动态无功补偿控制器的研究毕业论文

1、 动态无功补偿控制器的研究目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc294357116 摘要 PAGEREF _Toc294357116 h 1 HYPERLINK l _Toc294357117 摘要 PAGEREF _Toc294357117 h 2 HYPERLINK l _Toc294357118 第 1 章 引言 PAGEREF _Toc294357118 h 3 HYPERLINK l _Toc294357119 1.1无功补偿的意义 PAGEREF _Toc294357119 h 3 HYPERLINK l _Toc294357120 1.1.1无功功

2、率分布对电压有决定性影响 PAGEREF _Toc294357120 h 3 HYPERLINK l _Toc294357121 1.1.2线路3无功传输造成的损耗 PAGEREF _Toc294357121 h HYPERLINK l _Toc294357122 1.1.3负载无功功率对系统电压的影响 PAGEREF _Toc294357122 h 4 HYPERLINK l _Toc294357123 1.2无功补偿原理 PAGEREF _Toc294357123 h 4 HYPERLINK l _Toc294357124 1.3无功补偿装置发展现状 PAGEREF _Toc2943571

3、24 h 5 HYPERLINK l _Toc294357125 1.3.1无功补偿装置的发展 PAGEREF _Toc294357125 h 5 HYPERLINK l _Toc294357126 1.3.2电流无功补偿装置的分类 PAGEREF _Toc294357126 h 6 HYPERLINK l _Toc294357127 1.4低压无功补偿的改进 PAGEREF _Toc294357127 h 8 HYPERLINK l _Toc294357128 1.5无功补偿装置的选择 PAGEREF _Toc294357128 h 8 HYPERLINK l _Toc294357129 第

4、2章动态无功无功控制器硬件设计 PAGEREF _Toc294357129 h 10 HYPERLINK l _Toc294357130 2.1简介 PAGEREF _Toc294357130 h 10 HYPERLINK l _Toc294357131 2.2设计任务 PAGEREF _Toc294357131 h 10 HYPERLINK l _Toc294357132 2.3主电路设计 PAGEREF _Toc294357132 h 12 HYPERLINK l _Toc294357133 2.4主控芯片的选择 PAGEREF _Toc294357133 h 12 HYPERLINK l

5、 _Toc294357134 2.5模拟信号输入处理单元 PAGEREF _Toc294357134 h 14 HYPERLINK l _Toc294357135 2.6 LF2407DSP系统模块 PAGEREF _Toc294357135 h 17 HYPERLINK l _Toc294357136 2.7执行单元 PAGEREF _Toc294357136 h 20 HYPERLINK l _Toc294357137 2.8显示和通信电路设计 PAGEREF _Toc294357137 h 21 HYPERLINK l _Toc294357138 第三章 动态无功补偿控制器软件设计 PA

6、GEREF _Toc294357138 h 23 HYPERLINK l _Toc294357139 3.1主程序 PAGEREF _Toc294357139 h 23 HYPERLINK l _Toc294357140 3.2电容器投切原理 PAGEREF _Toc294357140 h 24 HYPERLINK l _Toc294357141 3.3中断程序 PAGEREF _Toc294357141 h 25 HYPERLINK l _Toc294357142 3.4串行实时时钟电路读写程序 PAGEREF _Toc294357142 h 26 HYPERLINK l _Toc29435

7、7143 第 4 章 总结与展望 PAGEREF _Toc294357143 h 28 HYPERLINK l _Toc294357144 至 PAGEREF _Toc294357144 h 29 HYPERLINK l _Toc294357145 参考文献 PAGEREF _Toc294357145 h 30 HYPERLINK l _Toc294357146 附录 PAGEREF _Toc294357146 h 31概括本文主要研究无功补偿对电网性能的改善、无功补偿装置的控制方法和原理、控制器的硬件设计。在系统硬件上，为了满足比传统单片机控制更高的运算速度和更好的实时性的特点，采用16位定

8、点DSPTMS320LF2407作为主控制器。系统软件采用晶闸管控制电容器的投切，全数字化控制，全中文液晶显示界面实时显示系统运行状态，全面实现快速、无弧、防震。电容器的自由开关。在开关原理上，与常见的功率因数控制方案相比，采用无功功率控制，避免轻载振荡。为实现该装置应具备的功能，本文设计并制作了较为完整的控制电路及其外围硬件电路。它们包括触发电路、采样电路、显示电路和通信电路。最后还介绍了电网谐波对补偿装置的影响，以及当电网谐波含量超标时装置采取的保护措施。关键词无功补偿 电力监测 数字信号处理器第一章介绍1.1 无功补偿的意义电压是衡量电能质量的重要指标。电压质量直接影响电网的稳定运行，降

9、低线损，保障工农业生产安全，提高产品质量，降低用电量。因此，必须监视和控制系统的每个节点，以将电压电平保持在正常范围内。电力系统各节点的无功平衡决定了该节点的电压水平。因为当今电力系统的用户中有大量无功变化频繁的设备，如：轧钢机、电弧炉、电气化铁路等；还有大量对系统电压稳定性要求较高的精密设备，如：计算机、医疗设备等。因此，迫切需要对系统的无功功率进行补偿。1.1.1 无功功率分布对电压有决定性影响在不考虑传输线对地电容的情况下，节点 i 到节点 j 的功率为 P+jQ，节点 i 和节点 j 的电压分别为和，节点 i 和 j 之间的支路阻抗为 R + jX .节点电压的关系为：(1-1)在超高

