基于MSP430的动态无功补偿控制器研究.doc

基于MSP430的动态无功补偿控制器研究 声 明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：墨垄眨 2012年弓月21日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：歪壅匹 1日 刎年多月2 硕士学位论文 基于MSP430的动态无功补偿控制器的研究 摘 要 随着科学技术的发展，越来越多的电子产品应运而生，人们对电能源越来越依赖。 电能源需求量越来越大，而地球上的能源却是有限的，节能己成为一个全球性话题。 电力是我国的主要二次能源，在电力系统中，大量感性用电设备的使用使得电网的无 功功率损耗严重，浪费大量的电能源，如何进行无功补偿，提高功率因素成为整个电 力行业首先需要解决的问题。通过市场调研，发现现有无功补偿控制器存在价格过高、 精度不高、使用寿命短的现象，大大影响其普及使用。在这一背景下，本文基于低成 本、高精度的理念设计了一套动态无功补偿控制器，这一装置的研发将有助于无功补 偿控制器的大范围使用，大大降低电能损耗。 本文设计的动态无功补偿控制器采用的核心部件是MSP430FG4618，围绕它设计 了各个与之配套的功能模块，包括电网参数测量模块、投切模块、通讯模块等，设计 出完备的电路原理图和功能流程图，完成了各个功能模块的软、硬件设计和功能实现。 最后，对整套系统进行了在线调试及结果分析，结果分析表明系统运行稳定，测量精 度满足设计要求。 基于低成本、高功效的设计目标，本文在现有技术的基础上，在诸多方面进行了 改进。本文采用的是软、硬件协同设计，降低成本重点放在软件设计上，尤其是在控 制策略的制定和算法的选择上。在控制策略的制定上，在传统的九分区基础上增加 U和Q的设定，另外，本文提出通过谐波计算，设定电压、电流畸变率门限值， 预先分级投切电容器，解决了其它无功补偿控制器由于忽略负荷峰谷特性和谐波造成 设备使用寿命降低的问题。 为了提高测量精度，确保控制的准确性，在算法上，本文提出采用实序列的FFT 算法，通过Timer A跟踪捕获周期，并通过软件设计计算、补偿相位差。通过这样 的设计，系统可以在一个周期内完成采集、计算、控制功能，反应速度和测量、控制 精度都得到大大提高。通过现场实验，测量数据结果表明本动态无功补偿控制器软、 硬件设计合理，控制器工作稳定，测量精度高，达到预定的设计目标。 关键词：无功补偿 控制策略 FFT算法低成本，高功效 硕士学位论文 摘要 硕士学位论文 基-于MSP430的动态无功补偿控制器的研究 Abstract Withthe of and more comeinto developmenttechnology,more products being， onelectric demandforelectricalis peopleincreasinglyrely energyThe energyincreasing， butthe onearthis conservationhasbecomea energy is limited，energy global topicPower Chinas the useofa numberof secondary major energy,inpowersystem，the large nonlinearloadreactive loadsmake wastesalotof power large-scalefluctuations，it electrical reactive and the factorhave energy,compensatingpowerimproving power becomethefirstiSSUCtoberesolvedoftheentire market powerindustryThrough existedreactive haveadefectthat aretoo researching，the powercompensations they cannotmeet the andtheirusefultimeis expensive，their accuracy requirements short,what theiruniversal useInthis has a greatlyaffecting context,this paperdesigneddynamic reactive controllerbased the of and low-cost powercompensation by concept devicewill theuniversaluse ofthereactive highprecision，thishelpdevelop power the loss compensationcontroller,greatlyreducingpower Thecore ofthe reactive controlleris component dynamic compensation MSP430FG461 itvarious havebe network 8，around ancillary parts designed，including measurement parameter part，switchingpart，communicationpart，etc。