e b u g g e db yc o d ec o m p o s es t u d i o3 3i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t w i t l lt h e f e a t u r e so fe f f i c i e n c y , p o r t a b i l i t ya n ds t r o n g t h i sp a p e rd e s i g nal o w - v o l t a g et s c s v cm o d e la n di t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e 英文摘要 s y s t e mo b t a i n e di nl a b o r a t o r y , a n dc h e c ko u ti t sp e r f o r m a n c e f i n a l l y , a l lt h er e q u i r e d p e r f o r m a n c ei sa c h i e v e d 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 ；t h y r i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r s ；d y n a m i c r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ro d s p ) 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士 学位论文：基壬堕的娶型玉功圭b 垡装置班究量遮让：。除论文中已经注明引用的 内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中 不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管 理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意学校 有权将本学位论文加入全国优秀博硕士学位论文共建单位数据库。保密的论文在解密后遵守 此规定。 保密口，在 一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于； 保密口 论文作者签名： 基于d s p 的t s c 型无功补偿装置研究与设计 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 静止型动态无功补偿技术是7 0 年代世界范围内的重点攻关技术，在我国起步 虽晚，但其发展前景是广阔的。一方面，以电力电子装置为代表的非线性负荷的 使用造成电能质量问题的因素不断增长；另一方面，各种复杂的、精密的、对电 能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高。上 述问题的矛盾越来越突出，使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害 和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大，电能质量直接关系到国民经济 的总体效益。而在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上。如何提高和 保证电能质量，已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一。 电网电压质量通常用稳定性、对称性及正弦性等指标衡量，随着现代电力电 子设备等非线性负荷大量接入电网，使电网供电质量受到严重影响，其中各种电 力电子开关器件的大量应用和负载的频繁波动是主要的干扰源，导致了一系列不 良影响： ( 1 ) 功率因数低，增加电网损耗，加大生产成本，降低生产率； ( 2 ) 产生的无功冲击引起电网电压降、电压波动及闪变，严重时导致传动装置及 保护装置无法正常工作甚至停产； ( 3 ) 产生高次谐波电流，导致电网电压畸变，能导致保护及安全自动装置误动作； 电容器组谐波及谐波电流放大，使电容器过负荷或过电压，甚至烧毁；增加 变压器损耗，引起变压器发热；导致电力设备发热，电机力矩不稳甚至损坏； 加速电力设备绝缘老化，易击穿；降低生产效率，增加损耗；干扰通讯信号； ( 4 ) 导致电网三相不平衡，产生的负序电流使电机转子发生振动。 目前解决这一问题普遍使用的方法是在干扰负荷接入点同时接入静止型动态 无功功率补偿装置，即s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ( s v c ) ，用以消除无功冲击，滤除 高次谐波，平衡三相电网，其典型代表为晶闸管控制电抗器+ 晶闸管投切电容器 ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r + t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r t c r + t s c ) 。