（物理电子学专业论文）基于dsp电力系统无功补偿控制器的设计.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于d s p 电力系统无功补偿控制 器的设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文 中己经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过 的作品成粜。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结粜由本人承担。 作者签名玉盔垒b n 年月乒日 长春理工大学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“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电予版允许论文被查阅和借间。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据庠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。 作者签名 导师签名 邀趋2 - 年月亟日 i ! 竺年鱼月望日 摘要 本文介绍了无功补偿技术芨展的状况，分析对比了各种无功补偿技术的优缺点并 在此基础上提出了基于d s p 的无功补偿控制的总体方案井给出了系统的软硬件设计。 硬件设计上采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 做为运算和控制的核心，该芯片具有速 度快、片内资源丰富、功耗低、抗干扰能力强等优点：数据采集采用a d 7 6 5 6 芯片， 实现1 6 位6 通道同步采样：投切器件采用晶闸管，投切控制采用零压差电容器投入和 零电流电抗器切出，确保投切行为不产生谐波及高频干扰成分。 软件方面采用了c 语言和模块化设计思想，使用c c s 33 集成开发开发环境编写 和d s p 程序。投切控制软件综合了功率因数、无功功率、轻载闭锁、过补闭锁等控制 策略实现较为全面的综台控制。 关键词：d s p 电力系统无功补偿控制器 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sd e v e l o p m e n ts t a t u so f c o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g ，a 1 1 m 、+ ”p r i n c i p l e c a p a b i l i t xa n da p p l i c a t i o na i e ao f d i f f e r e n tk i n d so f c o m p e n s a _ 【i o nt e c h n o ) 0 9 3b a s eo l lt h i s a n dc o m b i n i n gt h ei m p r o v i n ga p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n tb r i n gf o r w a r dg e n e r a lp r o j e c to fu s e d s pt om a k ec o m p e n s a t i o nc o n t r 0 1 a l s om a k es y s t e ms o f t w a r ea n dh a r c w a r ed e s i g nf o r t h a ti nh a r d w a r ed e s i g n u s et it m $ 3 2 0 f 2 8 】2a sc a l c u l a t i o na n dc o n t r o lc o r et h i sc h i ph a s f o l l o w i n ga d v a n t a g e ：h i g hc a l c u l a t i o ns p e e da b u n d a n c er e s o u r c e 1 0 wp o w e rc o n c u m i n ga n d s t r o n ga n t i o a m m i n gc a p a b i l i t yd a t ac o l l e c t i o nu s e sa d 7 6 5 6a sm a i np a r tw h i c hh a s1 6 b i t s6 c h a n n e l sc a nm a k eh i g hp r e c i s i o ns y n c h r o n i z a t i o ns a m p l i n gs w i t c hp a r tu s es c ra n dt l s e z e r ov o l t a g e ，z e i oc u h e ms w i t o