动态无功补偿控制器的研究毕业设计论文(编辑修改稿)

动态无功补偿控制器的研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

%。 (2) 输入电流模拟量 额定输入电流模拟量： 5A 50Hz 输入端输入阻抗： 不大于 2. 测量及显示精度 (1) 电压 各相电压 % (2) 电流 各相电流 % (3) 有功功率 各相及总和 % (4) 无功功率 各相及总和 % (5) 视在功率 各相及总和 % (6) 频率 % (7) 功率因数 % 3. 控制要求 (1) 控制灵敏度 不大于 (2) 过电压保护 应在 105%～ 120%之间可调，动作回差 612V (3) 延时时间 10～ 120s 可调 (4) 过电压分段总时限 不大于 60s (5) 投切动作时间间隔 不小于 300s (6) 断电后所有数据保持时间 不小于 72h 11 (1) 功能设置要求 1) 能实现三线对称补偿和分相补偿组合 2) 投入、切除门限设定值 3) 延时设定值 4) 过压保护设定值 5) 谐波超值保护设定值 6) 面板功能键操作应具有容错功能 7) 面板设置应具有硬件或软件闭锁功能 (2) 显示功能 1) 工作电源工作显示 2) 超前、滞后显示 3) 输出回路工作状态显示 4) 过压保护动作显示 5) 控制器应具有电网即时运行参数及设定值调显功能 6) 控制器应具有监测或统计数据调显功能 7) 谐波超值保打动作显示 8) 手动、自动指示显示 (3) 延时及加速功能 :输出回路动作 应具有延时及过电压加速动作功能。 (4) 程序投切功能 :手动或自动投切选择，自动状态时应具有自动循环投切。 (5) 自检复归功能 :控制器每次接通电源应进行自检并复归输出回路 (即输出回路处在断开状态 )。 (6) 投切振荡闭锁 :在轻负荷时，控制器应有防止投切振荡的措施。 (7) 闭锁报警 :当系统电压大于或等于一定值 (该值可调 )，闭锁控制器投入回路；投切器内部发生故障时，闭锁输出回路并报警；执行回路发生异常时，闭锁输出回路并报警。 (8) 数据传输 :用中间体 (如抄表器 )抄录实时数据和历史数据，用 RS232 接口 X485 接口。 12 主电路设计 带电力监测的智能无功补偿装置的 总电路 图如图 21 所示。 负荷信 号 衰 减低 通 滤 波参 考 电 压+ 1 . 6 5 V信 号 采 集 部 分C TP T触 发 电 路触 发 变 压器执 行 单 元 L F 2 4 0 7R O MR A MD O G键盘液晶显示指示灯R S2 3 2接口PR OME 2 图 21 带电力监测的无功补偿装置 的总电路 图 该装置上电后，经过一定延时，控制器再开始工作，通过对系统三相电压、三相电流采样，根据电压、电流的值计算系统无功功率，并与用户设定的投入门限、切除门限相比较，再考虑系统电压幅值情况确定电容器组的投切，投切命令输入到触发电路，由触发电路控制晶闸管在电压正向峰值时投入电容器，按照“在保证电压不 越限的前提下，使变压器从系统中吸收的无功最小”的原则对电容器组进行控制，能有效改善电压质量，提高功率因数，降低网络损耗。 考虑系统的复杂性及经济性，电容器分组采用二进制方案，即采用（ K1）个电容值均为 C 的电容和一个电容值为 (C/2)的电容，这样的分组可使组成的电容值有 2K 级。 最小电容量那一路作为单位电容量，它的大小决定了补偿精度。 本系统由 TMS320LF2407DSP 控制，实时监测电力系统无功功率和电压并跟踪系统无功功率的大小，采用晶闸管投切并联电容器组的无功功率补偿装置。 该装置因响应速度快、动态性能好， 所以能实现对决速变化的无功进行跟踪补偿。 该装置具备完整的显示控制保护功能。 根据需要可显示功率因数、系统电压、负载电流、无功功率等值。 并可实时在线设置投入门限、切除门限、过压值、欠压值、延时值等参数。 能延时可调、过压自动切除，能有效地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，可广泛应用低压配电系统及工矿企业，是老式补偿装置理想的更新换代产品。 