（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式系统的静止无功补偿装置的设计.pdf

a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) i ss t u d i e di nt h i sp a p e r , e s p e c i a l l yo nt h y r i s t o r s w i t c h e dc a p a c i t o r ( t s c ) ，a n das c h e m eo ft h ed e v i c et h a ts w i t c h sc a p a c i t o rt o c o m p e n s a t ev a rb a s e do ni g b t i sp r o p o s e dt oc o m p e n s a t es t a t i cv a rf o rp o w e r s y s t e m f i r s tt h et h e o r yo ft s ci ss t u d i e d ，i n c l u d i n gc o n n e c t i o nm o d e l ，t h em e t h o dt od e t e c t v a rc u r r e n t ，h o wt os e l e c tt h et i m i n gt os w i t c hc a p a c i t o r , a n ds oo n as y s t e mo ft h e d e v i c et h a ts w i t c hc a p a c i t o rt oc o m p e n s a t ev a ra n dh a sa cs w i t c hb a s e di g b t i n c l u d i n g s o f t w a r ea n dh a r d w a r ei sd e s i g n e d ，b a s e do nw i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e m w i n c ei sa r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e mf o re m b e d d e ds y s t e m ，t h a th a sm a n yt o o l st od e v e l o p g r a p h i c a li n t e r f a c e s ，a n di t sc o r ec a nb er e d u c e dt o5 0 0 k br o ma n d2 5 0 k br a mb y c u s t o m i z i n g ，t h a tc a l lb eu s e di nm a n ye m b e d d e dc h i p s i ti sp r o p i t i o u st od e v e l o p i n t e r f a c e sf o rs v c s w i t c h i n ga n dc o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c ec a l lb ei m p r o v e db ya c s w i t c hb a s e di g b t w i t ht h es y s t e md e s i g n e da b o v e ，t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c et h a ts w i t c hc a p a c i t o rt o c o m p e n s a t ev a rb a s e do ni g b ti sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r a n dv a r i o u sk i n d so f c h a r a c t e r i s t i ca l ee x p e r i m e n t e d ，i n c l u d i n gv o l t a g ea n dc u r r e n td a t as a m p l i n go fp o w e r s y s t e m ，v a tp a r a m e t e rc o m p u t i n g ，w i n c eo p e r a t i n gs y s t e mc u s t o m i z i n ga n da p p l i c a t i o n d e v e l o p i n g ，a n dp e r f o r m a n c eo fc o m p e n s a t o rs u c ha sc a p a c i t o rs w i