（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的无功与谐波补偿研究及装置信息模块设计.pdf

北京交通大学硕士学位论文 r e a c t ep o w e r h a r m o n i c c o m p e n s a o nb a s e do nd s p a n d i n f o r n l 盯i o nm o d u l ed e s i g n a tp r e s e n t ，m ep o w e rf a c t o fi ss m a l la n dt h ep o l l u t i o no f h 狮o n i z a t i o ni ss e r i o u si np o w e rs y s t e m ，w h i c ha f f e c t st h e q u a l i t yo fe l e c t r i ce n e r g y 1 t i l i sp a p e rp m sf o n a r dad e s 啦t h a t c o m b i n i n g a c t i v e卸d p a s s i v e r e a c t i v e&h a f m o n i z a t i o n c o m p e n s a t o f ，w h i c hi n c r e a s e st h ep o w e rf a c t o r - t h i sp 印e rd i s c u s s e st l l eb a s i cp 血c i p l ea 1 1 dt h es t m c t u r eo f t h er e a c t i v ea n dh a 册o n i z a t i o nc o m p e n s a t o r - i tf o c u s e so nt h e c o 删a t e dc o n t e s lo fp a s s i v ep 眦a d o p t sr e a lt i m ef 删d e f a f i t h m e t i ct om e e t st h e r e q u i r e o fr e a lt i m ec o m p e n s a t i o n i n t r c d u c et h em a i nc o n t i o ls t r a t e g i e so fi 印u t t i i l g c u t t i n ga w a y a tp r e s e n t 锄dp r e s e n t sa ni m p r o v e dc o n t r o ls t r a t e g yo fi i l p u t t i n g & c l l t t i n ga w a yb a s e do nr e a c t i v ep o w e rs oa st oi n c r e a s et h e p r e c i s i o no fm e c o n t m ls t f a t e g i e s af u l ld i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s pi sb u i l tw “h t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a l lt h em a i nc i r c u i t sa n dc o n t r o lc i r c u i t s 北京交通大学硕士学位论文 o fp a s s i v ep a nh a v eb e e nd e s i g n e d t h ec o n t r o lp r o g r a mi s w r i t t e ni na s s e m b l yl a n g u a g e t h em a i nc i r c u i te m u 】a t i o n s h a v eb e e nd o n ew i t hs a b e r d e s i g nt h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o f ko ft h ew h o l ed e v i c eb a s e do nc a nb u sa n dt h e m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v es y s t e mb a s e do na r mc o n t r o l l e r k e y w o r d s ：h a r m o n i z a t i o n ，t s c ，p a s s i v ec o m p e n s a t o r ， d s p 北京交通大学硕士学位论文 电压符号 符号说明 “， 电源瞬时电压 u 。 一相n 次谐波电压 二电流符号 j 。 补偿电流 ，电容器电流 ，m ) 调谐电容器n 次谐波电流 f ， 电源瞬时电流 三功率符号 绋 补偿装置补偿容量 姥 电抗器容量 翅i c 电容器容量 幺 n 次谐波无功功率 北京交通大学硕士学位论文 q 。 