【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 chematic diagram Figure 15 TSC pensator schematic diagram ***學(xué)院 2021 屆畢業(yè)論文 6 在工程實(shí)際中，可以將降壓變壓器設(shè)計(jì)成具有很大漏抗的電抗變壓器，用可控硅控制電抗變 壓器，這樣就不需要單獨(dú)接入一個(gè)變壓器，也可以不裝設(shè)斷路器。電抗變壓器的一次繞組直接與高壓線路連接，二次繞組經(jīng)過(guò)較小的電抗器與可控硅閥連接。如果在電抗變壓器的第三繞組選擇適當(dāng)?shù)难b置回路，例如加裝濾波器，可以進(jìn)一步降低無(wú)功補(bǔ)償產(chǎn)生的諧波 [10]。 由于單獨(dú) TCR 只能吸收無(wú)功功率，而不能發(fā)出無(wú)功功率，為了解決此問(wèn)題，可以將并聯(lián)電容器與 TCR 配合使用構(gòu)成無(wú)功補(bǔ)償器。根據(jù)投切電容器的元件不同，又可分為 TCR 與固定電容器配合使用的靜止無(wú)功補(bǔ)償器 (TCR+FC)和 TCR 與斷路器投切電容器配合使用的靜止無(wú)功補(bǔ)償器 (TCR+MSC)。這種具有 TCR 型的補(bǔ)償器反應(yīng)速度快，靈活性大，目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最為廣泛 [11]。由于固定電容器的 TCR+FC 型補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償范圍從感性范圍延伸到容性范圍是要求電抗器的容量大于電容器的容量，另外當(dāng)補(bǔ)償器工作在吸收較小的無(wú)功電流時(shí)，其電抗器和電容器都已吸收了很大的無(wú)功電流，只是相互抵消而已。 TSC+MSC型補(bǔ)償器通過(guò)采用分組投切電容器，在某種程度上克服了這種缺點(diǎn)。 (TSC) 為了解決電容器組頻繁投切的問(wèn)題， TSC 裝置應(yīng)運(yùn)而生。其單相原理圖如圖 15 所示。兩個(gè)反并聯(lián)的 晶閘管只是將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開(kāi)，串聯(lián)的小電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的沖擊電流?，F(xiàn)在普遍把這種可以快速補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功功率的晶閘管投切電容器的無(wú)功補(bǔ)償裝置叫做動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器。 TSC 用于三相電網(wǎng)中可以是三角形連接，也可以是星形連接。一般對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)采用星形連接，負(fù)荷不對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)采用三角形連接。不是希望電容器級(jí)數(shù)越多越好，但考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性及經(jīng)濟(jì)性，一般用 K1 個(gè)電容值為 C 的電容和個(gè)電容值為 C/2 的電容組成 2K 級(jí)的電容組數(shù) [12]。 TSC 的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是投切電容器時(shí)刻的選取。經(jīng)過(guò)多年的分析與實(shí) 驗(yàn)研究，其最佳投切時(shí)間是晶閘管兩端的電壓為零的時(shí)刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時(shí)刻 [13]。此時(shí)投切電容器，電路的沖擊電流為零。這種補(bǔ)償裝置為了保證更好的投切電容器，必須對(duì)電容器預(yù)先充電，充電結(jié)束之后再投入電容器。 TSR 補(bǔ)償器可以很好的補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無(wú)功功率，如果級(jí)數(shù)分得足夠細(xì)化，基本上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié) [14]。 無(wú)功補(bǔ)償裝置的選擇 從當(dāng)前無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展來(lái)看，目前廣泛應(yīng)用的幾種無(wú)功補(bǔ)償裝置，即第二節(jié)所介紹的幾種無(wú)功補(bǔ)償裝置，從控制投切裝置的不同來(lái)看可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是采用斷路器開(kāi)關(guān)來(lái)控制；一類(lèi) 是采用晶閘管控制。這兩類(lèi)無(wú)功補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)在上一節(jié)中也有所介紹，總起來(lái)***學(xué)院 2021 屆畢業(yè)論文 7 說(shuō)采用晶閘管控制投切的無(wú)功補(bǔ)償裝置在性能上比采用斷路器開(kāi)關(guān)的無(wú)功補(bǔ)償裝置好，它動(dòng)作時(shí)間短，通常能在一個(gè)周波 (即 20ms)內(nèi)動(dòng)作；動(dòng)作時(shí)無(wú)火花，更安全可靠，壽命長(zhǎng)。而斷路器開(kāi)關(guān)費(fèi)用上又優(yōu)于晶閘管，因此在工程應(yīng)用上也并沒(méi)有被晶閘管開(kāi)關(guān)完全取代。