（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的tsc控制器研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 还是滞后电压的方法简便、可行和正确；正确判断出应投入的t s c 容 量，并通过i 帕引脚发出t s c 补偿指令 关键词：t s c 控制器平均值滤波过零投切c a n 总线 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t i h ed i s s e r t a t i o n 趾a l y z e st l l e i s cc o n t r o u e rb a s e do nc a n 士i e l db u s w h e nc a l c u l a t i n gb a s er e a c t i v ec u r r e n t ，a u t h o rc o m e so u tw i t ha v e r a g ef i h e r m e m o d ，a f i e rc o m p a r i n g w i t l lt r a n s f 0 n d i n g r e s u l t so fb a s ec u r r e n ta i l d h 蝴o n i c s i ts i m p l m e sc a l c u l a t i o na n da c c e l e r a t e sr e a l t i m ec o t r 0 1 h o wt o d i r e mw i t hi n d u c t i v el o a do rc 印a c i t o r l o a di sd i s c u s s e da t l dam e t h o do f j u d 舯e n ti sp u tu pw i t h ，i fd i s a b i et od i 髓rw i t h ，o v e r c o i i 【p e n s a t i o ni so c c u r r e d af o m u l at h a ts u mo fr e a c t i v ep o w e ri se q u a lt oz e r oi se s t a b l i s h e d k n o w i n g s o u r c er e a c t i v ep o w e ra n ds w i t c h e dt s cr e a c t i v ep o w e r ，l o a dr e a c t i v ep o w e r c a nb ec a i c u l a t e d p a m c u l a ra 札e n t i o nh a sb e e nf o c u s e do nd e s i g n i n gas u i t a b l e c o n 仃o ll a wf o rat s c t h y r i s t o ri ss w i t c h e dw h e na n o d e t o - c a t h o d et h y r i s t o r v o l t a g ei s 让h o u 出z e r oc r o s s i n g t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st s cc u r r e n t t r 趴s i e n ts t a t e a u t h o rc o m e so u tw i mc a nf i e l db u si sa p p l i e dw i t ht s c c o n t m l l e r tt s cc o n t r o l l e rr e c e i v e sm e s s a g ea b o u ts o u r c ec u r r e n t sa n dp h a s e a i 】g i e t s cc o n t r 0 1 l e rc a l c u l a t e sb a s er e a c t i v ec u r r e n ta i l dl o a dr e a c t i v ep o w e r a n da p p l i e sw i t l lc o n t r o l1 a wf o rat s ca i l dg e n e m t e st s cr e f e r e n c ev i ai o p 越t oc o m m u n i c a t em o n i t o rn o d eo ro t h e rn o d e ，t s cc o n t r 0 1 l e r t r a n s m i t s m e s s a g eo f t s co p e r a t i o n s i i i m l a t i o nr e s u l t ss h o w 血a tt s cc o r 血0 1 1 e rc a nc o r r e c t l ya n ds w i f t l y