基于DSP的TSC型无功补偿控制器的研究_高兆申[1].docx

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1、 论文题目： 基于 DSP的 TSC型无功补偿控制器的 研究 作者姓名： 高 兆 申 入学时间 : 2 0 0 6 年 9 月 专业名称： 信号与信息处理 研究方向： 信息获取与处理系统 指 导 教 师 ： 公茂法 职 称： 教 授 论文提交日期： 2009年 5月 论文答辩日期 ： 2009年 6月 授予学位日期 . _ STUDY OF THE TSC REACTIVE POWER COMPENSATION CONTROLLER BASED ON DSP A Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the d

2、egree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Gao Zhaoshen Supervisor: Professor Gong Maofa College of Information and Electrical Engineering May 2009 声 明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名 : 日 期 : AFFIRMATION

3、 I declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic

4、institute. Signature: 摘要 本文针对目前电力网中负载所需的大量无功功率致使电能大量损耗、供电质量恶化、 甚至导致电力系统安全的问题，在详细分析无功补偿的相关理论和算法的基础上，研究 了一种可靠的低成本的基于 DSP的 TSC型低压动态无功补偿控制器。 该控制器在硬件上采用了数字信号处理器 TMS320F2812作为主控制单元，在电网 参数测量模块中采用了三片专用计量芯片 CS5463来完成数据的采集，数据经过 DSP处 理后再通过相应的控制方式和控制算法向执行单元发出投入或切除信号，执行单元主要 有可控硅控制器和可控硅构成。同时为了减轻软件调试的复杂程度以及对实时性的要求

5、， 我们另外用了一个单片机来完成控制器对温度的检测以及控制风机的运行，此外，该系 统还能实现液晶显示、串行通讯、数据存储以及电压报警等功能。在软件上，系统采用 了模块化的设计方法，提高了系统的 通用性和维护的简易程度。在投切控制方式上，系 统采用了电压 /无功功率复合控制的策略，这就避免了以往单一的功率因数控制出现的投 切震荡的问题，使无功补偿更加合理有效。该方案设计的控制器最多能够控制 16路电容 器组，可以应用在低压电网三相共补、三相分补以及共补与分补相结合的电容器组等容 量配置的无功补偿装置中。 最后对整个系统做了相关的实验，试验结果证明利用此方案所设计的无功补偿控制 器测量数据精确，电

6、容器投切准确快捷，无功补偿效果明显，基本能够满足目前低压无 功补偿的需要。该控制器所具有的开发成本低、周期短， 性能可靠稳定的优点，将会使 其以较高的性价比得到推广使用。 关键词： TMS320F281， 无功补偿， TSC， 可控硅 山东科技大学硕士学位论文 _ 摘要 Abstract Aiming at the problems that lots of reactive power required in the current power grid which resulting in substantial loss of power% power quality deteriora

7、tion, and even lead to power system security, on the basis of analyzing the basic theory and control strategy of reactive power compensation, we developed a new kind of TSC low-voltage smart reliable and low-cost reactive power compensation controller based on DSP. In the hardware design of this con

8、troller, TMS320F2812 is used as the main control unit, three dedicated measurement chip CS5463s are used to complete the measurement of data collection, then DSP give switching orders to execute units through corresponding control mode and control algorithm after processing collected datas. Implemen

9、tation unit is formed by SCR controller and SCR. In order to reduce the complexity of software debugging and real-time requirements, we used a single-chip controller for temperature detection and control of the air blower. In addition, the system can also achieve the liquid crystal display, serial c

10、ommunications, data storage, as well as voltage alarm. In terms of software, the system uses a modular design method to improve the systems universal property and reduces the difficulty of system maintenance. In the switching control, the system uses the voltage/reactive power multiplexed control, w

11、hich avoids occuring switching shocks that previous power factor controlling has, so that reactive power compensation bacoming more reasonable and effective. This controller can control up to 16 groups of capacitor and can be used in the device of three-phase joint compensation and the device of thr

12、ee-phase separate compensation and the device of combined the two under the condition of configure the same capacitor without second development. Finally a series of experiment are made about this controller， experimental results shows that the reactive power compensation controller that we designed

