電網(wǎng)電容式無功補(bǔ)償器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

1、福州大學(xué)至誠學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目： 電網(wǎng)電容式無功補(bǔ)償器的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名： 學(xué) 號： 系 別： 電氣工程系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 年 級： 指導(dǎo)教師： 年 月 日獨(dú)創(chuàng)性聲明本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的。文中引用他人研究成果的部分已在標(biāo)注中說明；其他同志對本設(shè)計(jì)（論文）的啟發(fā)和貢獻(xiàn)均已在謝辭中體現(xiàn)；其它內(nèi)容及成果為本人獨(dú)立完成。特此聲明。論文作者簽名： 日期： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解福州大學(xué)至誠學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)院有權(quán)保留送交論文的印刷本、復(fù)印件和電子版本，允許論文被查閱和借閱；學(xué)院可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印

2、、縮印、數(shù)字化或其他復(fù)制手段保存論文。保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定。論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 電網(wǎng)電容式無功補(bǔ)償器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要目前城鎮(zhèn)用電增加的負(fù)載中多數(shù)為感性負(fù)載，因而功率因數(shù)比較低，在低壓供電系統(tǒng)中安裝電網(wǎng)電容式無功補(bǔ)償器能夠有效提高功率因數(shù)節(jié)約電能降低線路的損耗從而提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。本文通過設(shè)計(jì)的無功補(bǔ)償器是采用DSP的智能無功補(bǔ)償裝置，采用電力電子元件，采用雙向晶閘管加接觸器能夠?qū)崿F(xiàn)過零投切電容，能夠避免在投切電容時(shí)產(chǎn)生很大的涌流。本文研究了無功補(bǔ)償對電網(wǎng)性能的改善，無功補(bǔ)償裝置的控制方式及原理，和控制器的硬件設(shè)計(jì)。在投切原則上，傳統(tǒng)的投切時(shí)僅用功率因數(shù)作為電容的

3、投切依據(jù)，這種投切方式無法保證投切的精確性，還可能出現(xiàn)重復(fù)投切的問題，本設(shè)計(jì)以系統(tǒng)以無功功率為投切依據(jù)，采用無功功率控制，避免了輕載振蕩。為了實(shí)現(xiàn)裝置應(yīng)具有的功能，本文設(shè)計(jì)了較為完整的控制電路和其外圍設(shè)備的硬件電路。其中包含觸發(fā)電路、采樣電路、顯示電路及抗干擾等。同時(shí)也考慮了電網(wǎng)諧波對補(bǔ)償裝置的影響，以及在電網(wǎng)諧波含量超標(biāo)時(shí)采取的相應(yīng)保護(hù)措施。關(guān)鍵詞：電容式無功補(bǔ)償 ，無弧投切 ，諧波抑制The design of power grid capacitance reactive power compensator system AbstractAt present the load of th

4、e increase in electricity town for most perceptual load and power factor is lower, in low voltage power supply system of installation power grid capacitive reactive compensation device can effectively improve the power factor save electric energy losses of the lower line so as to improve the quality

5、 of power supply of power grid. This article through the design of the reactive power compensation device using DSP is intelligent reactive compensation devices, the electric power electronic components, the two-way thyristor and contactor can realize zero cast cut capacitance, can avoid the shots w

6、hen cut capacitance produce very big current. In this paper, the reactive power compensation to improve the performance of power grid, the reactive power compensation device and the principle of the control mode, and the hardware of the controller design. In the cast cut in principle, the traditiona

7、l shots with only the cutting power factor as the capacitance for cutting basis, this way cant guarantee for cut for the accuracy of the cut, may also appear to repeat shots of the cut, the design for the system to reactive power cut basis for shots, the reactive power control, to avoid the light lo

8、ad oscillation. In order to realize the device should have the function, this paper designs a complete control circuit and its peripheral hardware circuit. Including trigger circuit, sampling circuit, show circuit and anti-jamming, etc. Also consider the harmonic wave in the power to compensate for

9、the device, and the influence of the harmonic content exceeds mark in the corresponding protection measures to be adopted.Key Words：Capacitance reactive compensation，No arc cast cut， Harmonic control目 錄第1章 緒 論11.1 電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)谋尘昂鸵饬x11.2 電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展趨勢和國內(nèi)外現(xiàn)狀11.2.1 早期無功補(bǔ)償方式21.3 電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)男录夹g(shù)3第2章 無功補(bǔ)償基本原理52.1 需要

10、進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)脑?2.1.1無功補(bǔ)償?shù)囊话愀拍?2.2 電力網(wǎng)絡(luò)功率理論52.3 無功補(bǔ)償?shù)淖饔?2.3.1 電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)娜N情況72.3.2 電網(wǎng)無功補(bǔ)償效益82.4 并聯(lián)電容器的投切方式82.5 并聯(lián)電容器的三種接線方式92.6 電網(wǎng)無功補(bǔ)償中諧波的抑制112.6.1 諧波的產(chǎn)生及其危害112.6.2 電網(wǎng)中諧波抑制的方法11第3章 無功補(bǔ)償器硬件設(shè)計(jì)123.1 設(shè)計(jì)任務(wù)133.2 主電路設(shè)計(jì)143.3 控制器主控制芯片的選取153.4 電壓電流、功率因數(shù)的采集與濾波173.4.1 模擬信號輸入處理單元173.4.2 ALF低通濾波電路193.4.3 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生回路203.4.4 同

11、步方波產(chǎn)生回路203.4.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換器213.5 LF2407DSP系統(tǒng)模塊213.6 電容的無弧投切243.6.1 晶閘管的選取253.7 顯示通訊電路設(shè)計(jì)25第4章 無功補(bǔ)償控制器軟件設(shè)計(jì)294.1 主程序編寫294.2 功率因數(shù)的計(jì)算314.3 電容投切的依據(jù)314.4 中斷程序編寫314.5 串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路讀寫程序33結(jié)論34參考文獻(xiàn)35謝辭3636電網(wǎng)電容式無功補(bǔ)償器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)第1章 緒 論1.1 電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)谋尘昂鸵饬x進(jìn)入21世紀(jì)伴隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國家電力工業(yè)的任務(wù)也更加艱巨，伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展我國的電力行業(yè)也在與時(shí)俱進(jìn)。由于工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)代電網(wǎng)中的無功損耗也急劇增大，使