g e n e r a t e st s cr e f 色r e n c e t s ca i l d s o u r c et o g e t h e rg e n e r a t er e a c t i v ep o w e r ， r e d u c i n gs o u r c ec u 玎e n ta 1 1 dd i s s i p a t i o n t h y r i s t o ri ss w i t c h c dw h e na 工1 0 d e t o c a t l l o d et h y r i s t o rv o l t a g ei se q u a l t oz e r om a ) ( i m u mp e a k 仃a 1 1 s i e n tc u 玎e 皿ti s t w i c et h ep e a ks t e a dc u r r e n t e x p e r i m e n t a ls y s t e mo ft s cc o n t r o l l e r i sc o n s t r u c t e d t s cc o n t r o l l e r o p e r a t e si ns e l f - t e s tm o d e n 胁m i t sm e s s a g ea b o u ts o u r c ec u n - e m sa n dp h a s e a i l g l ea n dr e c e i v e si t so w n 订a i l s m i t t c dm e s s a g e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wm a t 北京交通大学硕士学位论文 c a nc o r l 订o l l e rc a nc o r r e c t l ya n ds w i f t l yc a l c u l a t e1 0 a dr e a c t i v ep o 、v c ra 1 1 d 印p l yw i t hc o m m l 1 a wf o rat s ca i l dg e n e r a t et s cr e f e r e n c e 、，i ai 0p i n s k e y w o r d s t s cc o n 仃o u e r a v e r a g ef i l t e r t l l r d u g hz e r oc r o s s i n g c a nf i e l db u s 北京交通大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 电力系统无功补偿的必要性 2 1 世纪能源与环境问题成为人类发展面临的极其重要的问题，对于 二次能源的主要提供者，如何在保证可持续发展的前提下，提供安全可 靠、优质经济的电能，是电力系统面临的主要问题。我国是快速发展的国 家，对能源特别是电能的需求在今后2 0 年将不断增加。从现在到2 0 2 0 年，我国电力系统每年需要新增发电装机容量2 5 0 0 万k w 以上。另一方 面要节约电能，提高电能的利用效率。而我国电网中负荷功率因数低，导 致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其它电器设备容量 和导线容量增加；设备及线路损耗加大。因此要合理补偿负荷的无功功 率，使设备的容量得到充分利用，减小电能的损耗。 为弥补无功功率造成的损失，电力部门对用户的功率因数的高低制定 了相应的奖罚指标：当用户的月平均功率因数比规定标准低0 0 5 时，增 加月电费的2 5 ；比规定标准低0 1 时，增加月电费的5 ；当用户的月 平均功率因数比规定标准高0 0 5 时，减少月电费的1 5 或2 5 ：按照这 一指标，由于无功损失，功率因数低于标准的用户要向电力部门支付大量 “额外”费用。 1 2 无功补偿控制器的发展 晶闸管投切电容器( t s c ) 补偿系统广泛应用于负荷的无功补偿。 t s c 控制器是t s c 补偿系统的核心，它控制晶闸管投切电容器的投切。 早期的控制器都由模拟电路组成的，随着电网结构的日趋复杂，系统 对控制的快速性、可靠性、多功能性等方面都提出更高的要求，比如更灵 活的控制方式、更高的控制精度、监测的附加功能等。传统的模拟控制系 统已经难于满足这些要求。数字控制技术和计算机技术的发展为t s c 的 控制开拓了更广阔的天地。而目前基于可编程序控制器( p l c ) 和以数字 1 北京交通大学硕士学位论文 信号处理器( d i g “a 1s i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 为核心开发的数字控制系统，正 取代模拟控制器，逐渐成为主流。而在实际应用中，前者结构简单，易于 编程，故而在较为简单的控制中得到了较为广泛的应用，但由于计算性能 较差限制了其在较为复杂系统中的应用；后者由于计算速度快，具有很强 的信号处理能力，所以在需要快速响应和精确控制的系统中采用采用基于 d s p 的控制器。