FACTS实验台TCR挂件的研究与设计

【前言】FACTS实验台TCR挂件的研究与设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。2硬件设计的总体结构 该装置的硬件结构包括实验公共基础台、数据采集装置、TCR 装置、DSP以及上位机。实验公共基础台为相关实验的各类功能挂件提供所需的多种电源、公共接口、保护电路、仪表显示以及工控机接口电路等一体化综合。公共基础台设置总开关、支路开关、复...

摘 要:柔流输电系统(facts)实验台是模拟远距离输电时产生的线路损耗并对其进行无功补偿的实验装置。该装置运用FACTS的先进理论和技术,以信号采集及调理电路、电平转换电路、触发脉冲驱动放大电路、DSP、工控机等核心部件为硬件基础,实现电网参数的检测与调节。控制算法部分采用瞬时无功功率理论对无功功率和无功电流进行检测。实验结果表明,该实验转置补偿效果良好,适用于电气工程及其自动化专业高年级本科生和研究生,以及从事相关学科教学、科研和工程技术人员。

关键词:FACTS 无功补偿 tcr 触发脉冲

中图分类号:TP23文献标识码:A文章编号:1007-3973 (2010) 07-066-03

1引言

在实际电力系统中,远距离输电时线路上会产生损耗,造成系统功率因数较低、无功损耗严重。柔流输电技术已被国内外一些权威的输电工作者预测确定为“未来输电系统新时代的三项支持技术之一”。近年来,随着电力电子技术的发展,静止无功补偿装置在抑制谐波、改善功率因数、提高系统稳定性方面的优势日益突出。为了使电气工程及其自动化专业高年级本科生和研究生能对柔流输电技术有一个较为直观、全面而又深刻的了解,晶闸管控制电抗器(TCR)装置从实际角度出发,以晶闸管、DSP、工控机等核心部件为硬件基础,实现电网参数的检测与调节。实验装置采用公共基础台+功能挂件的设计方式,结构紧凑,集成度高,扩展性好。实验结果表明,该装置具有动态精度高、能够进行实时补偿、高可靠性、操作方便、实验效果明显、人机界面友好等优势 。

2硬件设计的总体结构

该装置的硬件结构包括实验公共基础台、数据采集装置、TCR 装置、DSP以及上位机。实验公共基础台为相关实验的各类功能挂件提供所需的多种电源、公共接口、保护电路、仪表显示以及工控机接口电路等一体化综合。公共基础台设置总开关、支路开关、复位开关以及继电器保护电路及挂件识别功能等,分别对实验台进行过流、欠压、过压、谐振等保护 。

图1 系统总体设计框图

2.1TCR的基本原理

基本的单相TCR结构如图2所示,它由两个反并联的晶闸管(或一个双向导通晶闸管)与一个电抗器相串联,再与交流电源相连,两个晶闸管分别控制正负半个周波的电流通断,三相电路中TCR多采用三角形连接 。

图2单相TCR系统结构图

TCR正常工作时,在电压的每个正负半周的后1/4周波中,即从电压峰值到电压过零点的间隔内,触发晶闸管,此时承受正向电压的晶闸管将导通,使电抗器进入导通状态。一般用触发延时角 来表示晶闸管的触发瞬间,它是从电压最大峰值点到触发时刻的电角度,决定了电抗器中电流的有效值大小 。通过控制晶闸管的触发角,可以连续的调节流过电抗器的电流,在0到最大值之间变化,相当于改变电抗器的等效电抗值。

2.2AD转换电路

信号采集及AD转换电路的主要功能为对检测模块送过来的电压模拟信号进行采样和AD转换。采样频率为2560Hz=12.8KHz,另外检测模块传送过来的电压信号为-10V～10V,从转换结果数据精度考虑应选择输出数字信号大于12位的AD转换芯片,基于综合考虑,我们选择工艺较为成熟的AD7864作为AD转换芯片。AD7864是一款高速、低功率、4通道的12位模数转换器,以5V单电源供电。它的4个通道可以同时对输入信号进行采样,从而保持4个模拟输入信号的相对相位信息。电路需要采集三相电压、电流共6路信号,故需要选用两片AD7864进行AD转换。下面给出一片AD7864的AD转换电路图。如图4所示。

图4AD转换原理图

AD7864完成一次AD转换过程如下:首先DSP2812通过74LS138选通其中某一块AD7864,AD7864 CONVST引脚接收到锁相环传送过来的一个下降沿信号则开始AD转换,转换过程中BUSY引脚保持高电平。4通道AD转换完成后,BUSY引脚内部被拉低,产生BUSY端的下降沿,向DSP发出中断信号,此时4组模拟信号经AD转换后的数字信号按照通道顺序送到数字量内部缓存,此时DSP发出读数信号到AD芯片读引脚依次从数字量输出口将4组转换结果取走,这里需要注意的是,AD7864的4组转换结果是依次存储在内部缓存,每读取一组数字量结果,其内部指针自动加一,将下一通道的数字量送到数字输出口。

2.3电平转换电路

TMS320F2812的I/O口电压为3.3V,输出和输入信号电平与周围模块存在不匹配,从保护CPU和电平匹配角度考虑需要增加电平隔离转换模块,由于DSP周围模块的I/O口电平为5V,因此只需要引入5V-3.3V的双向电平隔离模块即可,这里选择使用74LVC4245A电平隔离转换芯片,74LVC4245A是一款8位高效、低能耗、低工作电压CMOS电平隔离转换芯片,它能提供5V到3.3V的双向电平转换。74LVC4245基本接口电路如图5所示。