负载无功功率 厶q 无功缺额 孽。0 ) n 次谐波无功瞬时功率 p 有功缺额 四其它符号 七日 q $ 补偿系数 采样角频率 基波角频率 北京交通大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，随着全球工业化的不断加快，对地球环境的污染和 破坏也空前加剧。为此，在全世界范围内掀起了环境保护的热潮。 电力系统也是一种“环境”，公用网中的谐波电流和谐波电压就是 对电网环境的最严重的一种污染。电力电子装置是公用网中最主 要的谐波源，随着电力电子装置应用的日益广泛，电网中的谐波 污染也日益严重。另外，随着我国经济发展和国际化能源紧张局 势的加剧，加强电能质量和节能降耗管理已成为国家政策中的重 要内容。配电网无功的合理分布对提高电网电能质量和节能降耗 的影响十分重要。因此，抑制谐波和无功补偿已成为电力电子技 术、电气自动化技术及电力系统研究领域所面临的重大课题，并 受到越来越多的关注。 无功补偿的作用主要有以下几点“3 ： ( 1 ) 提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量、减 少功率损耗； ( 2 ) 稳定受电端及电网电压，提高供电质量。在长距离输 电线路合适的地点设置动态补偿装置，还可以改善供 电系统的稳定性，提高输电能力； ( 3 ) 在电气化铁道等三项不平衡的场合，通过适当无功补 偿可以平衡三相的有功及无功负载。 北京交通大学硕士学位论文 谐波电流对电力系统和其它系统危害大致有以下几个方面 ( 1 ) 谐波使公用网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低 了发电、输电及用电设备的功率。大量的3 次谐波通 过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备正常工作。谐波对电机的影响 除了引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过 电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆 等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。 ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部并联谐振和串联谐振，从 而使谐波放大，这就使上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大 增加，甚至引起严重事故。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电 气测量仪表不准确。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声， 降低通信质量；重者导致信息丢失。使通信系统无法 正常工作。 基于以上两方面的原因，无功补偿和谐波抑制引起了世界各 国的关注。 1 2 无功补偿现状 目前，国际上虽然有一些国家正在进行对电力电子装置本身 进行改造的研究，也取得了一些成果，但只是针对新的电力电子 北京交通大学硕士学位论文 装置的开发与研究，而对于大多数谐波源来说，通用的做法还是 采用设置各种谐波补偿装置。传统的无功功率补偿方法是设置无 功补偿电容器，设置l c 滤波器则是抑制谐波的传统方法，也是目 前应用最多的方法。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中 的应用，一些使用晶闸管的静止无功补偿装置( s v c ) 逐渐占据主 导地位，如晶闸管投切电容器( t s c ) 和静止无功发生器( s v g ) 等。在实际应用中，这些补偿装置对补偿无功和谐波均达到了一 定的效果。 据统计，当前，国内典型城乡配电网无功损耗情况如下：按电 压等级划分，o 4 k v 级损耗占5 0 9 6 ，1 0 k v 级占2 0 ，3 5 k v 以上占 3 0 。在农村，长距离供电较为普遍，1 0 k v 线路损耗较大：在城网 中，配网的损耗主要在o 4 k v 侧。因此，作好1 0 k v 等级电压以下 的无功补偿具有重要意义。1 。 近年来，由于计算机技术的发展，无功补偿技术已得到很大 改进，无功补偿装置的发展己进入一个新阶段。然而，许多电网 仍存在补偿不足，调节手段落后，电压偏低：损耗增大等问题。负 荷无功补偿主要有以下几个问题： 1 ) 无功补偿容量不足，在供电方面，公用变压器在全国大中 小城市中大量存在，而且伴随着一户一表等城网改造的开展，还 会大量增加。由于资金缺乏及重视程度不够，公用变压器区内无 功补偿容量严重不足，有功损耗大，公用变压器的利用率不高。 在用户方面，由于公用变压器区内低压用户很多，供电企业管理 不便，低压用户感性负荷很大。由于各用户没有统一的无功功率 补偿，造成补偿不合理，效果不明显。而且，在高峰时，从电网 接收无功过多，低谷时，往往向系统倒送无功。 北京交通大学硕士学位论文 2 ) 无功补偿装置落后。在无功补偿装置上，大量的装置采用 采集任选一相的无功信号或一相电流另两相电压得出的无功信号 并以此作为投切容量的依据，但这种方式只适用于以三相动力为 主的配电区，它可能会对非采样相造成过补或欠补。