Thispaperdesigns detailedcircuit andflow finishesthe andrealization diagram chart，and ofhardware design and the online andresults softwareFinally,thepapercompletessystem debugging resultsshowthatthe is measurement analysis，the system well，the operating accuracy meetsthe designrequirements Forthe of low?costand makes design goal high-precision，thispaper improvements tOtheexisted the ofsoftware and technologyThispaperadoptsCOdesign hardware， focusonsoftware ontheformulationof control and reducing design，especially strategy AU choiceIntheformulationof addsthe of and algorithm strategies，thispaper setting AQ onthebasisoftraditionalninedistrictIn hannoIlic caJculationtllis addition，through sets and currentdistortion the paper voltage threshold，pre?hierarchical switching the of the useful timeearlierreactive capacitors，solvingproblemreducingequipments by of and harmonicload powercompensationcontrollersneglectproperties peak Inorderto the measurementandensurethe ofcontrol，in improve accuracy accuracy the usesa FFT uses trackand algorithm，thispaper to real-sequencealgorithm，it TimerA and calculatesand the software this capturecycle compensatesphaseby designThrough III Abstract 硕士学位论文 call data inone design,thesystemcomplete cycle， reaction andcontrol have speed、measurememaccuracybeen班atlyenhancedThrough field resultsshowthatthe ofthehardware is andsoftware experiments，the design is meetsthe reasonable，itsperformancestable，it expecteddesignrequirements words：ReactivePower Control FFTLow-cost Strategy Key Compensation And MSP430FG4618 Highprecision IV 基于MSP430的动态无功补偿控制器的研究 录 I 。