基于DSP的TCR＋FC型靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)

黃發(fā)鈞，王 麗，劉 宇

（中船重工集團(tuán) 第七二二研究所，湖北 武漢 430079）

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的逐漸增大，工業(yè)電弧爐、軋鋼機(jī)、電力機(jī)車等沖擊性負(fù)荷在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中大量使用，這些負(fù)荷功率因數(shù)低，無功變化大且急劇，運(yùn)行時(shí)會(huì)造成低壓配電網(wǎng)電壓的急劇波動(dòng)，從而惡化電能質(zhì)量和造成大量線路損耗，而且在系統(tǒng)中注入了大量的高次諧波，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)供電的電能質(zhì)量，使用戶的正常工作受到不同程度的影響。如何對(duì)上述負(fù)荷的供電采取有效的補(bǔ)償，快速地提供其在動(dòng)態(tài)過程中所需的無功，從而抑制其引起的電壓波動(dòng)和閃變，在國內(nèi)越來越引起供電部門和工業(yè)用電大戶的關(guān)注[1]。

1 概 述

在工業(yè)電網(wǎng)中，通過加入無功補(bǔ)償，可以抑制系統(tǒng)電壓的波動(dòng)及閃變，改善系統(tǒng)的不平衡，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)可以增加電網(wǎng)中的有功功率的比例常數(shù)，減少發(fā)、供電設(shè)備的設(shè)計(jì)容量，提高電網(wǎng)的工作效率。無功功率補(bǔ)償裝置先后經(jīng)歷了早期的調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器到現(xiàn)在的各種類型的SVC（Static Var Compensator靜止無功補(bǔ)償）。SVC以其價(jià)格較低、維護(hù)簡單、工作可靠，成為目前主流的補(bǔ)償裝置。SVC最基本的兩種類型結(jié)構(gòu)為晶閘管相控電抗器型（TCR）和晶閘管投切電容器型（TSC），TCR和TSC可以相互之間組成TCR+TSC，或者與FC（Filter Capacitor濾波電容）組成TCR+FC和TCR+TSC+FC等混合型結(jié)構(gòu)，對(duì)于負(fù)載補(bǔ)償絕大多數(shù)采用TCR+FC型[2-3]。本文描述的系統(tǒng)選用的是TCR＋FC型SVC結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)TCR的晶閘管，來控制電流、電壓的相位，平衡電網(wǎng)系統(tǒng)中的容性，使電網(wǎng)系統(tǒng)達(dá)到平衡。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本TCR+FC型無功補(bǔ)償系統(tǒng)由擊穿檢測(cè)單元、控制單元和保護(hù)單元三大部分組成?？刂茊卧獜娜嚯娋W(wǎng)上采集到實(shí)時(shí)的物理信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部計(jì)算處理后發(fā)出觸發(fā)脈沖，同時(shí)檢測(cè)觸發(fā)脈沖丟失和TCR過流等；保護(hù)單元也實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)的實(shí)時(shí)物理狀態(tài)，計(jì)算查詢電網(wǎng)是否處于正常的工作狀態(tài)，同時(shí)會(huì)接收到上位機(jī)或控制單元的控制命令，然后對(duì)閥組進(jìn)行具體動(dòng)作；擊穿單元?jiǎng)t直接負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)硬件的狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有器件的損壞，則通知上位機(jī)，同時(shí)對(duì)閥組進(jìn)行操作[4-5]。系統(tǒng)所有模塊的處理芯片均選用TI公司提供的C2000系列浮點(diǎn)型處理器TMS320F28335。系統(tǒng)通過電網(wǎng)電流、電壓等物理信號(hào)的采樣，到采樣信號(hào)的數(shù)字處理，到處理信號(hào)處理后的控制決策和操作，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的無功功率的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡[6]。整個(gè)系統(tǒng)的通訊通路主要由SCI串口總線和ECAN口總線兩種方式組成。系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System function block diagram

2.2 控制單元設(shè)計(jì)

控制單元是本系統(tǒng)中的核心部分，總體上可以分為物理采樣和控制處理兩部分，主要負(fù)責(zé)完成電網(wǎng)實(shí)時(shí)物理信號(hào)（主要包括電流、電壓）的采樣和控制策略的實(shí)現(xiàn)。在采樣板2和物理電網(wǎng)之間，還需要有電流電壓轉(zhuǎn)換板和同步板，電流電壓轉(zhuǎn)換板用來把千伏級(jí)電壓和百安級(jí)電流轉(zhuǎn)換成采樣板中ADC滿足的采樣范圍內(nèi)的電壓值，實(shí)現(xiàn)采樣；而同步板主要是為了同步采樣信號(hào)的初始相位?？刂瓢搴筒蓸影彘g的通訊，是通過eCAN 1口來實(shí)現(xiàn)；控制單元和保護(hù)單元的通信，則主要通過SCI 3（RS232）來完成。