12、電網(wǎng)電能質(zhì)量惡化，同時(shí)也加重了線路和變壓器的負(fù)擔(dān)和損耗。如今國家正在倡導(dǎo)節(jié)能減排，因此電網(wǎng)中的無功補(bǔ)償問題越來越引起學(xué)者們的關(guān)注。無論是在工業(yè)負(fù)載還是生活負(fù)載中，阻感性負(fù)載都占有很大的比例，比如變壓器、異步電動(dòng)機(jī)和很多的家用電器都是阻感性負(fù)載。這些負(fù)荷的自然功率因數(shù)都比較小，它們所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)傳輸?shù)牡碾娏恐姓加泻芨叩谋壤?。如果能夠減小線路中的無功功率就能夠提高電能的傳輸效率。線路中的無功功率的增加會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)偏低，導(dǎo)致電流的增大和系統(tǒng)電壓的下降，從而增加了線路和設(shè)備的損耗，導(dǎo)致大量電能的損耗。因此需要對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)的電容器可以進(jìn)行無功補(bǔ)償，但對配電網(wǎng)來說，抑

13、制諧波是很有必要的，對于并聯(lián)的電容組，我們抑制諧波的方法是使用串聯(lián)電抗器，就是在電容旁邊串聯(lián)一個(gè)電抗器，使得補(bǔ)償回路的阻抗在某次諧波相對于感性負(fù)載來說呈感性，從而消除由于電路呈容性帶來的諧波震蕩。無功補(bǔ)償?shù)姆绞接屑醒a(bǔ)償、分散補(bǔ)償、就地補(bǔ)償?shù)?。其中就地補(bǔ)償?shù)男Ч亲蠲黠@的，裝設(shè)在異步電動(dòng)機(jī)或電感性設(shè)備附近，這種方式不僅提高了用電設(shè)備供電回路的功率因數(shù)，還能夠改善用電設(shè)備的電壓質(zhì)量。無功補(bǔ)償裝置裝在變壓器低壓側(cè)，能對電壓、電流、無功功率、有功功率、功率因數(shù)這些電力參數(shù)能夠快速準(zhǔn)確的檢測和無功補(bǔ)償。能夠及時(shí)掌握設(shè)備和線路的運(yùn)行狀態(tài)，從而采取有效措施保證設(shè)備的正常運(yùn)行。最后總結(jié)無功補(bǔ)償作用：提高電壓

14、質(zhì)量；提高變壓器利用率，減少設(shè)備投資；減少用戶電費(fèi)支出；提高電網(wǎng)傳輸能力。1.2 電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展趨勢和國內(nèi)外現(xiàn)狀由于我過國情我國對無功補(bǔ)償?shù)难芯块_發(fā)起步相對較晚，整體測量水平較低，其中存在實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，檢測指標(biāo)少，效率低，無功補(bǔ)償往往和電力參數(shù)檢測設(shè)備分離等軟肋。如今我國還在使用一些模擬式和數(shù)字式測量儀表，雖然近些年來一些先進(jìn)的專門測量控制裝置已經(jīng)在一些部門投入了使用，但是多數(shù)都是進(jìn)口的一些設(shè)備，國內(nèi)對于這些設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)的能力都還存在很多的不足。慶幸的是近年來，我國的不少廠家通過借鑒國外的設(shè)備或是通過與外國公司的合作，不斷研制和推出了各種系列的高性能測量補(bǔ)償儀器，還具有RS232，RS-

15、485等通訊方式。但是都還存在例如設(shè)備體積較大，功能不全面，功耗高，沒有遠(yuǎn)程無線通信功能，儀器數(shù)據(jù)存儲量較低，無友好液晶菜單界面和補(bǔ)償效果較差等缺點(diǎn)。國外對電力測量補(bǔ)償控制設(shè)備的研究和開發(fā)起步較早，設(shè)備儀器已經(jīng)進(jìn)入智能化時(shí)代，進(jìn)入90年代來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)特別是網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，使得測量控制裝置得到空前發(fā)展。國外各大公司把這些技術(shù)應(yīng)用于測量控制裝置上，研制推出了眾多在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先的設(shè)備儀器，如美國Fluke公司推出的F43B電能質(zhì)量分析儀，瑞典UNIPOWER公司的LIP系列電能質(zhì)量測量控制器等，可實(shí)時(shí)檢測電力系統(tǒng)中的所有參數(shù)，計(jì)算高達(dá)51次的諧波，可以捕捉電壓瞬

16、變和驟升驟降及浪涌電流的顯示，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，還融合計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、總線技術(shù)和虛擬儀器相關(guān)技術(shù)，將測量、控制、分析集成于一體；這種裝置體積小，測量精度較高，具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化功能，可以測量電壓、電流、功率因數(shù)、頻率、無功功率、視在功率、諧波及其他電力參數(shù)值的測量，進(jìn)行多條記錄存儲、可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測量、控制?？刂瞥a(bǔ)償基波無功外，還具有平衡三相電壓、抑制電壓閃變等功能。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流無觸點(diǎn)開關(guān)SCR 、GTR、GTO等的出現(xiàn)，將其作為投切開關(guān)速度可以提高500倍(約為10s)，對任何系統(tǒng)參數(shù)，無功補(bǔ)償都可以在一個(gè)周波內(nèi)完

17、成，而且可以進(jìn)行單向調(diào)節(jié)?，F(xiàn)今所指的無功補(bǔ)償裝置一般專指使用晶閘管的無功補(bǔ)償設(shè)備，主要有以下三大類型：一類是具有飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置(SR：Saturated Reactor)；第二類是晶閘管控制電抗器(TCR：Thyristor Control Reactor)；第三類是晶閘管投切電容器(TSC：Thyristor Switch Capacitor)，后兩類裝置統(tǒng)稱為SVC( Static Var Compensator)。1.2.1 早期無功補(bǔ)償方式早期無功補(bǔ)償裝置有同步調(diào)相機(jī)和并聯(lián)電容器。（1）同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)是通過調(diào)整勵(lì)磁電流，使其在超前功率因數(shù)下運(yùn)行，輸出有功功率的同時(shí)輸出無