10、压电力系统中，线路电抗远大于线路电阻，因此上式可写为(1-2)电压也可以写成：(1-3)其中 是线路两端电压的相位角差。比较（1-2）和（1-3），我们可以得到：Q = (1-4)由式（1-4）可知，正常运行时输电线路两端电压的相角差较小，可以认为cos=1，因此线路中传输的无功功率大小为线路两端电压有效值之差。成比例的无功功率将从电压高的节点流向电压低的节点。节点电压有效值的变化也会改变流经线路的无功功率。因此，电网中节点电压的变化会引起无功潮流的变化。而且，从上式可以看出，如果通过输电线路从远处的电源向负载提供无功功率，则沿线各点的电压都会下降，甚至达不到质量要求。1.1.2 线路无功传输

11、造成的损耗无功功率传输引起的功率损耗为 = 1 。可以看出，无功功率通过电抗传输时产生的无功功率损耗有两部分。一部分是由于有功功率沿电抗传输（0），这是不可避免的。 ;另一部分是由于通过联络阻抗传输的无功功率（ ） 。可见，减少线路无功的传输可以降低线路的无功损耗。从有功功率损耗公式可以看出，当有功功率和无功功率通过网络电阻时，会引起有功功率损耗。当传输的有功功率恒定时，总的有功网络损耗主要取决于传输的无功功率的值2 。1.1.3 负载无功功率对系统电压的影响在额定电压附近，负载从系统吸收的无功功率随着电压的升高而增加，随着电压的下降而减小。连接到每个负载的电压会下降，从而减少系统吸收的无功功

12、率；当系统出现无功过剩而无功吸收能力不足时，系统电压一般会升高。如果使用发电机吸收无功功率，当吸收的无功功率超过其最大吸收能力时，可能会导致系统暂态不稳定3 。1.2 无功补偿原理配电网中的大部分负载都是感性负载，无论是工业负载还是民用负载。运行过程中，需要从电网吸收大量无功功率，导致电网功率因数和电能质量下降，电网“技术功率损耗”增加。在电网中安装并联电容补偿装置后，可以降低从电源通过输电线路传输到感性负载的无功功率。由于减少了无功在电网中的流动，可以减少由于无功在输电线路和变压器中传输而引起的功率损耗，从而提高电网的功率因数，降低线损，显着提高功率质量。电网中感性负载的等效电路可以看成是电

13、阻R和电感L串联的电路，功率因数cos=其中X = WL将R、L串联电路与电容C并联后，电路如图1-a所示，电路的电流方程为： = +a) （补偿电路） b) 相量图（欠补偿）c) 相量图（过补偿）图1-1 无功并联电容补偿电路及矢量图与电压的相位差变小，即提高了供电电路的功率因数。此时供电电流的相位滞后于电压，称为欠补偿；如果电容C的容量过大，则供电电流的相位超前于电压，称为过补偿，其矢量图如图1-c所示。 .这会导致变压器二次侧电压升高；电容器的温度会升高，电容器本身的功率损耗会增加，电容器的使用寿命会缩短；线路上传输的容性无功功率也会增加功率损耗。因此，应该避免这种情况。1.3 无功补偿

14、装置发展现状1.3.1 无功补偿装置的发展传统的无功补偿设备包括并联电容器、相位调节器和同步发电机等。图1-2显示了最简单的无功补偿。在图 1-2 中，M 代表需要滞后无功功率的用电设备，C 是无功功率补偿装置，用于向 M 提供无功功率。关闭时使 M 运行，M 从电网汲取有功和无功功率。为了降低电网中的无功功率水平，我们将M中的滞后电流与C中的超前电流闭合补偿，以完成无功功率补偿任务。由于C的补偿容量是固定的，不能随实际无功功率变化。因此，适用于无功功率变化不大的场合。图 1-2 最简单的无功补偿但在实际用电系统中，无功功率往往变化很大，图1-2所示的补偿装置显然不能满足要求。由于并联电容器的

15、阻抗固定，无法动态跟踪负载无功功率的变化。冷凝器、同步发电机等补偿设备属于旋转设备，其损耗和噪声都很大，不宜过大或过小。无功补偿。因此，这些设备越来越不适合电力系统发展的需要。1970年代以来，随着研究的进一步深入，出现了静态无功补偿技术（Static Var Compensation）。经过20多年的发展，这项技术经历了一个不断创新发展的过程。所谓静态无功补偿是指利用不同的静态投切电容器或电抗器，使其具有吸收和放出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，并抑制系统振荡4 。图 1-3 实用无功补偿装置在图1-3所示电路中，当无功功率发生变化时，控制器检测到变化，并根据变化控

16、制补偿电容器组的投切，从而达到根据实际需求进行补偿的目的。无功功率。无论是图1-2的电路还是图1-3的电路，电容器组的切换都是由开关（i=1,2,3,.,n）完成的。目前，这种静态开关主要分为断路器或电力电子开关两种。断路器开关受限于设备的固有特性。当控制器检测到无功功率变化，需要合闸或拆除补偿电容器组时，切换速度较慢，约为10-30ms，无法快速跟踪负载无功功率的变化。但目前投切电容往往会造成比较严重的冲击浪涌电流和动作过电压，所以在需要频繁投切时，不仅容易造成触点熔接，而且会使补偿电容击穿，应力大，维修量大。 .因此，以断路器为开关的静态无功补偿装置只适用于负载变化不大，即比较稳定的情况。