h l e c h n o l o g yt om a k es w es w i t c hw i l l l o tg e n e r a l eh a r m o n i c a n dh i g hf r e q u e n t ) i n t e r f e f e n c e i ns o f t w a r ed e s i g nd s p p r o g r o mu s ecl a n g u a g e t a k em o d u l a f i z ed e s i g nt h i n k i n gf o r s o f t w a r ed e v e l o p m e n t u s ec c s 33i n t e g r a t i o np l a t f o r mf o 。p r o g r a mc o m p i l e d e b u ga n d t e s t i n g ；s w i t c hc o n t r o ls o f t w a r ei n t e g r a t e sp o w e rf a c t o lr e a c t i v ep o w e r 1 i g h tl o a da t r e s i a o v e rc o m p e n s a t i o na t r e s i ac o n t r o ls t r a t e g ) za c h i e v i n gf u l l s c a l ei n t e g r a t i o nc o n t r o l k e yw o r d s ：d s pp o w e r ，w s t mr e a c t i v e p o w e r c o m p e m a l i o n n o l l e r 摘要 a b s t r c t 目录 第一章绪论 12 无功补偿的基本概念和意义 l3 无功补偿技术及发展现状 14 本文研究的主要内容与结构安排 lj 本章小结 第二章无功功率补偿关键技术 2l 无功功率测量 2 2 功率因数测量 23 零压差和零电流投切 24 控制目标和控制策略 25 本章小结 第三章无功补偿控制器硬件设计 3l 系统硬件组成与结构 32 模块化的电路设计 33 本章小结 第四章系统软件设计 4l 软件的总体架构 42 数据采集软件 43 数据处理软件 44 投切控制软件 45 人机交互软件 46 本章小结 第五章仿真测试 jl 仿真测试环境介绍 j2 仿真测试模型构建 j 3 无功补偿波形测试 j4 无功补偿效果分析 jj 本章小结 第六章总结与展望 参考文献 附件 人机交互软件程序代码 目录 j_o巾-镥om h b s勰船乳笃盯嚣黔四舶孔列踮船姆 第一章绪论 1 1 课题研究背景 电能是一种应用广泛的能量形式，与传统的化学能、动能和势能相比，它易于产 生、便于输送、控制简单、安全洁净，用途广泛等突出优点，以在当今工农业生产和 人民生活中得到，广泛的应用。有资料显示到2 0 0 8 年底全国电力装机容量达到 79 2 5 3 亿千瓦，笈电量达到3 4 3 3 4 亿千瓦时，我国电能消耗总量但次于美国，已屠 世界第二位。但由于节能意识薄弱、节能技术相对落后我国能源的消耗远远大于发 选国家，但是我1 门的人均产值却很低，因此，我们有必要加大对电力系统节能技术的 研宄。 电力系统是指由发电、输电、用电等环节组成的电能的生产、传输、消费的系统。 电力系统的出现使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应砰j ， 推动了社会生产各个领域的变化开创了电力时代，发生了第二次技术革命。电 力系统的规模和技术水准己成为一个国家经济发展水平的标志之一。 蠢b 电网就是在电力系统中，联系发电和用电的设施和设备的统称。属于输送和分配 电能的中间环节它主要由联结成网的送电线路、变电所、配电所和配电线路组成。 电网将电能输送给终端用户而垫端用户就是电网负载，终端用户可以大致分为三种 情况：阻性负载、容性负载和感性负载。阻性负载时，终端用户消耗的电能与电网提 供的电能相等但是容性负载和感性负载时电网提供的电能中有一部分被负载消耗， 这部分被称为有用功率：还有一部分并不消耗而是在负载和电网之间来回传递，这部 分被称为无功功率。在电同中： 有功功率：是指可以转化成其他形式能量的电量。以p 来表示，单位为w ： 无功功率：是指从能量源传递到负载并能反映功率交换情况的功率就是无功功率。 以q 来表示单位为乏( v a t ) 或是干乏( k v a r ) 。它的产生是由于感性负载、容 性负载、以及电压和电流的失真所引起的。 视在功率：有功功率和无功功宰的几何之和( 即平方和的均方根) 。以s 来表示， 单位为v a 。它常用来表示电气设各的容量。 s = p 二+ 功率因数角：是指正弦交流电压与电流的相位差，以母来表示没有单位。 功率因数：功率因数角的余弦值称为功率因数。它决定于电路元件参数和工作频 率，纯电阻电路的功率因数为1 ，纯电感或纯电容电路的功率因数为0 。 