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基于DSP的简单、经济、实用的无功补偿器设计

时间:07-24 来源:互联网 点击:
1 引言

大型并网型风力发电机一般采用异步发电机。异步发电机在向电网输出有功功率的同时,还必须从电网中吸收感性的无功功率,加重了电网无功功率负担。异步发电机抽取的感性无功功率主要为了满足励磁电流的需要,另一方面,也满足转子漏磁的需要。单就前一项来说,一般大中型异步电极,励磁电流约为其额定电流 20%~25%,如此大的无功吸取如果不经过补偿直接并网,就会表现出功率因数(PF)较低,不仅对电网形成污染,而且防碍有功功率的输出,还会造成线损增加,送电距离远的末端用户电压降低,电网稳定性降低等问题。进行无功补偿,提高功率因素,对提高设备利用率、提高输电效率及改善电网质量,具有重要的实际意义。目前调节无功的装置主要有调相机、有源静止无功补偿器、并联补偿电容器等。相对来说前两种装置价格较高,结构、控制比较复杂。目前一般采用了并联电容器对无功进行补偿,这种静止补偿器具有结构简单、经济、控制和维护方便、运行可靠等优点。通过并联电容器的补偿后,异步发电机向电网提供有功的同时,所要吸取的无功电流就由电容器提供,从而大大减轻了电网的无功负担。

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 无功补偿控制器的基本工作原理
  
要取得无功补偿的最佳效果,就必须准确地测量出有功功率和无功功率。当前测量有功功率和无功功率的方法很多,本文将采用傅立叶算法,它是测量有功功率和无功功率的最为精确和有效的算法,但其计算量较大,单片机系统的计算速度远不能满足要求,而DSP的应用则解决了计算量大的问题。可以对电网参量进行实时的检测和处理,从而达到无功补偿的最佳效果。

2.1 无功功率的测量
  
本控制器采用一种基于对A/D转换后的采样序列经傅立叶变换从干扰的输入信号中对基波电压(电流)复数振幅的实部和虚部进行计算,并利用它们来实现对有功功率和无功功率的测量。假设无噪声的输入信号是频率为ω的正弦波电压。



式中:φ—初相位;ψ—电压相角变化;A—幅值

u(t)可用矢量U的虚部表示。



对u(t)信号每周采样N次产生采样序列{uk}





式中:T0/N—采样间隔。

对{uk}进行离散傅立叶变换得到基波分量的频谱系数u1(k):


对正弦输入信号可证明:



u1(k)是输入信号的基波频谱系数,由式(1)、(2)、和(3)可得出u(k)与Um的关系。



可见u1(k)与Um都是表示基波分量的复数振幅,uR和uI分别为复数振幅的实部和虚部。

利用输入信号基波电压(电流)复数振幅的实部和虚部可以求得交流电压U、交流电流I、有功功率P和无功功率Q的有效值,为此先将复数振幅的实部和虚部变成有效值,假设输入电压复数振幅的实部和虚部有效值用UR和UI表示,由式(3)不难求出输入电压的有效值为:



式中:IR,II—输入电流复数振幅的实部和虚部的有效值。

对于三相三线电网,为减少测量和计算,可先假定一参考点,如C相,在这种情况下,可仅同时测量两线电压和两相电流UAC,



用它们计算出两个等效的有功功率和无功功率,最后将有功功率和无功功率相加得总的有功功率和无功功率。即:



2.2 测量数据的采集
  
交流电参量的测量方法主要分为两大类:模拟电路测量方法和采样计算式测量方法。其中模拟电路测量方法准确度高,稳定性好,但不太适用于多参数测量。采样计算式测量方法比较适用于多参数测量,尤其随着计算机和电子技术的飞速发展,高性能微处理器和A/D转换器,给采样计算式测量方法,提供了有力的硬件支持。目前采样计算式测量实现了同步采样法,准同步采样法等。

软件同步采样法是首先测出被测信号的周期T,则用该周期除以一周期内采样点数N,得采样间隔并确定定时器的技术值,用定时器中断方式实现同步采样。软件同步采样省去了硬件电路锁相环节,结构简单,避免了锁相环设计调试的复杂和失锁现象。但由于信号的频率是在一定范围内变化,对其周期T不能准确测量,按不准确的周期T计算的采样间隔进行N次采样后,不能与实际信号的周期同步,即存在同步误差,为减小同步误差,提高测量精度,后采用自适应调整采样间隔的方法。

快速傅立叶变换要求将一个采样周期均分成N等分。不满足这个条件会给变换后的结果带来较大的误差。因此在傅立叶变换中根据频率的变化,采用自适应变步长可取得较高的精度。

2.3 频率的测量

利用DSP芯片自带的捕获功能。捕获功能是指当捕获引脚出现指定电平时,DSP能捕获指定定时器的读数。因此将跟踪频率的方波信号作为捕获引脚的输入信号,令连续两次捕获信号在定时器上的读数之差为N,DSP定时

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