基于DSP控制的动态无功补偿控制器的设计.docx
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基于DSP控制的动态无功补偿控制器的设计
本科生毕业论文（设计）任务书
基于DSP控制的动态无功补偿控制器的设计
一.论文（设计）的主要内容
查阅文献资料，在了解和熟悉动态无功补偿工作原理及意义的基础上，完成动态无功补偿控制器的设计。
针对如下具体技术指标，设计一个DSP控制的动态无功补偿控制器，其技术指标如下：
1.输入模拟量
（1）工作电压及输入电压模拟量
额定工作电源电压及额定电压模拟量220V或380V20%，电源正弦波形，总畸变率不大于5%
（2）输入电流模拟量
额定输入电流模拟量：
5A50Hz输入端输入阻抗：
不大于0.2
2.测量及显示精度
（1）电压各相电压0.5%
（2）电流各相电流0.5%
（3）有功功率各相及总和1.0%
（4）无功功率各相及总和1.0%
（5）视在功率各相及总和1.0%
（6）频率1.0%
（7）功率因数1.0%
3.控制要求
（1）控制灵敏度不大于0.2A
（2）过电压保护应在105%～120%之间可调，动作回差6-12V
（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
完成基于DSP控制的智能无功补偿装置的硬件设计。
完成基于DSP控制的智能无功补偿装置的软件设计。
摘要
针对电力系统中无功补偿装置发展的现状，设计了基于DSP控制的TSC低压动态无功补偿装置。
在系统硬件上采用数字信号处理器（DSP）TMS320LF2407处理器进行控制，具有控制运算高、实时性好的特点，在软件上，采用C语言编程，遵循模块化设计原则，提高了系统的通用性和维护的简易程度；在投切原则上，与常见的功率因数控制方案相比较，采用无功功率控制，避免了轻载振荡。
该装置能自动跟踪监测电网的无功功率和电压，实现无功功率的动态快速补偿，同时，完成对低压电网的配电监测，谐波治理和电能计量的功能。
关键词：
无功补偿；电力监测；数字信号处理器
Abstract
Contraposingthedevelopmentalactualityofreactivepowercompensationsysteminpowersystem,aDSPcontrolledThyristorSwitchCapacitors（TSC）systemisdesignedbasedonTMS320LF2407forreactivepowerdynamiccompensation.Thedigitalsignalprocessing（DSP）TMS320LF2812wasusedasthedeviceshardwarecore,whichhadmanymeritssuchashighoperatingspeedandhighrealtime.Theassemblelanguagewasusedinthesoftaredesign,theuniversaltraitoftheprogramandsimplifythedevicemaintenancewereimproved.Mentionofswitchinglaw,thecontrolmethodofconsideringreactivepowerwasused,andtheoscillationontheconditionoflightloadingwasavoided.anewlowvoltagereactivepowercompensationcontrollerbasedonDSPisproposed.Thiscontrollercansurveytheworklesspowerandvoltageautomaticallyandachievethefunctionssuchasquickcompensationofworklesspower,supervisionofthelowvoltagegrid,harmoniccontrol,electricitycalculation
[Keywords]Reactivepowercompensation;Monitorofelectricpowerwire;Digitalsignalprocessor（DSP）
第一章绪论
1.1无功补偿的意义
电压是衡量电能质量的一个重要指标。
电压质量对电网稳定运行，降低线路损耗，保证工农业安全生产，提高产品质量，降低用电损耗等都有直接影响。
因此，必须对系统各节点进行监视和控制，使电压水平维持在一个正常范围内。
电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备，如：
轧钢机、电弧炉、电气化铁路等；同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备，如：
计算机，医用设备等。
因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。
1.1.1无功功率的分布对电压有决定性的影响
在不考虑输电线的对地电容时，从节点i送到节点j的功率为P+jQ，节点i和节点j的电压分别为和，节点i、j之间的支路阻抗为R十jX。
节点电压的关系为：
（1-1）
在超高压电力系统中，线路电抗远大于线路电阻，因而上式可写成
（1-2）
电压
还可以写成：
（1-3）
式中δ为线路两端电压的相位角差。
比较式（1-2）、式（1-3）可以得到：
Q=
（1-4）