t s c 型动态无功补偿装置( 以下记为t s c ) 能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最 绪论 佳馈电功率因数，实现动态无功补偿，减小电压波动，提高电能质量，节约电能。 另外，t s c 虽然不能连续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波而且损耗 较小的优点。若输出无功功率需要连续调节，或者要求能提供感性无功的情况下， t s c 常与t c r 配合使用。 无功功率补偿的作用就是要尽量减少无功功率对电网的影响。主要有以下几 点引： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低输电线路及用电设备的容量和负 荷，减少功率损耗： ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点 设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力； ( 3 ) 在三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功 负载，减少了无功功率对电网的冲击。 1 2 无功补偿装置的发展 随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。下面 介绍一下无功补偿装置的发展和应用。 1 并联电容器 并联电容器是电网中应用最多的一种专用无功补偿器，它的特点是结构简单、 经济方便、适于分散安装，能较好地满足就地补偿的要求：分组投切的并联电容 器装置有良好的无功调节性能；投资省，能耗低，运行维护方便而得到广泛应用。 虽然并联电容器有许多优点，但它的容量有限，阻抗是固定的，不能跟踪负荷无 功需求的变化，即不能实现对无功功率的动态补偿，而且它的输出无功功率与安 装处电压平方成正比，当电压输出降低时，特别由于故障电压降低的时候，系统 需要电压支持，而并联电容器输出无功功率却继续急剧下降口3 。 2 同步调相机 同步调相机又称同步补偿器，是作为并联补偿设计的一种同步机，它属于有 源补偿器。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情 况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。该装置优点是：在系统电 压下降时，靠维持或提高本身的出力，可以给系统提供紧急的电压支持。从功能 2 基于d s p 的t s c 型无功补偿装置研究与设计 上讲，同步调相机是一个被拖动到某一转速并与电力系统不同运行的同步机。当 电机同步运行后，根据需要，人为控制其磁场，使之产生无功功率，或从系统吸 收无功功率。然而，同步调相机动态响应速度慢，运行噪声大，发出单位无功功 率的有功损耗大，且运行维护复杂，已经无法适应各类非线性负载的快速变化， 因此，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置所取代。 3 静止无功补偿装置( s v c ) 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用静止无功补偿装置推上了 电力系统无功功率控制的舞台。静止无功补偿装置由于其价格较低、维护简单、 工作可靠，在国内占据主流补偿装置的地位。s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 先 后出现过不少类型，目前来看，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗器型、晶 闸管控制电抗器型和自饱和电抗器型3 种。上述第二种又可分为：固定连接电容 器加晶闸管控制的电抗器( f i x e dc a p a c i t o r + t h y r i s t o rc o n t r o l l e d r e a c t o r 川+ t c r ) 、晶闸管开关操作的电容器加晶闸管控制的电抗器 ( t h y r i s t o r s w i t c h e d c a p a c i t o r+ t h y r i s t o r c o n t r o l l e d r e a c t o r _ t s c + t c r ) 。s v c 克服了同步调相机的响应速度慢，运行噪声大的缺点， 具有控制速度快、维护简单、成本较低的优点，所以在电力系统中得以大量应用。 但s v c 也存在缺点，如工作于斩波状态的晶闸管会产生较大的谐波，对电力系统 造成污染；其次这些装置并入系统后会改变系统的阻抗特性，过多安装这些设备 可能导致系统出现振荡。另外，由于晶闸管的关断不能控制，开关器件的工作频 率低，对电能质量的补偿能力相对减弱，动态性能难以提高很多，装置的网侧谐 波电流较大。