t c h i n ga tr a n d o m r u d i m e n t a lc a p a c i t o rv o l t a g e ，s p e e do fa n s w e r i n gc o n t r o lc o m m a n d ，a n ds oo n i ti sp r o v e db yt h ee x p e r i m e n tt h a tt h ed e v i c et h a ts w i t c hc a p a c i t o rb a s e do ni g b t d e s i g n e di nt h ep a p e rc a l lc o m p e n s a t ep o w e rs y s t e mv a rp r o p e r l y , a n dh a sa d v a n t a g eo n o p e r a t i n ga n dc o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c e ，a n dt h es p e e do fa n s w e r i n gc o n t r o lc o m m a n d o v e rt s c k e y w o r d ：s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r , e m b e d d e ds y s t e m ，i g b t , a cs w i t c h ，w i n d o w sc e i i 学位论文独创性声明 本学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含我为获得任何其 它学位而使用过的材料。其他人员对本学位论文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。 作者签名 关于本学位论文使用授权的声明 南京理工大学有权保留本学位论文的复印件和电子文档，有权送 交给有资质的信息档案机构存档。除在保密期内的保密论文外，本论 文允许被查阅和借阅，可以公布论文的全部或部分内容。上述事项授 权南京理工大学研究生院办理。 作者签名 硕士论文基于嵌入式系统的静止无功补偿装置的设计 1 序言 随着电力工业的发展，大范围的高压输电网络逐渐形成，对电能质量的要求也 日益提高。国内外对电能质量的研究正掀起高潮，而国内在电能质量方面的研究主 要是谐波抑制和无功功率补偿两方面，本文主要对电力系统无功功率补偿装置进行 研究。 1 1 无功补偿的重要性 无功功率是电力系统设计和运行的一个重要因素。由于一系列原因，无功功率控 制的重要性与日俱增。原因如下【1 】： ( 1 ) 由于燃料价格上涨，提高电力系统运行效率的要求日益迫切。 ( 2 ) 输电网络的扩展已经受到输电能力的限制。 ( 3 ) 水力资源的开发已经不得不在遥远的、条件恶劣的地方进行，这样远距离 的输电需要解决稳定性及电压控制问题。 ( 4 ) 由于使用电子设备日益增多，也由于重工业的增长，使得无功负荷在不断 增多，对供电质量的要求越来越高。 ( 5 ) 直流输电系统的研究和应用表明，要求在换流器的交流侧进行无功控制。 在有功功率一定的情况下，无功功率越大，视在功率就越大，对输电线路的容量 要求越高，无功潮流也越大，输电线路的损耗就越大。 基于上述原因，需要对电力系统的无功功率进行合理的补偿和控制，以提高输电 线路的输电容量，降低输电损耗，提高电能质量。采用合适的无功补偿装置就地补偿 是解决无功问题重要手段。 1 2 无功补偿装置的研究背景 无功补偿装置的发展经历了几代，由最初的同步调相机到早期的饱和电抗器，再 至s 8 0 年代兴起的静止无功补偿装置，再到更为先进的静止无功发生器s v g ，每一步的 发展都折射出电力电子技术应用的巨大成功。由于同步调相机是旋转电机，故损耗和 噪声都较大，运行维护复杂，且响应速度慢。饱和电抗器的损耗和噪声也都较大，所 以两者已不满足现代电力系统无功补偿的要求，正在被逐步淘汰。一些具有技术先进 性的动态无功补偿设备，如s v g ( s t a t i cv a tg e n e r a t o r a b s o r b e r ) 、s t a t c o m ( s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) ，装置造价高昂、维护复杂，可靠性方面也很难达到人们 的期望，不能直接接入超、特高压电网，离在电力系统中被广泛应用还有距离。因此 1 薄言 硕士论文 寻求更为经济可靠的可调无功电源成为研究的热点。 静止无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) 由于性价比高，运行稳定可靠， 已经占据了无功补偿的主导地位，成为目前无功补偿领域研究的热点。 