由式（1-4），正常运行时输电线路两端的电压的相位角差δ比较小，可以认为cosδ=1,这样线路中传输的无功功率大小就与线路两端电压有效值之差成正比，无功功率将从节点电压高的一端流向节点电压低的一端。
节点电压有效值的变化，也将使流经线路的无功功率随之发生变化。
因此电力网中节点电压的变化会引起无功功率潮流的变化。
而且从上式可以看出，如果从远处电源经输电线路向负荷提供无功功率，会使沿线路各点电压下降，甚至不能满足质量要求。
1.1.2无功功率在线路中的传输引起的损耗
传输无功功率产生的功率损耗为△
=
[1]，可见经电抗传输无功时产生的无功功率损耗有两部分，一部分是因为沿电抗传输有功功率（δ>0），这是不可避免的；另一部分是因为经联络阻抗传输了无功功率（
>
）。
可见减少线路无功功率的传输可以减少线路的无功功率损耗。
从有功功率损耗公式
可见，当有功功率和无功功率通过网络电阻时，会造成有功功率损耗。
当输送的有功功率一定时，总的有功网损主要取决于输送的无功功率的数值[2]。
1.1.3负荷无功功率对系统电压的影响
在额定电压附近，负荷从系统吸收的无功功率随电压上升而增加，随电压下降而减小,当系统出现无功功率缺额，亦即无功电源不能提供足够的无功功率时，系统所接各负荷的电压将下降，减少其向系统吸收的无功功率；当系统无功过剩，无功吸收能力不足的情况下，系统电压将普遍升高，如果利用发电机进相吸收无功功率，当吸收无功超过其最大吸收能力时，可能会引起系统暂态不稳定[3]。
1.2无功补偿原理
配电网中负荷无论是工业负荷还是民用负荷,大部分是感性负荷。
运行时需从电网吸收大量无功功率,致使电网功率因数、电能质量降低,电网“技术损耗电能”增加。
电网中安装并联电容器补偿装置后,可以减少电源向感性负荷经由输电线路输送的无功功率。
由于减少了无功功率在电网中的流动,故可以降低输电线路和变压器因输送无功功率而造成的电能损耗,从而提高电网功率因数、减少线损、电能质量得到明显改善。
电网中感性负荷等效电路可看作电阻R和电感L串联的电路,功率因数为cosΦ
cosΦ=
（1-5）
式（1-5）中
X
=WL
将R、L串联电路与电容C并联之后,电路见图1-（a）,该电路电流方程为:
=
+
a）（补偿电路）b）相量图（欠补偿）
c）相量图（过补偿）
图1-1并联电容补偿无功功率的电路和向量图
由图1-（b）的相量图可知,并联电容后,电压
与
的相位差变小,即供电回路的功率因数提高了。
此时供电电流的相位滞后电压,这种情况称欠补偿;若电容C的容量过大,使供电电流的相位超前于电压,这种情况称为过补偿,其向量图如1-（c）所示。
这会引起变压器二次侧电压抬升;电容器温升高,电容器本身的功率损耗增大,电容器使用寿命缩短;容性无功在线路上传输也会增加电能损耗。
故此种情况应避免。
1.3无功补偿装置的发展现状
1.3.1无功补偿装置的发展
传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，图1-2所示为一种最简单的无功补偿。
图1-2中，M代表需要滞后无功功率的用电设备，和C是用于向M提供无功的无功补偿装置。
当闭合使M运行时，M从电网吸取有功功率和无功功率。
为减少电网中的无功水平，我们将闭合，用C中的超前电流补偿M中的滞后电流，完成无功补偿任务。
由于C的补偿容量是固定的，它不能随着实际无功的变化而变化。
因此，它适用于无功变化不大的场合。
图1-2最简单的无功补偿图
但在实际用电系统中，无功往往变化很大，图1-2所示的补偿装置显然无法满足要求。
由于并联电容器阻抗固定，不能动态的跟踪负荷无功功率的变化：
而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。
所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。
20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术（StaticVarCompensation）。
这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。
所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能[4]。
图1-3实用的无功补偿装置图
图1-3所示电路中，当无功变化时，控制器检测到该变化，就根据该变化控制补偿电容器组的投切，达到按实际需求的无功量进行补偿的目的。
无论是图1-2电路还是图1-3电路，电容器组的投切都是靠开关（i=1,2,3,…,n）来完成的，目前这种静止开关主要分为两种，即断路器或电力电子开关。
断路器开关由于受器件固有特性的限制，在控制器检测到无功的变化需要投入或切除补偿电容器组时，开关速度较慢，约为10-30ms，不能快速跟踪负载无功功率的变化，而目前投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样在需要频繁投切时，不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容内部击穿，所受应力大，维修量大。
因此，采用断路器作为开关的静止无功补偿装置也只适合于负荷变化不大，即相对稳定的情况。
为了能快速跟踪补偿电网中的无功变化，在现代电力电子器件和数字控制技术的支持下，具有瞬时投切能力的动态无功补偿装置应运而生[5]。
1.3.2当前无功补偿装置分类
随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR、GTR、GTO等的出现，将其作为投切开关速度可以提高500倍（约为10μs），对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单向调节[6]。