目前国内外对s v c 的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神经 网络控制和专家系统等智能控制手段也被引入s v c 控制系统，使s v c 系统的性能 更加提高。 4 静止无功发生器( s v g ) 随着电力电子技术的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代以来，一种更为先进的静 止型无功补偿装置诞生了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，即 静止无功发生器。s v g 的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联 在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其 3 绪论 交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，就可以使该电 路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。 与传统的无功补偿装置相比，s v g 有以下优点： ( 1 ) 连续调节、调节范围大、响应速度快、控制精度高； ( 2 ) 在采用多重化、多电平或p w m 技术等措施后可大大减少补偿电流中的谐 波含量； ( 3 ) 可以分相调节，产生的损耗小、噪声小； ( 4 ) 可对系统电压进行瞬时补偿，而且在系统电压较低时仍能向系统注入较大的 无功： 但是，s v g 目前还有很多的理论和实际运用的问题尚待解决。而且其控制复 杂，所用的全控器件价格昂贵，所以目前还没有普及，尤其在我国，大功率电力 电子器件目前基本依赖进口，成本太高，根据我国国情，此类装置的实用需要很 长一段时间。而在低压无功补偿中要求装置体积小、重量轻、结构简单易于安装 和维护，因此，t s c 和t c r 装置在当前的无功补偿领域得以广泛应用。 表1 1 对各种无功补偿装置特点进行了简单的对比瞄3 ： 表1 1 各种无功补偿装置特性比较 t a b 1 1t h ec o m p a r eo fr 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 e s c h a r a c t e r i s t i c s s c ( 同调) t c rt s ct c r + t s cs v g 响应时间 约2 0 m s约l o m s约1 0 、2 0 m s约l o m s p 。，其感性无功功率也大小不同q ： q 。，这就是说：在不同负载下，从 同一功率因数c o s q 下要补偿到c o s q o ，补偿的电容器容量也不同，q 。： q c 。，但是功 率因数控制型控制器不具备根据电容器电容大小去投切的功能。例如：在轻负荷 时需要补偿较小容量，而在等容量投切装置中没有合适的较小容量电容器，它投 的是较大容量电容器，所以一投就过补，过补控制器就发指令切电容器，切后功 率因数不达标又要求投，这种反复投切的现象我们称“投切振荡”，或称“过补投 切振荡 。使用功率因数控制型控制器，此事的发生是必然的，不是偶然的。 上面介绍的在轻负荷时发生的“投切振荡 现象，在无功电流或无功功率控 制型控制器就不会发生。这种类型控制器是依据负荷大小，并根据设定的功率因 数切除目标值为约束条件，计算出应补偿的无功电流或无功功率，有合适的电容 器就投，没有合适的就不投。因而在任何负荷，任何功率因数下都不会发生投切 振荡问题。同时能够快跟踪无功变化，补偿一次到位，补偿速度快，补偿精度高， 投切次数少，有效地延长了电容器的使用寿命。但是在负荷较为稳定的情况下， 该方法运算量大，效率低嘲。 由以上分析可知，由于电容器组的投切最终是对系统无功功率的补偿，而无 功功率是由电压、电流和相位差三个变量决定的，功率因数控制方式只检测相位 相位差，只是在一定程度上反映了系统的无功功率，而无功功率控制方式则检测 电压、电流和相位差，真实全面的反映了系统的无功功率。所以本控制系统采用 无功功率作为控制物理量的控制方式，可以较好地实现无功的动态补偿。 3 2 检测电路设计 3 2 1 直流电源供电电路 图3 3 是为本系统提供直流工作电源的电路： 采用2 2 0 1 8 v ，2 0 w 双抽头变压器，为两路d b l 0 7 提供输入电压，整流输出后， 经l m 7 8 1 5 、l m 7 9 1 5 ，l m 7 8 0 5 及相应稳压、滤波、保护电路后，形成+ l s v 、一1 5 v 和 + 5 v 直流电压，作为整套装置控制电路的供电电源；其中，1 5 的主要供电对象 为：电压互感器t v s l 9 0 8 - 0 1 、电压电流幅值调节电路中的l m 3 2 4 n 、a d 5 3 6 a 真有效 值转换芯片、电压电流过零检测电路及相应调理电路中的l m 3 2 4 n ；+ 5 v 的主要供 基于d s p 的t s c 型无功补偿装置研究与设计 电对象为：用于去除过零比较后方波负半周的l m 3 2 4 n 、s n 7 4 h c 7 4 双d 触发器、 s n 7 4 h c 8 6 异或门和6 n 1 3 7 光耦等； 图3 3 直流电源电路 f i 9 3 3t h ep o w e rc i r c u i t 3 2 2 电压检测电路 交流电压的真有效值是通过电路对输入交流电压进行“平方一求平均值 一开平方 的运算得到的。