17、为了快速跟踪和补偿电网中的无功变化，在现代电力电子器件和数字控制技术的支持下，具有瞬时投切能力的动态无功补偿装置应运而生5 。1.3.2 现行无功补偿装置的分类随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，出现了交流无触点开关SCR、GTR、GTO等，作为开关开关速度可提高500倍（约10s），对于任何系统参数、无功补偿可在一个周期内完成，并可单向调整6 。今天所说的无功补偿装置一般是指使用晶闸管的无功补偿设备。主要有以下三种：一种是带饱和电抗器（SR：Saturated Reactor）的无功补偿装置；第二个是晶闸管。控制电抗器（TCR：Thyristor Control Reactor）；

18、第三种是晶闸管开关电容（TSC：Thyristor Switch Capacitor），后两种器件统称为SVC（Static Var Compensator） 7 。下面对三种无功补偿技术一一介绍。1. 带饱和电抗器的无功补偿装置（SR）饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器固有的稳压能力，利用铁芯的饱和特性来控制放出或吸收的无功量8 。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁芯的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进而控制无功电流的大小。由此类装置组成的无功补偿装置属于第一批补偿装置 9 。但由于该装置

19、中的可饱和电抗器成本高，约为一般电抗器的4倍，而且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁损较大，比并联电抗器大23倍。该装置有振动和噪声，调节时间长，动态补偿速度慢。由于这些缺点，目前全饱和电抗器的无功补偿器使用较少，一般只用于超高压输电线路。2.晶闸管控制的电抗器两个反并联晶闸管串联一个电抗器，单相示意图如图1-4所示。它的三相多接形成一个三角形，将这样的电路并入电网就相当于将交流稳压电路连接到感性负载上。该电路的有效移相范围为90-180 。当触发角=90时，吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳的关系，增大触发角可以增大补偿器的等效导纳，这会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发

20、角的大小该角度可以改变补偿器吸收的无功分量，从而调节无功功率。权力效应。图 1-4 TCR 型补偿器示意图 图 1-5 TSC 型补偿器示意图在工程实践中，降压变压器可以设计成漏抗较大的电抗变压器，电抗变压器由晶闸管控制，这样就不需要单独连接变压器，也可以加装断路器.电抗变压器的初级绕组直接连接到高压线上，次级绕组通过较小的电抗器连接到晶闸管阀。如果在无功变压器的第三绕组中选择合适的装置电路，例如增加一个滤波器，可以进一步减少无功补偿产生的谐波10 。由于单个TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决这个问题，可以将一个并联电容器与TCR配合使用，组成一个无功功率补偿器。根据投切电容

21、器的组成不同，可分为与TCR和固定电容器一起使用的静态无功补偿器（TCR+FC）和与TCR和断路器投切电容器一起使用的静态无功补偿器（TCR+MSC）。这种TCR型补偿器响应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛11 。由于固定电容的TCR+FC型补偿装置从感性范围扩展到容性范围，因此要求电抗器的容量大于电容器的容量。另外，当补偿器工作吸收很小的无功电流时，它的电抗器电容器和电容器都吸收了大量的无功电流，但它们只是相互抵消了。 TSC+MSC型补偿器通过使用分组开关电容在一定程度上克服了这一缺点。3.晶闸管开关电容（TSC）为了解决电容器组频繁切换的问题，TSC装置应运而生。

22、其单相原理图如图 1-5 所示。两个反并联晶闸管只是将电容器接入电网或将其与电网断开，串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网时可能产生的浪涌电流。晶闸管投切电容器的无功补偿装置，可以快速补偿电网的无功功率，现在一般称为动态无功补偿器。 TSC 可用于三相电网中的三角形连接或星形连接。一般对称网络采用星形接法，负载不对称网络采用三角形接法。并不是说电容串联个数比较好，而是考虑到系统的复杂性和经济性，一般采用电容值为C的K-1个电容和电容值为C/2的电容组成一个2K-级电容器组号12 。TSC的关键技术问题是开关电容时序的选择。经过多年的分析和实验研究，最佳切换时间是晶闸管两端电压为零的时刻，即电容

23、器两端的电压等于电源电压的时刻13 。此时电容器通断，电路的浪涌电流为零。为保证电容更好的投切，补偿装置必须对电容进行预充电，充电后将电容导通。 TSR补偿器可以很好地补偿系统所需的无功功率。如果串联足够分，基本可以实现无级调节14 。1.4 低压无功补偿的改进传统的低压无功补偿方式主要有三种：一种是安装在低压电机上的单机就地补偿；安装在配电变压器低压侧的补偿箱；安装在企业配电室或车间高层建筑楼层配电自动补偿柜（如PGJ柜等）之间。低压补偿箱和补偿柜的技术改进和新技术应用总结如下几个方面。1）从三相共补到分相补偿，以达到更理想的补偿效果。2）从单一的无功补偿到同时具有滤波和抑制谐波功能的补偿装

24、置。3）从使用交流接触器通断，到选用晶闸管开关电路通断，已发展为等压通断和零电流断的最佳通断方式。4）智能自动补偿控制器与配电变压器运行记录仪相结合。5) 将低压补偿功能纳入箱式变电站或美式箱式变电站的低压部分。6）箱体采用不锈钢或航空铝板，具有耐寒、防晒、密封、防潮、防锈等特点。7）选择干式或SF6充电自愈并联电容器，提高运行可靠性，延长使用寿命。1.5 无功补偿装置的选择从目前无功补偿装置的发展来看，目前应用比较广泛的几种无功补偿装置，也就是第二节介绍的几种无功补偿装置，可以根据使用情况分为两类控制开关装置的区别。 ：一种由断路器开关控制；另一个由晶闸管控制。这两种无功补偿装置的特点在上一

