CN202488142U - 磁控电抗器控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁控电抗器控制器，它包括控制器模块，所述控制器模块为DSP+ARM架构，所述DSP与ARM通过双口RAM连接，控制器模块与模拟量模块(1)和电信号输出单元分别连接；所述模拟量模块包括AD芯片，所述AD芯片与外部电网上设有的电压采集装置连接，所述控制器模块还与上位机通讯，所述控制器模块、电信号输出单元分别与电源处理模块连接；所述电信号输出单元与磁控电抗器中的脉冲变压器连接。本实用新型的有益效果：能够快速准确检测电网的无功和电压参数；能够自动检测并适应变电站运行状态(并列、分列、解列)；能够根据控制目标(无功或电压)，采取相应的控制策略，进行准确控制。

Description

磁控电抗器控制器

技术领域

本实用新型涉及一种电抗器控制器，尤其涉及一种磁控电抗器控制器。

背景技术

随着我国国民经济的发展，电力的需求越来越大，负载的产生的无功污染也越来越大。我国幅员辽阔，能源分布不均，“西电东送，南北互供”是我国电力系统发展的基本国策[5]。这决定了我国电力系统输电网庞大，存在大量的远距离输电线路。在大电网的条件下，如何将电能从发电厂安全高效地输送到配电系统所在的负荷中心，如何为用户提供高质量的电能，如何有效减小无功对电网的污染，保证电网的安全高效运行成为电气工程领域最为重要的研究课题之一。

电网中存在大量的异步电动机、变压器、电力电子装置，这些设备要消耗大量的无功功率。这些无功功率如果不能及时地得到补偿，会对电网的效率、安全、稳定产生不利影响。于是无功补偿理论的研究和高性能无功补偿设备的研发生产就提上了日程。

无功补偿的理念涉及到来自系统和用户的各方面问题，尤其是与电能质量有关的问题，因为大多数的电能质量问题都可以通过对无功功率进行适当控制而得到缓解或彻底解决。通常，无功补偿的问题可以从两个方面考虑：负载补偿和电压支撑。负载补偿的目的就是要提高系统功率因数，从而平衡交流供电系统产生的有功功率，并消除大功率变化非线性负荷产生的谐波。电压支撑的目标就是要减小传输线路末端的电压波动。输电系统的无功补偿是通过提高有功功率的最大传输能力来提高交流系统稳定性，并有利于保持各级电力系统的电压稳定。它能改善高压直流输电转换终端性能，提高传输效率，控制稳态和暂态过电压，避免系统崩溃。

串联和并联无功补偿通常用来改善交流电力系统的固有电气特性。串联补偿改变的是输电系统或配电系统的参数，而并联补偿改变的是负载的等效阻抗。二者都可以对系统的无功潮流进行有效控制，从而提高整个交流电力系统的性能。

无功补偿的分类和发展

在无功补偿发展的早期，同步调相机在电压稳定和无功控制方面扮演了一个主要角色。从原理角度来讲，同步调相机就是与电力系统相连的同步电机。调相机运行后，能够产生或吸收交流电路需要的无功功率。通过适当的自动励磁电路，调相机能提供连续的无功功率。同步调相机通常以提高系统稳定性为目的，用在分布系统和传输线路，在负载变化的情况下，保持电压在允许的范围内变化。然而，同步调相机占用较大的空间，需要频繁启动和保护装置，而且它增加了短路电流，不能对快速变化的负荷进行补偿，损耗和成本比静止无功补偿器要大得多，它的优点仅是具有短时的高过载能力，现在已经很少使用。

1914年首次使用并联电容器来提高电网功率因数，并联电容器产生超前电流对负载产生的滞后电流进行补偿。并联电容器的选择需要考虑的因素较多，其中需要重点考虑的是负载产生的滞后无功大小。若负载发生变化，无功也会在较大的范围内波动，因此固定电容器组补偿往往会导致过补或欠补。可以通过开关投切电容器来改变无功补偿量，根据总的无功需求来投入或切除电容器组。控制的平滑度取决于投切电容器的组数。然而，依靠机械开关或接触器投切电容的方法响应时间长且不可靠，同时它们还会产生较大的冲击电流，需要经常维护。

静止无功补偿器(Static Var Compensator-SVC)是国外70年代发展起来一类快速无功调节装置，已成功地应用于电气化铁路、冶金、电力、采矿和高能加速器等负荷的补偿上。这类装置在调节的快速性、功能的多样性、工作的可靠性、投资和运行费用的经济性等方面比同步调相机具有明显的优势，能够获得较好的技术经济效益，因而在国内外取得了较快的发展。

主流的SVC主要有三类：晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor，简称TSC)，晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，简称TCR)，磁控电抗器(Magnetic valveControllable Reactor，简称MCR)。

TSC虽然只能分组投切电容器，不能连续调节无功功率，但是控制简单，成本较低，并且无谐波电流，适合在电网的低压负载端进行分散无功补偿。

TCR可以平滑调节容量且响应速度较快，在中压电力线路(6～35KV)的无功补偿上得到了大量应用。但是TCR是通过控制晶闸管触发相位角来直接控制电抗器输出电流，输出电流畸变非常严重，波形呈锯齿形，是一个很大的谐波源，必须和滤波电容器组(FilterCapacitor，简称FC)同时运行。TCR的大量使用，会造成电能质量的大幅度下降，并且给电网的安全运行带来新的威胁。此外，TCR系统中晶闸管和电抗器处于同一电压之下，限制了它在110kV及以上电压等级电网上的应用。

