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電網(wǎng)電容式無功補償器的系統(tǒng)設計與研究(參考版)

2024-10-11 21:32本頁面
  

【正文】 本系統(tǒng)選用晶閘管控制投切電容器,可以 10ms 的速。 由于 DSP 用 供電,電池為 ,所以設計中采用了三個二極管解決在掉電情況下電池只對 PCF8583 供電,而在不掉電情況下 PCF8583 由 供電,而且電池處于浮充狀態(tài)。其中 PCF8583的 SCL、 SDA 分別接 F2407 的 IOPF0 和 IOPF1 引腳。A( HzfSCL 0? ): 24 或 12 小時格式,時基 或 50Hz;具有可編程的鬧鐘、定時和中斷功能。 PCF8583 為帶 CI2 總線接口的日歷時鐘芯片,其中還有 256 字節(jié)的靜態(tài) RAM,由于作為日歷時鐘器件配有電 池供電,可作為 RAM 的保護電源,故 256 字節(jié)的 RAM 可視為非易失性 RAM。 ( 5)串型實時時鐘電路 由于無功補償控制器要有歷史記錄,所以在系統(tǒng)中必須有實時時間基準,即時鐘芯片。 本系統(tǒng)共有 4 種不同的電平, +12V、 12V,+5V 和 +。如 圖 39 所示,濾波環(huán)由 C41, C42 和 R14 組成,與 2407接口為 PLLF 和 PLLF2。 A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A 1 0A 1 1A 1 4A 1 3A 1 2A 2A 1A 0 54321D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D 9D 1 0D 1 1D 1 2D 1 3D 1 4D 1 57891 01 31 41 51 62 93 03 13 23 53 63 73 81 81 92 02 12 42 52 62 74 24 14 4A 0A 161 73 94 04 32 22 33 31 11 23 4V 3 . 3S R A MN CN CV C CV C CG N DG N DC EW EO EO BL BU 9123D S P S U 1 0 A7 4 F 0 8DT?W E R D A 2A 4A 5A 6A 7A 8A 9A 1 0A 1 1A 1 2A 1 3A 1 4A 1 5D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D 9D 1 0D 1 1D 1 2D 1 3D 1 4D 1 5A 3圖 38 存儲器電路 ( 3) 時鐘電路 C 32 0u FY 1C 42 0u FR 146 . 8C 421 . 1u FC 410 . 04 uFD SP 24 07123124111012117284983128140125947666433XTAL1/CLKINXTAL2PLLFPLLF2PLVCC1VSSAVSS1VSS2VSS3VSS4VSSO1VSSO2VSSO3VSSO4VSSO5VSSO6VSSO7T P 1T P 2T M S 2/ I O D 0 XFEKBO O T /?M P / MC 圖 39 時鐘電路 電網(wǎng)電容式無功補償器的系統(tǒng)設計 23 無源晶振采用 10MHZ,經(jīng)內(nèi)部時鐘定位 (PLL)2 倍頻得到 2407 的主頻為 20MHz。其中 32K 空間擴展為程序存儲器,32K 空間擴展為數(shù)據(jù)存儲器。 DS和 PS分別接 2407 的 DS 和 PS 引角,它們分別為數(shù)據(jù)空間選通引角和程序空間選通引腳,當它們?yōu)榈碗娖綍r,分別表示選通數(shù)據(jù)空間和程序空間。 ( 2)存儲器電路 如圖 38 所示, LF2407 自帶 32K 的 Flash,外部可擴展 64K 數(shù)字存儲器和 64K 程序存儲器。 SCITXD 和 SCIRXD 接口作為通訊線, CAP1 為事件管理器 1 的捕捉引角,用來捕捉方波信號的上升沿,從而測量電網(wǎng)信號的周期。 ADCIN00~ ADCIN5 為AD 轉換器的模擬量輸入,其中 ADCIN00, ADCINI、 ADCIN2 為三相電壓輸入, ADCIN3, ADCIN4,ADCIN5為三相電流量輸入,將三相電壓電流信號轉換成數(shù)字量。LF2407 具有 16 位數(shù)據(jù)線和 16 位地址線。 LF2407DSP 系統(tǒng)模塊 該模塊包括 LF2407DSP 電路,存儲器 (SRAM)電路,電源保護電路,上電復位電路和串行實時時鐘電路。在這兩種工作方式下, ADC 模塊都能夠對一序列轉換進行自動排序。有多個觸發(fā)源可以啟動 AD 轉換,包括軟件啟動、 EVA, EVB 和外部觸發(fā) (ADCSOC)。再由采樣點數(shù)計算出采樣頻率,以保證同步采樣,消除非同步采樣引起的頻譜泄漏,保證測量精確性。將數(shù)據(jù)代入得VVref ? 。 福州大學 至誠 學院 本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 20 基準電壓產(chǎn)生回路 選用 LM117 產(chǎn)生穩(wěn)壓電路。系統(tǒng)放大增益 12 ????? RRA up。 由于需計算到工頻信號的 30 次諧波,即需對 50? 30=1500Hz 的信號進行準確測量,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 , 采 樣 頻 率Hzf s 3 2 0 06450 ??? ,因此輸入 DSP 的信號最高頻率應為 Hzff sh 16002 ?? ,即低通濾波器應將大于 1600Hz 的信號濾除。 圖 34 電壓信號形成回路 電網(wǎng)電容式無功補償器的系統(tǒng)設計 19 ALF 低通濾波電路 如圖 35 所示,圖中 D D2 將輸出信號控制在 ,保證輸入 LF2407 A/D 轉換接口的電壓在 之間,從而保證 A/D 轉換能夠正常工作。 福州大學 至誠 學院 本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 18 ( 1) 電流信號形成回路 電流互感器 T1, T2 和 T3 的原邊電流 ,為 0~ 5A,互感器 CT,變比為 12500/1,則refVIRV ?? 