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1、 分类号： _ 密级： 公幵 U D C： _ 编号： _ 基于 DSP电力系统无功补偿控制器的设计 Design of Reactive Power Compensation Controller Based on DSP 学位授予单位及代码： 长春理工大学 （ 10186) 学科专业名称及代码： 物理电子学 （ 080901 ) 研究方向： 光电传感与光电探测技术 申请学位级别： _ 指导教师： 韩 学 辉 副 教 授 研究生： 王 春 莹 论文起止时间 ： 2010. 11 2012. 03 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于 DSP电力系统无功
2、补偿控制 器的设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文 中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研宂做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 “ 长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ” ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和 CNKI系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可
3、以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 月 V曰 摘 要 本文介绍了无功补偿技术发展的状况，分析对比了各种无功补偿技术的优缺点并 在此基础上提出了基于 DSP的无功补偿控制的总体方案并给出了系统的软硬件设计。 硬件设计上采用 TI公司的 TMS320F2812做为运算和控制的核心，该芯片具有速 度快、片内资源丰富、功耗低、抗干扰能力强等优点；数据采集采用 AD7656芯片， 实现 16位 6通道同步采样；投切器件釆用晶闸管，投切控制采用零压差电容器投入和 零电流电抗器切出，确保投切行为不产生谐波及高频干扰成分。
4、 软件方面，采用了 C语言和模块化设计思想，使用 CCS3.3集成开发开发环境编写 和DSP程序。投切控制软件综合了功率因数、无功功率、轻载闭锁、过补闭锁等控制 策略，实现较为全面的综合控制。 关键词 ： DSP电力系统无功补偿控制器 ABSTRACT This paper introduces development status of Compensation technology, analyze principle, capability and application area of different kinds of Compensation technology. Base o
5、n this and combining the improving application requirement, bring forward general project of use DSP to make Compensation control, also make system software and hareware design for that.In hardware design, use TI TMS320F2812 as calculation and control core. This chip has following advantage: high ca
6、lculation speed, abundance resource, low power concuming and strong anti-jamming capability. Data collection uses AD7656 as main part which has 16bits 6 channels can make high precision synchronization sampling. Switch part use SCR, and use zero voltage, zero current switch technology to make sure s