MCR是借助控制回路直流控制电流的激磁改变铁芯的磁饱和度(即工作点)，从而达到平滑调节无功输出的目的。MCR的结构形式有很多种，特性差别也较大。近年的研究表明，最有应用前景MCR类型为磁阀式和裂芯式两种。与TCR相比，MCR的控制晶闸管所承受的电压只有额定电压的2％左右，其电流也只要求额定的控制电流，主回路的电压电流将由电抗器部分承受。这可以使MCR应用于任何电压等级，避免了由晶闸管的电压与容量而带来的各种问题。而且MCR输出电流的谐波性能比TCR好，有利于电网的安全高效运行。MCR的制造简单，另外磁阀的设计使得MCR的效率得到了大幅度的提高，噪声大幅度降低。从经济性上考虑，MCR结构简单，价格便宜，占地面积小。基于上述的种种优点，在很多领域都有使用MCR替代TCR的趋势。

静止无功发生器(Static Var Generator，简称SVG)是一种现代电力电子无功补偿装置，SVG在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可[30]。SVG通过适当的控制，可使其发出无功功率，呈电容性，也可使其吸收无功功率，呈电感性。SVG是一种先进的现代补偿装置，若采用多重化或PWM控制技术，可以使其输出电流谐波成分较小并应用到中高电压等级，缺点是只能补偿无功电流，不能补偿谐波电流。

有源电力滤波器(Active Power Filter，简称APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。它可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度。对于APF，目前需要解决的是(1)核心器件的国产化；(2)降低成本；(3)解决高压应用可靠性问题。如果这些问题得到良好解决，APF将会成为提高电网质量的最佳选择之一。

SVC是当前各种无功补偿设备中应用最广泛、技术最成熟的无功补偿设备[31-33]。基于全控器件的无功补偿技术(SVG、APF)存在器件核心技术被外国公司垄断、成本高、高压应用技术不够成熟等缺点，在今后一段时间内在中高压领域将还不能取代SVC。

在目前主要的三种SVC(TCR、MCR和TSC)中，MCR在中高压无功补偿领域具有明显的技术和价格的优势，适合大规模推广使用。高性能的控制器能够使MCR的性能得到大幅度的提高，这使得设计和开发一套适合工业应用的高性能MCR控制器成为一件非常有意义的工作。

1.2国内外研究动态及存在问题

MCR在国外已有20多年的运行经验，有50多套35～500kV电压等级的MCR在俄罗斯、独联体国家和巴西的工程中应用。2005年俄罗斯已研制出500kV、180Mvar三相磁控电抗器[34-37]。由于认识到MCR在高压大功率领域的优势，欧洲许多国家也开始对MCR进行深入的研究。

在国内，于20世纪90年代初开展了这方面的研究，已成功地研究出了应用于配电网的磁阀式补偿装置和消弧线圈，并在多个电气化铁道牵引站中投运。高校也展开了这方面的研究，并获得了较大进展。生产厂家对超高压MCR和超高压高阻抗变压器式可控电抗器(Transformer Type Controlled Shunt Reactor，简称TCSR)进行了研究和试生产。

2006年4月，相关单位进行110千伏可控电抗器的开发与应用研究。2007年4月，研制出国内首台110千伏MCR，并通过了出厂试验及相关型式试验，6月，完成安装调试并投运成功。2006年由研制的500kV三相40Mvar的MCR样机(裂芯式)通过厂内试验，2007年4月运抵现场并试运行。

目前，国内大部分厂家研究生产的MCR控制器大都是以80C196为核心，存在着控制速度慢，采样精度不够高，人机界面不够友好等缺点，严重制约了MCR性能的发挥和产品的推广。此外由于MCR应用在国际上属于较新的技术，在国内尚属理论阶段或试运行阶段，尚未大范围深入展开，许多技术细节并未涉及。造成技术上还不成熟。

现实中电抗器控制器在理论上的分析性工作较多，实施中的设计较为复杂，多采用光纤通信，造成实施和维护难度较高，特别是高压或特高压领域对绝缘要求有较高要求的情况下，真正付诸实施的较少。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种磁控电抗器控制器，它具有运行可靠，高性能、成本低，适合工业应用，MCR控制器结构合理，MCR的性能能够得到最大程度的发挥。易实施的优点。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种磁控电抗器控制器，它包括控制器模块，所述控制器模块为DSP+ARM架构，所述DSP与ARM通过双口RAM连接，控制器模块与模拟量模块1和电信号输出单元分别连接；所述模拟量模块包括AD芯片，所述AD芯片与外部电网上设有的电压采集装置连接，所述控制器模块还与上位机通讯，所述控制器模块、电信号输出单元分别与电源处理模块连接；所述电信号输出单元与磁控电抗器中的脉冲变压器连接。