18、功功率。與同步調(diào)相機(jī)類似，目前不常用。（2）并聯(lián)電容器并聯(lián)電容器可以改善線路參數(shù)，減少線路感性無功功率。并聯(lián)電容器簡單經(jīng)濟(jì)，靈活方便，但其功率調(diào)節(jié)性能較差。與同步調(diào)相機(jī)相比，其費(fèi)用節(jié)省很多，且維護(hù)方便，即可集中補(bǔ)償，也可分散裝設(shè)，所以還是我國目前主要的無功補(bǔ)償方式。其缺點(diǎn)是電容器只能補(bǔ)償固定的無功功率，且容易發(fā)生并聯(lián)諧振而燒壞電容器。（3）同步調(diào)相機(jī)同步調(diào)相機(jī)可理解為專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機(jī)，可根據(jù)需要控制同步電機(jī)的勵(lì)磁，使其工作在過勵(lì)磁或欠勵(lì)磁的狀態(tài)下，從而發(fā)出大小不同的容性或感性無功功率，因此同步調(diào)相機(jī)可對系統(tǒng)無功進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。但是它屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運(yùn)行中的損耗和噪聲都比較大，運(yùn)行維護(hù)

19、復(fù)雜，成本高，且響應(yīng)速度慢，難以滿足快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)囊蟆?.3 電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)男录夹g(shù)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近幾年出現(xiàn)了多種電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償新技術(shù)。電力電子技術(shù)是現(xiàn)代無功補(bǔ)償技術(shù)的基礎(chǔ)，電力電子器件向快速、高電壓、大功率發(fā)展，使采用電力電子器件的無功補(bǔ)償從根本上改變了交流輸電網(wǎng)過去基本只依靠機(jī)械型、慢速、間斷及不精確的控制的局面，從而為交流輸電網(wǎng)提供了空前快速、連續(xù)和精確的控制以及優(yōu)化潮流功率的能力。隨著電力電子器件的發(fā)展，無功補(bǔ)償控制器在其性能和功能上也出現(xiàn)不同的發(fā)展階段。無功補(bǔ)償控制器己由基于SCR的靜止無功補(bǔ)償器(StaticVarCompensator-SVC)、晶閘管控制串聯(lián)電容

20、補(bǔ)償器(Thyristor Controlled Series Compcnsator-TCSC)發(fā)展到基于GTO的靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator-SVG)、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(StaticSynchoronous Series Compcnsator-SSSC)、統(tǒng)一潮流控制器(Unificd Power FlowController-UPFC)、可轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器(Convcrtible Static Compensator-CSC)等。（1）靜止無功補(bǔ)償器（SVC）SVC是利用晶閘管作為固態(tài)開關(guān)來控制接入系統(tǒng)的電抗器和電容器的容量，從而改變輸電系統(tǒng)的導(dǎo)納。按控制對

21、象和控制方式不同，分別稱之為晶閘管控制電抗器(Thyristor Control Reactor-TCR)，晶閘管投切電容器(ThyristorSwitchCapacitor-TSC)以及這兩者的混合裝置(TCR+TSC)，TCR與固定電容器(Fixed Capacitor-FC)配合使用的靜止無功補(bǔ)償器(TCR+FC)和TCR與機(jī)械投切電容器(Mechanically Switch Capacitor-MSC)配合使用的裝置(TCR+MSC)。（2）靜止無功發(fā)生器（SVG）靜止無功發(fā)生器(SVG)也稱為靜止調(diào)相機(jī)(Static Condenser-STATCON)，靜止同步補(bǔ)償器(Stati

22、c Synchronous Compensator-STATCOM)、新型靜止無功發(fā)生器(Advanced Static Vat Generator-ASVG)。其分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。電壓型橋式電路，其直流側(cè)采用電容作為儲能元件，交流側(cè)通過串聯(lián)電抗器并入電網(wǎng)；電流型橋式電路，直流側(cè)采用電感作為儲能元件，交流側(cè)并聯(lián)上電容器后接入電網(wǎng)。迄今投入實(shí)用的SVG大都采用電壓型橋式電路，因此SVG往往專指采用自換相的電壓型橋式電路作為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。與SVC相比，SVG具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：調(diào)節(jié)速度快，運(yùn)行范圍寬，可以在從感性到容性的整個(gè)范圍中進(jìn)行連續(xù)的無功調(diào)節(jié)，SVG不需大容量的

23、電容、電感等儲能元件，諧波含量小。（3）同一潮流控制器（UPFC）將SVG中與電網(wǎng)并聯(lián)的電壓器改為與電網(wǎng)串聯(lián)的變壓器，就成為靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(Static Synchoronous Series Compensator-SSSC)，它能實(shí)現(xiàn)對線路潮流的快速控制。把一臺SVG與一臺SSSC的直流側(cè)通過直流電容耦合，就構(gòu)成了統(tǒng)一潮流控制器UPFC，SVG與SSSC既可配合使用也可解耦獨(dú)立運(yùn)行。由于SVC，STATCOM只能控制無功功率以調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，如果系統(tǒng)某一局部同時(shí)有多種要求，就需要在該處設(shè)置幾種裝置。這增大了安裝、調(diào)試的工作量，同時(shí)設(shè)備的投資也相當(dāng)可觀。UPFC的基本思想正是用一種統(tǒng)一的電

24、力電子控制裝置，僅通過控制規(guī)律的變化，就能對線路電壓、阻抗、相位等電力系統(tǒng)基本參數(shù)同時(shí)進(jìn)行控制，從而能分別或同時(shí)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、移相等幾種不同的功能，與其它無功補(bǔ)償裝置相比，UPFC控制范圍較大，控制方式更為靈活。（4）可轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器（CSC）CSC被認(rèn)為是最新一代的無功補(bǔ)償裝置，目前僅在美國Marcy變電站中安裝了此裝置。其中作為SVG運(yùn)行的兩臺100Mvar并聯(lián)部分己于2000年分別在兩條線路上安裝完畢，兩臺作為SSSC運(yùn)行的串聯(lián)部分目前尚未安裝完畢。由于無功補(bǔ)償技術(shù)及其控制器發(fā)展迅猛，一些新的裝置不斷被開發(fā)出來，使得無功補(bǔ)償控制器中的新舊裝置出現(xiàn)并存發(fā)展的局面，無功補(bǔ)償控制器中

