基于DSP的TCR＋FC型靜止無功補償系統控制部分的設計

黃發鈞，王 麗，劉 宇

（中船重工集團 第七二二研究所，湖北 武漢 430079）

隨著我國國民經濟的飛速發展，電網規模的逐漸增大，工業電弧爐、軋鋼機、電力機車等沖擊性負荷在工業應用領域中大量使用，這些負荷功率因數低，無功變化大且急劇，運行時會造成低壓配電網電壓的急劇波動，從而惡化電能質量和造成大量線路損耗，而且在系統中注入了大量的高次諧波，嚴重影響了系統供電的電能質量，使用戶的正常工作受到不同程度的影響。如何對上述負荷的供電采取有效的補償，快速地提供其在動態過程中所需的無功，從而抑制其引起的電壓波動和閃變，在國內越來越引起供電部門和工業用電大戶的關注[1]。

1 概 述

在工業電網中，通過加入無功補償，可以抑制系統電壓的波動及閃變，改善系統的不平衡，提高系統的穩定性，同時可以增加電網中的有功功率的比例常數，減少發、供電設備的設計容量，提高電網的工作效率。無功功率補償裝置先后經歷了早期的調相機、并聯電容器、并聯電抗器到現在的各種類型的SVC（Static Var Compensator靜止無功補償）。SVC以其價格較低、維護簡單、工作可靠，成為目前主流的補償裝置。SVC最基本的兩種類型結構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等混合型結構，對于負載補償絕大多數采用TCR+FC型[2-3]。本文描述的系統選用的是TCR＋FC型SVC結構。通過調節TCR的晶閘管，來控制電流、電壓的相位，平衡電網系統中的容性，使電網系統達到平衡。

2 系統硬件設計和實現

2.1 系統總體結構

本TCR+FC型無功補償系統由擊穿檢測單元、控制單元和保護單元三大部分組成?？刂茊卧獜娜嚯娋W上采集到實時的物理信號，經內部計算處理后發出觸發脈沖，同時檢測觸發脈沖丟失和TCR過流等；保護單元也實時采集電網的實時物理狀態，計算查詢電網是否處于正常的工作狀態，同時會接收到上位機或控制單元的控制命令，然后對閥組進行具體動作；擊穿單元則直接負責檢測系統硬件的狀態，當發現有器件的損壞，則通知上位機，同時對閥組進行操作[4-5]。系統所有模塊的處理芯片均選用TI公司提供的C2000系列浮點型處理器TMS320F28335。系統通過電網電流、電壓等物理信號的采樣，到采樣信號的數字處理，到處理信號處理后的控制決策和操作，來實現對電網的無功功率的補償，實現電網系統的功率平衡[6]。整個系統的通訊通路主要由SCI串口總線和ECAN口總線兩種方式組成。系統的構成如圖1所示。

圖1 系統功能結構框圖Fig.1 System function block diagram

2.2 控制單元設計

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

2.2.1 采樣部分的硬件設計

該部分主要用來完成電網實時物理信號采樣和補償電納值的計算。從硬件結構上來描述，采樣板主要分為模擬部分和數字部分：模擬部分用來完成數據采集，數字部分用來完成采集信號的處理和傳輸，如圖2所示。

圖2 采樣板硬件結構圖Fig.2 Sampling model hardware chart

隔離電路主要用來預防高壓的瞬間輸入，防止硬件板器件被損壞。電網上的三相的相電壓、線電流和TCR線電流首先經過電壓電流放大電路進行變比，得到AD7656采樣幅值范圍內的值，然后把ADC轉換后的數字信號經CPLD傳遞給DSC。

控制單元模塊中板卡的數據通信是通過eCAN 1總線來實現的。eCAN是ISO國際標準化的串行通信協議。它具有較高的通信速率和較強的抗干擾能力，可以作為現場總線應用于電磁噪聲較大的場合。在TMS320F28335的DSC中集成了2個eCAN總線模塊，每個總線模塊帶有32個完全可配置的郵箱，可以完成廣播和點對點數據傳播，實現靈活穩定的串行通信。本系統設置的eCAN通信傳輸速率為250 kbps。

