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1.前言

    電力電子技術(shù)是未來(lái)工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要支柱，然而它的非線性、沖擊性和不平衡用電特性，給公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成了嚴(yán)重污染。另一方面，隨著以計(jì)算機(jī)為代表的大量敏感設(shè)備的應(yīng)用，人們對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的要求越來(lái)越高，對(duì)電網(wǎng)中的諧波含量及用電設(shè)備的功率因數(shù)提出了更嚴(yán)格的要求。

資料表明，發(fā)達(dá)國(guó)家50%以上的電力負(fù)荷通過(guò)電力電子裝置供電，我國(guó)目前30%左右的負(fù)荷經(jīng)過(guò)各類功率變換后供用戶使用，隨著人們節(jié)能意識(shí)及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，此類負(fù)荷在我國(guó)將會(huì)迅速增加，由此帶來(lái)的諧波污染問(wèn)題將會(huì)更加突出。因此，正確分析電網(wǎng)諧波、無(wú)功功率產(chǎn)生的根源和機(jī)理，進(jìn)而采取有效措施最大限度抑制其影響，以保證電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是非常重要的^[1]。

2.無(wú)功補(bǔ)償及諧波抑制原理

    基于DSP的無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制裝置以電網(wǎng)電流、電壓為輸入信號(hào)，采用光耦雙向晶閘管作為開(kāi)關(guān)，投切電力電容器組，同時(shí)在晶閘管投切電容器（TSC）回路中采用抑波電抗器，以有效吸收大部分諧波電流，減少諧波電流返逆主變壓器，從而達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制的目的。它能有效改善用電負(fù)荷的功率因數(shù)，降低線損和諧波含量，提高變壓器的出力，具有顯著的節(jié)能效果。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    由下圖可以看出，整個(gè)裝置包括模擬量輸入、A/D轉(zhuǎn)換、DSP、執(zhí)行、開(kāi)關(guān)量輸出模塊。利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力采集、檢測(cè)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電流、電壓信號(hào)，通過(guò)DSP內(nèi)建的快速傅立葉變換（FFT）算法將模擬信號(hào)數(shù)字化從而計(jì)算出電網(wǎng)諧波電流和所需的無(wú)功功率，根據(jù)計(jì)算結(jié)果投入和切除抑波電抗器、電力電容器組以達(dá)到控制要求。

3.1主控制芯片

    美國(guó)德州儀器（TI）公司于 1996 年推出了專門(mén)用于電機(jī)控制的 TMS320C240數(shù)字信號(hào)處理器。通過(guò)高性能的 DSP 核芯與功能強(qiáng)大的片上外設(shè)的集成，C24x 系列 DSP 為傳統(tǒng)微處理器提供了高性價(jià)比的替代品。1998年 TI 公司又推出了TMS320LF2407A芯片，其運(yùn)行速度達(dá)到 40MIPS。作為裝置的核心，TMS320LF2407A 具有強(qiáng)大的片上 I/O 和其他外設(shè)。它的事件管理器（Event Manager）是專門(mén)為控制設(shè)計(jì)的，具有多達(dá)4個(gè)可編程定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器又具備多種中斷，非常有利于產(chǎn)生控制信號(hào)。豐富的I/O 口為控制信號(hào)的輸入輸出提供了極大的便利^[1]。  