13、 have precision measurements, accurate fast capacitor switching, effect of reactive power compensation, the basic low pressure can meet the current needs of reactive power compensation . The controller have lots of advantages such as low cost, short development cycle, reliable performance and stabil

14、ity, which will be intensive used because of its high quality. Keywords: TMS320F281, reactive power compensation, TSC, SCR 目录 1 . 1 1.1课题研究背景及意义 . 1 1.2国内外研究现状及发展趋势 . 2 1.3课题研究的目的 . 5 1.4 本文的主要工作 . 6 2无功补偿的相关理论与算法 . 8 2.1 无功补偿的相关概念 . 8 2.2 TSC型无功补偿 . 12 2.3自动投切控制方式与控制算法的介绍 . 17 2.4本控制器控制方式与控制算法设计 .

15、20 2.4无功补偿与谐波防治 . 23 3控制器的硬件设计 . 26 3.1 系统方案的选择 . 26 3.2控制器整体结构介绍 . 27 3.3控制器具体硬件电路设计 . 28 3.4硬件电路抗干扰设计 . 38 !控制龠的软件设计 . 41 4.1 CCS集成幵发环境 . 41 4.2系统软件整体结构设计 . 42 4.3具体软件模块设计 . 43 4.4软件算法中的改进 . 52 5实验结果及分析 . 55 5.1 实验装置的相关说明 . 55 5.2 实验情况记录 . 55 5.3 实验情况分析总结 . 57 3总结与展望 . 58 山东科技大学硕士学位论文 _ 6.1 本文总结 .

16、 58 6.2 廳 . 59 ii . 60 参考文献 . 61 Contents 1 Introduction . 1 1.1 The study background and significance of the paper . 1 L2 The development process and the status quo of reactive power compensation . 2 1.3 Research purpose and significance of of the paper .5 1.4 The main task of the paper . 6 2 The r

17、elevant theory of the reactive power compensation . 8 2.1 The general concept of the reactive power compensation . 8 2.2 TSC reactive power compensation . 12 2.3 Reactive power compensation and Harmonic Suppression . 17 2.4 The relevant theory and method of compensation adopted by this system . 20 2

18、.5 Reactive power compensation and harmonic control . 23 3 Hardware design of the controller . 26 3.1 The choice of the systemplan26 3.2 The whole structural design of the controller . 27 3.3 Specific circuit design of the controller . 38 3.4 Anti-jamming design of hardware circuit . 38 4 Software d

19、esign of the controller . 41 4.1 CCS IDE . 41 4.2 The whole software structural design of the controller . 42 4.3 Specific software module design of the controller . 43 4.4 Software algorithm improvement . 52 5 Experimental results and analysis . . 55 5.1 Introduction of experimental device . 55 5.2

20、 Records of the experimental . 55 5.3 Analysis and summary of experiment . 57 6 Summary and outlook . . . . . . . 58 6.1 Summary of th is paper . 58 6.2 Outlook . ) 山东科技大学硕士学位论文 _ St Acknowledge . . . . . . . 60 References . . . . . . . . 61 1绪论 1.1课题研究背景及意义 近年来，随着现代电力电子技术的飞速发展，我国电网容量迅猛增加，电网中无功 功率的消

21、耗也日益增大。低压配电网中，随着居民生活水平的提高和家用电器的普及， 以及小工业用户的增多，电网的功率因数大都比较低 ;尤其是电力电子装置的广泛应用， 而这些装置大多功率因数很低，造成了电网供电质量的下降，也给电网带来了额外的负 担。因此，利用无功补偿技术成为当前世界各国电力设计及决策人员的共识，无功补偿 装置的投资也被列入电力投资的整体规划中，成为一个不可缺少的环节。因此，研究无 功补偿问题具有十分重要的意 义。 无功功率分为感性无功功率和容性无功功率，由于在工农业和生活用电负载中，如 变压器、电动机、电焊机、电弧炉、整流设备和大部分家用电器等感性负载占有很大比 例，据统计仅电动机消耗的电能

