1、摘 要I本科毕业论文（20 届）基于 DSP 无功补偿同步投切装置设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要在电力系统中，无功功率是影响电网稳定的一个重要因素，它关系到整个电力系统能否安全稳定的运行，无功补偿是保证电力系统高效可靠运行的有效措施之一。基于国内电力市场的需求现状，考虑到无功补偿的实现条件和经济适应性，研制出了一种基于 DSP TMS320LF2407 控制的 TSC 型低压动态无功补偿装置。该装置以实时的电网监测数据为依据，以 400V 低压网的最佳无功补偿为对象。本文主要研究 TSC 无功补偿基本原理，无功补偿控制方式和原
2、理，以及控制器软、硬件的设计。在硬件设计方面，用 DSP TMS320LF2407 作为主要控制器，从而能够实现自动采样计算、无功自动调节、数据存储等功能，具有比传统的单片机控制运算速度更高，实时性更好的特点。采用晶闸管控制在电网电压峰值投入电容器，完全实现了电容器的快速，无弧，无冲击投入 1，具有优良的性能。在软件上，采用高级语言编程，遵循模块化设计原则，从而提高了系统通用性以及维护简易程度。为了实现装置应具有的功能，本文设计并制作了较为完整的控制电路和其外围设备硬件电路。它们包括电源电路、触发电路、采样电路及通讯电路等。文中设计编写了部分控制系统的控制程序，给出了控制软件的结构框图。在本文
3、中，还设计了电容器保护电路，以及装置在电网谐波含量超标时采取的保护措施。关键词：无功补偿，晶闸管投切电容器，数字信号处理器，峰值投入AbstractIIIAbstractIn the power system, reactive power is an important factor affecting the stability of the power grid; it relates to the entire power system can safe and stable operation, reactive power compensation is one of the ef
4、fective measures to ensure the efficient and reliable operation of power systems. Based on the needs of the domestic electricity market, we take into account the reactive power compensation to achieve the conditions and economic adaptability, and develop a control based on DSP TMS320LF2407, TSC-type
5、 low-voltage dynamic reactive power compensation device. The device is based on real-time grid monitoring data, to 400V low voltage network reactive power compensation.This paper studies the basic principles of TSC reactive power compensation and control of reactive power compensation and principles
6、, as well as the controller hardware and software design. In hardware design, the DSP TMS320LF2407, as the main controller, to achieve automatic sample calculation, automatic adjustment of reactive power, data storage and other functions, has a higher than the traditional single-chip control the spe
7、ed of operation, real-time characteristics. We use high-level language programming; follow the principle of modular design, the simplicity of the systems versatility and maintenance. On the principle of switching and power factor control scheme, the use of Voltage and Reactive composite control, to
8、avoid the light load switching oscillation, reactive power regulation is more reasonable. In order to achieve the function of the device should be designed and produced a more complete control circuit and its peripheral equipment hardware circuit. They include a trigger circuit, sampling circuit, an
9、d communications circuits. Designed in this paper to write the whole control system control procedures, and gives the block diagram of the control software. In this article, also designed a capacitor protection circuit and devices in the grid harmonic content exceeds the protective measures taken.Ke