真有效值转换芯片的最大优点是能够精确测量各种电 压波形的有效值，而不必考虑被测波形的参数以及失真。本课题采用a d 5 3 6 a 将0 5 v 的交流电压转化成为0 3 v 的直流电压，送入d s p ，进行模数转换，如图3 4 所示。 图3 4 电压检测电路 将交流电压信号经过l m 3 2 4 调理后，送入a d 5 3 6 a 进行交直流转换，a d 5 3 6 a 的 6 脚输出直流信号。经过交流互感器降压后输出的电压范围是o 5 v ，输出端v o u t 3 1 t s c 型无功补偿装置硬件设计 的直流电压范围为o 1 2 5 v 。调试时首先调节可变电阻r 2 5 ，使经过两级l m 3 2 4 调 理后的电压为4 2 4 2 v ，输出端v o u t 再加一组调理电路，使得输出的直流电压值为 3 v ，可变电阻r 2 6 用于调节输出零位。 3 2 3 电流检测电路 电流检测电路的原理与电压检测相似，其检测电路如图3 5 所示。 l ，扭+ l ! 晨土i v i n + y c c1 4 譬 2 0 k 2 髓 n c n c 龉211 1 + 1 5 v 一i 计丁3 - v c c n c _ _ _ _ c a r n c l 卜im 5 d b c o m 9i i | 毒巳，一】专 l 1 n 王 厅：= 势 v o u t j r f ：b 7 = 引广 i ni o u t i 季k 图3 5 电流检测电路 3 2 4 相角检测电路 图3 6 所示为系统的相角检测电路，系统电压和电流信号经过零检测电路处 理，变为幅值为4 v 的方波信号，其中，电压信号经过r c 滤波后送入芯片s n 7 4 h c 7 4 双d 触发器的c l k l 脚；电流信号经过r c 滤波分为两路，其中一路直接进入s n 7 4 h c 8 6 芯片的引脚1 ，另一路经过一个r c 充放电延时和i n 4 0 0 7 去负半波的处理后，送至 s n 7 4 h c 8 6 的引脚2 ，经过异或操作后由引脚3 输出经s n 7 4 0 4 反相后，送至s n 7 4 h c 7 4 的清零端c l r l ，完成清零操作，从而获得与电压信号的相位延迟，最终，由s n 7 4 h c 7 4 的d 端输出相角的方波波形；s n 7 4 h c 7 4 双d 触发器的c l k 2 ，输出送入d s p 的捕获 单元，对其进行上升沿捕获，获得相角值。图3 7 为用p s p i c e 仿真电压过零检测 前和后的波形。 3 2 基于d s p 的t s c 型无功补偿装置研究与设计 图3 6 相角检测电路 f i 驴6 t h ec i r c u i to fd e t e c t i n gp h a s e 。乞。乙o 。 ： ，l i j ， o ，。k 专 ” o t ，t o i ， ；jji；： ； 一。，l 1 。： 喜。i ，三，。三 ，口”，* “ 毛k o 专n 。o ，0 。o o ；： ： 蒯墨三 。冷r 参辩：= = 誊二：辩二= ：= ：忿：扛喜q 尹， ，。歹0 f ，篁 0 - 。是。 ，i气。 ， j 韬， i | l ：、爹：髦r “琵f、；蓼；瑗p鼍l ，一9 e 。- f， l ，l - ， c l ，f ： = ：二瓤强二喜：襄二z二二：篆萎到 一一 r 。p + t t o 中 。+ ，e i f 、一? 7 ；ix ：i 。i | ： 。h “一 一， 一 ”7 。p ”一：雹。 。4r o ” ； i k 歹 ； ：! l 铷， 曩，州，峨秘 图3 7 p s p i c e 仿真电压过零检测前后的图像 f i 够7t h eg r a p h i c sb e f o r ea n da f t e rd e t e c t i n gz e r o - c r o s s i n gb yp s p i c e 3 3 电容器投切控制电路 3 3 1 光耦控制电容器投切电路 图3 8 所示为用光耦m o c 3 0 6 1 - m 控制的电容器投切控制单组电路。当d s p 发 出投切电容指令时，光耦控制双向可控硅导通，将电容器投入系统运行。 t s c 型无功补偿装置硬件设计 图3 8 光耦控制电容器投切电路 f i 驴8c a p a c i t o rs w i t c h i n gc i r c u i tc o n t r o l l e db yo p t o c o u p l e r m o c 3 0 6 1 一m 是过零触发双硅输出光耦，它集光电隔离、过零检测、过零触发等 功能于一身，避免了以往电路为了保证过零触发都要设计复杂的过零检测、触发 电路的弱点，具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、无噪声、易检修等优点n 6 。 