谐波抑制及无功补偿装置的研究与仿真.pdf

谐波抑制及无功补偿装置的研究与仿真 Research and Si m ulation of VAR Compensation and Harmonic Restrain Device 马霁曰文 湖北工业大学,湖北 武汉 430080 摘 要为了对电网有效实时监控,提出了基于数字信号处理器DSP的谐波抑制及无功补偿装置,介绍了装置的软 硬件设计,分析了信号处理中应该注意的整序和蝶形算法问题,从而减少快速傅立叶变换FFT带来的误差,以提高 系统的精度和准确度。 利用M atlab软件建立了该装置的投切仿真模型,实验结果表明,该模型可以有效地抑制电网 谐波提高功率因数。 关键词谐波抑制;无功补偿;蝶形算法;快速傅立叶变换;仿真 Abstract In order to monitor and controlpower system, this paper presents a VAR compensation and harmonic re2 strain device based on DSP.The software and hardware of the device are introduced. The essential technological problem s in signal processing like data rearrange and butterfly algorithm are analyzed, and then it could reduce the error brought by FFT and i mprove precision and accuracy of the power system. By usingM atlab, si mulationmodel is build for the sw itch of this device. The result show s that thismodel can restrain harmonic and raise power factor effectively. Keywords harmonic restrain; VAR compensation; butterfly algorithm; FFT; si mulation 中图分类号 TM 71413; TM 743 文献标识码 A 文章编号 10092530620060320015203 收稿日期 2006203223 作者简介马霁曰文1980 , 男,助教,主要从事控制理论与控制工程专业教学和科研工作。 发达国家50以上的电力负荷通过电力电子装 置供电,我国目前30左右的负荷经过各类功率变 换后供用户使用。随着人们节能意识及环保意识的 增强,此类负荷在我国将会迅速增加,由此带来的谐 波污染问题将会更加突出。因此,正确分析电网谐 波、 无功功率产生的根源和机理,进而采取有效措施 最大限度抑制其影响,以保证电网的安全、 经济运行 是非常重要的 〔1〕 。 谐波抑制和无功补偿装置以电网电流、 电压为 输入信号,采用光耦双向晶闸管作为开关,投切电力 电容器组,同时在晶闸管投切电容器TSC回路中采 用抑波电抗器,以有效吸收大部分谐波电流,减少谐 波电流返逆主变压器,从而达到无功补偿和谐波抑 制的目的。 它能有效改善用电负荷的功率因数,降低 线损和谐波含量,提高变压器的出力,具有显著的节 能效果。 1 系统软硬件设计 由图1可以看出,整个装置包括模拟量信号输 入、AD转换、 数字信号处理器DSP、 开关量输出模 块。利用DSP强大的数据处理能力采集、 检测电网 的实时电流、 电压信号,通过DSP内建的快速傅立 叶变换FFT算法将模拟信号离散化从而计算出电 网谐波电流和所需的无功功率,根据计算结果投入 或切除抑波电抗器、 电力电容器组以达到控制要求。 图1 系统框图 1. 1 数据采集与处理 为了充分利用DSP的硬件乘法器功能,利用 FFT算法对数据进行实时处理以分析功率因数和 51 第34卷 第3期总第184期 2006年6月 Jilin Electric Pow er 吉 林 电 力 Vol . 34 No. 3 Ser. No. 184 Jun. 2006 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 谐波情况。在进行FFT运算时,需要解决整序和蝶 形算法问题。 整序问题可以按码位倒置的原理实现, 这 是 进 行 蝶 形 算 法 的 先 决 条 件。 由 于 TM S320L F2407A芯片具有反序间接寻址功能,因 此将AD转换后的数值通过反序排列作为FFT的 输入序列,则输出为正序排列,由于采集信号为电压 量ut和电流量it , 均为实函数,且采用复数64点 FFT来实现,所以虚部置0,在数据区开辟128个存 储单元,对每路信号进行64点周期采样,那么FFT 基2算法的蝶形算法级数为M log264 6,则FFT 分6级进行运算,蝶形算法是FFT的关键,其运算规 则如图2所示。 图2 蝶形算法运算规则 其中P、Q是虚部为0的复数,P ′ 、Q ′ 为蝶形运算后 的数值,W为旋转因子,其值为W cos 2 ΠrN - jsin 2 ΠrN , r 0～N 2 - 1 。 通过对FFT算法6级运算的研究可以看出,第 1、2级W的实部和虚部的值为0或1,所以对第1、2 级的计算可以按基4算法来实现,以加快运算 速度 〔2〕 。 1. 2 硬件设计 a1 信号输入单元 三相电压、 电流信号经过信 号预处理,输入到DSP的AD转换通道采样,同时 引入一路正弦信号经比较电路输出,将正弦信号转 换成方波信号,通过DSP的定时器测出两个上升沿 之间的时间,从而得出电网信号的周期,再由预先设 定的采样点数计算出采样频率,以保证信号采样的 同步,消除非同步采样引起的频谱泄漏,保证测量精 度。