3.2數(shù)據(jù)采集與處理

無(wú)功補(bǔ)償?shù)木_性依賴于對(duì)電網(wǎng)信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)和計(jì)算。所以，電網(wǎng)信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量非常重要。同時(shí)由于電網(wǎng)信號(hào)變化快，諧波普遍存在，其電壓、電流信號(hào)要由各次諧波量的疊加來(lái)計(jì)算。因此我們可以借鑒數(shù)字信號(hào)理論中成熟的快速傅立葉變換（FFT）對(duì)電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行處理。
    對(duì)電網(wǎng)母線監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三相電壓、電流信的順序進(jìn)行采樣。TMS320LF2407A芯片內(nèi)嵌的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，提供16路模擬輸入通道，具有自動(dòng)排序功能，在裝置中使用6個(gè)通道，所以在理想狀態(tài)下每3us就可以采樣轉(zhuǎn)換6通道模擬量的數(shù)值。如果對(duì)采樣速度和精度要求較高，可以采用Maxim公司推出的MAX125高速多通道14位數(shù)據(jù)采集芯片。該芯片可以同時(shí)對(duì)4路輸入信號(hào)進(jìn)行同步采樣，從而大大提高轉(zhuǎn)換速度和精度^[3]。
    由于裝置要分析1~31次諧波，根據(jù)奈奎斯特采樣定理可知，采樣頻率必須大于等于2倍的最高分析頻率，即（是諧波信號(hào)最高頻率的兩倍，稱為奈奎斯特頻率，是采樣頻率）。只要采樣頻率大于奈奎斯特頻率，那么數(shù)字信號(hào)中就包含了模擬信號(hào)的全部信息，可將其完全復(fù)原。在裝置中要求檢測(cè)到第31次諧波，奈奎斯特頻率即為，取。同時(shí)由于在數(shù)據(jù)處理中采用FFT的基2算法，即N=，（N是一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)；m為正整數(shù)）。綜合上述兩方面考慮，確定采樣頻率為3200Hz，那么該采樣頻率對(duì)于工頻為50Hz的理想電網(wǎng)信號(hào)一周期恰好采集64點(diǎn)。

為充分利用DSP的硬件乘法器功能，裝置利用FFT算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理以分析功率因數(shù)和諧波情況。在進(jìn)行FFT運(yùn)算時(shí)，需要解決整序和蝶形算法問(wèn)題。整序問(wèn)題可以按碼位倒置的原理實(shí)現(xiàn)，這是進(jìn)行蝶形算法的先決條件。TMS320LF2407A芯片具有反序間接尋址功能，所以將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值通過(guò)反序排列作為FFT的輸入序列，則輸出為正序排列，由于采集信號(hào)為電壓量u(t)和電流量i(t)，均為實(shí)函數(shù)，且采用復(fù)數(shù)64點(diǎn)FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以虛部置0，在內(nèi)存區(qū)開(kāi)辟128個(gè)單元，對(duì)每路信號(hào)每周期采樣64點(diǎn)，那么進(jìn)行FFT的基2算法時(shí)，蝶形算法的級(jí)數(shù)，所以FFT分6級(jí)進(jìn)行運(yùn)算，蝶形算法是FFT的關(guān)鍵，其運(yùn)算規(guī)則如下圖所示：

       圖中，P、Q是虛部為0的復(fù)數(shù)，P’ 、Q’為蝶形運(yùn)算后的數(shù)值，W為旋轉(zhuǎn)因子，其值為：，

通過(guò)對(duì)FFT算法6級(jí)運(yùn)算的研究可以發(fā)現(xiàn)，第1、2級(jí)W的實(shí)部和虛部的值為0或1，所以第1、2級(jí)可以按基4算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，以加快運(yùn)算速度^[2]。

3.3硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)輸入單元：三相電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理,輸入到DSP的A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行采樣，同時(shí)引入一路正弦信號(hào)經(jīng)比較電路輸出,將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào),通過(guò)DSP的定時(shí)器測(cè)出兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間,從而得出電網(wǎng)信號(hào)的周期，再由預(yù)先設(shè)定的采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算出采樣頻率,以保證信號(hào)采樣的同步,消除非同步采樣引起的頻譜泄漏,保證測(cè)量精度。在信號(hào)進(jìn)入DSP處理之前，還必須通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，該電路包括信號(hào)衰減和模擬抗混疊濾波器。由互感器得到的電壓、電流信號(hào)線性衰減成DSP的量程范圍以內(nèi),再經(jīng)抗混疊濾波器濾波,輸入到DSP的A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，抗混疊濾波器的作用是把電力系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行低通濾波,濾除高頻分量,使輸入DSP進(jìn)行處理的信號(hào)是滿足奈奎斯特采樣定律()要求的信號(hào),消除混疊現(xiàn)象,提高FFT的運(yùn)算精度。