22、占整个工业用电的 60%-70%。这些感性负载需要的大量 无功功率致使电网功率因数偏低，约为 0.6-0. 8。假设全国电力网负载总功率因数为 0.80, 采用无功补偿装置将功率因数从 . 80提高到 0. 95时，则每年降低线损将是非常可观。可 见补偿负载所需的无功功率来提高系统的功率因数，对于挖掘电网的潜力是十分重要的。 负载所 需的大量无功功率会导致诸多问题，如果不能就地补偿，全靠电网输送，就 会使配电、输电和发电设备不能充分利用，降低了电网的能力，使供电质量恶化，影响 用电设备的寿命，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。可见无功补偿 对电力系统安全、可靠运行有着很重要的意义

23、，是一项投资少、收效快的降损节能措施。 在变压器低压侧安装无功补偿装置对电压、电流、有功功率、无功功率及功率因数等电 力参数的准确、快速的检测监控和无功补偿可以及时掌握供电线路和设备的运行状态， 再加上通信技术的运用，可以及时发现电网中的故障或隐患 ，降低了事故的发生率，保 证了电力系统及设备的良好运行 123456。 根据电力网中负载的特点，在电网中安装并联电容器可以供给感性负载需要的大部 分无功功率。并联电容器补偿简单经济、灵活方便。但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、电弧机、电气化铁道等，就要求补偿装置能够 山东科技大学硕士学位论文 _ 绪论 根据负荷的变

24、化进行动态补偿。而简单的并联电容器只能补偿固定无功，容易造成过补 或欠补，无法满足电力系统的实际需求，还有可能和系统发生并联谐振，导致谐波变大， 引起电能质量恶化。因此，采用对电容器进行分组，利用微机进行控制，根据负荷无功 功率的变化，对电容器组进行自动投切，以实现对无功功率动态补偿的装置，目前在国 内得到广泛的应用。但国内无功功率补偿装置的研究还处于初期发展阶段，大部分无功 功率补偿装置存在控制器动态响应时间较长，电网参数测量不精确，投切电容器幵关选 择不合理，投切电容器时涌流现象严重，且存在结构复杂，稳定性、可靠性低等缺陷， 严重的影响了补偿的效果，其控制器设计还待有 更近一步的提高 78

25、。 随着数字信号处理理论以及 1C技术的发展，专用电能测量芯片得到广泛的应用，使 得电力系统参数的测量变得精确、简单，为系统的准确控制创造了条件。并且随着电力 电子技术的发展，可控硅控制器在质量上得到很大的提高，具有很大的抗干扰能力和很强 的适应性。本课题针对目前国内无功补偿控制器普遍存在的问题，研究一种基于 CS5463 芯片的智能控制器设计方案，不但提高了系统对电网参数的测量精度，而且缩短了系统 的动态响应时间，提高了系统的可靠性，降低了无功补偿控制器的开发成本，并能记录 电网过去的状态参数及实现通信，改善了无功补偿的效果，有效的平衡了三相的有功及 无功负载，提高了供电的质量，而且采用合理

26、的控制算法，提高了无功补偿的效果。 1.2无功补偿的发展历程和现状 人们认识到设备所需的无功功率给电网输电及电力设备自身的运行所带来的各种弊 端，很早就对各种补偿措施进行研究。伴随着电力电子技术的发展、新材料新工艺不断 推陈出新以及各种新型控制方法的提出，经过几十年的发展，无功补偿装置从最早的电 容器开始，历经了电容器、同步调相机、饱和电抗器、静止无功补偿装置、静止无功发 生器、统一潮流控制 器，直到最新的可转换静止补偿器几个不同阶段 34，如图 1.1所示。 初期使用机械开关的补偿装置不但响应速度慢、寿命短，而且在动作时会产生严重的冲 击电流和操作过电压，造成设备的毁坏，给正常的生产生活带来

27、了安全隐患。电力电子 技术的快速发展及其在电力系统中的广泛引用，给无功补偿设备的发展提供了新的突破 口，把使用晶闸管（可控硅）技术的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台，并逐渐 占据了无功补偿的主导地位，晶闸管（可控硅）电力电子器件大量应用到无功补偿设备 图 1.1无功补偿装置的发展 Fig.l .1 Development of reactive power compensation devices 中。由于其动态响应时间短且可以快速准确跟踪电网变化，实现电网无功的实时动态调 节，而且采用特定的控制方法可以避免投切电容器时产生的涌流和过电压现象，不但延 长了设备的使用寿命，还减少危险的发生。