所述DSP和ARM分别与电源处理模块连接；所述模拟量模块包括AD芯片，所述DSP输入端与AD芯片连接，DSP输出端与电信号输出单元连接，所述DSP还与时钟芯片和非易失性存储器连接，所述控制器模块中的ARM与上位机通过串行或网口通讯。

所述DSP与状态指示灯连接。

所述电压采集装置为电压互感器，所述AD芯片还与外部电网上设有的电流互感器连接。

所述电信号输出单元包括绝缘胶木板，在绝缘胶木板设有接线柱，所述接线柱一端与DSP输出引脚连接，另一端通过双绞线或屏蔽线与磁控电抗器中的脉冲变压器连接。

所述DSP芯片为TMS320F28335；DSP处理器还连接JTAG芯片内部测试接口；所述ARM芯片S3C2410A。

所述AD芯片与外部PT电压互感器和CT电流互感器连接。

一种磁控电抗器控制器控制方法，它包括如下步骤

1)DSP通过电网的电压传感器、电流传感器进行交流采样得到当前系统状态；所述电压传感器、电流传感器对电网线路进行线电压和线电流采集，所述交流采样中DSP中采用比较式数字滤波器和积分式数字滤波器两种数字滤波器串联联合滤波方式；随后对滤波后的线电压和线电流的进行数字锁相倍频采样，通过AD转换中断服务程序对电网的线电压有效值、线电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数各状态量进行计算；

2)通过与ARM连接的触摸屏操作选择电压调整或功率因数调整两种控制模式之一；采集的线电压或线电流正弦信号通过过零比较得到同步信号，将过零点同步信号作为移相基准；DSP计算出当前时刻每相应该输出的移相角；所述控制程序包括基于DSP的闭环控制算法；

3)DSP根据计算的移相角度结合移相基准，以及要控制的磁阀式可控电抗器具体为单相或三相，相应生成单相或三相触发信号触发信号，利用电信号脉冲驱动其中的脉冲变压器控制磁阀式可控电抗器，脉冲变压器发出脉冲串保障磁阀式可控电抗器MCR上相应的晶闸管可靠的激发；

所述数字锁相倍频采样包括：

I)、DSP有捕获模块CAP获取当前信号频率，根据需要控制的磁阀式可控电抗器具体为单相或三相对捕获模块CAP进行取舍使用；所述电力系统频率为所测线电压的两次正向过零点的时间差的倒数；任意一相线电压的同步信号输入到CAP1输入口上，通过软件配置，CAP1的硬件捕捉相邻两次跳变的时间，即周期T；从而频率求为：f＝1/T，将其作为基波的电网线电压信号频率；通过线电压信号频率，同一相的线电流频率同时得到；

Ii)、将采样频率设定为采集到的作为基波的电网线电压或线电流信号频率的128倍，需要分析的最高次谐波为32次，因此低通滤波器的截至频率选为50×32＝3.2kHz，滤去32次以上的高次谐波，有效地防止采样混叠现象；

Iii)、所述数字锁相倍频是由DSP编程实现，因为数字电路能够实现精确同步输出，所以省略反馈环节，采用开环设计原理；此数字锁相倍频也称之为同相倍频；

当同步倍频信号输入到AD模块的ADSOC控制口上；通过软件设置，使同步倍频信号每一次上升沿触发一次AD转换，当AD转换结束后自动触发AD中断服务程序；中断服务程序中存储每一次采样的结果，然后每128次采样结束后进行一次交流采样计算，按各物理量的离散计算公式，计算出电网的线电压、线电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数值，通过双口RAM与ARM实现数据共享，作为控制和显示的输入量；

所述闭环控制算法：控制器采取了两种控制策略：用户根据实际情况，通过触摸屏操作选择不同的控制模式；电压调整控制模式和功率因数调整控制模式；电压调整控制模式以电网电压为控制量，通过提供不同的无功电流，将电网的电压稳定在给定的工作电压点上；功率因数调整控制模式以电网的功率因数为控制量，通过提供不同的无功电流，将电网的功率因数稳定在设定的功率因数点上；根据控制原理，若以电压为控制目标，给定电压调节目标值，引入电压负反馈；通过检测到的电网电压U和给定参考电压U_ref进行比较，其偏差输入到PI调节环节，PI调节器计算出输出的移相控制角，通过触发电路控制MCR的无功功率输出大小，改变电网电压；

同样，若要以功率因数调整控制模式，给定功率因数调节目标值，引入电压和电流反馈，计算出电网功率因数作为负反馈；通过检测到的电网电压u和电网电流i，然后计算出功率因数角

和给定参考电压

进行比较，其偏差输入到PI调节环节；PI调节器计算出应该输出的移相控制角，通过触发电路控制MCR的无功功率输出大小，改变电网功率因数；

两种算法离散化后在DSP上实现；PI调节器的时间常数与MCR本身的响应时间常数相适应；

采集的线电压或线电流正弦信号通过过零比较得到同步信号，将过零点同步信号作为移相基准，DSP计算出当前时刻每相应该输出的移相角度，DSP根据收到的移相角度和移相基准，产生触发信号，为了可靠触发晶闸管，针对脉冲变压器采用对触发脉冲进行软件同相载波细分成多个脉冲串的方法触发。