7、witch will not generate Harmonic and high frequency interference. In software design, DSP progrom use C language, take modularize design thinking for software development, use CCS3.3 integration platform for program compile, debug and testing; Switch control software integrates power factor. Reactiv
8、e power, light load atresia, over Compensation atresia control strategy, achieving full-scale integration control. Key words: DSP powersystem reactive power compensation controller 目 录 摘 要 ABSTRACT 目 录 第 一 章 绪 论 . 1 1. 2无功补偿的基本概念和意义 . 1 1. 3无功补偿技术及发展现状 . 3 1. 4本文研究的主要内容与结构安排 . 5 1. 5本章小结 . 6 第二章无功功率
9、补偿关键技术 . 7 2. 1无功功率测量 . 7 2.2功率因数测量 . 8 2. 3零压差和零电流投切 . 9 2.4控制目标和控制策略 . 11 2. 5本章小结 . 13 第三章无功补偿控制器硬件设计 . 14 3. 1系统硬件组成与结构 . 14 3. 2模块化的电路设计 . 15 3. 3本章小结 . 22 第四章系统软件设计 . 23 4. 1软件的总体架构 . 23 4. 2数据采集软件 . 24 4. 3数据处理软件 . 25 4. 4投切控制软件 . 26 4. 5人机交互软件 . 27 4. 6本章小结 . 28 第五章仿真测试 . 29 5. 1仿真测试环境介绍 . 2
10、9 5. 2仿真测试模型构建 . 29 5. 3无功补偿波形测试 . 31 5. 4无功补偿效果分析 . 33 5. 5本章小结 . 34 第六章总结与展望 . 35 参考文献 . 36 m # . 38 人机交互软件程序代码 . 38 第 一 章 绪 论 1. 1课题研究背景 电能是一种应用广泛的能量形式，与传统的化学能、动能和势能相比，它易于产 生、便于输送、控制简单、安全洁净、用途广泛等突出优点，以在当今工农业生产和 人民生活中得到了广泛的应用。有资料显示，到 2008年底，全国电力装机容量达到 7.9253亿千瓦，发电量达到 34334亿千瓦时，我国电能消耗总量仅次于美国，已居 世界第
11、二位。但由于节能意识薄弱、节能技术相对落后，我国能源的消耗远远大于发 达国家，但是我们的人均产值却很低，因此，我们有必要加大对电力系统节能技术的 研究。 电力系统是指由发电、输电、用电等环节组成的 电能的生产、传输、消费的系统。 电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用， 推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。电 力系统的规模和技术水准己成为一个国家经济发展水平的标志之一 11。 电网就是在电力系统中，联系发电和用电的设施和设备的统称。属于输送和分配 电能的中间环节，它主要由联结成网的送电线路、变电所、配电所和配电线路组成。 电网将电能
12、输送给终端用户，而终端用户就是电网负载，终端用户可以大致分为三种 情况：阻性负载、容性负载和感性负载。阻性负载时，终端用户消耗的电能与电网提 供的电能相等，但是容性负载和感性负载时，电网提供的电能中有一部分被负载消耗， 这部分被称为有用功率；还有一部分并不消耗而是在负载和电网之间来回传递，这部 分被称为无功功率。在电网中 . 有功功率：是指可以转化成其他形式能量的电量。以 P来表示，单位为 W; 无功功率：是指从能量源传递到负载并能反映功率交换情况的功率就是无功功率。 以 Q来表示，单位为乏（ Var ) 或是千乏 （ KVar )。它的产生是由于感性负载、容 性负载、以及电压和电流的失真所引