28、目前，随着变流技术和瞬时无功理论等的发 展，性能更加先进、功能更加丰富的无功发生器和有源滤波己成为人们研究的热点 3_。 传统的无功补偿装置主要有并联电容器、同步调相机 、饱和电抗器。并联电容器的 优点是原理简单，安装、运行和维护都很方便。但是，它只能补偿感性无功，且不能连 续调节，更重要的是它有负电压效应，当电网电压下降时，电容器上的补偿电流相应下 降，使补偿的无功量急剧下降，系统电压下降更大。在系统有谐波时，还可能发生并联 谐振，使谐波电流放大，甚至造成电容器的烧毁；同步调相机可以理解为专门用来产生 无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性 或感性无功功

29、率。同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。然而， 由于其损耗和噪声 较大，运行维护复杂，响应速度慢等缺陷， 70年代以来，开始逐渐被 静止性无功补偿装置所取代。饱和电抗器是一种早期静止无功补偿装置，具有静止型的 优点，响应速度快，但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且 存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据 静止无功补偿装置的主流。 随着电力电子技术的发展，近几年出现了多种电力系统无功补偿新技术。电力电子 技术是现代无功补偿技术的基础，电力电子器件向快速、高电压、大功率发展，使采用 山东科技大学硕士学位论文 _ 绪论 电

30、力电子器件的无功补偿从根本上改变了交流输电网过去基本只依靠机械型、慢速、间 断及不精确控制的局面，从而为交流输电网提供了空前快速、连续和精确的控制以及优 化潮流功率的能力。随着电力电子器件的发展，无功补偿控制器在其性能和功能上也出 现不同的发展阶段。无功补偿控制器己由基于 SCR的静止无功补偿器 （ Static Var Compensator-SVC )、晶阐管控制串联电容补偿器 （ Thyristor Controlled Series Compensator-TCSC)发展到基于 GTO 的静止无功发生器 （ Static Var Generator-SVG)、 静止同步串联补偿器 （

31、Static Synchronous Series Compensator-SSSC)、 统一潮流控制器 (Unified Power Flow Controller-UPFC )、可转换静止补偿器 （ Convertible Static Compensator-CSC)等 丨】 丨 ” 【 121 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器型，但由于其自身的缺陷，并没有成为无功 补偿的主流。随着技术及工艺的不断发展，晶闸管被应用到无功的静止补偿装置中，并 且具有优良的性能，经过不断的发展，逐渐占据了静止补偿装置的主导地位。因此 ， SVC 一般专指使用晶闸管的静止补偿装置。 SVC是利用晶闸管 (

32、可控硅 )作为固 态开关来控制 接入系统的电抗器和电容器的容量，为系统提供或者吸收系统部分无功。按照控制对象 和控制方式的不同，分为晶闸管控制电抗器 （ ThyristorControlRsactor-TCR)， 晶闸管投 切电容器 （ Thyristor SwitchCapacitor-TSC)以及两者的混合装置 （ TCR+TSC)， TCR与 固定电容器 （ Fixed Capacitor-FC)配合使用的静止无功补偿补偿装置 （ TCR+FC)和 TCR 与机械投切电容器 （ Mechanically Switch Capacitor-MSC )配合使用的补偿装置 (TCR+MSC)。

33、 目前国内外对 SVC的研究主要集中在控制策略上，模糊控制、人工神 经网络控制和专家系统等智能控制手段也被引入 SVC控制系统，使 SVC系统的性能更 加提高 PP胸丨丨 4丨 5】 。 静止无功发生器又称静止同步补偿器 （ Static Synchronous Compensator-STATCOM)， 是采用可关断晶闸管 （ GTO)构成的自换相变流器，通过电源逆变技术提供超前或滞后 的无功。1979年日本研制出第一台 20Mvar的强迫自换相的桥式 SVG以来，世界各国的 著名电力公司 .在该技术领域竞相发展。 1991年和 1994年日本和美国又相继研制出 80Mvar和 lOOMva