在投切容量 的确定方面，往往以功率因数为参考，电容器分组投切，当功率 因数滞后时，则投入一组电容器；当有超前的无功分量时，则切 除一组电容器。按组投切电容器，无功补偿的精度不高。这些装 置常因为电容器容量级差大而投切精度低或频繁投切。 3 ) 集中补偿占大多数。集中补偿只能减少装设点以上线路和 变压器因输送无功功率所产生的损耗，而不能减少用户内部通过 配电线路向用电设备输送无功功率所造成的有功损耗。由于用户 内部的无功损耗没有减少，所以降损节电效果必然受到限制。负 荷所需的无功功率，仍然需要通过线路供给，依然产生有功损耗。 1 3 国内外低压无功补偿装置的发展现状 从6 0 年代开始，我国已有许多电力科技工作者从事低压配电 网无功补偿这一课题的研究，并设计了早期的无功补偿控制器。 自8 0 年代中期以来，颁布实施按功率因数调整电费的政策后，我 国电力用户在3 8 0 v 配电室广泛采用了以交流接触器投切电容器 的成套装置( 即m s c ) 。目前国内生产并联电容器成套装置的厂家 己达数百家，生产量大的主产品为天津电气传动研究所设计的 p g j 系列和西安电力电容器研究所设计的t b b o a ，t 阴1 。系列等， 均为机械投切电容器产品“1 。 北京交通大学矮士学位论文 随着电力电子技术的发展，8 0 年代后期出现了以微处理器为 核心的智能化产品，t s c 无功补偿装置在国内陆续出现。世界各 国的低压无功补偿装置多种多样，中国台湾、英国、美国在8 0 年代就使用了t s c 动态无功补偿装置。目前，n o k i a n 公司研制的 具有谐波滤波功能的低压晶闸管投切电容器组“s c ) 作为无功补 偿装置，在世界各国得到了广泛应用。 我国投入运行的电容器组中，己安装自动投切设备的还不是 很多。近年来，低压动态无功补偿技术在配电系统中逐渐普及。 在此背景之下，珠海赛迪生电气设备有限公司委托北京交通 大学电气工程学院开发“无功与谐波自动补偿装置”项目。由于 电源系统的容量大，采用晶闸管投切电容器( t s c ) 的无源补偿器 可以大大降低成本，因此本项目采用有源滤波器与无源补偿器相 结合无功与谐波动态补偿。 1 4 本无功与谐波自动补偿装置介绍 1 i 1 装置的主体结构 无功与谐波自动补偿装置由有源滤波器主电路( 包括四 象限变流器、输出侧电抗器、直流侧电容器及二次谐波吸收电路 等) ；无源无功 偿器主电路：无源三、五次谐波补偿器主电 路：电流、电压检测单元；有源滤波器控制与驱动电路； 无源补偿器控制与驱动电路：显示和指令输入电路等部分组 成。系统及有源滤波器主电路结构如图卜1 所示。 北京交通大学硕士学位论文 i 矿每，叶垂纠 l 撼魁。h b l “ 剖刘制 x i承瓣辑 计 划卦 。j b 5 图卜1 无功与谐波自动补偿装置的结构示意图 f i g u r e1 - 1s t 川c t i l r ed i a 毋砌a t i cs l ( e i c bo fr e a c t i v ep o w e ra n d h 锄o i ca u t o m a t i cc o m p e 舳矾o r 1 4 2 装置的技术指标 ( 1 ) 适用电源电压等级：2 2 0v 。，3 8 0 v 。 ( 2 ) 有源滤波器补偿容量：5 0 k v a ( 基波无功) ；1 5 0 a ( 最大瞬时补 偿电流) ( 3 ) 可以控制的无源补偿网络的功率等级：5 0 0 k v a 。 ( 4 ) 在无源补偿网络容量范围内，补偿后的电源电流：功率因数 高于0 9 ，总谐波畸变系数( t h d ) 5 ，三相负载电流的不对 称系数 u i ，说明 所生成的数字量还不够大，应保留该位为1 ，此外还需把下一次 高位d 5 置1 ，依此方法逐位比较下去，直至确定最低位d o 是o 还是l 。这时系统将g o 及时清o 、中断标志位a d i f 及时置位， 保留在寄存器里的数字量即为对应于被测量u i 的数字量，从而达 到快速模数转换的目的。完成一次a d 转换所需要的时间即为采 样时间加逐次比较所需要的时间。 3 3 2 d 转换器主要技术指标 a d 转换器有3 个主要的技术指标：转换时间( 转换速率) 、分 辨率和转换精度。 转换时间和转换速率。转换时间是a d 完成一次转换所需 要的时间，转换时间的倒数即为转换速率。 嚣京交通大学硬士学位论文 分辨率。a d 转换器的量化精度称为分辨率，习惯上用输 出二进制位数或b c d 码表示。例如a d 5 7 4 模数转换器，可输出二 进制数1 2 位，即用2 ”个分割对待测模拟量进行量化可量化的最 小分辨率为1 2 ”，即1 2 位二进制的最小数值，这个数值称为l l s b 。 不难看出量化的分辨率应为这个最小值：1 l s b ，用百分数表示为 l 2 “1 0 0 = 0 0 2 4 4 。若满量程下为5 v 电压，采用1 2 位a d 转 换器，则其最小分辨率为5 0 0 0 m v 2 ”= 5 0 0 0 4 0 9 6 。l m v 量化误差 是由于有限字长对模拟量进行量化引起的误差，理论上为一个单 位分辨率的士l l s b ，提高分辨率可以减少误差。 转换精度。