2.2.1 采樣部分的硬件設(shè)計(jì)

該部分主要用來完成電網(wǎng)實(shí)時(shí)物理信號(hào)采樣和補(bǔ)償電納值的計(jì)算。從硬件結(jié)構(gòu)上來描述，采樣板主要分為模擬部分和數(shù)字部分：模擬部分用來完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)字部分用來完成采集信號(hào)的處理和傳輸，如圖2所示。

圖2 采樣板硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sampling model hardware chart

隔離電路主要用來預(yù)防高壓的瞬間輸入，防止硬件板器件被損壞。電網(wǎng)上的三相的相電壓、線電流和TCR線電流首先經(jīng)過電壓電流放大電路進(jìn)行變比，得到AD7656采樣幅值范圍內(nèi)的值，然后把ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)CPLD傳遞給DSC。

控制單元模塊中板卡的數(shù)據(jù)通信是通過eCAN 1總線來實(shí)現(xiàn)的。eCAN是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。它具有較高的通信速率和較強(qiáng)的抗干擾能力，可以作為現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于電磁噪聲較大的場(chǎng)合。在TMS320F28335的DSC中集成了2個(gè)eCAN總線模塊，每個(gè)總線模塊帶有32個(gè)完全可配置的郵箱，可以完成廣播和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳播，實(shí)現(xiàn)靈活穩(wěn)定的串行通信。本系統(tǒng)設(shè)置的eCAN通信傳輸速率為250 kbps。

控制單位同上位機(jī)和保護(hù)單位通信，則采用RS232串口通信協(xié)議。利用TMS320F28335 DSC所帶有的SCI串行通信接口，實(shí)現(xiàn)串行通信。通過配置SCI接口寄存器，設(shè)置通信速率為38400bps。按照RS232通信協(xié)議，設(shè)置1個(gè)起始位，1個(gè)停止位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和8個(gè)數(shù)據(jù)位[7]。

系統(tǒng)利用TMS320F28335的eCAP接口來采樣同步板輸出的同步信號(hào)。同步信號(hào)是一個(gè)占空比為1：1的一個(gè)方波型號(hào)，其頻率為50Hz，同電網(wǎng)電壓、電流頻率相同。其目的是為了同步采樣的電壓、電流的相位，使后續(xù)的計(jì)算中的電壓、電流在一個(gè)周期內(nèi)能夠具有相同的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。通過設(shè)置eCAP的寄存器來采樣外部輸入的延邊信號(hào)，當(dāng)采樣到上升沿或下降沿時(shí)，響應(yīng)eCAP對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)，從而完成響應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)選用AD7656來完成模擬信號(hào)的采樣。AD7656是美國模擬電氣公司提供的具有6通路的精度為16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片，可以通過硬件管腳SER/PAR SEL連接方式，來選擇是以串行還是并行方式來向DSC傳輸數(shù)據(jù)。在AD7656中有6個(gè)通路，3個(gè)ADC轉(zhuǎn)換器，每兩個(gè)通路對(duì)應(yīng)一個(gè)ADC轉(zhuǎn)換器，而對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換控制管腳為CONVSTX。當(dāng)一個(gè)上升沿到達(dá)CONVSTA，則其對(duì)應(yīng)的通路1和通路2開始進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。而BUSY信號(hào)則用來檢測(cè)采樣是否完成，當(dāng)BUSY信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，則表示采樣完成，則可以讀取采樣通路上采樣數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)，把CONVSTA、CONVSTB和CONVSTC三個(gè)采樣控制信號(hào)接到一起，來滿足當(dāng)一個(gè)采樣時(shí)鐘到來時(shí)，6路AD轉(zhuǎn)換器同時(shí)開始工作，如圖3。

圖3 AD采樣部分硬件連接圖Fig.3 AD sampling hardware connection diagram

系統(tǒng)要完成18路的信號(hào)的采樣，所以選用了三片AD7656。將所有的CONVSTX連接到一起，來滿足18通路同時(shí)采樣，并通過CPLD來完成CS、BUSY和RD等控制信號(hào)的的譯碼。而ADC_CONV信號(hào)則決定了系統(tǒng)的采樣率，通過直接接入固定晶振的時(shí)鐘或是利用DSC內(nèi)部定時(shí)器分頻來提供一個(gè)固定的采樣時(shí)鐘。

