基于DSP的TCR无功补偿装置控制器硬件电路设计.doc
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基于DSP的TCR无功补偿装置控制器硬件电路设计
摘要
矿井提升机较普遍的采用晶闸管供电的直流拖动系统，采用相切控制方式调节电压或电流，使电网正弦电压波形受到切割，并由此产生谐波电流，导致供电电网电压波形畸变，对电网产生一些不良影响。
晶闸管电控系统在整个运行期间功率因数偏低，同时起动无功冲击大，引起电网电压发生波动，尤其对于矿井提升机这类短时重复工作制的负荷，电压波动问题也很突出。
因此它的无功补偿是近年来研究的热点。
选用晶闸管控制电抗器（TCR）可以较好的解决提升机的无功补偿问题。
本文首先研究了TCR型SVC的原理和控制方法，通过比较确定了适合TCR系统的控制策略和参数测量方法，重点设计了基于DSP的TCR型动态无功补偿控制器。
外围器件已FPGA为主，包括信号输入和调理，脉冲放大等部分。
采用以ADS7869进行数据采集。
该控制器具有动态响应时间短、控制精度高、编程能力强等特点，能够有效改善矿井提升机系统的功率因数、减小冲击无功引起的电压波动等。
关键词：
数字信号处理；动态无功补偿；TCR；FPGA
ABSTRACT
ThyristorpowerDCtractionsystemsiswidelyusedinMineHoistanditusestangentialcontrolvoltageorcurrentregulation,butgridsinusoidalvoltagewaveformisbeingcutted,resultingharmoniccurrentsandcausedelectricitygridvoltagewaveformdistortion,meanwhileitcausedsomebadeffectstothepowergrid.SCRelectriccontrolsysteminoperationduringtheentireisatlowpowerfactor;andMeanwhilestarterreactivegreaterimpactcausesgridvoltagefluctuation,especiallyforminehoistsuchshortduplicationsystemloadandvoltagefluctuationsarealsoveryconspicuous.Soreactivepowercompensationusedinsuchsystemisahotspotinrecentyears.Thyristorcontrolledreactor（TCR）canbeusedtoupgradethemachinetosolvetheproblemofreactivepowercompensation.
ThispaperstudiestheTCR-SVCcontroltheoryandmethods,bycomparisonIfindpropercontrolstrategiesandmeasurementmethodsfortheTCRsystem,andfocusonthedesignofTCRdynamicreactivepowercompensationcontrollerbasedonDSPtechnic.ItsperipheralsismainlybaseonFPGA，includesignalprocessing,plusesmagnifying,etc.UsestheADS7869toputupdatacollection.TheDSP-controllerhasadynamicshortresponsetime,highprecisioncontrol,astrongabilityatprogramming.Soitcaneffectivelyimproveminehoistsystempowerfactor,reducetheimpactofreactivevoltagefluctuations.
KEYWORDS：
DigitalSignalProcessor（DSP）;DynamicReactivePowerCompensation;TCR;FPGA.