根据应用场合和接线方式的不同，现在常用的s v c 包括以下几类： ( 1 ) 固定的电容器 ( 2 ) 晶闸管控制电抗器( 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 c r ) ( 3 ) 晶闸管投切电容器( 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 s c ) ( 4 ) 两者的混合装置t c r + t s c ( 5 ) 晶闸管投切电抗器( t h y r i s t o rs w i t c h e dr e a c t o r ，t s r ) ( 6 ) t c r 与固定电容器f c 或机械投切电容器m s c 混合使用的装置( 女i t c r + f c 、 t c r + m s c 等) 在实际应用中0 4 l ( v 低压系统常用t s c ，在1 0 k v ，3 5 k v 中压系统多采用t c r 或 t c r t s c 。t s c 在中高压系统的应用研究也是无功补偿装置研究的一个热点问题。论 文主要研究t s c 。 1 3 静止无功补偿装置在国内外的发展 静止无功补偿装置的发展历史经历了一些标志性的事件，通过它们可以看出无 功补偿技术的发展过程。 1 9 7 7 年，g e 公司首次在电力系统中演示运行了其采用晶闸管的静止无功补偿 装置。 1 9 7 8 年在美国电力研究院( e p r i ) 的支持下，西屋电气公司制造的使用晶闸 管的静止无功补偿装置投入实际运行【2 】。 1 9 8 0 年日本三菱电机公司研制出第一台基于晶闸管的同步补偿器 ( s t a t c o m ) ，容量为2 0 mv a t 3 1 。 1 9 8 6 年，美国西屋公司和e p r i 合作研制出首台基于可关断晶闸管的( g a t e t u r n o f f t h y r i s t o r ，g t o ) 的s t a t c o m 。容量为1 mv a t 。 1 9 9 2 年，德国西门子公司研制并在美国西部电力局投运第一台晶闸管控制串联 电容器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o r ，t c s c ) 装置。 1 9 9 7 年美国电力公司、西屋公司和e p r i 合作研制容量为3 2 0 m v a 的统一潮 流控制器。 2 0 0 1 年，美国纽约电力局投运其可转换静止补偿器( c o n v e r t i b l es t a t i c c o m p e n s a t o r ，c s c ) 的第一阶段，即2 0 0 mv a t 的s t a t c o m 。 7 0 年代初武汉钢铁公司1 7 c m s l 机工程进1 2 了比利时的直流励磁饱和电抗器和日 本的电容器组成的静补装置后，国内才对可变无功的补偿问题引起了注意【l 】。 2 硕士论文基于嵌入式系统的静止无功补偿装置的设计 近几年，无功补偿技术在国内的电力系统的应用也很广泛【4 j 】。 1 9 9 9 年，清华大学和河南省电力公司合作研制了我国首台工业化s t a t c o m ， 容量为2 0 m v a r 。 2 0 0 2 2 0 0 3 年期间，在神朔电气化铁路工程中，利用s v c 装置成功的治理了 负序分量及电压波动。 2 0 0 4 年，中国电力科学研究院生产的s v c 在鞍山红一变投人运行；已经运行 的国产t c r ，最大容量1 0 0m v a r 、电压3 5k v ；在我国冶金、煤炭、化工、电铁等 行业中绝大多数使用国产的s v c 进行无功补偿。 目前西电东送的主交流通道：天生桥一平果双回线装设了4 0 固定串补和1 0 可控串补t c s c 设备，以充分利用已有的交流线路，尽可能输送更多功率到广东嘲。 我国东北电力系统将首次在伊敏杩屯输电线路冯屯侧安装t c s c ，以解决伊 敏电厂两台5 0 0 m w 和两台6 0 0 m w 发电机经双回5 0 0 k v 线路向东北电网主网送电 时存在严重暂态稳定问题。 在国内外，无功补偿的研究一直是电力行业的热点问题之一。特别是随着电网 规模不断扩大，输电容量一再提高，无功平衡和电压稳定问题更成为了电力系统的 重要问题，对电力系统的发展起到了至关重要的作用。 1 4 研究的主要问题 结合无功补偿的国内外研究背景和实际应用中存在的问题，论文主要研究的问 题包括以下几方面： ( 1 ) 研究静止无功补偿装置( s v c ) 和固体交流开关投切电容器的基本原理， 分析其优缺点，并针对其缺点提出改良意见。 ( 2 ) 对于s v c 的交流开关作深入研究，对其工作原理和结构特点做进一步分 析，针对其存在的问题提出基于i g b t 的交流开关的拓扑结构，并作仿真和实验研 究。 ( 3 ) 研究实时操作系统w i n c e ，对其进行裁减和应用程序的开发，并应用于 s v c 的主控系统，改善s v c 的运行稳定性和软硬件综合调度管理能力。 ( 4 ) 设计了基于i g b t 的电容器投切补偿装置样机，完成其软硬件的开发、调 试，并通过综合实验对其性能作详细分析研究。 