13、起的。 视在功率：有功功率和无功功率的几何之和（即平方和的均方根）。以 S来表不， 单位为 VA。， 它常用来表示电气设备的容量。 S = yjp2+Q2 ( i . i ) 功率因数角：是指正弦交流电压与电流的相位差，以 0)来表示，没有单位。 功率因数：功率因数角的余弦值称为功率因数。它决定于电路元件参数和工作频 率，纯电阻电路的功率因数为 1，纯电感或纯电容电路的功率因数为 0。 cos = | (1.2) 在一个直角三角形中可以表示出有功功率 P、 无功功率 Q、 视在功率 S、 功率因数 角 O之间的关系，如图 1.2所示： 图 1.2无功功率及功率因数之间的几何关系 当终端用户呈现
14、容性或是感性时就会有无功功率产生，无功功率的存在对电网带 来以下几个方面的危害： 1、 无功功率在负载和电网之间来回传递，由于电网存在传输损耗，因此，无功功 率的存在会加大电网的能耗、降低输电线路的实际输电能力。 2、 根据公式 1.1,无功功率 Q越大那么在有功功率 P不变的情况下需要更大的装 机容量 S的电网设备才能满足终端用户的用电需求，这无疑增大了电网的建设投入， 降低了电网的实际利用率。 3、 增加了输电线路和变压器的压降，降低输变电质量。 4、 为了满足用电设备对无功功率的要求，发电设备的实际容量要大于实际功率和 无功功率的几何之和，而无功功率并不实际做功，因此降低了发电设备的利用
15、率。 由于电网越来越庞大、电网容量不断上升，无功功率带来的危害就越来越不可忽 视，因此，研宄无功补偿技术具有非常重要的实际意义 。一 般来说，无功补偿有一下 具体作用： 1、 提高负载的功率因数，降低对电网和发电设备的容量需求，减少功率损耗。 2、 降低电压闪变，减少过电压的发生。 3、 提高电力系统的稳定性，减少电网的阻尼振荡，提高电能的输送能力。 4、 在三相负载不平衡场合，无功补偿可以平衡三相的无功和有功负载。 消除电网中的无功功率，可降低电网的线路损耗，提高电网输电容量的利用率和 发电设备输出功率的利用率，改善输变电质量 23。 1.3无功补偿技术及发展现状 无功补偿技术按照发展阶段和
16、技术特征可分为早期无功补偿技术和现代无功补偿 技术两个阶段。早期无功补偿技术主要包括补偿电容、同步调相机和饱和电抗器，现 代无功补偿技术主要包括静止无功补偿技术和静止无功发生技术等。 图 1.3无功补偿技术的发展 固定电容 （ FC)无功补偿技术的优点是原理简单，安装、运营和维护方便。但是， 固定电容无功补偿技术有很多缺点：首先是只能补偿感性无功，且不能够实现连续调 节。其二，固定电容器只能全部投入 或是切除，只能补偿固定的无功功率。其三，这 种补偿是阶梯型的，并且具有负电压效应，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，系统电压也会急剧下降。其四，容易引起电网
17、的谐振，如果谐波电流过大甚至可能造成电容器的烧毁。 同步调相电机 （ Synchronous Condenser， SC)其实质就是空载运行的同步电机， 通过改变励磁电流的大小，实现从电网中吸收或是输出无功功率。在过励磁运行时， 向电网提供感性无功功率，起到舞动电源的作用。在欠励磁运行时，从电网吸收感性 无功功率，起到无 功负荷的作用 _。使用同步调相电机进行无功补偿的优点是能够实现 连续调节无功功率的数值。但是，同步调相电机是一种机械装置，因此有一些不可避 免的缺点：首先是存在有功功率损坏。其二，响应速度较慢。其三，体积较大、振动 和噪音较大。其四，成本较高、运营维护复杂。 饱和电抗器 （
18、Saturated Reactor， SR)， 早期的饱和电抗器是由一个多相的谐波补 偿自饱和电抗器和一个可投切电容器并联组成。早期的饱和电抗器的优点在于它是一 个没有机械运动的静止补偿装置，响应速度块。但是由于铁芯需要被磁化到饱和状态， 因此，有功损坏和噪声都比较大，此外铁芯处于饱和状态时非线性是一个较为复杂的 问题。 随着电力电子技术和和现代控制理论的的不断发展，基于 MCU或是 DSP进行检 测和运算、使用机械开关或是晶闸管作为投切器件的静止无功补偿装置 （ SVC)逐渐 成为无功补偿的主流。现代静止无功补偿装置 （ SVC)根据电网电压和电流波形计算 无功补偿的电容量或是电抗量，然后通