a d 转换器的转换精度定义为一个实际a d 转 换器在量化上的差值可用绝对误差或相对误差表示。 3 3 3t 髂3 2 0 l f 2 4 0 7 模数转换模块删的特性 带内置采样保持的1 0 位模数转换模块a d c 。 多达1 6 个模拟输入通道。 自动排序能力。 两个独立的最多可选择8 个模拟转换通道的排序器。 可单独访问的1 6 个结果寄存器用来存储转换结果。 多个触发器可以启动a d 转换。 灵活的中断控制允许在一个或隔一个序列的结束时产生中 断请求。 采样保持获取时间窗口有单独的预定标控制。 内置校验模式。 内置自狈4 试模式。 3 3 4 倍号调理电路 在对模拟量进行量化时，由于a d 转换器的转换过程需要一 北京交通大学硕士学位论文 定的时间，因此必须保证在 d 转换器转换过程中的被转换信号 保持不变，否则会影响转换精度，特别是当信号变化速度较快时 更是如此。在工业现场，往往存在较强电磁干扰，这些干扰信号 可能经传感器或传输线进入数据采集通道，使采集到的信号中包 括多种频率成分的噪声。严重情况下，这些噪声信号会淹没待提 取的输入信号，造成系统无法正常采集。这样，必须采取信号滤 波技术，将不需要的杂散信号抑制掉，提高信号采集系统的信噪 比。 在对进入a d 转换处理的信号进行预处理中，多路信号切换、 采样保持和信号滤波技术是 d 前不可缺少的环节。a d 转换器 中自带了多路信号的切换技术，采用了模拟多路开关的方式。因 此需要添加a d 转换前的调理电路。 由于本系统中需要对电压、电流共八路信号进行检测，下面 介绍a d 调理电路构成。 t - h 图3 3 交流信号的 d 调理电路 f i g i i r e3 - 3 dc d i l i 衄i n gc i r c u i to f a cs i 驴a l 图3 3 为交流电压、电流信号的调理电路。a d 调理电路中 北京交通大学硕士学位论文 运算放大器为l m 2 5 8 ，l m 2 5 8 由两个独立的、高增益的、含内在频 率补偿的运算放大器，采用双电源供电。由图中看出，l m 2 5 8 有 正负两个输入信号，这样可以消除共模信号。同时，因为f 2 4 0 7 的a d 转换器要求的输入信号的范围为0 v 3 3 v 。器件b a t 5 4 s 主 要作用是将电压钳制在o v 3 3 v 内，起到保护作用。 3 4 晶闸管驱动电路 双向晶闸管t r i a c 的驱动电路主要是通过d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 传输的信号来实现对双向晶闸管的开关的控制。这就涉及到d s p 应用系统的功率接口技术问题在这里，我们采用光电耦合器驱动 接口技术。 3 4 1 光电耦台器驱动接口 光电耦台器是把发光器件和光敏器件组装在一起，通过光线 实现耦合，构成电一光一电的转换器件。将电信号送入输入端的 发光器件时，发光器件将电信号转换成光信号，光信号经光接收 器接收，并将其还原成电信号。由于输出与输入之间没有直接的 电气联系，信号传输是通过光耦合的，所以也称为光电隔离器。 光电耦合器的结构及特点 光电耦合器由发光源和受光器两部分组成，并封闭在不透明 的管壳内由绝缘的透明树脂隔开，发光源引出的管脚为输入端， 受光器引出的管脚为输出端。光电耦合器的封装形式有管形，双 列直插式和光导纤维连接等形式。光电藕合器的发光源常用砷化 钾红外发光二极管，受光器常用光电三极管、光敏晶闸管和光敏 北京交通大学硕士学位论文 集成电路等。 光电藕合器具有如下特点： ( 1 ) 光电耦合器的信号传递采取电一光一电的形式，发光部 分和受光部分不接触，因此具有很高的绝缘电阻，可以达到1 0 的1 0 次方欧姆以上。并能承受2 0 0 0 伏以上的高压，因而被耦合 的两个部分可以自成系统，也不需要“共地”。绝缘和隔离性都很 好。能够避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰。 ( 2 ) 光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很 小，对系统内外的噪音干扰信号形成低阻抗旁路，所以具有很强 的抑制噪音干扰能力。 ( 3 ) 光电耦合器作为开关应用时，具有耐用、可靠性高和速 度快等优点，响应时间一般为以内，高速型光电耦合器的响应 时问有的甚至小于1 0 n s 。 光电耦合器的用途很多，如作为高压开关，信号隔离转换， 脉冲系统问的电平匹配以及各种逻辑电路等。 晶闸管输出型光电耦合器驱动接口 光电耦合器驱动接口结构：常用的光电耦合器有晶体管输出 型和晶闸管输出型。在这里我们采用的是晶闸管输出型。 晶闸管输出型光电耦合器的输出端是光敏晶闸管或光敏双向 晶闸管。当光电耦合器的输入端有一定的电流流入时，晶闸管导 通。有的光电耦合器的输出端还配有过零检测电路，用于控制晶 闸管过零触发，以减少用电器在接通电源时对电网的影响。 3 4 2 光电藕合嚣啪c 4 1 m o c 3 0 4 1 带有双向晶闸管输出，可以用在逻辑系统的接口， 通过它连接到1 1 5 v a c 功率器件上。例如工业控制、发电机、床板 北京交通大学硕士学位论文 等消耗大功率的器件上。 