磁控電抗器中DSP及其嵌入式系統(tǒng)控制器的研究

張健華 程漢湘 何紹洋 黃淼華

(廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東 廣州 510000)

0 引言

無功功率平衡對提高電網(wǎng)的經(jīng)濟效益和改善供電質(zhì)量至關(guān)重要。根據(jù)電力工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展，新型無功補償裝置的研制和應(yīng)用是我國當前電力系統(tǒng)需要解決的重大關(guān)鍵技術(shù)課題?；贛CR的動態(tài)無功補償裝置具有在容性至感性無功范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、產(chǎn)生諧波小、易于維護、成本低等優(yōu)點，適用高電壓，可直接用于直到1150kV的任何電壓等級的電網(wǎng)中，對于提高電網(wǎng)的輸電能力，調(diào)整電網(wǎng)電壓，補償無功功率，以及限制過電壓都有非常大的應(yīng)用潛力。因此對其進行認真的研究和設(shè)計研制具有十分重要的工程實際意義。然而隨著電抗器技術(shù)的不斷完善，對控制系統(tǒng)的要求也越來越高［1-3］。目前MCR的控制系統(tǒng)采用單個CPU處理，處理速度已經(jīng)受到了很大的影響。本文采用雙CPU的處理系統(tǒng)，BF506F完成相應(yīng)的數(shù)字信號處理，ADuC7026完成了控制系統(tǒng)與人機界面的操作，大大的提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，從而使磁控電抗器的控制更加可靠、靈活，穩(wěn)定，可以滿足電力系統(tǒng)對無功補償功率連續(xù)、平滑調(diào)節(jié)的要求。

1 控制系統(tǒng)的功能

(1)可以選擇是手動，自動觸發(fā)磁控電抗器;

(2)實時快速地采集數(shù)據(jù):電網(wǎng)中三相電壓、電流信號、電網(wǎng)頻率，磁控電抗器鐵芯和鐵芯氣隙處的溫度，晶閘管溫度以及故障電流信號;

圖1 系統(tǒng)功能圖

(3)處理采集信號:快速傅里葉變換(FFT)，計算電網(wǎng)的有功功率，無功功率和功率因數(shù)，晶閘管觸發(fā)角，諧波含量;

(4)顯示信息:當前時間，系統(tǒng)實時工作頻率、電壓有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、晶閘管觸發(fā)角、鐵芯溫度、鐵芯氣隙出溫度、晶閘管溫度、諧波含量;

(5)磁控電抗器(MCR)控制特性

式中I*為基波電流標幺值，β反映了鐵芯飽和程度，即半鐵芯在一個工頻周期內(nèi)鐵芯的飽和時間，且β=2arccos(1-Bd/Bs)，Bs為鐵芯磁化曲線飽和值，Bd為直流偏磁。

MCR中晶閘管觸發(fā)角α和鐵芯飽和度β的關(guān)系

根據(jù)處理數(shù)據(jù)結(jié)果計算出相應(yīng)的晶閘管觸發(fā)角α，通過控制磁控電抗器(MCR)二次側(cè)直流回路晶閘管觸發(fā)角，來改變二次側(cè)直流的電流，從而達到平滑調(diào)節(jié)磁控電抗器容量的目的［4］。

2 控制硬件原理

控制系統(tǒng)工作原理如圖2:高壓側(cè)是電抗器與電容器的簡化模型，電抗器是感性負載而電容器容性負載，固定容性負載，通過改變晶閘管觸發(fā)角就可以改變感性電流大小，這樣改變感性電流大小，就實現(xiàn)了感性無功和容性無功變化?？刂葡渲醒b有晶閘管、二極管以及光纖接收電路。如圖2所示右側(cè)控制系統(tǒng)，通過光纖將高低壓隔離，起到安全保護作用。電網(wǎng)中的A、B、C三相電壓首先經(jīng)過一級PT將1000V電壓轉(zhuǎn)換為100 V，然后進入采樣板，經(jīng)過采樣板SPT205B(3/1)型二級電壓互感器轉(zhuǎn)換成2.5V電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理電路處理后，DSP進行采樣。同樣的原理，電網(wǎng)中的A、B、C三相電流信號，經(jīng)兩級CT0(CT1采集故障電流)和信號調(diào)理電路處理后，DSP進行采樣;同時磁控電抗器采樣板，還要采集溫度傳感器輸出的信號?？刂葡到y(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)處理計算后，通過DSP的I/O口發(fā)出觸發(fā)脈沖，控制磁控電抗器。