這兩種裝置的特性比較見(jiàn)表 11： 表 11 斷路器開(kāi)關(guān)與晶閘管開(kāi)關(guān)控制投切的無(wú)功補(bǔ)償裝置性能比較 斷路器開(kāi)關(guān)控制 晶閘管控制 投切性能 有火花壽命短 無(wú)火花壽命長(zhǎng) 動(dòng)作時(shí)間 長(zhǎng) (約幾十毫秒 ) 短 (約幾十微秒 ) 適應(yīng)的負(fù)荷 相對(duì)穩(wěn)定的負(fù)荷 可補(bǔ)償沖擊性負(fù)荷 電壓穩(wěn)定性 電壓有波動(dòng) 通過(guò)控制投切時(shí)間，可消 除電壓波動(dòng) 價(jià)格 低 高 任何一種智能無(wú)功補(bǔ)償裝置，都需要個(gè)控制器來(lái)完成電網(wǎng)參數(shù)的測(cè)量計(jì)算，控制電容組的投切。以斷路器作開(kāi)關(guān)元件的無(wú)功補(bǔ)償裝置，控制器發(fā)出的是接點(diǎn)信號(hào)，控制接觸器的吸合或斷開(kāi)。以晶閘管作開(kāi)關(guān)元件的無(wú)功補(bǔ)償裝置，控制器器發(fā)出的是晶閘管的觸發(fā)信號(hào)。 ***學(xué)院 2021 屆畢業(yè)論文 8 第二章 控制方案的 DSP 實(shí)現(xiàn) 引言 目前，無(wú)功補(bǔ)償裝置已在電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。無(wú)功電源與有功電源一樣是 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 [15]。 電網(wǎng)中存在的無(wú)功功率有感性的和容性的兩種，由于一般的電網(wǎng)中負(fù)載多為感性，如：異步電機(jī)，變壓器等，傳統(tǒng)的就地?zé)o功補(bǔ)償裝置是通過(guò)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(wú)限放大，造成的后果不堪設(shè)想。因此，在無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，對(duì)電網(wǎng)中的諧波量進(jìn)行測(cè)量和消除是非常重要的，且對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償也建立在對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)參 數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)上。 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(cè)量的精度。故本系統(tǒng)采用 TI公司生產(chǎn)的 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) [16]。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(cè)的低壓智能無(wú)功補(bǔ)償裝置能更好的滿足實(shí)時(shí)性和精確性的要求。 設(shè)計(jì)任務(wù) (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 ? 2. 測(cè)量及顯示精度 (1) 電壓 各相電壓 % (2) 電流 各相電流 % (3) 有功功率 各相及總和 % (4) 無(wú)功功率 各相及總和 % ***學(xué)院 2021 屆畢業(yè)論文 9 (5) 視在功率 各相及總 和 % (6) 頻率 % (7) 功率因數(shù) ?% 3. 控制要求 (1) 控制靈敏度 不大于 (2) 過(guò)電壓保護(hù) 應(yīng)在 105%～ 120%之間可調(diào)，動(dòng)作回差 612V (3) 延時(shí)時(shí)間 10～ 120s可調(diào) (4) 過(guò)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 300s (6) 斷電后所有數(shù)據(jù)保持時(shí)間 不小于 72h 要求 (1) 功能設(shè)置要求 1) 能實(shí)現(xiàn)三線對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償和分相補(bǔ)償組合 2) 投入、切除門(mén)限設(shè)定值 3) 延時(shí)設(shè)定值 4) 過(guò)壓保護(hù)設(shè)定值 5) 諧波超值保護(hù)設(shè)定值 6) 面板功能鍵操作應(yīng)具有容錯(cuò)功能 7) 面板設(shè)置應(yīng)具有硬件或軟件閉鎖功能 (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(guò)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 6) 控制器應(yīng)具有監(jiān)測(cè)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)顯功能 7) 諧波超值保打動(dòng)作顯示 8) 手動(dòng)、自動(dòng)指示顯示 (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(guò)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。 ***學(xué)院 2021 屆畢業(yè)論文 10 (5) 自檢復(fù)歸功能 :控制器每次接通電源應(yīng)進(jìn)行自檢并復(fù)歸輸出回路 (即輸出回路處在斷開(kāi)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。 (8) 數(shù)據(jù)傳輸 :用中間體 (如抄表器 )抄錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，用 RS232接口 X485接口。 主電路設(shè)計(jì) 帶電力監(jiān)測(cè)的智能無(wú)功補(bǔ)償裝置 的總電路圖如圖 21所示。 