目录
第一章绪论 1
1.1课题的背景 1
1.2无功补偿装置的现状及发展 2
1.3本文的工作 3
第二章TCR原理及其控制策略的研究 4
2.1TCR基本原理与补偿特性 4
2.1.1TCR的基本原理 4
2.1.2主要接线形式 5
2.2TCR的特性 5
2.2.1补偿特性 5
2.2.2谐波特性 7
2.2.3其它特性 7
2.3TCR无功补偿系统控制策略的比较 8
2.3.1传统控制方案 8
2.3.2其它控制方案 9
2.4斯坦门茨法 9
2.5初始导通角计算 11
2.6本章小结 12
第三章基于DSP的TCR控制器硬件电路实现 13
3.1主电路设计 13
3.2中央处理器的选择―TMS320F2812 13
3.2.1TMS320F2812芯片简介 13
3.3硬件电路设计 15
3.3.1采集电路设计 15
3.3.2信号调理电路 16
3.3.3外部时钟电路 17
3.3.4AD、DA转换电路设计 18
3.3.5FPGA处理电路设计 19
3.3.6锁相环同步电路 21
3.3.7复位电路设计 22
3.3.8驱动放大电路设计 23
3.3.9电源电路设计 24
3.3.10通讯电路设计 25
3.4硬件电路的抗干扰设计 26
3.4.1干扰的来源 26
3.4.2系统抗干扰措施 26
3.5PCB布线规则 26
3.5.1PCB布局原则 26
3.5.2PCB布线原则 27
3.5.3PCB及电路抗干扰措施 27
3.6本章小结 28
第四章软件设计 29
4.1开发工具简介 29
4.1.1数字信号处理器平台 29
4.1.2CodeComposerStudio软件简介 29
4.1.3硬件描述语言VerilogHDL 29
4.2软件流程 30
4.2.1主程序流程 30
4.2.2初始化模块 30
4.2.3AD采样模块 31
4.2.4FFT模块 32
4.2.5算法子程序 33
4.3本章小结 34
第五章总结与展望 35
5.1结论 35
5.2工作展望 35
参考文献 37
附录：
硬件电路设计原理图 39
翻译部分 45
中文译文 45
英文原文 54
致谢 64
第64页
中国矿业大学2010届本科生毕业设计（论文）
第一章绪论
1.1课题的背景
随着电力电子技术的发展，各种变流变频装置已广泛用于工业及民用领域，矿业系统中煤矿提升机较普遍的采用晶闸管供电的直流拖动系统，称为提升机晶闸管电控系统（SCR-D）。
晶闸管电控系统具有调速平稳准确、效率高、容易维护、可引入计算机监控等优点，目前国内大功率的矿井提升机采用较多。
但是晶闸管电控系统也会对电网产生一些不良影响。
由于晶闸管变流器采用相切控制方式调节电压或电流，使电网正弦电压波形受到切割，并由此产生谐波电流，导致供电电网电压波形畸变。
SCR-D系统在整个运行期间功率因数偏低（一般在0.2~0.8之间），同时起动无功冲击大，引起电网电压发生波动，当矿井提升机短时重复工作是，电压波动的问题更加突出。
综上所述，SCR-D系统对电网的不利影响主要表现在：
平均功率因数低、起动无功冲击大、产生谐波电流等几个方面。
（1）功率因数问题
晶闸管装置基本上相当于上一个感性负载，随着控制角的改变，其功率因数也会发生变化。
即使晶闸管装置副边接的是纯电阻，也具有感性特征。
晶闸管电路的功率因数通常较低，用于煤矿提升机的晶闸管电控系统根据工作状态，其自然功率因数在0.2～0.8之间变化，即起动阶段功率因数很低，等速段功率因数较高，一般平均功率因数为0.69。
晶闸管在对电流进行相切控制时，正弦电流的一部分进入负载，转化为功率，另一部分能量返回电网，其频率为电网频率的整数倍。
这部分电流称为谐波电流。
因此，我们可将晶闸管变流器看作谐波电流源，整个电网作为他的负载。
为了保证所有电器设备的正常工作，各工业国家都对谐波问题开展了深入的研究工作，并制定出了相应的规程标准。
我国于1984年颁布了《电力系统谐波管理暂行规定》，后又于1993年发布了国家标准《电能质量：
公用电网谐波》，规定了电网谐波的允许值。
（2）冲击电压降问题
大型负载起动时，须较多的无功功率，如电网容量较小，则会发生电压降落。
周期性重复起动，会造成电压波动，甚至出现“闪变”。
电网电压的稳定性是衡量电网电压质量的一个重要条件，而电压波动的允许值是与其出现的频度有关，国际《电能质量：
电压允许波动和闪变》规定10kV电网的电压允许波动为2.5%。
对于矿井提升机这类负载，考虑到技术经济的具体情况，其引起的电压波动一般应不大于3.5%。
（3）谐波电流问题