主控制器芯片的选取 本系统采用 TI 公司的 TMS320LF2407 作为主控制器，主要是考虑谐波测量的准确性与无功补偿是不可分割的。 13 该芯片是 TMS320C2020 平台下的一种定点 DSP 芯片，是一款专为控制设计的单片机。 处理速度很决，达到 30MIPS，在晶振频率为 20MHz 时，计算一次 64 点的 FFT 运算用时只有 611s,特别适合于处理谐波分析。 用到的数字滤波和傅立叶变换等运算的微处理器。 同时它又具有低成本、低功耗、高性能的处理能 力 [17]。 TMS320 LF2407DSP 结构上的特点有以下几个方面： 1. 采用高性能静态 CMOS 技术，使得供电电压降为 ，减小了控制器的功耗；30MIPS 的执行速度使得指令周 期缩短到 33ns(30MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力。 2. 片内有高达 32K 字的 FLASH 程序存储器，高达 字的数据 /程序 RAM,544 字双口 RAM(DARAM)和 2K 字的单口 RAM (SARAM)。 3. 两个事件管理器模块 EVA 和 EVB，每个包括：两个 16 位通用定时器； 8 个 16位的脉宽调制 (PWM)通道。 他们能够实现：三相反向器控制； PWM 的对称和非对称波形；3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路； 16 通道 A/D 转换器控制。 4. 可扩展的外部存储器总共 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 路的模拟输入，具有自动排序功能，可以同时采集最多 16 路的模拟信号，克服了 MCS196 单片机不能同时采样多路信号的缺点。 7. 控制器局域网络 (CAN) 模块。 8. 串行通信接口 (SCI)。 能与系统中的其他控制器进行异步通信 (RS232)。 9. 16 位的串行外设接口模块 (SPI)。 10. 基于锁相环的时钟发生器。 11. 高达 40 多个可单独编程或复用 的通用输入 /输出引角 (GPIO )。 方便扩展外设，满足多数控制对像输入输出的需求。 同时，它还具有一些特别适用于进行大量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编址；取指和执行重叠进行；结构的改进，高速缓存，高度并行，大大提高了运算速度。 2. 硬件乘法器：乘法是 DSP 的重要组成部分。 乘法的速度越快， DSP 处理器的性能就越高。 它能实现单指令乘加运算和变址运算。 3. DSP 指令： DSP 芯片采用特殊的指令。 它将多条指令进行压缩，如指令功能压缩和指令周期缩短 (200ns 降到 20ns 以下 )，可以在一个指令周期内执行多条指令，提高了处理器的速度。 4. 流水线：四级流水线；并行处理；取指、译码、取操作数和执行同时进行。 5. 在芯片内设置了专门的硬件数据指针的逆序寻址功能。 因频谱分析的基础是 FFT，从而加快了频谱分析的过程。 综合这几方面原因，采用 F2407 做主控制器，既能满足作为控制器的功能，它突出的计算能力又能快速准确的分析谐波量，在谐波量超标的情况下，停止投入电容器，防止了重大事故的发生。 14 模拟信号输入处理单元 此模块包括电压电流信号形成回路、低通滤波回路 (ALF) 、基准电压 (VBASE)形成回路、同步方波形成回路。 此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、电流模拟量经过上述环节处理成大小与输入量成正比、相位不失真的模拟量，输入到DSP 的 A/D 转换通道进行采样，将其转化为计算机能接受与识别的数字量，再进行数据处理及运算。 根据采样定理，采用 FFT 测量谐波，若要求准确测量 2n ( n=1,2 ,3„ )次谐波，则每周波采样点数应最少为 2 1n 个点。 