系統(tǒng)的控制原理有兩種:兩CPU之間通過UART口來進行數(shù)據(jù)傳輸，手動觸發(fā)時，通過按鍵手動設(shè)定觸發(fā)角，然后進DSP處理發(fā)出觸發(fā)角，然后DSP采集數(shù)據(jù)計算處理，觀察晶閘管觸發(fā)后，系統(tǒng)的有功無功，功率因素;自動觸發(fā)時，DSP采集三相電壓、電流、溫度傳感器信號，數(shù)據(jù)處理后發(fā)出觸發(fā)角，同時把想要顯示的數(shù)據(jù)輸入ARM7，進行顯示。

圖2 系統(tǒng)控制原理圖

2.1 BF506FDSP和ARM7的特點

BF506FDSP處理器內(nèi)核:400MHz(800MM-ACS)性能68KBL存儲器，4MB可執(zhí)行閃存，內(nèi)置12位雙通道SAR ADC低功耗，2個SPI、2個 SPORT、2個 UART和1個 PPI接口，ADC控制模塊可與外部ADC實現(xiàn)無縫接口，并執(zhí)行同步采樣，2個三相PWM單元，CAN控制器和移動存儲器接口，8個通用計數(shù)器和2個32位升/降計數(shù)器，支持旋轉(zhuǎn)計數(shù) ，12個外設(shè)DMA通道和2個存儲器對存儲器DMA通道［5-6］;

ARM7處理器具有高速緩存處理宏單元還提供8KB緩存、讀緩存和具有內(nèi)存管理功能的高性能處理器，支持高密度16位的Thumb指令擴展;支持片上調(diào)試，支持64位乘法指令，支持嵌入式系統(tǒng)調(diào)試的Embedded ICE模塊。內(nèi)置12位的A/D模塊，1個PWM 單元和 2 個 UART［7-10］。

2.2 電源模塊(掉電保護裝置)

控制系統(tǒng)通過開關(guān)電源輸出15 V電源，經(jīng)穩(wěn)壓電路處理后提供給系統(tǒng)，因為系統(tǒng)需要3.3 V、5 V、1.8 V、1.5 V 多種電源，所以在設(shè)置的時候選用不同等級的AMS1117轉(zhuǎn)換芯片。考慮到系統(tǒng)有時候會掉電，運用ICL7673設(shè)置了相應(yīng)掉電保護模塊。系統(tǒng)掉電時，掉電保護裝置保證控制系統(tǒng)有足夠的時間將正在處理的數(shù)據(jù)保存，這樣保證了數(shù)據(jù)不會丟失。

2.3 信號采集模塊

首先將輸入信號經(jīng)過電壓和電流互感器轉(zhuǎn)換成1.0 mA和2.5 mA的信號，然后濾波，相位補償，經(jīng)信號調(diào)理電路后轉(zhuǎn)換成0～5 V電壓信號，輸入到DSP采樣模塊，考慮到系統(tǒng)中含有諧波分量，需用RC低通濾波，截止頻率為f，根據(jù)截止頻率的計算公式f=1/2πRC，可以先確定電容C1的大小，再計算出電阻R1的大小，濾波電路的相位補償電路是補償信號在采集過程中相位偏移，電壓抬升電路將負半波信號抬升，輸入到系統(tǒng)的A/D采樣模塊。而相位補償計算入在圖3中，假設(shè)Uo=(a+bj)Ui，要使Ui和Uo同相，必須使參數(shù)b等于0。經(jīng)分析計算可知

圖3 信號調(diào)理電路

這里可以通過調(diào)節(jié)R2、R3的大小確定a值，再根據(jù)式(2)、(3)算出 R4和 C2。

2.4 晶閘管驅(qū)動和檢測模塊

晶閘管驅(qū)動電路采用的脈沖變壓器，選用脈沖變壓器響應(yīng)速度快，具有很高的抗干擾能力;漏感小，保證了更好的輸出脈沖波形;該模塊驅(qū)動功率大，隔離強，性能好，電路簡單可靠性高使用方便。電路圖如4所示:DSP輸出控制脈沖，控制三極管的開斷。當DSP輸出高電平的時三極管導(dǎo)通，脈沖變壓器初級輸入電壓Uo=Vcc-Vcc/R1，通過調(diào)節(jié)R1的大小就可以改變輸入脈沖變壓器的電壓，當DSP輸出為低電平時，三極管截止，脈沖變壓器輸入電壓Uo=0:通過控制三級管可以提供給脈沖變壓器一個脈沖電壓。R2、D1起到續(xù)流的作用，D2、D3、R3起到整流的作用。圖5仿真波形是觸發(fā)角α=120°時晶閘管導(dǎo)通電壓波形，電流波形以及二極管電流波形。