1250011160 ,其中為交流地,對應的直流電平為 。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轉換器中進行采樣和模數(shù)轉換??紤] DSP 的數(shù)字處理能力突出,適于進行線性運算的特點,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,可準確測量 32 次諧波量。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 轉換通道進行采樣,將其轉化為計算機能接受與識別的數(shù)字量,再進行數(shù)據(jù)處理及運算。該部分框圖如圖 32 所示。 電網(wǎng)電容式無功補償器的系統(tǒng)設計 17 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 送入主控芯片進行 A/D 采樣。因頻譜分析的基礎是 FFT,從而加快了頻譜分析的過程。 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)行同時進行。 3. DSP 指令: DSP 芯片采用特殊的指令。乘法的速度越快, DSP 處理器的性能就越高。 同時,它還具有一些特別適用于進行大量數(shù)字信號處理的特點: 1. 哈佛結構:程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址;取指和執(zhí)行重疊進行;結 構的改進,高速緩存,高度并行,大大提高了運算速度。 11. 高達 40 多個可單獨編程或復用的通用輸入 /輸出引角 (GPIO )。 9. 16 位的串行外設接口模塊 (SPI)。 8. 串行通信接口 (SCI)。 6. 高性能 10 位模數(shù)轉換器 ADC)的轉換時間為 500ns,提供多達 16 路的模擬輸入,具有自動排序功能,可以同時采集最多 16 路的模擬信 號,克服了 MCS196 單片機不能同時采樣多路信號的缺點。 4. 可擴展的外部存儲器總共 192K 字: 64K 字程序存儲器; 64K 字數(shù)據(jù)存儲器; 64KI/O尋址空間。 3. 兩個事件管理器模塊 EVA 和 EVB,每個包括:兩個 16 位通用定時器; 8 個 16 位的脈寬調(diào)制 (PWM)通道。 TMS320 LF2407DSP 結構上的特點有以下幾個方面: 1. 采用高性能靜態(tài) CMOS 技術,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時控制能力。用到的數(shù)字濾波和傅立葉變換等運算的微處理器。 該芯片是 TMS320C2020 平臺下的一種定點 DSP 芯片,是一款專為控制設計的單片機。能夠有效提高功率因數(shù)改善電壓質量降低電能損耗、消除電壓波、抑制電壓閃變減少電壓不平衡。本設計能 夠根據(jù)需要顯示功率因數(shù)、系統(tǒng)電壓、負載電流、無功功率等值。 電網(wǎng)電容式無功補償器的系統(tǒng)設計 15 圖 31 無功補償裝置設計總電路圖 本設計能夠實時監(jiān)測電網(wǎng)中無功功率和電壓,采用晶閘管投切并聯(lián)電容器組的無功補償裝置。但是到考慮系統(tǒng)的復雜性及產(chǎn)品經(jīng)濟性,電容器分組采用二進制方案,即采用( K1)個電容值均為 C 的電容和一個電容值為 (C/2)的電容,這樣的分組可使組成的電容值有 2K 級。根據(jù)電壓、電流的值計算系統(tǒng)無功功率,并與參數(shù)設定的投入門限、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。 (7) 閉鎖報警 :當系統(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,閉鎖輸出回路并報警;執(zhí)行回路發(fā)生異常時,閉鎖輸出回路并報警。 (5) 自檢復歸功能 :控制器每次接通電源應進行自檢并復歸輸出回路 (即輸出回路處在斷開狀態(tài) )。 (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) 無功功率 各相及總和 % (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) 過電壓保護 應在 105%~ 120%之間可調(diào),動作回差 612V (3) 延時時間 10~ 120s 可調(diào) (4) 過電壓分段總時限 不大于 60s 福州大學 至誠 學院 本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 14 (5) 投切動作時間間隔 不小于 300s (1) 功能設置要求 1) 能實現(xiàn)三線對稱補償和分相補償組合 2) 投入、切除門限設定值 3) 延時設定值 4) 過壓保護設定值 5) 諧波超值 保護設定值 (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) 過壓保護動作顯示 5) 控制器應具有電網(wǎng)即時運行參數(shù)及設定值調(diào)顯功能 (3) 延時及加速功能 :輸出回路動作應具有延時及過電壓加速動作功能。因此,在無功補償?shù)耐瑫r,對電網(wǎng)中的諧波量進行測量和消除是非常重要的,且對系統(tǒng)的無功進行準確補償也建立在對系統(tǒng)各項參數(shù)進行準確測量的基礎上。 傳統(tǒng)的就地無功補償裝置是通過單片機進行控制實現(xiàn)電容器組的投切。故本系統(tǒng)采用 DSP TMS320LF2407 作為總控制器,指令速度很決,達 30MIPS,更加適合于處理多數(shù)據(jù)、運算量大的系統(tǒng)。 電網(wǎng)電容式無功補償器的系統(tǒng)設計 13 第 3 章 無功補償器硬件設計 硬件設計主要包括參數(shù)的采樣、信號濾波、電容器的投切與人機界面設計。目前實際應用的 AFP 裝置中, 90%以上是采用電壓逆變器的并聯(lián)型結構。 福州大學 至誠 學院 本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 12 諧振次數(shù) n=LCs? 1 (2
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