p c o s o = ( 12 ) o 在一个直角三角形中可以表示出有功功辜p 、无功功率q 、视在功率s 、功率因数 角o 之间的关系，如图12 所示： 图12 无功功率厦功幸因数之间的几何关系 当终端用户呈现容性或是感性时就会有无功功率产生，无功功率的存在对电网带 来以下几个方面的危害： l 、无功功率在负载和电网之间来回传递，由于电网存在传输损耗，因此无功功 率的存在会加大电闻的能耗、降低输电线路的实际输电能力。 ! 、根据公式1l ，无功功率q 越大那么在有功功率p 不变的情况下需要更大的装 机容量s 的电网设各才能满足终端用户的用电需求，这无疑增大了电网的建设投入 降低了电网的实际利用率。 3 、增加了输电线路和变压器的压降降低输变电质量。 4 、为了满足用电设备对无功功率的要求，发电设备的实际容量要大干实际功率和 无功功率的几何之和而无功功率并不实际做功，因此降低了发电设备的利用率。 由于电网越来越庞大、电网容量不断上升，无功功率带来的危害就越来越不可忽 视，因此研究无功补偿技术具有非常重要的实际意义。一般来说无功补偿有一下 具体作用： 】、提高负载的功率因数，降低对电网和发电设备的容量需求，减少功率损耗。 2 、降低电压闪变，减少过电压的授生。 3 、提高电力系统的稳定性，减少电网的阻尼振荡，提高电能的输送能力。 4 、在三相负鼓不平衡场合，无功补偿可以平衡三相的无功和有功负载。 消除电网中的无功功率可降低电网的线路损耗，提高电网输电容量的利用率和 发电设备输出功率的利用率改善输变电质量i ：”。 卅 1 3 无功补偿技术及发展现状 无功补偿技术按照发展阶段和技术特征可分为早期无功补偿技术和现代无功补偿 技术两个阶段。早期无功补偿技术主要包括补偿电容、同步调相机和饱和电抗器现 代无功补偿技术主要包括静止无功补偿技术和静止无功发生技术等。 一 电容器补偿( f c ) _ _ ；警冀_ i _ _ 赢而i 一饱和电抗器( s r ) 无功 偿 装置 图13 无功补偿技术的发展 固定电容( f c ) 无功补偿技术的优点是原理简单安装、运营和维护方便。但是， 固定电容无功补偿技术有很多缺点：首先是只能补偿感性无功，且不能够实现连续调 节。其二，固定电容器只能全部投入或是切除，只能补偿固定的无功功率。其三这 种补偿是阶梯型的并且具有负电压效应，当电网电压下降时，电容器上的补偿电流 相应下降使补偿的无功量急剧下降，系统电压也会急剧下降。其四，容易引起电网 的谐振，如果谐波电流过大甚至可能造成电容器的烧毁。 同步调相电机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r s c ) 其实质就是空载运行的同步电机， 通过改变励磁电流的大小，实现从电网中吸收或是输出无功功率。在过励磁运行时 向电网提供感性无功功率，起到舞动电源的作甩；在欠励磁运行时，从电阀吸收感性 无功功率，起到无功负荷的作用。使用同步调相电机进行无功补偿的优点是能够实现 连续调节无功功率的数值。但是，同步调相电机是一种机械装置，因此有一些不可避 免的缺点：首先是存在有功功率损坏。其二，响应速度较慢。其三，体积较大、振动 和噪音较大。其四，成本较高、运营维护复杂。 饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) ，早期的饱和电抗器是由一个多相的谐波补 偿自饱和电抗器和一个可投切电容器并联组成。早期的饱和电抗器的优点在于它是一 个没有机械运动的静止补偿装置响应速度块。但是由于铁芯需要被磁化l u 饱和状态， 因此，有功损坏和噪声都比较大，此外铁芯处于饱和状态时非线性是一个较为复杂的 问题。 随着电力电子技术和和现代控制理论的的不断发展，基于m c u 或是d s p 进行检 测和运算、使用机械开关或是晶闸管作为投切器件的静止无功补偿装置( s v c ) 逐渐 成为无功补偿的主流。现代静止无功补偿装置( s v c ) 根据电阳电压和电流波形计算 无功补偿的电容量或是电抗量，然后通过机械投切或是晶闸管投切将所需的电容量或 是电感量，从而达到无功补偿的目的。常见的静止无功补偿装置有机械投切电容型 ( m s c ) 、晶闸管投切电容型( t s c ) 、品闸管授切电抗型( t c r f l s r ) 以及组合型( 比 如，t c r + t s c 、t s r + t s c 、t c r + f c 、t c r + m s c 等) 。 甚去未 ji z f 士ifl 圈f4 静止无功补偿的常见结构 不同结构的s v c 具有不同的补偿特性表1 1 给出了静止无功补偿装置常见结构 特性对比，用户可以根据实际情况选择不同结构的s v c 及其容量来满足不同应用的需 求。 表i i 静止无功补偿装置常见结构特性对比 随着全控型电力器件( 如g t o 、i g b t 、i g c t 等) 的出现，以瞬时无功功率理论 和全控型器件为基础研制出新型的无功补偿技术：无功发生器( s v g ) 。