以d s p 为核心开发的数字控制系统，具有结构简单、硬 件和软件都便于扩展和修改、控制精度高、功能强等一系列优点。 控制器的输出信号送给t s c 驱动电路，驱动电路由模拟电路构成， 产生驱动t s c 中晶闸管的功率脉冲。这样分别利用了数字电路和模拟电 路各自优势，模拟电路构成的驱动电路在由数字电路构成的控制器和大功 率主电路之间形成一个良好的缓冲。方面保证可靠有效地传输控制信 号：另一方面，大大减轻了主电路对控制器的干扰。 1 3 选题的意义与本文的主要工作 分析了检测到比较有代表性的有关t s c 控制器研究文献后，发现目 前t s c 控制器存在如下一些问题： 一计算电流基波无功分量的快速、简便性有待提高，这直接影响控制系统 的实时性： 一没有判断负载无功功率是感性还是容性，使t s c 发出错误的投切指 令，造成无功功率倒送，影响了控制系统的准确性； 一对于三相对称系统，各部分的无功功率的关系没有给出理论推导，推导 负载的无功功率时缺乏理论基础； t s c 在晶闸管电压过零时投入，振荡分量有多大，振荡电流与电容初始 电压的关系，缺乏深入的理论研究。 - t s c 控制器与监控中心采用的通讯方式易受干扰。 - 电力系统有时不但存在无功并且还存在谐波，因此不仅要补偿无功而且 2 北京交通大学硕士学位论文 也要补偿谐波。采用t s c 系统补偿负载的无功功率，虽然可以补偿大容 量的负载，但t s c 系统是有级的补偿，并且不能补偿谐波。有源滤波器 ( a p f ) 可以连续补偿负载无功和谐波，但是补偿的容量有限。可以采用 t s c 系统和有源滤波器( a p f ) 补偿负载的无功和谐波，发挥t s c 系统补偿 大容量负载无功的优点，又结合了有源滤波器连续补偿无功和谐波的优 点，实现对大容量负载的无功与谐波进行连续补偿。也就是说，t s c 系统 补偿负载大部分的无功功率，有源滤波器补偿负载剩余的无功功率和谐 波。t s c 系统和有源滤波器应采用模块化设计，设计t s c 系统控制器 时，要考虑与有源滤波器协调工作问题，以便让有源滤波器了解t s c 系 统的补偿情况。t s c 控制器设计时没有考虑与有源滤波器的配合问题，与 有源滤波器联合补偿时，将带来一系列问题。 针对上诉问题，本文深入研究了快速、简便计算电流基波无功分量的 方法，提高控制系统的实时陛；正确判断负载无功功率是感性还是容性， 提高控制系统的准确性；t s c 在晶闸管电压过零时投入，深入研究了振荡 电流的大小和振荡电流与电容初始电压的关系。本文讨论了c a n 现场总 线应用于t s c 控制器的解决方案。上述领域的深入研究有待完善，本选 题具有较高的理论和实际意义。 本论文主要进行了以下几个方面的研究： 第2 章采用t s c 系统和有源滤波器( a p f ) 补偿负载的无功和谐波时， 电流不仅包括无功分量也包括谐波分量。计算电流基波无功分量时，分析 了基波和各次谐波变换前后的对应关系，对滤波环节提出用求平均值的方 法滤波，简化了运算，提高了控制系统的实时性。提出了判断电流超前还 是滞后电压的简便方法，快速准确地判断出无功功率性质，避免了t s c 控制器发出错误的投切指令，引起无功功率倒送情况的出现。分析推导了 三相对称系统各部分无功功率的关系。在不测量负载无功功率的情况下， 3 北京交通大学硕士学位论文 计算出电源无功功率和知道t s c 投入情况后，根据无功功率之间的定量 关系，计算出负载的无功功率。 第3 章提出了判断t s c 的投切规则。系统补偿指令确定的规则。对 t s c 在晶闸管电压过零时投入的投切方法，进行了深入的理论分析。分析 了振荡电流的大小和振荡电流与电容初始电压的关系。 第4 章讨论了c a n 总线应用于t s c 控制器的方案。t s c 控制器负责 接收电源电流值和初相值的报文，计算电流的基波无功分量、负载无功功 率，进行t s c 投切判断，发出t s c 补偿指令。t s c 控制器也将当前t s c 投切情况送往监控中心和a p f 控制器，以便监控中心和a p f 控制器了解 t s c 当前投切情况。 第5 章对t s c 无功补偿系统进行了仿真研究。选取几种典型情况， 进行了仿真研究。对判断电流超前还是滞后电压的方法，验证其准确性； 验证计算负载无功功率的正确性；晶闸管电压过零投切时，研究电流的暂 态过程；研究t s c 分组补偿系统无功功率的性能。 第6 章对t s c 控制器进行了实验研究。设计了硬件和软件实验系 统，c a n 控制器采用自测模式，发送电源电流和时间数据，控制器接收 自己发送的报文。 第7 章给出本文研究结论，并提出需要进一步研究的问题。 4 北京交通大学硕士学位论文 第2 章计算电流基波无功分量和负载无功功率 2 1 本文研究的对象 如果三相负载的电流不对称，包含这样负载的系统称为三相不平衡系 统。对于三相不平衡系统，三相电流可以分别展开成傅立叶级数，包含基 波和谐波分量。对于各相基波可以根据对称分量法分解为正序、负序和零 序分量。而基波正序分量又可以分解为有功分量和无功分量之和。本文研 究三相对称系统。 2 2 计算电流基波无功分量 2 2 1t s c 补偿系统结构图 t s c 补偿系统结构图如图2 1 所示 二7 生! 如 z ” j l o a d 埯+ 丘 丘 一7 z ，。