m o c 3 0 4 1 主要特性： 简单逻辑控制1 1 5 v a c 的功率 过零触发电路 d v d t2 0 0 0 v “s 典型值 l o o o v 正常工作保证值 j i l o c 3 0 4 l 是常用的双向晶闸管输出的光电耦合器，带过零触发电 路，输入端的控制电流为1 5 i i l a ，输出的额定电压为4 0 0 v ，最大重 复浪涌电流为1 a ，输入输出端隔离电压为7 5 0 0 v 。m 0 c 3 0 4 l 的5 脚是器件的衬底引出端，使用时不需要连线。 3 4 3 双向晶嗣管tr i c 的触发电路 双向晶闸管一般用作过零开关，故应考虑电源过零的情况 典型的双向晶闸管的触发电路如图3 4 ，t r i a c 是功率双向晶 闸管，l 是负载。当d s p f 2 4 0 7 控制输入低电平时，m 0 c 3 0 4 1 中的 发光二极管发光，由于过零电路的同步作用，内部的双向晶闸管 在过零后马上导通。从而使双向晶闸管t r i a c 导通，在负载l 中 有电流流过。当d s p f 2 如7 控制输入高电平时，m o c 3 0 4 l 中的发光 二极管不发光，内部双向晶闸管不导通，所以，功率双向晶闸管 t r ，截止，负载l 中没有电流流过。 图3 4 晶闸管驱动电路原理图 f i g i i r e3 - 4d r i v ec 沁u j ts k e t c ho f t r m c 北京交通大学硕士学位论文 3 4 ，4 双向昌闸管t r i a c 双向晶闸管和单向晶闸管的区别是：第一，它在触发之后是 双向导通的；第二，在门极中所加的触发信号不管是正的还是负 的都可以使双向晶闸管导通。双向晶闸管可看作由两个单闯晶闸 管反向并联组成。 双向晶闸管的内部结构原理：双向晶闸管是从n 型硅单晶片 的两侧扩散p 型材料，形成p n p 结构：然后分别在两个p 型材料上 再形成n 型材料，从而形成五层三端特殊的n p n p n 结构。由于双 向晶闸管是双向导通的，故它的电极不能称阴、阳极。为了区别 双向晶闸管的两个电极，一般把和门极g 接近的电极称电极l ， 它也是参考电极：另一个电极称电极2 。电极1 用m t l 表示，电极 2 用舰2 表示。 双向晶闸管在触发之后，主电路的电流可双向流过：而在控制 触发方面，双向晶闸管也具双向性，故双向晶闸管在触发时有四 种触发方式： 第一象限触发：m t 2 + ，g + 。这时对于参考电极m t l 而言，电极 m t 2 的电压为正：门极g 的触发电流为正。 第二象限触发：m t 2 + ，g 一。这时电极m t 2 的电压为正：门极 g 触发电流为负。 第三象限触发：m t 2 一，g 一。这时电极m t 2 的电压为负：门极 g 触发电流为负。 第四象限触发：m t 2 一，g 十。这时电极m t 2 的电压为负：门极g 触发电流为正。 绝大多数双向晶闸管的最高触发灵敏度在第、三象限。触 发灵敏度较差的是第二象限。最差的是第四象限，所以，一般不 京交通大学颀士学位渔文 采用第四象限的触发方式。 双向晶闸管是双向导通的，它从一个方向过零进入反向阻断 状态只是一个十分短暂的时间，一般只是用于6 0 h z 或频率小于 6 0 h z 的正弦电压电源中。当t r i a c 使用时，通常将触发信号加在 g 上，当g 无信号时，m t l 和m t 2 间呈高阻状态，t r i a c 截止。当 负载是感性的时候，由于电流和电压间有一定的相位差，电流的 滞后性，有可能会使电压在过零的时电流仍然存在而导致双向晶 闸管失控。为了使它能够正确工作，应抑制双向晶闸管中的电压 上升率d v d t ，即在双向晶闸管两个主极m t l ，m t 2 之问加上r c 回路。 在无源无功补偿器的主电路中，要求双向晶闸管具有阻断电 压通态电流对称性好、门极触发特性一致及换向能力强等特性。 根据系统的要求，双向晶闸管的参数指标要求为：通态平均电流 i f 3 0 0 a 一5 0 0 a ，通态峰值电压v t m 低，足够高断态反向重复峰值 电压v d r m ( 4 0 0 v 以上) ，适合的门极触发电流i g t 及门极触发电 压v g t ，一定的断态电压临界上升率d v d t ( 2 0 0 0 v u s 以内) ，电 路换向关断时间t g ，适合系统的工作结温t j 范围( 一般是一4 0 一+ 1 2 5 ) 。 根据控制电路中的光电耦合器m 0 c 3 0 4 1 的驱动能力，双向晶 厨管选用了k s 型双向晶闸管系列：v t m 小于2 ，6 v ，v d r m 在 1 0 0 v 2 0 0 0 v 范围内，i g t 在1 5 2 0 0 i i l a 范围，v g t 小于3 5 v ，d v d t 在5 0 1 0 0 0 v u s 内，t 卜4 0 一+ 1 2 5 。以上的参数都符合系统要 求。 3 4 5 畸p 控制驱动双向昌闸管 本系统采用d s p 控制器通过串行外设接口s p i 和移位寄存器 2 9 北京交通大学硕士学位论文 m c 4 0 9 4 以及信号放大器1 4 1 3 将开关信号发送给双向晶闸管驱动 电路，控制双向晶闸管的开通和关断。 s p i 是一个高速、同步串行i 0 口，它允许长度可编程的串 行位流( 1 1 6 位 以可编程的位传输速度移入或移出器件。通 常s p i 用于d s p 处理器和外部外设以及其它处理器之间的通信。 