25、的無功補(bǔ)償裝置SVC，SvG，UPFC及CSC目前也處于這樣一種發(fā)展情況。作為較早出現(xiàn)的無功補(bǔ)償裝置SvC，由于采用的是傳統(tǒng)的半控型器件SCR成本低，且技術(shù)成熟，因此是目前越來越多使用的無功補(bǔ)償裝置。目前對SVC的研究主要集中在控制策略上。模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等智能控制手段被引入SVC控制系統(tǒng)，使SVC系統(tǒng)的性能更加提高。而SVG，UPFC及CSC目前的應(yīng)用僅局限于個(gè)別工程，尚無法大規(guī)模應(yīng)用，一方面是由于這些無功補(bǔ)償裝置需大量借助于全控器件，而全控器件目前價(jià)格非常昂貴，使得目前該類無功補(bǔ)償裝置的工程造價(jià)比SVC高；另一方面，此類無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)還不完善，有許多技術(shù)問題尚待解決。但

26、大功率電力電子器件技術(shù)本身發(fā)展迅速，未來的功率器件開關(guān)容量會(huì)逐步增大，價(jià)格則相應(yīng)下降，此類以GTO等新型全控器件為核心的無功補(bǔ)償裝置的造價(jià)會(huì)逐步降低。國際大電網(wǎng)會(huì)議曾展開有關(guān)SVC與SVG的性價(jià)比的討論，不少專家認(rèn)為，由于SVG不需采用大量的電容器就可以實(shí)現(xiàn)無功的快速調(diào)節(jié)，而電容器的價(jià)格多年來比較穩(wěn)定，不可能大幅度下降；相反，電力電子器件的價(jià)格會(huì)不斷下降，故預(yù)計(jì)SVG會(huì)比SVC更有競爭力，由此可見，隨著造價(jià)的降低和技術(shù)的完善，在不遠(yuǎn)的將來SVG，UPFC及CSC將成為無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。第2章 無功補(bǔ)償基本原理2.1 需要進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)脑蛟诮涣麟娐分?，由電源供給負(fù)載的電功率有兩種；一種是

27、有功功率，一種是無功功率。有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率，是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量（機(jī)械能、光能、熱能）的電功率。無功功率比較抽象，它是電路內(nèi)電場與磁場的交換，在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，就要消耗無功功率。無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動(dòng)機(jī)需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場，在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此，沒有無功功率，電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器也不能變壓，交流接觸器不

28、會(huì)吸合。在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時(shí)還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。但是從發(fā)電機(jī)和高壓輸電線供給的無功功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了負(fù)荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補(bǔ)償裝置來補(bǔ)充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設(shè)備才能在額定電壓下工作。無功補(bǔ)償是把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換。這樣，感性負(fù)荷所需要的無功功率可由容性負(fù)荷輸出的無功功率補(bǔ)償。2.1.1無

29、功補(bǔ)償?shù)囊话愀拍顚㈦娙萜髋c電感并聯(lián)在同一電路中，電感吸收能力時(shí)，電容器正好釋放能量。而電感放出能量時(shí)，電容器卻在吸收能量。能量就這樣在它們之間交換。即感性負(fù)荷所吸收的無功功率可由電容器所輸出的無功功率中得到補(bǔ)償。因此，把由電容器組成的裝置稱作為無功補(bǔ)償裝置。此外，同步發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)等也可作為無功補(bǔ)償裝置。2.2 電力網(wǎng)絡(luò)功率理論電力網(wǎng)除了要負(fù)擔(dān)用電負(fù)荷的有功功率P，還要承擔(dān)負(fù)荷的無功功率Q。有功功率P與無功功率Q，還有視在功率S之間存在功率三角形關(guān)系，如圖2-1所示圖2-1功率三角形公式如下： (2-1) (2-2) (2-3)其中U為電壓有效值，I為電流有效值。cos被定義為電力網(wǎng)的功率因數(shù)

30、，其物理意義是供給線路的有功功率P占線路視在功率s的百分?jǐn)?shù)。在電力網(wǎng)運(yùn)行中，我們希望的是功率因數(shù)越大越好，如果能做到這一點(diǎn)，則電路中的視在功率將大部分用來供給有功功率，可以減少無功功率的消耗。（1）自然功率因數(shù)自然功率因數(shù)是指供用電設(shè)備在沒有采取任何補(bǔ)償手段的情況下，設(shè)備本身固有的功率因數(shù)，稱自然功率因數(shù)，也就是說在投入無功補(bǔ)償裝置前設(shè)備本身有功功率與視在功率的比值。沒各自然功率因數(shù)的高低取決于負(fù)荷性質(zhì)和負(fù)荷狀態(tài)。對于電阻性負(fù)荷，其功率因數(shù)較高，而對于電感性負(fù)荷，其功率因數(shù)就較低。另外在設(shè)備負(fù)荷很低的時(shí)候，其自然功率因數(shù)也就低。（2）經(jīng)濟(jì)功率因數(shù)經(jīng)濟(jì)功率因數(shù)是指客戶的節(jié)能效益和電能質(zhì)量最佳，支

31、付電費(fèi)最少的功率因數(shù)。用戶安裝一定容量的無功補(bǔ)償裝置可提高用戶的功率因數(shù)，就減少了無功功率和有功功率損失，用戶功率因數(shù)提高到何值最為經(jīng)濟(jì)，應(yīng)綜合考慮兩個(gè)方面：一是為了保證系統(tǒng)正常的運(yùn)行電壓水平，無功電源和無功負(fù)荷必須保持平穩(wěn)并留有一定的余量；二是按運(yùn)行費(fèi)用最小的原則決定用戶的經(jīng)濟(jì)功率因數(shù)。2.3 無功補(bǔ)償?shù)淖饔脽o功補(bǔ)償?shù)闹饕饔檬菫榱颂岣吖β室驍?shù)，在用戶端采用無功補(bǔ)償裝置，達(dá)到我國電力設(shè)備的有關(guān)規(guī)定，即在電力用戶變壓器的高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.9，低壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.85，目前國內(nèi)低壓無功補(bǔ)償裝置一般都是在用戶端并聯(lián)電容器。并聯(lián)電容器可提供超前的無功功率以補(bǔ)償感性負(fù)荷，多裝于降壓變電所，還