V ”l 一1 偿方式”2 ”2 “3 13国内外无功补偿控制器研究现状一3 14本文的研究背景4 15本文研究的主要内容”5 2动态无功补偿控制器的总体设计6 21动态无功补偿控制器的整体功能结构?6 22动态无功补偿控制器的整体功能流程图9 2-3动态无功补偿控制器的系统性能指标10 24结论10 3动态无功补偿控制器的理论分析12 31电参量分析研究12 32谐波计算理论分析l3 33实序列FFT算法研究14 34结 仑16 4动态无功补偿控制器控制策略及硬件电路、软件设计17 7 41动态无功补偿控制器控制策略1 42动态无功补偿控制器硬件电路设计19 421电网参数测量模块的电路设计”20 422输出驱动模块的电路设计?22 423投切模块的电路设计“24 424键盘模块的电路设计24 425通讯模块的电路设计”24 426数据存储模块的电路设计?26 427辅助模块的电路设计26 V 目录 硕士学位论文 43动态无功补偿控制器软件设计29 431信号测量模块的软件设计29 432电网参数计算模块的软件设计”30 433电容器的控制投切模块的软件设计“30 434键盘和LCD显示模块的软件设计?32 435通讯模块的软件设计?33 436数据存储模块的软件设计?35 44结论35 5系动态无功补偿控制器的价格优势分析和性能测试36 51动态无功补偿控制器的价格优势分析36 51动态无功补偿控制器的性能测试37 53结论37 6结论与展望38 61结论38 62本文的创新点”39 63展望39 致谢：40 参考文献”41 附录A动态无功补偿控制器电路原理图44 附录B动态无功补偿控制器实物图59 VI 硕士学位论文 基于MSP430的动态无功补偿控制器的研究 1绪论 11动态无功补偿控制器的研究意义 随着社会科技的不断发展，越来越多的电器类产品被运用到人们生活的方方面 面，一方面这的确给人们的生活带来很大的便捷，另一方面这也对电能产生了极大的 依赖。全世界每年消耗的电能数量是极其惊人的，能源问题越来越突出。面对可以利 用的资源越来越少的境况，解决能源问题主要有两条途径，一是不断探索新的能源， 以便可以替代现有的能源，二是节能，要尽一切可能提高有限能源的利用率，降低损 耗【l捌。研究动态无功补偿控制器正是基于节能的目的，动态无功补偿控制器的投产 使用能有效降低电能损耗，提高电能源的利用率。同时，动态无功补偿控制器还能稳 定供电电网，这也满足了各行各业日渐增长的对供电质量和供电可靠性的要求。 在电力系统中，交流电在通过容性或感性负载的时候，它没有消耗电能，只是 为负载的正常运行提供了有效的电磁场，并没有做功，这就是无功功率13，4J。无 功功率对公用电网有很大危害，会造成多方面的影响： 1 增加电力控制设备的容量，增加电网供电成本； 2 增加供电线路的综合损耗以及用电设备的电能损耗； 3 增大电网的电压降，影响电网系统电压质量。 在实际电网运行当中，有相当多的元器件会消耗无功功率，这其中包括大多数的 网络元件以及生活、工业负载中的阻感性负载，如异步电动机、电弧炉、轧钢机，以 及大多数的家用电器等，这些都是比较典型的阻感性负载。这些负载在正常运行的过 程中会额外产生较大的冲击性无功功率，这将会导致电网电压波动厉害。这些阻感性 设备是产生电网系统无功功率的主要来源，其产生的无功功率大大影响电力系统的供 电质量，同时也损耗了大量的电能，造成电能源的无谓损失【5】。 如果负载产生的无功功率不能有效、实时进行补偿，为满足用户对供电质量的要 求，电力系统就必须得增大供电线路和变压器的容量，这样不仅会增加系统供电投资、 降低供电设备的利用率以及增加线路损耗，还会降低电力系统的供电能力，恶化电网 的供电质量，其带来的损失将是巨大的，因而必须进行无功功率的补偿。无功功率补 偿控制器在电力供电系统是一个很重要的环节，其能够起到提高电网的功率因数、降 低电能损耗、提高供电效率、改善供电质量的作用，合理使用响应速度快、精度高的 无功补偿控制器可以大大降低电网无功损耗，改善电网用电环境16J。无功补偿控制器 拥有广阔的应用市场，无功补偿的研究具有很大的应用意义。 12低压配电网动态无功补偿的原理和补偿方式 硕士学位论文 1绪论 121无功补偿原理 在低压配电网系统中，系统的功率因素直接影响了电网系统的供电质量。在输送 电线路中感性负载会消耗其中一部分电能，这样会造成端电压降低、功率因素角增大， 因而其无功功率会增加，功率因素会降低，大大影响了供电质量m。为解决这一问题， 把具有容性负荷的装置与这些感性负载并联接在同一电路中，利用容性负载的充、放 电功能，将会有效补偿产生的无功功率。将感性负载等效成电阻尺和电感L串联，并 联电容补偿无功功率的电路如图11所示： R 图11并联电容补偿无功功率电路图 、R+义： 示，接入电容C之后，电路的电流方程为： ， ，c+，RL 11 无功补偿前后向量的变化情况如图12所示： L? ， _- -， 图12无功补偿前后向量图 由图12可以看出，9， 仍，并联容性负载后，电压【，和电流J之间的相位差变 小了，这会提高供电系统的功率因素。由此可以得出结论：将具有容性功率负荷的装 置与电网中的感性负载并联在同一电路中，电能会在容性和感性负载之间相互交换， 感性负载所需要的无功功率可以由与之并联的容性负载补偿，可以有效地提高系统的 功率因素，这就是无功补偿的基本原理【8】，而这类与感性负载并联的具有容性功率负 2 硕士学位论文 基于MSP430的动态无功补偿控制器的研究 荷的装置就是本文所研究的动态无功功率补偿器。 