2.2.2 控制部分的硬件設(shè)計(jì)

該部分主要是用來對(duì)采樣板采樣、處理后的數(shù)據(jù)完成進(jìn)一步的處理，然后直接通過DSC的ePWM接口發(fā)出脈沖信號(hào)。該信號(hào)脈沖用來控制驅(qū)動(dòng)板，對(duì)閥組進(jìn)行控制，從而控制投入SVC系統(tǒng)中的TCR晶閘管投入電網(wǎng)的數(shù)量，平衡電網(wǎng)系統(tǒng)中多余的容性。

從硬件角度來說，該部分電路并不復(fù)雜，也是利用TMS320F28335作為主控芯片，來完成導(dǎo)通延時(shí)角α的計(jì)算，然后通過相位和時(shí)間的比例關(guān)系來控制ePWM模塊發(fā)出脈沖。

ePWM是增強(qiáng)性脈沖寬度調(diào)制的縮寫。其主要功能是通過軟件的控制，來實(shí)現(xiàn)不同寬度脈沖的輸出?？梢酝ㄟ^對(duì)其管腳對(duì)應(yīng)的寄存器賦值，來決定其輸出為高電平或低電平，這同GPIO類似，但是其同時(shí)具有類似與定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能，可以認(rèn)為通過ePWM計(jì)算器和管腳控制，來產(chǎn)生不同寬度的高、低電平。

2.3 其他單元

由圖1可以看到，TCR+FC型無功補(bǔ)償系統(tǒng)還包括保護(hù)單元部分和擊穿檢測(cè)單位部分。分別完成對(duì)TCR晶閘管工作狀態(tài)的檢測(cè)和對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)電壓、電流等物理量的檢測(cè)。在保護(hù)單元中的保護(hù)板、采樣板、64路輸入板和64路輸出板以及擊穿檢測(cè)單位中的擊穿檢測(cè)板都是使用TMS320F28335 DSC作為主控芯片，來完成控制處理和算法計(jì)算。本文主要介紹控制單元部分，對(duì)保護(hù)單元和擊穿檢測(cè)單元不作過多的描述。

3 系統(tǒng)控制部分軟件設(shè)計(jì)

TCR+FC型SVC控制部分軟件的設(shè)計(jì)主要是依據(jù)TCR系統(tǒng)控制原理，通過計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)的電抗器導(dǎo)通角，從而發(fā)出脈沖信號(hào)來驅(qū)動(dòng)晶閘管的投切動(dòng)作，平衡電網(wǎng)的容性狀態(tài)[4]。圖4顯示了系統(tǒng)控制部分軟件的流程結(jié)構(gòu)。

圖4 系統(tǒng)控制部分軟件流程圖Fig.4 Soft flow chart of system control

整個(gè)軟件都是以采樣的值作為計(jì)算依據(jù)，分別算出電抗器的電納值，和系統(tǒng)的有功功率和無功功率，然后在控制板上，通過采樣板計(jì)算的電納值，求得電抗器的導(dǎo)通角，并通過導(dǎo)通角求得一周期內(nèi)晶閘管的投切具體時(shí)刻，從而發(fā)送脈沖信號(hào)使TCR晶閘管投入到電網(wǎng)中；同時(shí)為了上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電網(wǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)指標(biāo)，則需要把采樣到的物理量和計(jì)算的有功、無功值通過SCI口傳送給上位機(jī)，加以顯示。

由于采樣芯片AD7656輸入信號(hào)的幅值范圍在-6～+6V，所以在外部輸入的電壓，電流信號(hào)都需要通過電流、電壓轉(zhuǎn)換板，完成變比轉(zhuǎn)換。而在采樣板計(jì)算時(shí)，則需要把采樣到的小信號(hào)反變比變化成大信號(hào)量。

4 結(jié) 論

本文主要介紹了所設(shè)計(jì)的SVC系統(tǒng)控制部分的硬件電路、控制原理以及系統(tǒng)控制部分軟件設(shè)計(jì)。以TMS320F28335為核心處理器，在采樣系統(tǒng)中完成電網(wǎng)的電壓、電流等物理量的采集和處理；在控制板中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和控制策略的設(shè)計(jì)滿足要求，系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)對(duì)TCR晶閘管進(jìn)行合理的投切控制。

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