现今所指的无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型：
一类是具有饱和电抗器的无功补偿装置（SR：
SaturatedReactor）；第二类是晶闸管控制电抗器（TCR：
ThyristorControlReactor）；第三类是晶闸管投切电容器（TSC：
ThyristorSwitchCapacitor），后两类装置统称为SVC（StaticVarCompensator）[7]。
以下对此三类无功补偿技术逐一介绍。
1.具有饱和电抗器的无功补偿装置（SR）
饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。
具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小[8]。
可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。
这类装置组成的无功补偿装置属于第一批补偿器[9]。
但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大2～3倍，另外这种装置有振动和噪声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器的无功补偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。
2.晶闸管控制电抗器
两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图如图1-4所示。
其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90
～180
。
当触发角α=90
时，吸收的无功电流最大。
根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式
可知,增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。
图1-4TCR型补偿器原理图图1-5TSC型补偿器原理图
在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用可控硅控制电抗变压器，这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。
电抗变压器的一次绕组直接与高压线路连接，二次绕组经过较小的电抗器与可控硅阀连接。
如果在电抗变压器的第三绕组选择适当的装置回路，例如加装滤波器，可以进一步降低无功补偿产生的谐波[10]。
由于单独TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。
根据投切电容器的元件不同，又可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器（TCR+FC）和TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器（TCR+MSC）。
这种具有TCR型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛[11]。
由于固定电容器的TCR+FC型补偿装置在补偿范围从感性范围延伸到容性范围是要求电抗器的容量大于电容器的容量，另外当补偿器工作在吸收较小的无功电流时，其电抗器和电容器都已吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。
TSC+MSC型补偿器通过采用分组投切电容器，在某种程度上克服了这种缺点。
3.晶闸管投切电容器（TSC）
为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC装置应运而生。
其单相原理图如图1-5所示。
两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。
现在普遍把这种可以快速补偿电网无功功率的晶闸管投切电容器的无功补偿装置叫做动态无功补偿器。
TSC用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。
一般对称网络采用星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。
不是希望电容器级数越多越好，但考虑到系统的复杂性及经济性，一般用K-1个电容值为C的电容和个电容值为C/2的电容组成2K级的电容组数[12]。
TSC的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。
经过多年的分析与实验研究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻[13]。
此时投切电容器，电路的冲击电流为零。
这种补偿装置为了保证更好的投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。
TSR补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节[14]。
1.4低压无功补偿的改进
低压无功补偿的传统模式主要有以下三种：