控制單位同上位機和保護單位通信，則采用RS232串口通信協議。利用TMS320F28335 DSC所帶有的SCI串行通信接口，實現串行通信。通過配置SCI接口寄存器，設置通信速率為38400bps。按照RS232通信協議，設置1個起始位，1個停止位，1個奇偶校驗位和8個數據位[7]。

系統利用TMS320F28335的eCAP接口來采樣同步板輸出的同步信號。同步信號是一個占空比為1：1的一個方波型號，其頻率為50Hz，同電網電壓、電流頻率相同。其目的是為了同步采樣的電壓、電流的相位，使后續的計算中的電壓、電流在一個周期內能夠具有相同的起始點和結束點。通過設置eCAP的寄存器來采樣外部輸入的延邊信號，當采樣到上升沿或下降沿時，響應eCAP對應的中斷服務函數，從而完成響應的數據處理。

系統選用AD7656來完成模擬信號的采樣。AD7656是美國模擬電氣公司提供的具有6通路的精度為16位的模數轉換芯片。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傳輸數據。在AD7656中有6個通路，3個ADC轉換器，每兩個通路對應一個ADC轉換器，而對應的轉換控制管腳為CONVSTX。當一個上升沿到達CONVSTA，則其對應的通路1和通路2開始進行AD轉換。而BUSY信號則用來檢測采樣是否完成，當BUSY信號由高電平變為低電平時，則表示采樣完成，則可以讀取采樣通路上采樣數據。本系統，把CONVSTA、CONVSTB和CONVSTC三個采樣控制信號接到一起，來滿足當一個采樣時鐘到來時，6路AD轉換器同時開始工作，如圖3。

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

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

2.2.2 控制部分的硬件設計

該部分主要是用來對采樣板采樣、處理后的數據完成進一步的處理，然后直接通過DSC的ePWM接口發出脈沖信號。該信號脈沖用來控制驅動板，對閥組進行控制，從而控制投入SVC系統中的TCR晶閘管投入電網的數量，平衡電網系統中多余的容性。

從硬件角度來說，該部分電路并不復雜，也是利用TMS320F28335作為主控芯片，來完成導通延時角α的計算，然后通過相位和時間的比例關系來控制ePWM模塊發出脈沖。

ePWM是增強性脈沖寬度調制的縮寫。其主要功能是通過軟件的控制，來實現不同寬度脈沖的輸出?？梢酝ㄟ^對其管腳對應的寄存器賦值，來決定其輸出為高電平或低電平，這同GPIO類似，但是其同時具有類似與定時器的計數功能，可以認為通過ePWM計算器和管腳控制，來產生不同寬度的高、低電平。

2.3 其他單元

由圖1可以看到，TCR+FC型無功補償系統還包括保護單元部分和擊穿檢測單位部分。分別完成對TCR晶閘管工作狀態的檢測和對電網系統電壓、電流等物理量的檢測。在保護單元中的保護板、采樣板、64路輸入板和64路輸出板以及擊穿檢測單位中的擊穿檢測板都是使用TMS320F28335 DSC作為主控芯片，來完成控制處理和算法計算。本文主要介紹控制單元部分，對保護單元和擊穿檢測單元不作過多的描述。

3 系統控制部分軟件設計

TCR+FC型SVC控制部分軟件的設計主要是依據TCR系統控制原理，通過計算一個周期內的電抗器導通角，從而發出脈沖信號來驅動晶閘管的投切動作，平衡電網的容性狀態[4]。圖4顯示了系統控制部分軟件的流程結構。

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

整個軟件都是以采樣的值作為計算依據，分別算出電抗器的電納值，和系統的有功功率和無功功率，然后在控制板上，通過采樣板計算的電納值，求得電抗器的導通角，并通過導通角求得一周期內晶閘管的投切具體時刻，從而發送脈沖信號使TCR晶閘管投入到電網中；同時為了上位機能夠實時監控電網系統的狀態指標，則需要把采樣到的物理量和計算的有功、無功值通過SCI口傳送給上位機，加以顯示。

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

4 結 論

本文主要介紹了所設計的SVC系統控制部分的硬件電路、控制原理以及系統控制部分軟件設計。以TMS320F28335為核心處理器，在采樣系統中完成電網的電壓、電流等物理量的采集和處理；在控制板中，實現系統的總體控制。實驗證明，系統的硬件電路設計和控制策略的設計滿足要求，系統能夠按照設計對TCR晶閘管進行合理的投切控制。

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