一種STATCOM信號采集模塊設(shè)計
在電網(wǎng)適當(dāng)?shù)攸c合理添加無功功率補償設(shè)備對電網(wǎng)進行無功功率補償是提高電能質(zhì)量的方法之一。STATCOM作為一種新型無功功率補償設(shè)備，已成為柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的一個重要組成部分，是未來無功功率補償設(shè)備的發(fā)展方向。和其他無功補償設(shè)備如SVC相比，具有響應(yīng)速度快;不會引起諧振短路;無功功率可以在感性和容性之間連續(xù)調(diào)節(jié);利用PWM調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)精準(zhǔn)的電壓調(diào)控;可同時對諧波和無功進行補償。
要實現(xiàn)STATCOM實時陜速準(zhǔn)確的補償特性，必須建立在對電網(wǎng)無功功率、有功功率、諧波等電量參數(shù)的實時快速準(zhǔn)確測量基礎(chǔ)上?；谒矔r無功功率理論的無功功率檢測算法，進行的多是瞬時值運算，響應(yīng)速度快，適用于變化快、沖擊大的無功功率和電壓閃變的補償。但瞬時無功功率理論的應(yīng)用要求同步采樣電網(wǎng)某時刻的三相電壓電流，針對此情況，文中設(shè)計了由AD7606-6模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片與TMS320F2812組成的數(shù)據(jù)采集模塊。
1 STATCOM結(jié)構(gòu)模型及工作原理
圖1所示為以電壓源逆變器為核心的STATCOM模型。由以下幾部分組成：電壓/電流互感器，用于電網(wǎng)三相電壓電流、STATCOM交流側(cè)三相電流和電容直流電壓檢測;直流側(cè)電容，其作用是為設(shè)備提供電壓支撐;電壓源逆變器(VSC)，由大功率電力電子開關(guān)器件(GTO或IGBT)組成，運用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)控制電力電子開關(guān)的通斷，將電容器上的直流電壓逆變成具有一定幅值和頻率的交流電壓;驅(qū)動電路，用于驅(qū)動大功率電力電子開關(guān)器件;耦合變壓器和電抗器，不但可起到將大功率變流裝置與電力系統(tǒng)耦合在一起的作用，還可將逆變器輸出的電壓中的高次諧波濾除，使輸出的電壓波形接近正弦波。其余的無功計算模塊、d-q變換模塊、PI調(diào)節(jié)器模塊、PWM輸出模塊均在主控芯片DSP上完成
式(1)為STATCOM的狀態(tài)模型，L為連接電感，R，us為逆變器損耗等效電阻為系統(tǒng)電壓，uc為逆變器輸出電壓。
STATCOM的工作過程是，首先通過檢測三相電壓和電流，運用瞬時無功功率理論計算電網(wǎng)的無功功率或無功電流，判斷電網(wǎng)無功狀態(tài)，得到所需補償電流的無功分量，經(jīng)坐標(biāo)變換得到逆變器輸出的電壓參考值Vcα.ref和Vcβ.ref。在欠無功或者無功過剩時，系統(tǒng)調(diào)節(jié)PWM調(diào)制系數(shù)，輸出的PWM信號通過驅(qū)動電路改變電壓源逆變器電力電子開關(guān)的通斷時間，達到改變逆變器輸出電壓幅值、相位、頻率的目的，從而改變電網(wǎng)無功狀態(tài)，使電網(wǎng)無功功率平衡。
所以，同步檢測電網(wǎng)三相電壓和電流、STATCOM交流側(cè)三相電流和電容直流電壓是系統(tǒng)的核心任務(wù)之一。文中將采用AD7606-6模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)模擬量采集。
2 AD7606-6模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片
2.1 AD7606-6簡介及特性
AD7606-6是ADI公司為簡化下一代電力線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，新推出16位6通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，多通道集成方便實現(xiàn)電網(wǎng)的三相電流和電壓測量。如圖2所示，AD7606-6內(nèi)置有模擬輸入箝位保護、跟蹤保持放大器、二階抗混疊濾波器、16位逐次逼近型ADC、數(shù)字濾波器、2.5 V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速并行和串行接口。采用單電源5 V供電，可處理±5 V和±10 V真雙極性輸入信號，同時6個通道均能以200 ksample·s-1的吞吐速率采樣。輸入箝位保護電路可承受高達±16.5 V的電壓。無論工作在何種采樣頻率，AD7606-6的模擬輸入阻抗均為1 MΩ。其采用單電源工作方式，具有片內(nèi)濾波和高輸入阻抗，無需驅(qū)動運算放大器和外接雙極性電源供電?？够殳B濾波器的3 dB截止頻率為22 kHz;當(dāng)采樣速率為200 ksample·s-1時，其具有40 dB抗混疊抑制特性。封裝采用64腳LQFP形式，具有體積小、重量輕、可工作于-40～+80℃內(nèi)的惡劣環(huán)境、抗干擾性強的特點。
2.2 AD7606-6引腳功能說明
AD7606-6采用64引腳LQFP形式，具有豐富的功能引腳，方便與DSP和微處理器連接。
AD7606-6主要的引腳和功能為：
(1)V1～V6。6個模擬信號輸入端，輸入信號范圍可以是±5 V或±10 V，具體由引腳RANGE決定。
(2)V1GND～V6GND。模擬輸入接地引腳，與各自輸入引腳對應(yīng)。
(3)OS[2：0]。過采樣模式引腳，用于選擇過采樣倍率。