d s p 发出投切电容指令时，作用于1 、2 脚，其最佳触发电流为1 0 1 5 m a ；光耦控 制双向可控硅导通，将电容投入电路运行。 图中r 1 是作为触发器输出的限流电阻；另外，在高电感性负载时，用来防止 双向可控硅驱动器受到损坏。r 2 是门级电阻，当可控硅灵敏度较高时，门级阻抗 也很高，并上r 2 可提高抗干扰能力。r 3 和c 1 是针对电感性负载而设计的缓冲网 络电路。因为对于电感性负载，电流与电压之间将发生相位移动，从而当电流降 到维持电流以下时，双向可控硅两端依然存在一定的电压，如果电压出现的太快， 可控硅会失去控制而继续导通。图中的l o a d 为电容器，该电路共有四组，电容容 量按照1 ：2 ：4 ：8 的比例进行分组投切，可实现1 6 级组合，若是1 5 k v a r 电容， 这样只需4 组就可以达到l k v a r 的级差，而等容分组方式则需要分成1 5 组才能达 到l k v a r 的补偿级差。这种不等容分组虽然软件稍微复杂，但却大大节省了电容 器所占的空间，而且还节约了电容器投切开关的数量，这样在实现了较高的补偿 精度的同时，还大大节约了补偿装置的成本。 投切控制主回路电路如图3 9 所示： 基于d s p 的t s c 型无功补偿装置研究与设计 。 净龇i 一睡i 掩殖龇他l 仨j l 一 图3 9 投切控制主回路电路图 f i 妒9t h em a i nc a p a c i t o rs w i t c h i n gc i r c u i t d s pt m s 3 2 0 f 2 8 0 8 输出电压为3 3 v ，受其最大输出电流4 m a 的限制，采用四 路l m 3 2 4 构成的电压跟随器，提高其带载能力，选择m o c 3 0 6 1 - m 输入电阻为3 3 0 欧姆，这样，将输入电流限定在l o m a 左右，正符合m o c 3 0 6 1 - m 的最佳触发电流。 当正向电流流过1 、2 端时，即完成触发过程，因为其内置过零检测电路的作用， 当4 、6 端电压过零时( 按照图中接法，该时刻即为电网电压过零时刻) ，双向可 控硅触发导通，接入相应电容器组；当1 、2 端去除触发信号时，右端电路同样受 内置过零检测电路的作用，待电网电压过零时，b t l 3 9 - 6 0 0 e 关断，切除相应电容 器；正是基于这样一个投切的操作过程，来自d s p 的指令以编码的方式送入四路 电压跟随器，按照核算的无功功率投切相应电容器组 3 3 2 投切电容量的计算 电容器的补偿容量与采用的补偿方式、未补偿时的负载情况、电容器接法等 有关。在本系统中采用分组补偿方式，一般按提高功率因数的需要确定补偿容量。 例如，将平均功率因数从c o s q 。提高到c o s 9 ：，则需要装设补偿无功功率的电容器 补偿容量为： q = q l q z = s i n c p 一s i i l 叩22 易啪q l 一吃觚叩2 ( 3 1 ) = 厶( t a n p 1 一t a i l 印2 ) = 0 【罡o a q c 其中：a q c = t a l l 叩l - t a n 午2 补偿率( 或比补偿容量，单位：k v a r k w ) ，它 表示要使i k w 的有功负荷的功率因数由c o s 叩。提高至l j c o s q ) ：，所需要的无功功率补 偿容量k v a r 值。 q 平均负荷系数。 t s c 型无功补偿装置硬件设计 电容器接法不同时，每相电容器所需容量也是不一样的。 ( 1 ) 电容器组为星形联结时 q = o c , u 2 x l o 。3 ( 3 2 ) 式中：q c 电容器补偿容量( k v a r ) u 装设地点电网线电压( k v ) ( ) = 2 f g 每相电容器组的电容量( uf ) 则星形连接时，每组电容器组的容量为： q = 簪 ( 3 3 ) ( 2 ) 电容器组为三角形联结时 q c = 孙g u 2 x l o 刁 ( 3 4 ) 在本系统中，电网电压有效值为2 2 0 v ，电容量按1 ：2 - 4 - 8 比例分组，一个 电容的容量为o 6 8uf ，电压频率为5 0 h z ，则投切到电路第一组电容器能够补偿 的容量为： q l2 c o c u 2x 1 0 一= 2 9 f c u 2x 1 0 一 ( 3 5 ) ：2 3 1 4 5 0 0 6 8 o 2 2 2 1 0 - 3 = 1 0 3 3 1 0 3 k v a r 若4 组全都投切到电路中，即1 5 个电容全部投入，则电容器做多能够补偿的 容量为： q t 5 = 1 5 q 。l = 1 5 x l o 3 3 x 1 0 。3 = 1 5 4 9 5 x 1 0 3 k v a t ( 3 6 ) 3 4t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 d s p 实验板设计 在本控制系统中，t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 完成模拟信号的采集、处理和控制信号的输出， 并完成控制算法的计算。