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与电网相连- 通过适当调节桥式电路交流 侧输出电压的相位和幅度或者直接控制其交流测电流从而使该电路吸收或是发出 特定需求的无功电流，最终达到动态无功补偿的目的，图15 给出了无功发生器的原理 图 、i ia 一- 、m - - o l l ，7 、带，、。l 仁一( 高卜一卜叫 。： m “i = 一i mj ，说明电流超前 于电压，则说明负载是容性的。 使用公式2 a 测量相差要求较高的采样率才能够包装有较高的测量精度。但是提 高采样率会增加运输量降低期幢效率。为此，可以采用移向计算方法进行测量和计算， 移向计算方法的理论基础是公式2 5 。 s i n ( 中) = c o s ( 中+ q 2 - ) 将式：5 带入式1 1 得： ( 25 ) 9 2 厶s i n ( 中) = i 2 u 。厶s i n ( 肼) s i n ( 纠一中一三) 击 = i “c ，v o 一；，出 c ：s ， 式2 6 中：是工频的小速度，t 为工频周期，为时间。采用模数转换器将电 压信号和电流信号数字化和离散化，并且将模数转换的采样率设定为工频频率的4 n 倍( n 可以取l 、2 、3等) 那么公式26 可以离散化表示为： 式中：“t 是第k 个电压采样值1 女一。是第k - n 个电流采样值这样只需要以工频 的4 n 倍速率进行采用并将电流采用值和电压采样值错开i 1 个值然后累计获得4 n 个采 用就能根据公式27 计算得到无功功率。为了保证采样率是工频频率的4 n 倍，可以采 用倍频和锁相电路产生采样时钟“。 22 功率因数测量 功率因数也是评估无功补偿效果的重要参数之一，是指正弦交流电压与电流的相 位差称为功率因数角，用0 来表示没有单位。功率因数角的余弦值称为功率因数。 功率囡数的测量可以利用公式2 4 ，采并j 提高采样率的办法提高功率因数角的测量精 度，然后通过计算功率因数角的余弦值来获得测量值，也可以通过过零检测电路和计 数器进行测量。但是在电网中实际的电压波形和电流波形并不是一个理想的正弦系 统，由于电力系统中存在谐波成分和非周期性分量，这些谐波成分和非周期分量会影 响过零点的测量精度，降低采用公式2 4 方法测量功率因数的准确性。 为了消除谐波及非周期分量对功率因数测量的影响，提高功率因数测量准确性。 可以采用数字信号处理技术，首先对电压和电流信号进行中心频率为5 0 h z ，带宽为 4 0 h z 的数字带通滤波处理用来消除谐波干扰和非周期分量的影响，然后再采用傅立 叶滤波方法获取电压和电流相对相位角，再通过求差得到功率园数角从而计算出功率 因数。其主要理论根据如下： 设电网电压波形为：“( ，) = u 。s i n ( c o t + 中) ( 28 ) 电网电流波形为：i ( t ) = 1 0 s i n ( 6 0 rj ( 2 9 ) 采用模数转换器将电压信号和电流信号数字化和离散化，假定一个工频周期内的 采样率为n 则数字化、离散化后得到n 个电压采样值和n 个电流采样值。利用博立叶 算法分别计算出电网电压波形和电网电流波形的基被丹量的实部和虚部，表达式为： 7 ，一k “ 上锄 驴糍汩s ( 宁2 k z ，- 嘏槲n ( 吣糍吲锄，卟糍叫割 使用公式21 0 可l l 计算得到电流虚部和实部的值从而求得电流的相对相位角 中，使用公式：1 0 可以计算得到电压的实部和虚部的值从而得到电压的相对相位 角中，那幺电流和电压的相位差( 也就是功率因数角) 为： 巾= 中，一中 1 1 2 ) 功率因数为c o s ( 中) 。 基于数字信号处理技术的功率因数测量与传统的功率因数测量方法相比，具有成 本低、灵活性好、抗谐波干扰能力强、对非周期性分量不敏感、测量准确性和稳定性 高等优点。 23 零压差和零电流投切 投切是指将补偿用的电抗器或是电容器投入电网或是从电网中切出。常用的投切 器件有机槭开关( 继电器等) 和电力功率器件( 晶闸管、i g b t 、g t o 等) 。机械开关 的投切速度较慢相比之下电力功率器件的投切速度要快得多，更较合适在频繁投切 的场合使用。无功补偿技术中有些技术也包括频繁的开关行为因此也会产生谐波 成分，比如晶闸管投切电抗器( t c r ) 型静止无功补偿装置( s v c ) 就是通过调节晶 闸管的触发角来连续调节感性无功的。触发角从9 0 0 到1 8 0 0 范围变化时5 次、7 次、 1 1 次和13 次谐波成分变化如图21 所示： 4 一 相 对 3 。 度 i 2 一 ；跃谐蛙 7 冼谐蛙 1 1 欢谐踱 一 1 3 坎谐渡 一 一口 0 l ，- - - - ：- - - - ，- - 一，：- ：- - 一 9 01 0 0 1 1 01 2 01 3 01 4 01 5 01 6 01 7 01 8 0 触发角( o ) 图2 【t c r 触发角与谐波成分关系 静止无功补偿技术中只要是依靠调节触发角来实现连续补偿的技术方案( t c r 等) 都存在谐被产生的不良影响：相比之下，通过阶梯式调节补偿电抗或是补偿电容容量 的技术方案( t s c 、t s r 、m s c 等) 面临的谐波产生问题要小的多。