10、ywords: Reactive power compensation, Thyristor Switched Capacitor (TSC),Digital Signal Processor (DSP), Zero-crossing triggering目 录IV目 录摘 要 .IAbstract.II目 录 .III第一章 绪论 .11.1 本课题研究背景及意义 .11.2 同步投切装置研究发展概况 .21.3 国外同步投切技术发展研究情况 .41.4 国内同步投切技术发展研究情况 .41.5 本论文研究的主要内容 .5第二章 系统总体概述 .72.1 TSC 系统总体设计 .72.2 T
11、SC 系统工作流程 .72.3 晶闸管投切电容器(TSC)的基本原理 .82.4 晶闸管投切电容器的投切时刻选取 .9第三章 控制系统硬件电路设计 .113.1 控制器电路设计 .113.1.1 数据采集单元 .113.1.2 DSP 及外围电路设计 .153.2 电源模块 .193.2.1 系统电源设计 .193.2.2 DSP 电源设计 .203.3 执行单元 .203.4 补偿单元设计 .223.4.1 主电路接线方式选择 .223.4.2 电容器补偿容量计算方案 .223.4.3 晶闸管电流参数选择 .233.4.4 晶闸管电压参数选择 .25目 录V3.4.5 预充电电路设计 .26
12、第四章 控制系统软件设计 .284.1 控制策略 .284.2 主程序软件设计 .304.3 数据处理软件 .314.4 投切控制软件 .32总 结 .34参考文献 .35致 谢 .36第一章 绪 论- 1 -第一章 绪 论1.1 本课题研究背景及意义电能作为现代社会重要的支柱能源和经济命脉，它的应用程度是度量一个国家发展水平的标志之一 2。无功功率是电气技术领域重要部分，存在于交变磁场和交变电场中的一种瞬时功率。它和有功功率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。由于电网负载绝大多数呈感性，对广大供电企业来说，用户功率因数偏低，直接影响到电网中功率和电能损耗，影响到供电线路
13、的电压损失和电压稳定性，而且影响到整个供电区域的供电质量。据统计在输电线路、高压配电网、低压用户的三大部分的线损中，低压用户线损最大，因此，降损节能主要围绕低压 380V 用户来进行。长期以来，我国的低压配电网网架薄弱、线径小、设施老化，负荷电流大，自然功率因数低，并且结构复杂，电压质量不易控制，无功功率仅靠上级电网远距离传送，不能及时了解无功潮流变化，不能及时就地补偿无功功率，降低了电网经济效益 3。而近年来，随着电力电子技术发展，在工业领域内大功率的电力电子设备得到了广泛运用。然而，由于电力电子设备非线性特性，运行时会产生大量的谐波；同时，由于这些电力电子设备驱动着大量低功率因数、冲击性负
14、载，又产生大量变化急剧的无功，共同使得电网质量恶化，造成电压波动、谐波量过大等不良状态 2。因此，迫切需要对系统进行快速、准确、动态的无功功率补偿。电力部门大力推广无功就地补偿装置，重要性是十分明显的。研究无功功率补偿对电网安全经济运行有非常重要的意义：(1)解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列新的技术问题。(2)促进节能。无功功率在电网中不断循环，造成很大浪费。如果无功功率问题处理得好，不仅可以节约电能，还能减少系统变压器和输变电设备的容量。(3)通过研究无功功率测量，掌握无功功率的经济规律。通过统计、理论分析以及各项技术措施来达到经济运行的目的。第一章 绪 论- 2 -(4)保证电能质
15、量，促使电力系统安全稳定可靠运行。1.2 同步投切装置研究发展概况动态无功补偿是相对于传统的无功补偿并联电容器而言的。虽然并联电容器经济，简便，灵活，应用范围广泛，只是控制器在不断更新发展，但其阻抗是固定的，不能跟踪负荷无功需求而变化，也就是说不能实现无功功率的动态补偿。而近年来随着电力系统的发展，对于无功功率进行快速、动态、稳定补偿的需求也越来越大 2。传统无功功率动态补偿装置是同步调相机 SC(Synchronous Condenser)，它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同状况下，可以分别发出大小不同的容性或感性无功功率。自上世纪二、三十年代以来的几十年中，SC 在
16、电力系统无功功率的控制中一度发挥着主要作用。由于噪声和损耗都比较大，运行维护复杂，并且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。因此二十世纪 70 年代以来，SC 开始逐渐被 SVC 取代，而目前有些国家甚至已不再使用 SC。随着半导体制造技术以及变流技术的发展，电力电子技术对无功补偿技术也迎来了新的发展契机，各种新型、自动、快速的无功补偿装置相继出现 5。SVC、 STATCOM、UPFC 和 CSC 就是具有动态无功补偿功能最重要的几种设备品种，下面分别进行介绍：(1)静止无功补偿器 SVC(Static Var Compensator)。由于使用晶闸管的 SVC具有优良的
17、性能，因此十多年来占据了 SVC 的主导地位。SVC 一般专指使用晶闸管的静止无功补偿装置。按控制对象和控制方式的不同，可以分为晶闸管控制电抗器 TCR(Thyristor Controlled Reactor)、晶闸管投切电容器TSC(Thyristor Switched Capacitor)以及两者的混合装置(TCR+TSC)，或者 TCR和固定电容 FC(Fixed Capacitor)配合使用的静态补装置(TCR+FC)等。TSC 及TCR 的单相原理如图 1-1 和 1-2 所示。图 1-1 中串联的小电抗器作用是抑制电容器投入电网运行时刻可能产生的冲击电流，有时也可以不画出来。第一
