黃發(fā)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(jīng)濟的飛速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的逐漸增大，工業(yè)電弧爐、軋鋼機、電力機車等沖擊性負荷在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中大量使用，這些負荷功率因數(shù)低，無功變化大且急劇，運行時會造成低壓配電網(wǎng)電壓的急劇波動，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。如何對上述負荷的供電采取有效的補償，快速地提供其在動態(tài)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(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，通過加入無功補償，可以抑制系統(tǒng)電壓的波動及閃變，改善系統(tǒng)的不平衡，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時可以增加電網(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)計容量，提高電網(wǎng)的工作效率。無功功率補償裝置先后經(jīng)歷了早期的調(diào)相機、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(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)，對于負載補償絕大多數(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)達到平衡。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計和實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本TCR+FC型無功補償系統(tǒng)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(wǎng)上采集到實時的物理信號，經(jīng)內(nèi)部計算處理后發(fā)出觸發(fā)脈沖，同時檢測觸發(fā)脈沖丟失和TCR過流等；保護單元也實時采集電網(wǎng)的實時物理狀態(tài)，計算查詢電網(wǎng)是否處于正常的工作狀態(tài)，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(tǒng)硬件的狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)通過電網(wǎng)電流、電壓等物理信號的采樣，到采樣信號的數(shù)字處理，到處理信號處理后的控制決策和操作，來實現(xiàn)對電網(wǎng)的無功功率的補償，實現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡[6]。整個系統(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

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，主要負責完成電網(wǎng)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(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)換板用來把千伏級電壓和百安級電流轉(zhuǎn)換成采樣板中ADC滿足的采樣范圍內(nèi)的電壓值，實現(xiàn)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(xiàn)；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(shè)計

該部分主要用來完成電網(wǎng)實時物理信號采樣和補償電納值的計算。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總線來實現(xiàn)的。eCAN是ISO國際標準化的串行通信協(xié)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(xiàn)場總線應(yīng)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(shù)據(jù)傳播，實現(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。

控制單位同上位機和保護單位通信，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個起始位，1個停止位，1個奇偶校驗位和8個數(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。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(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)的計算中的電壓、電流在一個周期內(nèi)能夠具有相同的起始點和結(jié)束點。通過設(shè)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(yīng)eCAP對應(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個通路，3個ADC轉(zhuǎn)換器，每兩個通路對應(yīng)一個ADC轉(zhuǎn)換器，而對應(yīng)的轉(zhuǎn)換控制管腳為CONVSTX。當一個上升沿到達CONVSTA，則其對應(yīng)的通路1和通路2開始進行AD轉(zhuǎn)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?yōu)榈碗娖綍r，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(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)的采樣率，通過直接接入固定晶振的時鐘或是利用DSC內(nèi)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(shè)計

該部分主要是用來對采樣板采樣、處理后的數(shù)據(jù)完成進一步的處理，然后直接通過DSC的ePWM接口發(fā)出脈沖信號。該信號脈沖用來控制驅(qū)動板，對閥組進行控制，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)通延時角α的計算，然后通過相位和時間的比例關(guān)系來控制ePWM模塊發(fā)出脈沖。

ePWM是增強性脈沖寬度調(diào)制的縮寫。其主要功能是通過軟件的控制，來實現(xiàn)不同寬度脈沖的輸出?？梢酝ㄟ^對其管腳對應(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，但是其同時具有類似與定時器的計數(shù)功能，可以認為通過ePWM計算器和管腳控制，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型無功補償系統(tǒng)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(tài)的檢測和對電網(wǎng)系統(tǒng)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(tǒng)控制部分軟件設(shè)計

TCR+FC型SVC控制部分軟件的設(shè)計主要是依據(jù)TCR系統(tǒng)控制原理，通過計算一個周期內(nèi)的電抗器導(dǎo)通角，從而發(fā)出脈沖信號來驅(qū)動晶閘管的投切動作，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

整個軟件都是以采樣的值作為計算依據(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刻，從而發(fā)送脈沖信號使TCR晶閘管投入到電網(wǎng)中；同時為了上位機能夠?qū)崟r監(jiān)控電網(wǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)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(zhuǎn)換板，完成變比轉(zhuǎn)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(jié) 論

本文主要介紹了所設(shè)計的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。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，實現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制。實驗證明，系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和控制策略的設(shè)計滿足要求，系統(tǒng)能夠按照設(shè)計對TCR晶閘管進行合理的投切控制。

[1]朱金奇.TCR＋FC型SVC原理及應(yīng)用[J].電氣傳動自動化，2007（3）：57－58.ZHU Jin-qi.The basic principle and application of FCR+FC type SVC[J].Electric prive Automation，2007（3）:57-58

[2]王兆安，劉進軍.電力電子裝置諧波抑制及無功補償技術(shù)進展[J].電力電子技術(shù)，1997（1）：100－104.WANG Zhao-an，LIU Jin-jun. Advances of harmonic suppression and reactive power compensation technique for power electronic equipment[J].Power Electronices Synopsis，1997（1）:100-104.

[3]鐘科，龍云波.基于電網(wǎng)電壓定向矢量變換的TCR控制裝置的研究[J].陜西電力，2010（7）：25-29.ZHONG Ke，LONG Yun-bo.Research TCR control device based on the grid voltage oriented vector conversion[J].Shaanxi Electric Power，2010（7）：25-29.

[4]張志文，曾海林.基于DSP嵌入式SVC控制裝置的研究[J].計算機測量與控制，2010（11）：2567-2569.ZHANG Zhi-wen，ZENG Hai-lin.Study of embedded SVC controller based on DSP[J].Computer Measurement and Control，2010（11）：2567-2569.

[5]Joe Francois，Samrat Patta.Svc protection and control basics[J].IEEE Trans On Power Delivery，2005（5）:90-94.

[6]湯曉華，洪霞.靜止無功補償?shù)亩郉SP控制器研究與應(yīng)用[J].電力電子技術(shù)，2012（2）：86-88.TANG Xiao-hua，HONG Xia.Study and application of SVC Based on DSP[J].Power Electronices Synopsis，2012（2）：86-88.

[7]TMS320F28335 Digital Signal Controllers （DSCs）Data Manual，Texas Instruments[S].2009.