122无功功率补偿的方式 在电网运行当中，无功补偿控制器补偿方式多种多样，可以安装在各地的变电所 中，以补偿由于输送线路的综合损耗和网络元件的损耗所产生无功损耗，也可以安装 在用电设备比较集中的工厂车间或者各个生活小区等等，一般来说，按照并联电容器 安装位置的不同，无功补偿的方式一般有三种，每种补偿方式电容器组的安装位置与 补偿特点如表11所示： 表11无功功率补偿方式电容器组的安装位置及补偿特点 补偿方式 电容器组安装位置 补偿特点 用以提高整个变电所的功率因素，可 集中补偿 装设在总降压变电所的 以减少输送线路的综合损耗，同时也 高压母线上。 能改善该地区的用电环境。 分组补偿 装设在高功率设备比较 是最常用的一种补偿方式，它灵活性 集中的工厂车间或生活 强，补偿效果显著。 小区的配电所母线上。 就地补偿 独立装设在需进行无功 不仅可以提高电感性用电设备的功 补偿的电感性用电设备 率因素，节约电能，还能提高设备的 周围。 使用寿命。 在实际安装动态无功补偿控制器时，一般来说是以分组补偿为主，以降损为主要 目的，但具体选择哪种补偿方式则需要根据现场的情况来进行判断。在全面分析现场 用电状况以及用电设备的无功损耗后，需综合考虑这三种补偿方式的补偿特点，统一 规划，合理布局，做出最合理的无功补偿方式选择，这样才可取得最好的经济效益【91。 13国内外无功补偿控制器研究的发展及现状 上世纪30年代，同步调相机 SC 是电力系统无功功率补偿的主要装置，它可 以根据电机不同的工作状况产生大小不同的无功功率，但是它存在噪声大、维护难、 速度慢等缺点，随着科技的不断发展，在越来越多的情况下它不能满足进行快速、实 时无功功率补偿的要求，已无法满足用户的需求u。 70年代后，静止性无功补偿装置 SVC 渐渐取代了同步调相机，这一时期的 静止无功补偿装置主要是饱和电抗器 SR 型的，其与同步调相机相比，具有响应 速度快等优势，但其工作过程中的噪声和电能损耗都很大，且其工作性能也不能很好 地满足用户需要，随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的普遍应用，使用晶闸 管的静止无功补偿装置应运而生，由于其较其它同类产品具有优良的性能，因而自问 1绪论 硕士学位论文 世以来，就一直占住无功补偿市场的主导地位。使用晶闸管的静止无功补偿装置主要 包括晶闸管投切电容器 TSC 和晶闸管控制电抗器 TCR ，以及这两者的混合使 用装置 TCR+TSC 。 80年代以来，随着电力电子技术的进一步发展，以及大量电子产品的出现及集 成，一种性能更为优越的静止性无功补偿装置研发成功并投入使用，这就是静止无功 发生器 SVG ，它是一种采用自换向变流电路的静止无功补偿装置【ll】，其性能较之 前同类产品有很大提高。 我国对无功补偿控制器的研究较晚，80年代后才自主研发出自己的产品，和国 外无功补偿技术相比有较大的差距，但经过近年的研发及技术创新，这一差距正在渐 渐缩小。 综合对以上几种动态无功功率补偿控制器的各项性能进行比较，得到的比较结果 如表12所裂12】： 表12各种动态无功功率补偿控制器的性能比较 同步调 饱和电 晶闸管投 晶闸管控 混合型静止补 静止无功 相机 抗器 切电容器 制电抗器 偿器 发生器 TSC TCR TCR+TSC SVG SC SR 吸收无功 连续 连续 连续 连续 连续 分级 响应速度 较慢 较快 较快 较快 较快 快 谐波电流 无 大 无 大 大 小 控制 简单 不控 较简单 较简单 较简单 复杂 可以 可以 分相调节 有限 不可以 有限 可以 噪声 大 大 小 小 小 小 损耗 大 较大 小 适中 小 小 14本文的研究背景 通过对市场上动态无功补偿控制器使用情况的调研，发现各行各业对于动态无功 补偿控制器的需求量是很大的，但限于现有无功补偿控制器存在的一些缺陷，很多企 业都限制使用这类产品。通过仔细分析，总结出现有动态无功补偿控制器主要存在以 下几个问题： 1 测量精度不高。一般来说，动态无功补偿控制器的使用环境比较恶劣，受 到外界的影响很大，现有无功补偿控制器的抗干扰能力较差。另外，现有无功补偿控 制器对电网参数的测量以及无功功率、功率因素的计算方法都存在一些有待改进的地 方。这些因素的存在，大大降低了补偿控制器的测量精度，现有无功补偿控制器的测 量精度般都是05，难以满足企业降低电能损耗的要求，测量精度有提高的空间。 2 并联电容器损坏严重。由于控制策略选择不当等因素导致无功补偿控制器 4 硕士学位论文 基于MSP430的动态无功补偿控制器的研究 的控制做出错误的判断，从而导致电容器频繁的投切，这直接导致了电容器损坏严重， 降低设备使用寿命，造成了无谓的经济损失。 3 价格过高。一般来说，企业对这