基于DSP無(wú)功補(bǔ)償同步投切裝置設(shè)計(jì)

SHANDONG 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 基于 DSP 無(wú)功補(bǔ)償同步投切裝置設(shè)計(jì) 學(xué) 院：電氣與電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 張?zhí)烊?學(xué) 號(hào)： 0812102758 指導(dǎo)教師： 周敬軍 2012 年 6 月 摘 要 I 摘 要 在電力系統(tǒng)中，無(wú)功功率是影響電網(wǎng)穩(wěn)定的一個(gè)重要因素，它關(guān)系到整個(gè) 電力系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定的運(yùn)行，無(wú)功補(bǔ)償是保證電力系統(tǒng)高效可靠運(yùn)行的有效 措施之一。基于國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)的需求現(xiàn)狀，考慮到無(wú)功補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)條件和經(jīng)濟(jì) 適應(yīng)性，研制出了一種基于 DSP TMS320LF2407 控制的 TSC 型低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功 補(bǔ)償裝置。該裝置以實(shí)時(shí)的電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，以 400V 低壓網(wǎng)的最佳無(wú)功 補(bǔ)償為對(duì)象。 本文主要研究 TSC 無(wú)功補(bǔ)償基本原理，無(wú)功補(bǔ)償控制方式和原理，以及控 制器軟、硬件的設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)方面，用 DSP TMS320LF2407 作為主要控制 器，從而能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)采樣計(jì)算、無(wú)功自動(dòng)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，具有比傳 統(tǒng)的單片機(jī)控制運(yùn)算速度更高，實(shí)時(shí)性更好的特點(diǎn)。采用晶閘管控制在電網(wǎng)電 壓峰值投入電容器，完全實(shí)現(xiàn)了電容器的快速，無(wú)弧，無(wú)沖擊投入1，具有優(yōu) 良的性能。在軟件上，采用高級(jí)語(yǔ)言編程，遵循模塊化設(shè)計(jì)原則，從而提高了 系統(tǒng)通用性以及維護(hù)簡(jiǎn)易程度。為了實(shí)現(xiàn)裝置應(yīng)具有的功能，本文設(shè)計(jì)并制作 了較為完整的控制電路和其外圍設(shè)備硬件電路。它們包括電源電路、觸發(fā)電路、 采樣電路及通訊電路等。文中設(shè)計(jì)編寫了部分控制系統(tǒng)的控制程序，給出了控 制軟件的結(jié)構(gòu)框圖。在本文中，還設(shè)計(jì)了電容器保護(hù)電路，以及裝置在電網(wǎng)諧 波含量超標(biāo)時(shí)采取的保護(hù)措施。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償，晶閘管投切電容器，數(shù)字信號(hào)處理器，峰值投入 Abstract II Abstract In the power system, reactive power is an important factor affecting the stability of the power grid; it relates to the entire power system can safe and stable operation, reactive power compensation is one of the effective measures to ensure the efficient and reliable operation of power systems. Based on the needs of the domestic electricity market, we take into account the reactive power compensation to achieve the conditions and economic adaptability, and develop a control based on DSP TMS320LF2407, TSC-type low-voltage dynamic reactive power compensation device. The device is based on real-time grid monitoring data, to 400V low voltage network reactive power compensation. This paper studies the basic principles of TSC reactive power compensation and control of reactive power compensation and principles, as well as the controller hardware and software design. In hardware design, the DSP TMS320LF2407, as the main controller, to achieve automatic sample calculation, automatic adjustment of reactive power, data storage and other functions, has a higher than the traditional single-chip control the speed of operation, real-time