基于DSP的簡單、經濟、實用的無功補償器設計

1　引言
　　大型并網型風力發(fā)電機一般采用異步發(fā)電機。異步發(fā)電機在向電網輸出有功功率的同時，還必須從電網中吸收感性的無功功率，加重了電網無功功率負擔。異步發(fā)電機抽取的感性無功功率主要為了滿足勵磁電流的需要，另一方面，也滿足轉子漏磁的需要。單就前一項來說，一般大中型異步電極，勵磁電流約為其額定電流 20％～25％，如此大的無功吸取如果不經過補償直接并網，就會表現(xiàn)出功率因數(shù)（PF）較低，不僅對電網形成污染，而且防礙有功功率的輸出，還會造成線損增加，送電距離遠的末端用戶電壓降低，電網穩(wěn)定性降低等問題。進行無功補償，提高功率因素，對提高設備利用率、提高輸電效率及改善電網質量，具有重要的實際意義。目前調節(jié)無功的裝置主要有調相機、有源靜止無功補償器、并聯(lián)補償電容器等。相對來說前兩種裝置價格較高，結構、控制比較復雜。目前一般采用了并聯(lián)電容器對無功進行補償，這種靜止補償器具有結構簡單、經濟、控制和維護方便、運行可靠等優(yōu)點。通過并聯(lián)電容器的補償后，異步發(fā)電機向電網提供有功的同時，所要吸取的無功電流就由電容器提供，從而大大減輕了電網的無功負擔。

2　無功補償控制器的基本工作原理
　　要取得無功補償?shù)淖罴研Ч?，就必須準確地測量出有功功率和無功功率。當前測量有功功率和無功功率的方法很多，本文將采用傅立葉算法，它是測量有功功率和無功功率的最為精確和有效的算法，但其計算量較大，單片機系統(tǒng)的計算速度遠不能滿足要求，而DSP的應用則解決了計算量大的問題?？梢詫﹄娋W參量進行實時的檢測和處理，從而達到無功補償?shù)淖罴研Ч?BR>
2．1　無功功率的測量
　　本控制器采用一種基于對A／D轉換后的采樣序列經傅立葉變換從干擾的輸入信號中對基波電壓（電流）復數(shù)振幅的實部和虛部進行計算，并利用它們來實現(xiàn)對有功功率和無功功率的測量。假設無噪聲的輸入信號是頻率為ω的正弦波電壓。

式中：φ—初相位；ψ—電壓相角變化；A—幅值
    u（t）可用矢量U的虛部表示。

    對u（t）信號每周采樣N次產生采樣序列｛u_k｝


式中：T₀／N—采樣間隔。
    對｛u_k｝進行離散傅立葉變換得到基波分量的頻譜系數(shù)u₁（k）：

　　對正弦輸入信號可證明：

　　u₁（k）是輸入信號的基波頻譜系數(shù)，由式（1）、（2）、和（3）可得出u（k）與U_m的關系。


　　可見u₁（k）與U_m都是表示基波分量的復數(shù)振幅，u_R和u_I分別為復數(shù)振幅的實部和虛部。

　　利用輸入信號基波電壓（電流）復數(shù)振幅的實部和虛部可以求得交流電壓U、交流電流I、有功功率P和無功功率Q的有效值，為此先將復數(shù)振幅的實部和虛部變成有效值，假設輸入電壓復數(shù)振幅的實部和虛部有效值用U_R和U_I表示，由式

（3）不難求出輸入電壓的有效值為：

式中：I_R，I_I—輸入電流復數(shù)振幅的實部和虛部的有效值。

　　對于三相三線電網，為減少測量和計算，可先假定一參考點，如C相，在這種情況下，可僅同時測量兩線電壓和兩相電流U_AC，


　　用它們計算出兩個等效的有功功率和無功功率，最后將有功功率和無功功率相加得總的有功功率和無功功率。即：


2．2　測量數(shù)據(jù)的采集
　　交流電參量的測量方法主要分為兩大類：模擬電路測量方法和采樣計算式測量方法。其中模擬電路測量方法準確度高，穩(wěn)定性好，但不太適用于多參數(shù)測量。采樣計算式測量方法比較適用于多參數(shù)測量，尤其隨著計算機和電子技術的飛速發(fā)展，高性能微處理器和A／D轉換器，給采樣計算式測量方法，提供了有力的硬件支持。目前采樣計算式測量實現(xiàn)了同步采樣法，準同步采樣法等。

　　軟件同步采樣法是首先測出被測信號的周期T，則用該周期除以一周期內采樣點數(shù)N，得采樣間隔并確定定時器的技術值，用定時器中斷方式實現(xiàn)同步采樣。軟件同步采樣省去了硬件電路鎖相環(huán)節(jié)，結構簡單，避免了鎖相環(huán)設計調試的復雜和失鎖現(xiàn)象。但由于信號的頻率是在一定范圍內變化，對其周期T不能準確測量，按不準確的周期T計算的采樣間隔進行N次采樣后，不能與實際信號的周期同步，即存在同步誤差，為減小同步誤差，提高測量精度，后采用自適應調整采樣間隔的方法。

　　快速傅立葉變換要求將一個采樣周期均分成N等分。不滿足這個條件會給變換后的結果帶來較大的誤差。因此在傅立葉變換中根據(jù)頻率的變化，采用自適應變步長可取得較高的精度。

2．3　頻率的測量
    利用DSP芯片自帶的捕獲功能。捕獲功能是指當捕獲引腳出現(xiàn)指定電平時，DSP能捕獲指定定時器的讀數(shù)。因此將跟蹤頻率的方波信號作為捕獲引腳的輸入信號，令連續(xù)兩次捕獲信號在定時器上的讀數(shù)之差為N，DSP定時器的頻率為f_s，則交流信號的頻率f＝f_s／N。由于定時器的最大頻率為20MHz，所以測量的誤差極小。