3 2 静止无功补偿技术的理论研究硕士论文 2 静止无功补偿技术的理论研究 本章介绍晶闸管投切电容器( t s c ) 的基本原理，无功电流的检测方法，投切时刻 的选择等问题，分析已有的t s c 存在的弊端，设计基于i g b t 的电容器投切装置，以 期改善t s c 的问题，提高其性能。 2 1t s c 的基本原理与结构 电力系统、负载、补偿装置的单相等效电路如图2 1 1 所示【2 1 。 c a ) 交流系统单相电路( b ) 动态补偿原理 图2 1 1 无功功率补偿的原理 图2 1 1 ( a ) 中，u 为系统电压，r 和x 分别为系统电阻和电抗。假设负载变化很 小，故有u “u ，则假定r 0 ，v o u t 输出为高电平，v i n 0 时，u d l 0 时，t r o = - 2 u + u = 一u ； u j 0 时，u d = 0 + u = u j 。 实现了精确的全波整流变换。 经过精确全波整流电路，整流波形送到数据采集模块，对其进行采样计算。 硕士论文基于嵌入式系统的静止无功补偿装置的设计 4 1 3l p c 2 1 0 1 嵌入式系统外围电路 整个数据采集系统的核心模块由3 2 位嵌入式微控制器l p c 2 1 0 1 构成，实现数 据采集、计算以及将采样数据通过1 2 c 总线与主机进行传输的功能。 l p c 2 1 0 1 微控制器的主要外围电路包括： ( 1 ) 电源电路，l p c 2 1 0 1 的直流供电包括3 3 v 和1 8 v 两种，分别由 s i p e x l l l 7 m 3 3 和s i p e x l l l 7 m 1 8 电源芯片供给。该芯片具有精度高、稳定性好、外 围电路简单的特点。 ( 2 ) 复位电路，l p c 2 1 0 1 的r s t 端低电平时芯片复位，通过电源监视芯片 m a x 7 0 8 实现。 ( 3 ) 系统时钟电路，采用1 1 0 5 9 2 m h z 无源晶振。 ( 4 ) j t a g 接口电路，采用通用2 0 口j t a g 接口。 ( 5 ) l p c 2 1 0 1 与上位机主控系统传输采样数据通过t 2 c 总线实现。1 2 c 总线结 构如图4 1 3 1 所示。 v d d 3 3 v d d 3 3 f 口 o l ip 0 t s _ s c s c l l o s d a lp 0 1 8s d o og n d _ 一 图4 1 3 1i 2 c 总线原理 1 2 c 总线是n x p 公司开发的种总线通信协议，通过系统时钟信号s c l 和数 据传输信号s d a ，两根线就能完成高达4 0 0 k b i t s 的数据传输。连同电源线以及接 地线，整个1 2 c 通过四根线完成数据传输。 l p c 2 1 0 1 集成了两个1 2 c 总线控制器1 2 c 0 和1 2 c 1 ，使用1 2 c 1 为数据采集系统 的p c 总线控制器，其接口电路如图4 1 3 1 所示，p o 1 7 ，p 0 1 8 为开漏输出，设置 为1 2 c 通信功能时须加4 7 k f 上拉电阻。 上位机和下位机都集成了p c 总线控制器，不需外加辅助电路，仅通过四根杜 邦线将对应接口进行连接即可，使用十分简单。 4 2 主控系统硬件结构 主控系统通过1 2 c 总线完成对数据采集系统的实时数据的读取和显示，通过运 算和判断自动或者用户手动向驱动控制系统发出投切电容的控制命令。 4 静止无功补偿装置的硬件电路 硕士论文 主控系统采用s a m s u n g 公司的a r m 9 微控制器$ 3 c 2 4 1 0 。 $ 3 c 2 4 1 0 是韩国s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位处理器。它提供了丰富的内部设 备：分开的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 虚拟存储管理器，l c d 控制 器( 支持s t n & t f t ) ，支持n a n df l a s h 系统引导，系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) ，1 1 7 个通用i o 口，2 4 通道外部中断源，3 通道u a r t ，4 通道d m a ，4 通 道p w m 定时器，8 通道1 0 位a d c ，触摸屏接口，1 2 c b u s 接口，i i s b u s 接口， u s b 主机，u s b 设备，s d 卡和m m c 卡接口，2 通道s p i 以及内部的p l l 时钟倍 频器【2 4 1 。 $ 3 c 2 4 1 0 丰富的接口电路和硬件资源可以实现连接和控制更多的电力设备，实 现多种功能的电力设备的集中控制，或者添加更多的具有其他功能的部件，如谐波 抑制，抗电压跌落，可控串补，多种电网参数的实时动态显示等相关的功能部件， 而不需要外加其它主控芯片，使之成为以$ 3 c 2 4 1 0 为中心的，多功能的电力系统设 备。 $ 3 c 2 4 1 0 微控制器的内设完全能够满足系统设计的需要，并且主频较高，能够 满足w i n d o w sc e 操作系统运行的要求。 4 3i g b t 驱动控制系统硬件电路 i g b t 驱动控制系统完成接受主控制系统投切指令，选择合适的开关时刻，发 出交流开关驱动波形，通过驱动电路完成驱动交流开关动作的功能。 整个系统包括电压检测判断电路，i g b t 驱动保护电路，l p c 2 1 0 1 微控制器硬 件电路，交流模块四部分组成，其结构如图4 3 1 所示。 系 统 电 压 命令 嵌入式 、2 c 总线麦笏磊芩 j 驱动电路 系统 介i l_ li 驱动 电压检测 电压检测 电流相位 信号 判断电路 电路 判断电路 v、， 、 、 k k v f 。 l v 2 -_ 交流开关 两端电压 i 叫叫 i 系统电压 - _ _ l 基准波形 一 u r 图4 3 1i g b t 驱动控制系统硬件电路 i g b t 驱动控制系统通过1 2 c 总线接受来自主控单元的投切命令，若是投入命 硕士论文基于嵌入式系统的静止无功补偿装蜀的设计 令，则通过检测交流开关两端的电压，选择在其电压的过零点使交流开关开通，完 成补偿电容的过零投入，结合电流相位判断电路实现在交流开关的开通状态下两个 i g b t 开关动作的配合：若是切除命令，则直接关闭交流开关，将补偿电容从系统 中切除。 4 3 1 电压检测判断电路 电压检测判断电路包括交流开关两端电压检测电路和电容电流相位判断电路。 ( 1 ) 交流开关两端电压检测电路 i g b t 交流开关两端电压的电压过零点满足零电压换相条件，交流开关在该时 刻开通。通过隔离检测电路检测交流开关两端电压的过零点。 实际工程应用中对交流信号的隔离检测主要有电压电流互感器和霍尔电压电 流传感器两种形式。 霍尔传感器中可以测量电信号的包括电压传感器和电流传感器，能够检测任意 波形的电压电流信号，线性度好，精度高，动态性能好，能够实现与被测信号的隔 离，被广泛应用在变频调速装置、逆变装置、u p s 电源、逆变焊机、变电站、电解 电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测大电流、电压的各 个领域中【2 5 2 引。能够满足对于交流开关两端电压值检测的需要。 交流开关两端的电压在补偿电容上有残压时会含有较高的直流分量，电压互感 器不能检测直流分量，因此，采用霍尔电压传感器检测交流开关两端的电压信号。 其结构如图4 3 1 1 所示。 比较电路 交流开关 两端电压 图4 3 1 1 交沉开关电压检钡0 电路 图4 。3 1 1 中，霍尔电压传感器采用南京茶花电子的v s m 5 0 0 d 型霍尔电压传感 器，该传感器可以在隔离的条件下测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形。 其详细参数如下：t 2 9 l 原边电压测量范围：0 - - 7 5 0 v a c 副边额定输出电流：2 0 m a 精度： o 8 响应时间： 1 0 0 u s 4 静止无功补偿装置的硬件电路硕士论文 过零比较电路原理与前面章节所用相同，输出方波信号为对交流开关两端电压 检测的结果，为l p c 2 1 0 1 判断交流开关两端电压的输入信号。 ( 2 ) 电容电流相位判断电路 补偿电容的电流超前电压相位9 0 。，双向交流开关的两个i g b t 开关逻辑相互 配合是通过判断流过电流的相位实现的。通过微分电路实现对电容电流的相位判 断，其结构如图4 3 1 2 所示。 微分电路比较电路 i ji 一一? z v 7u o 影l l m 3 3 9 p30k01 黼 r 图4 3 1 2 电流相位判断电路 为了防止电网的谐波对相位判断电路产生干扰，通过锁相环电路产生与电网电 压同相位的基准波形，再将该波形通过微分电路产生超前系统电压9 0 。的交流信号， 经过过零比较电路产生能够作为l p c 2 1 0 1 输入信号的方波信号。 微分电路如图4 - 3 1 2 所示，由c ，和尺f 构成基本微分电路，基本关系式为 u d = 一r f c ，( d u f m ) ( 4 3 1 2 ) r e 为补偿电阻，起到提高电路稳定性，降低噪声，增加输入阻抗的作用。g 为 补偿电容，可以进一步降低噪声。各元件取值如下： c ，= o 1 旷，砟= r d = 1 0 k o r ，= l k d a 锁相环电路的原理如图4 3 1 3 所示。 图4 3 1 3 锁相环原理 它由三个基本单元构成：鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l p ) 和压控振荡器( v c o ) 。 其工作原理是：输入( f ) 和压控振荡器的输出u o ( f ) 施加于鉴相器。鉴相器的输出 硕士论文 基于嵌入式系统的静止无功补偿装置的设计 甜。( ，) 经过环路滤波器后得到一个平均电压u d ( f ) 。该电压控制振荡器的频率变化， 使输入与输出信号的频率误差不断减小，直到差值为零，此时即处于锁定状态。环 路锁定后，压控振荡器使其输出信号的频率跟随输入信号频率的变化。