【正文】 ，且能夠節(jié)約投資成本。 圖 26 三相共補與分補結(jié)合 電網(wǎng)電容式無功補償器的系統(tǒng)設(shè)計 11 電 網(wǎng)無功補償中諧波的抑制 諧波的產(chǎn)生及其危害 電力電子技術(shù)的應(yīng)用推動了近代電力系統(tǒng)的發(fā)展，但同時也給電力系統(tǒng)帶來了嚴重的諧波污染問題。 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、化工等工業(yè)領(lǐng)域，如電解裝置、電氣機車、軋鋼機械和高頻設(shè)備等接入電力網(wǎng)，是電網(wǎng)的諧波污染狀況日益嚴重，降低了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。 諧波為電網(wǎng)的公害，因為諧波電流的存在不單會引起電壓波形的畸變而且還會對電網(wǎng)和電氣設(shè)備產(chǎn)生多方面的危害，因此在配電網(wǎng)中對諧波進行抑制是必須的。當(dāng)注入公用電網(wǎng)的諧波超過一定值時，會對電網(wǎng)自身及用電設(shè)備的正常運行造成損害：在某些時段會使注入到電網(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。 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。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。 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)。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。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，增強適用性，又設(shè)計出了串、并聯(lián)混合型的有源濾波器。 然而，傳統(tǒng)的單片機作為控制器的系統(tǒng)由于受硬件資源與速度的限制，采樣精度不高，每周波的采樣點少，只自出選擇計算量小的算法，結(jié)果限制了測量的精度。同時具有強大的控制功能，因此使用 TMS320LF2407 作內(nèi)核帶電力監(jiān)測的低壓智能無功補償裝置能更好的滿足實時性和精確性的要求。但是，電網(wǎng)中存在諧波時，投切電容有可能發(fā)生電容把高次諧波量放大，更為嚴重的是如果電容與電網(wǎng)中的感性負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。 設(shè)計任務(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%。 (4) 程序投切功能 :手動或自動投切選擇，自動狀態(tài)時應(yīng)具有自動循環(huán)投切。 (6) 投切振蕩閉鎖 :在輕負荷時，控制器應(yīng)有防止投切振蕩的措施。 主電路設(shè)計 裝置上電后經(jīng)過一定延時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。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)中吸收的無功最小 ”的原則對電容器組進行 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。最小電容量那一路作為單位電容量，它的大小決定了補償精度，設(shè)計總電路圖如圖 31 所示。由于裝置響應(yīng)速度快、動態(tài)性能好，所以能夠?qū)ρ杆僮兓臒o功功率進行跟蹤補償。可以實時在線設(shè)置投入門限、切除門限。 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 補償是 不可分 割的本 系統(tǒng)采 用 TI 公司的TMS320LF2407 作為主控制器。處理速度很決，達到 30MIPS，在晶振頻率為 20MHz 時，計算一次 64 點的 快速傅立葉變換（ FFT） 運算用時只有 611s,特別適合于處理諧波分析。同時它又具有低成本、低功耗、高性能的處理能力。 福州大學(xué) 至誠 學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 2. 片內(nèi)有高達 32K 字的 FLASH 程序存儲器，高達 字的數(shù)據(jù) /程序 RAM,544 字雙口 RAM(DARAM)和 2K 字的單口 RAM (SARAM)。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。 5. 看門狗定時器模塊 (WD1)。 7. 控制器局域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 模塊。能與系統(tǒng)中的其他控制器進行異步通信 (RS232)。 10. 基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器。方便擴展外設(shè)，滿足多數(shù)控制對像輸入輸出的需求。 2. 硬件乘法器：乘法是 DSP 的重要組成部分。它能實現(xiàn)單指令乘加運算和變址運算。它將多條指令進行壓縮，如指令功能壓縮和指令周期縮短 (200ns 降到 20ns 以下 )，可以在一個指令周期內(nèi)執(zhí)行多條指令，提高了處理器的速度。 5. 在芯片內(nèi)設(shè)置了專門的硬件數(shù)據(jù)指針的逆序?qū)ぶ饭δ堋? 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。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。 圖 32 電壓電流信號采樣框圖 模擬信號輸入處理單元 此模塊包括電壓電流信號形成回路、低通濾波回路 (ALF) 、基準(zhǔn)電壓 (VBASE)形成回路。 根據(jù)采樣定理，采用 FFT 測量諧波，若要求準(zhǔn)確測量 2 n ( n=1,2 ,3… ) 次 諧波，則每周波采樣點數(shù)應(yīng)最少為 2 1?n 個點。信號調(diào)理電路包括信號衰減和模擬抗混疊濾波器?？够殳B濾波器的作用是把電力系統(tǒng)的信號進行低通濾波，濾除高頻分量，使輸入 DSP 進行處理的信號是滿足奈奎斯特 采樣定律 ( hs ff 2? )要求的信號，消除混疊現(xiàn)象，提高 FFT 的運算精度。 圖 33 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r e fr e fr e fout VVVRRVV ??????? 1 0 0 0 0/1002202091221 。 