25、节中也有介绍。一般来说，采用晶闸管控制投切的无功补偿装置优于采用断路器开关的无功补偿装置，动作时间短。 ，通常在一个周期（即20ms）内动作；动作时不产生火花，更安全可靠，寿命长。断路器切换成本优于晶闸管，因此在工程应用中尚未完全被晶闸管开关取代。这两种器件的特性比较如表 1-1 所示：表1-1 断路器开关和晶闸管开关控制的无功补偿装置性能比较断路器开关控制晶闸管控制开关性能火花寿命短无火花寿命长行动时间长（大约几十毫秒）短（大约几十微秒）自适应负载相对稳定的负载补偿冲击载荷电压稳定性电压波动通过控制开关时间，可以消除电压波动价格低的高的任何一种智能无功补偿装置都需要一个控制器来完成电网参数的

26、测量和计算，以及控制电容器组的投切。一种以断路器为开关元件的无功补偿装置，控制器发出触点信号，控制接触器的吸合或断开。以晶闸管为开关元件的无功补偿装置，控制器发出晶闸管的触发信号。第二章动态无功和自由控制器的硬件设计2.1 简介目前，无功补偿装置已广泛应用于电力系统中。与有功功率一样，无功功率对于维持电力系统稳定、保证电能质量和安全运行至关重要 15 。电网中的无功功率有感性和容性两种。由于一般电网中的负载多为感性负载，如异步电机、变压器等，传统的现场无功补偿装置是通过单片机控制实现电容。一组镜头。但是，当电网中存在谐波时，开关电容可能会放大高次谐波。更严重的是，如果电网中的电容器和感性负载发

27、生一定的谐波谐振，电网的电压和电流就会降低。它可能被无限放大，产生难以想象的后果。因此，在进行无功补偿的同时，测量和消除电网中的谐波非常重要，而对系统无功功率的准确补偿也是建立在对系统各项参数的准确测量基础之上的。 .但是，由于硬件资源和速度的限制，传统的单片机系统采样精度低，每个周期采样点少，只选择计算量小的算法，限制了测量精度。因此，本系统采用DSP TMS320LF2407作为总控制器，指令速度非常快，可达30MIPS，更适合处理多数据、大计算量的系统16 。同时具有强大的控制功能，因此使用TMS320LF2407作为核电监测的低压智能无功补偿装置可以更好地满足实时性和准确性的要求。2.

28、2 设计任务1.输入模拟量(1) 工作电压和输入电压模拟量额定工作电源电压和额定电压模拟220V或380V的20%，电源正弦波形，总畸变率不大于5%。(2) 输入电流模拟量额定输入电流模拟量：5A 50Hz 输入输入阻抗：不大于0.22、测量与显示精度(1)电压每相电压 0.5%(2)每相电流为0.5%(3)各相有功功率之和 1.0%(4)各相无功功率之和1.0%(5)各相视在功率之和 1.0%(6)频率 1.0%(7)功率因数 1.0%三、控制要求(1)控制灵敏度不大于0.2A(2)过压保护应在105%120%之间可调，动作迟滞612V(3)延迟时间10120s可调(4)过压段总时限不超过6

29、0s(5)开关动作的时间间隔不小于300s(6)断电后所有数据保留时间不少于72h4、功能要求（一）功能设置要求1）可实现三线对称补偿和分相补偿相结合2)开关机阈值设定值3)延迟设定值4)过压保护整定值5）谐波过值保护整定值6）面板功能键操作应具备容错功能7)面板设置应具有硬件或软件锁定功能(2) 显示功能1)工作功率显示2）超前和滞后显示3)输出电路工作状态显示4)过压保护动作显示5）控制器应具有调整和显示电网实时运行参数和设定值的功能6)控制器应具有监控或统计数据显示功能7)谐波值保护动作显示8)手动和自动指示显示(3)延时和加速功能：输出电路动作应具有延时和过电压加速动作功能。(4)程序

30、切换功能：手动或自动切换选择，自动状态下应提供自动循环切换。（5）自检复位功能：每次上电（即输出电路处于断开状态）时，控制器都要对输出电路进行自检和复位。(6)开关振荡闭锁：在轻负载下，控制器应有防止开关振荡的措施。(7)堵转报警：当系统电压大于或等于一定值（数值可调）时，堵转控制器接入电路；切换器部分出现故障时，输出电路被阻塞并报警；当执行电路出现异常时，输出电路被阻塞并报警。(8)数据传输：使用中间体（如抄表器）抄录实时数据和历史数据，使用RS-232接口X485接口。2.3主电路设计带功率监控的智能无功补偿装置的一般电路图如图2-1所示。图 2-1 带功率监控的无功补偿装置一般电路图设备

31、上电后，经过一定的延时后，控制器重新开始工作。通过对系统的三相电压和三相电流进行采样，根据电压和电流的值，以及输入阈值，计算出系统的无功功率，与截止阈值进行比较，然后考虑系统的电压幅值来确定电容器组的切换。开关指令输入触发电路，触发电路控制晶闸管在电压为正峰值时导通电容。在此前提下，采用“使变压器从系统吸收的无功功率最小化”的原则控制电容器组，可有效提高电压质量，提高功率因数，降低网络损耗。考虑到系统的复杂性和经济性，电容器分组采用二进制方案，即使用(K-1)个电容值为C的电容器和一个电容值为(C/2)的电容器。电容值在 2K 级。电容最小的路径作为单位电容，其大小决定了补偿精度。系统采用TM