32、可就地補(bǔ)償。補(bǔ)償前后的功率三角形如圖2-2所示，功率因數(shù)角由1降到2。從功率三角形可得所需補(bǔ)償?shù)臒o功容量為： (2-4)補(bǔ)償前后的功率三角形如圖2-2所示。圖2-2 補(bǔ)償前后功率三角形目前大多數(shù)補(bǔ)償裝置采用并聯(lián)電力電容器方法，但電容一旦投入后，它不隨感性負(fù)載的變化而變化，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電網(wǎng)上可能出現(xiàn)超前的或滯后的無功，即所謂過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償問題。2.3.1 電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)娜N情況（1）無功功率滯后欠補(bǔ)償由于補(bǔ)償?shù)碾娙萘緾不足，使k較小，系統(tǒng)中的容性電流不足以補(bǔ)償感性電路中電流的無功分量，使負(fù)載仍得向電網(wǎng)索取一定數(shù)量的無功功率，未達(dá)到補(bǔ)償要求。（2）無功功率超前過補(bǔ)償由于投入的電容器容量C

33、較大，使Ic較大，系統(tǒng)中容性電流大于感性負(fù)載中的無功分量，這時(shí)從無功電表上看要倒轉(zhuǎn)，整個(gè)負(fù)載成容性，這時(shí)要向電網(wǎng)倒送無功功率。另外，從經(jīng)濟(jì)的角度看，電容器的容量越大，成本也越大。（3）全補(bǔ)償要做到全補(bǔ)償一般比較困難，另外如實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償?shù)脑挘瑢?huì)出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，就會(huì)出現(xiàn)諧波放大，損壞電器設(shè)備?？傊?，在感性負(fù)載端并入適當(dāng)大小的電容器進(jìn)行補(bǔ)償，必須從經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的角度綜合考慮，確定最優(yōu)補(bǔ)償容量和補(bǔ)償容量的最優(yōu)分布。2.3.2 電網(wǎng)無功補(bǔ)償效益在現(xiàn)代用電企業(yè)中，在數(shù)量眾多、容量大小不等的感性設(shè)備連接于電力系統(tǒng)中，以致電網(wǎng)傳輸功率除有功功率外，還需無功功率。如自然平均功率因數(shù)在0.700.85之間。企業(yè)消耗電

34、網(wǎng)的無功功率約占消耗有功功率的60%90%,如果把功率因數(shù)提高到0.95左右，則無功消耗只占有功消耗的30%左右。由于減少了電網(wǎng)無功功率的輸入，會(huì)給用電企業(yè)帶來效益。（1）節(jié)省企業(yè)電費(fèi)開支。提高功率因數(shù)對企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)效益是明顯的，因?yàn)閲译妰r(jià)制度中，從合理利用有限電能出發(fā)，對不同企業(yè)的功率因數(shù)規(guī)定了要求達(dá)到的不同數(shù)值，低于規(guī)定的數(shù)值，需要多收電費(fèi)，高于規(guī)定數(shù)值，可相應(yīng)地減少電費(fèi)?？梢?，提高功率因數(shù)對企業(yè)有著重要的經(jīng)濟(jì)意義。（2）提高設(shè)備的利用率。對于原有供電設(shè)備來講，在同樣有功功率下，因功率因數(shù)的提高，負(fù)荷電流減少，因此向負(fù)荷傳送功率所經(jīng)過的變壓器、開關(guān)和導(dǎo)線等供配電設(shè)備都增加了功率儲備，從

35、而滿足了負(fù)荷增長的需要；如果原網(wǎng)絡(luò)已趨于過載，由于功率因數(shù)的提高，輸送無功電流的減少，使系統(tǒng)不致于過載運(yùn)行，從而發(fā)揮原有設(shè)備的潛力；對尚處于設(shè)計(jì)階段的新建企業(yè)來說則能降低設(shè)備容量，減少投資費(fèi)用，在一定條件下，改善后的功率因數(shù)可以使所選變壓器容量降低。因此，使用無功補(bǔ)償不但減少初次投資費(fèi)用，而且減少了運(yùn)行后的基本電費(fèi)。（3）降低系統(tǒng)的能耗。補(bǔ)償前后線路傳送的有功功率不變，P= UICOS，由于COS提高，補(bǔ)償后的電壓U2稍大于補(bǔ)償前電壓U1,當(dāng)功率因數(shù)從0.700.85提高到0.95時(shí)，有功損耗將可以降低20%45%。（4）改善電壓質(zhì)量。無功補(bǔ)償能改善電壓質(zhì)量（一般電壓穩(wěn)定不宜超過3%）。對于無

36、功補(bǔ)償應(yīng)用的主要目的是改善功率因數(shù)，減少線損，穩(wěn)定電壓。（5）三相異步電動(dòng)機(jī)通過就地補(bǔ)償后，由于電流的下降，功率因數(shù)的提高，從而增加了變壓器的容量。2.4 并聯(lián)電容器的投切方式等電壓投零電流切的新型無觸點(diǎn)開關(guān)電路的接線如圖2-3所示，圖中J為交流接觸器的觸點(diǎn)。其運(yùn)行操作順序說明如下：當(dāng)投入電容器時(shí)，先由微電腦控制器發(fā)出信號給晶閘管開關(guān)電路，使之在等電壓時(shí)投入電容器，微電腦的控制器緊接著又發(fā)信號給接觸器J，使其觸點(diǎn)也閉合，將晶閘管開關(guān)電路短路，由于接觸器J閉合后的接觸電阻遠(yuǎn)小于開關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)的電阻，達(dá)到了節(jié)能和延長開關(guān)電路使用壽命的目的。當(dāng)需要切除電容器時(shí)控制器先發(fā)信號給接觸器，使接觸器觸點(diǎn)J斷