利用DSP编程实现滤波电路；系统使用了两种滤波器：比较式滤波器和积分式滤波器两种滤波器串联；积分式滤波器实现数字信号的低通滤波，能够有效滤除的信号的抖动和毛刺，并且滤波截止频率大范围可调，比较式滤波器适合截止频率较高的情况，二者结合增强对重要信号的输入处理；

以采样定理理论为基础，即要求采样频率为被测信号频谱中最高频率的2倍以上，采用硬件同步采样法对被测信号，即同步采样法就是整周期等间隔均匀采样，被测信号周期T、采样时间间隔Δt和一周期内采样点数N之间满足关系式T＝N·Δt，即：采样频率为被测信号频率的N倍。

电网频率测量电路测量出当前信号频率，DSP按128倍频数计算出倍频周期，产生和输入信号同相的同步倍频信号，这样就实现了对输入数字信号的同相倍频采样，采样信号输入到DSP的ADSOC触发AD中断；

所述电网频率测量电路为利用DSP捕获模块CAP将线电压的同步信号采集通过软件配置，CAP能够捕捉相邻两次跳变的时间，即周期T；电力系统频率就是所测相电压的两次正向过零点的时间差的倒数；这个时间差也就是交流电压量的周期；从而频率即可求为：f＝1/T。

同步倍频信号输入到DSP的ADSOC控制口上，通过软件设置，使同步倍频信号每一次上升沿触发一次AD转换，当AD转换结束后自动触发AD中断服务程序；

所述AD中断服务程序中存储每一次采样的结果，然后每128次采样结束后进行一次交流采样计算和基于DSP的闭环控制算法，同时将计数器清零，等待下一轮128次采样结束后的循环，针对采样，对交流电压U、电流I、有功功率P、无功功率Q、功率因数

视在功率电参量的同步交流采样进行离散化，计算出电网的电压、电流、有功功率、视在功率、无功功率、功率因数，所述交流采样计算为按各物理量的离散计算公式，计算出电网的电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数值，作为控制和显示的输入量；

所述交流电压U、电流I离散计算公式

电流有效值、电压有效值、定义为：

$U=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}---(0-1)$

$I=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{i}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}---(0-2)$

式中：

T——为采样周期；

u(t)——电压瞬时值；

i(t)——电流瞬时值。

将以上两式离散化后：

$U=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u{\left(k\right)}^2}---(0-3)$

$I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}i{\left(k\right)}^2}---(0-4)$

式中：

u(k)——电压第k次的采样值；

i(k)——电流第k次的采样值；

N-------一周期内采样点数；

所述有功功率P、无功功率Q、的离散计算公式

单相有功功率和无功功率的定义为：

$P=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}p\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}---(0-5)$

$Q=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}q\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}u(t-\frac{T}{4})i\left(t\right)\mathrm{dt}---(0-6)$

离散化以后得到：

$P=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}u\left(k\right)i\left(k\right)---(0-7)$

$Q=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}u(k-\frac{N}{4})i\left(k\right)---(0-8)$

所述视在功率的计算

单相视在功率为：

$S=U\×I=\sqrt{P^2+Q^2}---(0-9)$

所述功率因数

的计算

单相有功功率、无功功率和复功功率的关系如下：

S＝P+jQ                                (0-10)

由公式(4-10)可求得功率因数为：

由于功率因数角

所以可以由下式计算：

负载特性的判断

当Q＞0时，负载为感性；当Q＜0时，

负载为容性；

所述基于DSP的闭环控制算法为，通过触摸屏选择不同的控制模式，所述不同的控制模式包括，电压调整和功率因数调整。电压调整控制模式以电网电压为控制量，通过提供不同的无功电流，将电网的电压稳定在给定的工作电压点上；功率因数调整控制模式以电网的功率因数为控制量，通过提供不同的无功电流，将电网的功率因数稳定在设定的功率因数点上；

内部程序通过判断得到所选控制模式，若以电压为控制目标，就按给定电压调节目标值，引入电压负反馈，通过检测到的相电网电压U和给定参考电压U_ref进行比较，其偏差输入到PI调节环节；PI调节器计算出应该输出的移相控制角，通过移相触发电路控制MCR的无功功率输出大小，改变电网电压；

同样，若以功率因数为控制目标，就按给定功率因数调节目标值，引入电压和电流反馈，计算出电网功率因数作为负反馈；通过检测到的电网电压u和电网电流i，然后计算出功率因数角

和给定参考电压

进行比较，其偏差输入到PI调节环节，PI调节器计算出应该输出的移相控制角，通过移相触发电路控制MCR的无功功率输出大小，改变电网功率因数，两种情况离散化后在DSP上实现；

所述移相触发电路的实现步骤：DSP中将滤波后的同步信号输出到其内部的触发信号生成电路；触发信号生成电路还接受来自ARM数据接收电路的信号，所述数据接收电路是一个4bit的自定义并行总线，数据接收电路接收由ARM通过双向RAM发出的控制信号，将接收到的各相触发角信号输出给触发信号生成电路；由触发信号生成电路生成指定导通角的脉冲串信号去控制MCR；所述触发信号生成电路为：正弦信号通过过零比较电路得到同步信号，同步信号输入到DSP，通过DSP数字滤波后送入到触发电路生成电路。通过积分计数器后得到计数器等效波形，然后根据DSP获得的给定的导通角，对计数器等效波形进行PWM变换得到同相载波信号，所述的同相载波信号输出DSP后，驱动MCR上相应的晶闸管。