根据国内外有关技术文献及规程，电网谐波（分量）的定义为“对周期性交流量进行傅立叶级技术分解，得到的频率为基波频率整数倍的分量”。
在假定发电机输出的电压为理想正弦波形的前提下电网的波形主要由具有非线形特性或者对电流进行周期性开闭的电器设备产生，这类设备分为以下两种：
（1）装有电力电子器件的设备，例如变流器、变频器、交流控制器、电视机。
（2）具有非线形电流电压特性的设备，例如感应炉、电弧炉、气体放电灯和变压器等。
基于以上问题，对矿井提升机系统进行无功补偿势在必行。
所谓无功补偿，就是借助于无功补偿装置为用电系统或设备提供一定的无功功率，以提高用电设备乃至整个系统的功率因数。
无功补偿的方法很多，煤矿中常用的方法是电容器与网络感性负荷并联来补偿无功功率，具有结构简单、经济方便等优点，但其阻抗是固定的，故不能实现对无功功率的动态补偿。
另外补偿电容器对谐波具有放大作用，容易导致电容器过载、过热，增加损耗，长期运行会造成外壳膨胀和放炮，直至破坏。
为了解决这些问题，目前矿井中经常引入的是具有调节功能的动态无功补偿装置。
1.2无功补偿装置的现状及发展
传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，并联电容器虽然结构简单、经济，但由于电容器的补偿量是固定的，它不能跟随实际无功的变化而变化。
因此，它适用于无功变化不大的场合。
当前实际用电系统中，无功往往变化很大，并联电容的补偿装置显然无法满足要求。
由于并联电容器阻抗固定，不能动态的跟踪负荷无功功率的变化；而调相机和同步发电机的补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都和大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。
所以这些设备已经越来越不适应电力系统的需要。
20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深，出现了一种能够对负荷进行动态补偿的静止无功补偿技术（SaturatedVarCompensator-SVC）。
早期的静止无功补偿装置（SVC）是饱和电抗器（SaturatedReactor-SR）型的。
饱和电抗器又分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。
可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。
这类装置组成的无功补偿装置属于第一批补偿器。
但是由于该装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大2-3倍，另外这种装置有振动和噪声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器的无功补偿器目前应用的比较少，未能占据静止无功补偿装置的主流，一般只在超高压输电线路才有使用。
电力电子技术的的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿装置推上了电力系统无功功率补偿装置的舞台。
由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以近加年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定的增长，己占据了静止无功补偿装置的主导地位。
因此静止无功补偿装置（SVC）这个词往往是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器（ThyristorcontrolledReactor-TCR）和晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchingCapacitor-TSC）以及这两者的混合装置（TCR+TSC）或者晶闸管控制电抗器与固定电容器（TCR-FC-FixedCapacitor）或机械投切电容器（MechanicallySwitchedCapacitor-MSC）混合使用的装置（TCR+MSC等）。
静止无功补偿装置的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率。
这种连续调节是依靠调节TCR中晶闸管的触发延迟角α来实现的。
TSC只能分组投切，不能连续调节无功功率，它只有和TCR配合使用，才能实现补偿装置整体无功功率的连续调节。
