基于DSP的磁控電抗器控制器的研究與設計

時間：2024-09-02 22:47:36 機電畢業論文

　　磁控電抗器(magnetically controlled reactors)全稱是磁閥式可控電抗器，簡稱MCR，是一種容量可調的并聯電抗器，主要用于電力系統的無功補償。

基于DSP的磁控電抗器控制器的研究與設計

　　摘要：電力系統常采用并聯電容器-電抗器組等無源設備進行無功補償并兼作濾波。但由于負載經常處于變化之中，采用固定容量補償方式常常不能滿足要求。目前無功補償領域中磁控電抗器應用逐漸廣泛推廣，這樣其控制系統顯得尤為重要。通過利用DSP和CPLD結合設計的磁控電抗器控制器，可以實現磁控電抗器感性無功的平滑調節，從而實現動態無功補償的目的。

　　關鍵詞：DSP;磁控電抗器;CPLD

　　引言

　　磁控電抗器控制器作為磁控電抗器調試、運行中的一個必要部件，在項目開發對前其安全可靠性做全面的考慮，結合電網運行的實際情況，分析得到應輸入輸出的信號信息包括：(1)采集電網電壓、電流，計算電網有功功率、無功功率和功率因數及相關開關信息;(2)根據參數設定和實際檢測值自動閉環調節磁控電抗器移相觸發脈沖信號;(3)手動、開環調節磁控電抗器移相觸發脈沖信號;(4)控制液晶觸摸屏，實現人機界面;(5)與變電站綜保設備通信，實現遠程控制。

　　一、控制系統原理

　　基于磁控電抗器的無功電壓綜合補償控制器原理，采集電壓、電流信號，計算系統的有功功率及無功功率，快速跟蹤電壓及無功功率的變化，動態地調節投入的補償電抗器容量，平衡無功及電壓。也就是說，控制器能自動檢測系統的電流、電壓，并能根據檢測量自動調整晶閘管移相觸發角的大小，進而改變磁控電抗器輸出的感性容量。這樣，磁控電抗器就可以根據電壓和所需的無功，自動調節投入的補償電抗。控制系統原理圖如圖1所示。

　　二、硬件電路設計

　　控制器硬件部分由8個獨立模塊組成，模塊間由母板連接。控制器前部為液晶觸摸屏，后部為各模塊的輸入輸出接口。控制器硬件框圖如圖2所示：

　　(1)電量采集模塊1、2。電量采集模塊功能是將輸入的電壓、電流信號變換為-5～+5V正弦波信號、0～+12V方波信號。

　　(2)CPU模塊。A/D轉換部分是將-5～+5V正弦波信號變換為-2.5～+2.5V正弦波信號，送入AD轉換芯片轉換為數字量，再送入DSP芯片;輸入輸出部分是將CPLD芯片發出的觸發信號進行隔離、功率放大，將輸入的開關信號進行隔離再送入CPLD芯片;通信部分將DSP芯片收發的串行通信信號進行隔離和電平變換，連接至輸出RS232端口與上位機通訊、與液晶屏通信端口通訊。

　　(3)光纖輸出模塊。光纖輸出模塊功能是將晶閘管移相觸發脈沖信號轉換為光信號輸出。

　　(4)開關量輸入輸出模塊。開關量輸入模塊是將輸入開關量通過繼電器隔離后，轉換為0～3.3V信號;開關量輸出模塊是將輸出開關量通過繼電器隔離后，轉換為機械觸點信號。

　　(5)工作電源模塊。工作電源模塊是將輸入的AC 220V電源(含地線)轉換為+5V、±12V、+24V工作電源。

　　(6)觸摸式液晶屏。觸摸式液晶屏可顯示和觸控，完成系統運行狀態顯示和控制參數修改任務。

　　三、軟件系統設計

　　本系統的程序分為DSP軟件程序和CPLD硬件程序兩部分，這兩部分程序結合起來共同完成了MCR控制器的控制功能。

　　系統設計的思路是DSP完成采樣、計算、控制、人機交互的工作，CPLD實現邏輯和時序電路。圖3為程序系統設計示意圖。其控制過程為：(1)交流采樣的系統參數接入DSP中，判斷系統支行狀態，由CPLD發出相應的觸發信號;(2)通過計算得出每相MCR的控制角;

　　(3)DSP通過總線發送控制角到CPLD;(4)CPLD根據同步電壓信號，生成六路晶閘管觸發信號;(5)DSP實現了通信、時鐘、鍵盤、顯示等功能;CPLD實現了鎖相倍頻、鍵盤處理、開關量處理等功能。

　　這里的數據采集、處理、控制算法等程序功能都在相應的中斷處理程序得到實現。所以主程序主要是用來進行系統初始化和非實時事務的處理，具體包括以下幾個功能：進行系統初始化、完成通訊報文處理、完成人機交互數據處理。

　　3.1 控制原理及主要控制算法

　　本次設計的控制器采取了電壓無功綜合考慮的控制策略，即用戶可以只調無功或只調電壓，也可以電壓無功綜合調節。其交流采樣算法流程如圖4所示。

　　同步倍頻信號輸入到AD模塊的ADSOC控制口時，通過軟件設置，使同步倍頻信號每一次上升沿觸發一次AD轉換，AD轉換結束后自動觸發AD中斷服務程序，中斷服務程序的流程圖如圖5所示。每采集一個周期的數據，執行一次瞬時無功計算程序，計算出電網的電流、電壓、無功功率、有功功率、功率因數、視在功率，再取平均值，與設定值比較，其差值來控制觸發角，使檢測到的無功逼近設定值。程序里使用的一些子程序，如定點數正弦運算、定點數開平方、定點數余弦運算等，可以在DSP定點函數庫中得到。

　　3.2 系統軟件設計

　　本次設計中主要的數據采集、處理、控制算法等程序功能都在相應的中斷處理程序完成，主程序主要是用來進行系統初始化和非實時事務的處理，即完成系統初始化、通訊、人機交互數據處理等功能。

　　控制器開機后，主程序首先進行DSP的初始化，然后進入程序主循環，在主循環里，主要完成液晶屏顯示、鍵盤操作、通信等任務。

　　DSP主程序流程如圖6所示。

　　四、結語

　　本文通過對磁控電抗器的硬件與軟件設計的闡述，可以實現對磁控電抗器感性容量的平滑調節，達到無功補償的目的。本系統采用DSP與CPLD相結合的控制方式，大大提高了運行效率，保證了設備運行速度，可以全自動在系統中運行，有效控制觸發導通角，進而輸出系統所需的無功補償量。

　　參考文獻：

　　[1]韓琳.基于可控電抗器的無功電壓綜合補償[D]. 武漢大學碩士學位論文.

　　[2]高元楷.電力系統無功電壓調整與控制[M]. 電力工程師手冊電氣卷(上). 中國電力出版社.

　　[3]胡銘，陳珩.有源濾波技術及其應用[J]. 電力系統自動化.

　　[4]張皎，趙剛，湯廣福.超高壓大容量靜止無功補償器(SVC)裝置研制[J].四川電力技術.

　　[5]彭軍.靜止無功補償器研究現狀及發展[J].四川電力技術.