32、S320LF2407DSP控制，实时监测电力系统的无功功率和电压，跟踪系统的无功功率。由于装置响应速度快，动态性能好，可实现对转速变化的无功功率的跟踪补偿。该装置具有完善的显示控制和保护功能。可根据需要显示功率因数、系统电压、负载电流、无功功率等数值。还可实时在线设置输入阈值、截止阈值、过压值、欠压值、延时值等参数。延时时间可调，过压自动切断，能有效提高功率因数，改善电压质量，降低电能损耗，消除电压波动，滤除高次谐波，抑制电压闪变，减少电压不平衡，可广泛应用于低压电压应用。是配电系统和工矿企业老式补偿装置的理想换代产品。2.4主控芯片的选择本系统采用TI的TMS320LF2407作为主控制器，

33、主要考虑谐波测量的精度和无功补偿密不可分。该芯片是TMS320C2000平台下的定点DSP芯片，是专为控制而设计的单片机。处理速度非常快，达到30MIPS。当晶振频率为20MHz时，计算一次64点FFT运算仅需611s，特别适合处理谐波分析。用于数字滤波和傅里叶变换操作的微处理器。同时具有低成本、低功耗、高性能的处理能力17 。TMS320 LF2407DSP的结构特点如下：1 、采用高性能静态CMOS技术，电源电压降低至3.3V，降低了控制器的功耗； 30MIPS的执行速度将指令周期缩短至33ns（30MHz），从而提高控制器的实时控制能力。2.芯片拥有最大32K字的FLASH程序存储器、最

34、大1.5K字的数据/程序RAM、544字的双口RAM（DARAM）和2K字的单口RAM（SARAM）。3 、两个事件管理模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器；八个 16 位脉宽调制 (PWM) 通道。可实现：三相逆变控制； PWM对称和非对称波形； 3个捕获单元；芯片光电编码器接口电路； 16通道A/D转换器控制。4 、可扩展外部存储器，共192K字：64K字程序存储器； 64K字数据存储器； 64KI/O 寻址空间。5.看门狗定时器模块（WD1）。6 、高性能10位模数转换器（ADC）的转换时间为500ns，提供多达16路模拟输入，具有自动排序功能，可同时采集多达16路模拟信号

35、，克服事实上，MCS196 微控制器不能同时采样道路信号的许多缺点。7.控制器局域网（CAN）2.0B模块。8.串行通信接口 (SCI)。与系统中的其他控制器进行异步通信 (RS232)。9. 16位串行外围接口模块（SPI）。10.一种基于锁相环的时钟发生器。11.多达 40 个通用输入/输出引脚 (GPIO)，可单独编程或复用。外设扩展方便，满足大部分控制对象对输入输出的需求。同时，它还具有一些特别适用于重数字信号处理的特点：1 、哈佛结构：程序存储器和数据存储器独立寻址；取指令和执行重叠；结构改进，高速缓存，高并行度，大大提高运行速度。2 、硬件乘法器：乘法是DSP的重要组成部分。乘法越

36、快，DSP处理器的性能就越高。它可以实现单指令乘加操作和索引操作。3 、DSP指令：DSP芯片使用特殊指令。它对多条指令进行压缩，例如指令函数压缩和指令周期缩短（200ns到20ns以下），可以在一个指令周期内执行多条指令，提高处理器的速度。4 、管线：四级管线；并行处理;取指令、解码、取操作数和执行是同时进行的。5 、芯片内设置了特殊硬件数据指针的逆序寻址功能。由于频谱分析的基础是FFT，因此加快了频谱分析的进程。综合这些原因，使用F2407作为主控制器不仅可以满足控制器的功能，而且由于其出色的计算能力，可以快速准确地分析谐波含量。发生重大事故。2.5模拟信号输入处理单元该模块包括电压和电流

37、信号形成回路、低通滤波回路（ALF）、参考电压（VBASE）形成回路和同步方波形成回路。该模块的作用是将电压互感器（YH）和电流互感器（LH）二次输出的电压和电流模拟量通过上述环节处理成大小与输入量和相位成正比的模拟量不失真，输入到DSP的A/D转换通道进行采样，转换成计算机可以接受和识别的数字量，然后进行数据处理和运算。根据采样定理，FFT 用于测量谐波。如果需要准确测量2 （n=1,2,3.）次谐波，则每个周期的采样点数至少应为2个点。考虑到DSP突出的数字处理能力和适合线性运算的特点，以及对测量精度的要求，系统的采样频率取为3200Hz，即每周期采样64个点，32次谐波可以准确测量。信号

38、调理电路包括信号衰减和模拟抗混叠滤波器。变压器得到的电压和电流信号线性衰减到可以输入DSP的范围内，再经过抗混叠滤波器滤波，再输入DSP的A/D转换器进行采样和模拟数字转换。抗混叠滤波器的作用是对电力系统的信号进行低通滤波，滤除高频成分，使输入DSP进行处理的信号是满足奈奎斯特采样定律要求的信号( )，消除了混叠现象。提高FFT的运算精度。1.电流信号形成回路电流互感器T1、T2、T3的初级电流为05A，互感器CT，变比为12500/1，其中，其中为交流地，对应的直流电平为1.65V。图 2-2 电流信号形成回路2.电压信号形成回路电压互感器的变比为1：1，初级电阻相对于110K可以忽略不计，

39、因此。图 2-3 电压信号形成回路3、ALF低通滤波电路图中Dl和D2将输出信号钳位在0-3.3V，以保证2407ALF/D转换端口的输入电压在0-3.3V之间，从而保证其AD转换的正常工作。图 2-4 ALF 低通滤波器电路设R40=R41=R，C40=C41，R42=R，R43=R2，则： ，其中，将数据带入上式即可计算出截止频率。由于需要计算工频信号的30次谐波，即50 x30=1500Hz的信号需要准确测量。根据奈奎斯特采样定律，系统的采样频率为64点循环采样，采样频率为大于 1600Hz。根据计算结果可以看出，这种低通滤波器可以满足要求。系统放大增益。滤波电路的输入信号为1.650.