iz 隅h f| i 1 w l i 图2 1t s c 补偿系统结构图 其中l l s a 、m 、u s c 三相对称，负载电流包含无功和谐波分量。t s c 补 偿系统包括，电源电流和时间信号采样电路、应用c a n 总线的t s c 控制 器、t s c 驱动电路和t s c 支路。本文只研究应用c a n 总线的t s c 控制 器。 5 北京交通大学硕士学位论文 应用c a n 总线的t s c 控制器，负责接收包含电源电流和时间采样值的报 文，从含有无功和谐波的电源电流中计算电流基波无功分量，从而计算负 载的无功功率，经过投切判断发出t s c 补偿指令。 2 2 2 电流基波分量的计算 从含有谐波的电源电流中计算电流基波分量，可以采用矩阵变换的方 法，矩阵变换结构图如图2 2 所示 ，m 。 k i i f 其中 巳：爿：蔓爿巴= 巴c2 出f i 捌= c 7 班表示求平均值 三相对称电压表示为 电源电流三相对称，包含无功和谐波分量，分解为傅立叶级数形式如下 6 、，、 掳一，撕一， 一 + lr卜 n n n s 口 s 口 s f u u u 压压 厄 = = = 北京交通大学硕士学位论文 乙：艺压，。s i n g m h 妒。) 驴言儿m 卜砷jn = il o j 如= 善儿s i n 卜+ 扣妒j 2 ；! 雀潍卷瑚 _ ( 2 1 ) 式中n = 3 k 士l ，其中k 为正整数，当k _ o 时，只取“+ ”，既只取 电流基波分量变换为( 2 2 ) 式 l 括，c o s 伊i ( 2 2 ) l 一压 i n 伊，j 即电流基波分量经过上述变换，变为常数。其它各次谐波分量经过上 述变换后，变为不同频率的正弦分量。那末，只要滤掉不同频率的正弦分 量，只保留常数，再经过反变换，既可得到电流基波分量。采用求平均值 方法滤波，算法简单，计算速度快，能满足实时性要求。采用求平均值方 法滤波后，( 2 1 ) 式变为( 2 3 ) 式 ( 2 3 ) 式经过反变换后，变为( 2 4 ) 式 c 正 糍蚓= 2 s m 以小。k 比一 ( 国 ( 2 4 ) ( 2 _ 4 ) 式右边即为电源电流基波分量。 从含有谐波的电源电流中计算电流基波分量，采用矩阵变换的方法， 基波分量变为常数，其它各次谐波分量变换后，变为不同频率的正弦分 7 q 霰 妒 瞄 鼋_乩川 = = 妇k 妒 纯 + ，蔓k “ h 盼 啡 汕 l l 。f厶。p台 万 压 斯。斯。 p p 、j+ + 审 2 3 玎 一 + ，乜， ， 北京交通大学硕士学位论文 量。那末，只要滤掉不同频率的正弦分量，只保留常数，再经过反变换， 既可得到电流基波分量。采用求平均值方法滤波，算法简单，计算速度 快，能满足实日寸性要求。 2 2 3 计算基波电流的无功分量 计算电源基波电流无功分量可以采用矩阵变换的方法，矩阵变换的结 构图如图2 3 所示 其中 巳= 后睦爿g c 2 置：矧2 c 三相对称电压表示为 甜。k 2 2 u i 口s i n ，= 压乩咖( 小訇 ，2 压s n h 引 在相电压和电源基波电流非关联参考方向下，基波电流可以分解为电 流有功分量和电流无功分量之和，即 鬟篇咎嚣算嚣孙，吨o z 剐= 扼 t n ( “一等+ 妒， = 压凡s ；n ( “一爿+ 压厶s t n ( “一芋t 訇= ，+ ， 如= 以 j n ( “+ 芋+ 妙， = 压几s n ( “+ 等) + 拒厶s ；n ( 一+ 等t 三) = t 一如， 北京交通大学硕士学位论文 其中 如，= 乩。s 抽卜爿 ，= 儿。s i n ( 叭等) ，2 压几咖纠 ，= 压 n ( 一孚t 詈 “。= 压几s i n h 等t 刳 i s a l q 、i s b l q 、i s c l q _ 一电源基波电流无功分量， ( 2 5 ) 式中“+ 代表电源 电流超前相电压，“一”代表电源电流滞后相电压， i s a l o 、i s b l 。、i s c l 。电源基波电流有功分量 h cc ，：l “，l = cc ，： k j 厄介i n b f + 妒) 压n 佃( 印f 一孚也 压聃( 国r + 等也 压埘n ( 删訇 = cc ，： 2 l 。s i l l 压几咖k 等 压几咖h 等 = 降 + 巍 舞， ( 2 6 ) 从( 2 - 6 ) 式变换可知， ( 2 6 ) 式右边第一行元素对应变换后的有功 分量， ( 2 6 ) 式右边第二行元素对应变换后的无功分量。滤去有功分量 对应的元素只保留无功分量对应的元素，再经过反变换，既可得到基波电 流的无功分量，如图( 2 7 ) 所示 ：0 搿纠 7 9 、，、， 三2 1 2 + 一 打一。打一， 一 十 由 国 ，l、，l n n s s r ， 厄 厄 。，1 cc + 北京交通大学硕士学位论文 根据( 2 7 ) 式可知，基波电流无功分量变换为千i j 。，再经过反变换 c z ；划= 压几如( 叭詈 压“咖卜孚t 訇 压“s i n h 等t 詈) ( 2 8 ) ( 2 8 ) 式右边既是基波电流的无功分量。 计算基波电流无功分量，可以采用矩阵变换的方法，电流有功分量和 无功分量变换为两个元素，滤去有功分量对应的元素只保留无功分量对应 的元素，再经过反变换，既可得到基波电流的无功分量。 