基于DSP的智能低壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置研究

周國坤

【摘 要】針對傳統(tǒng)靜態(tài)無功補(bǔ)償控制器控制精度不高、響應(yīng)時(shí)間長、功率因數(shù)低等問題，本文提出了以TMS320LF2407為主控制器的智能低壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，介紹了動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)幕驹?、無功補(bǔ)償?shù)目刂齐娐芬约爸骺刂破鞯闹饕匦?，并提出設(shè)計(jì)思路和創(chuàng)新點(diǎn)。該裝置在實(shí)際的測試中，能有效地提高控制精度，縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，提高功率因數(shù)。

【關(guān)鍵詞】無功補(bǔ)償；TMS320LF2407；控制特性；功率因數(shù)

0 引言

在交流供電電網(wǎng)中，功率分為有功功率、無功功率和視在功率[1]。其中，有功功率為一個(gè)周期內(nèi)的瞬時(shí)功率的平均值，即P有=∫P瞬dt/T，瞬時(shí)功率為電流瞬時(shí)值i和電壓瞬時(shí)值u的乘積，即P瞬=iu，其中，電流瞬時(shí)值為i=√2Isin（ω1t-φ），電壓瞬時(shí)值為u=√2Usinω1t。無功功率為供電電路里能量交換過程中瞬時(shí)消耗功率的振幅值，即P無=UIsinφ，其中，U為電壓有效值，I為電流有效值，φ為電流滯后電壓相位角。視在功率為有功功率與相位角φ的余弦值的比值[2-3]，或者定義為供電電網(wǎng)端口處電壓有效值和電流有效值的乘積，即S=P有/cosφ或者S=UI。由此可見，當(dāng)有功功率P有一定時(shí)，提高功率因數(shù)cosφ勢必會導(dǎo)致視在功率S的減小，由于P總=P有+P無+S中消耗總功率不變，因此，視在功率S的減小又勢必導(dǎo)致無功功率P無的增加，這就意味著供電電網(wǎng)要承受更多的無功損耗，大量的無功損耗勢必會導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷加重、電路投資加大、電子設(shè)備利用率降低等問題。因此適當(dāng)增加用電設(shè)備的有功功率，降低用電設(shè)備和輸電線路的無功功率損耗，可以提高電網(wǎng)功率因數(shù)，增加供電電網(wǎng)效率和可靠性。

1 動態(tài)無功補(bǔ)償控制電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的靜態(tài)無功補(bǔ)償控制器存在無功補(bǔ)償慢、浪涌電流大、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高和電容器投切反應(yīng)時(shí)間長等問題[4-5]，其無功補(bǔ)償效率低，設(shè)備利用率低，且很容易造成投切電容的過流損壞。采用動態(tài)無功補(bǔ)償方式可以有效地防止上述現(xiàn)象的發(fā)生。本文采用以TMS320LF2407為核心控制器的智能低壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，配以檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和電容器投切模塊等外圍電路，輔之以AT89C51單片機(jī)為控制器的顯示模塊，構(gòu)成以TMS320LF2407為核心控制器，AT89C51單片機(jī)為輔助控制單元的雙控電路結(jié)構(gòu)。

1.1 TMS320LF2407核心控制器

TMS320LF2407核心控制器采用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片[6]，其具有全自動智能投切功能、U盤讀取CDMA通訊功能、友好的人機(jī)交流界面和精確的控制單元等，可以實(shí)現(xiàn)無浪涌投切，在外圍檢測電路的配合下還可以與上位機(jī)時(shí)刻保持通訊，以便及時(shí)獲取控制動態(tài)和相關(guān)參數(shù)。