characteristics. We use high-level language programming; follow the principle of modular design, the simplicity of the systems versatility and maintenance. On the principle of switching and power factor control scheme, the use of Voltage and Reactive composite control, to avoid the light load switching oscillation, reactive power regulation is more reasonable. In order to achieve the function of the device should be designed and produced a more complete control circuit and its peripheral equipment hardware circuit. They include a trigger circuit, sampling circuit, and communications circuits. Designed in this paper to write the whole control system control procedures, and gives the block diagram of the control software. In this article, also designed a capacitor protection circuit and devices in the grid harmonic content exceeds the protective measures taken. Keywords: Reactive power compensation, Thyristor Switched Capacitor (TSC), Digital Signal Processor (DSP), Zero-crossing triggering 目 錄 III 目 錄 摘 要I AbstractII 目 錄III 第一章 緒論 .1 1.1 本課題研究背景及意義1 1.2 同步投切裝置研究發(fā)展概況2 1.3 國(guó)外同步投切技術(shù)發(fā)展研究情況4 1.4 國(guó)內(nèi)同步投切技術(shù)發(fā)展研究情況4 1.5 本論文研究的主要內(nèi)容5 第二章 系統(tǒng)總體概述 .7 2.1 TSC 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).7 2.2 TSC 系統(tǒng)工作流程.7 2.3 晶閘管投切電容器(TSC)的基本原理 8 2.4 晶閘管投切電容器的投切時(shí)刻選取9 第三章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) .11 3.1 控制器電路設(shè)計(jì)11 3.1.1 數(shù)據(jù)采集單元 11 3.1.2 DSP 及外圍電路設(shè)計(jì) 15 3.2 電源模塊19 3.2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 19 3.2.2 DSP 電源設(shè)計(jì) 20 3.3 執(zhí)行單元20 3.4 補(bǔ)償單元設(shè)計(jì)22 3.4.1 主電路接線方式選擇 22 3.4.2 電容器補(bǔ)償容量計(jì)算方案 22 3.4.3 晶閘管電流參數(shù)選擇 23 3.4.4 晶閘管電壓參數(shù)選擇 25 目 錄 IV 3.4.5 預(yù)充電電路設(shè)計(jì) 26 第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .28 4.1 控制策略28 4.2 主程序軟件設(shè)計(jì)30 4.3 數(shù)據(jù)處理軟件31 4.4 投切控制軟件32 總 結(jié) .34 參考文獻(xiàn) .35 致 謝 .36 第一章 緒 論 - 1 - 第一章 緒 論 1.1 本課題研究背景及意義 電能作為現(xiàn)代社會(huì)重要的支柱能源和經(jīng)濟(jì)命脈，它的應(yīng)用程度是度量一個(gè) 國(guó)家發(fā)展水平的標(biāo)志之一2。無(wú)功功率是電氣技術(shù)領(lǐng)域重要部分，存在于交變 磁場(chǎng)和交變電場(chǎng)中的一種瞬時(shí)功率。它和有功功率一樣是維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定、 保證電能質(zhì)量和安全運(yùn)行必不可少的。由于電網(wǎng)負(fù)載絕大多數(shù)呈感性，對(duì)廣大 供電企業(yè)來(lái)說(shuō)，用戶功率因數(shù)偏低，直接影響到電網(wǎng)中功率和電能損耗，影響 到供電線路的電壓損失和電壓穩(wěn)定性，而且影響到整個(gè)供電區(qū)域的供電質(zhì)量。 據(jù)統(tǒng)計(jì)在輸電線路、高壓配電網(wǎng)、低壓用戶的三大部分的線損中，低壓用 戶線損最大，因此，降損節(jié)能主要圍繞低壓 380V 用戶來(lái)進(jìn)行。長(zhǎng)期以來(lái)，我 國(guó)的低壓配電網(wǎng)網(wǎng)架薄弱、線徑小、設(shè)施老化，負(fù)荷電流大，自然功率因數(shù)低， 并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電壓質(zhì)量不易控制，無(wú)功功率僅靠上級(jí)電網(wǎng)遠(yuǎn)距離傳送，不能 及時(shí)了解無(wú)功潮流變化，不能及時(shí)就地補(bǔ)償無(wú)功功率，降低了電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益3。 而近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)大功率的電力電子設(shè)備得到 了廣泛運(yùn)用。