37、開，此時(shí)開關(guān)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，并由開關(guān)電路在電流過零時(shí)，將電容器切除。本方案的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行功耗低、涌流小、諧波影響小，制造成本低，開關(guān)電路和接觸器的使用壽命長。圖2-3等電壓投零電路切電路2.5 并聯(lián)電容器的三種接線方式（1）三相共補(bǔ)接線方式這種接線方式是傳統(tǒng)低壓補(bǔ)償所采取的方式，據(jù)控制器統(tǒng)一取樣，三相投入相同的補(bǔ)償量，此種接線方式適用于三相負(fù)載較為平衡且各相功率因素相近的網(wǎng)絡(luò)，其接線圖如圖2-4所示。圖2-4并聯(lián)電容器接三相共補(bǔ)接線（2）三相分補(bǔ)接線三相分補(bǔ)接線就是各相分別取樣，各相分別投入不同的補(bǔ)償容量，這種接線方式適用于各相負(fù)載相差較大且功率因數(shù)的值也相差較大的場合。與三相公布的不同是它

38、采用的是Y型接法，器接線圖如圖2-5所示。圖2-5并聯(lián)電容器Y接三相分別接線（3）三相共補(bǔ)與分補(bǔ)結(jié)合的接線方法為了能夠更加合理節(jié)能，我們也可以采用三相共補(bǔ)與三相分補(bǔ)相結(jié)合的方式即-Y接線。這種接線方式運(yùn)行方式靈活，且能夠節(jié)約投資成本。其接線圖如圖2-6所示。圖2-6三相共補(bǔ)與分補(bǔ)結(jié)合2.6 電網(wǎng)無功補(bǔ)償中諧波的抑制2.6.1 諧波的產(chǎn)生及其危害電力電子技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了近代電力系統(tǒng)的發(fā)展，但同時(shí)也給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染問題。高次諧波已成為電力系統(tǒng)的一大“公害”，必須采取有效的措施來加以抑制。隨著電力電子器件及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大量的非線性用電設(shè)備廣泛應(yīng)用于冶金、鋼鐵、能源、交通、化工

39、等工業(yè)領(lǐng)域，如電解裝置、電氣機(jī)車、軋鋼機(jī)械和高頻設(shè)備等接入電力網(wǎng)，是電網(wǎng)的諧波污染狀況日益嚴(yán)重，降低了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。諧波是由諧波電流產(chǎn)生的，當(dāng)正弦電壓施加在非線性負(fù)荷上時(shí)，電流變?yōu)榉钦也?，由于?fù)荷與電網(wǎng)相連，非正弦電流就會(huì)注入電網(wǎng)，在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降形成非正弦波，使電壓或電流畸變，所以非線性負(fù)荷就是電網(wǎng)的諧波源。諧波為電網(wǎng)的公害，因?yàn)橹C波電流的存在不單會(huì)引起電壓波形的畸變而且還會(huì)對電網(wǎng)和電氣設(shè)備產(chǎn)生多方面的危害，因此在配電網(wǎng)中對諧波進(jìn)行抑制是必須的。大量諧波電流流入電網(wǎng)后，由電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降，疊加在電網(wǎng)基波上，引起電網(wǎng)的電壓畸變，致使電能質(zhì)量變差。當(dāng)注入公用電網(wǎng)的諧波超過一定值時(shí)，會(huì)

40、對電網(wǎng)自身及用電設(shè)備的正常運(yùn)行造成損害：在某些時(shí)段會(huì)使注入到電網(wǎng)的諧波電流對公用電網(wǎng)造成的諧波問題特別突出，這不但使接入該電網(wǎng)的設(shè)備無法正常工作，甚至造成故障，而且還會(huì)使供電系統(tǒng)中性線承受的電流超載，影響供電系統(tǒng)的電力輸送。因此諧波問題得到各有關(guān)方面的高度重視。2.6.2 電網(wǎng)中諧波抑制的方法（1）減少諧波源整流源是電網(wǎng)諧波的主要來源之一，對諧波源采取有效的措施是減少諧波源的有效方法。如在三相整流變壓器中采用Dy或Yd接線，由于三次及其整數(shù)倍的諧波電流在三角形連接繞組內(nèi)形成環(huán)流，但不會(huì)在星形連接的繞阻內(nèi)出現(xiàn)三次及其整數(shù)倍的諧波電流，所以采用Dy或Yd接線的三相整流變壓器能夠有效抑制三次諧波及其

41、整數(shù)倍次的諧波電流注入電網(wǎng)中。另外增加整流裝置的脈沖數(shù)也能夠減少諧波，整流裝置的脈沖數(shù)越多其次數(shù)高的諧波被消去的也越多。（2）裝設(shè)濾波器在產(chǎn)生諧波源的設(shè)備處安裝濾波裝置，吸收諧波電流，是防止諧波電流注入電網(wǎng)的有效方法，是電網(wǎng)諧波抑制的關(guān)鍵技術(shù)。交流濾波器 在大容量靜止諧波源和電網(wǎng)的連接處裝設(shè)無源交流濾波器，利用R、L、C電路串聯(lián)諧振的原理，使得濾波器的各組調(diào)諧回路分別對特定諧波進(jìn)行調(diào)諧發(fā)生串聯(lián)諧振，即對特定頻率諧波呈現(xiàn)零阻抗，從而吸收諧波電流阻止該次諧波注入電網(wǎng)。諧振次數(shù)n= (2-5)諧振頻率 （2-6）n次諧波阻抗Z (2-7)（3）有源電力濾波器（APF），是一種新型諧波抑制和無功補(bǔ)償裝

42、置，它不同于傳統(tǒng)的LC無源濾波器（只吸收固定頻率的諧波），它能對電流和頻率都在變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。有源濾波器按其接入電網(wǎng)的方式，可分為串聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)有源濾波器兩大類。目前實(shí)際應(yīng)用的AFP裝置中，90以上是采用電壓逆變器的并聯(lián)型結(jié)構(gòu)。近年來，為了發(fā)揮有源濾波器的優(yōu)勢，提高性能，減少容量，降低成本，增強(qiáng)適用性，又設(shè)計(jì)出了串、并聯(lián)混合型的有源濾波器。第3章 無功補(bǔ)償器硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)主要包括參數(shù)的采樣、信號濾波、電容器的投切與人機(jī)界面設(shè)計(jì)。然而，傳統(tǒng)的單片機(jī)作為控制器的系統(tǒng)由于受硬件資源與速度的限制，采樣精度不高，每周波的采樣點(diǎn)少，只自出選擇計(jì)算量小的算法，結(jié)果限制了測量的精