在本系统中就是通过移位寄存器控制外部外设。d s p 处理器工作 在主动方式之下。s p i 模块包括四个管脚：s p i 从动输出主动输 入管脚s p i s o m i ；s p i 从动输入主动输出管脚s p i s i m 0 ：s p i 从动 发送势能管脚s p i s t e ；s p i 串行时钟s p i c l k 。在主动模式下，串 行外设接口在s p i c l k 引脚上提供整个串行通信网络的串行时钟。 数据从s p i s i m o 引脚输出并在s p i s o m i 引脚输入。当写到s p i d a t 或s p i t x b u f 寄存器数据时就启动了s p i s i m 0 引脚上的数据发送， 先发最高位。同时，接到的数据通过s p i s o m i 引脚移入s p i d a t 的最低位。当选定的数据的位发送完时，整个数据发送完毕。首 先将接收到的数据传送到s p i r x b u f 寄存器，并进行右对齐供c p u 读取。在本系统中，d s p 只发送数据，并不接收数据，是单向通 信。其接口电路示意图如图3 _ 5 所示。 图3 5f 2 4 0 7 与4 0 9 4 接口示意图 f i 磬i r e3 5i n t e 出c cs k e i c ho f f 2 4 0 7 d4 0 9 4 北京交通大学硕士学位论文 本控制系统设置了8 路双向晶闸管驱动通道，s p i 输出的是 串行数据流，所以要经过一个移位寄存器，变成并行数据，然后 经过信号放大电路，控制双向晶闸管驱动电路。本控制系统选择 m c l 4 0 9 4 b 芯片作为移位寄存器，选择m c l 4 1 3 作为完成信号发大 功能的芯片。 3 5 外部存储电路 由于本系统有一些事先设置好的固定值需要存储用于比较等 之用，所以需要在d s p f 2 4 0 7 外部扩展存储器来存储这些固定的 值。本文选用2 4 c 1 6 作为外部存储器芯片。 近年来，芯片间的串行数据传输技术被大量采用，串行扩展 接口和串行扩展总线的设置大大简化了系统的结构。由于串行总 线的连线很少，总线的结构比较简单，不需要专用的插座而直接 用导线连接各种芯片即可。因此，采用串行总线可以使系统硬件 设计简化、系统的体积减小、可靠性提高，同时，系统的更改和 扩充极为容易。i 就是串行总线的一种。 1 2 c 总线是p h i l i p s 公司推出的一种高性能芯片间串行总线， 它仅用两根连线实现了完善的全双工同步数据传送，可以极方便 地构成多级系统和外围期间扩展系统。i 总线采用了器件地址的 硬件设置法，通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址的弊端， 从而使硬件系统具有更简单、更灵活的扩展方法。 i2 c 总线进行数据传输时只需要两根信号线，一根是双向的数 据线s d a ，另一根是时钟线s c l 。所有连接到i2 c 总线上的设备， 北京交通大学硕士学位论文 其串行数据都连接到总线的s d a 线上，而各设备的时钟均接到总 线的s c l 线上。 1 2 c 总线是一个多主机总线，即一个i 总线可以有一个或多 个主机，总线运行由主机控制。这里所说的主机是指其启动数据 的传送( 发送起始信号) ，发出时钟信号，传送结束时发出终止信 号的设备。通常，主机由各种单片机或其他微处理器担当。被主 机寻访的设备叫从机，它可以是各种单片机或其他微处理器，也 可以是其它器件，如存储器、l e d 或l c d 驱动器、a d 或d a 转换 器、时钟日历器件等。 2 4 c 1 6 是1 6 k i2 c 系列e 2 p r 伽。它具有8 管脚标准s o i c 封装， 可以连接8 位活着1 6 位数据总线，通过两条线与上位机进行通信， 它的特点如下： 4 5 5 5 v 单独电源供电； 运用低功耗c m o s 技术设计 分为8 个数据块，每个数据块大小为2 5 6 b ； 2 线接口总线，1 2 c 通信协议； 能够适应1 0 0 k h z 频率； 页面写入时间为2 m s ； 可以当作串行写入r 删； 适应温度范围广阔。 本系统通过1 2 c 通信总线将d s p f 2 4 0 7 控制器与2 4 c 1 6 相连。 在系统初始化的时候或者在系统上电之前，将要储存的定值写入 2 4 c 1 6 ，然后在系统工作的时候，关闭写入通道，不再改写其中内 容，2 4 0 7 只对其进行读操作。其硬件接口电路如图3 6 所示。 j 京交通大学礤士学位泣文 f 2 4 0 7 2 4 c 1 6 c l k 盘w p e a l 皤s c l。 c a 学s d a 图3 6f 2 4 0 7 与2 4 c 1 6 接口示意图 f j g u 陀3 6i n t e r f a c es k c l c ho f2 4 0 7 盐d2 4 c 1 6 3 6 日历时钟电路 本系统采用的日历时钟芯片是r x 8 0 2 5 ，该芯片是e p s o n 公司 推出的一款工业级的内含1 2 c 总线接口功能的具有极低功耗的多 功能时钟日历芯片。具有多种报警功能、定时器功能、时钟输出 功能以及中断输出功能，能完成各种复杂的定时服务，甚至可为 单片机提供看门狗功能。