18、章 绪 论- 3 -IUIU图 1-1 TSC单 相 原 理 图 图 1-2 TCR单 相 原 理 图(2)静止同步补偿器 STATCOM(Static Synchoronous Compensator)，也称为新型静止无功补偿器 ASVC(Advanced Static Var Compensator)、静止调相机STATCON(Static Condenser)、静止无功发生器 SVG(Static Var Generator)4。它的基本电路可分为电压型桥式电路、电流型桥式电路两种类型。电路基本结构如图 1-3 所示。STATCOM 基本工作原理是将桥式变流电路直接并联或者通过电抗器并联
19、在电网上，再适当调节桥式变流电路的交流侧输出电压相位和幅值或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，从而实现了动态无功补偿的目的。与 SVC 相比，STATCOM 具有五大优点：元件容量小、调节速度快、调节范围广、运行范围宽、谐波含量小。到目前为止，国内外对STATCOM 基本原理、主回路结构、控制策略以及不对称控制等做了很多研究69，但还是有很多理论有待于进一步的研究，在实际运用中的一些问题还有待于解决。(a)电 压 型 桥 式 电 路 (b)电 流 型 桥 式 电 路图 1-3 STATCOM电 路 基 本 结 构 图(3)统一潮流控制器 UPFC(Unified P
20、ower Flow Controller)。将一台第一章 绪 论- 4 -STATCOM 与一台静止同步串联补偿器 SSSC(Static Synchronous Series Compensator)的直流侧通过直流电容相耦合，构成了统一潮流控制器 UPFC。它是目前为止通用性最好的 FACTS 装置，包括电压调节、串联补偿和移相等所有功能。与其它的 FACTS 补偿装置相比，UPFC 具有控制范围大，控制方式灵活等优点。(4)可转换静止补偿器 CSC(Convertible Static Compensator)。它是美国EPRI、西门子公司和许多电气公司在 FACTS 领域长期共同研究的
21、结果，CSC事实上是将已有的基于同步变流器串并联补偿器技术，通过在结构上实现柔性化，使它可以更加灵活地应对时刻变化的电力系统的要求。CSC 是由多个同步电压源逆变器构成，可同时控制 2 条以上线路潮流（有功、无功）、电压、阻抗和相角，并能实现线路之间的功率转换。它实质是一种 UPFC 的多重组合。 CSC 被认为最新一代的 FACTS 装置，目前仅在美国Marcy 变电站中安装 10。1.3 国外同步投切技术发展研究情况国外同步投切技术发展比国内成熟，如日本三菱、日立、东芝，美国的GE、西屋公司，德国西门子等都在电力无功补偿方面的自动化程度很高，日本配电网系统的户外补偿电容器自动投切率达到 8
22、6.4%，补偿系统均采用先进的MCU 控制，可实现连续无级补偿。从世界范围来看，以 TCR 和 TSC 为代表的静止无功补偿装置 SVC，占据了大部分动态无功补偿市场，该技术也将会是今后研发的主要方向 11。迄今为止，全世界配电系统中已有超过千套的 SVC 正在运行，这些设备总容量约为 100GVar。对于 UPFC，世界上很多国家都在开展研究工作。美国、法国均在加紧实际装置研究工作，美国 Inez 变电站已经于 1998 年在 138kV 系统安装了UPFC。我国也开展了 UPFC 的研究，已经进行了大量基本原理以及控制策略研究。1.4 国内同步投切技术发展研究情况目前使用机械投切并联电容器
23、组的补偿装置是我国电网中最为普遍的无功第一章 绪 论- 5 -补偿装置 l2，但投切开关易损坏，速度较慢，补偿效果较差，近年来逐渐被TSC 型无功补偿装置所代替。在我国输电系统中有 5 个 500kV 变电站已经安装了 6 套 SVC 设备，设备容量介于 105170Mvar 之间，但这 6 套装置都为进口。现在还有 100 多套 SVC 已经在工业用户中安装，而其中约 1/5 来自于进口。从2001 年起，工业用户共安装了 26 套由中国电力科学研究院设计的 1035kV的 TCR 无功补偿装置。在 2001 年与 2003 年该院同样为有关变电站安装 l0kV的 TSC 型 SVC 装置，
24、填补了 SVC 国内工程应用的空白 1315。近几年随着计算机技术的发展，现代控制理论也得到飞速发展，一些智能控制理论（如模糊控制、人工神经网络和专家系统等）逐渐成熟，研究人员为了使 SVC 装置性能更加可靠，运行更加稳定，相关理论很快被引入到了 SVC 控制策略中，但是这些理论的研究目前尚处于实验室研究阶段，且在实际运用中还有诸多问题仍需解决。TSC(Thyristor Switched Capacitor)称为晶闸管投切电容器，是一个对供电网络波动无功功率进行动态补偿的相对独立系统，广泛应用于配电系统的动态无功功率补偿。晶闸管的投切时刻可以精确控制，可以快速无冲击地将电容器接入电网，大大减
25、少了投切时的冲击电流和操作困难，其动态响应时间约为0.010.02s。TSC 型无功补偿装置由于具有控制比较简单、价格相对低廉、速度较快、运行效果良好、满足多数用户实际需求等诸多优点，因此在目前电网中逐渐被采用，特别是在厂矿、钢铁等大中型企业中拥有十分广阔的市场，所以 TSC 型无功补偿装置在今后将成为国内无功补偿的主要装置 16。1.5 本论文研究的主要内容本论文根据目前无功补偿装置发展状况，分析当前比较重要的几种动态无功补偿装置原理、性能和适用场合，在此基础之上，为满足电力系统对实时性更高的要求，提出采用 DSP 进行 TSC 控制的动态无功补偿装置，并进行系统软硬件设计。本文要做的工作如下：(1)主要阐述了课题研究的意义，对目前流行的几种动态无功补偿装置在原理、性能、使用场所等方面进行比较，分析了国内外的研究现状以及设计的主