43、度。故本系統(tǒng)采用DSP TMS320LF2407作為總控制器，指令速度很決，達(dá)30MIPS,更加適合于處理多數(shù)據(jù)、運(yùn)算量大的系統(tǒng)。同時(shí)具有強(qiáng)大的控制功能，因此使用TMS320LF2407作內(nèi)核帶電力監(jiān)測的低壓智能無功補(bǔ)償裝置能更好的滿足實(shí)時(shí)性和精確性的要求。傳統(tǒng)的就地?zé)o功補(bǔ)償裝置是通過單片機(jī)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)電容器組的投切。但是，電網(wǎng)中存在諧波時(shí)，投切電容有可能發(fā)生電容把高次諧波量放大，更為嚴(yán)重的是如果電容與電網(wǎng)中的感性負(fù)載在某次諧波恰好發(fā)生諧振，電網(wǎng)電壓、電流有可能被無限放大，造成的后果不堪設(shè)想。因此，在無功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，對電網(wǎng)中的諧波量進(jìn)行測量和消除是非常重要的，且對系統(tǒng)的無功進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償也建立在

44、對系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上。3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)1.輸入模擬量(1) 工作電壓及輸入電壓模擬量額定工作電源電壓及額定電壓模擬量220V或380V 20%，電源正弦波形，總畸變率不大于5%。(2) 輸入電流模擬量額定輸入電流模擬量： 5A 50Hz 輸入端輸入阻抗:不大于0.2 2. 測量及顯示精度(1)電壓 各相電壓 0.5%(2)電流 各相電流 0.5%(3)有功功率 各相及總和 1.0%(4)無功功率 各相及總和 1.0%(5)視在功率 各相及總和 1.0%(6)頻率 1.0%(7)功率因數(shù) 1.0%3. 控制要求(1)控制靈敏度 不大于0.2A(2)過電壓保護(hù) 應(yīng)在105%120%之

45、間可調(diào)，動(dòng)作回差6-12V(3)延時(shí)時(shí)間 10120s可調(diào)(4)過電壓分段總時(shí)限 不大于60s(5)投切動(dòng)作時(shí)間間隔 不小于300s4.功能要求(1) 功能設(shè)置要求1)能實(shí)現(xiàn)三線對稱補(bǔ)償和分相補(bǔ)償組合2)投入、切除門限設(shè)定值3)延時(shí)設(shè)定值4)過壓保護(hù)設(shè)定值5)諧波超值保護(hù)設(shè)定值(2) 顯示功能1)工作電源工作顯示2)超前、滯后顯示 3)輸出回路工作狀態(tài)顯示4)過壓保護(hù)動(dòng)作顯示5)控制器應(yīng)具有電網(wǎng)即時(shí)運(yùn)行參數(shù)及設(shè)定值調(diào)顯功能 (3) 延時(shí)及加速功能:輸出回路動(dòng)作應(yīng)具有延時(shí)及過電壓加速動(dòng)作功能。(4) 程序投切功能:手動(dòng)或自動(dòng)投切選擇，自動(dòng)狀態(tài)時(shí)應(yīng)具有自動(dòng)循環(huán)投切。(5) 自檢復(fù)歸功能:控制器每次

46、接通電源應(yīng)進(jìn)行自檢并復(fù)歸輸出回路(即輸出回路處在斷開狀態(tài))。(6) 投切振蕩閉鎖:在輕負(fù)荷時(shí)，控制器應(yīng)有防止投切振蕩的措施。(7) 閉鎖報(bào)警:當(dāng)系統(tǒng)電壓大于或等于一定值(該值可調(diào))，閉鎖控制器投入回路；投切器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，閉鎖輸出回路并報(bào)警；執(zhí)行回路發(fā)生異常時(shí)，閉鎖輸出回路并報(bào)警。3.2 主電路設(shè)計(jì)裝置上電后經(jīng)過一定延時(shí)后控制器再開始工作，通過對系統(tǒng)三相電壓、三相電流采樣。根據(jù)電壓、電流的值計(jì)算系統(tǒng)無功功率，并與參數(shù)設(shè)定的投入門限、切除門限相比較，然后根據(jù)系統(tǒng)電壓幅值情況確定電容器組的投切。投切命令輸入到觸發(fā)電路，并由觸發(fā)電路控制晶閘管在電壓正向峰值時(shí)投入電容器，按照“在保證電壓不越限的前提

47、下，使變壓器從系統(tǒng)中吸收的無功最小”的原則對電容器組進(jìn)行控制，能有效改善電壓質(zhì)量，提高功率因數(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)損耗。但是到考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性及產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性，電容器分組采用二進(jìn)制方案，即采用（K-1）個(gè)電容值均為C的電容和一個(gè)電容值為(C/2)的電容，這樣的分組可使組成的電容值有2K級。最小電容量那一路作為單位電容量，它的大小決定了補(bǔ)償精度，設(shè)計(jì)總電路圖如圖3-1所示。圖3-1無功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)總電路圖本設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電網(wǎng)中無功功率和電壓，采用晶閘管投切并聯(lián)電容器組的無功補(bǔ)償裝置。由于裝置響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)性能好，所以能夠?qū)ρ杆僮兓臒o功功率進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)能夠根據(jù)需要顯示功率因數(shù)、系統(tǒng)電壓、負(fù)載電流、

48、無功功率等值?？梢詫?shí)時(shí)在線設(shè)置投入門限、切除門限。能夠有效提高功率因數(shù)改善電壓質(zhì)量降低電能損耗、消除電壓波、抑制電壓閃變減少電壓不平衡。3.3 控制器主控制芯片的選取考慮諧波測量的準(zhǔn)確性與無功補(bǔ)償是不可分割的本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320LF2407作為主控制器。該芯片是TMS320C2000平臺下的一種定點(diǎn)DSP芯片，是一款專為控制設(shè)計(jì)的單片機(jī)。處理速度很決，達(dá)到30MIPS，在晶振頻率為20MHz時(shí)，計(jì)算一次64點(diǎn)的快速傅立葉變換（FFT）運(yùn)算用時(shí)只有611s,特別適合于處理諧波分析。用到的數(shù)字濾波和傅立葉變換等運(yùn)算的微處理器。同時(shí)它又具有低成本、低功耗、高性能的處理能力。TMS320

49、LF2407DSP結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：1.采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns(30MHz)，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。2.片內(nèi)有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲器，高達(dá)1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM,544字雙口RAM(DARAM)和2K字的單口RAM (SARAM)。3.兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器；8個(gè)16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道。他們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反向器控制；PWM的對稱和非對稱波形；3個(gè)捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；16通道A/D轉(zhuǎn)換器控制。4.

