基于DSP的TCR＋FC型静止无功补偿系统控制部分的设计

黄发钧，王 丽，刘 宇

（中船重工集团 第七二二研究所，湖北 武汉 430079）

随着我国国民经济的飞速发展，电网规模的逐渐增大，工业电弧炉、轧钢机、电力机车等冲击性负荷在工业应用领域中大量使用，这些负荷功率因数低，无功变化大且急剧，运行时会造成低压配电网电压的急剧波动，从而恶化电能质量和造成大量线路损耗，而且在系统中注入了大量的高次谐波，严重影响了系统供电的电能质量，使用户的正常工作受到不同程度的影响。如何对上述负荷的供电采取有效的补偿，快速地提供其在动态过程中所需的无功，从而抑制其引起的电压波动和闪变，在国内越来越引起供电部门和工业用电大户的关注[1]。

1 概 述

在工业电网中，通过加入无功补偿，可以抑制系统电压的波动及闪变，改善系统的不平衡，提高系统的稳定性，同时可以增加电网中的有功功率的比例常数，减少发、供电设备的设计容量，提高电网的工作效率。无功功率补偿装置先后经历了早期的调相机、并联电容器、并联电抗器到现在的各种类型的SVC（Static Var Compensator静止无功补偿）。SVC以其价格较低、维护简单、工作可靠，成为目前主流的补偿装置。SVC最基本的两种类型结构为晶闸管相控电抗器型（TCR）和晶闸管投切电容器型（TSC），TCR和TSC可以相互之间组成TCR+TSC，或者与FC（Filter Capacitor滤波电容）组成TCR+FC和TCR+TSC+FC等混合型结构，对于负载补偿绝大多数采用TCR+FC型[2-3]。本文描述的系统选用的是TCR＋FC型SVC结构。通过调节TCR的晶闸管，来控制电流、电压的相位，平衡电网系统中的容性，使电网系统达到平衡。

2 系统硬件设计和实现

2.1 系统总体结构

本TCR+FC型无功补偿系统由击穿检测单元、控制单元和保护单元三大部分组成。控制单元从三相电网上采集到实时的物理信号，经内部计算处理后发出触发脉冲，同时检测触发脉冲丢失和TCR过流等；保护单元也实时采集电网的实时物理状态，计算查询电网是否处于正常的工作状态，同时会接收到上位机或控制单元的控制命令，然后对阀组进行具体动作；击穿单元则直接负责检测系统硬件的状态，当发现有器件的损坏，则通知上位机，同时对阀组进行操作[4-5]。系统所有模块的处理芯片均选用TI公司提供的C2000系列浮点型处理器TMS320F28335。系统通过电网电流、电压等物理信号的采样，到采样信号的数字处理，到处理信号处理后的控制决策和操作，来实现对电网的无功功率的补偿，实现电网系统的功率平衡[6]。整个系统的通讯通路主要由SCI串口总线和ECAN口总线两种方式组成。系统的构成如图1所示。

图1 系统功能结构框图Fig.1 System function block diagram

2.2 控制单元设计

控制单元是本系统中的核心部分，总体上可以分为物理采样和控制处理两部分，主要负责完成电网实时物理信号（主要包括电流、电压）的采样和控制策略的实现。在采样板2和物理电网之间，还需要有电流电压转换板和同步板，电流电压转换板用来把千伏级电压和百安级电流转换成采样板中ADC满足的采样范围内的电压值，实现采样；而同步板主要是为了同步采样信号的初始相位。控制板和采样板间的通讯，是通过eCAN 1口来实现；控制单元和保护单元的通信，则主要通过SCI 3（RS232）来完成。

2.2.1 采样部分的硬件设计

该部分主要用来完成电网实时物理信号采样和补偿电纳值的计算。从硬件结构上来描述，采样板主要分为模拟部分和数字部分：模拟部分用来完成数据采集，数字部分用来完成采集信号的处理和传输，如图2所示。

图2 采样板硬件结构图Fig.2 Sampling model hardware chart

隔离电路主要用来预防高压的瞬间输入，防止硬件板器件被损坏。电网上的三相的相电压、线电流和TCR线电流首先经过电压电流放大电路进行变比，得到AD7656采样幅值范围内的值，然后把ADC转换后的数字信号经CPLD传递给DSC。

控制单元模块中板卡的数据通信是通过eCAN 1总线来实现的。eCAN是ISO国际标准化的串行通信协议。它具有较高的通信速率和较强的抗干扰能力，可以作为现场总线应用于电磁噪声较大的场合。在TMS320F28335的DSC中集成了2个eCAN总线模块，每个总线模块带有32个完全可配置的邮箱，可以完成广播和点对点数据传播，实现灵活稳定的串行通信。本系统设置的eCAN通信传输速率为250 kbps。

控制单位同上位机和保护单位通信，则采用RS232串口通信协议。利用TMS320F28335 DSC所带有的SCI串行通信接口，实现串行通信。通过配置SCI接口寄存器，设置通信速率为38400bps。按照RS232通信协议，设置1个起始位，1个停止位，1个奇偶校验位和8个数据位[7]。