19、过机械投切或是晶闸管投切将所需的电容量或 是电感量，从而达到无功补偿的目的。常见的静止无功补偿装置有机械投切电容型 (MSC)、 晶闸管投切电容型 （ TSC)、 晶闸管投切电抗型 （ TCR/TSR)以及组合型（比 如， TCR+TSC、 TSR+TSC、 TCR+FC、 TCR+MSC 等）。 图 1.4静止无功补偿的常见结构 不同结构的 SVC具有不同的补偿特性，表 1-1给出了静止无功补偿装置常见结构 特性对比，用户可以根据实际情况选择不同结构的 SVC及其容量来满足不同应用的需 求。 表 1-1静止无功补偿装置常见结构特性对比 TCR TSC TSC+TCR/TSR TCR+FC 补
20、偿范围 容性 /感性 容性 容性 /感性 容性 /感性 响应速度 较快 较快 较快 较快 控制难度 简单 简单 简单 简单 分相调节 有限 无 好 有限 有功损耗 中 小 小 中 谐波产生 较大 小 较小 较大 噪声 小 小 小 小 成本 较低 较低 较尚 较低 随着全控型电力器件（如 GTO、 IGBT、 IGCT等）的出现，以瞬时无功功率理论 和全控型器件为基础研制出新型的无功补偿技术：无功发生器 （ SVG)。 SVG的基本原 理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接与电网相连，通过适当调节桥式电路交流 侧输出电压的相位和幅度，或者直接控制其交流测电流，从而使该电路吸收或是发出 特定需求的
21、无功电流，最终达到动态无功补偿的目的，图 1.5给出了无功发生器的原理 图。 图 1.4无功发生器的原理图 综上所述，各种无功补偿技术的特性对比如表 1-2所示。由表中可以看出，静态 无功发生器 （ SVG)在相指标中表现都比较优秀，但是，由于受到技术成熟度较低、 全控型电力器件的耐压和功率较低等 因素限制， SVG目前只能应用于低压小功率场合。 SVC作为一种技术成熟度高、成本低廉的无功补偿技术，仍是目前在电网中是应用最 多的无功补偿技术，因此，面向不同应用研宂性能优良、稳定可靠的 SVC型无功补偿 装置对改善我国电网输变电质量、降低电网运营损耗、提高电网输电利用率具有重要 价值 4_7。
22、表 1-2各种无功补偿技术的特性对比 固定电容 同步调相机 饱和电抗器 静态无功补偿 静态无功发生 补偿范围 容性 容性 /感性 容性 /感性 容性 /感性 容性 /感性 补偿连续性 阶梯 连续 连续 连续 连续 响应速度 快 慢 快 快 快 分相控制力 有限 有限 有限 好 好 谐波产生 无 无 较小 较大 较小 过负荷能力 无 较高 较高 尚 尚 有功损坏 小 较小 较小 较小 小 补偿容量 大 较小 较大 大 较小 噪声 小 大 较大 小 小 成本 低 高 较高 中 较高 控制难度 简单 较复杂 较复杂 较简单 较复杂 技术成熟度 局 尚 局 高 低 1.4本文研究的主要内容与结构安排
23、目前各种现代无功补偿技术及其装置己在电力系统中得到应用，但是，实际应用 中存在一些问题：比如静态无功补偿 （ SVC)带来的谐波产生问题、复杂的补偿装置 带来的维修维护困难问题等。本文以成熟的静态无功补偿 （ SVC)为研宄基础，以控 制简单和不产生谐波成分为研究目的开展研究，设计具有零电流晶闸管电抗器 （ TSR) 切出和零压差电容器 （ TSC)投入的复合型静态无功补偿控制器。其具体主要内容有： 1、 分析了无功补偿技术发展的状态，对各种无功补偿的工作原理、性能特点、使 用范围进行了介绍。结合结合不断提高的应用需求，提出了基于 DSP的无功补偿控制 器的总体方案构思。基于 DSP的无功补偿
