基于dsp的10kv高壓動態無功補償系統的研究

0高壓動態無功補償本文介紹了一種基于電磁合器和低壓晶門管動態補償系統的高壓損失率補償方案。在這種方案中，我們消除了直接投資高壓系統的概念限制，利用低壓晶門管動態補償系統技術和電磁合器的結合，實現了10kv的高壓動態補償。本文主要研究了適用于該高壓無功補償裝置的控制器的設計,分別介紹了控制器如何實現電網參數采樣計算和電容投切控制等功能,最后用實驗結果證明了該控制器的可行性。1高壓動態無功補償裝置的fpga設計利用低壓晶閘管動態無功補償系統,采用電磁耦合方式實現10kV高壓動態無功補償裝置,如圖1所示。該裝置由2大部分組成:一部分為主電路,包括電磁耦合系統、晶閘管投切開關、補償電容器(9路共補電容器和3路分補電容器);另一部分為控制系統,即控制器。該裝置的基本工作原理如下:首先將10kV等級的電壓、電流信號通過電壓、電流互感器轉化成100V/5A等級的電壓、電流,再將100V/5A等級的電壓、電流送至控制器進行采樣處理,控制器計算出有功功率、無功功率和功率因數等參數,然后根據設定目標值產生投切控制信號,驅動晶閘管投切電容器,在低壓側產生的容性無功功率通過電磁耦合系統耦合到高壓電網側,從而達到高壓無功補償的目的。與現有10kV晶閘管動態無功補償系統相比,該裝置的特點是可靠性高,由于高壓側無需采用多個晶閘管的串聯,因此避免了由于晶閘管串聯均壓失敗而導致的事故,使高壓無功補償系統的可靠性達到了低壓無功補償系統的水平。所設計的高壓動態無功補償裝置控制器選用TMS320系列DSP控制芯片TMS320LF2407A為核心控制器。該芯片專門為實時信號處理而設計,集高速運算處理能力和豐富的片內外設于一身,特別適用于高性能數字控制系統,能夠滿足動態無功補償控制的實時檢測和處理的要求,使控制器具有高精度、高可靠性、功能結構模塊化和低成本等優點?？刂破魇紫葘⒏邏航涣餍盘栟D化為DSP芯片能夠識別的低電壓交流信號;然后將轉換得到的低電壓交流信號送至采樣計算控制電路,采用軟硬件相結合的方法實時同步采樣電壓和電流,并使用快速傅里葉算法和均方根算法計算得到基波電壓有效值、基波電流有效值等電量參數,最后分析計算得到應補償容性無功功率大小,進而對電容組電容進行投切,實現電網無功功率的動態補償。2基波電壓和相角的同步采樣控制基本原理高壓動態無功補償裝置控制器要采樣100V/5A等級的三相電壓、電流信號,必須先將100V/5A等級的交流信號轉換為能被DSP芯片識別的0~3.3V的模擬信號,然后送至DSP芯片進行采樣處理。由于控制器要完成對三相電壓、電流信號的6路采樣,故需要6路電壓信號調整電路,實現對6路低壓信號的電壓調整。為了實現對電網電壓、電流實時同步采樣,本文采用的是硬件原理簡單的軟件同步采樣:先由硬件測出被測信號的周期T,然后將周期N等分,則采樣間隔為Δt=T/N,其中N為1個周期內的采樣點數,由此確定定時器的計數值Δt,用定時中斷方式實現對被測信號同步采樣?；谏鲜鲈?本控制器采用NE555芯片構造的測頻電路,該電路將電網的正弦波信號轉換為同頻率的方波信號,然后利用DSP內部事件管理器(EVA)的捕獲功能來測量電網頻率,最終實現對三相電壓、電流逐個周期的等間隔時間采樣。該方法的優點是無需硬件同步電路,結構簡單,結果準確。本文研制的控制器采用均方根算法和快速傅里葉算法對各個電量參數進行計算。均方根算法根據連續周期交流信號的有效值及平均功率的定義,將連續信號離散化,用數值積分代替連續積分,得到有效值或平均值離散化的表達式?？焖俑道锶~算法是離散傅氏變換的快速算法,它是根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性,對離散傅里葉變換的算法進行改進獲得的,特別適合計算電網電壓、電流基波及其各次諧波的有效值。下面簡單介紹算法的原理。連續周期電流信號的有效值計算公式為其中,i(t)為電流瞬時值,T為交流信號周期。將連續信號離散化,得:其中,ik為各個采樣點的值,N為一個周期內的采樣點數,Ki為電流采樣硬件通道系數。根據式(2),使用均方根求取交流參數時必須取1個整周期的波形計算,否則會產生誤差。對于連續時間函數f(t),其傅里葉級數的三角級數形式為其中,為周期函數的角頻率,h為諧波次數,本文只需要計算基波電量參數,故基波信號有效值及其相角分別為將各個采樣點值代入上述公式可得到基波電壓有效值及其相角為其中,Ku為電壓采樣硬件通道系數。由此可以進一步得到相位差、有功功率、無功功率和諧波畸變率等參數:按照上述公式便可計算得到所需的各個電量參數。3電容器投切邏輯控制考慮到電網三相無功功率不平衡,本文研制的控制器需實現三相共補與分補投切控制,以無功功率作為投切電容的計算依據,以設定的功率因數作為約束條件,過壓、欠壓、諧波畸變和小電流保護相配合,即在過壓、欠壓、諧波畸變和小電流時切除所有電容器以保護電容器,實現了對電容器投切的復合邏輯控制。