下面讨论如何判断电源基波电流超前还是滞后相电压? i 电源基波电流滞后相电压时，( 2 7 ) 式变为( 2 9 ) 式 删c g 褂 晓母 i i 电源基波电流超前相电压时，( 2 7 ) 式变为( 2 一1 0 ) 式 c g 医h 点 。1 因此，只要判断变换后( 2 7 ) 式右边矩阵第二列元素的正负，则可 以知道电源基波电流超前还是滞后相电压，即第二列元素为正，电源基波 电流滞后相电压；第二列元素为负，电源基波电流超前相电压。 通过对电源基波电流的上述变换，可以计算出基波电流无功分量。而 且还可以判断出电源基波电流是滞后还是超前相电压。 2 2 4 计算电流基波无功分量 从含有无功和谐波的电源电流中计算电流基波无功分量，只要先计算 电源电流基波分量，再计算基波电流的无功分量好像就可以了。即经过下 列变换： 北京交通大学硕士学位论文 已c 一淋巴g 肌褂豳 协 注意到c ：c ，：ecc = e ， ( 2 1 1 ) 式变换可以简化为( 2 - 1 2 ) 式 巳c 一州m 料川矧 协1 2 ) ( 2 1 2 ) 式用结构框图表示为图2 4 虬 f 。 j - l 图2 4 计算电源电流基波无功分量结构图 rs i n 珊f l c o s 埘f c = c 计算电流基波无功分量，可以简化为上述变换，省去了计算电流基波 分量的过程。 濉? 班c c 材孙巍 q 。1 3 在相电压和电源电流基波无功分量非关联参考方向下，根据( 2 1 3 ) 式，右边矩阵第二列元素为正，说明电源电流基波无功分量滞后相电压； 第二列元素为负，说明电源电流基波无功分量超前相电压。 含有无功和谐波的电源电流经过图2 4 的矩阵变换，电流只含有基波 无功分量。而且可以判断出电源电流基波无功分量滞后还是超前相电压。 e r c l l c _l_l_ 。一：订一： 矧1 = 中 c 其 北京交通大学硕士学位论文 2 3 计算负载无功功率 2 3 1 系统各部分无功功率之间的关系 i 电压为正弦量，并且电压之和等于零条件下， 根据特勒根定理 甜j ，f ，+ 甜2 + f 2 + + “t + 玉+ + “，+ f 。= 0 ( 2 1 4 ) 对( 2 1 4 ) 式变形为 争舟孕+ 务+ 警舟+ 警+ f ：o ( 2 1 5 z lz2z z 。 两边分别求导 0 。f 。) f ；+ 0 。f ，) z f + 0 ：f ：) + g 。f ：) + z f ：+ - + 0 ；f 。) ，+ b 。f 。) z f 。 + + g 。f 。) + q 。f 。) ：f ，o 0 ，如) j 0 ：f ：) 麦+ + g ；兹) 蠢十+ g 。i 。) + 2 也+ ：+ + “十+ + “。) = 0 k + i 一弛+ ) + k + f ：一甜：+ d + + k + f 一玩+ f ) + + k + t 一t ) ( 2 1 6 ) + 2 也l + 材2 + - - + 甜+ - - + 甜。) = o 当 ”，= u 。s i n b f + 矽。)f 。= ，。s i n b f + 。) 则 “：以一“。f ：= 一2 国q 。其中q = u 。s i n 劬。一痧。j ( 2 1 6 ) 式等于 ( _ 2 国j b + q 2 + + q + + q j + 2 也+ 编+ + 玑+ + “。) = o ( 2 1 7 ) 因为 蹦l + 甜2 + + “i + + 甜。= o 所以 q 。+ q ：+ + q 。+ + q 。= 0 ( 2 1 8 ) 系统各部分电压和电流为正弦量，并且电压之和为零，那么无功功率 之和等于零。 l 北京交通大学硕士学位论文 i i 当电流包含有谐波分量时，电流分解为傅立叶级数形式 f 。= 妻，。s h g r + 妒；) = ，。一n bf + 妒。) + 薹 。s - n g 国f + 妒，：) = 。+ 薹，。s 抽g 国f + 妒，) 其中 驴。，s i n bf + 妒，) o r、 i ：= ，：。s j n b f + 妒：，j = ，：。sr n 白f + 妒：) + 薹，。s - n g 国f + 妒：，) = 厶+ 差，。s i n g 棚f + 妒：。) 其中 f 。= 。s i n bf + 妒：，) 矗3 善l s i n b 国f + 妒。) = l 。s i n bf + 缈。) + 薹，。s i n g 曲f + 妒。) = 玉。+ 姜。s i n 0 国f + 妒。) 其中。 f = l s i n bf + 妒。，) 厶= 砉i s n g 国。f + 9 。) = ，。，s t n 0f + 妒。) + 薹，s t n g 国f + 妒。) = t + 薹，一s i n g 印f + 妒。) 其中 = 。s i n bf + 州 电流下标第部分代表电流的顺序号，下标第二部分代表谐波次数 根据特勒根定理 “l 玉+ “2 + f 2 + + “+ f i + + “。+ f 。= 0 ( 2 - 1 9 ) 电流用级数表示，( 2 一1 9 ) 式表示为 1 3 北京交通大学硕士学位论文 0 。，f 2 ”。i i 。) + 也薹l ，s h 0 国f ，) 姜l s h g 珊f 也。) + + 副。薹，。