在信号进入DSP处理之前,还必须通过信号调 理电路,该电路包括信号衰减和模拟抗混叠滤波器。 由互感器得到的电压、 电流信号线性衰减成DSP的 量程范围以内,再经抗混叠滤波器滤波,输入到DSP 的AD转换器中进行采样和模数转换,抗混叠滤波 器的作用是把电力系统的信号进行低通滤波,滤除 高频分量,使输入DSP进行处理的信号是满足奈奎 斯特采样定律fs≥2fh要求的信号,消除混叠现 象,提高FFT的运算精度 〔3〕 。 b1 控制单元 DSP在一个工频周期内等间隔 地采集64点电压、 电流数据后,经DSP处理计算出 电网电压、 电流、 功率因数、 无功功率、 电压、1～32 次谐波电流等参数值,存储并送至显示单元,控制器 不断监测电网负荷参数,根据预设的参数值,形成投 切信号,由执行单元完成电力电容器和抑波电抗器 的正确投切。 c1 执行单元 由于传统机械触头动作速度与 工频电压、 电流的变化速度不匹配,在投切过程中因 为电力电容器极性的存在产生涌流,难以实现无功 补偿的优化运行,而经常发生过补偿,装置中选用晶 闸管控制投切电力电容器,可以10 m s的速度将补 偿容量投入电网,并严格控制在各相电压最高点时 合闸,避免涌流冲击。 晶闸管的触发脉冲由专门的触 发电路提供,严格保证相序正确,设有触发延时可调 控制,从而具备循环投切功能。 1. 3 软件设计 在T I公司的CCS3. 1平台上完成软件开发,应 用程序采用功能块结构,由主程序、 中断服务程序、 运算程序、 循环投切程序、 显示程序等功能块组成。 主程序完成堆栈设置,初始化设置,定时设置,工作 方式设置,调用子程序等功能。 中断服务程序完成信 号采集,同步功能。 运算程序完成对每次采集数据的 分析,然后和标准值进行比较以确定当前电网的运 行状况,从而给出投切信号。 循环投切程序根据运算 结果所给的投切标志,控制晶闸管回路自动投切电 容器组,程序内设有投切记忆单元,当一组电容器投 入切除后,按先投切先切投的原则找出下一 组电容器的投切序号。 考虑到各种误差因数,设置投 入裕度,每次投入电容器时,留有一定的裕度以防止 过补偿而造成频繁投切动作。 2 仿真模型设计 2. 1 仿真装置主电路 谐波抑制和无功补偿装置是一个复杂的非线性 控制装置,对它进行单纯的理论分析是比较困难的, 所以在现场调试前有必要对装置进行仿真实验。仿 真工作可以验证控制装置结构的正确性,加深对其 控制规律的认识和理解。一些重要控制参数的仿真 结果对现场装置参数选择具有一定的参考作用,所 以,在实际装置制作前有必要对整个装置的投切性 能仿真。装置仿真是在MA TLAB7. 0Si mulink 6. 0 环境下完成的。通过各模块的建立、 连接、 参数调试 完成装置仿真,具体连接框图如图3所示。 图3中模型由电源模块、 变压器模块、 整流模 61 第34卷 第3期总第184期 2006年6月 Jilin Electric Pow er 吉 林 电 力 Vol . 34 No. 3 Ser. No. 184 Jun. 2006 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图3 仿真主电路框图 块、 负荷模块、 补偿模块以及各信号检测模块构成, 模型中的整流模块和负荷模块共同组成谐波源,向 系统注入谐波和感性无功功率,模型中共设置了4 组投切单元, 1组纯电容无功补偿单元用于补偿电 力系统中的感性无功功率,容量为15 kvar, 3组二阶 阻尼滤波无功补偿单元用于抑制谐波并补偿无功功 率,调谐频率和容量分别为 150 Hz50 kvar、 250 Hz15 kvar、550 Hz25 kvar。具体计算公式 见参考文献〔4〕 第5章所述。 由于本装置要抑制电力系统中的高次谐波并且 补偿感性无功功率,所以对系统中谐波含量和实时 功率的准确测量尤为重要,谐波测量从电源POW2 ERL I B模块组中选取 “POW ERGU I” 模块,利用其 提供的FFT分析工具对电力系统谐波进行分析,为 了能够对系统的谐波信号进行采样,本装置在变压 器低压侧提取了U相电压由scope2示波器显示,并 将电压信号重命名为FFT保存在MA TLAB的 workspace中,存储格式为Structure w ith ti me,如 图4、5在FFT分析工具中首先将Structure一项添 入FFT信号,再设定起始时间、 循环次数、 基波频 率、 最大采样频率,待仿真周期结束后,在 “Frequen2 cy axis” 中 选 择“Harmonic order”,在“D isplay style” 中选择 “L istrelative to Fund or DC , 单击 D isplay键,框图左上方显示U相电压波形,右下方 则以列表的形式显示采样时间、 每周期采样点数、 基 波峰值有效值、 总谐波畸变率THD以及各次谐波 含量。系统实时功率的测量可选用 “ExtrasM ea2 surements” 模块组中的 “A ctive 同时对某10 kV配电网经消弧线 圈接地系统进行的仿真试验结果表明该接地变压 器模型满足系统正常运行时正负序阻抗高、 单相接 地故障时零序阻抗小的电磁特性;该模型应用方便, 为正确建立小电流接地系统仿真模型奠定了基础。 参考文献 〔1〕 戴靖波.浅析中性点经小电阻接地电网中Z形接地变 压器〔J〕.变压器, 2005, 422 1821. 〔2〕 李广凯,李庚银.电力系统仿真软件综述〔J〕.电气电 子教学学报, 2005, 273 6165. 〔3〕 林良真,叶 林.电磁暂态分析软件包PSCADEM T2 DC〔J〕.电网技术, 2000, 241 6566. 〔4〕 韩 挺,胡德飞. 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