控制單元：DSP在一個(gè)工頻周期內(nèi)等間隔地采集64點(diǎn)電壓、電流數(shù)據(jù)后,經(jīng)DSP處理計(jì)算出電網(wǎng)電壓、電流、功率因數(shù)、無(wú)功功率、電壓、1~32次諧波電流等參數(shù)值,存儲(chǔ)并送至顯示單元,控制器不斷監(jiān)測(cè)電網(wǎng)負(fù)荷參數(shù),根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)值,形成投切信號(hào),由執(zhí)行單元完成電力電容器和抑波電抗器的正確投切。

執(zhí)行單元：由于傳統(tǒng)機(jī)械觸頭動(dòng)作速度與工頻電壓、電流的變化速度不匹配,在投切過(guò)程中由于電力電容器極性的存在產(chǎn)生涌流,難以實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化運(yùn)行,而且經(jīng)常發(fā)生過(guò)補(bǔ)償，裝置中選用晶閘管控制投切電力電容器,可以10ms的速度將補(bǔ)償容量投入電網(wǎng),并嚴(yán)格控制在各相電壓最高點(diǎn)時(shí)合閘,避免涌流沖擊。晶閘管的觸發(fā)脈沖由專門(mén)的觸發(fā)電路提供,嚴(yán)格保證相序正確，設(shè)有觸發(fā)延時(shí)可調(diào)控制,從而具備循環(huán)投切功能。由于裝置中強(qiáng)弱電并存，所以在輸入輸出信號(hào)的傳輸中設(shè)置TLP521光電耦合器，以避免輸出端對(duì)輸入端可能產(chǎn)生的反饋和干擾。

3.4軟件設(shè)計(jì)

    在TI公司的CCS2000平臺(tái)上完成軟件開(kāi)發(fā)，應(yīng)用程序采用功能塊結(jié)構(gòu)，由主程序、中斷服務(wù)程序、運(yùn)算程序、循環(huán)投切程序、顯示程序等功能塊組成。主程序完成堆棧設(shè)置，初始化設(shè)置，定時(shí)設(shè)置，工作方式設(shè)置，調(diào)用子程序等功能。中斷服務(wù)程序完成信號(hào)采集，同步功能。運(yùn)算程序完成對(duì)每次采集數(shù)據(jù)的分析，然后和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較以確定當(dāng)前電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，從而給出投切信號(hào)。循環(huán)投切程序根據(jù)運(yùn)算結(jié)果所給的投切標(biāo)志，控制晶閘管回路自動(dòng)投切電容器組，程序內(nèi)設(shè)有投切記憶單元，當(dāng)一組電容器投入（切除）后，按先投（切）先切（投）的原則找出下一組電容器的投切序號(hào)。考慮到各種誤差因數(shù)，設(shè)置投入裕度，每次投入電容器時(shí)，留有一定的裕度以防止過(guò)補(bǔ)償而造成頻繁投切動(dòng)作。

4.結(jié)論

    本文研究了基于DSP無(wú)功補(bǔ)償及諧波抑制裝置的原理和技術(shù)問(wèn)題，在輸入、輸出部分之間設(shè)置了光電耦合器，提高了可靠性，可以安全的檢測(cè)電網(wǎng)中各項(xiàng)數(shù)據(jù)。采用TMS320LF2407A芯片作為主控制器，可充分利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)采集的數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行快速傅立葉變換等復(fù)雜運(yùn)算，滿足工業(yè)控制的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性要求，所以該裝置將適用于各類中低壓配電網(wǎng)絡(luò)，降低線路損耗，提高電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量和穩(wěn)定性。

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