3　無功補償控制器的系統(tǒng)結構
3．1　系統(tǒng)結構框圖
　　從圖1中可以看出本系統(tǒng)主要由DSP基本系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、補償電容器投切單元三個部分組成。由于三相電網滿足關系：


　　所以只要用四個互感器將u_ac、u_bc、i_a、i_b四路電網參量取出來，通過放大、濾波后，把信號經過采樣保持器（S／H）、多路開關、數(shù)模轉換器（A／D）使之離散化。然后把這些數(shù)字量送入數(shù)字信號處理器進行數(shù)據(jù)處理（FFT運算），從而算出所發(fā)電能的有功和無功的數(shù)值。

3．2　系統(tǒng)各部分硬件設計
3．2．1　DSP基本系統(tǒng)的設計
　　本系統(tǒng)以TMS320C240芯片為核心，充分利用它高速的運算能力和先進的體系結構來完成有功功率和無功功率的快速檢測和處理，從而適時、有效地進行無功補償。

　　DSP（TMS320C240）是一種為處理數(shù)字信號而專門設計的高速芯片，適用于大量的高速處理，與通用的微處理器相比，相同函數(shù)的DSP運算可提高10倍甚至100倍。由于采用了硬件實現(xiàn)乘累加運算及提供了特殊的位倒序操作指令及乘累加、位移累加等平行數(shù)據(jù)處理指令，使DSP非常適用于進行快速傅立葉變換（FFT）。所以DSP作為本系統(tǒng)的控制器非常合適。

　　由于TMS320F240內含16K閃爍存儲器，所以不需外加EPROM，簡化了DSP的外圍電路（見圖2），而它內含的544＊16位片內數(shù)據(jù)／程序雙口RAM，極大地提高了數(shù)據(jù)的處理速度。DSP的外圍電路由五部分組成：①模數(shù)轉換接口電路；②開關量輸入、輸出接口電路；③測頻輸入電路；④兩片高速RAM；⑤與上位機通信的接口電路。

3．2．2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計
　　由于三相電網滿足關系式（4），只需采樣兩相的相電流和線電壓，即u_ac、u_bc、i_a、i_b四路電網參量，通過電壓、電流變換，經放大、濾波，使輸出電壓范圍在0～5V，再經過數(shù)模轉換（A／D）進行離散采樣。每周期采樣64點，將其數(shù)字量送入 DSP，進行FFT變換。完成一次數(shù)據(jù)采集的時間（包括多路開關的開關時間、采樣保持時間、A／D轉換時間還有其他延遲時間）為：0． 02＊1000000／（64＊4）＝75μs。

　　TMS320F240內含兩組8路10位A／D轉換器，轉換速度達100kHz，每個A／D最大轉換時間為6．6μs，而且可由多種采樣啟動方式：① 程序啟動方式；②時間管理器啟動方式；③外部引腳觸發(fā)啟動方式。本系統(tǒng)采用第三種方式，并網完成后即觸發(fā)，每次觸發(fā)后依次對模擬量進行采樣。在讀取轉換數(shù)據(jù)時，采用DSP的外部中斷方式。當ADC轉換結束時，產生一個結束信號，以此信號引起DSP中斷，通知DSP把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器RAM。數(shù)據(jù)采集完成后，將每個通道數(shù)據(jù)逐點采集到內存緩沖區(qū)中進行處理。

3．2．3　補償電容器投切控制單元的設計
　　補償單元由交流接觸器和電力電容器組成。根據(jù)計算出來的有功功率和功率因素相結合作為投切電容器的判斷依據(jù)，即可算出所要補償?shù)臒o功分量的值，并轉化為10路補償開關的控制信號，將這些信號適當放大，用以控制接觸器，從而投入或切除電容器，進行適時、有效的補償。

　　在投切方式上，循環(huán)投和循環(huán)切程序是根據(jù)計算結果所給出的投切標志，控制繼電器回路自動投或自動切電容器組，程序內設有投切狀態(tài)記憶單元，當一組電容器投（或切）之后按循環(huán)自動投切，即“先投先切，后投后切”原則，找出下一組電容器的投切序號，以便于下一次的投切，從而均衡電容器的使用率和壽命，當然這一功能是由DSP和驅動電路來完成的。

3．3　無功補償控制器的軟件設計
　　系統(tǒng)的軟件設計主要由以下幾個部分組成：主程序部分、數(shù)據(jù)采集部分（模擬量采集、數(shù)字量采集部分）、計算（FFT）部分、投切控制部分、通訊部分等。

　　投切控制部分：遵循不使補償電容器頻繁投入與切除，各個補償電容器使用頻率相同的原則，應使補償電容器的投入和切除時控制量設定值應有適當?shù)幕夭钪怠?BR>
4　結束語
　　采用DSP芯片TMS320F240設計成的無功補償控制器特點如下：
　?、賰删€電壓和兩相電流同時采樣，根據(jù)有功功率和功率因素的要求進行補償電容器的投切，并設有投切回差值，不會產生投切振蕩。
　?、诮涣鞑蓸雍筮M行FFT計算，補償速度快、補償精度高。
　　③采用并聯(lián)電容器補償方式，具有結構簡單、投資少、控制維護方便等優(yōu)點。
　　④補償電容器采用自動循環(huán)投切，有效的延長了電容器的壽命。

　　本控制器作為風力發(fā)電機組電控系統(tǒng)的組成部分，具有很強的抗干擾能力，以適應整個電控系統(tǒng)對控制器功能的要求。

參考文獻：