40、02V的正弦信号，输出为1.651.5V的正弦信号。 LF2407的A/D输入应在03.3V之间，滤波放大电路的输出可以满足DSP的要求。4.参考电压产生电路使用LM117产生稳压电路。输出。替换数据。图 2-5 参考电压产生电路5、同步方波发生电路图 2-6 同步方波发生电路对于低通滤波后的模拟信号，运算放大器起到电压比较的作用。 VAPULSE是一个03.3V的方波信号，送入DSP的捕捉角，两个上升沿由DSP的定时器测量。通过测量正弦信号的过零点之间的时间来获得网格信号之间的时间，即周期。再根据采样点数计算采样频率，保证同步采样，消除异步采样造成的频谱泄漏，保证测量精度。6.模数转换器（A

41、DC）模数转换器采用LF2407自带的带采样保持的A/D转换器，精度10位，最快转换速度500ns，可同时采样16个信号。 AD转换启动有多种触发源，包括软件启动、EVA、EVB和外部触发（ADCSOC）。模数转换模块的序列器包括两个独立的序列器（SEQI和SEQ2），最多可以选择8个模拟转换通道。这两个序列器可以级联成一个序列器，最多可以选择 16 个模拟转换通道。设备（SEQ）。在这两种操作模式下，ADC 模块都可以自动排序转换序列。转换后的数值结果存放在通道对应的结果寄存器中，这样用户就可以对同一个通道进行多次采样，即对某个通道进行“过采样”，这样得到的采样结果具有更高的分辨率高于传统的

42、采样结果。高的。2.6 LF2407DSP系统模块该模块包括LF2407DSP电路、存储器（SRAM）电路、电源保护电路、上电复位电路和串行实时时钟电路。1、TMS320LF2407电路LF2407DSP为哈佛结构，程序存储器和数据存储器分别寻址，可实现同时寻址。 LF2407 有 16 位数据线和 16 位地址线。 2407的指令执行速度为30MIPS，外部时钟选择10MHz石英晶振，然后将部分频率翻倍得到20MHz的工作频率。 ADCIN00ADCIN5为AD转换器的模拟输入，其中ADCIN00、ADCINI、ADCIN2为三相电压输入，ADCIN3、ADCIN4、ADCIN5为三相电流输

43、入，将三相电压、电流信号转换为数字量。双向IO口PC07和PE6、PE7作为控制量（数字量）输出和数字信号输入接口，可以用来输出控制信号来控制晶闸管的导通，也可以作为晶闸管导通状态的输入接口。 SCITXD和SCIRXD接口作为通信线，CAP1为事件管理器1的捕捉角，用于捕捉方波信号的上升沿，测量网格信号的周期。 IO口PA47显示为控制器状态，分别代表自动通讯、谐波超值保护、故障和通讯状态。2.记忆电路LF2407 带有 32K Flash、外部可扩展 64K 数字存储器和 64K 程序存储器。将2407的引线接地，即2407工作在单片机模式，即程序执行从部分程序存储器（FLASH EEPR

44、OM）的0000h开始，将外部扩展存储器地址分配到起始地址空间从 8000 小时开始。 DS-和PS-分别接2407的DS和PS引线，分别是数据空间选通引线和程序空间选通引脚，低电平时分别代表选通数据空间和程序空间。外部存储器选用CYPRESS公司的CY 7C102l，64Kl6 SRAM。 32K空间扩展为程序存储器，32K空间扩展为数据存储器。 A0A14为地址线的低15位，A15接DS-，即SRAM的0000h-7FFFh为数据空间，8000h-FFFFh为程序空间。图 2-7 内存电路3.时钟电路图 2-8 时钟电路无源晶振采用10MHZ，2407的主频是内部时钟定位（PLL）频率加倍

45、得到的20MHz。 PLL 使用外部滤波器环路电路来消除抖动。如图 2-9 所示，滤波器环路由 C41、C42 和R14 18组成，它们与 2407 接口为 PLLF 和 PLLF2。4.电源管理电路图 2-9 电源管理电路电源监控芯片选用TI公司TPS7333Q，该芯片可将5V电压转换为DSP所需的3.3V电平，并具有电平监控功能，当OUT引脚输出电平小于2.9V时，RESET输出200ms低电平重新启动DSP 19 。该系统有4个不同的电平，+12V、-12V、+5V和+3.3V。均采用220V电压供电，通过变压器输出+12V、-12V、+5V三种不同电平信号，再经7912、7812稳压输

46、出+12V、-12V电平； LM2576-5稳压输出+5V电平； TPS7333 将+5V 电平转换为+3.3V 电平输出，以提供DSP 系统需要。5. 串行实时时钟电路由于无功补偿控制器必须有历史记录，因此系统中必须有一个实时的时间基准，即时钟芯片。这里，我们选择PCF8583，其特点如下所述。PCF8583是一款带总线接口的日历时钟芯片，同时具有256字节的静态RAM。由于配备电池供电作为日历时钟设备，可以作为RAM的保护电源，所以256字节的RAM可以看做是非易失性的。内存。 PCF8583具有较宽的工作电压范围（2.5-6V）； RAM数据保持电源电压范围为1V-6V；最大工作电流 1

