基于DSP的簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的無功補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

1　引言
　　大型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用異步發(fā)電機(jī)。異步發(fā)電機(jī)在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時，還必須從電網(wǎng)中吸收感性的無功功率，加重了電網(wǎng)無功功率負(fù)擔(dān)。異步發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)子漏磁的需要。單就前一項(xiàng)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(jīng)過補(bǔ)償直接并網(wǎng)，就會表現(xiàn)出功率因數(shù)（PF）較低，不僅對電網(wǎng)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(yuǎn)的末端用戶電壓降低，電網(wǎng)穩(wěn)定性降低等問題。進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高功率因素，對提高設(shè)備利用率、提高輸電效率及改善電網(wǎng)質(zhì)量，具有重要的實(shí)際意義。目前調(diào)節(jié)無功的裝置主要有調(diào)相機(jī)、有源靜止無功補(bǔ)償器、并聯(lián)補(bǔ)償電容器等。相對來說前兩種裝置價格較高，結(jié)構(gòu)、控制比較復(fù)雜。目前一般采用了并聯(lián)電容器對無功進(jìn)行補(bǔ)償，這種靜止補(bǔ)償器具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、控制和維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過并聯(lián)電容器的補(bǔ)償后，異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)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(wǎng)的無功負(fù)擔(dān)。

2　無功補(bǔ)償控制器的基本工作原理
　　要取得無功補(bǔ)償?shù)淖罴研Ч捅仨殰?zhǔn)確地測量出有功功率和無功功率。當(dāng)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(jì)算量較大，單片機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算速度遠(yuǎn)不能滿足要求，而DSP的應(yīng)用則解決了計(jì)算量大的問題?？梢詫﹄娋W(wǎng)參量進(jìn)行實(shí)時的檢測和處理，從而達(dá)到無功補(bǔ)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(zhuǎn)換后的采樣序列經(jīng)傅立葉變換從干擾的輸入信號中對基波電壓（電流）復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部進(jìn)行計(jì)算，并利用它們來實(shí)現(xiàn)對有功功率和無功功率的測量。假設(shè)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(chǎn)生采樣序列｛u_k｝


式中：T₀／N―采樣間隔。
對｛u_k｝進(jìn)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(guān)系。


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

　　利用輸入信號基波電壓（電流）復(fù)數(shù)振幅的實(shí)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(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部變成有效值，假設(shè)輸入電壓復(fù)數(shù)振幅的實(shí)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(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部的有效值。

　　對于三相三線電網(wǎng)，為減少測量和計(jì)算，可先假定一參考點(diǎn)，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(jì)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(jì)算式測量方法。其中模擬電路測量方法準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，但不太適用于多參數(shù)測量。采樣計(jì)算式測量方法比較適用于多參數(shù)測量，尤其隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能微處理器和A／D轉(zhuǎn)換器，給采樣計(jì)算式測量方法，提供了有力的硬件支持。目前采樣計(jì)算式測量實(shí)現(xiàn)了同步采樣法，準(zhǔn)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(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)N，得采樣間隔并確定定時器的技術(shù)值，用定時器中斷方式實(shí)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(jié)構(gòu)簡單，避免了鎖相環(huán)設(shè)計(jì)調(diào)試的復(fù)雜和失鎖現(xiàn)象。但由于信號的頻率是在一定范圍內(nèi)變化，對其周期T不能準(zhǔn)確測量，按不準(zhǔn)確的周期T計(jì)算的采樣間隔進(jìn)行N次采樣后，不能與實(shí)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(yīng)調(diào)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(jié)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(yīng)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(dāng)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(bǔ)償控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3．1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(bǔ)償電容器投切單元三個部分組成。由于三相電網(wǎng)滿足關(guān)系：


　　所以只要用四個互感器將u_ac、u_bc、i_a、i_b四路電網(wǎng)參量取出來，通過放大、濾波后，把信號經(jīng)過采樣保持器（S／H）、多路開關(guān)、數(shù)模轉(zhuǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理（FFT運(yùn)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(shè)計(jì)
3．2．1　DSP基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)以TMS320C240芯片為核心，充分利用它高速的運(yùn)算能力和先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)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(jìn)行無功補(bǔ)償。

　　DSP（TMS320C240）是一種為處理數(shù)字信號而專門設(shè)計(jì)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(yùn)算可提高10倍甚至100倍。由于采用了硬件實(shí)現(xiàn)乘累加運(yùn)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(jìn)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(nèi)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(nèi)含的544＊16位片內(nèi)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(zhuǎn)換接口電路；②開關(guān)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(jī)通信的接口電路。

3．2．2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　由于三相電網(wǎng)滿足關(guān)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(wǎng)參量，通過電壓、電流變換，經(jīng)放大、濾波，使輸出電壓范圍在0～5V，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換（A／D）進(jìn)行離散采樣。每周期采樣64點(diǎn)，將其數(shù)字量送入 DSP，進(jìn)行FFT變換。完成一次數(shù)據(jù)采集的時間（包括多路開關(guān)的開關(guān)時間、采樣保持時間、A／D轉(zhuǎn)換時間還有其他延遲時間）為：0． 02＊1000000／（64＊4）＝75μs。

　　TMS320F240內(nèi)含兩組8路10位A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度達(dá)100kHz，每個A／D最大轉(zhuǎn)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(wǎng)完成后即觸發(fā)，每次觸發(fā)后依次對模擬量進(jìn)行采樣。在讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時，采用DSP的外部中斷方式。當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束時，產(chǎn)生一個結(jié)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(diǎn)采集到內(nèi)存緩沖區(qū)中進(jìn)行處理。

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

　　在投切方式上，循環(huán)投和循環(huán)切程序是根據(jù)計(jì)算結(jié)果所給出的投切標(biāo)志，控制繼電器回路自動投或自動切電容器組，程序內(nèi)設(shè)有投切狀態(tài)記憶單元，當(dāng)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(dāng)然這一功能是由DSP和驅(qū)動電路來完成的。

3．3　無功補(bǔ)償控制器的軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(jì)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(bǔ)償電容器頻繁投入與切除，各個補(bǔ)償電容器使用頻率相同的原則，應(yīng)使補(bǔ)償電容器的投入和切除時控制量設(shè)定值應(yīng)有適當(dāng)?shù)幕夭钪怠?BR>
4　結(jié)束語
　　采用DSP芯片TMS320F240設(shè)計(jì)成的無功補(bǔ)償控制器特點(diǎn)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(jìn)行補(bǔ)償電容器的投切，并設(shè)有投切回差值，不會產(chǎn)生投切振蕩。
　　②交流采樣后進(jìn)行FFT計(jì)算，補(bǔ)償速度快、補(bǔ)償精度高。
　?、鄄捎貌⒙?lián)電容器補(bǔ)償方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、投資少、控制維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。
　　④補(bǔ)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)的組成部分，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，以適應(yīng)整個電控系統(tǒng)對控制器功能的要求。

參考文獻(xiàn)：