得到电网电 压同相位的正弦波信号【3 们。 4 3 2l p c 2 1 0 1 嵌入式控制系统电路 i g b t 驱动控制系统的核心控制模块仍然采用智能控制芯片l p c 2 1 0 1 ，其外围 电路与数据采集系统使用的相同，不做赘述。 系统采用1 2 c 总线与主控系统进行通信，接受主控系统的投切命令，在合适的 时刻发出驱动波形，通过驱动电路驱动i g b t 的交流开关，实现投切功能。 4 3 3 交流功率模块的设计 交流功率模块的设计包括i g b t 、补偿电容、无功负载以及交流电源的选择。 采用双i g b t 串联实现交流开关，功率模块的单相主电路如图3 2 3 1 所示。 补偿电容采用5 0 u f 的电力电容，耐压为交流3 8 0 v 。 二交流电源采用三相调压器，输出电压0 4 3 0 v ，最大输出电流1 2 a ，连续可调 的交流电压满足对于不同电源电压以及补偿电流进行实验的需要。 i g b t 的选择主要考虑其电压电流的额定值。采用e u p e c 公司的型号为 b s m 5 0 g b l 2 0 d n c 的双管型i g b t 功率模块，其额定电压为1 2 0 0 v ，额定电流为 5 0 a ，其结构如图4 3 3 2 所示。 3 图4 3 3 2b s m 5 0 g b l 2 0 d n c 内部结构 一般i g b t 额定电压的应满足式( 4 3 3 1 ) 。 u c e = ( u 加口+ , 工) ( 4 3 3 1 ) 其中为i g b t 的c e 极耐压，u 如为最大峰值电压，口为过电压保护系数， 一般取1 1 5 ，为安全系数，一般取1 1 ，“为电路电感引起的尖峰电压，取1 5 0 ， 因为选择的i g b t 的额定c e 极耐压= 1 2 0 0 v ，因此i g b t 承受最大电压应不超 过8 1 8 v 。因补偿装置为三角形接法，交流开关两端承受的为相电压，因此单相输 2 7 4 静止无功补偿装置的硬件电路 硕士论文 入线电压应不超过6 6 8 v ，为防止单管损坏造成另外一个因电压过高而损坏，设定 输入线电压不超过3 3 4 v 。 i g b t 集电极电流i c 的额定电流取值应满足式( 4 3 - 3 2 ) 。 t = l 压1 5 x 1 4 ( 4 3 3 2 ) 其中2 为峰值电流，1 5 为允许一分钟过载容量，1 4 为i c 减小系数。所选i g b t 的额定电流为5 0 a ，由此可求得交流回路中的补偿电流应不超过1 6 8 a ，考虑到电 容补偿的过程中可能经常出现较大的过冲电流，因此补偿电流的值限制在8 a 左右。 由于选择的补偿电容为5 0 u f ，而补偿回路的补偿电流又限制在8 a 左右，根据 补偿电流的计算公式1 = 2 n 5 0 x cx u ，可以得到实验中单相线电压应不超过 5 0 0 v ，才不至损害交流回路的设备。 归纳上述i g b t 耐压耐流分析，选择三相调压电源输入线电压不超过3 3 4 v 。 为了验证基于i g b t 的电容器投切补偿装置的补偿能力，设计了三相异步电机 作为交流负载，对其进行无功功率补偿。其补偿回路如图4 3 3 3 所示。 三 相 交 流 电 压 图4 3 3 3 异步电机补偿回路 三相异步电机的额定功率为0 3 7 k w ，额定电压为1 1 0 v ，额定电流为4 8 a ；补 偿电容为5 0 u f ，三角形接法。 4 3 4i g b t 驱动保护电路 i g b t 的驱动电路通过i g b t 驱动芯片e x b 8 4 1 实现，i g b t 的保护电路包括 e x b 8 4 1 集成的过流保护和r c d 缓冲电路两部分。 ( 1 ) i g b t 驱动电路 i g b t 的驱动采用富士公司的驱动芯片e x b 8 4 1 ，它集成了隔离光耦和驱动电 路，具有单电源、正负偏压、过流保护、软关断等特性，可在4 0 k h z 以下频率时驱 动高达4 0 0 a 、6 0 0 v 或者3 0 0 a 、1 2 0 0 v 的i g b t t 3 1 1 ，能够满足论文选择的i g b t 的 需要。 e x b 8 4 1 存在着过流保护阙值过高、负偏压不足、存在虚假过流等问题【3 2 3 3 1 。 硕士论文 基于嵌入式系统的静止无功补偿装置的设计 在实际应用中，应根据具体情况考虑对其应用电路进行改善。驱动电路如图4 3 4 1 所示。 驱 图4 3 4 1i g b t 驱动电路 该应用电路通过稳压管d w 2 降低了过流保护的阙值，采用外部的稳压管d w l ， 不会产生对内部稳压管的损害，过流信号通过光耦元件引出。 ( 2 ) i g b t 的保护电路 i g b t 的保护电路采用了e x b 8 4 1 集成的过流保护和r c d 缓冲电路实现电压过 冲保护。 e x b 8 4 1 集成的过流保护功能可以在集电极电流过大时发出过流信号，并主动 关断i g b t ，使用中将电路中使用的e x b 8 4 1 的过流信号经过数字逻辑电路接入到 控制单元，以便控制单元及时发现过流故障做出相应动作。