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基于DSP和FPGA的无功补偿控制器的研究与开发

作　者: 赵秀高
导　师: 李丙才; 邬再新
学　校: 兰州理工大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 静止无功补偿器晶闸管投切电容器数字信号处理器快速傅立叶变换
分类号: TM761.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在电力系统中，电力设备和电力电子装置的大量使用，会消耗较多的无功功率，从而引起功率因数下降、电压波动和闪变以及三相不平衡等问题，本文的研究目的就是要根据无功电流的变化构造一个稳定的系统，准确及时的进行无功补偿，以保证电网或电力设备的正常运行。首先，分析无功补偿的原理、TCR(晶闸管控制的电抗器)的主电路的原理和TSC(晶闸管投切电容器)的主电路的原理，在此基础上，分析主电路的谐波，计算补偿容量。基于TSC+TCR型SVC主电路的技术特点，采用晶闸管控制投切电容器，完全实现了电容器的快速，无弧，无冲击投切，采用调节TCR中晶闸管的触发延迟角α来实现连续快速调节补偿装置的无功功率输出。TSC作分级粗调，补偿容性无功；TCR作相控细调，补偿感性无功。二者协调控制，可实现无功功率的平滑调节。本文针对TSC+TCR型SVC电路控制要求的特点，控制器最基本的部分采用闭环电压控制，并设计了基于DSP和FPGA的控制电路。利用DSP的速度快、计算功能强大的特点，应用快速傅立叶变换的算法理论，对电参量进行实时的检测和处理，并且实现多路触发信号的同时控制、变压器二次侧过压限制、TCR过流控制、欠压处理以及TCR直流电流控制和手动控制。通过SVC在作为系统补偿和负荷补偿两种情况下分别采用平衡控制和不平衡控制的控制方法，用PSCAD仿真和在SVC样机上进行实验，根据仿真和实验结果分析本系统软硬件设计以及控制方法具有理论上可行性和实践上的可实现性。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-9
第1章绪论  9-13
  1.1 课题的背景和意义  9
  1.2 无功补偿装置的发展  9-12
    1.2.1 同步调相机  10
    1.2.2 并联电容器  10-11
    1.2.3 并联电抗器  11
    1.2.4 静止无功补偿器  11
    1.2.5 静止无功发生器(Static Var Generator- SVG)  11-12
  1.3 本论文主要完成工作及内容  12-13
第2章 SVC 系统  13-31
  2.1 无功补偿中的基本概念  13-17
    2.1.1 正弦电路中的功率  13-15
    2.1.2 非正弦电路中的功率  15-17
  2.2 SVC 系统工作原理  17-22
    2.2.1 TCR 工作原理  17-20
    2.2.2 TSC 工作原理  20-22
    2.2.3 TSC+TCR 工作原理  22
    2.2.4 SVC 系统的特点和应用  22
  2.3 确定补偿容量的方法  22-25
  2.4 谐波分析  25-27
  2.5 基于 FFT 的电网参数测量  27-29
  本章小结  29-31
第3章控制系统的理论设计  31-36
  3.1 系统补偿  32-34
    3.1.1 电压控制环  32-33
    3.1.2 变压器二次侧过压限制  33
    3.1.3 欠压处理  33
    3.1.4 TCR 过流控制  33
    3.1.5 TCR 直流电流控制  33-34
    3.1.6 手动控制  34
  3.2 负荷补偿  34-35
  本章小结  35-36
第4章基于 DSP 和 FPGA 的无功补偿器的硬件设计  36-53
  4.1 基于 DSP 和 FPGA 控制系统框图的设计  36-39
  4.2 输入、输出模拟信号电路  39-42
  4.3 控制器开关量输入、输出信号  42-43
  4.4 脉冲光电转换输出电路  43-44
  4.5 通讯模块电路  44-49
  4.6 存储模块电路  49-50
  4.7 FPGA 部分原理图  50-52
  4.8 人机接口部分  52
  本章小结  52-53
第5章无功补偿控制器的软件设计  53-61
  5.1 系统的程序设计  53
  5.2 采样处理子程序  53-56
  5.3 保护子程序  56-57
  5.4 TCR 相角输出和 TSC 投切子程序  57-59
  5.5 关于 Modbus RTU 和 Modbus TCP/IP 协议的介绍  59-60
  本章小结  60-61
第6章系统实验与仿真  61-75
  6.1 关于 TCR 部分实验  61-63
    6.1.1 TCR 脉冲发生板的实验  61
    6.1.2 TCR 的开环实验  61-62
    6.1.3 TCR 开环基频电压—电流特性的实验  62
    6.1.4 TCR 闭环稳态性实验  62-63
  6.2 TSC 的试验  63-68
    6.2.1 TSC 过零触发板的实验  63
    6.2.2 TSC 投切电容器的实验  63-68
  6.3 SVC 的实验  68-72
    6.3.1 TSC 与 TCR 的配合实验  68-69
    6.3.2 SVC 系统三相平衡下的闭环基频电压—电流测定  69-70
    6.3.3 SVC 系统三相平衡下的扰动试验  70-71
    6.3.4 不对称控制方式时控制器的性能测试  71-72
  6.4 计算机仿真实验  72-74
  本章小结  74-75
总结与展望  75-76
参考文献  76-79
致谢  79-80
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  80

基于DSP和FPGA的无功补偿控制器的研究与开发

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