DSP与FPGA协同控制的动态无功补偿控制器的研究与设计

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无功功率是很多电力设备以及工业、生活电子装置正常工作所必须的。由发电机长距离传输无功功率会导致损耗的增加、供电电压质量及功率因数下降,在倡导节能减排的今天,这是不合理、不经济的。目前供电所大多都装有无功补偿装置,只能补偿前面输电线路的无功功率。但是工厂和居民小区用户数量非常多,所需无功功率的需求量也相当大,对供电质量要求也很高,如果不能及时补偿也会造成很大的电能损耗和电压质量的下降,有些低功率因数工厂用户还面临罚款。而无功补偿装置的核心是控制器,因此本文设计了低压动态无功功率补偿控制器。本文设计的动态无功功率补偿控制器,控制对象是TSC型的SVC装置。控制器硬件方面,自主设计了全新的电压电流采样电路。FPGA在纯硬件逻辑、灵活的重构性、并行运行等方面的拥有很多优点。为了减轻DSP负担,提高系统的速度,把DSP从既耗时工作量又大的乘法和除法运算中解放出来,本文采用自顶向下模块化的设计方法,在FPGA中设计了浮点乘法运算单元和浮点除法运算单元。DSP只负责简单的加减法运算和统筹协调整个系统的工作,比如显示、A/D转换、按键扫描、控制输出、通信等。4组4位数码管实时显示电压、电流、无功功率、有功功率、以及功率因数的值。输出端采用光电隔离措施控制复合开关投切电容器。软件方面,相对于传统的FFT算法或者检测电压与电流相位差求出功率因数,再控制电感和投切电容的方法,本文采用矢量瞬时无功功率算法直接求得控制对象——无功功率。本文根据采集不同的参数,推导了两种瞬时无功功率算法。硬件电路采集到所需参数后,用瞬时无功功率算法就能立即求出电网上的无功功率,然后经过九区控制策略实时动态投切电容器组补偿无功功率。本文提出无功功率补偿容量权值概念,使用该控制器的多套设备能同时并网运行,可以手动设置每套设备的补偿权值,提高了无功补偿装置的兼容性和灵活性。通过SIMULINK搭建本文系统仿真模型,设置变动的感性负载,根据仿真结果分析,无功功率能瞬时准确被检测出来并被动态补偿,功率因数的提高也表明达到了期望的要求。
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