基于DSP的智能低壓動態無功補償裝置研究

周國坤

【摘 要】針對傳統靜態無功補償控制器控制精度不高、響應時間長、功率因數低等問題，本文提出了以TMS320LF2407為主控制器的智能低壓動態無功補償裝置，介紹了動態無功補償的基本原理、無功補償的控制電路以及主控制器的主要特性，并提出設計思路和創新點。該裝置在實際的測試中，能有效地提高控制精度，縮短系統響應時間，提高功率因數。

【關鍵詞】無功補償；TMS320LF2407；控制特性；功率因數

0 引言

在交流供電電網中，功率分為有功功率、無功功率和視在功率[1]。其中，有功功率為一個周期內的瞬時功率的平均值，即P有=∫P瞬dt/T，瞬時功率為電流瞬時值i和電壓瞬時值u的乘積，即P瞬=iu，其中，電流瞬時值為i=√2Isin（ω1t-φ），電壓瞬時值為u=√2Usinω1t。無功功率為供電電路里能量交換過程中瞬時消耗功率的振幅值，即P無=UIsinφ，其中，U為電壓有效值，I為電流有效值，φ為電流滯后電壓相位角。視在功率為有功功率與相位角φ的余弦值的比值[2-3]，或者定義為供電電網端口處電壓有效值和電流有效值的乘積，即S=P有/cosφ或者S=UI。由此可見，當有功功率P有一定時，提高功率因數cosφ勢必會導致視在功率S的減小，由于P總=P有+P無+S中消耗總功率不變，因此，視在功率S的減小又勢必導致無功功率P無的增加，這就意味著供電電網要承受更多的無功損耗，大量的無功損耗勢必會導致電網負荷加重、電路投資加大、電子設備利用率降低等問題。因此適當增加用電設備的有功功率，降低用電設備和輸電線路的無功功率損耗，可以提高電網功率因數，增加供電電網效率和可靠性。

1 動態無功補償控制電路設計

傳統的靜態無功補償控制器存在無功補償慢、浪涌電流大、設備維護費用高和電容器投切反應時間長等問題[4-5]，其無功補償效率低，設備利用率低，且很容易造成投切電容的過流損壞。采用動態無功補償方式可以有效地防止上述現象的發生。本文采用以TMS320LF2407為核心控制器的智能低壓動態無功補償裝置，配以檢測模塊、A/D轉換模塊和電容器投切模塊等外圍電路，輔之以AT89C51單片機為控制器的顯示模塊，構成以TMS320LF2407為核心控制器，AT89C51單片機為輔助控制單元的雙控電路結構。

1.1 TMS320LF2407核心控制器

TMS320LF2407核心控制器采用TI公司生產的DSP芯片[6]，其具有全自動智能投切功能、U盤讀取CDMA通訊功能、友好的人機交流界面和精確的控制單元等，可以實現無浪涌投切，在外圍檢測電路的配合下還可以與上位機時刻保持通訊，以便及時獲取控制動態和相關參數。

1.2 外圍電路

檢測模塊采用電流傳感器和電壓傳感器，用于檢測補償電路中負載的電流和電壓，然后將檢測到的電信號傳輸至A/D轉換器，在A/D轉換器中經信號整形后轉換為PWM數字方波信號，然后再輸送給TMS320LF2407核心控制器，經過邏輯判斷和數據分析之后，控制器發出控制指令，控制電容器投切電路中IGBT開關管的導通時刻和關斷時刻，從而可以快速準確地進行動態無功補償。在電容器投切模塊中，電壓、電流信號經過信號整形、同步周期測量、相位測量等計算后，把所得數據送入TMS320LF2407核心控制器中進行邏輯分析、判斷，并得出被測電路的功率因數。這種設計既簡化了功率因數測量電路的結構，又增強了檢測的準確性和快速性。

顯示模塊采用以AT89C51單片機為控制器、1602A雙排液晶為顯示器的顯示電路，上排顯示檢測到的負載電壓值，下排顯示檢測到的負載電流值。液晶顯示采用總線方式，利用51單片機的讀寫外部RAM功能，將1602A液晶顯示器掛在單片機總線上，使其統一按類似讀寫外部RAM功能的指令方法操作。

目前，國內生產的低壓動態無功補償控制器一般采用單變量控制（按電壓變量、功率因數變量和無功功率變量三種控制方式）、復合變量控制（功率因數和電壓復合、電壓和無功量復合兩種控制方式）、人工智能控制（模糊控制、遺傳算法和專家系統等人工智能控制方式）三種控制方式，根據不同的外圍電路和控制精度要求，采用不同的控制策略，目前人工智能控制方式雖然控制程序復雜、研究成本較高，但是其正在成為現代社會改善低壓動態無功補償控制器的研究方向。本文采用按功率因數變量控制的單變量控制方式。

2 設計思路與創新點

本文是以TMS320LF2407為主控制器的智能低壓動態無功補償裝置，主要設計思路與創新點如下：

（1）在分析有功功率、無功功率和視在功率的基礎上，提出出本文的目的是通過提高電網功率因數來增加電網利用率和可靠性，并通過介紹靜止無功補償控制器的缺點，來突出動態無功補償的重要性。

（2）針對低壓電網的特點，采用基于IGBT開關器件的電容器投切電路和PWM方波控制方式，并且利用最簡單的系統結構獲得最大的無功補償效果。

（3）主控制器采用TMS320LF2407高性能控制芯片，能夠全面提升電路的控制精度，縮減電容器投切時間，增加系統穩定性和可靠性。

3 結語

基于TMS320LF2407主控制器的智能低壓動態無功補償裝置，是針對傳統靜態無功補償控制器控制精度不高、響應時間長、功率因數低等問題而設計的。在供電電網現場測試中的結果表明，其不僅可以大幅提高控制精度、縮短系統響應時間，而且可以提高電網利用率，增加系統穩定性和可靠性。以TMS320LF2407芯片為核心控制器的補償電路和以AT89C51單片機為控制器的顯示電路完美地配合，保證了無功補償裝置的穩定運行，檢測模塊、A/D轉換模塊和電容器投切模塊等外圍電路，在測試過程中配合良好。本設計適合在供電電網中廣泛地推廣運用。

【參考文獻】

[1]邱軍，王楚迪.電力系統無功功率補償技術發展研究[J].電氣開關，2015，01：49-53.

[2]梁青華.配電網中基于DSP的動態無功補償裝置研究[J].電子技術與軟件工程，2015，05：132.

[3]劉雄軍.關于一種新型動態無功補償裝置應用的研究與探討[J].科園月刊，2008（6）.

[4]高長偉，王華梁，律德財，鄭偉強.高可靠性智能低壓無功補償裝置設計[J].電器與能效管理技術，2015，03：27-30+34.

[5]姚志坤.低壓無功補償新技術的應用[J].黑龍江科技信息，2009（20）.

[6]項遙翔.低壓電動機無功補償方式分析[J].黑龍江科技信息，2010（29）.

[責任編輯：朱麗娜]