数字逻辑电路的逻辑功 能如图4 3 4 2 所示。 过 流 信 号 & 高。 图4 3 4 2 过流信号逻辑电路 由图4 3 4 2 可以看出，当有过流故障时过流信号输出为低，正常输出为高。各 路的过流信号经过与门，任一路过流与门都将输出低电平过流信号，经过r s 锁存 器将故障状态锁存，低电平的过流信号使驱动信号的输出为低，p w m 信号不能输 出，高电平则正常输出，实现了过流保护的功能。过流故障信号输入到控制单元， 控制单元接到故障信号则不产生p w m 驱动信号，从根本上实现i g b t 的关断。 r c d 缓冲电路如图4 - 3 4 3 所示。 4 静止无功补偿装置的硬件电路 硕士论文 图4 3 4 3r c d 缓冲电路 该电路可以在i g b t 开通关断时刻起到缓冲吸收尖峰电压的作用。1 3 4 】 4 4 本章小结 本章完成了静止无功补偿装置的硬件电路的设计。设计了能够精确采集交流系 统实时参数的数据采集系统；介绍了主控芯片$ 3 c 2 4 1 0 硬件资源和扩展功能；设计 了交流模块的硬件电路，交流开关的控制电路以及i g b t 的驱动保护电路。 三个部分构成了基于i g b t 的电容器投切补偿装置的硬件系统，为实现静止无 功补偿装置的功能打下了基础。 硕士论文基于嵌入式系统的静止无功补偿装置的设计 5 静止无功补偿装置的软件系统 本章介绍静止无功补偿装置的软件设计。软件系统的结构如图5 1 所示。 图5 1 软件系统结构图 基于i g b t 的电容器投切补偿装置由三个c p u 构成其智能控制系统，其中上位 机为主控系统的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 ，采用实时嵌入式操作系统w i n d o w s c e ，完 成对整个补偿装置软硬件资源的统一调度管理；数据采集系统和i g b t 驱动控制系 统分别由两个a r m 7 芯片l p c 2 1 0 1 组成，实现各自的特定功能，是补偿装置的下 位机，通过1 2 c 总线与上位机进行连接通讯。 主控系统核心由a r m 9 嵌入式芯片$ 3 c 2 4 1 0 实现，采用了w i n d o w sc e 操作系 统，对其进行剪裁定制，使之符合需要；开发实时操作系统w i n c e 的应用程序， 实现通过1 2 c 读取数据采集系统的实时数据在液晶屏上显示，并通过1 2 c 总线向 i g b t 驱动控制系统发出控制命令的功能。 w i n c e 是m i c r o s o f t 公司开发的应用于移动设备的实时操作系统，具有强大的 图形界面资源，能够实现与p c 机w i n d o w s 操作系统相近的操作界面，方便用户使 用，在多媒体、通讯、网络等领域有广泛的应用；具有可定制性，方便用户选择自 己需要的功能，摒弃不需要的功能，从而降低了操作系统的规模，通过用户的定制， 操作系统核心可以做到仅占用5 0 0 k b 的r o m 和2 5 0 k b 的r a m t 3 5 】。可以实现高性 能的操作系统和低功耗、低成本、小体积并存的嵌入式系统设备。 数据采集系统采集交流系统的实时数据，并计算交流系统的实时参数：i g b t 驱动控制系统驱动交流开关在合适的时刻开通和关闭。二者均为基于a r m 7 芯片 l p c 2 1 0 1 实现的嵌入式系统。 三个c p u 之间的通过1 2 c 总线实现的数据传输，组成一个完整的电力系统静止 无功补偿装置的控制系统。 3 l 5 静止无功补偿装置的软件系统 硕士论文 5 1 数据采集系统的软件实现 数据采集通过嵌入式芯片l p c 2 1 0 1 控制完成。数据采集系统的软件完成实时采 集电网电压和电流数据，并计算电网的基波无功电流，用于计算判断补偿电容的容量， 并将上述采集和计算的数据存放在1 2 c 总线的数据缓冲区中，等待主控系统读取。本 节仅介绍数据采集系统的软件结构和原理，详细编码见附录a 。 5 1 1 软件流程及主体设计 数据采集系统的软件流程如图5 1 1 1 所示。 图5 1 1 1 数据采集系统软件流程图 如图5 1 1 1 所示，以采集单相电压u 。和电流，。为例进行讨论，三相采集与单 相相同，只是需要在6 路a d 通道之间做转换，并且存储更多的数据。为方便计算， 数据采集时间间隔l m s ，每个周期采集2 0 个点。 系统初始化以后，整个系统进入到数据采集系统的主程序。为了能够采集一个 完整周期的a 相电压电流信号，数据采集系统从a 相电压的过零点开始采集，每 次采集进行l m s 定时。为了保证无功电流计算的精度，每次采集4 0 个点两个周期 3 2 硕上论文基于嵌入式系统的静止无功补偿装置的设计 的数据。 5 1 2 系统初始化程序 系统初始化包括l p c 2 1 0 1 的系统初始化，配置引脚信息，1 2 c 总线初始化，计 时器0 的l m s 定时初始化，a d c 初始化三部分，在软件中依次进行初始化，配置 各个硬件资源，为数据采集主程序做准备。系统初始化程序如图5 1 2 1 所示。 