装于低压电动机的单台就地补偿；装于配电变压器低压侧的补偿箱；装于企业配电房或车间以及高层建筑楼层配电
间的自动补偿柜（如PGJ柜等）。
低压补偿箱和补偿柜的技术改进和新技术应用归纳起来主要有以下几方面。
1）由三相共补到分相补偿，以求达到更理想的补偿效果。
2）由单一的无功补偿到同时具有滤波及抑制谐波功能的补偿装置。
3）从采用交流接触器进行通断，到选用晶闸管开关电路通断，发展为等电压接通、零电流分断的最佳通断模式。
4）智能型自动补偿控制器和配电变压器的运行记录仪相结合。
5）将低压补偿的功能纳入箱式变电站或美式箱式变电站的低压部分。
6）采用不锈钢或航空铝板的箱体，具有防寒、防晒、密封、防潮和防锈的特点。
7）选用干式或充SF6的自愈式并联电容器，提高运行可靠性，延长使用年限。
1.5无功补偿装置的选择
从当前无功补偿装置的发展来看，目前广泛应用的几种无功补偿装置，即第二节所介绍的几种无功补偿装置，从控制投切装置的不同来看可以分为两类：
一类是采用断路器开关来控制；一类是采用晶闸管控制。
这两类无功补偿装置的特点在上一节中也有所介绍，总起来说采用晶闸管控制投切的无功补偿装置在性能上比采用断路器开关的无功补偿装置好，它动作时间短，通常能在一个周波（即20ms）内动作；动作时无火花，更安全可靠，寿命长。
而断路器开关费用上又优于晶闸管，因此在工程应用上也并没有被晶闸管开关完全取代。
这两种装置的特性比较见表1-1：
表1-1断路器开关与晶闸管开关控制投切的无功补偿装置性能比较
断路器开关控制
晶闸管控制
投切性能
有火花寿命短
无火花寿命长
动作时间
长（约几十毫秒）
短（约几十微秒）
适应的负荷
相对稳定的负荷
可补偿冲击性负荷
电压稳定性
电压有波动
通过控制投切时间，可消除电压波动
价格
低
高
任何一种智能无功补偿装置，都需要个控制器来完成电网参数的测量计算，控制电容组的投切。
以断路器作开关元件的无功补偿装置，控制器发出的是接点信号，控制接触器的吸合或断开。
以晶闸管作开关元件的无功补偿装置，控制器器发出的是晶闸管的触发信号。
第二章基于DSP控制的动态无功无偿控制器的硬件设计
2.1引言
目前，无功补偿装置已在电力系统得到广泛应用。
无功电源与有功电源一样是维护电力系统稳定、保证电能质量和安全运行必不可少的[15]。
电网中存在的无功功率有感性的和容性的两种，由于一般的电网中负载多为感性，如：
异步电机，变压器等，传统的就地无功补偿装置是通过单片机进行控制实现电容器组的投切。
但是，电网中存在谐波时，投切电容有可能发生电容把高次谐波量放大，更为严重的是如果电容与电网中的感性负载在某次谐波恰好发生谐振，电网电压、电流有可能被无限放大，造成的后果不堪设想。
因此，在无功补偿的同时，对电网中的谐波量进行测量和消除是非常重要的，且对系统的无功进行准确补偿也建立在对系统各项参数进行准确测量的基础上。
然而，传统的单片机作为控制器的系统由于受硬件资源与速度的限制，采样精度不高，每周波的采样点少，只自出选择计算量小的算法，结果限制了测量的精度。
故本系统采用DSPTMS320LF2407作为总控制器，指令速度很决，达30MIPS,更加适合于处理多数据、运算量大的系统[16]。
同时具有强大的控制功能，因此使用TMS320LF2407作内核带电力监测的低压智能无功补偿装置能更好的满足实时性和精确性的要求。
2.2设计任务
1.输入模拟量
（1）工作电压及输入电压模拟量
额定工作电源电压及额定电压模拟量220V或380V20%，电源正弦波形，总畸变率不大于5%。
（2）输入电流模拟量
额定输入电流模拟量：
5A50Hz输入端输入阻抗：
不大于0.2
2.测量及显示精度
（1）电压各相电压0.5%
（2）电流各相电流0.5%
（3）有功功率各相及总和1.0%
（4）无功功率各相及总和1.0%
（5）视在功率各相及总和1.0%
（6）频率1.0%
（7）功率因数1.0%
3.控制要求
（1）控制灵敏度不大于0.2A
（2）过电压保护应在105%～120%之间可调，动作回差6-12V
（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
4.功能要求
（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RS-232接口X485接口。
2.3主电路设计
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。
带电力监测的智能无功补偿装置的总电路图如图2-1所示。
图2-1带电力监测的无功补偿装置的总电路图
2.4智能低压无功补偿装置的结构
智能低压无功补偿装置主要由无功补偿控制器、智能投切开关、低压电容器等元器件组成。
采用一系列国内领先的技术和最新的电子元器件及新型的机电一体化的智能复合开关,集电网监测与无功补偿于一体,不但可以补偿电网中的无功损耗,提高功率因数,降低线损,从而提高电网的负载能力和供电质量同时还能够实时监测电网的三相电压、电流、功率因数等运行数据,可完成对整个低压配电线路的监测、分析处理、报表输出等综合管理,为低压配电线路的科学管理提供第一手的可靠数据。
控制器是无功补偿装置的核心器件。
我们选用的控制器采集三相电压、电流,分级分相采用综合判据来控制投切电容器。
我们选用的控制器具备优化无功补偿策略程序,控制物理量如无功功率功率因数、投切时间、电流电压门限等参数可设置,按照用户需求和特性动态无功补偿,并将共补与分相分组补偿有效结合起来。
该控制器实时采集电网三相电压、电流,计算出实际无功大小
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