基于AD7606－6的STATCOM信号采集模块设计

陈 华，杨升振，苏之山，罗世杰，梁 永

(桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004)

在电网适当地点合理添加无功功率补偿设备对电网进行无功功率补偿是提高电能质量的方法之一。STATCOM作为一种新型无功功率补偿设备，已成为柔性交流输电系统(FACTS)的一个重要组成部分，是未来无功功率补偿设备的发展方向。和其他无功补偿设备如SVC相比，具有响应速度快;不会引起谐振短路;无功功率可以在感性和容性之间连续调节;利用PWM调制技术实现精准的电压调控;可同时对谐波和无功进行补偿［1］。

要实现STATCOM实时快速准确的补偿特性，必须建立在对电网无功功率、有功功率、谐波等电量参数的实时快速准确测量基础上。基于瞬时无功功率理论的无功功率检测算法，进行的多是瞬时值运算，响应速度快，适用于变化快、冲击大的无功功率和电压闪变的补偿。但瞬时无功功率理论的应用要求同步采样电网某时刻的三相电压电流，针对此情况，文中设计了由AD7606－6模数转换芯片与TMS320F2812组成的数据采集模块。

1 STATCOM结构模型及工作原理

图1所示为以电压源逆变器为核心的STATCOM模型。由以下几部分组成:电压/电流互感器，用于电网三相电压电流、STATCOM交流侧三相电流和电容直流电压检测;直流侧电容，其作用是为设备提供电压支撑;电压源逆变器(VSC)，由大功率电力电子开关器件(GTO或IGBT)组成，运用脉宽调制技术(PWM)控制电力电子开关的通断，将电容器上的直流电压逆变成具有一定幅值和频率的交流电压;驱动电路，用于驱动大功率电力电子开关器件;耦合变压器和电抗器，不但可起到将大功率变流装置与电力系统耦合在一起的作用，还可将逆变器输出的电压中的高次谐波滤除，使输出的电压波形接近正弦波［2］。其余的无功计算模块、d－q变换模块、PI调节器模块、PWM输出模块均在主控芯片DSP上完成

式(1)为STATCOM的状态模型，L为连接电感，R，us为逆变器损耗等效电阻为系统电压，uc为逆变器输出电压。

图1 STATCOM模型

STATCOM的工作过程是，首先通过检测三相电压和电流，运用瞬时无功功率理论计算电网的无功功率或无功电流，判断电网无功状态，得到所需补偿电流的无功分量，经坐标变换得到逆变器输出的电压参考值Vcα.ref和 Vcβ.ref。在欠无功或者无功过剩时，系统调节PWM调制系数，输出的PWM信号通过驱动电路改变电压源逆变器电力电子开关的通断时间，达到改变逆变器输出电压幅值、相位、频率的目的，从而改变电网无功状态，使电网无功功率平衡。

所以，同步检测电网三相电压和电流、STATCOM交流侧三相电流和电容直流电压是系统的核心任务之一。文中将采用AD7606－6模数转换芯片来实现模拟量采集。

2 AD7606－6模数转换芯片

2.1 AD7606－6简介及特性

AD7606－6是ADI公司为简化下一代电力线监控系统设计，新推出16位6通道同步采样模数转换器(ADC)，多通道集成方便实现电网的三相电流和电压测量。如图2所示，AD7606－6内置有模拟输入箝位保护、跟踪保持放大器、二阶抗混叠滤波器、16位逐次逼近型ADC、数字滤波器、2.5 V基准电压源、基准电压缓冲以及高速并行和串行接口。采用单电源5 V供电，可处理±5 V和±10 V真双极性输入信号，同时6个通道均能以200 ksample·s－1的吞吐速率采样。输入箝位保护电路可承受高达±16.5 V的电压。无论工作在何种采样频率，AD7606－6的模拟输入阻抗均为1 MΩ。其采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，无需驱动运算放大器和外接双极性电源供电。抗混叠滤波器的3 dB截止频率为22 kHz;当采样速率为200 ksample·s－1时，其具有40 dB抗混叠抑制特性。封装采用64脚LQFP形式，具有体积小、重量轻、可工作于－40～+80℃内的恶劣环境、抗干扰性强的特点［3］。