考虑 DSP 的数字处理能力突 出，适于进行线性运算的特点，以及测量精度的要求，取系统的采样频率为 3200Hz，即每周波采样 64 点，可准确测量 32 次谐波量。 信号调理电路包括信号衰减和模拟抗混叠滤波器。 由互感器得到的电压电流信号线性衰减成能输入 DSP 的量程范围，再经抗混叠滤波器滤波，输入 DSP 的A/D 转换器中进行采样和模数转换。 抗混叠滤波器的作用是把电力系统的信号进行低通滤波，滤除高频分量，使输入 DSP 进行处理的信号是满足奈奎斯特采样定律 ( hs ff 2 )要求的信号，消除混叠现象，提高 FFT 的运算精度。 电流互感器 T1, T2 和 T3 的原边电流 ,为 0～ 5A，互感器 CT，变比为 12500/1，则refVIRV  1250011160，其中 为交流地，对应的直流电平为。 1aI 2aI 1bI 2bI 1cI 2cIT 1T 2T 3R 1 1 8R 1 1 7R 1 1 65 05 05 0V r e f [ + 1 . 6 5 v ] 图 22 电流信号形成回路 电压互感器的变比为 1:1, 原边电阻相对于 110K 可以忽略，因此r e fr e fr e fout VVVRRVV  000 0/1002202091221。 15 T 4T 5T 6R 1 2 4R 1 2 3R 1 2 21 0 01 0 01 0 0V r e f [ + 1 . 6 5 v ]R 1 1 9R 1 2 0R 1 2 11cU 1bU 1aUG R O U N DG R O U N DG R O U N D1 1 0 K1 1 0 K1 1 0 KY R 33 9 0 v3 9 0 vY R 3 图 23 电压 信号形成回路 3. ALF 低通滤波电路 图中 Dl, D2 将输出信号钳制在 ，保证输入 LF2407A / D 转换口的电压在 0～，以保证其 AD 转换的正常工作。 3+aV4 03 KC 4 00 . 1 u FV r e f 1 . 6 5 VR 4 23 . 5 KC 4 10 . 1 u F24V C C + 1 2 VV C C 1 2 VC 4 2R 4 33 5 KL M 3 2 41V A 3 . 3D 1D 2U A I NC 4 30 . 1 u FU 1 2 A0 . 1 u F 图 24 ALF 低通滤波电路 令 R40=R41=R,C40=C41， R42=R,R43=R2,则： 22231)( SCRR C SASA upu  ， 其中121 RRAup  ,将数据带入上式，可以算出截止频率为HzRSf p 1 5 9 12 3  。 由于需计算到工频信号的 30 次谐波，即需 对 50x30= 1500Hz 的信号进行准确测量，根据奈奎斯特采样定律，系统的采样频率为周波采样 64 点 ， 采 样 频 率Hzf s 32020450  ，因此输入 DSP 的信号最高频率应为 Hzff sh 16002  ，即低通滤波器应将大于 1600Hz 的信号滤除。 根据计算结果看出此低通滤波器能满足要求。 系统放 16 大增益 12  RRA up。 滤波电路输入信号为 士 ，输出为 士 LF2407 的 A/D 输入应在 0～ ，滤波放大电路的输出能够满足 DSP 的要求。 选用 LM117 产生稳压电路。 输出6316263 )1( RIRRV ADre f 。 将数据代入得VVref 。 5 VC 3 10 . 1 u F2U 3 0L M 1 1 7V i n + V o u tAD11C 3 21 0 u F R 6 31 0 0D 1 4V r e f 1 . 6 5 VC 3 31 u F3R 6 23 3 7 图 25 基准电压产生回路 5. 同步方波产生回路 5 1 KV r e f aR 3 41 21 3U 1 2 DL M 3 2 4R 3 34 0 0 KV C C 1 2 VC 6 80 . 1 u FV C C + 1 2 VC 6 80 . 1 u FV A。