由于具有连续调节的性能且响应迅速，因此SVC可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变。
因TCR装置采用相控原理，在动态调节基波无功功率的同时，也产生大量的谐波，所以，固定电容器通常和电抗器串联构成谐波滤波器，以滤除TCR中的谐波。
比SVC更为先进的现代补偿装置是静止无功发生器（StaticVarGenerator-SVG），SVG也是一种电力电子装置。
其最基本的电路仍是三相桥式电压型或电流型变流电路，目前使用的主要是电压型。
SVG和SVC不同，SVC需要大容量的电抗器、电容器等储能元件，而SVG在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可。
SVG通过不同的控制，既可使其发出无功功率呈电容性，也可使其吸收无功功率呈电感性。
采用PWM控制即可使其输入电流接近正弦波。
SVG比SVC的调节速度更快、运行范围更宽，所用电抗器的容量也大为降低,所以SVG是动态无功补偿装置发展的重要方向。
SVG在日本和美国等少数几个国家已投入实际运行。
但是由于SVG的控制方法和控制系统要比传统的SVC复杂。
另一方面，SVG要使用数量较多的较大容量全控型器件譬如GTO晶闸管和IGBT，其价格目前仍比SVC使用的普通晶闸管高得多，因此，SVG由于用小的储能元件而具有的总体成本的潜在优势，还有待于随着器件水平的提高和成本的降低得以发挥。
目前，除对于SVC和SVG的无功补偿进一步的探讨外，人们还研究用于动态无功补偿的其它各种形式的静止变流器，包括电流型自换相桥式电路，交—交变频电路以及交流斩波电路等，直至近些年，美国电力研究院提出的统一潮流控制器（UnifiedPowerflowController—UPFC）。
1.3本文的工作
DSP的出现，为无功补偿问题提供了新的途径。
其他方法虽然比较成熟，但是在无功检测等方面的技术还有待提高，而且补偿装置的投切方式设定和参数的选择会对补偿效果产生很大影响。
本文的工作就是在这种情况下提出的，目的是通过对相关技术的研究，为开发适应于矿井提升机的无功补偿装置做了相关的设计。
根据控制器的要求，确定了以DSP为核心硬件系统的组成，通过计算等手段确定系统外围电路进行搭建，最后绘制了控制器的Protel原理图。
第二章TCR原理及其控制策略的研究
2.1TCR基本原理与补偿特性
2.1.1TCR的基本原理
TCR的基本原理如图2.1所示。
其单相的基本结构就是由电感L和两个反并联的晶闸管串联而成的，而三相多采用三角形结构。
这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路的结构，两个晶闸管分别控制正负半个周波的电流通断。
触发延迟角α的有效移相范围当控制角α改变时，电感中通过的电流发生变化。
当忽略电阻时，电流的最大值在α=0时达到，此时电流为连续的。
当α在0~π/2之间变化时，电流为断续。
增大α角，则电流的基波分量减小，这相当于增大电抗，减小吸收的感性无功功率。
图2.1TCR单相结构图
在控制系统的作用下，就可以得到如图2.2所示的TCR电压电流特性。
可以看出，TCR的电压－电流特性是一种稳态特性，特性上的每一点都是TCR在导通角为某一角度时的等效感抗的伏安特性上的一点。
TCR之所以能从其电压－电流特性上的某一稳态工作点移到另一稳态工作点，都是控制系统不断调节触发延迟角α，从而不断改变导通角δ的结果。
显然，其特性的斜率和在电压轴上的截距都由控制系统的参数决定。
图2.2TCR电压电流特性
2.1.2主要接线形式
TCR的三相接线形式大都采用三角形联结如图2.3（a）所示，也就是所谓的支路控制三角形联结三相交流调压电路的形式，因为这种接线形式比其他形式电流中谐波含量要小。
此外，实际工程中还常常将每一相的电抗分成如图2.3（b）所示的两部分，分别接在晶闸管对的两端。
这样可以使晶闸管在电抗器损坏时能得到额外的保护。
如图2.3（b）所示，TCR通过降压变压器连接到系统母线上，降压变压器二次侧设有两个绕组，一个为Y联结；另一个为△联结，就形成了30°的相差，分别连接一个6脉波TCR，即可构成12脉波TCR。
其一次侧线电流中将仅含12k±1次谐波。
当组成它的一个6脉波TCR出现故障时，另一个仍可正常工作，这也是12脉波TCR的一个优点。
图2.3TCR的主要接线形式
2.2TCR的特性
2.2.1补偿特性
设,则当=90°时（图2.4中虚线所示）,为全导通，电流为连续的基波电流。
，得：
（2-1）
此时，TCR输出的最大滞后无功为