图2 内部结构和功能引脚图

2.2 AD7606－6引脚功能说明

AD7606－6采用64引脚LQFP形式，具有丰富的功能引脚［4］，方便与DSP和微处理器连接。

AD7606－6主要的引脚和功能为:

(1)V1～V6。6个模拟信号输入端，输入信号范围可以是±5 V或±10 V，具体由引脚RANGE决定。

(2)V1GND～V6GND。模拟输入接地引脚，与各自输入引脚对应。

(3)OS［2∶0］。过采样模式引脚，用于选择过采样倍率。

(4)DB0－DB15。16位数据并行输出口。其中，DB7/DB8复用为串口输出引脚(DOUTA/DOUTB)。

(6)AGND。模拟地，需并联10μF和100μF的去耦电容;AVCC:模拟电压，范围可从4.5～5.5 V;DGND:数字电路部分参考地;DVCC:数字电压，通常为5 V，数字电压与模拟电压必须保持一致;VDD:电源正电压;VSS:电源负电压。

(8)CONVST A/CONVST B。转换开始输入A和B，用于启动模拟输入通道转换。要对6个转换通道进行同时采样，可将两引脚短接，并施加一个启动信号。

(9)BUSY。转换状态信号，该引脚从转换开始到结束保持高电平，转换结束BUSY变为低电平，数据被锁存，可供读取。

(10)RESET。芯片复位信号引脚。

(11)RANGE。模拟输入范围选择引脚，此引脚的极性决定了模拟输入通道的输入范围，当为高电平时，输入范围±10 V，低电平时，输入范围±5 V。

(12)REF SELECT。内外部基准电压选择输入。高电平时使用内部基准电压，低电平则使用外部基准电压。

(13)REFIN/REFOUT。基准电压输入/基准电压输出。

2.3 AD7606－6所有通道同步采样逻辑时序

AD7606－6可对所有模拟输入通道同时采样，时序逻辑如图3所示。要实现所有通道同步采样，只需将CONVST A和CONVST B引脚短接，使用一个CONVST信号便可启动所有模拟输入通道。AD7606－6内置有片内振荡器用于转换，每个ADC转换时间为tCONV。当施加CONVST上升沿时，BUSY变成高电平，在转换介绍后变为低电平。BUSY下降沿时，主控芯片可以通过给施加低电平，从并行总线 DB［15∶0］、DOUTA/DOUTB串行数据线读取转换结果，按顺序V1～V6，每施加一个低电平读取一个通道的转换数据。

图3 6通道同步采样并行输出时序图

3 硬件电路设计

3.1 电压电流互感器

传感器使用电压电流互感器，电压互感器型号为LCTV31CE，电流互感器为LCTA24D。LCTV31CE是一种电流型电压变换器，其输入电压最高可达1 000 V，额定电流2 mA，输出电压则取决于所用的运算放大器，最高输出电压为运放电源电压的1/2，系统电压互感器与运放连接电路如图4所示，Vout=I2R2。LCTA24D－50 A/62.5 mA电流互感器，其额定输入电流50 A，额定输出电路62.5 mA，额定采样电压取决于所用的预算放大器，最高输出电压为运放电源电压的1/2，电流互感器与运放连接电路如图5所示，Vout=I2R2。

3.2 信号调理

由AD7606－6的内部结构和芯片特性可知，与传统的模数转换芯片不同，其内部的信号调理电路中，加入了低噪声高输入阻抗的信号调理电路，而等效阻抗完全独立于采样频率且为固定值1 MΩ。同时，模拟输入端集成了具有40 dB抗混叠滤波器，无需添加额外的外部驱动和滤波电路。因为互感器输出的电流往往较小，且互感器直接接A/D会产生较大的相移，为使输入信号电压与AD7606－6模拟输入电压匹配，互感器输出信号经运算放大器OPA2132放大至5－6 V，调理电路如图4和图5所示。