然而，由于電力電子設(shè)備非線性特性，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波； 同時(shí)，由于這些電力電子設(shè)備驅(qū)動(dòng)著大量低功率因數(shù)、沖擊性負(fù)載，又產(chǎn)生大 量變化急劇的無(wú)功，共同使得電網(wǎng)質(zhì)量惡化，造成電壓波動(dòng)、諧波量過(guò)大等不 良狀態(tài)2。因此，迫切需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)的無(wú)功功率補(bǔ)償。電 力部門大力推廣無(wú)功就地補(bǔ)償裝置，重要性是十分明顯的。 研究無(wú)功功率補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有非常重要的意義： (1)解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)中與無(wú)功功率相關(guān)的一系列新的技術(shù)問(wèn)題。 (2)促進(jìn)節(jié)能。無(wú)功功率在電網(wǎng)中不斷循環(huán)，造成很大浪費(fèi)。如果無(wú)功功率 問(wèn)題處理得好，不僅可以節(jié)約電能，還能減少系統(tǒng)變壓器和輸變電設(shè)備的容量。 (3)通過(guò)研究無(wú)功功率測(cè)量，掌握無(wú)功功率的經(jīng)濟(jì)規(guī)律。通過(guò)統(tǒng)計(jì)、理論分 析以及各項(xiàng)技術(shù)措施來(lái)達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。 第一章 緒 論 - 2 - (4)保證電能質(zhì)量，促使電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。 1.2 同步投切裝置研究發(fā)展概況 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償是相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償并聯(lián)電容器而言的。雖然并聯(lián)電 容器經(jīng)濟(jì)，簡(jiǎn)便，靈活，應(yīng)用范圍廣泛，只是控制器在不斷更新發(fā)展，但其阻 抗是固定的，不能跟蹤負(fù)荷無(wú)功需求而變化，也就是說(shuō)不能實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的動(dòng) 態(tài)補(bǔ)償。而近年來(lái)隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)于無(wú)功功率進(jìn)行快速、動(dòng)態(tài)、穩(wěn)定 補(bǔ)償?shù)男枨笠苍絹?lái)越大2。 傳統(tǒng)無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置是同步調(diào)相機(jī) SC(Synchronous Condenser)，它 是專門用來(lái)產(chǎn)生無(wú)功功率的同步電機(jī)，在過(guò)勵(lì)磁或欠勵(lì)磁的不同狀況下，可以 分別發(fā)出大小不同的容性或感性無(wú)功功率。自上世紀(jì)二、三十年代以來(lái)的幾十 年中，SC 在電力系統(tǒng)無(wú)功功率的控制中一度發(fā)揮著主要作用。由于噪聲和損耗 都比較大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，并且響應(yīng)速度慢，在很多情況下已無(wú)法適應(yīng)快速無(wú) 功功率控制的要求。因此二十世紀(jì) 70 年代以來(lái)，SC 開始逐漸被 SVC 取代，而 目前有些國(guó)家甚至已不再使用 SC。 隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)以及變流技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù) 也迎來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)，各種新型、自動(dòng)、快速的無(wú)功補(bǔ)償裝置相繼出現(xiàn)5。 SVC、STATCOM、UPFC 和 CSC 就是具有動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償功能最重要的幾種設(shè) 備品種，下面分別進(jìn)行介紹： (1)靜止無(wú)功補(bǔ)償器 SVC(Static Var Compensator)。由于使用晶閘管的 SVC 具有優(yōu)良的性能，因此十多年來(lái)占據(jù)了 SVC 的主導(dǎo)地位。SVC 一般專指使用 晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。按控制對(duì)象和控制方式的不同，可以分為晶閘管 控制電抗器 TCR(Thyristor Controlled Reactor)、晶閘管投切電容器 TSC(Thyristor Switched Capacitor)以及兩者的混合裝置(TCR+TSC)，或者 TCR 和固定電容 FC(Fixed Capacitor)配合使用的靜態(tài)補(bǔ)裝置(TCR+FC)等。TSC 及 TCR 的單相原理如圖 1-1 和 1-2 所示。圖 1-1 中串聯(lián)的小電抗器作用是抑制電 容器投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)刻可能產(chǎn)生的沖擊電流，有時(shí)也可以不畫出來(lái)。 