系统利用TMS320F28335的eCAP接口来采样同步板输出的同步信号。同步信号是一个占空比为1：1的一个方波型号，其频率为50Hz，同电网电压、电流频率相同。其目的是为了同步采样的电压、电流的相位，使后续的计算中的电压、电流在一个周期内能够具有相同的起始点和结束点。通过设置eCAP的寄存器来采样外部输入的延边信号，当采样到上升沿或下降沿时，响应eCAP对应的中断服务函数，从而完成响应的数据处理。

系统选用AD7656来完成模拟信号的采样。AD7656是美国模拟电气公司提供的具有6通路的精度为16位的模数转换芯片。该芯片，可以通过硬件管脚SER/PAR SEL连接方式，来选择是以串行还是并行方式来向DSC传输数据。在AD7656中有6个通路，3个ADC转换器，每两个通路对应一个ADC转换器，而对应的转换控制管脚为CONVSTX。当一个上升沿到达CONVSTA，则其对应的通路1和通路2开始进行AD转换。而BUSY信号则用来检测采样是否完成，当BUSY信号由高电平变为低电平时，则表示采样完成，则可以读取采样通路上采样数据。本系统，把CONVSTA、CONVSTB和CONVSTC三个采样控制信号接到一起，来满足当一个采样时钟到来时，6路AD转换器同时开始工作，如图3。

图3 AD采样部分硬件连接图Fig.3 AD sampling hardware connection diagram

系统要完成18路的信号的采样，所以选用了三片AD7656。将所有的CONVSTX连接到一起，来满足18通路同时采样，并通过CPLD来完成CS、BUSY和RD等控制信号的的译码。而ADC_CONV信号则决定了系统的采样率，通过直接接入固定晶振的时钟或是利用DSC内部定时器分频来提供一个固定的采样时钟。

2.2.2 控制部分的硬件设计

该部分主要是用来对采样板采样、处理后的数据完成进一步的处理，然后直接通过DSC的ePWM接口发出脉冲信号。该信号脉冲用来控制驱动板，对阀组进行控制，从而控制投入SVC系统中的TCR晶闸管投入电网的数量，平衡电网系统中多余的容性。

从硬件角度来说，该部分电路并不复杂，也是利用TMS320F28335作为主控芯片，来完成导通延时角α的计算，然后通过相位和时间的比例关系来控制ePWM模块发出脉冲。

ePWM是增强性脉冲宽度调制的缩写。其主要功能是通过软件的控制，来实现不同宽度脉冲的输出。可以通过对其管脚对应的寄存器赋值，来决定其输出为高电平或低电平，这同GPIO类似，但是其同时具有类似与定时器的计数功能，可以认为通过ePWM计算器和管脚控制，来产生不同宽度的高、低电平。

2.3 其他单元

由图1可以看到，TCR+FC型无功补偿系统还包括保护单元部分和击穿检测单位部分。分别完成对TCR晶闸管工作状态的检测和对电网系统电压、电流等物理量的检测。在保护单元中的保护板、采样板、64路输入板和64路输出板以及击穿检测单位中的击穿检测板都是使用TMS320F28335 DSC作为主控芯片，来完成控制处理和算法计算。本文主要介绍控制单元部分，对保护单元和击穿检测单元不作过多的描述。

3 系统控制部分软件设计

TCR+FC型SVC控制部分软件的设计主要是依据TCR系统控制原理，通过计算一个周期内的电抗器导通角，从而发出脉冲信号来驱动晶闸管的投切动作，平衡电网的容性状态[4]。图4显示了系统控制部分软件的流程结构。

图4 系统控制部分软件流程图Fig.4 Soft flow chart of system control

整个软件都是以采样的值作为计算依据，分别算出电抗器的电纳值，和系统的有功功率和无功功率，然后在控制板上，通过采样板计算的电纳值，求得电抗器的导通角，并通过导通角求得一周期内晶闸管的投切具体时刻，从而发送脉冲信号使TCR晶闸管投入到电网中；同时为了上位机能够实时监控电网系统的状态指标，则需要把采样到的物理量和计算的有功、无功值通过SCI口传送给上位机，加以显示。

由于采样芯片AD7656输入信号的幅值范围在-6～+6V，所以在外部输入的电压，电流信号都需要通过电流、电压转换板，完成变比转换。而在采样板计算时，则需要把采样到的小信号反变比变化成大信号量。

4 结 论

本文主要介绍了所设计的SVC系统控制部分的硬件电路、控制原理以及系统控制部分软件设计。以TMS320F28335为核心处理器，在采样系统中完成电网的电压、电流等物理量的采集和处理；在控制板中，实现系统的总体控制。实验证明，系统的硬件电路设计和控制策略的设计满足要求，系统能够按照设计对TCR晶闸管进行合理的投切控制。

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[6]汤晓华，洪霞.静止无功补偿的多DSP控制器研究与应用[J].电力电子技术，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.