晶閘管是否導(dǎo)通直接關(guān)系到磁控電抗器的補償效果，所以本系統(tǒng)設(shè)計了晶閘管檢測電路，監(jiān)控晶閘管是否正常觸發(fā)。檢測電路圖如圖6所示:晶閘管兩極電壓經(jīng)過電壓互感器PT隔離，經(jīng)橋式整流、濾波(通過調(diào)節(jié)R4、C1可以改變?yōu)V波截止頻率)，經(jīng)過比較電路后(調(diào)節(jié)R2可以改變基準電壓)然后輸入到三極管基極，當晶閘管不導(dǎo)通時，基極為高電平三極管導(dǎo)通，DSP接收到高電平;反之，DSP接收到低電平。

圖4 晶閘管驅(qū)動電路

圖5 晶閘管實驗波形

2.5 通信及人機對話模塊

圖6 晶閘管檢測電路

圖7 軟件設(shè)計流程圖

系統(tǒng)運用RS232與計算機進行通信，DSP和ARM都可以單獨與計算機進行通信。協(xié)議進行設(shè)定:用標準異步串行通信協(xié)議，只使用數(shù)據(jù)接收(RXD)線和數(shù)據(jù)傳輸(TXD)線，兩機通信采用同一波特率，每個命令字節(jié)(10位)包括一個低電平起始位、8位數(shù)據(jù)位、1個高電平停止位?？刂葡到y(tǒng)每隔一段時間控制系統(tǒng)與計算機通信一次，將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，供工作人員分析數(shù)據(jù)。

控制系統(tǒng)運用ARM7實現(xiàn)LCD(320*240)顯示和鍵盤的控制，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動投切，自動觸發(fā)，也可以手動觸發(fā)，通過鍵盤來輸入晶閘管觸發(fā)角，鍵盤控制使用的是ARM7外部中斷。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)開始初始化，然后開始采樣電流電壓信號，過零檢測實時跟蹤電網(wǎng)的頻率，在A、B、C三相電壓的每次過零點處，DSP相應(yīng)外部中斷，在中斷子程序中以三相電壓的過零點作為晶閘管觸發(fā)角α基準，來找出相應(yīng)晶閘管觸發(fā)角α，調(diào)節(jié)磁控電抗器二次側(cè)的直流，從而達到補償效果。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7:為了提高系統(tǒng)的精確度，處理數(shù)據(jù)采用快速傅里葉(FFT)處理采集的數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)傅里葉展開，取出基波進行計算，有功功率和無功功率，還可以非常方便的計算出諧波含量，提高了控制系統(tǒng)的處理精度。

4 結(jié)束語

本文基于DSP芯片BF506F和ADuC7026設(shè)計了磁閥式可控電抗器的控制裝置。能夠?qū)崟r采集電網(wǎng)信號，監(jiān)控磁控電抗器鐵芯氣隙，晶閘管溫度，而且高精度轉(zhuǎn)換快速處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對磁控電抗器容量進行有效和平滑地調(diào)節(jié)，達到動態(tài)無功補償?shù)哪康摹?/p>

本系統(tǒng)創(chuàng)新點

(1)硬件方面:采用雙CPU，BF506F和ADuC7026，DSP采用的是國內(nèi)最先進 BF506F，400 MH的指令執(zhí)行速度，內(nèi)置4MBFlash存儲器，內(nèi)置一個特別ADC控制模塊(ACM)可以自己獨立設(shè)置采樣模式，選擇采樣通道，不占用DSP內(nèi)核處理的時間，這樣大大的節(jié)省了DSP處理的執(zhí)行時間從而提高了DSP的數(shù)據(jù)處理速度。數(shù)據(jù)傳輸采用DMA(Direct Memory Access)通過硬件實現(xiàn)存儲器與存儲器之間、存儲器與ADuC7026之間高速數(shù)據(jù)傳送，不需要內(nèi)核干預(yù)，減少中間環(huán)節(jié)，而且存儲器地址的修改和傳送均有硬件自動完成，極大的提高了傳送速度和工作效率［5］。設(shè)計系統(tǒng)的掉電保護模塊和晶閘管檢測模塊等。

(2)軟件方面:軟件程序可靠性高，具有看門狗保護程序。采用快速傅里葉(FFT)處理采集數(shù)據(jù)，可以利用功率因數(shù)和電壓穩(wěn)定兩種控制原理來控制磁控電抗器進行補償無功，系統(tǒng)采用了PI控制，可以實現(xiàn)快速穩(wěn)定的調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角?，同時控制進行自動和手動切換控制磁控電抗器。

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