24、控制器较传统的以 MCU为核心的方案，具 有运算能力强、控制算法全面、补偿精度高等优点。 2、 研究了无功补偿相关的关键技术，包括无功功率测量技术、功率因数测量技术、 零压差和零电流投切技术、无功功率补偿控制目标和控制策略等。 3、 开展基于 TMS320F2812型 DSP芯片的智能无功补偿控制器的软硬件设计，给 出硬件各个功能模块的电路图，给出系统的总体软件设计、数据采集软件设计、数据 处理软件设计、控制投切软件设计和人机交互软件的设计。 本论文的结构遵照 产品设计开发顺序过程，按照 “ 背景、原理、硬件设计、软件 开发、总结与展望 ” 的顺序将全文分为五章，具体安排如下： 第一章：绪论。
25、主要介绍无功补偿的基本概念及其发展现状，最后给出本文研宄 的内容和结构安排。 第二章：对无功补偿相关的关键技术进行研宄，主要包括无功功率测量技术、功 率因数测量技术、零压差和零电流投切技术、无功功率补偿控制目标和控制策略等。 第三章：开展基于 TMS320F2812型 DSP芯片的智能无功补偿控制器的软硬件设 计，给出硬件各个功能模块的电路图。 第四章：进行无功补偿控制器的软件设计，给出 系统的总体软件、数据采集软件、 数据处理软件、控制投切软件和人机交互软件的设计。 第五章：总结本文的主要研究内容和本问设计的优点和不足，展望研究的和改善 的方向和内容。 1.5本章小结 本章介绍了无功补偿的基
26、本概念和发展状况，分析和对比了各种无功补偿技术的 优缺点。介绍了本文的主要研宄内容和结构安排。 第二章无功功率补偿关键技术 2. 1无功功率测量 要想进行无功补偿首先要进行无功功率测量。传统无功功率定义的前提是电压和 电流都是正弦波不考虑谐波成分，因此，在实际情况中只有当谐波成分较小时才能够 较准确的测得无功功率。传统的无功功率定义如下： (2.1) 式中： Q为无功功率， U、 1分别是电压有效值和电流有效值，是电压和电流 的相位差。直接测量负载的 UQ、 1以及 U 和 1之间的相位差然后通过公式 2. 1就能够 计算出无功功率。在实际应用中，一般采用模数转换器将电压信号和电流信号数字化
27、和离散化，假定一个工频周期内的采样率为 N， 则数字化、离散化后得到 N个电压采样 值和 N个电流采样值。Uc、 Ie分别可以用式 2.2和式 2.3进行计算获得： 式中： 和 &是第 k次采样获得的电压值和电流值。 (2.2) (2.3) 电压和电流的相位差可以通过电压信号和电流信号的过零点来测量。根据实际 的采样频率（为了获得较高的相位差测量精度，建议采用较高的采样率）和 电压、电 流过零点的位置差以及工频周期就可以通过公式 2.4计算出电压和电流的相位差 0, 然后通过查表等方法就能求得 sin ( )。 (2.4) 式中： /是采样周期， r是工频周期， /是电压过零点采样数， /?是
28、电流过零点 采样数。如果 /力说明电流滞后于电压，说明负载呈感性；如果 A/说明电流超前 于电压，则说明负载是容性的。 使用公式 2.4测量相差要求较高的采样率才能够包装有较高的测量精度。但是，提 高采样率会增加运输量降低测量效率。为此，可以采用移向计算方法进行测量和计算， 移向计算方法的理论基础是公式 2.5。 将式 2_5带入式 2.1得： (2.6) 式 2.6中：仍是工频的小速度， r为工频周期， f为时间。采用模数转换器将电 压信号和电流信号数字化和离散化，并且，将模数转换的采样率设定为工频频率的 4n 倍 （ n可以取 1、2、 3 . 等），那么公式 2. 6可以离散化表示为：
29、(2.7) 式中： 是第 k个电压采样值，是第 k-n个电流采样值，这样只需要以工频 的 4n倍速率进行采用并将电流采用值和电压采样值错开 n个值然后累计获得 4n个采 用就能根据公式2.7计算得到无功功率。为了保证采样率是工频频率的 4n倍，可以采 用倍频和锁相电路产生采样时钟 2. 2功率因数测量 功率因数也是评估无功补偿效果的重要参数之一，是指正弦交流电压与电流的相 位差称为功率因数角，用来表示，没有单位。功率因数角的余弦值称为功率因数。 功率因数的测量可以利用公式 2.4,采用提高采样率的办法提高功率因数角的测量精 度，然后通过计算功率因数角的余弦值来获得测量值，也可以通过过零检测电路
30、和计 数器进行测量。但是，在电网中实际的电压波形和电流波形并不是一个理想的正弦系 统，由于电力系统中存在谐 波成分和非周期性分量，这些谐波成分和非周期分量会影 响过零点的测量精度，降低采用公式 2.4方法测量功率因数的准确性。 为了消除谐波及非周期分量对功率因数测量的影响，提高功率因数测量准确性。 可以采用数字信号处理技术，首先对电压和电流信号进行中心频率为 50Hz， 带宽为 40Hz的数字带通滤波处理，用来消除谐波干扰和非周期分量的影响，然后再采用傅立 叶滤波方法获取电压和电流相对相位角，再通过求差得到功率因数角从而计算出功率 因数。其主要理论根据如下： 设电网电压波形为： w ) = t