但是，阶梯式调 节补偿电抗或是补偿电容容量的技术方案同样需要研究投切的时机、投切的速度等相 关技术来保证投切时不产生或是竟可能少产生谐波成分1 1 2 q 4 1o 1 t s c 的零电压投切 为了消除投切电容器时对电网带来的不良影响，最佳的投切时刻是电网电压与电 容电压相等的时刻。固为根据电容器的特性：电容两端的电压不能突变，否则投切将 产生冲击电流，很可能造成投切晶闸管的过流损坏或是在电网中带来较高频率的谐波 成分等不良影响。 假设在电容器井入电网之前电容器电压等于电网电压的峰慎，则在电网达到峰值 的t l 时u 并八电容器，由于这一时刻电网电压u s 的变化率为零，因此电容器此刻 的电流也为零髓后电容器两端的电压将会跟随电网电压按照正弦规律变化，电容器 电流i c 也按照正弦规律变化，这样整个投入过程中电压和电流都不发生阶跃变化，因 此不会产生谐波或是冲击成分。这就是理想的t s c 的零电压投切。图2 2 给出了t s c 的零电压投切的原理说明i ”1 6 1 。 妇，o j 、j ，、 1 f r 卜十。一 t 2 咧2 2t s c 霉电压投入原理示意图 2 t s r 的零电流投切 为了消除切出电抗器时对电网带来的不良影响最佳切出时刻是电抗器电流为零 的时刻a 因为根据电抗器( 电感) 的特性：电感两端的电流不能突变否则将产生冲 击电压t 很可能造成投切晶闸管的过压损坏或是在电网中带来较高频率的谐波成分等 不良影响。 假设在电抗器电流等于零的t l 时刻切出由于切出后电抗器中的电流继续为零 在切出前和切出后电流没有发生突变因此电抗器切出不会产生感应电动势这样整 个投入过程中电压和电流都不发生阶跃变化，因此不会产生谐波或是冲击成分；这就 是理想的t s r 的零电流投切。图2 3 给出了t s r 的零电流投切的原理说明m8 l 。 ，f f n 旦 如广牾 - i 、 c 一 v t 岫：一 u s 、善斗q 全 酬2 3t s r 霉电流切出原理示意图 24 控制目标和控制策略 无功补偿控制器的控制目标一般可分为面向无功功率控制、面向功率因数控制和 两者结合控制。 1 面向功率因数控制 面向功率因数控制就是以功率因数为控制对象以功率因数不低于某一指标为控 制目标的控制方式c 由于功率因数是反映有功功率和视在功率的比之因此理论上 如果将功率因数控制到1 那么就能够】o o 补偿无功功率实际应用中功率因数的控制 目标一般在0 9 5 以l 。图2 4 给出，通过功率因数控制测量补偿无功功率的原理。 一、州弋 m 一斗。犁 一瞻叫。 0 畦0 n ， l 1 i j 0 1 e 了， b e 二+ l 1 a 无功变小功率因数变大b 、同样功率因数有功大无功也大 图2 4 功率因数控制测量补偿无功功率原理 图24 a 中补偿前后有功电流i p i 和i p 2 没有发生变化、但是，无功电流i q 2 相比 iq l 变小了中1 是补偿前功率因数角，中2 是补偿后的功率因数角，补偿后中2 变小 了，如果能够完全补偿那么，功率因数角将等于零，功率因数将等于l 。 功率因数控制策略一般是通过对电网电压、电流进行采样，分析计算当前的功率 因数值。用当前的功率因数值与控制目标进行比较，已确定电容器或是电抗器的投入、 切出或是保持不变。以o9 s 为控制目标为倒当检测到当前功率因数介于0 9 5 到】之 间时保持不变，无论无功功率值的大小都保持不变：检测到功率因数大于i 时则发出 切出组电容器或是投入一组电抗器的指令；检测到功率因数小于09 5 时在发出投入 一组电容器或是切出组电抗器的指令。 功率因数控制的优点是控制比较简单，功率因数控制的缺点是：反应速度慢、在 重载情况下虽然功率因数满足要求但是电网的无功功率可能会很大，如图24 b 所示。 此外功率因数控制的另一个问题是：在轻载情况下容易发生投切振荡。投切振荡就 是指补偿前功率因数小于控制目标投入一组电容器或是电抗器后无功功率又发生了 过补偿，因此，控制器会发出切出电容器或是电抗器的指令，当切除后功率因数叉回 到低于补偿目标的水平因此控制器再次发出投入指令。这种反复投切的现象就是投 切振荡或是称为过补偿投切振荡。 2 面向无功功率控制 面向无功功率进行控制就是以系统中的无功功率为控制对象的控制方式。这种控 制器是依赖负荷大小并根据功率因数值计算出应补偿的无功功率，然后选择台适的 电容器、是电抗器或是电容器和电抗器的组合进行投切，如果没有台适的电容器、电 抗器或是电容器和电抗器的组合就不进行投切。这种控制策略能够保证在任何负载情 况下都不会发射投切振荡，同时理论上能够做到无功补偿步到位，补偿快速快、补 偿精度高、使用寿命长等优点。但是，在负荷较小的情况下，这一控制策略的运算量 较大。 3 综合控制测量 单一采用无功功率控制或是功率因数控制都有局限性，两种相结合，相互取长补 短就形成了综合控制策略。一种简单的综合控制策略采用分段方式按照负载的有功 左 功率强度分为：轻载、中载和重载三个区段分别采用不同的控制策略，这样既能满足 响应速度的要求又能够维持电压或功率因数等参数处于希望控制的范围l ”。i 。 