内部时钟电路、内部振荡电路以及j 2 c 总 线通讯方式，不但使外围电路及其简洁，而且也增加了芯片的可 靠性。图3 7 为r x 8 0 2 5 的结构图。 蹦8 0 2 5 的主要性能如下 内置高精确度的3 2 7 6 8 k h z 的石英振荡器 支持1 2 c 总线通讯模式( 4 0 0 k h z ) 2 4 或1 2 小时模式，自动累加蓟2 0 9 年 r a m 数据保持电源电压范围1 1 5 v 5 5 v 北京交通大学硕士学位论文 低电流损耗：0 4 8 m 3 0 v ( t y p ) 宽的工作电压范围1 7 v 5 5 v 图3 7r x 8 0 2 5 的内部结构框图 f i g l i r e3 - 7i n t e m “s 咖c i u 陀d i a g r a m0 fr x 8 0 2 5 r x 8 0 2 5 运行的核心部分为计数器，计数器可由控制状态寄存 器来设置3 2 7 6 8 k h z 时钟方式或事件计数器方式。通过1 2 c 总线 的主器件对控制状态寄存器进行读、写实现对它的控制。在日历 时钟方式下，百分之一秒、秒、分、时、日、月、年和星期都是 以b c d 码存放。r x 8 0 2 5 主要通过引脚s c l 、s d a 和i n t 与f 2 4 0 7 的i o 引脚相接完成数据传输。 3 7 复位晶振电路 f 2 4 0 7 有两个复位源：一个外部复位引脚复位和一个程序监 视定时器复位。 复位引脚为一个i o 脚，如果内部复位事件( 程序监视定时 北京交通大学硕士学位论文 器复位) 发生，则该引脚设置为输出方式，并且被驱动为低，向 外部电路表明f 2 4 0 7 器件正在自己复位。 外部复位电路如图3 8 所示。r s t 端接到f 2 4 0 7 的外部复位 引脚上，通过按键来控制系统的复位。 外部复位引脚和程序监视定时器复位相或后一起驱动c p u 的 复位信号。 5 】a ，i p 7 0 6 s v c c胀 r s t w iw o p f l g n dp o 图3 8f 2 4 0 7 的复位电路框图 f i g i l t e3 8r e s e tc i ”u i ts k e i c ho ff 2 4 0 7 北京交通太学硕士学位论文 第四章谐波分析算法及无源无功补偿投切控制 4 1 谐波分析基础 谐波分析的基础是傅里叶分析，傅里叶分析的实质是把信号 看成是系列加权的基本信号的线性组合，用对这些基本信号的 分析，叠加起来代替对原来信号的分析。对于连续周期函数，基 本信号就是对各频率对基频成整数倍的正弦( 包括余弦) 函数， 这种线性组合就是傅里叶级数，其权函数就是傅里叶系数。 4 1 1 傅里叶级数的三角函数形式 周期电流、电压、信号等都可以用一个周期函数来表示，即： ，( f ) 掌，( f + 七r ) ( 4 1 ) 式中r 为周期函数的周期，且七= o ，1 ，2 ，3 ，。 如果给定的函数是周期的同时又满足所谓狄里赫利条件，那 么它就可以展开成一个收敛级数。电工技术中所遇到的周期函数， 通常都能满足这个条件瑚。按上述，o ) 可展开成 ，( f ) l口o + 0 1 c o s 甜+ 6 1s i l l 耐) + ( 口2 c o s 2 甜+ 6 2s i n 2 甜) + + 0 tc o s 七垃譬+ 6 量s i n 七n 矿) + 口。+ 荟和tc o s “+ 钆s 协耐) 4 2 式4 2 还可以合并成另一种形式： 北京交通大学硕士学位论文 ，( f ) = 爿o + 4 。c o s ( 甜+ 竹) + 一2 。c o s ( 2 耐+ 妒2 ) + + 4 “c o s 耐+ 张) + 凡+ 荟如c o s 他耐+ 钆) 4 3 以上的无穷三角级数成为傅里叶级数，式( 4 3 ) 的第项a 称为周期函数，o ) 的恒定分量( 或直流分量) ；而第二项 爿。c o s ( 甜+ 他) 称为一次谐波( 或基波分量) ，其周期或频率与周 期盥蕺嗣剧朋褶尉；兵他吾坝称为两次馐i 厦，剐z 次，3 次，4 次，谐波。这样把一个周期函数展开或分解为具有一系列谐波 的傅里叶技术称为谐波分析。 式( 4 2 ) 中的系数，可按下列公式计算 ”瓤，( f 矽= 箍m 出 n t 一；蠹f 雠k 删t 2 三f 4m c 。s t 删( 耐) = 三r ，c d s 七r 树( 耐) 耳j 一 耜，( f ) s i 七础 2 了，( f ) s i n t 删( “) = 三r ，o ) s i n t n 砸) 女= 1 ，2 3 ， ( 4 4 ) 兀j 一3 北京交通大学硕士学位论文 爿。暑口。 钆，小：+ 砰 8 一月hc o s 吼 以一一4 hs j n 钆 留钆；尘 由以上的讨论可见，一个周期函数可以展开成傅里叶级数， 如式( 4 2 ) 和( 4 3 ) 的形式，称为傅里叶级数的三角函数形式。 4 1 2 傅里叶级数的指数形式 傅里叶级数可以用指数形式来表示，通常写为。1 ： ，( f ) = 只p 胁 ( 4 5 ) 其中当 z 0 时，f o = ；对 一o ，有 e 。三( 8 一一弦t ) 。手j j ，9 ) e 一加“出 ( 4 6 ) ，- 一丢 。+ 扣。) 一季厂( f 弦曲“出 傅里叶级数指数形式的实质是将每一个正弦函数分解为t 角频率的两个指数项。 