50、可擴(kuò)展的外部存儲器總共192K字：64K字程序存儲器；64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲器；64KI/O尋址空間。5.看門狗定時(shí)器模塊(WD1)。6.高性能10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，提供多達(dá)16路的模擬輸入，具有自動(dòng)排序功能，可以同時(shí)采集最多16路的模擬信號，克服了MCS196單片機(jī)不能同時(shí)采樣多路信號的缺點(diǎn)。7.控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0B模塊。8.串行通信接口(SCI)。能與系統(tǒng)中的其他控制器進(jìn)行異步通信(RS232)。9.16位的串行外設(shè)接口模塊(SPI)。10.基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。11.高達(dá)40多個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引角(GPIO )。方便擴(kuò)展外設(shè)，滿足多數(shù)控

51、制對像輸入輸出的需求。同時(shí)，它還具有一些特別適用于進(jìn)行大量數(shù)字信號處理的特點(diǎn)：1.哈佛結(jié)構(gòu)：程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨(dú)立編址；取指和執(zhí)行重疊進(jìn)行；結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，高速緩存，高度并行，大大提高了運(yùn)算速度。2.硬件乘法器：乘法是DSP的重要組成部分。乘法的速度越快，DSP處理器的性能就越高。它能實(shí)現(xiàn)單指令乘加運(yùn)算和變址運(yùn)算。3.DSP指令：DSP芯片采用特殊的指令。它將多條指令進(jìn)行壓縮，如指令功能壓縮和指令周期縮短(200ns降到20ns以下)，可以在一個(gè)指令周期內(nèi)執(zhí)行多條指令，提高了處理器的速度。4.流水線：四級流水線；并行處理；取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行。5.在芯片內(nèi)設(shè)置了專門的硬件數(shù)據(jù)指針

52、的逆序?qū)ぶ饭δ?。因頻譜分析的基礎(chǔ)是FFT，從而加快了頻譜分析的過程。綜合這幾方面原因，采用F2407做主控制器，既能滿足作為控制器的功能，它突出的計(jì)算能力又能快速準(zhǔn)確的分析諧波量，在諧波量超標(biāo)的情況下，停止投入電容器，防止了重大事故的發(fā)生。3.4 電壓電流、功率因數(shù)的采集與濾波電壓互感器的輸出額定值要經(jīng)過電壓變送器，再經(jīng)過線路調(diào)理與濾波，經(jīng)過信號調(diào)理后才能將電壓與電流的采樣信號和相角信號送入主控芯片進(jìn)行A/D采樣。同理，電流互感器的信號也要經(jīng)過電流變送器和信號調(diào)理與濾波，才能送至主控制芯片采樣。該部分框圖如圖3-2所示。圖3-2電壓電流信號采樣框圖3.4.1 模擬信號輸入處理單元此模塊包括電壓

53、電流信號形成回路、低通濾波回路(ALF) 、基準(zhǔn)電壓(VBASE)形成回路。此模塊的作用是將電壓互感器(YH)和電流互感器(LH)二次輸出的電壓、電流模擬量經(jīng)過上述環(huán)節(jié)處理成大小與輸入量成正比、相位不失真的模擬量，輸入到DSP的A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行采樣，將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能接受與識別的數(shù)字量，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算。根據(jù)采樣定理，采用FFT測量諧波，若要求準(zhǔn)確測量2 ( n=1,2 ,3 )次諧波，則每周波采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)最少為2個(gè)點(diǎn)?？紤]DSP的數(shù)字處理能力突出，適于進(jìn)行線性運(yùn)算的特點(diǎn)，以及測量精度的要求，取系統(tǒng)的采樣頻率為3200Hz，即每周波采樣64點(diǎn)，可準(zhǔn)確測量32次諧波量。信號調(diào)理電路包括信號衰

54、減和模擬抗混疊濾波器。由互感器得到的電壓、電流信號線性衰減成能輸入DSP的量程范圍，再經(jīng)抗混疊濾波器濾波，輸入DSP的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)行處理的信號是滿足奈奎斯特采樣定律()要求的信號，消除混疊現(xiàn)象，提高FFT的運(yùn)算精度。（1） 電流信號形成回路電流互感器T1, T2和T3的原邊電流 ,為05A，互感器CT，變比為12500/1，則，其中為交流地，對應(yīng)的直流電平為1.65V。圖3-3電流信號形成回路（2） 電壓信號形成回路電壓互感器的變比為1:1,原邊電阻相對于110K 可以忽略，因此。圖3-4電壓信

55、號形成回路3.4.2 ALF低通濾波電路如圖3-5所示，圖中D1、D2將輸出信號控制在0-3.3V，保證輸入LF2407 A/D轉(zhuǎn)換接口的電壓在0-3.3V之間，從而保證A/D轉(zhuǎn)換能夠正常工作。圖3-5 ALF低通濾波電路令R40=R41=R,C40=C41，R42=R,R43=R2,則： ，其中 ,將數(shù)據(jù)帶入上式，可以算出截止頻率為 。由于需計(jì)算到工頻信號的30次諧波，即需對5030=1500Hz的信號進(jìn)行準(zhǔn)確測量，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，系統(tǒng)的采樣頻率為周波采樣64點(diǎn)，采樣頻率，因此輸入DSP的信號最高頻率應(yīng)為，即低通濾波器應(yīng)將大于1600Hz的信號濾除。根據(jù)計(jì)算結(jié)果看出此低通濾波器能滿足要求。系統(tǒng)放大增益。濾波電路輸入信號為1.65士0.02V的正弦信號，輸出為1.65士1.5V的正弦信號LF2407的A/D輸入應(yīng)在03.3V之間，濾波放大電路的輸出能夠滿足DSP的要求。3.4.3 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生回路選用LM117產(chǎn)生穩(wěn)壓電路。輸出。將數(shù)據(jù)代入得 。圖3-6 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生回路3.4.4 同步方波產(chǎn)生回路圖3-7 同步方波產(chǎn)生回路為模擬信號經(jīng)過低通濾波之后的信號，運(yùn)放起了