負(fù)荷信 號(hào) 衰 減低 通 濾 波參 考 電 壓+ 1 . 6 5 V信 號(hào) 采 集 部 分C TP T觸 發(fā) 電 路觸 發(fā) 變 壓器執(zhí) 行 單 元 L F 2 4 0 7R O MR A MD O G鍵盤(pán)液晶顯示指示燈R S2 3 2接口PROME 2 圖 21 帶電力監(jiān)測(cè)的無(wú)功補(bǔ)償裝置總電路圖 Figure 21 charged strength monitor idle work pensation system total circuit diagram 該裝置上電后，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，控制器再開(kāi)始工作，通過(guò)對(duì)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(wú)功功率，并與用戶設(shè)定的投入門(mén)限、切除門(mén)限相比 較，再考慮系統(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，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下，使變壓器從系統(tǒng)中吸收的無(wú)功最小 ”的原則對(duì)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)***學(xué)院 2021 屆畢業(yè)論文 11 絡(luò)損耗?？紤]系統(tǒng)的復(fù)雜性及經(jīng)濟(jì)性，電容器分組采用二進(jìn)制方案，即采用（ K1）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(jí)。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。 本系統(tǒng)由 TMS320LF2407DSP 控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)無(wú)功功率和電壓并跟蹤系統(tǒng)無(wú)功功率 的大小，采用晶閘管投切并聯(lián)電容器組的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。該裝置因響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)性能好，所以能實(shí)現(xiàn)對(duì)決速變化的無(wú)功進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。該裝置具備完整的顯示控制保護(hù)功能。根據(jù)需要可顯示功率因數(shù)、系統(tǒng)電壓、負(fù)載電流、無(wú)功功率等值。并可實(shí)時(shí)在線設(shè)置投入門(mén)限、切除門(mén)限、過(guò)壓值、欠壓值、延時(shí)值等參數(shù)。能延時(shí)可調(diào)、過(guò)壓自動(dòng)切除，能有效地提高功率因數(shù)改善電壓質(zhì)量、降低電能損耗、消除電壓波動(dòng)、濾除高次諧波，抑制電壓閃變，減少電壓不平衡，可廣泛應(yīng)用低壓配電系統(tǒng)及工礦企業(yè)，是老式補(bǔ)償裝置理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品。 主控制器芯片的選取 本系統(tǒng)采用 T1 公司的 TMS320LF2407 作為主控制器，主要是考慮諧波測(cè)量的準(zhǔn)確性與無(wú)功補(bǔ)償是不可分割的。 該芯片是 TMS320C2021 平臺(tái)下的一種定點(diǎn) DSP 芯片，是一款專(zhuān)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 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 [17]。 TMS320 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 ，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(chǔ)器，高達(dá) 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(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)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. 可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共 192K 字： 64K 字程序存儲(chǔ)器； 64K 字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器； 64KI/O尋址空間。 5. 看門(mén)狗定時(shí)器模塊 (WD1)。 ***學(xué)院 2021 屆畢業(yè)論文 12 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(hào)，克服了 MCS196 單片機(jī)不能同時(shí)采樣多路信號(hào)的缺點(diǎn)。 7. 控制器局域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 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)控制對(duì)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(hào)處理的特點(diǎn)： 1. 哈佛結(jié)構(gòu)：程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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.