基于DSP的简单、经济、实用的无功补偿器设计

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摘　要：介绍了应用在风力发电机组电控系统中无功补偿控制器的研制，此控制器实现基于DSP的对电网电压和从发电机流出的电流快速、准确的检测，进行FFT变换，精确算出所要补偿的无功分量的值，从而对电网进行适时、有效的补偿。
关键词：DSP；FFT；无功补偿
1　引言
　　大型并网型风力发电机一般采用异步发电机。异步发电机在向电网输出有功功率的同时，还必须从电网中吸收感性的无功功率，加重了电网无功功率负担。异步发电机抽取的感性无功功率主要为了满足励磁电流的需要，另一方面，也满足转子漏磁的需要。单就前一项来说，一般大中型异步电极，励磁电流约为其额定电流 20％～25％，如此大的无功吸取如果不经过补偿直接并网，就会表现出功率因数（PF）较低，不仅对电网形成污染，而且防碍有功功率的输出，还会造成线损增加，送电距离远的末端用户电压降低，电网稳定性降低等问题。进行无功补偿，提高功率因素，对提高设备利用率、提高输电效率及改善电网质量，具有重要的实际意义。目前调节无功的装置主要有调相机、有源静止无功补偿器、并联补偿电容器等。相对来说前两种装置价格较高，结构、控制比较复杂。目前一般采用了并联电容器对无功进行补偿，这种静止补偿器具有结构简单、经济、控制和维护方便、运行可靠等优点。通过并联电容器的补偿后，异步发电机向电网提供有功的同时，所要吸取的无功电流就由电容器提供，从而大大减轻了电网的无功负担。

2　无功补偿控制器的基本工作原理
　　要取得无功补偿的最佳效果，就必须准确地测量出有功功率和无功功率。当前测量有功功率和无功功率的方法很多，本文将采用傅立叶算法，它是测量有功功率和无功功率的最为精确和有效的算法，但其计算量较大，单片机系统的计算速度远不能满足要求，而DSP的应用则解决了计算量大的问题。可以对电网参量进行实时的检测和处理，从而达到无功补偿的最佳效果。

2．1　无功功率的测量
　　本控制器采用一种基于对A／D转换后的采样序列经傅立叶变换从干扰的输入信号中对基波电压（电流）复数振幅的实部和虚部进行计算，并利用它们来实现对有功功率和无功功率的测量。假设无噪声的输入信号是频率为ω的正弦波电压。



式中：T0／N—采样间隔。
??? 对｛uk｝进行离散傅立叶变换得到基波分量的频谱系数u1（k）：



　　对正弦输入信号可证明：



　　u1（k）是输入信号的基波频谱系数，由式（1）、（2）、和（3）可得出u（k）与Um的关系。




　　可见u1（k）与Um都是表示基波分量的复数振幅，uR和uI分别为复数振幅的实部和虚部。

　　利用输入信号基波电压（电流）复数振幅的实部和虚部可以求得交流电压U、交流电流I、有功功率P和无功功率Q的有效值，为此先将复数振幅的实部和虚部变成有效值，假设输入电压复数振幅的实部和虚部有效值用UR和UI表示，由式

（3）不难求出输入电压的有效值为：



式中：IR，II—输入电流复数振幅的实部和虚部的有效值。

　　对于三相三线电网，为减少测量和计算，可先假定一参考点，如C相，在这种情况下，可仅同时测量两线电压和两相电流UAC，




　　用它们计算出两个等效的有功功率和无功功率，最后将有功功率和无功功率相加得总的有功功率和无功功率。即：




2．2　测量数据的采集
　　交流电参量的测量方法主要分为两大类：模拟电路测量方法和采样计算式测量方法。其中模拟电路测量方法准确度高，稳定性好，但不太适用于多参数测量。采样计算式测量方法比较适用于多参数测量，尤其随着计算机和电子技术的飞速发展，高性能微处理器和A／D转换器，给采样计算式测量方法，提供了有力的硬件支持。目前采样计算式测量实现了同步采样法，准同步采样法等。

　　软件同步采样法是首先测出被测信号的周期T，则用该周期除以一周期内采样点数N，得采样间隔并确定定时器的技术值，用定时器中断方式实现同步采样。软件同步采样省去了硬件电路锁相环节，结构简单，避免了锁相环设计调试的复杂和失锁现象。但由于信号的频率是在一定范围内变化，对其周期T不能准确测量，按不准确的周期T计算的采样间隔进行N次采样后，不能与实际信号的周期同步，即存在同步误差，为减小同步误差，提高测量精度，后采用自适应调整采样间隔的方法。

　　快速傅立叶变换要求将一个采样周期均分成N等分。不满足这个条件会给变换后的结果带来较大的误差。因此在傅立叶变换中根据频率的变化，采用自适应变步长可取得较高的精度。

2．3　频率的测量
??? 利用DSP芯片自带的捕获功能。捕获功能是指当捕获引脚出现指定电平时，DSP能捕获指定定时器的读数。因此将跟踪频率的方波信号作为捕获引脚的输入信号，令连续两次捕获信号在定时器上的读数之差为N，DSP定时器的频率为fs，则交流信号的频率f＝fs／N。由于定时器的最大频率为20MHz，所以测量的误差极小。