31、/ sin /1 + ） (2.8) 电网电流波形为 = 八 sin(/y (2.9) 采用模数转换器将电压信号和电流信号数字化和离散化，假定一个工频周期内的 采样率为 N， 则数字化、离散化后得到 N个电压采样值和 N个电流采样值。利用傅立叶 算法分别计算出电网电压波形和电网电流波形的基波分量的实部和虚部，表达式为： (2.10) (2.11) 使用公式 2.10可以计算得到电流虚部和实部的值，从而求得电流的相对相位角 /，使用公式 2.10可以计算得到电压的实部和虚部的值，从而得到电压的相对相位 角 (/ ，那么，电流和电压的相位差（也就是功率因数角 ） 为： = (2.12) 功率因数为
32、 cos(O)。 基于数字信号处理技术的功率因数测量与传统的功率因数测量方法相比，具有成 本低、灵活性好、抗谐波干扰能力强、对非周期性分量不敏感、测量准确性和稳定性 高等优点 11。 2. 3零压差和零电流投切 投切是指将补偿用的电抗器或是电容器投入电网或是从电网中切出。常用的投切 器件有机械开关（继电器等）和电力功率器件（晶闸管、 IGBT、 GTO等）。机械开关 的投切速度较慢，相比之下电力功率器件的投切速度要快得多，更较合适在频繁投切 的场合使用。无功补偿技术中有些技术也包括频繁的开关行为，因此，也会产生谐波 成分，比如晶闸管投切电抗器 （ TCR)型静止无功补偿装置 （ SVC)就是通
33、过调节晶 闸管的触发角来连续调节感性无功的。触发角从 90到 180范围变化时 5次、 7次、 11次和 13次谐波成分变化如图 2.1所示： 图 2.1 TCR触发角与谐波成分关系 静止无功补偿技术中只要是依靠调节触发角来实现连续补偿的技术方案 （ TCR等） 都存在谐波产生的不良影响；相比之下，通过阶梯式调节补偿电抗或是补偿电容容量 的技术方案 （ TSC、 TSR、 MSC等）面临的谐波产生问题要小的多。但是，阶梯式调 节补偿电抗或是补偿电容容量的技术方案同样需要研宂投切的时机、投切的速度等相 关技术来保证投切时不产生或是竟可能少产生谐波成分 12_14。 1 TSC的零电压投切 为了消
34、除投切电容器时对电网带来的不良影响，最佳的投切时刻是电网电压与电 容电压相等的时刻。因为根据电容器的特性：电容两端的电压不能突变，否则投切将 产生冲击电流，很可能造成投切晶闸管的过流损坏或是在电网中带来较高频率的谐波 成分等不良影响。 假设在电容器并入电网之前电容器电压等于电网电压的峰值，则在电网达到峰值 的tl时刻并入电容器，由于这一时刻电网电压 Us的变化率为零，因此，电容器此刻 的电流也为零，随后电容器两端的电压将会跟随电网电压按照正弦规律变化，电容器 电流 ic也按照正弦规律变化，这样整个投入过程中电压和电流都不发生阶跃变化，因 此不会产生谐波或是冲击成分。这就是理想的 TSC的零电压
35、投切。图 2.2给出了 TSC 的零电压投切的原理说明 15， 16。 2 TSR的零电流投切 为了消除切出电抗器时对电网带来的不良影响，最佳切出时刻是电抗器电流为零 的时刻。因为根据电抗器（电感 ） 的特性：电感两端的电流不能突变，否则将产生冲 击电压，很可能造成投切晶闸管的过压损坏或是在电网中带来较高频率的谐波成分等 不良影响。 假设在电抗器电流等于零的 tl时刻切出，由于切出后电抗器中的电流继续为零， 在切出前和切出后电流没有发生突变，因此电抗器切出不会产生感应电动势，这样整 个投入过程中电压和电流都不发生阶跃变化，因此不会产生谐波或是冲击成分。这就 是理想的 TSR的零电流投切。图 2
36、.3给出了 TSR的零电流投切的原理说明 17， 18。 图 2.3 TSR零电流切出原理示意图 2. 4控制目标和控制策略 无功补偿控制器的控制目标一般可分为面向无功功率控制、面向功率因数控制和 两者结合控制。 1面向功率因数控制 面向功率因数控制就是以功率因数为控制对象，以功率因数不低于某一指标为控 制目标的控制方式。由于功率因数是反映有功功率和视在功率的比之，因此，理论上 如果将功率因数控制到 1那么就能够 100%补偿无功功率，实际应用中功率因数的控制 目标一般在 0.95以上。图 2.4给出了通过功率因数控制测量补偿无功功率的原理。 a、 无功变小功率因数变大 b、 同样功率因数有功