3.3 AD7606－6与TMS320F2812接口设计

STATCOM系统采用TMS320F2812作为主控芯片控制两片AD7606－6。TMS320F2812是TI公司的一款基于Flash的工业级32位定点DSP，其内核是针对工业需求所设计，主频能达到150 MIPS，单周期32×32位MAC;拥有EVA、EVB事件管理器，具有强大是事件处理功能，如中断、定时、PWM输出等;再加上丰富的外设接口，如CAN、SCI等，使其成为当前工控领域主流的控制芯片［5－6］。

双片 AD7606－6与 TMS320F2812接口电路如图6所示。两片A/D的并行数据输出口直接连接到DSP 的数据线XD［15∶0］;DSP 的GPIOA［15∶13］与OS［2∶0］，控制过采样倍率;GPIOB8连接 AD7606－6(1)的片选端，GPIOB9连接 AD7606－6(2)的片选端，用于控制数据读取先后和GPIOB10经或门连接到两片A/D的读使能信号，每向 A/D发个低电平读取一个输入通道的转换数据;PWM7连接A/D的CONVST A＆B，用于启动A/D采样并转换。两片A/D的BUSY信号经或门连接到DSP的外部中断接口，当两片A/D数据转换完成，两个BUSY变为低电平时，给中断信号，告诉DSP可以读取数据。

图6 双片7606－6与TMS320F2812接口电路

4 同步采样软件设计

采用软件部分主要实现主控芯片DSP对AD7606－6的控制，完成对电网电量参数的采集。为方便数据处理，在每个工频周期内采集128个数据点，用DSP自带的捕获单元完成电网周期的计算，假设电网周期为T，则每隔T/128时间给CONVST A＆B一个触发脉冲，启动A/D采用并转换。触发脉冲由PWM7提供，每个转换周期结束，根据最新获得的周期值修改PWM输出的占空比，即可实现在不同的频率内都能采集到128个数据点。

当转换结束，BUSY信号变成低电平给DSP一个外部中断信号，DSP进入外部中断子程序，外部中断子程序实现对转换数据的读取。读取第一片A/D的数据，首先GPIOB8给AD7606－6(1)的片选端一个低电平，低电平持续到数据读取完成。然后通过GPIOB10和给个脉冲，从并行口依次读取6路输入通道转换值，程序中注意读取完数据后要修改数据寄存器的地址。第二片同理，只需修改片选信号即可。程序流程如图7所示。

图7 程序流程图

5 实验结果

根据搭建的电路，给电压互感器接220 V交流电压，电流互感器接通以5 A交流电流，电压信号接入AD7606－6通道1，电流信号接入通道2。DSP根据程序同步对通道1和通道2采样，将采集到的数据量用CCS中的Graph功能拟合绘制电压电流波形，波形如图8和图9所示。由图可知，采集模块能够实时精确地采集交流输电线路的电压和电流。

6 结束语

应用针对智能电网新推出的模式转换芯片AD7606－6，设计了STATCOM的数据采集模块。实验测试表明，该系统能够同步实时快速精确的采集电网电压电流，为 DSP准确计算出系统的无功状态，STATCOM快速准确的做出无功补偿策略进行无功补偿，提高电能质量提供了可靠的基础。此外，该数据采集系统还可以应用于有源滤波器APF和电能质量监控等智能电器装置。

［1］罗承廉，纪勇，刘遵义.静止同步补偿器(STATCOM)的原理与实现［M］.北京:中国电力出版社，2005.1－5.

［2］唐杰.配电网静止同步补偿器(D－STATCOM)的理论与技术研究［D］.长沙:湖南大学，2007.

［3］于克泳，孙建军.新一代16位8通道同步采样ADCAD7606在智能电网中的应用［J］.北京:电子工程专辑，2010(10):63－65.

［4］Analog Devices.AD7606/AD7606－6/AD7606－4 Date Sheet［M］.USA:Analog Devices Conpration，2010.

［5］Texas Instruments Incoporated.TMS320F2810，TMS320F2811，TMS320F2812，TMS320C2810，TMS320C2811，TMS320C2812 Digital Signal Processors Date Manual［R］.USA Texas:Texas Instruments Incoporated，2004.

［6］徐科军，张瀚，陈智渊.TMS320X281x DSP原理与应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.