；s h g 也，+ 妒。) + _ + “。薹，舭s h 0 国f + 妒j ) = o 对上式两边积分 ；鲰w 驴w 驴w i 妇书喀。s t 如r 慨k 蠡s t r + 列 一+ 珥弘；k f + 列+ ”+ 塾j d 蚴f + 列) 出= o 其中 ? 也薹 。s m g r + 妒，) + “：薹，：。s i n g 印f + 妒：，) + + “。薹，。s i n g 国f + 伊。) + + 薹，s i n g 国f + 妒。) ) 折= o 所以 ；如。，+ “：+ j ：，+ + 靠。t i 。+ + 甜。f 。) d z = o 则 扰+ + 扰，+ f 、。+ + “。i 。+ + 就+ f ，= c 其中c 为常数 重复i 的推导步骤，则 9 + 9 ：+ + g 。+ + q 。= 0 ( 2 - 2 0 ) 系统各部分电压为正弦量，电流为非正弦量，并且电压之和等于零条 件下，无功功率之和等于零。 结论系统各部分电压为正弦量，并且电压之和等于零，无论电流是正弦 量还是非正弦量，无功功率之和均等于零。 2 3 2 计算负载的无功功率 根据无功功率之间的定量关系，可以只简单计算电源无功功率和知道 t s c 已投入的无功功率，可以推导出负载的无功功率。 根据无功功率的定义，电源处各相无功功率q 。q q 等于 1 4 北京交通大学硕士学位论文 q 2 u 。， q 2 【l 。， q = 【l x ，。 其中l 。厶 。是电源电流基波无功分量有效值 u ，。u 。u ，。是电源相电压有效值 在相电压和电流非关联参考方向下，“+ ”代表感性无功功率，“一” 代表容性无功功率。正负号根据电源电流基波无功分量超前还是滞后相电 压确定。电源电流基波无功分量滞后相电压，电源无功功率是容性无功功 率，无功功率取负号；电源电流基波无功分量超前相电压，电源无功功率 是感性无功功率，无功功率取正号。 根据式( 2 2 0 ) 可知，电源部分、负载部分和t s c 部分无功功率之 和等于零，即 q ；。+ 级+ q = o q 。+ q 。+ q 。= o q 。+ q 。+ 绞= 0 其中q 。q 。q 为t s c 已投入补偿容量 负载无功功率q q q 。等于 q = 一味+ 级j q = _ q 。+ 姨j q 。= 一( q 。+ q 。) 在不测量负载无功功率的情况下，计算出电源无功功率和知道t s c 已投入的无功功率后，根据无功功率之间的定量关系，计算出负载的无功 功率。 北京交通大学硕士学位论文 2 4 本章小结 从含有谐波的电源电流中计算电流基波分量，采用矩阵变换的方法， 基波分量变为常数，其它各次谐波分量变换后，变为不同频率的正弦分 量。那末，只要滤掉不同频率的正弦分量，只保留常数，再经过反变换， 既可得到电流基波分量。采用求平均值方法滤波，算法简单，计算速度 快，能提高系统的实时性。 基波电流有功分量和无功分量经过矩阵变换，有功分量和无功分量相 分离，滤去有功分量只保留无功分量，再经过反变换，既可得到基波电流 的无功分量。只要判断无功分量变换后对应量的正负，可以判断电源电流 超前还是滞后相电压，即无功分量变换后对应量为正，基波电流无功分量 滞后相电压；无功分量变换后对应量为负，电源基波电流无功分量超前相 电压。 从含有无功和谐波的电源电流中计算电流基波无功分量，可以应用简 化变换，省去了计算电流基波分量的过程。 系统各部分电压为正弦量，并且电压之和为零，无论电流是正弦还是 非正弦条件下，无功功率之和均等于零。 在不测量负载无功功率的情况下，计算出电源无功功率，并且知道 t s c 已投入的无功功率，根据无功功率之间的定量关系，计算出负载的无 功功率。 1 6 北京交通大学硕士学位论文 第3 章t s c 补偿指令和t s c 投切方法研究 3 1t s c 的补偿指令 3 1 1t s c 的分组方式 由于单个t s c 支路容量不能满足要求，常采用多条t s c 支路并联的 方式提高容量。t s c 并联，每条t s c 支路容量选择多大呢? 或者说t s c 部分如何分组呢? 通常有两种分组方式： l 选择每条t s c 支路容量相同，总的容量等于每条t s c 支路容量之和。 2 选择一条t s c 支路容量是其它t s c 支路容量的一半，总的容量等于每 条t s c 支路容量之和。 在总容量相同的情况下，第二种分组方式与第一种分组方式相比，容 量的步数变化多，但第二种分组方式需要的t s c 支路比第一种分组方式 多。 为了连续补偿负载的无功功率，采用t s c 与a p f 联合补偿的方式。 基于这种考虑，t s c 容量变化步数可以少一些，选择第一种分组方式，既 每个t s c 支路容量相同。以t s c 每相有两条支路为例说明，每条的补偿 容量均为f )，则t s c 每相能提供的补偿容量为。和，) d 。那么t s c 陌；o瓤_ 2 匀 三相能提供3 瓯和6 瑶补偿容量。 3 1 2t s c 投切判断和t s c 的补偿指令 根据负载无功功率和t s c 分组情况，可以确定t s c 补偿指令。按照 电源发出的容性无功功率最小原则和不出现无功功率倒送的情况，确定 t s c 补偿指令瓯；q ：。q 二。以q 二为例说明，玻既与豌情况类似。