所述ARM设有人机交互程序，它包括分为三部分：键盘译码电路程序、键盘控制程序、显示程序；

所述键盘译码电路程序为：在ARM内部将MCR控制器一共设计了15个功能按键和一个复位键，将15个功能按键变为4bit数据输入到双向RAM，译码的前提是假设用户在同一时刻只进行一按键的操作，如果同时按下了多个键，以按键盘优先级确定按键；

键盘控制程序是人机交互的一个重要功能，用户能够通过键盘进行画面切换、参数输入、控制指令输入操作。

所述显示程序包括LCD初始化函数和界面显示函数。由此，达到了将用户需要的磁阀式可控电抗器实时工作信息显示到液晶显示器上。

本实用新型技术要点

(1)控制器硬件架构：硬件平台采用多处理器协同控制模式-DSP+ARM架构，DSP芯片为TI公司最新产品TMS320F28335，它主要负责数字信号处理及核心算法的运算。ARM芯片为Samsung公司的基于ARM920T核的16/32位RISC(精简指令集)微处理器S3C2410A，主要负责外围信号的处理和HMI(人机交互功能)。两种控制芯片之间通过双口RAM实现数据共享。同时外扩高速、高精度16位差分AD实现快速无失真采样，很好地满足工业现场速度和精度的要求。

(2)控制器软件实现：在软件上采用了分层控制、模块化的思想，力求实现控制简洁可靠、软件可组装，维护升级方便的目的。

首先是分层控制：DSP负责快速高精度采样、核心算法的实现、数据存储和交换等功能的实现(核心层)；ARM负责液晶显示的控制、触摸屏软键盘的响应和与上位机监控系统的通讯功能(通讯层)。

其次是采用了模块化编程的思想，DSP程序和ARM程序严格依照模块化的编程原则，进行了仔细的模块功能分割和实现，使整个程序具备较高的模块化水平，可读性较好，后期维护升级容易。

主要控制过程描述如下：

DSP通过交流采样或瞬时无功采样技术得到当前系统状态，得到的各状态量通过双口RAM与ARM实现数据共享；

通过控制程序和各保护程序计算出系统的当前控制角；

得到的控制角通过电信号脉冲用来控制磁控电抗器；

ARM负责显示和触摸屏操作的处理及与上位机监控系统的通讯。

系统硬件原理图的设计时增加浪涌保护和静电保护功能；PCB版图绘制时按各功能模块进行细致地划分，充分考虑EMC特性，实现了高/低压电路分离，模拟/数字电路的分离，低速/高速电路的分离；软件设计时按照软件工程从顶层到底层的设计思想，针对各项功能划分模块，各个模块内聚性强、耦合度低、易升级维护。

控制器结构，严格按照《IEC 60297-3-101-2004Mechanical structures for electronicequipment-Dimensions of mechanical structures of the 482，6mm(19in)series-Part3-101：Subracks and associated plug-in units》标准进行设计。内部电路板按功能和电磁兼容原则进行模块划分，每个模块的尺寸都严格按照标准进行设计。控制器按各功能模块分为：电源模块、模拟量模块、数字量输入模块、数字量输出模块、电信号输出单元、总线模块等。按功能划分模块后控制器具有抗干扰性强、易调试、易维护等诸多优点。

磁阀式可控电抗器的工作原理

通过嵌入式控制器对磁控电抗器(Magnetic valve Controllable Reactor，MCR)的晶闸管的触发角进行控制，借助控制回路直流控制电流的激磁来改变铁芯的磁饱和度，从而达到平滑调节其无功容量输出的电磁装置。MCR有多种类型，其中较有发展潜力的是磁阀式和裂芯式两种结构。MCR是电力系统中电压控制和无功补偿的重要装置，近年来在受到了广泛的重视并得到了初步的应用。与现有的其它无功补偿装置相比，MCR具有适用电压范围广、无功容量大、可靠性高、谐波小、成本低、维护简单等优点，适合大规模推广使用。

在MCR的实际运行中，需要和变电站综合自动化系统通信实现远程监控。变电站综合自动化系统一般采用串行通信或者网络方式。也可通过控制器模块通讯接口，可以实现远程监控。

本实用新型的有益效果：

1)能够快速准确检测电网的无功和电压参数；

2)能够自动检测并适应变电站运行状态(并列、分列、解列)；

3)能够根据控制目标(无功或电压)，采取相应的控制策略，进行准确控制；

4)能够将一定时间的电网无功情况记录存储起来，用户可通过串行通信方式读取这些数据；

5)能够实现控制器远程控制可控电抗器，实现本体和控制器的分离安装；

6)人机界面友好；

7)能够满足现场电磁兼容性要求；

8)磁阀式可控电抗器制造工艺简单，成本低，损耗小，谐波小，电压适用范围宽，对于提高电网的输电能力、调整电网电压、补偿无功功率以及限制过电压均有较大的应用潜力。

附图说明

图1为磁控电抗器控制器原理图；

图2A磁阀式可控电抗器的磁路示意图；

图2B磁路等效示意图；

图3为DSP锁相环原理框图；

图4为MCR电压控制模式示意图；

图5为MCR功率因数控制模式示意图；

图6为触发信号生成电路原理；

图7A为中断服务程序的流程图；

图7B为中断服务程序的流程图；

图8为控制系统控制方法的流程图。

其中1.模拟量模块，2.上位机，3.电信号输出单元，4.状态指示灯，5.控制器模块，6.电源处理模块，7.时钟芯片，8.非易失性存储器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