3　无功补偿控制器的系统结构
3．1　系统结构框图
　　从图1中可以看出本系统主要由DSP基本系统、数据采集系统、补偿电容器投切单元三个部分组成。由于三相电网满足关系：




　　所以只要用四个互感器将uac、ubc、ia、ib四路电网参量取出来，通过放大、滤波后，把信号经过采样保持器（S／H）、多路开关、数模转换器（A／D）使之离散化。然后把这些数字量送入数字信号处理器进行数据处理（FFT运算），从而算出所发电能的有功和无功的数值。



3．2　系统各部分硬件设计
3．2．1　DSP基本系统的设计
　　本系统以TMS320C240芯片为核心，充分利用它高速的运算能力和先进的体系结构来完成有功功率和无功功率的快速检测和处理，从而适时、有效地进行无功补偿。

　　DSP（TMS320C240）是一种为处理数字信号而专门设计的高速芯片，适用于大量的高速处理，与通用的微处理器相比，相同函数的DSP运算可提高10倍甚至100倍。由于采用了硬件实现乘累加运算及提供了特殊的位倒序操作指令及乘累加、位移累加等平行数据处理指令，使DSP非常适用于进行快速傅立叶变换（FFT）。所以DSP作为本系统的控制器非常合适。

　　由于TMS320F240内含16K闪烁存储器，所以不需外加EPROM，简化了DSP的外围电路（见图2），而它内含的544＊16位片内数据／程序双口RAM，极大地提高了数据的处理速度。DSP的外围电路由五部分组成：①模数转换接口电路；②开关量输入、输出接口电路；③测频输入电路；④两片高速RAM；⑤与上位机通信的接口电路。

3．2．2　数据采集系统的设计
　　由于三相电网满足关系式（4），只需采样两相的相电流和线电压，即uac、ubc、ia、ib四路电网参量，通过电压、电流变换，经放大、滤波，使输出电压范围在0～5V，再经过数模转换（A／D）进行离散采样。每周期采样64点，将其数字量送入 DSP，进行FFT变换。完成一次数据采集的时间（包括多路开关的开关时间、采样保持时间、A／D转换时间还有其他延迟时间）为：0． 02＊1000000／（64＊4）＝75μs。

　　TMS320F240内含两组8路10位A／D转换器，转换速度达100kHz，每个A／D最大转换时间为6．6μs，而且可由多种采样启动方式：① 程序启动方式；②时间管理器启动方式；③外部引脚触发启动方式。本系统采用第三种方式，并网完成后即触发，每次触发后依次对模拟量进行采样。在读取转换数据时，采用DSP的外部中断方式。当ADC转换结束时，产生一个结束信号，以此信号引起DSP中断，通知DSP把数据存入数据存储器RAM。数据采集完成后，将每个通道数据逐点采集到内存缓冲区中进行处理。



3．2．3　补偿电容器投切控制单元的设计
　　补偿单元由交流接触器和电力电容器组成。根据计算出来的有功功率和功率因素相结合作为投切电容器的判断依据，即可算出所要补偿的无功分量的值，并转化为10路补偿开关的控制信号，将这些信号适当放大，用以控制接触器，从而投入或切除电容器，进行适时、有效的补偿。

　　在投切方式上，循环投和循环切程序是根据计算结果所给出的投切标志，控制继电器回路自动投或自动切电容器组，程序内设有投切状态记忆单元，当一组电容器投（或切）之后按循环自动投切，即“先投先切，后投后切”原则，找出下一组电容器的投切序号，以便于下一次的投切，从而均衡电容器的使用率和寿命，当然这一功能是由DSP和驱动电路来完成的。

3．3　无功补偿控制器的软件设计
　　系统的软件设计主要由以下几个部分组成：主程序部分、数据采集部分（模拟量采集、数字量采集部分）、计算（FFT）部分、投切控制部分、通讯部分等。

　　投切控制部分：遵循不使补偿电容器频繁投入与切除，各个补偿电容器使用频率相同的原则，应使补偿电容器的投入和切除时控制量设定值应有适当的回差值。

4　结束语
　　采用DSP芯片TMS320F240设计成的无功补偿控制器特点如下：
　　①两线电压和两相电流同时采样，根据有功功率和功率因素的要求进行补偿电容器的投切，并设有投切回差值，不会产生投切振荡。
　　②交流采样后进行FFT计算，补偿速度快、补偿精度高。
　　③采用并联电容器补偿方式，具有结构简单、投资少、控制维护方便等优点。
　　④补偿电容器采用自动循环投切，有效的延长了电容器的寿命。

　　本控制器作为风力发电机组电控系统的组成部分，具有很强的抗干扰能力，以适应整个电控系统对控制器功能的要求。

参考文献：
［1］叶杭冶．风力发电机组的控制技术［M］．北京．机械工业出版社，2002．
［2］TMS320F240 DSPControllers Reference Set．Volume 1［M］．TEXASINSTRUMENTS，1998
［3］T．J．E．米勒．电力系统无功功率控制［M］．北京．水利电力出版社，1990
［4］burrus C S．Parks T W．DFT FFT and Convolution Algorithms．Theory and Implementation.John Wiley & Son,1985