图5电平隔离转换

2.4锁相倍频电路

动态无功补偿控制器的核心控制技术是触发电路,它要求触发电路的可靠性高,对称性好。本文用先进的2812结合器件控制可控硅触发,采用CD4046锁相环芯片,再造一个和采样信号严格同步的信号来直接控制信号的采样和转换,保证采样频率和信号基波频率的比值为固定值,实现取样频率和信号基波频率的准确跟踪。锁相同步采样是由锁相环加倍频电路控制采样芯片实现的,其核心是锁相环。锁相同步采样电路由过零检测电路、锁相环电路、倍频电路组成。过零检测电路使输入的连续周期信号变为周期方波信号,锁相环跟踪方波,信号的周期,倍频电路在基波周期内实现256倍频,产生采样窄脉冲触发采样保持电路,实现锁相同步采样。

图6锁相环原理

锁相倍频就是通过N分频反馈环路,将压控振荡器频率锁定在输入信号的N倍上。倍频锁相框图如下图所示。

图倍频锁相框图

依据反馈回路关系式: 即实现了输出频率是输入频率的N倍。只要改变反馈环节的分频比N,即可实现锁相倍频。要实现256倍频采样,用分频电路CD4040实现256分频即可。此时,输出频率。

2.5触发脉冲驱动放大电路

DSP输出的PWM波幅值为3.3V,且电流很小,不能直接驱动晶闸管。需要经过放大,且DSP输出的宽脉冲相对于脉冲变压器来说是直流信号,无法感应到副边,需要用高频信号调制后再接到脉冲变压器。高频调制信号由555定时器产生,频率可以通过外加的电阻电容来调节。脉冲信号和高频调制信号相与后输入达林顿阵列ULN2003进行放大,ULN2003可以输出多达500mA的电流,保证了信号的强度。经过调制和放大的信号就可以接到脉冲变压器了。脉冲调制放大电路如图7所示。

图7脉冲调制电路

3控制算法

3.1基于坐标变换的瞬时无功功率理论

基于坐标变换的瞬时无功功率理论的基本思路是将 三相系统的电流、电压转换成坐标系上的矢量,将电压电流矢量的标量积定义为瞬时实功率,电压电流矢量的矢量积定义为瞬时虚功率,并由此导出瞬时无功功率和瞬时无功电流 。由abc坐标系至坐标系的线性变换矩阵为

(1)

此即为Park变换矩阵,且有。三相电流在坐标系下的变换关系如下:

(2)

设任意三相电路的电压瞬时值为 ,电流瞬时值为 ,则该点的瞬时功率为:

(3)

其中Pd、Pq、P0分别成为d轴瞬时功率、q轴瞬时功率和0轴瞬时功率。系统注入该点的有功功率为三相瞬时功率的平均值。对任意三相系统,将坐标系下的电流分解成两个相互正交的分量

(4)

式中idp, iqp, iop 分别是d轴、q轴、0轴的瞬时有功电流,idq, iqq, ioq分别是d轴、q轴、0轴的瞬时无功电流。轴的瞬时有功电流、广义无功电流经过Park反变换后即为abc三相的瞬时有功电流和广义瞬时无功电流。基于坐标变换检测三相无功功率的算法框图如图8所示 。

图8检测算法框图

3.2晶闸管触发角度的求解

利用瞬时无功功率理论求出系统的无功功率和无功电流后,根据TCR的基波等效电纳公式

(5)

TCR支路上所需的补偿电流是通过控制器调节晶闸管的控制角来调节支路的等效基波电纳实现的,控制角的计算精度直接影响无功补偿的效果。此处选用有理插值法作为晶闸管控制角的计算方法,该方法与多项式逼近相比,计算量相当,但是精度大大提高。式5可变为

(6)

令则有

(7)

式7为非线性方程,为了求解 ,需要应用数值分析的方法才能求解。晶闸管触发角 的控制范围是,因此=2的范围是 ,在此区间内取11个点,分别对应,每个的取值会分别对应。由此可得对应函数值。根据下式,根据式8,即k阶商的计算公式,求解各阶反差商。

(8)

由已求各阶反差商,根据下式构造有理差值函数R(k)。

(9)

然后利用有理插值法求出晶闸管的触发角后,由DSP根据同步信号,在相应的时间送出PWM波,经脉冲调制后送到脉冲变压器隔离,然后触发晶闸管 。

4实验结果

经调制后的触发脉冲及相应的电压波形如图9所示。实验结果表明,该脉冲能够较好地触发晶闸管。

图9晶闸管触发脉冲

TCR晶闸管被触发后,系统无功的变化情况如图10所示。

图10补偿前后系统无功变化

5结语

实验结果表明,在模拟远距离输电过程中,TCR挂件对线路的无功损耗损耗能够起到较好的补偿效果。此实验台为电力教学实验提供了一个较为完善的模拟平台,并为教学提供了一定的指导性,具有较高的教学使用价值。

注释:

粟时平,刘桂英.静止无功功率补偿技术[M].北京:中国电力出版社,2006.

王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1998.

谢小荣,姜齐荣.柔流输电系统的原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2006.

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