第一章 緒 論 - 3 - I U I U 圖1-1 TSC單相原理圖 圖1-2 TCR單相原理圖 (2)靜止同步補(bǔ)償器 STATCOM(Static Synchoronous Compensator)，也稱為 新型靜止無(wú)功補(bǔ)償器 ASVC(Advanced Static Var Compensator)、靜止調(diào)相機(jī) STATCON(Static Condenser)、靜止無(wú)功發(fā)生器 SVG(Static Var Generator)4。它 的基本電路可分為電壓型橋式電路、電流型橋式電路兩種類型。電路基本結(jié)構(gòu) 如圖 1-3 所示。 STATCOM 基本工作原理是將橋式變流電路直接并聯(lián)或者通過(guò)電抗器并聯(lián) 在電網(wǎng)上，再適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式變流電路的交流側(cè)輸出電壓相位和幅值或者直接控 制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài) 無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｅc SVC 相比，STATCOM 具有五大優(yōu)點(diǎn)：元件容量小、調(diào)節(jié) 速度快、調(diào)節(jié)范圍廣、運(yùn)行范圍寬、諧波含量小。到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì) STATCOM 基本原理、主回路結(jié)構(gòu)、控制策略以及不對(duì)稱控制等做了很多研究 69，但還是有很多理論有待于進(jìn)一步的研究，在實(shí)際運(yùn)用中的一些問(wèn)題還有待 于解決。 (a)電壓型橋式電路 (b)電流型橋式電路 圖1-3 STATCOM電路基本結(jié)構(gòu)圖 (3)統(tǒng)一潮流控制器 UPFC(Unified Power Flow Controller)。將一臺(tái) 第一章 緒 論 - 4 - STATCOM 與一臺(tái)靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器 SSSC(Static Synchronous Series Compensator)的直流側(cè)通過(guò)直流電容相耦合，構(gòu)成了統(tǒng)一潮流控制器 UPFC。它 是目前為止通用性最好的 FACTS 裝置，包括電壓調(diào)節(jié)、串聯(lián)補(bǔ)償和移相等所 有功能。與其它的 FACTS 補(bǔ)償裝置相比，UPFC 具有控制范圍大，控制方式靈 活等優(yōu)點(diǎn)。 (4)可轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器 CSC(Convertible Static Compensator)。它是美國(guó) EPRI、西門子公司和許多電氣公司在 FACTS 領(lǐng)域長(zhǎng)期共同研究的結(jié)果，CSC 事實(shí)上是將已有的基于同步變流器串并聯(lián)補(bǔ)償器技術(shù)，通過(guò)在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)柔性 化，使它可以更加靈活地應(yīng)對(duì)時(shí)刻變化的電力系統(tǒng)的要求。 CSC 是由多個(gè)同步電壓源逆變器構(gòu)成，可同時(shí)控制 2 條以上線路潮流（有 功、無(wú)功）、電壓、阻抗和相角，并能實(shí)現(xiàn)線路之間的功率轉(zhuǎn)換。它實(shí)質(zhì)是一 種 UPFC 的多重組合。CSC 被認(rèn)為最新一代的 FACTS 裝置，目前僅在美國(guó) Marcy 變電站中安裝10。 1.3 國(guó)外同步投切技術(shù)發(fā)展研究情況 國(guó)外同步投切技術(shù)發(fā)展比國(guó)內(nèi)成熟，如日本三菱、日立、東芝，美國(guó)的 GE、西屋公司，德國(guó)西門子等都在電力無(wú)功補(bǔ)償方面的自動(dòng)化程度很高，日本 配電網(wǎng)系統(tǒng)的戶外補(bǔ)償電容器自動(dòng)投切率達(dá)到 86.4%，補(bǔ)償系統(tǒng)均采用先進(jìn)的 MCU 控制，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)級(jí)補(bǔ)償。從世界范圍來(lái)看，以 TCR 和 TSC 為代表的 靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置 SVC，占據(jù)了大部分動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償市場(chǎng)，該技術(shù)也將會(huì)是今 后研發(fā)的主要方向11。迄今為止，全世界配電系統(tǒng)中已有超過(guò)千套的 SVC 正 在運(yùn)行，這些設(shè)備總?cè)萘考s為 100GVar。 對(duì)于 UPFC，世界上很多國(guó)家都在開展研究工作。美國(guó)、法國(guó)均在加緊實(shí) 際裝置研究工作，美國(guó) Inez 變電站已經(jīng)于 1998 年在 138kV 系統(tǒng)安裝了 UPFC。我國(guó)也開展了 UPFC 的研究，已經(jīng)進(jìn)行了大量基本原理以及控制策略 研究。 1.4 國(guó)內(nèi)同步投切技術(shù)發(fā)展研究情況 目前使用機(jī)械投切并聯(lián)電容器組的補(bǔ)償裝置是我國(guó)電網(wǎng)中最為普遍的無(wú)功 第一章 緒 論 - 5 - 補(bǔ)償裝置l2，但投切開關(guān)易損壞，速度較慢，補(bǔ)償效果較差，近年來(lái)逐漸被 TSC 型無(wú)功補(bǔ)償裝置所代替。在我國(guó)輸電系統(tǒng)中有 5 個(gè) 500kV 變電站已經(jīng)安裝 了 6 套 SVC 設(shè)備，設(shè)備容量介于 105170Mvar 之間，但這 6 套裝置都為進(jìn)口。 現(xiàn)在還有 100 多套 SVC 已經(jīng)在工業(yè)用戶中安裝，而其中約 1/5 來(lái)自于進(jìn)口。