如圖1所示,所設計的高壓動態無功補償系統需要9路共補電容和3路分補電容,其中三相共補電容采用三角形接線方式,三相分補電容采用星形接線方式。3.1采樣及電量參數的計算為了實現三相共補和分補投切控制,需實時計算各相無功功率值等電量參數。本文研制的控制器在程序中利用變量CHANNEL_SEL作為各相的選擇標志,使控制器依次采樣各相電壓、電流并計算出各相電量參數。三相信號的采樣計算方法如圖2所示。如圖2所示,控制器首先將變量CHANNEL_SEL定義為i(i=A,B,C)相,然后對i相信號進行采樣,實時計算出i相無功功率QRMS[i]等電量參數,并算出系統達到設定功率因數Sin時應投入的容性無功功率Q[i],其計算公式為其中,U為相電壓的有效值,I為相電流的有效值,QRMS[i]為當前各相無功功率,可由式(14)求得。至此i相的各個電量參數計算完畢,此時更換變量CHANNEL_SEL值計算另外兩相的電量參數及其應投入的容性無功功率值。由此可知,每次負載改變,至少需要3個電網周期才能完成各相電量參數的更新。3.2投切信號狀態的計算為了提高動態補償的補償精度和實現電容循環投切,本控制器在共補電容值分配上采用的二進制編碼和等值編碼相結合的混合編碼方式,即1244…編碼。若最小的共補電容器的電容量為C,編碼1、2、4對應的補償電容器組容量分別為C、2C和4C,那么9路共補的總容量為31C。由于本文設計的控制器共控制9路共補電容和3路分補電容,12路的投切信號狀態存儲在16位變量PORT的低12位中,且1表示電容投入,0表示電容切除。由于負載的變化,控制器需要根據實時計算得到的各相電量參數更新投切的電容量,以滿足動態無功補償的要求。為了得到電容的投切信號,首先需要逐個讀取存儲于變量PORT低12位中的投切信號狀態,由于12路補償電容的容量是固定的,因此可以計算得到已經投入的各相共補容性無功功率QC_TEMP和各相分補容性無功功率QTEMP[i]。為了取得更好的無功補償效果并防止系統因投切振蕩而崩潰,所研制的控制器還設置了投切閾值,其中投入閾值CPLUS=0.8C,而切除閾值CMINUS=0.5C,C為最小共補電容容量。需投切的無功功率Qf[i]的計算流程圖如圖3所示。需投的無功功率Qf[i]的計算原理為:將已經投入的各相共補容性無功功率QC_TEMP和各相分補容性無功功率QTEMP[i]相加,得到各相已經投入的容性無功功率總和;考慮到投入閾值和切除閾值的處理,當Q[i]≥CPLUS時,當前各相應該投入容性無功功率為Q[i]+C-CPLUS,當Q[i]<-CMINUS時,當前各相應該投入容性無功功率為Q[i]-C+CMINUS;最后將各相已經投入的容性無功功率總和與考慮投切閾值時當前各相應該投入容性無功功率相加得到各相需投切的無功功率Qf[i]。其計算公式為由于系統同時采用三相共補和三相分補,因此需要對需投切的無功功率Qf[i]進行分析,得到新的共補電容器組和分補電容組的投切信號,計算流程圖如圖4所示。本文以之前計算得到的各相需投的無功功率Qf[i]中的最小值Qg,即Qg=min(Qf[A],Qf[B],Qf[C])作為共補無功容量的依據,然后根據共補電容器組的容量大小和Qg值確定實際投入的共補無功容量QG。本文中QF是分補電容器的容量,分補投切判據是利用QF<Qf[i]-QG式確定,以適應三相負荷不平衡狀況。上述計算所得到新的投切狀態信號存于16位變量PORT_N低12位中,投入電容用1表示,切除電容用0表示。最后將新的投切信號變量值PORT_N與原來的投切信號變量值PORT比較,若兩者不相等則重新發出投切電容器組的信號,否則保持原來電容投切狀態。4電容器非線性特性為驗證本文所設計的高壓動態無功補償控制器的可行性,在實驗室中建立了模擬高壓動態無功補償系統:利用線電壓為380V的市電模擬高壓電網,而用線電壓為150V的交流源模擬低壓側,自耦變壓器變比為380V/150V,負載為接在380V側的電阻箱和電抗器,補償電容接在150V側,模擬實驗時只采用了2組共補電容,每組容量分別為15kvar和7.5kvar,額定電壓均為400V,額定電流分別為21.7A和10.8A,三角形連接。補償前電壓、電流波形如圖5(a)所示,其功率因數為0.446;補償后電壓、電流波形如圖5(b)所示,其功率因數為0.948。由于電容器的非線性特性,補償后給實驗系統帶來了一定的諧波。為了檢驗控制器動態響應時間,測量了從感性負載投入到控制器發出投切信號的響應時間。實驗波形如圖6所示,分別為投切電容器信號的電壓波形u和模擬高壓側的系統電流波形i,感性負載投入瞬間會有一定的涌流,響應時間約為60ms,即3個電網周期,實驗結果與理論設計相符。5制器通過快速傅里葉變換算法控制無功無功補償本文介紹了一種利用低壓動態無功補償系統和電磁耦合方式實現10kV高壓動態無功補償方案,控制器以DSP芯片TMS320LF2407A