图1中，一种磁控电抗器控制器，它包括控制器模块5，控制器模块5与模拟量模块1和电信号输出单元3分别连接；所述控制器模块5还与上位机通讯，所述控制器模块5、电信号输出单元3分别与电源处理模块6连接；电信号输出单元3与电抗器连接。

控制器模块5为DSP+ARM架构，所述DSP和ARM分别与电源处理模块6连接；DSP和ARM通过双口RAM连接；模拟量模块1包括AD芯片，所述DSP输入端与AD芯片连接，DSP输出端与电信号输出单元连接，所述DSP还与时钟芯片7和非易失性存储器8连接，所述控制器模块5中的ARM与上位机2通过串行或网口通讯。

电信号输出单元3与电源处理模块6连接；所述电信号输出单元1与磁控电抗器中的脉冲变压器连接。DSP与状态指示灯4连接。DSP芯片为TMS320F28335；ARM芯片S3C2410A。AD芯片与外部电网上设有的PT和CT连接。

脉冲触发屏蔽电缆，便于户外接线，控制器为便携式结构，插箱式设计，防尘、防水、防震，适合户外使用，

电源处理模块为交直流变换装置为AC/DC模块电源。电源处理模块6为DSP芯片和ARM芯以及双口RAM提供工作电源。

PT或CT依次连接的电流变电压即I/V电路、低通滤波电路、双击转单级电路、输出保护电路，所述PT或CT包括与主变连接的PT、主变连接的CT、备变连接的PT、备变连接的CT，即主变PT、CT和备变PT、CT。

所述外部扩展存储装置为EEPROM；所述时钟信号装置包括扩展的日历时钟芯片，所述日历时钟为DS1302，所述日历时钟芯片设有晶振，所述晶振频率为30MHZ；所述显示装置为LCD显示器，LCD显示器为触摸屏；或利用控制器模块5通讯接口连接人机交互装置，如键盘，所述键盘包括15个功能键和一个复位键，所述15个功能键包括上调、运行、停止、通讯、下调、确定、取消、复核、自动、手动、设置、对时以及上、下、左、右选择键；所述键盘为低电平有效型，所述复位键的时间常数大于其他键；所述DSP处理器还连接JTAG芯片内部测试接口。

图2A为磁阀式可控电抗器磁路示意图，铁芯由面积比较大的部分(面积为Ab，长度为l，下面称为“大面积铁芯段”)和面积比较小的部分(面积为Ab1，长度为lt，下面称为“磁阀铁芯段”)串联而成。

在磁阀式可控电抗器的整个容量调节范围内，大面积铁芯段的工作状态始终处于磁路的未饱和线性区，其磁阻相对于磁阀铁芯段很小，可忽略。磁阀部分磁力线分为两部分，一部分通过磁阀铁芯，磁阻记为Rt，另一部分通过气隙，等效磁阻记为Rq

图2B磁阀式可控电抗器磁路可以等效示意图。图中，F为磁路磁势，φ为磁路总磁通量，(μ0为空气磁导率)，(μ为磁阀铁芯平均磁导率)。

图3，图4，图5，图6，图7A，图7B，图8磁控电抗器控制器控制方法，它包括如下步骤：

1)DSP通过电网的电压传感器、电流传感器进行交流采样得到当前系统状态；所述电压传感器、电流传感器对电网线路进行线电压和线电流采集，所述交流采样中DSP中采用比较式数字滤波器和积分式数字滤波器两种数字滤波器串联联合滤波方式；随后对滤波后的线电压和线电流的进行数字锁相倍频采样，通过AD转换中断服务程序对电网的线电压有效值、线电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数各状态量进行计算；

2)通过与ARM连接的触摸屏操作选择电压调整或功率因数调整两种控制模式之一；采集的线电压或线电流正弦信号通过过零比较得到同步信号，将过零点同步信号作为移相基准；DSP计算出当前时刻每相应该输出的移相角；所述控制程序包括基于DSP的闭环控制算法；

3)DSP根据计算的移相角度结合移相基准，以及要控制的磁阀式可控电抗器具体为单相或三相，相应生成单相或三相触发信号触发信号，利用电信号脉冲驱动其中的脉冲变压器控制磁阀式可控电抗器，脉冲变压器发出脉冲串保障磁阀式可控电抗器MCR上相应的晶闸管可靠的激发；