确 定t s c 补偿指令的规则如下 i qc q 。 时 跣：o i i q 。s q 。c 一2q 。 时 q 二：q ， 1 7 北京交通大学硕士学位论文 i 一2 q 。sq 。 时 q 二= 2q ， 当负载无功功率小于一条t s c 支路容量时，t s c 不投入；当负载无 功功率大于一条t s c 支路容量而小于二条t s c 支路容量时，t s c 投入一 条t s c 支路。确保t s c 投入一条t s c 支路后，电源部分不会出现无功倒 送情况；当负载无功功率大于二条t s c 支路容量时，t s c 投入两条支 路，使电源发出的容性无功功率最小。 3 2t s c 投切方法研究 t s ca b 相一条支路如图3 1 所示，小电感l 作用是限制冲击电流。假 如没有小电感l ，晶闸管触发时电容电压与供电电压不相等，导通后就会 有一个无穷大的电流在无限短的时间内，流入电容器并将电容器的电压充 电到与供电电压相等。晶闸管不可能承受如此无穷大的电流变化率，因此 会损坏。即使晶闸管触发时电容电压与供电电压相等，电流会立刻跳变到 稳态值，即在无限短的时间内达到稳态。尽管电流没有超过稳态值，但电 流的变化率是无穷大，因此晶闸管也会损坏。所以t s c 支路必须串联小 电感。电感值的选择一般按如下规则：使l c 的自然谐振频率为扣5 倍的 工频，这样既可以保证电感不会与其它部分产生谐波谐振，也不会影响 t s c 的性能。 + “。0 ) = u 。s i n ( o f + 口) 电容初始电压 甜。( o - ) = 【，0 图3 1t s c 支路 1 8 北京交通大学硕士学位论文 根据k v l 运算形式 u 一，= ( 乩+ 古kc 卅争 ，。( s ) =s u 。( s ) 一u 。 21 j + 万 设。：土 功。自然角频率 2 了万 自然角频率的标幺值n 为 则 国。 ，z 2 国。 k c 驴讧艺弦。o c o s 口去一m 可n 口矿鲁 取拉氏反变换为 则 。c 。s 口+ m 。鲥n 口矿薯) 一争矿b。”啪矿矗n ”哪盎) 一铲赢 础) 2 k c o so 口) 一矗c o s 目c o s 训 一 嫠一者鬣s ；n 目 s m 训一i 瓦一f 可瓦8 1 删j 8 m 令，：立丛 “厅2 一lx c 。o ) = l s i n 。f + 口) + j 。( 胛s i n 口s m 。r c 。s 口c 。s ) 一弓警s i n f 工程实践中采用晶闸管电压过零时投切t s c 的方法，即电容的初始电压 为 1 9 雁i胨点玑 北京交通大学硕士学位论文 f m ( f ) 3 ，。c o s ( 国o f + 占) + ，。( ：s i n 臼s i n 卯。f c o s 口c o s 国。f ) f m ) = ，。c o s ( 。f + p ) + ，。1 f 墨粤等+ c o f 目( s i n 国。fc o s 伊一c o s 珊。fs i n 妒) y坨 其中 c o s 旷毒等咖舻蠡1 f ! 单十c o s ：p1 f ! 马芝+ c o s 2 目 yy订 小h 删f 例“1 警十c o s 钒i n ( 叫一伊) ，。和t 辟i 磊一，- 脬纠再一爿券2 由上式可知，电流暂态过程中，当u 。：0 时电流获得最大值l ，电 流的最大幅值小于7 ，。 3 3 本章小结 采用每个t s c 支路容量相同分组方式。根据负载无功功率和t s c 分 组情况，按照电源发出的容性无功功率最小原则和不出现无功功率倒送的 情况，确定t s c 支路补偿指令。当负载无功功率小于一条t s c 支路容量 时，t s c 不投入；当负载无功功率大于一条t s c 支路容量而小于二条 t s c 支路容量时，t s c 投入一条支路。确保t s c 投入一条支路后，电源 部分不会出现无功倒送情况；当负载无功功率大于二条t s c 支路容量 时，t s c 投入两条支路，使电源发出的容性无功功率最小。 t s c 支路串联小电感l 作用是限制冲击电流。工程实践中采用晶闸管 电压过零时投切t s c 的方法。理论分析表明，电容初始电压为零时，暂 态电流值最大，电流最大峰值小于两倍稳态电流幅值。 北京交通大学倾十学位论史 第4 章c a n 总线的应用 4 1c a n 现场总线简介 c a n ( c o r n r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网，主要用于各种设备 监测及控制的一种网络。c a n 最初由德国博世公司( b o s c h ) 为汽车的监 测、控制系统而设计。由于其独特的设计思想，它的数据通信具有突出的 可靠性、实时陛和灵活性。具体来讲，c a n 具有咀下特点： _ 采用多主广播通讯方式。在c a n 系统里，各节点不使用关于系统结构 的信息( 比如站地址) 。报文的寻址由标识符指定。各节点通过滤波来判 断报文标识符是否与自己邮箱标识符一致，如果相一致，接收报文。多个 节点可以接收同一报文。 - 采用非破坏性总线仲裁方法。当两个或两个以上节点同时发送报文，优 先级低的节点主动停止报文发送，而优先级高的节点可不受影响地继续发 送报文。 _ c a n 总线的稳定性与它的错误检查机制密不可分。