從 2001 年起，工業(yè)用戶共安裝了 26 套由中國(guó)電力科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的 1035kV 的 TCR 無(wú)功補(bǔ)償裝置。在 2001 年與 2003 年該院同樣為有關(guān)變電站安裝 l0kV 的 TSC 型 SVC 裝置，填補(bǔ)了 SVC 國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用的空白1315。近幾年隨著計(jì)算 機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論也得到飛速發(fā)展，一些智能控制理論（如模糊控 制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等）逐漸成熟，研究人員為了使 SVC 裝置性能更 加可靠，運(yùn)行更加穩(wěn)定，相關(guān)理論很快被引入到了 SVC 控制策略中，但是這些 理論的研究目前尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，且在實(shí)際運(yùn)用中還有諸多問(wèn)題仍需解 決。 TSC(Thyristor Switched Capacitor)稱為晶閘管投切電容器，是一個(gè)對(duì)供電網(wǎng) 絡(luò)波動(dòng)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)南鄬?duì)獨(dú)立系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú) 功功率補(bǔ)償。晶閘管的投切時(shí)刻可以精確控制，可以快速無(wú)沖擊地將電容器接 入電網(wǎng)，大大減少了投切時(shí)的沖擊電流和操作困難，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為 0.010.02s。TSC 型無(wú)功補(bǔ)償裝置由于具有控制比較簡(jiǎn)單、價(jià)格相對(duì)低廉、速 度較快、運(yùn)行效果良好、滿足多數(shù)用戶實(shí)際需求等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在目前電網(wǎng) 中逐漸被采用，特別是在廠礦、鋼鐵等大中型企業(yè)中擁有十分廣闊的市場(chǎng)，所 以 TSC 型無(wú)功補(bǔ)償裝置在今后將成為國(guó)內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕b置16。 1.5 本論文研究的主要內(nèi)容 本論文根據(jù)目前無(wú)功補(bǔ)償裝置發(fā)展?fàn)顩r，分析當(dāng)前比較重要的幾種動(dòng)態(tài)無(wú) 功補(bǔ)償裝置原理、性能和適用場(chǎng)合，在此基礎(chǔ)之上，為滿足電力系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性 更高的要求，提出采用 DSP 進(jìn)行 TSC 控制的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，并進(jìn)行系統(tǒng) 軟硬件設(shè)計(jì)。 本文要做的工作如下： (1)主要闡述了課題研究的意義，對(duì)目前流行的幾種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在原 理、性能、使用場(chǎng)所等方面進(jìn)行比較，分析了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及設(shè)計(jì)的主 第一章 緒 論 - 6 - 要內(nèi)容，提出采用 DSP 進(jìn)行控制并采用無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)控制投切的無(wú)功補(bǔ)償裝置既 能快速地補(bǔ)償無(wú)功功率，滿足電能質(zhì)量的要求，成本較低，在目前的電網(wǎng)改造 中前景廣闊。 (2)對(duì) TSC 控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概述。介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理， 設(shè)計(jì)出了控制器的總體結(jié)構(gòu)。分析晶閘管過(guò)零觸發(fā)電路應(yīng)用于低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ) 償裝置的工作過(guò)程，提出在硬件電路上實(shí)現(xiàn)電容器組的無(wú)過(guò)渡過(guò)程投切的方法。 (3)介紹了 TSC 控制器的硬件設(shè)計(jì)，硬件電路從檢測(cè)、控制、執(zhí)行以及電 源來(lái)論述。這里著重對(duì)控制器電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 (4)主要內(nèi)容是控制器的軟件設(shè)計(jì)，包括主程序設(shè)計(jì)、模數(shù)轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)、 投切控制程序設(shè)計(jì)。 (5)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了概述性的總結(jié)。 第一章 緒 論 - 7 - 第二章 同步投切補(bǔ)償裝置總體概述 2.1 TSC 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本文所設(shè)計(jì)的無(wú)功補(bǔ)償裝置由四個(gè)部分組成：控制器單元、執(zhí)行單元、補(bǔ) 償器單元以及電源模塊。系統(tǒng)原理接線圖如圖2-1所示，補(bǔ)償器組成如表2-1所 示。 