（2-2）
式中wL=；为的有效值。
图2.4 TCR回路电压电流波形
当控制角大于90°,电流如图2.4实线所示,为间断脉冲波,其值由周期分量和自由分量合成,即=+
而==（2-3）
==·=·（2-4）
式（2-4）中为电路的时间常数,忽略电阻时,为无穷大,故得
=（2-5）
将式（2-3）和式（2-5）代入式（2-2）中得
=（2-6）
同理当>时,即负半周期导通时
=（2-7）
则的瞬时值可用下式表示:
（2-8）
即从（2-7）式可以看到,通过调节角,便可以调节电流,从而达到调节回路感抗和基波无功的目的。
上式的基波分量可由傅立叶分析求得，如式2－3所示:
（2-9）
所以，TCR产生的补偿电纳为:
（2-10）
上述关系可以画成如图2.5的曲线，任何触发角所对应的电纳都可以从图上求出.实际运用中常用有理插值法求出相应关系并存于ROM中以便调用。
图2.5
由于进行了移相控制，TCR也会产生谐波，并且各次谐波的最大值并不在同一触发角时出现，所以要有相应的滤波器组与之配合使用。
应用中TCR一般都接成三角形，使所有的三次谐波序列的谐波电流都在闭合三角形中流通，而线电流中不出现这些谐波。
2.2.2谐波特性
在不同控制角下,TCR回路的谐波电流同样可由式（2-1）用傅里叶分析求出。
当TCR用于补偿提升机等冲击负荷时,由于其负荷电流不规则且变化很大,有必要对各相半波实现独立控制,以便减小补偿误差,但这时TCR将产生偶次谐波。
表2-1列出了用于对称与不对称情况下的TCR谐波相对于基波的最大含有率
表2-1不对称情况下的TCR谐波相对于基波的最大含有率
谐波次数
2
3
4
5
7
11～23
对称控制情况下
0.5
13
O.5
5～6
2～3
0.5～1
不对称控制情况下
7～8
15～20
5～7
8～10
6～7
2～3
2.2.3其它特性
（a）响应时间
由图2.4可以看出,只要小于180°,TCR任何一相的导通角可以在电源频率连续两个半波之间任意变化,如不计调节器时间常数,动态响应时间约为10ms；对于三相电路,动态响应时间约为3.4ms,采用数字式快速调节器的条件下,动态响应时间约在5～10ms。
这里所谓响应时间仅指扰动开始到调节器起作用的时间,并不是指整个调节过程完成的时间。
后者时间要长得多,取决于控制策略的选择（如开环或闭环控制）,系统阻抗大小等因素。
用于抑制提升机引起电压闪变的SVC,快速响应十分重要,是反映SVC性能好坏的重要指标。
（b）独立相控
TCR三相可以独立进行控制,连续调节无功功率,可用作相平衡装置,故TCR型SVC可广泛用于三相不平衡负荷,以实施动态不平衡的补偿。
（c）功率损耗
实际运用中,SVC的损耗是一个重要的考虑因素。
TCR的容性部分损耗随电压而变,一般变化不大。
动态感性部分的损耗随导通程度增加而增大,这部分损耗中包括电抗器的电阻性损耗和晶闸管中导通、切换等损耗（未包括变压器和辅助的设备损耗）。
对10～50Mvar的TCR型SVC而言,其损耗约为容量的0.5%～0.7%。
单独的TCR只能吸收感性的无功功率，与电容器并联后则总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率，并联电容器还可以串上较小的电抗器以吸收TCR等产生的谐波电流。
2.3TCR无功补偿系统控制策略的比较
2.3.1传统控制方案
（1）开环方案
如图2.6所示，该方案是一个典型的开环控制方案。
它直接计算负载无功，然后去控制无功补偿装置TCR，使干线的相位差最下，达到功率因数提高的目的。
这也是目前无功补偿最常用的控制方案。
它的优点是系统结构简单，调试容易，适合于功率变化较大的负载补偿控制。
其缺点是当工作环境和系统本身的元部件性能参数发生变化时，开环系统的被控变量可能会受到一定影响。
图2.6开环控制方案
闭环控制的策略较复杂，如图2.7所示，该方案是一种随动系统的闭环控制方案它以负载无功输入参考信号，而负载无功是变化规律未知的任意时间函数，系统的任务是使被控变量—补偿无功按同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定的范围内。
图2.7闭环控制方案
该方案同图2.6相比，避免了补偿无功落后于实际无功的可能，保证了补偿的同步性。
合理性的设计数字PID控制器的系统参数KP，KI和KD并在系统运行过程中在线调整，也可以运用当前流行的MATLAB中的SIMULI
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