47、50A ( )：24 或 12 小时制，时基 32.768kHz 或 50Hz；可编程闹钟、定时和中断功能。由于TMS320LF2407没有专用时序引脚，本设计采用软件模拟总线时序，实现串行日历时钟芯片PCF8583与DSP芯片的接口电路及应用。其中PCF8583的SCL和SDA分别接F2407的IOPF0和IOPF1引脚。如图 2-11 所示，为串行实时时钟芯片的接线图。由于DSP由3.3V供电，电池为3.6V，因此设计中采用了三个二极管来解决掉电时电池只给PCF8583供电，而PCF8583在断电时由3.3V供电的问题。电源未关闭，电池处于浮充状态。图2-10 串口实时时钟芯片接线图2.7

48、执行单元由于传统机械触点的动作速度与工频电压电流的变化速度不匹配，在切换过程中由于电容器极性的存在而产生浪涌电流，难以实现最优运行无功补偿，经常发生过补偿。系统采用晶闸管控制投切电容，能以10ms的速度将补偿投入电网，并严格控制在各相电压最高点合闸，无浪涌电流冲击。只有当电流过零时才会切断，以防止过压。可以频繁切换，不会损坏电容。晶闸管的触发脉冲由专门的触发电路提供，严格保证相序正确。配备可调触发延迟控制，具有循环切换功能20 。1.驱动电路本系统采用先进的过零触发电路，将分立元件组成的功放电路、脉冲变压器等脉动环节改为电压过零光电涡流可控硅，简化了触发控制电路的结构。 ：同时，由于无需考虑与

49、系统电压同步的问题，控制电路与主电路光隔离，从而提高了器件的可靠性。本文采用MOTOROLA公司生产的MOC3083芯片设计三相晶闸管触发电路，动态响应时间小于20ms。图 2-11 显示了单相触发电路。图2-11 单级触发电路示意图理论上，为了防止补偿电容输入和移除过程中主电路的浪涌电流冲击，即在这个过程中，电容上的电流始终保持流过一个完整的周期，没有过渡过程，如下必须满足三个条件，即使电容器上的电压保持在电网线电压的正峰值或负峰值；选择电网线电压与电容器上电压极性相同、峰值相同的时刻；切断时，只需取消触发信号，开关在电流过零后自动关闭。由于光耦可控硅部分有过零检测电路，由它组成的可控硅触发

50、电路可以在不增加同步电路的情况下实现补偿电容的无跳变切换。2、晶闸管的选择晶闸管的电压值选择应考虑电网上的电压，一般按公式（2-1）：(2-1)其中为电压裕度，一般为1.11.2；为电网电压波动系数，一般为1.15； U 是电网电压。晶闸管电流值一般按公式（2-2）选取：(2-2)其中 C 是电容 (F)。2.8 显示与通讯电路设计该系统使用液晶显示测量结果，并从键盘输入命令。液晶显示器和键盘均由 F2407 的通用 I/O 端口扩展。当按键按下时，会产生外部中断，DSP执行中断程序，即键盘扫描显示程序。信号处理后，结果可显示在液晶显示器上，便于观察。也可通过RS-232接口与上位机通讯，上传

51、数据，方便存储和查询。1.键盘电路图 2-12 键盘电路键盘有四个键：上、下、左和右。其中任意一个被按下，都会触发外部中断，进入中断程序，判断中断程序中的按键，执行相应的命令。2.液晶显示电路图 2-13 液晶显示电路采用12864点阵液晶显示器，可显示40个汉字，汉字库预存于程序存储器中。通过DSP的I/O口模拟M6800的操作时序来控制液晶显示。其中，PB0PB7为数据输出，与DB0DB7相连，控制信号E、CSA、CSB、D/I、R/W分别由PEIPE5控制。接口电路如图 2-14 所示。3、通讯接口电路图 2-14 RS-232 通讯接口电路本电路采用符合RS-232标准的驱动芯片MAX

52、232进行串行通信。 MAX232芯片功耗低，集成度高，+5V供电，有两个接收和发射通道。因为TMS320LF2407使用+3.3V供电。因此在MAX232和TMS320LF2407之间增加了电平匹配电路。第三章动态无功补偿控制器软件设计系统软件采用汇编语言编写，提高了编译效率21 。程序遵循模块化设计原则，提高了系统的通用性和易维护性。程序主要包括初始化、采样、各种电量的计算、显示和控制输出等子程序。3.1主程序主程序流程图如图 2-15 所示。DSP在一个工频周期内等间隔采集64个瞬时电压电流数据后，得到电网电压、电流（包括零序电流）、功率因数、无功功率、有功功率、电压电流、132次谐波和

53、其他负载参数值被存储并致到显示单元进行显示。同时根据现场实际情况，通过控制器键盘设置参数，控制电容投切。控制器持续监测电网负载参数，根据用户设定的参数形成投切控制字，电容器的正确投切具体由输出环节完成。将输出的9个控制信号分成3组，每组3个控制信号，可实现最多9组互补控制或最多9组全互补控制，也可实现分补和同时控制共同补偿。数量取决于用户的配电参数设置和特定电网中电容器的连接情况。1 、初始化程序：主要完成数据存储空间的检测和初始化、通信模式的设置、液晶显示模式的设置、事件管理器工作模式的设置（设置定时器）、中断设置（中断寄存器和中断）优先级设置）、启动硬件看门狗、禁止开关动作等。2 、显示模

