一种基于DSP和FPGA的静止无功补偿控制器的制作方法

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于DSP和FPGA的静止无功补偿控制器的设计。

背景技术：

配电系统位于电力系统的终端，是电力系统中与分散的用户直接相连的部分，同时也是对人类社会生活变化最为敏感的部分；近年来，配电网中整流器、电弧炉、变频调速装置、电气化铁路等负荷快速增长，大多数电力电子装置功率因数较低，给电网带来额外负担，使电能质量下降，影响电网及用户设备安全和经济运行。

静止无功补偿器作为柔性交流输电系统的重要成员之一，能快速、实时地对电网进行无功补偿，凭借其优良的调节性能和较强的补偿能力成为现今无功补偿装置的研究热点；在电力系统的适当位置安装静止无功补偿器能有效改善电网中由于大量冲击性负荷的投入带来的电能质量下降的现象，例如提高功率因数、克服三相不平衡、消除电压闪变和电压波动、抑止谐波污染等等；采用低压配电系统的静止无功补偿器，立足于小功率场合进行无功补偿，负载需要无功直接由就近的静止无功补偿器装置提供，这样就避免了无功通过远距离电网传输给配电系统造成的一系列向题，而且补偿性能高，可以很好的满足无功负荷的需求，可见低压中小容量静止无功补偿器装置在我国将具有很广阔的应用前景。

控制器是静止无功补偿器的核心部件之一，它通过产生并控制驱动开关器件的脉冲来控制静止无功补偿器的各种行为，完成静止无功补偿器装置的控制任务，设计良好的控制器，选用合适的控制策略是静止无功补偿器补偿效果好坏的决定性因素； 由于静止无功补偿器控制环节计算量大，流程复杂，精度要求高，传统的以单片机作为控制核心的控制器由于受硬件资源与速度的限制，采样精度不高，每周波的采样点少，只能选择计算量小的算法，结果限制了测量的精度，已无法实现对电网的实时动态无功补偿，而采用高性能DSP和FPGA为控制核心的控制器，利用其快速强大的运算和处理能力以及并行运行的能力，不但可以满足装置的实时性和处理算法的复杂性等更高的要求，而且具有运算速度快、精度高、扩展性好等优点，也就意味着可以在DSP和FPGA中实现更加高级复杂的算法来实现控制，包括神经元控制、卡尔曼滤波、自适应控制、模糊控制等，很大程度上提高了系统的反应速度以及控制的精确度，DSP和FPGA控制器以其结构紧凑，使用方便，性能可靠，功能强，价格低廉等优点得到了众多使用者的偏爱。

一般的静止无功补偿器控制系统的反应速度较慢，控制精度有限，无法满足实际需求，本发明基于DSP和FPGA芯片对脉冲输出实现了数字化控制，减小了对外围器件的依赖，降低了成本，应用范围广泛，在静止无功补偿器的控制中有着良好的发展前景。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种基于DSP和FPGA的静止无功补偿控制器，解决当前静止同步补偿器控制中能耗大，控制技术落后，系统反应速度慢与效率低的问题。

本发明的技术方案是，一种基于DSP和FPGA的静止无功补偿控制器，包括搭载DSP2812和EP3C120F780芯片的控制板，互感器，TCR脉冲发生板，TSC过零触发板，晶闸管端电压测量模块，TCR和TSC，上位机；DSP2812和EP3C120F780芯片将互感器采集的数据进行模数转换，得到控制所需要的数据，通过计算后输出TCR的控制角信号，TCR脉冲发生板根据控制角信号及同步电压的输入发出经过移相的高频脉冲，控制TCR主电路里晶闸管的导通角度，TSC过零触发板则根据控制板输出的投切指令，在合适的时刻产生高频脉冲，触发TSC主电路里的晶闸管，测量数据均通过控制板上的通讯模块上传到上位机进行监测。

所述静止无功补偿器采用TSC+TCR 联合补偿系统，其基本工作原理为，按所需的无功补偿值，投入适当组数的电容器组（N组TSC电路），并略有一点正偏差（即过补偿），此时再用晶闸管相控电抗器（TCR）的感性无功功率来抵消这部分过补偿的容性无功功率。