25 本章小结 本章主要介绍了无功补偿相关的关键技术研究了无功功率测量技术、功率因数 测量技术、零压差和零电流投切技术、无功功率补偿控制目标和控制策略。 第三章无功补偿控制器硬件设计 静态无功补偿控制器的设计一般包括硬件设计和软件设计两部分。硬件是控制器 的最基本部分它的结构和组成将直接影响整个无功补偿控制的性能。 目前多少无功补偿控制器仍在采用微控制器( 也就是通常所说的单片机) 作为控 制器的核心来实现采集、处理、运算和控制。由于受到硬件资源、运行速度和结构特 点的限制，采用速度慢、采样精度较低、只能采用运算量较小的算法控制策略单一 控制精度不高。 为了使无功补偿控制器具有良好的结构和优秀的性能，本文采用了t i 公司生产的 高性能低功耗的3 2 位定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为运算核心，运算速度可达 15 0 m i p s ：同时采用c p l d 芯片作为数字电路的核心，整体采用模块化设计，具有t s c 和t s r 两种无功朴偿模式可以实现对感性或是容性无功的补偿 2 4 2 6 j 。 31 系统硬件组成与结构 本文设计的无功补偿控制器主要由信号调理和检测、运算和控制、驱动电路和供 电电路四个部分组成。 信号调理和检测部分包括隔离型磁平衡霍尔电压传感器和隔离型磁平衡霍尔电流 传感器、电压和电流信号的调理电路、锁相倍频电路和6 通道同步采样模数转换电路 组成，主要完成对电网三相电压和电流信号的测量。 运算和控制部分主要包括d s p 电路、c p l d 电路、复位电路、存储电路等部分， 主要实现电压电流信号的数字滤波运算、无功功率的计算、功率因数的计算和控制指 令的形成和输出。 驱动电路包括零压差触发电路、零电流触发电路和晶前管驱动电路主要完成将 控制信号转化成能够满足晶闸管要求的触发信号。 供电电路实现从电嗣任意相获得交流电能并转化成控制器所需的直流电源。系统 硬件框图如图3 】所示。 电 阿_ r 一l 堕一i 、上 负 载 抖忾黼f 忤l h 一锁相倍 一频自路 t s c 容二零压差触：二 器蛆发电路 同步采样模数转换电路 零电流触一t s r 电抗 发电路器组 j j 了= 二二二二五- 至 熟= 嚣1 s c 运算控制电路嚣t s r = 熊 溉一复位电路i ：嚣 图3i 无功补偿控$ 4 嚣系统硬件框图 系统启动后电网中任意一相有电都将使无功补偿控制器的a c ，d c 电源电路启动 工作，开始向无功补偿控制器供电。但是在复位电路的控制下无功补偿控制器不 会马上开始工作只有当供电稳定了、各个电压都满足要求后无功补偿控制器才开始 工作。首先，电阿的电压信号和电流信号通过传感器和信号调理电路进入同步采样模 式转换电路进行模数转换然后d s p 对数据进行数字滤波、分析、计算得到无功功率、 功率因数、电压电流相位差是超前还是滞后等结果根据控制策略产出控制量，通过 触发和驱动电路实现电容器或是电抗器的投切。控制器通过液晶显示器显示电网参数 和输出的控制量，操作人员可以通过键盘改变控制器的各项设置f 2 7 0 ”。 32 模块化的电路设计 硬件系统采用了模块化的设计思想，整个硬件系统包括：a c c 电源电路、复位 电路、d s p + c p l d 运算控制电路、锁相倍频电路、同步采样数模转换电路、零压差触 发电路、零电流触发电路、晶闸管驱动电路、键盘电路、显示电路和通讯接口电路。 32 1a c ，d c 电源电路 a c d c 电塬电路主要实现为无功补偿控制器提高+ 18 v 、帕3 v 、+ 5 v 、+ 1 2 v 和1 2 v 电源的功能，主要包括：三相半波整流滤波电路、变压器隔离降压型d c d c 变换电路、 低压差稳压电路。a c 册c 电源电路如图3 2 昕示。 b t 。晶 。 广_ 黑i “ a 三相半波整流滤波电路 b 降压d c ，d c 电路c 低压差稳压电路 图3 2 a c d c 电源电路 322 复位电路 复位电路的作用是保证系统开始工作时所有的电源电压都是满足要求的。复位电 路主要由h t 7 0 x x 系列：端电压检测芯片和逻辑线与电路组成。h t 7 0 x x 系列电压检 测芯片采用c m o s 工艺t 具有极低的功耗，静态电流不超过3 u a 内部主要由由基准 电压源、比较器、迟滞电路和输出电路组成，能够实现2 2 到7 v 共8 个固定电压检测 或是使用电阻分压实现各种电压的复位检测图33 给出了h t 7 0 x x 系列电压检测芯片 的内部组成原理图3 4 给出了系统复位电路原理图。 图3 3 h t 7 0 x x 系列电压检测芯片的内部组成原理图 ! i 一 一 i i 一 i i 一g n d i 一 j ! m 一 图3 4 系统复位电路原理园 3 23 d s p + o p l d 运算控制电路 运算控制电路是整个无功补偿控制器的核心部分，它主要完成：控制系统各部分 电路协调工作、处理模数转换获得的信号、计算获得控制所需的参数、执行控制策略 获得控制量、输出控制量等工作。 