54、式设置：主要完成液晶显示器工作模式的设置，初始化液晶显示页面。3 、扫描键盘命令：主要是查询I/O口，查看命令输入，修改系统参数。4 、数据处理程序：主要根据采样得到的数据，应用FFT算法计算各相的有效电流、电压、有功功率、无功功率等参数。5 、控制投切电容器方案：根据计算出的参数，采用控制策略控制投切电容器，以达到补偿无功功率的目的。图 2-15 系统流程图3.2电容投切原理无功补偿的原理是准确检测三相电路的无功功率Q，然后根据Q值的大小对电容器进行最优投切，从而降低Q值达到最优状态。在受谐波污染的电网中增加无功补偿电容器时，应注意避免谐波谐振。消除谐波的方法一般是将电抗与电容器串联，以防止

55、电流的突变。系统采用对电网谐波进行实时跟踪监测的方法。当电网中的谐波次数超过设定值时，将停止电容器并发出警报，以防止重大事故的发生。图 2-16 频率测量程序3.3中断程序1.外部中断当键盘上的某个键被按下时，就会进入外部中断，执行外部中断子程序。该子程序主要完成对键盘的扫描，执行不同按键对应的命令。其中，上下键控制液晶显示器显示翻页和控制光标指示的功能。左右键相当于+和-，即设置参数时，相对于系统设定值的偏差，按左键加一单位，按右键减一单位。设置参数时，按 键确认，然后进入下一个参数的设置。2.定时器中断程序（测频子程序）定时器捕捉中断程序如图 2-17 所示。该程序主要完成信号频率的测量。

56、当测量值为 44f56 时，为正确值，并存储新的频率值。工频信号的频率为50Hz，但电力系统的实际电网信号会受到各种每月的干扰，电信号的频率不可避免地会出现波动。 电能质量电力系统频率偏差（GB/T15945-95）的频率偏差限值规定电力系统的频率偏差限值为：电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz。当系统容量较小时，偏差值可放宽至0.5Hz。用户冲击负载引起的系统频率变化不得超过0.1Hz。即电力系统中电压电流信号的频率变化在500.5Hz范围内。 FFT运算还要求采样点的数量必须是2的整数次幂。当电网频率发生波动时，采样频率也应该发生变化，否则会发生频谱泄漏。因此，系统在每次采样前测量电网频

57、率，并根据电网频率计算采样频率，保证采样同步。图 2-17 串口中断程序3.串口中断程序串口中断程序主要完成测量量的上传和上位机指令信号的接收。最大通讯波特率为9600，数据格式为：起始位数据或指令位校验位12345678910要正确实现DSP与上位机的通信，除了一般的串口通信设置外，还必须正确设置SLEEP位（SCICTLI寄存器的第2位），即所有参与多路的DSP的SLEEP位-计算机通信设置为1，这样它们只有在检测到地址字节时才会中断。在中断服务程序中，将接收到的地址与相应软件设置的地址（本地地址）进行比较。如果相同，则用户程序清零 SLEEP 位以确保串行通信。接口在接收到每个数据字节时

58、产生中断，否则 SLEEP 位保持 1 以接收下一个地址23 。3.4串行实时时钟电路读写程序日历时钟PCF8583的读写是通过总线实现的。下面描述总线和日历时钟的操作如下22 。控制字如下图所示。控制字节的前四位是 1010，在这里是固定的。接下来的 3 位是块选择位（B2、B1、B0），用于选择 256 字节的块。由于日历时钟只有256字节，所以选择B2=B1=B0=0。控制字的最后一位是读/写模式选择位。设置为 1 表示读操作，清为 0 表示写操作。10110B2B1B0读/写有两个写操作（字节写、页写）和三个读操作（当前地址读、随机读、序列读）。日历时钟 PCF8583 用于所有读写方

59、法。字节写入是指将一个字节的数据写入指定的 RAM 单元的操作。数据操作格式如下：小号SLAW一个沃尔德一个数据一个磷字节写操作以起始位S开始，主机致控制字选择写操作（SLAW），然后主机致要写入数据的地址单元（WORDADR）。停止位 P 用于中止接收。每个字节致完毕后，从机应发回响应信号 A。随机读是根据指定的字节地址读出一个字节数据的操作。由于需要写入字节地址，所以需要先致一个字节地址写操作，然后重复初始状态，读入一个数据字节。数据操作格式如下：小号SLAW一个沃尔德一个小号斯拉尔一个数据不适用磷随机读字节操作从起始位开始，主机致控制字选择写操作（SLAW），然后主机致地址单元读取数据（

60、WORDADR），然后发起一个开始条件并致控制字选择读操作（SLAR），LF2407在读完数据后致一个停止条件，并且不发回响应信号。LF2407 的 IOPF0 和 IOPF1 引脚用作实现总线协议的引脚。这两个引脚配置为I/O口，通过配置IOPF1（SDA）为输出或输入模式，启动、停止、响应功能并实现数据的致和接收。读写操作由不同的启动、停止、回复、接收和致组成，这些功能可以通过一系列子程序来完成。第四章总结与展望本文介绍了无功补偿装置的发展现状，分析了几种广泛使用的无功补偿装置的原理、性能和适用场合。提出了一种由DSP控制的动态无功补偿装置，并进行了系统的软硬件设计。具体工作总结如下：1