(4)DB0-DB15。16位數(shù)據(jù)并行輸出口。其中，DB7/DB8復(fù)用為串口輸出引腳(DOUTA/DOUTB)。
(6)AGND。模擬地，需并聯(lián)10μF和100μF的去耦電容;AVCC：模擬電壓，范圍可從4.5～5.5 V;DGND：數(shù)字電路部分參考地;DVCC：數(shù)字電壓，通常為5 V，數(shù)字電壓與模擬電壓必須保持一致;VDD：電源正電壓;VSS：電源負(fù)電壓。
(7)
(8)CONVST A/CONVST B。轉(zhuǎn)換開始輸入A和B，用于啟動模擬輸入通道轉(zhuǎn)換。要對6個轉(zhuǎn)換通道進行同時采樣，可將兩引腳短接，并施加一個啟動信號。
(9)BUSY。轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號，該引腳從轉(zhuǎn)換開始到結(jié)束保持高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束BUSY變?yōu)榈碗娖?，?shù)據(jù)被鎖存，可供讀取。
(10)RESET。芯片復(fù)位信號引腳。
(11)RANGE。模擬輸入范圍選擇引腳，此引腳的極性決定了模擬輸入通道的輸入范圍，當(dāng)為高電平時，輸入范圍±10 V，低電平時，輸入范圍±5 V。
(12)REF SELECT。內(nèi)外部基準(zhǔn)電壓選擇輸入。高電平時使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，低電平則使用外部基準(zhǔn)電壓。
(13)REFIN/REFOUT。基準(zhǔn)電壓輸入/基準(zhǔn)電壓輸出。
2.3 AD7606-6所有通道同步采樣邏輯時序
AD7606-6可對所有模擬輸入通道同時采樣，時序邏輯如圖3所示。要實現(xiàn)所有通道同步采樣，只需將CONVEST A和CONVST B引腳短接，使用一個CONVST信號便可啟動所有模擬輸入通道。AD7606-6內(nèi)置有片內(nèi)振蕩器用于轉(zhuǎn)換，每個ADC轉(zhuǎn)換時間為tCONV。當(dāng)施加CONVST上升沿時，BUSY變成高電平，在轉(zhuǎn)換介紹后變?yōu)榈碗娖健USY下降沿時，主控芯片可以通過給
傳感器使用電壓電流互感器，電壓互感器型號為LCTV31CE，電流互感器為LCTA24D。LCTV31CE是一種電流型電壓變換器，其輸入電壓最高可達1 000 V，額定電流2 mA，輸出電壓則取決于所用的運算放大器，最高輸出電壓為運放電源電壓的1/2，系統(tǒng)電壓互感器與運放連接電路如圖4所示，Vout=I2R2。LCTA24D-50 A/62.5 mA電流互感器，其額定輸入電流50 A，額定輸出電路62.5 mA，額定采樣電壓取決于所用的預(yù)算放大器，最高輸出電壓為運放電源電壓的1/2，電流互感器與運放連接電路如圖5所示，Vout=I2R2。
3.2 信號調(diào)理
由AD7606-6的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和芯片特性可知，與傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片不同，其內(nèi)部的信號調(diào)理電路中，加入了低噪聲高輸入阻抗的信號調(diào)理電路，而等效阻抗完全獨立于采樣頻率且為固定值1 MΩ。同時，模擬輸入端集成了具有40 dB抗混疊濾波器，無需添加額外的外部驅(qū)動和濾波電路。因為互感器輸出的電流往往較小，且互感器直接接A/D會產(chǎn)生較大的相移，為使輸入信號電壓與AD7606-6模擬輸入電壓匹配，互感器輸出信號經(jīng)運算放大器OPA2132放大至5-6 V，調(diào)理電路如圖4和圖5所示。
3.3AD7606-6與TMS320F2812接口設(shè)計
STATCOM系統(tǒng)采用TMS320F2812作為主控芯片控制兩片AD7606-6。TMS320F2812是TI公司的一款基于Flash的工業(yè)級32位定點DSP，其內(nèi)核是針對工業(yè)需求所設(shè)計，主頻能達到150 MIPS，單周期32×32位MAC;擁有EVA、EVB事件管理器，具有強大是事件處理功能，如中斷、定時、PWM輸出等;再加上豐富的外設(shè)接口，如CAN、SCI等，使其成為當(dāng)前工控領(lǐng)域主流的控制芯片。
雙片AD7606-6與TMS320F2812接口電路如圖6所示。兩片A/D的并行數(shù)據(jù)輸出口直接連接到DSP的數(shù)據(jù)線XD[15：0];DSP的GPIOA[15：13]與OS[2：0]，控制過采樣倍率;GPIOB8連接AD7606-6(1)的片選端
4 同步采樣軟件設(shè)計
采用軟件部分主要實現(xiàn)主控芯片DSP對AD7606-6的控制，完成對電網(wǎng)電量參數(shù)的采集。為方便數(shù)據(jù)處理，在每個工頻周期內(nèi)采集128個數(shù)據(jù)點，用DSP自帶的捕獲單元完成電網(wǎng)周期的計算，假設(shè)電網(wǎng)周期為T，則每隔T/128時間給CONVST A&B一個觸發(fā)脈沖，啟動A/D采用并轉(zhuǎn)換。觸發(fā)脈沖由PWM7提供，每個轉(zhuǎn)換周期結(jié)束，根據(jù)最新獲得的周期值修改PWM輸出的占空比，即可實現(xiàn)在不同的頻率內(nèi)都能采集到128個數(shù)據(jù)點。
當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束，BUSY信號變成低電平給DSP一個外部中斷信號，DSP進入外部中斷子程序，外部中斷子程序?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。讀取第一片A/D的數(shù)據(jù)，首先GPIOB8給AD7606-6(1)的片選端
5 實驗
下載文檔