图5 1 2 1 系统初始化程序 l p c 2 1 0 1 的系统初始化包括定义数据变量，定义引脚功能。各引脚定义如表 5 ；1 2 1 所示。 表5 1 2 i 各引脚功能定义 引脚功能描述 p 0 7 p 0 8 p 0 2 2 p 0 2 3 p 0 1 7 p 0 1 8 接电流比较结果 接电压比较结果 定义引脚第二功能：a i n 0 ，用于电流采集 定义引脚第二功能：a i n l ，用于电压采集 定义引脚第二功能：s c l l ，1 2 c i 串行时钟输入输出 定义引脚第二功能：s d a l ，1 2 c 1 串行数据输入输出 5 1 31 2 c 中断服务程序 l p c 2 1 0 1 拥有两个标准的硬件1 2 c 接口：1 2 c 0 和1 2 c 1 。可配置为主机或从机， 总线时钟速率可调整，最高支持4 0 0 k b i t s 的总线速率，满足设计的需要l z 3 。 数据采集系统使用1 2 c 1 ，配置总线速率为1 0 0 k b i t s ，从机发送模式，主控系统 为主机接受模式。 主控系统发送第一个从地址与从机数据采集系统的l p c 2 1 0 1 进行连接，然后 3 3 5 静止无功补偿装置的软件系统硕士论文 l p c 2 1 0 1 返回一个应答位，接下来从机向主机发送数据字节，主机每接受一个字节 返回一个应答位，接受完最后一个字节主机返回一个非应答位，完成本次传输。 采样时，将电压、电流、无功电流等数据存放在1 2 c 数据缓冲区数组e e p r o m 2 5 6 的固定位置中，主控系统根据需要读取数据。 数据采集系统的从机模式1 2 c 中断服务程序通过s 毗c h o 函数判断总线状态寄 存器1 2 c 1s t a t ，完成1 2 c 总线从机模式的控制命令对应的动作，其部分状态及动 作语句如下。 c a s e0 x b s ：们2 cls 腓0 x b 8 ，发送数据字节，将发送数据装入1 2 c i d a t 1 2 c1d a t = e e p r o m a d r p o i n t ； a d r p o i n t + + ； 1 2 c 1 c o n s e t = 0 x 0 4 ； b r e a k ； c a s e0 x 8 0 ：仇2 c 1s 雕d - 0 x 8 0 ，接受数据字节，应读取数据字节 i f ( 0 = s l a r v ) a d r p o i n t = 1 2 c 1 d a t ； s l a t y = 1 ； e l s e ( e e p r o m a d r p o i n t 】= 1 2 c1 d a t ； a d r p o i n t + + ； 将上述语句加入到1 2 c 总线中断服务程序中，实现实现数据采集系统的1 2 c 总 线中断方式的从机功能。 5 1 4a d c 数据采集程序 系统初始化完毕，配置好硬件以及中断信息后，进入到数据采集的主程序。 数据采集程序中包含了基波无功电流的计算程序，计算得到的数据存放在相应 数组中，等待主控系统的读取。p 0 8 连接电压比较结果，p 0 7 连接电流比较结果， 判断p 0 8 的比较结果，其跳变沿为数据采集开始的标志，每次采样依次采样电压波 形和电流波形。电压电流比较结果作为数据存储的标志，比较结果为高则存储为正 值，为低则存储为负值。 在a 相电压的上升沿，进入系统的数据采集程序，其流程如图5 1 4 1 所示。 硕士论文基于嵌入式系统的静止无功补偿装置的设计 图5 1 4 1a d 转换流程图 系统的每一次数据采集的过程最多为1 4 个时钟周期，约为2 4 4 u s ，相对于采 样周期采集而言时间很短，因此在完成电压信号的采集后，转换采集通道再采集电 流信号，视为同时采集的信号，不考虑一个采样周期形成的相位差。 将每次采集的电压电流数据分别存放在数组u _ d a t a 4 0 和i _ d a t a 4 0 q b ，每个采 样周期更新一次。 5 静止无功补偿装置的软件系统 硕士论文 5 1 5 交流系统参数计算程序 电网电流基波无功电流的计算采用2 2 节的处理方法，将电流信号视作含有高 次谐波的信号进行处理。 数据采集系统基波电流无功分量计算过程中用到的各个数组及其定义如表 5 1 5 1 所示。 表5 1 5 1无功电流计算中的各个数组定义 数组定义 存放的数据 每个采样周期得到的4 0 个电流信号数据 一个周期2 0 个点的余弦值c o s ( 耐) 电流信号做余弦变换得到的i ( t ) c o s ( c o t ) i q m 4 0 】 经过低通滤波处理得到的基波电流无功分量 一i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 除了c o s 2 0 为固定值外，表5 2 中其余的数组都每个采集周期更新一次。 2 2 节中将电流信号看作含有高次谐波的畸变信号，表达式为式( 5 1 5 1 ) 。 ) = i t 。c o s ( 伊1 ) s i n ( c o t ) + i i 。s i n ( 口o i )