所述数字锁相倍频采样包括：

I)、DSP有捕获模块CAP获取当前信号频率，根据需要控制的磁阀式可控电抗器具体为单相或三相对捕获模块CAP进行取舍使用；所述电力系统频率为所测线电压的两次正向过零点的时间差的倒数；任意一相线电压的同步信号输入到CAP1输入口上，通过软件配置，CAP1的硬件捕捉相邻两次跳变的时间，即周期T；从而频率求为：f＝1/T，将其作为基波的电网线电压信号频率；通过线电压信号频率，同一相的线电流频率同时得到；

Ii)、将采样频率设定为采集到的作为基波的电网线电压或线电流信号频率的128倍，需要分析的最高次谐波为32次，因此低通滤波器的截至频率选为50×32＝3.2kHz，滤去32次以上的高次谐波，有效地防止采样混叠现象；

Iii)、所述数字锁相倍频是由DSP编程实现，因为数字电路能够实现精确同步输出，所以省略反馈环节，采用开环设计原理；此数字锁相倍频也称之为同相倍频；

当同步倍频信号输入到AD模块的ADSOC控制口上；通过软件设置，使同步倍频信号每一次上升沿触发一次AD转换，当AD转换结束后自动触发AD中断服务程序；中断服务程序中存储每一次采样的结果，然后每128次采样结束后进行一次交流采样计算，按各物理量的离散计算公式，计算出电网的线电压、线电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数值，通过双口RAM与ARM实现数据共享，作为控制和显示的输入量；

所述闭环控制算法：控制器采取了两种控制策略：用户根据实际情况，通过触摸屏操作选择不同的控制模式；电压调整控制模式和功率因数调整控制模式；电压调整控制模式以电网电压为控制量，通过提供不同的无功电流，将电网的电压稳定在给定的工作电压点上；功率因数调整控制模式以电网的功率因数为控制量，通过提供不同的无功电流，将电网的功率因数稳定在设定的功率因数点上；根据控制原理，若以电压为控制目标，给定电压调节目标值，引入电压负反馈；通过检测到的电网电压U和给定参考电压U_ref进行比较，其偏差输入到PI调节环节，PI调节器计算出输出的移相控制角，通过触发电路控制MCR的无功功率输出大小，改变电网电压；

同样，若要以功率因数调整控制模式，给定功率因数调节目标值，引入电压和电流反馈，计算出电网功率因数作为负反馈；通过检测到的电网电压u和电网电流i，然后计算出功率因数角

和给定参考电压

进行比较，其偏差输入到PI调节环节；PI调节器计算出应该输出的移相控制角，通过触发电路控制MCR的无功功率输出大小，改变电网功率因数；

两种算法离散化后在DSP上实现；PI调节器的时间常数与MCR本身的响应时间常数相适应；

采集的线电压或线电流正弦信号通过过零比较得到同步信号，将过零点同步信号作为移相基准，DSP计算出当前时刻每相应该输出的移相角度，DSP根据收到的移相角度和移相基准，产生触发信号，为了可靠触发晶闸管，针对脉冲变压器采用对触发脉冲进行软件同相载波细分成多个脉冲串的方法触发。

在某种情况下，如电抗器在工频50HZ左右的(40HZ-60HZ)的应用领域，也可采取直接的采集电网线路中的线电压和线电流信号，通过DSP进行实时控制，提供移相控制角，满足改善电网电压和改善电网功率因数的需要。

利用DSP编程实现滤波电路；系统使用了两种滤波器：比较式滤波器和积分式滤波器两种滤波器串联；积分式滤波器实现数字信号的低通滤波，能够有效滤除的信号的抖动和毛刺，并且滤波截止频率大范围可调，比较式滤波器适合截止频率较高的情况，二者结合增强对重要信号的输入处理；

以采样定理理论为基础，即要求采样频率为被测信号频谱中最高频率的2倍以上，采用硬件同步采样法对被测信号，即同步采样法就是整周期等间隔均匀采样，被测信号周期T、采样时间间隔Δt和一周期内采样点数N之间满足关系式T＝N·Δt，即：采样频率为被测信号频率的N倍。

电网频率测量电路测量出当前信号频率，DSP按128倍频数计算出倍频周期，产生和输入信号同相的同步倍频信号，这样就实现了对输入数字信号的同相倍频采样，采样信号输入到DSP的ADSOC触发AD中断；

所述电网频率测量电路为利用DSP捕获模块CAP将线电压的同步信号采集通过软件配置，CAP能够捕捉相邻两次跳变的时间，即周期T；电力系统频率就是所测相电压的两次正向过零点的时间差的倒数；这个时间差也就是交流电压量的周期；从而频率即可求为：f＝1/T。

同步倍频信号输入到DSP的ADSOC控制口上，通过软件设置，使同步倍频信号每一次上升沿触发一次AD转换，当AD转换结束后自动触发AD中断服务程序；

所述AD中断服务程序中存储每一次采样的结果，然后每128次采样结束后进行一次交流采样计算和基于DSP的闭环控制算法，同时将计数器清零，等待下一轮128次采样结束后的循环，针对采样，对交流电压U、电流I、有功功率P、无功功率Q、功率因数视在功率电参量的同步交流采样进行离散化，计算出电网的电压、电流、有功功率、视在功率、无功功率、功率因数，所述交流采样计算为按各物理量的离散计算公式，计算出电网的电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数值，作为控制和显示的输入量；