本无功补偿控制器的处理器采用的是美国德州仪器( t i ) 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 芯片。这款d s p 芯片的运行速度可达1 5 0 m h z ，具有3 2 位的定点d s p 运算能 力，内部集成了大量资源，包括：1 2 8 kf l a s h ，1 8 k s r a m 、外部扩展接口、片上振荡 器、看门狗、外部中断、定时器、各种串行接口( s p i 、u a r t 、i i c 、m e b s p 等) 、1 6 通道1 2 b i ta d c 、g p i o 、实时调试接口等，片上资源基本上就能够满足本无功补偿控 制器的运算要求。 图35 给出了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的核心电路原理圈。为了满足逻辑 电路并行处理的要求本无功补偿控制器还增加了具有实时并行处理能力的c p l d 电 路，采用的是美国a l t e r a 公司生产的m a x1 1 系列c p l d 芯片e p m l 2 7 0 t 1 4 4 1 5 n 。 该芯片具有功耗低、速度快、保密性好、资源丰富等优点1 2 9 3 0 l 。 图3 6 给出了e p m l 2 7 0 t 1 4 4 1 5 n 的核心电路原理图。 d s pj t a g d s pc l o c k 图3 5t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的核心电路原理圈 i 篓塞! i 三兰 ；= = c p l d c l o c k c p l djf a g 图3 6e p m l 2 7 0 t 1 4 4 1 5 n 的核心电路原理图 3 24 锁相倍频电路 锁相倍频电路是用来产生一个与工频频率成6 4 倍关系的时钟，提供给模数转换电 路使用保证每个工频周期都进行6 4 次模数转换产生6 4 个转换数据。锁相倍频电 路由电流互感器、o p 0 7 构成的迟滞型过零比较器电路、由c d 4 0 4 6 构成的锁相环电路 和由c d 4 0 4 0 组成的分频电路p 1 1 ，图3 7 给出了锁相倍频电路的原理图。 图3 7 锁相倍频电路的原理图 3 25 同步采样数模转换电路 同步采样数模转换电路的核心芯片是a d 7 6 5 6 ，a d 7 6 5 6 是美国a d i 公司出品的6 通道同步采样双极性1 6 位a d c ，最高转换速率为2 5 0 k s p s 。在片内还包含一个25 v 内部基准电压源和基准缓冲器，简化了电路设计。除了a d 7 6 5 6 ，数模转换电路还包括 由6 个o p 0 7 构成的输入缓冲电路分别对应三相电压信号和三相电流信号p 2 驯。图 38 给出了同步采样数模转换电路的原理圈。 | l ! | ：帅疰 莓一薄 计盖 叫寸向 罐 型嚣彗彗霎2 懋羹 雾黧蒹i 蓁雾 萋辫鬟碧 尊| 聋= 裂2 建毒= 亲 生爿= 氅；囊i 爨 ；f f l 勰瓣旷 图3 8 同步采样数模转换电路的原理图 326 零压差触发电路 零压差触发电路的功能是检测电网电压和电容器电压的差值，当差值为零时产生 一个触发信号。在t s c 投入过程中需要根据这个触发信号将电容器投入电网中，零压 差投入可以有效避免投入过程中产生电流冲击和谐波成分。 零压差触发电路主要包括用来检测电网电压和电容器电压的v s m 0 2 5 a 型隔离型 磁平衡式电压传感器u 1 9 和u 2 1 、由o p 0 7 为核心的比较器电路和由二极管d 5 和电阻 r 5 7 、r 5 8 组成的电平变换电路。实际应用中电容器组中的每个电容器都对应一个零压 差触发电路i ”，图3 9 给出了一路霉压差触发电路的原理图。 。骂l “兰 3m 、 1 w j 图3 9 霉压差触发电路的原理固 型黎 3 27 零电流触发电路 零电流触发电路的功能是检测电抗器电流过零点并产生触发信号。在t s r 切出过 程中需要根据这个触发信号将电抗器切出电网，零电流切出可咀有效避免切出过程中 产生电压冲击和谐波成分c 零电流触发电路主要包括用来检测电抗器电流的隔离型磁 平衡式电流传感器c s m 2 0 0 a p 、由o p 0 7 为核心的比较器电路和由二极管d 6 和电阻 r 4 9 、t 5 0 组成的电平变换电路。实际应用中每个电抗器都对应一个零电流触发电路， 图3l o 给出了一路零电流触发电路的原理图。 、+ m 图3i o 零电流触技电路的原理圈 3 28 晶闸管驱动电路 晶闸管驱动电路将数字电路产生的控制信号经过隔离和功率放大产生能够驱动晶 闸管导通的控制脉冲。晶闸管驱动电路包括功率驱动三极管q 2 、脉冲变压器t 2 、超 快恢复二极管d 8 和续流二极管d 7 等部分组成。图3 i i 给出了晶闸管驱动电路的原 理图。 吲3i i 晶闸雷驱动电路的原理囝 3 29 人机交互电路 人机交互是通过l c d 液晶显示电路和按键电路来实现的。键盘是用来设置参数的， 如：功率因数、运行模式等。按键共有8 个每个按键一个功能，分别是：上( + ) 、 f ( 一) 、定( 移动) 、右( 移动) 、显示、设置、确定、返回。