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基于FPGA的低压动态无功补偿控制器的研究

作　者: 张双锋
导　师: 赵明
学　校: 辽宁科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 无功补偿 现场可编程逻辑门阵列（FPGA） 快速傅立叶变换（FFT） 晶闸管投切电容器（TSC）
分类号: TM761.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


由于现代工业的迅猛的发展和电力电子技术的快速革新，越来越多的非线性设备被广泛应用在工业领域，导致用电负荷功率因数降低、电网电压波动、闪变及产生大量谐波等问题，究其原因是非线性的用电负荷会从电网吸收了无功功率。很明显，根据以上电网问题，可以在电网负荷端安装无功补偿设备，代替电网向负荷提供无功功率。随着现代化的进程加快，无功补偿在电网的稳定有效运行、减少线路损耗、提高用电效率、社会效益和经济效益方面扮演着越来越重要的角色。在无功补偿控制器方面，国内外普遍采用DSP作为主控芯片，较好的实现了无功补偿的目的。但是，面对一些工业环境恶劣、负荷波动大、多次谐波干扰等情况时，以DSP为主的控制器就无法快速、稳定的实现无功补偿；因此，本文创新的提出以纯硬件电路FPGA为主，单片机为辅的控制核心，通过MATLAB在理论上验证其可行性，然后经过工业现场试验，证明其快速性和稳定性。本课题的主要内容是基于FPGA的低压动态无功补偿控制器的研究。首先检测电路检测电网的电压和电流参数，调理电路通过对检测到的信号进行降压、滤波等调理后由A/D模块进行数模转换，最后传递到主控芯片FPGA上的信号是其可以接受的小信号。FPGA利用快速傅立叶（FFT）算法对信号进行分析计算出电压电流的有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等电能参数。最后将计算值和设定值进行比较，利用一定的控制策略对执行器件进行控制，使其完成无功补偿的任务，达到预定的目标。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
1. 绪论  9-15
  1.1 课题的提出及实际研究意义  9-10
  1.2 无功补偿技术的发展状况  10-13
  1.3 本课题主要研究内容  13-15
2. 无功补偿基本原理  15-29
  2.1 无功补偿基本概念  15-16
  2.2 晶闸管投切电容器（TSC）的基本原理  16-19
    2.2.1 基本原理分析  16-18
    2.2.2 主要接线方式  18-19
  2.3 电容器分组方式的选择  19-20
  2.4 TSC 型 SVC 安装位置的选择  20-21
  2.5 电容器投切时刻的选取  21-22
  2.6 低压无功补偿方式的介绍  22-23
  2.7 补偿器的控制系统  23-24
  2.8 基于 TSC 型无功补偿的控制策略  24-28
    2.8.1 功率因数控制方法  25
    2.8.2 电压控制方式  25-26
    2.8.3 无功功率控制方式  26-27
    2.8.4 无功电流控制方式  27
    2.8.5 复合控制方式  27-28
  2.9 本章小结  28-29
3. 无功检测的算法分析  29-43
  3.1 正弦条件下的无功检测方法  29-30
  3.2 非正弦条件下的无功检测方法  30-41
    3.2.1 FFT 方法提取无功分量  30-36
    3.2.2 瞬时无功理论方法提取无功量  36-41
  3.3 无功电流检测的其它方法  41-42
  3.4 本章小结  42-43
4．无功补偿控制器的硬件设计  43-59
  4.1 基于 FPGA 的硬件电路的设计  43-51
    4.1.1 EP3C25 系列的 FPGA 的最小系统的设计  43-45
    4.1.2 FPGA 开发平台及开发语言的介绍  45-48
    4.1.3 FPGA 最小系统原理图  48-51
  4.2 无功补偿信号采集电路和外围电路的硬件设计  51-55
    4.2.1 电压电流采样电路的设计  51-52
    4.2.2 同步信号保持电路  52-53
    4.2.3 信号调理电路的设计  53
    4.2.4 A/D 转换电路  53-54
    4.2.5 晶闸管触发电路的设计  54-55
  4.3 电容器的设计  55-56
    4.3.1 电容器组的保护设计  55-56
  4.4 人机接口电路设计  56-57
    4.4.1 键盘电路设计  56
    4.4.2 显示电路的设计  56-57
  4.5 看门狗电路的设计  57
  4.6 系统电源电路的设计  57-59
5. 系统的软件设计  59-63
  5.1 系统软件总体结构  59
  5.2 A/D 转换模块  59-60
  5.3 显示模块  60-61
  5.4 键盘模块  61
  5.5 电网参数计算模块  61-62
  5.6 软件抗干扰模块  62-63
6. 试验仿真环境及结果分析  63-67
  6.1 系统实验仿真及其分析  63-64
  6.2 系统试验环境及试验结果  64-67
7. 结论与展望  67-69
参考文献  69-72
致谢  72-73
作者简介  73-74

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 输配电工程、电力网及电力系统 > 电力系统的自动化 > 自动调整 > 电压与无功功率的自动调整 > 电压及无功功率自动调整的试验及模拟
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