基于DSP的智能低压动态无功补偿装置研究

周国坤

【摘 要】针对传统静态无功补偿控制器控制精度不高、响应时间长、功率因数低等问题，本文提出了以TMS320LF2407为主控制器的智能低压动态无功补偿装置，介绍了动态无功补偿的基本原理、无功补偿的控制电路以及主控制器的主要特性，并提出设计思路和创新点。该装置在实际的测试中，能有效地提高控制精度，缩短系统响应时间，提高功率因数。

【关键词】无功补偿；TMS320LF2407；控制特性；功率因数

0 引言

在交流供电电网中，功率分为有功功率、无功功率和视在功率[1]。其中，有功功率为一个周期内的瞬时功率的平均值，即P有=∫P瞬dt/T，瞬时功率为电流瞬时值i和电压瞬时值u的乘积，即P瞬=iu，其中，电流瞬时值为i=√2Isin（ω1t-φ），电压瞬时值为u=√2Usinω1t。无功功率为供电电路里能量交换过程中瞬时消耗功率的振幅值，即P无=UIsinφ，其中，U为电压有效值，I为电流有效值，φ为电流滞后电压相位角。视在功率为有功功率与相位角φ的余弦值的比值[2-3]，或者定义为供电电网端口处电压有效值和电流有效值的乘积，即S=P有/cosφ或者S=UI。由此可见，当有功功率P有一定时，提高功率因数cosφ势必会导致视在功率S的减小，由于P总=P有+P无+S中消耗总功率不变，因此，视在功率S的减小又势必导致无功功率P无的增加，这就意味着供电电网要承受更多的无功损耗，大量的无功损耗势必会导致电网负荷加重、电路投资加大、电子设备利用率降低等问题。因此适当增加用电设备的有功功率，降低用电设备和输电线路的无功功率损耗，可以提高电网功率因数，增加供电电网效率和可靠性。

1 动态无功补偿控制电路设计

传统的静态无功补偿控制器存在无功补偿慢、浪涌电流大、设备维护费用高和电容器投切反应时间长等问题[4-5]，其无功补偿效率低，设备利用率低，且很容易造成投切电容的过流损坏。采用动态无功补偿方式可以有效地防止上述现象的发生。本文采用以TMS320LF2407为核心控制器的智能低压动态无功补偿装置，配以检测模块、A/D转换模块和电容器投切模块等外围电路，辅之以AT89C51单片机为控制器的显示模块，构成以TMS320LF2407为核心控制器，AT89C51单片机为辅助控制单元的双控电路结构。

1.1 TMS320LF2407核心控制器

TMS320LF2407核心控制器采用TI公司生产的DSP芯片[6]，其具有全自动智能投切功能、U盘读取CDMA通讯功能、友好的人机交流界面和精确的控制单元等，可以实现无浪涌投切，在外围检测电路的配合下还可以与上位机时刻保持通讯，以便及时获取控制动态和相关参数。

1.2 外围电路

检测模块采用电流传感器和电压传感器，用于检测补偿电路中负载的电流和电压，然后将检测到的电信号传输至A/D转换器，在A/D转换器中经信号整形后转换为PWM数字方波信号，然后再输送给TMS320LF2407核心控制器，经过逻辑判断和数据分析之后，控制器发出控制指令，控制电容器投切电路中IGBT开关管的导通时刻和关断时刻，从而可以快速准确地进行动态无功补偿。在电容器投切模块中，电压、电流信号经过信号整形、同步周期测量、相位测量等计算后，把所得数据送入TMS320LF2407核心控制器中进行逻辑分析、判断，并得出被测电路的功率因数。这种设计既简化了功率因数测量电路的结构，又增强了检测的准确性和快速性。

显示模块采用以AT89C51单片机为控制器、1602A双排液晶为显示器的显示电路，上排显示检测到的负载电压值，下排显示检测到的负载电流值。液晶显示采用总线方式，利用51单片机的读写外部RAM功能，将1602A液晶显示器挂在单片机总线上，使其统一按类似读写外部RAM功能的指令方法操作。

目前，国内生产的低压动态无功补偿控制器一般采用单变量控制（按电压变量、功率因数变量和无功功率变量三种控制方式）、复合变量控制（功率因数和电压复合、电压和无功量复合两种控制方式）、人工智能控制（模糊控制、遗传算法和专家系统等人工智能控制方式）三种控制方式，根据不同的外围电路和控制精度要求，采用不同的控制策略，目前人工智能控制方式虽然控制程序复杂、研究成本较高，但是其正在成为现代社會改善低压动态无功补偿控制器的研究方向。本文采用按功率因数变量控制的单变量控制方式。

2 设计思路与创新点

本文是以TMS320LF2407为主控制器的智能低压动态无功补偿装置，主要设计思路与创新点如下：

（1）在分析有功功率、无功功率和视在功率的基础上，提出出本文的目的是通过提高电网功率因数来增加电网利用率和可靠性，并通过介绍静止无功补偿控制器的缺点，来突出动态无功补偿的重要性。

（2）针对低压电网的特点，采用基于IGBT开关器件的电容器投切电路和PWM方波控制方式，并且利用最简单的系统结构获得最大的无功补偿效果。

（3）主控制器采用TMS320LF2407高性能控制芯片，能够全面提升电路的控制精度，缩减电容器投切时间，增加系统稳定性和可靠性。

3 结语

基于TMS320LF2407主控制器的智能低压动态无功补偿装置，是针对传统静态无功补偿控制器控制精度不高、响应时间长、功率因数低等问题而设计的。在供电电网现场测试中的结果表明，其不仅可以大幅提高控制精度、缩短系统响应时间，而且可以提高电网利用率，增加系统稳定性和可靠性。以TMS320LF2407芯片为核心控制器的补偿电路和以AT89C51单片机为控制器的显示电路完美地配合，保证了无功补偿装置的稳定运行，检测模块、A/D转换模块和电容器投切模块等外围电路，在测试过程中配合良好。本设计适合在供电电网中广泛地推广运用。

【参考文献】

[1]邱军，王楚迪.电力系统无功功率补偿技术发展研究[J].电气开关，2015，01：49-53.

[2]梁青华.配电网中基于DSP的动态无功补偿装置研究[J].电子技术与软件工程，2015，05：132.

[3]刘雄军.关于一种新型动态无功补偿装置应用的研究与探讨[J].科园月刊，2008（6）.

[4]高长伟，王华梁，律德财，郑伟强.高可靠性智能低压无功补偿装置设计[J].电器与能效管理技术，2015，03：27-30+34.

[5]姚志坤.低压无功补偿新技术的应用[J].黑龙江科技信息，2009（20）.

[6]项遥翔.低压电动机无功补偿方式分析[J].黑龙江科技信息，2010（29）.

[责任编辑：朱丽娜]