控制器 負(fù)載 A B C N a I b I c I a U b U c U 驅(qū)動(dòng) FU1FU2FU3FU4FU5FU6 FU7 FU8 FU9 QF F1 F2 F3 V1V2V3V4 V5V6 C1-1C1-2C1-3 C2-1C2-2C2-3 圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 表2-1 補(bǔ)償器組成項(xiàng)目表 代號(hào)名稱作用 QF 空氣斷路器接通、分?jǐn)嗉氨Ｗo(hù)作用 F1F3氧化鋅避雷針吸收瞬間過(guò)電壓 FU1FU6快速熔斷器過(guò)流保護(hù) 第二章 同步投切補(bǔ)償裝置總體概述 - 8 - V1V6晶閘管電容器組的投切開關(guān) FU7FU9小熔斷器保護(hù)作用 C1C2電容無(wú)功補(bǔ)償 2.2 TSC 系統(tǒng)工作流程 TSC 的整個(gè)系統(tǒng)工作流程如圖 2-2 所示。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)電壓、電流采樣后， 得出電壓、電流、無(wú)功功率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，之后分析計(jì)算并根據(jù)控制策略判斷后 進(jìn)行電容投切。投切電容后電網(wǎng)的各個(gè)參數(shù)出現(xiàn)相應(yīng)變化又反饋至電壓、電流 采樣中。 電壓、電流等 電參量采樣 電壓、電流、無(wú)功 功率等電參量計(jì)算 控制輸出 投切電容器 根據(jù)控制策略判 斷電容器投切 投切電容后， 電網(wǎng)各個(gè)電參 量變化 圖2-2 TSC系統(tǒng)工作流程圖 系統(tǒng)三相電壓、電流通過(guò)電壓電流傳感器，將電網(wǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所能處 理范圍內(nèi)的交流信號(hào)，通過(guò)限流保護(hù)、信號(hào)調(diào)等電路，進(jìn)入 ADC 內(nèi)部進(jìn)行模 數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到 DSP 中進(jìn)行 FIR 濾波處理。完成快速傅里葉變換 (FFT)，電壓峰值點(diǎn)提取等運(yùn)算并實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)電參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)判斷符合投 切條件后，首先檢測(cè)電網(wǎng)無(wú)功情況，計(jì)算出電網(wǎng)電流電壓相角，從而算出投切 電容量，保證功率因數(shù)維持在 0.95 以上。之后通過(guò)直流充電電路給電容器充電， 使之達(dá)到峰值電壓。最后，當(dāng)若干周期后 DSP 判斷出系統(tǒng)電壓峰值來(lái)臨時(shí)，發(fā) 出投入電容信號(hào)，通過(guò)光電隔離，送入可控硅控制模塊，它內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路和保 護(hù)電路。投入信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，控制晶閘管實(shí)現(xiàn)電容投入。要切除電容器 時(shí)，根據(jù)相位關(guān)系確定電壓零點(diǎn)時(shí)刻，DSP 發(fā)出關(guān)斷信號(hào)使電容器組切除。通 過(guò)人機(jī)接口單元進(jìn)行參數(shù)初始化、工作模式選擇、結(jié)果顯示及通過(guò) RS-485 半 雙工通訊方式與變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)或其他設(shè)備進(jìn)行通訊等，采用數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ) 存操作歷史紀(jì)錄、操作故障紀(jì)錄等相關(guān)數(shù)據(jù)，以便于掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀況與運(yùn)行 趨勢(shì)。 第二章 同步投切補(bǔ)償裝置總體概述 - 9 - 2.3 晶閘管投切電容器(TSC)的基本原理 TSC 基本原理如圖 2-3 所示。其中 2-3(a)是單相電路圖，其中兩個(gè)反并聯(lián) 的晶閘管只起將電容器從電網(wǎng)中并入或斷開的作用，而串聯(lián)的電感是用于抑制 電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能產(chǎn)生的沖擊電流，在多數(shù)情況下，這個(gè)電感往往不畫出 來(lái)。因此，當(dāng)電容器投入時(shí)，TSC 的電壓電流特性就是電容的伏安特性，即 如圖 2-3(c)中 OA 所示。在工程實(shí)際中，一般將電容器分為若干組，每組均由 晶閘管投切。這樣能根據(jù)電網(wǎng)無(wú)功需求投切這些電容器，TSC 事實(shí)上是斷續(xù)可 調(diào)的吸收容性無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器，它的電壓電流特性按照電容器組 數(shù)不同，可以是圖中的 OA、OB 或 OC。當(dāng) TSC 用于三相電路時(shí)，可以是形 連接，也可以是 Y 形連接。每一相均可設(shè)計(jì)成如圖 2-4(b)所示的那樣分組投切。 I U U I C I L I AB C O (a)單相結(jié)構(gòu)圖 (b)分組投切的 TSC 單向圖 (c)電流電壓特性 2-3 TSC基本原理示意圖 電容器分組方式有兩種。一種為等容分組方式，指各組電容器的容量相等， 優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，缺點(diǎn)是補(bǔ)償級(jí)差大，若想獲得較小的補(bǔ)償級(jí)差，必 須增加分組組數(shù)，相應(yīng)的控制設(shè)備和所占空間也要增加。另一種是不等容分組 方式，指各分組電容器容量不相等，優(yōu)點(diǎn)是利用較少的分組便可獲得較小的補(bǔ) 償級(jí)差。