所述静止无功补偿控制器采用TI公司生产的数字信号处理器TMS320F2812和Altera公司生产的EP3C120F780作为控制核心。

所述控制器产生的TCR调相脉冲和TSC投切脉冲均采用电光触发方式，数据A/D采集、计算由DSP完成，脉冲输出由FPGA完成。

所述互感器均采用高性能霍尔元件，主要包括对负载三相电流，TCR输出三相补偿电流，系统三相电压9个信号的测量。

所述控制板上同时具备UART232与RS485两种通讯模块，便于与上位机通讯，组网通讯，增强可扩展性；选用芯片MAX485构成RS485通讯模块实现DSP与上位机的通信。

所述主控计算机和DSP之间通过CAN总线来传递数据，外围电路中设计了CAN总线收发芯片SN65H，实现DSP与CAN总线的通信功能。

与现有技术相比，本发明的创新与益处在于，一般的静止同步补偿器控制反应速度慢，控制精度有限，本发明充分结合DSP和FPGA芯片的优点，节省了芯片占用资源，可很大程度提高系统的运行效率与速度控制精度；将软件算法与DSP和FPGA芯片结合，所设计的程序兼容性好，硬件系统减小了对外围器件的依赖，成本低，应用范围广。

附图说明

图1是本发明所述一种基于DSP和FPGA的静止无功补偿控制器的硬件总体结构框图。

图2是本发明所述一种基于DSP和FPGA的静止无功补偿控制器软件部分中系统主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1所示为本发明所述一种基于DSP的静止同步补偿器的控制装置的硬件总体结构框图，主要包括搭载DSP2812和EP3C120F780芯片的控制板，互感器，TCR脉冲发生板，TSC过零触发板，晶闸管端电压测量模块，TCR，TSC，上位机；DSP2812和EP3C120F780芯片将互感器采集的数据进行模数转换，得到控制所需要的数据，通过计算后输出TCR的控制角信号，TCR脉冲发生板根据控制角信号及同步电压的输入发出经过移相的高频脉冲，控制TCR主电路里晶闸管的导通角度，TSC过零触发板则根据控制板输出的投切指令，在合适的时刻产生高频脉冲，触发TSC主电路里的晶闸管，测量数据均通过控制板上的通讯模块上传到上位机进行监测。

所述静止无功补偿器采用TSC+TCR 联合补偿系统，其基本工作原理为，按所需的无功补偿值，投入适当组数的电容器组（N组TSC电路），并略有一点正偏差（即过补偿），此时再用晶闸管相控电抗器（TCR）的感性无功功率来抵消这部分过补偿的容性无功功率。

所述静止无功补偿控制器采用TI公司生产的数字信号处理器TMS320F2812和Altera公司生产的EP3C120F780作为控制核心。

所述控制器产生的TCR调相脉冲和TSC投切脉冲均采用电光触发方式，数据A/D采集、计算由DSP完成，脉冲输出由FPGA完成。

所述互感器均采用高性能霍尔元件，主要包括对负载三相电流，TCR输出三相补偿电流，系统三相电压9个信号的测量。

所述控制板上同时具备UART232与RS485两种通讯模块，便于与上位机通讯，组网通讯，增强可扩展性；选用芯片MAX485构成RS485通讯模块实现DSP与上位机的通信。

所述主控计算机和DSP之间通过CAN总线来传递数据，外围电路中设计了CAN总线收发芯片SN65H，实现DSP与CAN总线的通信功能。

图2所示为本发明所述一种基于DSP和FPGA的静止无功补偿控制器软件部分中系统主程序流程图。软件功能主要有电能质量参数的实时测量，电能质量数据分析，与控制中心进行数据通讯，上传电网波形数据和所测参数计算结果等，软件设计采用模块化设计方法，针对本系统对电网数据实时采集分析计算，做到在线监测的目的，在软件设计上遵循实时性和快速性的原则。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。