3+aVR 4 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圖 35 ALF 低通濾波電路 令 R40=R41=R,C40=C41 ， R42=R,R43=R2, 則： 22231)( SCRR CSASA upu ??? ，其中121 RRAup ?? ,將數(shù)據(jù)帶入上式，可以算出截止頻率為 HzRSf p 15912 3 ?? ? 。根據(jù)計算結(jié)果看出此低通濾波器能滿足要求。濾波電路輸入信號為 士 的正弦信號，輸出為 士 的正弦信號 LF2407 的 A/D 輸入應(yīng)在 0～ 之間，濾波放大電路的輸出能夠滿足 DSP 的要求。輸出63116263 )1( RIRRV ADr ef ???。 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圖 36 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生回路 同步方波產(chǎn)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 3 . 3D 1 6U pD 1 51 4+ 圖 37 同步方波產(chǎn)生回路 電網(wǎng)電容式無功補償器的系統(tǒng)設(shè)計 21 aV 為模擬信號經(jīng)過低通濾波之后的信號，運放起了電壓比較的作用， VAPULSE 為 0～ 的方波信號，送入 DSP 的捕捉引角，通過 DSP 的定時器測出兩個上升沿之間的時間，即通過測出正弦信號過零點之間的時間 ,而得出電網(wǎng)信號的周期。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 模數(shù)轉(zhuǎn)換器我們采用 LF2407 自帶的帶內(nèi)置采樣和保持的 A/D轉(zhuǎn)換器，具有 10 位精度，轉(zhuǎn)換速度最快達到 500ns，并且可以同時采樣 16 路信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的排序器包括兩個獨立的最多可選擇 8 個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器 (SEQI 和 SEQ2)，這兩個排序器可被級聯(lián)成個最多可選擇 16 個轉(zhuǎn)換模擬通道的排序器 (SEQ)。轉(zhuǎn)換后的數(shù)值結(jié)果保存在該通道相應(yīng)的結(jié)果寄存器中，這樣用戶可以對同一個通道進行多次采樣，即對某一通道實行 “過采樣 ”，這樣得到的采樣結(jié)果比傳統(tǒng)的采樣結(jié)果分辨率高。 （ 1） TMS320LF2407 電路 LF2407DSP 是哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分別尋址，可以實現(xiàn)同時尋址。 2407 的指令執(zhí)行速度為 30MIPS，外部時鐘選擇10MHz 的石英晶振，再通過內(nèi)部 2 倍頻得到 20MHz 的工作頻率。雙向 IO 口 PC0～7 和 PE6,PE7 作為控制量 (數(shù)字量 )輸出和數(shù)字信號輸入接口，既可以用來輸出控制晶閘管導(dǎo)通的控制信號，又可以作為晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)輸入接口。 IO 口 PA4～ 7 作為控制器狀態(tài)顯示，分別代表通訊自動、諧波超值保護、故障、通訊狀態(tài)。將 2407 的 MCMP\ 引角接地，即 2407 工作在微控制器方式下，即從內(nèi)部程序存儲器 (FLASH EEPROM)的 0000h 開始程序執(zhí)行，外部擴展的存儲器地址分配到 8000h 開始的福州大學(xué) 至誠 學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 22 地址空間。選用的外部存儲器為 CYPRESS 公司的 CY7C102l，是 64Kl6 SRAM。 A0～ A14 為地址線的低 15 位， A15 接 DS，即 SRAM 的0000h7FFFh 為數(shù)據(jù)空間， 8000hFFFFh 為程序空間。 PLL采用外部濾波環(huán)電路來消除抖動。 （ 4） 電源管理電路 1+ 5 VC 10 . 1 u F234U 2G N DE NI NI NR E S E TS E N S EO U TO U T76T O P W E R O N R E S E TR 3 02 5 0 KC 21 0 uL 1I N D U C T O RC 30 , 0 1 u FL 2I N D U C T O RV 3 3C 70 . 0 1 u FV 3 358圖 310 電源管理電路 如圖 310 所示電源監(jiān)控芯片選擇了 TI 公司的 TPS7333Q，此芯片可將 5V電壓轉(zhuǎn)換成DSP 需要的 電平，并有電平監(jiān)控的功能，當(dāng) OUT 腳輸出電平小于 時， RESET就輸出 200ms 的低電平以重啟 DSP。它們都由 220V 電壓供電，由變壓器輸 出 +12V、 12V, +5V 三種不同的電平信號，再由 7912 和 7812 穩(wěn)壓輸出 +12V 和12V 電平； LM25765 穩(wěn)壓輸出 +5V 電平； TPS7333 將 +5V 電平轉(zhuǎn)換為 + 電平輸出提供 DSP 系統(tǒng)需要。在這里，我們選用的是 PCF8583，其特點如下所述。 PCF8583 具有寬的工作電壓范圍 ()； RAM 的數(shù)據(jù)保持電源電壓范圍1V6V；最大工作電流 150181。 由于 TMS320LF2407 沒有專用的 CI2 時序引腳，所以本設(shè)計用軟件來模擬 CI2 總線時序，實現(xiàn)了 CI2 串行日歷時鐘芯片 PCF8583 與 DSP 芯片的接口電路及應(yīng)用。如圖 311 所示，為串型實時時鐘芯福州大學(xué) 至誠 學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 24 片接線圖。 D 1 7D I O D ED 1 8D I O D ER 7 1V C C + 5 VC 7 31 0 u F / 1 6 VC 7 20 . 1 u FD 1 9D I O D EV 3 . 3R 7 31 0 KR 7 21 0 KI O P F 0I O P F 18761234C 7 01 5 u FC 7 11 5 u FY 2C R Y S T A LO B C 1O B D 0A 0V R SV D DI N TB C LS D A51 0 0 KP C F 8 5 8 3B 13 . 6 V圖 311 串行實時時鐘芯片接線圖 電容的無弧投切 在三相電路中，只要控制兩相即可控制電容器的投切，這樣就可以節(jié)約三分之一的成本，采用傳統(tǒng)的方式投切傳統(tǒng)機械觸頭動作速度與工頻電壓和電流的變換速度不匹配，在投切過程中會電容會產(chǎn)生很大的涌流，而采用過零通斷控制方式的雙向晶閘管可以避免涌