如 150kVar 電容，按照 8:4:2:1 原則進(jìn)行分組可實(shí)現(xiàn) 16 級(jí)組合，各組 容量分別為 l0kVar、20kVar、40kVar、80kVar，僅需 4 組就能達(dá)到 l0kVar 的補(bǔ) 償級(jí)差，若按等分方式，則必須分為 15 組才可達(dá)到 l0kVar 補(bǔ)償級(jí)差。 本文采用了按照 8:4:2:l 原則分組的不等容分組方式，雖然軟件控制較復(fù)雜， 但卻節(jié)省了電容器所占用的空間，同時(shí)大大節(jié)約了電容器投切開關(guān)的數(shù)量，在 第二章 同步投切補(bǔ)償裝置總體概述 - 10 - 實(shí)現(xiàn)較高補(bǔ)償精度的同時(shí)也節(jié)約了補(bǔ)償裝置的成本。 2.4 晶閘管投切電容器的投切時(shí)刻選取 由于 TSC 的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是投切電容器時(shí)刻選取。經(jīng)過(guò)分析，TSC 運(yùn)行時(shí)， 應(yīng)選擇交流電源電壓的電容器預(yù)先充電電壓相等時(shí)刻，觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的晶閘管 進(jìn)行電容投入，使電容電壓不會(huì)突變，不發(fā)生沖擊電流。理想情況是電容器充 電到電源峰值電壓，此時(shí)電源電壓變化率為零，可使電容電流為零，TSC 理想 的投切時(shí)刻原理如圖所示。設(shè)投入前電容器上端電壓已由上次最后導(dǎo)通的 V1 c u 充到電源電壓的正峰值，故本次導(dǎo)通應(yīng)選擇在與相等的 時(shí)刻使 V2 觸 s u s u c u 1 t 發(fā)導(dǎo)通，電容電流開始建立。以后每半周期再過(guò)零點(diǎn)出輪流觸發(fā) V1，V2。需要 切除電容時(shí)，選擇降為零的時(shí)刻撤除觸發(fā)脈沖，V2 關(guān)斷，V1 因?yàn)橛|發(fā)也不 c i 2 t 再導(dǎo)通，則保持 V2 導(dǎo)通時(shí)刻結(jié)束時(shí)的電源電壓負(fù)峰值，為下次投入電容器 c u 準(zhǔn)備。 AC c U s U v U c i 1V 2V C s u C u 1 VT u C i 2 VT 1 VT 1 t2 t t t t t 圖2-4 功率補(bǔ)償說(shuō)明圖 由分析得出 TSC 投入電容時(shí)刻，也就是晶閘管開通的時(shí)刻，同時(shí)必須使電 源電壓與電容器殘壓的幅值和相位相同。但是無(wú)論投入前電容器充電電壓（也 稱殘壓）是多少，其往往都是不易測(cè)量，所以必須通過(guò)其他一些方法來(lái)解決電 容器殘壓測(cè)量的問(wèn)題，這一問(wèn)題的解決將在第三章進(jìn)行論述。 本章對(duì) TSC 系統(tǒng)的組成進(jìn)行了總體性描述，詳細(xì)的介紹了該系統(tǒng)的工作流 程及并聯(lián)定容器無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕纠碚?，并且就投入電容器最佳時(shí)刻的選取做了 分析，從而為接下來(lái)的硬件設(shè)計(jì)打下了理論基礎(chǔ)。 第二章 同步投切補(bǔ)償裝置總體概述 - 11 - 第三章 TSC 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 控制器電路設(shè)計(jì) 控制器硬件設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：電源模塊、數(shù)據(jù)采集單元、DSP 及其外圍電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路以及通訊電路等。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)組成如圖 3-1 所示。 電網(wǎng)信號(hào) 電容器組 信號(hào)調(diào)理A/D轉(zhuǎn)換 外部存 儲(chǔ)器 光電隔離 時(shí)鐘 模塊 驅(qū)動(dòng)電路 DSP控制器通訊接口 電容器預(yù) 充電控制 可控硅同 步開關(guān) 外部看 門狗 JTAG模塊 電源模塊 圖3-1 系統(tǒng)硬件框圖 3.1.1 數(shù)據(jù)采集單元 數(shù)據(jù)采集單元包括電壓、電流信號(hào)形成電路，低通濾波電路，A/D 轉(zhuǎn)換電 路等。該單元作用是將電壓互感器與電流互感器二次側(cè)輸出電壓、電流的模擬 量經(jīng)過(guò)上述環(huán)節(jié)處理成大小與輸入量成正比、相位不失真的模擬量，A/D 轉(zhuǎn)換 通道進(jìn)行采樣，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能接受和識(shí)別的數(shù)字量，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和 運(yùn)算。 第三章 TSC 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) - 12 - 根據(jù)采樣定理，采用 FFT 測(cè)量諧波，若要求準(zhǔn)確測(cè)量 2n(n=l,2,3)次諧波， 則每周波采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)最少為 2n+l 個(gè)點(diǎn)。考慮 DSP 的數(shù)據(jù)處理能力突出，適于 進(jìn)行線性運(yùn)算的特點(diǎn)，以及測(cè)量精度的要求，取系統(tǒng)的采樣頻率為 3200Hz，即 每周波采樣 64 點(diǎn)，可準(zhǔn)確測(cè)量 32 次諧波量。 信號(hào)調(diào)理模塊功能是完成強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)之間的隔離及變換。包括信 號(hào)衰減和模擬抗混疊濾波器。