34、r的 SVG。 1995年，清华大学和河南省电力局共同研制出我国首台作 为工业试验装置的 300 MvarSVG, 1999年清华大学和河南省电力局研制出具有工业应 用水平的采用 GTO的 20 MvarSVG且并网成功。SVG在电力系统中具有多种功能：它 在高压和超高压系统中能大幅度提高有功输送能力，提高系统的静态、动态和暂态稳定 性，加强功率振荡阻尼，稳定电压。从根本上讲， SVG的基本功能就是从电网中吸收或 山东科技大学硕士学位论文 _ 绪论 者向电网中输送连续可调的无功功率，以维持接入点的电压恒定，并有利于电网的无功 功率平衡。随着大功率电力电子器件的日趋发展， SVG在电力系统中的应

35、用也将越来越 广泛。目前国内外对 SVG的建模、控制模式、结构设计和不对称控制等作了很多的研究， 但是，由于电力系统的非线性及负荷参数多变等特点，围绕 SVG工程化还有很多问题没 有得到很好的解决，还需做大量理论和工程应用研究 121311617)。 在 80年代中期，美国率先开始研究并称之为自适应伏安补偿器 （ Adaptive Var Compensator)， 也有人称它为软开关电容器 （ Soft Switching Capacitance)， 国内则一直称 之为晶闸管投切电容器 （ TSC)。 70年代末，随着晶闸管商业化的成功应用以及电力系 统大量感性工业负荷的使用，电力系统呈现大

36、量的动态无功需求。美国西屋公司率先研 究并开发了 TSC/TCR型无功补偿装置。 80年代末期，随着工业生产中冲击性负荷的增长，本着就地补偿的原则，提出了从 低压至高压的系列化 TSC动 态补偿设备的需求。各大公司又着手 TSC产品的系列化开 发工作， TSC的研究工作设计的面较广，难题之一是零检测。 TSC要考虑不同的应用场 合以及它要适应各种负荷的不同运行情况，包括：故障、谐波、不对称状况等。另一个 难题针对髙压应用领域的晶闸管串联技术。就串联技术而言， TSC是过零自然关断，与 TSC装置相比，它不存在关断时的动态均压问题，这使的串联问题比较容易解决。目前， 就其关键性技术来说文章较少，

37、国外各公司在构造方式上也略有不同，说明还没有到非 常成熟的地步。 随着无功补偿技术及其控制器的迅速发展，新的无功补偿装置不断被开发出来，使 得不同类型的补偿装置出现并存发展的局面，目前总体上来说，静止无功补偿装置 (SVC) 由于其采用的是传统的半控型器件 SCR， 成本较低，技术成熟，控制效果良好，基本能 够满足无功补偿的需要，因此是目前应用的主流。而 SVG、 UPFC及 CSC由于其价格昂 贵，技术不完善等缺陷，应用仅限于个别工程，尚没有大规模应用，但是，随着电力电 子技术、材料工艺技术及无功补偿理论与控制技术的不断发展，在不远的将来， SVG、 UPFC及 CSC等将成无功补偿技 术的

38、发展方向 m3。 1.3课题研究的目的和意义 长期以来，我国配电网网架薄弱、线径小、设施老化，负荷电流大，自然功率因数 低，而且结构复杂，电压质量不易控制，无功功率靠上级电网远距离输送，得不到跟踪， 山东科技大学硕上学位论文 _ 绪论 降低了电网的经济效益。随着我国国民经济的发展，大量的非线性和冲击性负载接入电 网，在运行时产生谐波电压波动和闪变，造成电网电压波形畸变，三相负荷不平衡，供 电质量下降，影响电网及用户设备安全和经济运行。因此，准确测量无功、谐波等系统 参量，并合理补偿和治理就显得尤为重要。所以，电力部门大力推广无功就地补偿装置， 其意义是十分明显的。 目前，无功补偿控制器在电力网中的应用越来越广泛和重要，生产无功补偿控制器 的厂家也是如雨后春笋般涌现出来。国内虽有上百家企业生产无功补偿控制器，但其中 多数存在测量功能单一、控制可靠性低、精度低、性价比低等问题。本课题研究的目的 就是研制一种可靠的低成本多功能的无功补偿控制器。该控制器能够根据测量的电网参 数在低压侧自动调节供给电网无功功率的大小；测量的参数范围广，包括：电压、电流、 功率因数、有功及无功 功率等；具有功能强大的人机