控制网

1.前言

    电力电子技术是未来工业技术发展的重要支柱，然而它的非线性、冲击性和不平衡用电特性，给公用电网的供电质量造成了严重污染。另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感设备的应用，人们对电网供电质量的要求越来越高，对电网中的谐波含量及用电设备的功率因数提出了更严格的要求。

资料表明，发达国家50%以上的电力负荷通过电力电子装置供电，我国目前30%左右的负荷经过各类功率变换后供用户使用，随着人们节能意识及环保意识的增强，此类负荷在我国将会迅速增加，由此带来的谐波污染问题将会更加突出。因此，正确分析电网谐波、无功功率产生的根源和机理，进而采取有效措施最大限度抑制其影响，以保证电网的安全、经济运行是非常重要的^[1]。

2.无功补偿及谐波抑制原理

    基于DSP的无功补偿和谐波抑制装置以电网电流、电压为输入信号，采用光耦双向晶闸管作为开关，投切电力电容器组，同时在晶闸管投切电容器（TSC）回路中采用抑波电抗器，以有效吸收大部分谐波电流，减少谐波电流返逆主变压器，从而达到无功补偿和谐波抑制的目的。它能有效改善用电负荷的功率因数，降低线损和谐波含量，提高变压器的出力，具有显著的节能效果。

3.系统设计

    由下图可以看出，整个装置包括模拟量输入、A/D转换、DSP、执行、开关量输出模块。利用DSP强大的数据处理能力采集、检测电网的实时电流、电压信号，通过DSP内建的快速傅立叶变换（FFT）算法将模拟信号数字化从而计算出电网谐波电流和所需的无功功率，根据计算结果投入和切除抑波电抗器、电力电容器组以达到控制要求。

3.1主控制芯片

    美国德州仪器（TI）公司于 1996 年推出了专门用于电机控制的 TMS320C240数字信号处理器。通过高性能的 DSP 核芯与功能强大的片上外设的集成，C24x 系列 DSP 为传统微处理器提供了高性价比的替代品。1998年 TI 公司又推出了TMS320LF2407A芯片，其运行速度达到 40MIPS。作为装置的核心，TMS320LF2407A 具有强大的片上 I/O 和其他外设。它的事件管理器（Event Manager）是专门为控制设计的，具有多达4个可编程定时器，每个定时器又具备多种中断，非常有利于产生控制信号。丰富的I/O 口为控制信号的输入输出提供了极大的便利^[1]。  

3.2数据采集与处理

无功补偿的精确性依赖于对电网信号的准确检测和计算。所以，电网信号的准确测量非常重要。同时由于电网信号变化快，谐波普遍存在，其电压、电流信号要由各次谐波量的叠加来计算。因此我们可以借鉴数字信号理论中成熟的快速傅立叶变换（FFT）对电网信号进行处理。
    对电网母线监测点的三相电压、电流信的顺序进行采样。TMS320LF2407A芯片内嵌的10位模数转换器（ADC）的采样转换时间为500ns，提供16路模拟输入通道，具有自动排序功能，在装置中使用6个通道，所以在理想状态下每3us就可以采样转换6通道模拟量的数值。如果对采样速度和精度要求较高，可以采用Maxim公司推出的MAX125高速多通道14位数据采集芯片。该芯片可以同时对4路输入信号进行同步采样，从而大大提高转换速度和精度^[3]。
    由于装置要分析1~31次谐波，根据奈奎斯特采样定理可知，采样频率必须大于等于2倍的最高分析频率，即（是谐波信号最高频率的两倍，称为奈奎斯特频率，是采样频率）。只要采样频率大于奈奎斯特频率，那么数字信号中就包含了模拟信号的全部信息，可将其完全复原。在装置中要求检测到第31次谐波，奈奎斯特频率即为，取。同时由于在数据处理中采用FFT的基2算法，即N=，（N是一个周期内的采样点数；m为正整数）。综合上述两方面考虑，确定采样频率为3200Hz，那么该采样频率对于工频为50Hz的理想电网信号一周期恰好采集64点。

为充分利用DSP的硬件乘法器功能，装置利用FFT算法对数据进行实时处理以分析功率因数和谐波情况。在进行FFT运算时，需要解决整序和蝶形算法问题。整序问题可以按码位倒置的原理实现，这是进行蝶形算法的先决条件。TMS320LF2407A芯片具有反序间接寻址功能，所以将A/D转换后的数值通过反序排列作为FFT的输入序列，则输出为正序排列，由于采集信号为电压量u(t)和电流量i(t)，均为实函数，且采用复数64点FFT来实现，所以虚部置0，在内存区开辟128个单元，对每路信号每周期采样64点，那么进行FFT的基2算法时，蝶形算法的级数，所以FFT分6级进行运算，蝶形算法是FFT的关键，其运算规则如下图所示：