c a n 总线采用五种 方法检查错误，确保数据通信的可靠性。如果报文被查出存在错误，发现 错误的节点立即发送错误帧，报文因此不能被接收。发送节点需重新发送 报文，直到报文被正确接收。c a n 节点在错误严重情况下，具有自动关 闭输出功能，以使总线上其它节点不受影响。 - 直接通信距离最远可达1 0 公里( 速率5 k b p 以下) ，最高通信速率可达 1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 米) 。c a n 节点数可达1 1 0 个通信介 质可为双绞线、同轴电缆或光导纤维。 _ 报文采用短帧结构，每帧字节数最多为8 个，可满足通常工业控制领域 中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节也不会占 用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。 用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。 2 】 北京交通大学硕士学位论文 _ c a n 控制器集成了i s o1 1 8 9 8 标准的物理层和数据链路层功能，可完成 对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先 级判别等工作。 由于c a n 总线具有以上这些特点，为工业控制系统中高可靠性的数 据通信提供了一种新的解决方案。其在国外工业测控领域已经有了广泛的 应用，现国内的许多工业控制领域也开始应用c a n 总线技术。c a n 总线 已经成为最有发展前途的现场总线之一。 4 2t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 集成的c a n 控制器简介 1 9 9 1 年9 月德国博世公司( b o s c h ) 制定并发布了c a n 技术规范 ( v e r s i o n2 0 ) 。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具一 数字交换一高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准( i s o1 1 8 9 8 ) 。c a n 通信标准i s o11 8 9 8 描述了信息如何在设备之间通信，它符合开放系统互 连( o s i ) 的层次模型要求。i s 01 1 8 9 8 标准定义了o s i 下面的两层，即数 据链路层和物理层。c a n 总线驱动器实现o s i 最低层大部分功能，它是 c a n 控制器和物理总线之间的接口。c a n 控制器实现数据链路层和部分 物理层的功能。应用层功能由用户编写的应用程序和d s p 实现。i s 0 1 1 8 9 8 标准与d s p 的对应关系如图4 1 所示； 面面丽磊 1 i 广 应用层 逻辑链路控制子层 数据链路层 介质访问控制子层 物理信号子层 物理层物理攥体附着子层 媒体接口 t 惦3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 集成的c 州控制器 l 总线驱动器 c 删物理总线 图4 1i s o1 1 8 9 8 标准与d s p 的对应关系 2 2 北京交通人学硕士学位论文 自测模式 自测模式也称为回环模式。该模式下模块不必连接总线，模块接收自 己发送的报文，此时模块本身产生应答信号。该模式便于模块的测试。 初始化后，用户必须置位m c r 寄存器中s 1 m ( s e l f - 陀s tm o d e ) 位， 以使模块工作于自测模式。m c r 寄存器中s t m ( s e l f - t c s tm o d e ) 位如图 4 2 所示： 1 、i 1 ，l lnqrtr321n d b o 位的影响 s t m s e lr t e s th o k 图4 2 主控寄存器( m c r ) 中s t m 位 主控寄存器( m c r ) 中d b o 位如图4 3 所示： 1 5i d31 2l lj0 目 b 7654320 书翻霸固璺霸多贯鬻多阁 t a b v t r0 n l “ 图4 3 主控寄存器( m c r ) 中d b o 位 当邮箱内容如表4 1 所示： 表4 1 邮箱5 的内容 当d b o = o 时，字节发送的顺序为3 ，2 ，1 ，o ，7 ，6 ，5 ，4 当d b o = 1 时，字节发送的顺序为o ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 接收的数据帧中数据字节顺序为o ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 2 3 北京交通大学硕士学位论文 当d b o 取值不同时，接收存储的顺序也不同，如表4 2 所示 表4 2 邮箱1 接收存储的顺序 模块有两种类型中断 _ 接收或者发送报文后，邮箱产生的中断。每个邮箱对应c a n i f r 寄存 器中的一个中段标志位和c a n i m r 寄存器中的一个中断屏蔽位。 - 错误产