4 1 3 快速傅里叶变换( f f t ) f f t 的得以实现是利用了指数函数矸僧的周期性与对称性，在 计算z 伪) 2 荟。僻y 付时可以分组计算而避免冗余计算。 具有个样点的d f t ( 离散傅里叶变换) ，可以根据七的奇、 偶，分为两组来取和。当为偶数时，有 j ! 室窒望查堂堡主兰些堡奎一 硼) 一薹x 体孵= 薯x 孵+ 薹雄孵硼) 5 篆畔2 荟x 孵+ 善雄孵 苎一l苎一l 。墓啦孵“+ 蔫坤r + 孵帅 5 篆埠r ) 孵) “+ 噼薹埠r + 删) “ 笪一】 曼一1 5 墓尥氍+ 孵荟m h 嚼 7 ) h 2 “ 式中利用了孵。e 4 育= e 1 而= ，_ l = o 工2 ，一1 t 将此 i 式写成为 兰1苎一1 硼) 。蔫尥氍+ 眩薹舻+ 嚷利盼聪荆8 ( 4 9 ) 是两个d f t ，具有采样点数各为n ，2 个。令，2 2 p ，由于 蛾+ 譬：卅，故在x o ) 中有 x 伪+ p ) t 爿q + p ) + 科+ ，b o + p ) 一4 伪) 一孵口) ( 4 1 0 ) f f t 的过程也可概括为一个迭代过程，每一个j ( _ 1 ) 值是由样 本值与n ( a 为信号流程系数) 的乘积求和而得，由于矽具有周 帅墨： 哩： 哪 暇一 圳 g 仁 弋盎知弩幺 昔 亭 酣， 妊， a b 北京交通大学硬士学位论文 期性，在相加个项时可将相同的作为公因子提出( 是多层次 的公因子) ，因而做到先相加( 减) 再相承，从而使运算次数减少。 可以证明，这种迭代结果使得码位反转。 另一种常用的f f t 的思路是将各采样点不是按偶奇而是按 前后分开。前p 个样点为一组，后p 个样点为一组，再利用的 周期性简化运算。这种方法称为频域分解法。其运算工作量与时 域分解法等价。这两种方法中运算的基本结构都具规律性、重复 性，因此都易于编制软件及硬件实现。 4 2 谐波与无功功率的检测 经过认真分析研究，在本系统中采用一种崭新的算法，称之 为实时傅里叶算法克服了实时性差的缺点，计算效果良好。 实时傅里叶变换能够同时将无功电流和谐波电流都算出来， 算法简单，易于软件实现，所以，本文采用实时傅里叶变换对采 样所得的数据进行计算。在本文中只考虑三相对称的情况，三相 不对称的情况有待以后做迸一步讨论。 在三相对称电路中，三相的功率因数都一样，与单项的功率 因数相等。所以，这里我们只讨论单项的情形即可。 对于非正弦电路来说，设电源电压叱( f ) 和负载电流( f ) 分别 为： ，( f ) 。善凰s i 砸“+ 戎) ( 4 1 1 ) 北京交通大学硕士学位论文 t ( f ) 。善皿s i n 耐+ 屯一败) ( 4 1 2 ) 基波电流和各次谐波电流都可以写成与相应电压同相与垂直 的部分。即 f ，( f ) 。薹扫n 【( o o s s i n o 耐+ 戎) 一s i n c o s 。耐+ 丸) 】 ( 4 1 9 ) 若定义见一u ，s i n ，则 g o ) = 幺s i n 2 “ 这就是基波瞬时无功功率。 ( 4 一1 3 ) 设某一采样点的电流为2 善2 7 一c o s 。耐一以) 其中日一为n 次谐波电流的初相角。则 s i n o 耐) = 2 ， s i n o 耐) c o s o 甜一以) ( 4 1 4 ) 将式4 2 1 在一个周期内进行积分有 n s i n ( n 埘矽似) ；而。f 扣( 蚪耐灿( n 甜一以矽( 酬4 - 2 2 ) 根据三角函数日q 正趸性，式4 2 2 司得 f s i n o 甜v ( “) = 而。玎s i n 以 ( 4 1 5 ) 同理可得 j f 8 c o s o 耐m o “) 一而c o s 以 ( 4 1 6 ) ( 扫。疗s j 吃) 2 + ( 届。玎c o s 吒) 2 = 2 ，：石2 ( 4 1 7 ) 根据一个周期内的采样点的值求和，即可得出n 次谐波电流的幅 北京交通丈学硕士学位论文 值。再将幅值代入式4 2 2 或4 2 3 根据反正弦函数的公式即可得 n 次谐波电流的初相角，这样就可求出各次谐波电流了。 设电源电压= 彬。c o s o “一九) ，根据上述过程同样可以 求出电源电压的幅值和初相角。本文只考虑基波无功功率，所以 有 q l = u 1 ，1s i n 仍m2 u 】s i n ( 咖一q ) ( 4 1 8 ) 则基波瞬时无功功率为 口1 ( f ) 一q ls i n 2 雠= 2 u 1 j ls i n ( 凼一吼) s i n 2 n t ( 4 1 9 ) 式4 一1 9 即为本文所求得的基波瞬时无功功率。至此。各次谐 波电流和基波无功功率都求出来了。其具体计算过程由另一部分 控制器实现，这里只给出算法公式，计算过程略去不作讨论。 4 3 电容器投切控制 在工厂供电系统中，静电电容器的布置方式常见韵是设置在 高压侧的集中补偿和低压侧的分散补偿。 对于低压侧的分散补偿，就补偿效益而言，最佳布置就是将 静电电容器设置在负载末端。这样可以最大限度地减少扶系统中 输送的无功功率，减少整个线路有功功率损耗。因此，在低压侧 进行分散补偿最好就是将景点电容器设置在负载末端就地补偿。 如配电箱处或与负载设备牌套使用。 本装置的补偿电容器就设置成三组，一组容量为lo o k v a ，另 外两组都分别为