       图中，P、Q是虚部为0的复数，P’ 、Q’为蝶形运算后的数值，W为旋转因子，其值为：，

通过对FFT算法6级运算的研究可以发现，第1、2级W的实部和虚部的值为0或1，所以第1、2级可以按基4算法来实现，以加快运算速度^[2]。

3.3硬件设计

信号输入单元：三相电压、电流信号经过信号预处理,输入到DSP的A/D转换通道进行采样，同时引入一路正弦信号经比较电路输出,将正弦信号转换成方波信号,通过DSP的定时器测出两个上升沿之间的时间,从而得出电网信号的周期，再由预先设定的采样点数计算出采样频率,以保证信号采样的同步,消除非同步采样引起的频谱泄漏,保证测量精度。在信号进入DSP处理之前，还必须通过信号调理电路，该电路包括信号衰减和模拟抗混叠滤波器。由互感器得到的电压、电流信号线性衰减成DSP的量程范围以内,再经抗混叠滤波器滤波,输入到DSP的A/D转换器中进行采样和模数转换，抗混叠滤波器的作用是把电力系统的信号进行低通滤波,滤除高频分量,使输入DSP进行处理的信号是满足奈奎斯特采样定律()要求的信号,消除混叠现象,提高FFT的运算精度。

控制单元：DSP在一个工频周期内等间隔地采集64点电压、电流数据后,经DSP处理计算出电网电压、电流、功率因数、无功功率、电压、1~32次谐波电流等参数值,存储并送至显示单元,控制器不断监测电网负荷参数,根据预设的参数值,形成投切信号,由执行单元完成电力电容器和抑波电抗器的正确投切。

执行单元：由于传统机械触头动作速度与工频电压、电流的变化速度不匹配,在投切过程中由于电力电容器极性的存在产生涌流,难以实现无功补偿的优化运行,而且经常发生过补偿，装置中选用晶闸管控制投切电力电容器,可以10ms的速度将补偿容量投入电网,并严格控制在各相电压最高点时合闸,避免涌流冲击。晶闸管的触发脉冲由专门的触发电路提供,严格保证相序正确，设有触发延时可调控制,从而具备循环投切功能。由于装置中强弱电并存，所以在输入输出信号的传输中设置TLP521光电耦合器，以避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰。

3.4软件设计

    在TI公司的CCS2000平台上完成软件开发，应用程序采用功能块结构，由主程序、中断服务程序、运算程序、循环投切程序、显示程序等功能块组成。主程序完成堆栈设置，初始化设置，定时设置，工作方式设置，调用子程序等功能。中断服务程序完成信号采集，同步功能。运算程序完成对每次采集数据的分析，然后和标准值进行比较以确定当前电网的运行状况，从而给出投切信号。循环投切程序根据运算结果所给的投切标志，控制晶闸管回路自动投切电容器组，程序内设有投切记忆单元，当一组电容器投入（切除）后，按先投（切）先切（投）的原则找出下一组电容器的投切序号。考虑到各种误差因数，设置投入裕度，每次投入电容器时，留有一定的裕度以防止过补偿而造成频繁投切动作。

4.结论

    本文研究了基于DSP无功补偿及谐波抑制装置的原理和技术问题，在输入、输出部分之间设置了光电耦合器，提高了可靠性，可以安全的检测电网中各项数据。采用TMS320LF2407A芯片作为主控制器，可充分利用其强大的数据处理功能，对采集的数据及时进行快速傅立叶变换等复杂运算，满足工业控制的稳定性、实时性要求，所以该装置将适用于各类中低压配电网络，降低线路损耗，提高电网的运行质量和稳定性。

参考文献：

[1]   朱铭锆,赵勇,甘泉.DSP应用系统设计.电子工业出版社,2002.

[2]   刘黎明,刘涤尘,史进.智能式动态无功补偿装置的研究[Ｊ].电力自动化设备,

2002,22(8):28-31.

[3]   高宇英,刘乾业.智能型低压无功补偿装置若干问题的探讨[Ｊ].电力电容器,2002,23(2):43-47.

[4]   刘维民,周登洪.国产静止型动态无功补偿装置及其应用[Ｊ],电力电容器,

1999(1):16-23.

[5]   翁利民,张广祥,曾莉.武钢硅钢ＳＶＣ的研制与实际效果的评价[Ｊ].电力系统自动化,2000(10):39-42.