1.2 外圍電路

檢測模塊采用電流傳感器和電壓傳感器，用于檢測補(bǔ)償電路中負(fù)載的電流和電壓，然后將檢測到的電信號傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器，在A/D轉(zhuǎn)換器中經(jīng)信號整形后轉(zhuǎn)換為PWM數(shù)字方波信號，然后再輸送給TMS320LF2407核心控制器，經(jīng)過邏輯判斷和數(shù)據(jù)分析之后，控制器發(fā)出控制指令，控制電容器投切電路中IGBT開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻，從而可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償。在電容器投切模塊中，電壓、電流信號經(jīng)過信號整形、同步周期測量、相位測量等計(jì)算后，把所得數(shù)據(jù)送入TMS320LF2407核心控制器中進(jìn)行邏輯分析、判斷，并得出被測電路的功率因數(shù)。這種設(shè)計(jì)既簡化了功率因數(shù)測量電路的結(jié)構(gòu)，又增強(qiáng)了檢測的準(zhǔn)確性和快速性。

顯示模塊采用以AT89C51單片機(jī)為控制器、1602A雙排液晶為顯示器的顯示電路，上排顯示檢測到的負(fù)載電壓值，下排顯示檢測到的負(fù)載電流值。液晶顯示采用總線方式，利用51單片機(jī)的讀寫外部RAM功能，將1602A液晶顯示器掛在單片機(jī)總線上，使其統(tǒng)一按類似讀寫外部RAM功能的指令方法操作。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的低壓動態(tài)無功補(bǔ)償控制器一般采用單變量控制（按電壓變量、功率因數(shù)變量和無功功率變量三種控制方式）、復(fù)合變量控制（功率因數(shù)和電壓復(fù)合、電壓和無功量復(fù)合兩種控制方式）、人工智能控制（模糊控制、遺傳算法和專家系統(tǒng)等人工智能控制方式）三種控制方式，根據(jù)不同的外圍電路和控制精度要求，采用不同的控制策略，目前人工智能控制方式雖然控制程序復(fù)雜、研究成本較高，但是其正在成為現(xiàn)代社會改善低壓動態(tài)無功補(bǔ)償控制器的研究方向。本文采用按功率因數(shù)變量控制的單變量控制方式。

2 設(shè)計(jì)思路與創(chuàng)新點(diǎn)

本文是以TMS320LF2407為主控制器的智能低壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，主要設(shè)計(jì)思路與創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）在分析有功功率、無功功率和視在功率的基礎(chǔ)上，提出出本文的目的是通過提高電網(wǎng)功率因數(shù)來增加電網(wǎng)利用率和可靠性，并通過介紹靜止無功補(bǔ)償控制器的缺點(diǎn)，來突出動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)闹匾浴?/p>

（2）針對低壓電網(wǎng)的特點(diǎn)，采用基于IGBT開關(guān)器件的電容器投切電路和PWM方波控制方式，并且利用最簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獲得最大的無功補(bǔ)償效果。

（3）主控制器采用TMS320LF2407高性能控制芯片，能夠全面提升電路的控制精度，縮減電容器投切時(shí)間，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

3 結(jié)語

基于TMS320LF2407主控制器的智能低壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，是針對傳統(tǒng)靜態(tài)無功補(bǔ)償控制器控制精度不高、響應(yīng)時(shí)間長、功率因數(shù)低等問題而設(shè)計(jì)的。在供電電網(wǎng)現(xiàn)場測試中的結(jié)果表明，其不僅可以大幅提高控制精度、縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，而且可以提高電網(wǎng)利用率，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。以TMS320LF2407芯片為核心控制器的補(bǔ)償電路和以AT89C51單片機(jī)為控制器的顯示電路完美地配合，保證了無功補(bǔ)償裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和電容器投切模塊等外圍電路，在測試過程中配合良好。本設(shè)計(jì)適合在供電電網(wǎng)中廣泛地推廣運(yùn)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]邱軍，王楚迪.電力系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展研究[J].電氣開關(guān)，2015，01：49-53.

[2]梁青華.配電網(wǎng)中基于DSP的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015，05：132.

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[4]高長偉，王華梁，律德財(cái)，鄭偉強(qiáng).高可靠性智能低壓無功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)[J].電器與能效管理技術(shù)，2015，03：27-30+34.

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[6]項(xiàng)遙翔.低壓電動機(jī)無功補(bǔ)償方式分析[J].黑龍江科技信息，2010（29）.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]