模数转换部分使用d s p 内部自带的a d 转换器。 t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 是t i 公司最新推出的基于代码兼容的t m s 3 2 0 c 2 8 x 内核的新型高 性能3 2 位定点数字信号处理器，实现了高性能d s p 与闪存及高精度a d c 的完美结 合。它是面向数字控制系统的新一代数字信号处理器。该控制器集实时处 基于d s p 的t s c 型无功补偿装置研究与设计 理能力和控制器设计功能于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方 案。 下面总结了一些f 2 8 0 8 的特点： ( 1 ) 采用高性能的静态c m o s 技术，主频可以工作在i o o m h z ；高性能的3 2 位中央 处理器，可以进行1 6 1 6 位和3 2 3 2 位的乘且累加操作。 ( 2 ) 具有1 2 b i t 的a d c ，具有1 6 个通道，包括2 个8 通道的多路输入器，2 个采 样保持电路，可单或同时转换，且具有快速转换速率，可选择内部触发和外部触 发。 ( 3 ) 片内存储器容量6 4 k x1 6 b i t 的f l a s h 、1 8 k x1 6 b i t 的s a r a m 和1 k x1 6 b i t 的一次性可编程存储器。 ( 4 ) r o m ( 只读存储器) 可达4 k 1 6 ，具有软件引导模式( 通过s c i ，s p i ，c a n ， 1 2 c 和并行i o 口) 。 ( 5 ) 时钟和系统控制，支持锁相环( p l l ) 模块，看门狗定时器模块。 ( 6 ) 3 个外部中断和外设中断扩展( p i e ) 模块( 4 3 个外设中断) 。 ( 7 ) 3 5 个独立的可编程多用途输入输出引脚( g p i o ) 等。 ( 8 ) 外围串形接口，多达4 个s p i 模块，2 个s c i ( u a r t ) 模块，2 个c a n 模块和 1 个1 2 c 总线。 ( 9 ) 以b g a 形式封装，具有1 0 l o m m 的微小封装尺寸；以q f p 形式封装，具有 1 6 x1 6 m m 的微小封装尺寸，便于在微小型测试仪器中应用。 ( 1 0 ) 采用1 8 v 内核电压和3 3 v 外围接口电压，支持i d l e ，s t a n d b y 和h a l t 模 式。 其中模数转换器( a d c ) 的特点如下： f 2 8 0 8 包括两个8 路1 2 位转换器，a d c 时钟频率为1 2 5 m h z ，转换时间很短， 具有自动排序能力，一次可执行最多1 6 个通道的自动转换，可工作在8 个自动转 换的双排序工作方式或一组1 6 个自动转换通道的单排序工作方式，可编程为顺序 采样和双路同步采样。丰富的a d 转换启动模式，支持软件启动、事件管理器中 断启动和外部信号启动。其中，可利用事件管理器的定时中断来定时启动a d 转 换，进行实时采样。另外，与2 4 x 相比不仅在采样速度和精度上有所提高，而且 t s c 型无功补偿装置硬件设计 内建双采样保持电路和参考电平，可大大简化硬件设计。 3 5 硬件抗干扰与保护电路 采样和控制过程中的误差和干扰是难以避免的。分析它们产生的原因，找到 减小误差和抗干扰的途径，从而达到提高测量精度和控制精度的目的。本文在设 计过程中采用了下列措施来提高系统的抗干扰性能。 1 、在信号采集方面，采用隔离性的电压互感器和电流互感器。 2 、通过光电隔离器，从电路上把干扰源和易于干扰部分分离出来，使控制器与主 电路实现了隔离，同时还能有效地抑制尖脉冲及各种噪声的干扰。 3 、在采集信号后，经过调理保护电路之后，再送入d s p 的a d 转换，进行处理。 4 、在控制器印刷线路板的设计中，每个集成电路的电源与地之间都加一个去耦电 容。其作用主要有两点：一方面是集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路 开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。 5 、在硬件电路的设计过程中，滤波是一个很重要的防干扰措施。滤波器对抑制经 导线耦合到电路的脉冲噪声干扰效果显著。它既可以抑制干扰源的发射，又可以 抑制感染频谱对敏感设备、电路或原件的影响。本控制器的电路板采用r c 低通滤 波器，在采样输入端对地并接一个电容以稳定采样点点位，使其不随干扰电压变 化，或当干扰电压变化还未达到元件的动作电平时，干扰脉冲已经消失，从而抑 制信号传输线路中的噪声和抑制高频干扰。 6 、电路板上的电路单元要彼此隔离，控制器电路板系统中输入单元、输出单元、 数据采集单元等彼此间要隔离。通过电源引入的干扰往往是导致系统不能正常工 作的主要因素。