由互感器得到的電壓和電流信號(hào)線性衰減成能輸 入 DSP 的量程范圍，再經(jīng)抗混疊濾波器濾波，A/D 轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn) 換?？够殳B濾波器的作用是把電力系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行低通濾波，濾除高頻分量， 使輸入 DSP 進(jìn)行處理的信號(hào)是滿足香農(nóng)采樣定律要求的信號(hào)，消除混2 sh ff 疊現(xiàn)象，提高 FFT 的運(yùn)算精度。 (1)電壓信號(hào)形成電路 如圖 2-1 所示，以 A 相輸入為例，B、C 相相同。電壓互感器采用 HPT304A 型精密互感器。它是一種電流型的微型電壓互感器，一次輸入電壓為 01000V，隔離耐壓為 2500V，非線性度0 時(shí)，表示偏差在加大，應(yīng)及時(shí)增加控制量，以減小偏差； e0.99 0.95功率因數(shù)0.99 檢測(cè)無(wú)功功率，選測(cè)出保證 且不過(guò)補(bǔ)的方案0.95cos0.99 投切振蕩超過(guò)5次 發(fā)送投切方案 閉鎖5分鐘 N Y N N N N Y Y Y 不動(dòng)作 Y 圖4-5 投切控制軟件流程圖 本章根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的功能要求，配合先前的硬件電路結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，對(duì) 系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了 DSP TMS320F2407 在系統(tǒng)中的關(guān) 鍵功能，并對(duì)主要程序的流程和內(nèi)容進(jìn)行了說(shuō)明。 總 結(jié) - 35 - 總 結(jié) 經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的不懈努力，基于 DSP 的同步投切無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)取得 了一定的成果。總結(jié)如下： (1)闡述了無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理等基本理論，對(duì) TSC 的工作機(jī)理進(jìn)行了 闡述。 (2)論文中的靜止無(wú)功發(fā)生器采用了先進(jìn)、高速的數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320LF2407 作為控制核心。充分利用其強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，能夠及 時(shí)完成采樣、控制、實(shí)時(shí)計(jì)算等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。DSP 在 TSC 的控制過(guò)程中表現(xiàn)出巨大的潛能，為以后越來(lái)越復(fù)雜的控制策略和方法提 供了一種解決平臺(tái)。 (3)通過(guò)分析電容器投入瞬間的暫態(tài)過(guò)程，得出了在電網(wǎng)電壓峰值處投入電 容器這一最優(yōu)時(shí)間點(diǎn)。結(jié)合晶閘管的工作特性選取了適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，并設(shè)計(jì) 了與之相適應(yīng)的硬件電路?？梢酝瓿深A(yù)充電，電壓刷新，電容器投入，殘電壓 處理等相關(guān)動(dòng)作，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。 由于作者水平所限及時(shí)間倉(cāng)促，還有許多工作沒(méi)有完成。對(duì) TSC 的軟硬件 設(shè)計(jì)還有需要完善的地方，在實(shí)驗(yàn)室階段還有很多的改進(jìn)工作要做，在控制方 式的研究上還要繼續(xù)深入地研究更有效的控制方法，使得 TSC 的功能能夠得到 更有效的發(fā)揮。特別是在軟件方面，我認(rèn)為需要修改和改善的地方還很多。今 后可從以下幾方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)： (1)對(duì)全數(shù)字化控制系統(tǒng)做進(jìn)一步完善，提高控制速度，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性， 使產(chǎn)品盡快從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用。 (2)現(xiàn)在的功率等級(jí)只是針對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的小功率設(shè)備，以后的 TSC 系統(tǒng) 還要提高功率等級(jí)。開發(fā)高電壓、大容量同步投切補(bǔ)償器。 (3)文中設(shè)計(jì)的 TSC 只對(duì)基波無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，如何對(duì)不對(duì)稱電壓下的無(wú)功 和諧波進(jìn)行補(bǔ)償將是今后值得研究的一個(gè)重要方面。 參考文獻(xiàn) - 36 - 參考文獻(xiàn) 1 K C.Liu，N Chen Voltage-peak synchronous closing control for shunt capacitors 2 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍著 .諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2002 3 孫成寶，劉福義著 . 低壓電力實(shí)用技術(shù) .北京：中國(guó)水利水電出版社， 1998 4 Arthit Sode-Yome，N. Mithulananthan Comparison o