交流电压U、电流I离散计算公式

电流有效值、电压有效值、定义为：

$U=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}---(0-13)$

$I=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{i}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}---(0-14)$

式中：

T——为采样周期；

u(t)——电压瞬时值；

i(t)——电流瞬时值。

将以上两式离散化后：

$U=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u{\left(k\right)}^2}---(0-15)$

$I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}i{\left(k\right)}^2}---(0-16)$

式中：

u(k)——电压第k次的采样值；

i(k)——电流第k次的采样值；

N-------一周期内采样点数；

所述有功功率P、无功功率Q、的离散计算公式

单相有功功率和无功功率的定义为：

$P=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}p\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}---(0-17)$

$Q=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}q\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}u(t-\frac{T}{4})i\left(t\right)\mathrm{dt}---(0-18)$

离散化以后得到：

$P=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}u\left(k\right)i\left(k\right)---(0-19)$

$Q=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}u(k-\frac{N}{4})i\left(k\right)---(0-20)$

所述视在功率的计算

单相视在功率为：

$S=U\×I=\sqrt{P^2+Q^2}---(0-21)$

所述功率因数

的计算

单相有功功率、无功功率和复功功率的关系如下：

S＝P+jQ                                (0-22)

由公式可求得功率因数为：

由于功率因数角

所以可以由下式计算：

负载特性的判断

当Q＞0时，

负载为感性；当Q＜0时，

负载为容性；

所述基于DSP的闭环控制算法为，通过触摸屏选择不同的控制模式，所述不同的控制模式包括，电压调整和功率因数调整。电压调整控制模式以电网电压为控制量，通过提供不同的无功电流，将电网的电压稳定在给定的工作电压点上；功率因数调整控制模式以电网的功率因数为控制量，通过提供不同的无功电流，将电网的功率因数稳定在设定的功率因数点上；

内部程序通过判断得到所选控制模式，若以电压为控制目标，就按给定电压调节目标值，引入电压负反馈，通过检测到的相电网电压U和给定参考电压U_ref进行比较，其偏差输入到PI调节环节；PI调节器计算出应该输出的移相控制角，通过移相触发电路控制MCR的无功功率输出大小，改变电网电压；

同样，若以功率因数为控制目标，就按给定功率因数调节目标值，引入电压和电流反馈，计算出电网功率因数作为负反馈；通过检测到的电网电压u和电网电流i，然后计算出功率因数角

和给定参考电压

进行比较，其偏差输入到PI调节环节，PI调节器计算出应该输出的移相控制角，通过移相触发电路控制MCR的无功功率输出大小，改变电网功率因数，两种情况离散化后在DSP上实现；

所述ARM设有人机交互程序，它包括分为三部分：键盘译码电路程序、键盘控制程序、显示程序；

所述键盘译码电路程序为：在ARM内部将MCR控制器一共设计了15个功能按键和一个复位键，将15个功能按键变为4bit数据输入到双向RAM，译码的前提是假设用户在同一时刻只进行一按键的操作，如果同时按下了多个键，以按键盘优先级确定按键；

键盘控制程序是人机交互的一个重要功能，用户能够通过键盘进行画面切换、参数输入、控制指令输入操作。

所述显示程序包括LCD初始化函数和界面显示函数。由此，达到了将用户需要的磁阀式可控电抗器实时工作信息显示到液晶显示器上。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种磁控电抗器控制器，它包括控制器模块(5)，所述控制器模块(5)为DSP+ARM架构，所述DSP与ARM通过双口RAM连接，控制器模块(5)与模拟量模块(1)和电信号输出单元(3)分别连接；所述模拟量模块(1)包括AD芯片，所述AD芯片与外部电网上设有的电压采集装置连接，所述控制器模块(5)还与上位机(2)通讯，所述控制器模块(5)、电信号输出单元(3)分别与电源处理模块(6)连接；所述电信号输出单元(1)与磁控电抗器中的脉冲变压器连接。

2.如权利要求1所述的磁控电抗器控制器，其特征是，所述DSP和ARM分别与电源处理模块(6)连接；所述模拟量模块(1)包括AD芯片，所述DSP输入端与AD芯片连接，DSP输出端与电信号输出单元(3)连接，所述DSP还与时钟芯片(7)和非易失性存储器(8)连接，所述控制器模块(5)中的ARM与上位机(2)通过串行或网口通讯。

3.如权利要求1所述的磁控电抗器控制器，其特征是，所述DSP与状态指示灯(4)连接。

4.如权利要求1所述的磁控电抗器控制器，其特征是，所述电压采集装置为电压互感器，所述AD芯片还与外部电网上设有的电流互感器连接。

5.如权利要求1所述的磁控电抗器控制器，其特征是，所述电信号输出单元(1)包括绝缘胶木板，在绝缘胶木板设有接线柱，所述接线柱一端与DSP输出引脚连接，另一端通过双绞线或屏蔽线与磁控电抗器中的脉冲变压器连接。

6.如权利要求1所述的磁控电抗器控制器，其特征是，所述DSP芯片为TMS320F28335；DSP处理器还连接JTAG芯片内部测试接口；所述ARM芯片S3C2410A。

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