l c d 采用了1 2 8 6 4 点阵 式液晶，内部含有国标一级和二级字库和a s c i i 字符：可以采用3 线串行方式工作 只需要占用c p l d 三个i o 口就能完成显示，具有背光方便在光线较暗的环境中使用 图31 2 给出了人机交互电路的原理图。 a 、l c d 接口电路 b 、按键电路 图31 2 人机交互电路的原理囝 3 21 0 通讯接口电路 通讯接口电路是用来实现控制器与p c 之间的通信功能的。通讯接口采用r s 2 3 2 通信执议使用m a x 3 2 3 2 芯片完成3 3 v 逻辑电平到r s 2 3 2 电平之间的转换。图31 3 给出了通讯接口电路的原理图。 v e t - - - l = 誓 ”1 手。 e 一、) l 旦p 盟l 乌f 1 l ：业 o ：la “6 旦兰1 一_ _ 2 l z 女 图31 3 通讯接口电路的原理圈 33 本章小结 本章完成了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 芯片的智能无功补偿控制器的硬件系统组 成和结构设计给出了组成硬件系统的各个主要模块的电路设计主要包括电源电路、 复位电路、d s p + c p l d 运算控制电路、锁相倍频电路、同步采样数模转换电路、零压 差触发电路、零电流触发电路、晶闸管驱动电路、人机交互电路和通讯电路。 靠j 黛一 崔 第四章系统软件设计 软件是无功补偿控制器的灵魂，是控制策略的载体，在无功补偿控制器中软件 还肩负协调系统各个组件协同工作、显示系统状态、接收和保存设置参数等功能，因 此，系统软件的设计是整个无功补偿控制器设计的重要组成部分。 近年来随着高性能微处理器和数字信号处理器的推出，无功补偿控制器具有了 更高的运行速度，更强的处理能力，因此，能够执行更为复杂和先进的控制策略。开 发语言也从传统的汇编语言发展到更为高级的语言，比如c 、c f _ 等。高级语言具有结 构化、模块化、丰富的库函数、易读、易于移植、易于维护等优点，已成为目前微处 理器和数字信号处理器软件开发的主流。随着编译器的不断完善，使用高级语言开发 的程序经过编译后代码质量已经与汇编语言开发的软件的代码质量不相上下。 本文设计的无功补偿控制器的软件部分采用了高级语言程序采用模块化设计。 其中t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 的程序采用c o d ec o m p o s e rs t u d i o33 集成开发环境进行开发、 e p m l 2 7 0 t i 4 4 1 5 n 的程序采用o u a n u s l lg 0 集成开发环境进行开笸”4 ”i ； 41 软件的总体架构 软件的总体流程图如图4l 所示。无功补偿控制器上电后复位电路完成系统复位、 然后有d s p 控制系统进行自检、参数初始化等工作。然后启动数据采集获取三相电压 和三相电流的数据，经过d s p 计算获得无功功率、功率因数、有功功率等参数，基于 这些参数和控制笨略系统产生投切方案并产生输出。同时将电网状态和输出状态显示 通过液晶显示电路进行显示输出。控制策略的相关参数可以通过按键进行修改。 上电复位 吝i 直 竺竺竺竺竺兰竺f j l 一 | 数字滤波并计算电网参数 一 ! 一 l 执行控制策略产生控制量 j r j l 一 c p l d 根据触技信号产生输出 县的竺冀采詈苎篓篓警篓鉴模块在d s p 的控制下获取电网三相电压和电网三相电流信 翥昙芸耋量电譬竺：竺早兰竺号离散化和数字化的过程。由于对采毒菇矗茄桑茹孬 裂嘉冀慧求二，星些耋篓! ! 采用位s 通道同步采样型a d c , 删1a ；蒜某萎 现数模转换数据采集的流程如图42 所示。 一加不头 初始化a d 7 6 5 6 r - - - - ，! ，一 初始化存储寄存器 之 获得采样数据 一l数字低通滤波 f f t 变换 j 一 计算电压电流有效值和视在功率 j 一 计算有用功率无功功率，功率因数 ，1 l ，一 完成d s p 数据处理 图4 3 数据处理软件流程图 44 投切控制软件 投切控制软件是用来实现无功补偿控制投切策略和控制算法的控制策略和控制 算法的好坏直接影响到无功补偿的最终效果。控制算法是整个系统软件的核心也是 整个无功补偿控制器的灵魂。不同的控制投切算法反应和体现不同的控制目的，体现 不同的应用需求。投切的控制算法和控制策略是系统软件设计的重点和难点，投切控 制软件的流程图如图44 所示。 投切控制软件的主要策略可以概况为以下几点： ( 1 )轻载闭锁原则：当有功功率小于设定值时闭锁投切闭锁时间可设置。 ( 2 )无功上限控制原则：在满足功率因数要求的情况下如果无功功率超过了 设定值，则选择合适的电容或是电抗进一步补偿无功功率。 ( 3 )功率因数控制原则：功率因数在09 5 到1 之间，当计算没有得到台适的投 切方案时为了不造成过补偿，选择最接近09 5 的投切输出。 ( 4 )投切振荡预测和避免原则：每次控制都记录投切前和投切后的电网状态 通过对比投切前和