37、大无功也大 图 2.4功率因数控制测量补偿无功功率原理 图 2.4a中补偿前后有功电流 Ipl和 Ip2没有发生变化，但是，无功电流 Iq2相比 Iql变小了，是补偿前功率因数角， 2 是补偿后的功率因数角，补偿后 02变小 了，如果能够完全补偿，那么，功率因数角将等于零，功率因数将等于 1。 功率因数控制策略一般是通过对电网电压、电流进行采样，分析计算当前的功率 因数值。用当前的功率因数值与控制目标进行比较，已确定电容器或是电抗器的投入、 切出或是保持不变。以 0.95为控制目标为例，当检测到当前功率因数介于 0.95到 1之 间时保持不变，无论无功功率值的大小都保持不变；检测到功率因数大于
38、 1时则发出 切出一组电容器或是投入一组电抗器的指令；检测到功率因数小于 0.95时在发出投入 一组电容器或是切出一组电抗器的指令。 功率因数控制的优点是控制比较简单，功率因数控制的缺点是：反应速度慢、在 重载情况下虽然功率因数满足要求但是电网的无功功率可能会很大，如图 2.4b所示。 此外，功率因数控制的另一个问题是：在轻载情况下容易发生投切振荡。投切振荡就 是指补偿前功率因数小于控制目标，投 入一组电容器或是电抗器后无功功率又发生了 过补偿，因此，控制器会发出切出电容器或是电抗器的指令，当切除后功率因数又回 到低于补偿目标的水平，因此控制器再次发出投入指令。这种反复投切的现象就是投 切振荡
39、或是称为过补偿投切振荡 19。 2 面向无功功率控制 面向无功功率进行控制就是以系统中的无功功率为控制对象的控制方式。这种控 制器是依赖负荷大小，并根据功率因数值计算出应补偿的无功功率，然后选择合适的 电容器、是电抗器或是电容器和电抗器的组合进行投切，如果没有合适的电容器、电 抗器或是电容器和电抗器的组合就不进行 投切。这种控制策略能够保证在任何负载情 况下都不会发射投切振荡，同时理论上能够做到无功补偿一步到位，补偿快速快、补 偿精度高、使用寿命长等优点。但是，在负荷较小的情况下，这一控制策略的运算量 较大。 3 综合控制测量 单一采用无功功率控制或是功率因数控制都有局限性，两种相结合，相互取
40、长补 短就形成了综合控制策略。一种简单的综合控制策略采用分段方式，按照负载的有功 功率强度分为：轻载、中载和重载三个区段分别采用不同的控制策略，这样既能满足 响应速度的要求，又能够维持电压 或功率因数等参数处于希望控制的范围 2&23。 2. 5本章小结 本章主要介绍了无功补偿相关的关键技术，研究了无功功率测量技术、功率因数 测量技术、零压差和零电流投切技术、无功功率补偿控制目标和控制策略。 第三章无功补偿控制器硬件设计 静态无功补偿控制器的设计一般包括硬件设计和软件设计两部分。硬件是控制器 的最基本部分，它的结构和组成将直接影响整个无功补偿控制的性能。 目前多少无功补偿控制器仍在采用微控制器
41、（也就是通常所说的单片机 ） 作为控 制器的核心来实现采集、处理、运算和控制。由于受到硬件资源、运行速度和结构特 点的限制，采用速度慢、采样精度较低、只能采用运算量较小的算法，控制策略单一， 控制精度不高。 为了使无功补偿控制器具有良好的结构和优秀的性能，本文采用了 TI公司生产的 高性能低功耗的 32位定点 DSP芯片 TMS320F2812作为运算核心，运算速度可达 150MIPS;同时采用 CPLD芯片作为数字电路的核心，整体采用模块化设计，具有 TSC 和 TSR两种无功补偿模式，可以实现对感性或是容性无功的补偿 24_26。 3. 1系统硬件组成与结 构 本文设计的无功补偿控制器主要由信号调理和检测、运算和控制、驱动电路和供 电电路四个部分组成。 信号调理和检测部分包括隔离型磁平衡霍尔电压传感器和隔离型磁平衡霍尔电流 传感器、电压和电流信号的调理电路、锁相倍频电路和 6通道同步采样模数转换电路 组成，主要完成对电网三相电压和电流信号的测量。 运算和控制部分主要包括 DSP电路、 CPLD电路、复位电路、存储电路等部分， 主要实现