因此，在设计时，对隔离的各个电路单元用隔离电源独立供电， 可以削弱公共电源在电路间形成的噪声，切断通过电源串入的各种干扰瞳引。 3 6 本章小结 本章根据无功补偿系统的功能要求，先进行了t s c 硬件电路的总体设计，包 括检测电路、电容器投切控制电路、控制器模块以及硬件抗干扰等设计。在实验 室现有的条件下，对硬件电路进行了调试，并且取得较好的试验效果。 基于d s p 的t s c 型无功补偿装置研究与设计 第四章t s c 型无功补偿装置软件设计 本章主要讨论静止无功补偿装置的软件设计，在c o d ec o m p o s es t u d i o3 3 集成开发环境下对t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 进行程序编写和调试。软件部分包括：d s p 控制系 统的主程序流程图、a d 采样流程图、捕获相角流程图。论文中主要设计的程序包 含了c 语言与汇编语言。 4 1 系统设计思想 根据“保证电压合格，无功基本平衡，尽量减少投切次数”的控制原则，以 d s p 为控制核心乜油3 ，由a d 程序获取经过互感器测量并处理后的电网电压值、电 流值；由捕获程序获取功率因数和电网电压过零点时刻，最终以d s p 实时计算出 的无功功率值作为判据，将电容器组按照编码方式在电网电压过零点进行投切。 4 2 主程序流程图 图4 1 主程序流程图 f i 9 4 1m a i np r o g r a mf l o wc h a r t t s c 型无功补偿装置软件设计 本无功补偿装置的程序设计遵循模块化设计的原则，以提高系统的通用性， 主程序流程图如图4 1 所示。 主函数程序如下： m a i n ( ) i n i t s y s c t r l 0 ； e a l l o w ； s y s c t r l r e g s h i s p c p a l l = 0 x 4 ；h s p c l k = s y s c l k o u t 8 e d i s ； i n i t c a p 2 g p i 0 0 ；g p i o 18i su s e df o rc a p t u r e i n i t c a p 1g p i 0 0 ； d i n t ； i n i t p i e c t r l 0 ； i e r = 0 x 0 0 0 0 ； i f r = 0 x 0 0 0 0 ； i n i t p i e v e c t t a b l e 0 ； e a l l o w ；t h i si sn e e d e dt ow r i t et oe a l l o wp r o t e c t e dr e g i s t e r p i e v e c t t a b l e a d c i n t2 & a d c _ i s r ； p i e v e c t t a b l e e c a p l j n t = & e c a p l j s r ； e d i s ； t h i si sn e e d e dt od i s a b l ew r i t et oe a l l o w p r o t e c t e dr e g i s t e r s i n i t a d c o ；f o rt h i se x a m p l e ，i n i tt h ea d c a d c i n i t o ； c a p i n i t o ； g p i o i n i t 0 ； i e r | _ m _ i n t 4 ； i e rj - m _ i n t1 ；e n a b l ec p ui n t e r r u p t1 p i e c t r l r e g s p i e i e r l b i t i n t x 6 = 1 ； p i e c t r l r e g s p i e i e r 4 b i t i n t xl = 1 ； 4 0 基于d s p 的t s c 型无功补偿装置研究与设计 p i e c t r l r e g s p i e i e r 4 b i t i n t x 2 = 1 ； l o o p c o u n t = o ； c o n v e r s i o n c o u n t = o ； e i n t ； e n a b l eg l o b a li n t e r r u p ti n t m e r t m ； e n a b l eg l o b a lr e a l t i m ei n t e r r u p td b g m f o r ( ；) 。 t = e c a p 2 r e g s c a p 2 一e c a p 2 r e g s c a p1 ； i f ( 2 5 0 0 0 0 0 t 0 ) n f = t l0 0 0 0 0 o ； t = n f * o 0 5 0 ； p h a s e = 0 9 9 3 5 7 t - 0 0 0 0 9 ； d e g r e e = p h a s e 3