基于DSP的简单、经济、实用的无功补偿器设计

器的频率为fs，则交流信号的频率f＝fs／N。由于定时器的最大频率为20MHz，所以测量的误差极校

3　无功补偿控制器的系统结构

3．1　系统结构框图
　　
从图1中可以看出本系统主要由DSP基本系统、数据采集系统、补偿电容器投切单元三个部分组成。由于三相电网满足关系：



所以只要用四个互感器将uac、ubc、ia、ib四路电网参量取出来，通过放大、滤波后，把信号经过采样保持器（S／H）、多路开关、数模转换器（A／D）使之离散化。然后把这些数字量送入数字信号处理器进行数据处理（FFT运算），从而算出所发电能的有功和无功的数值。   


  
3．2　系统各部分硬件设计

3．2．1　DSP基本系统的设计
　　
本系统以TMS320C240芯片为核心，充分利用它高速的运算能力和先进的体系结构来完成有功功率和无功功率的快速检测和处理，从而适时、有效地进行无功补偿。

DSP（TMS320C240）是一种为处理数字信号而专门设计的高速芯片，适用于大量的高速处理，与通用的微处理器相比，相同函数的DSP运算可提高10倍甚至100倍。由于采用了硬件实现乘累加运算及提供了特殊的位倒序操作指令及乘累加、位移累加等平行数据处理指令，使DSP非常适用于进行快速傅立叶变换（FFT）。所以DSP作为本系统的控制器非常合适。

由于TMS320F240内含16K闪烁存储器，所以不需外加EPROM，简化了DSP的外围电路（见图2），而它内含的544＊16位片内数据／程序双口RAM，极大地提高了数据的处理速度。DSP的外围电路由五部分组成：①模数转换接口电路；②开关量输入、输出接口电路；③测频输入电路；④两片高速RAM；⑤与上位机通信的接口电路。

3．2．2　数据采集系统的设计
　　
由于三相电网满足关系式（4），只需采样两相的相电流和线电压，即uac、ubc、ia、ib四路电网参量，通过电压、电流变换，经放大、滤波，使输出电压范围在0～5V，再经过数模转换（A／D）进行离散采样。每周期采样64点，将其数字量送入 DSP，进行FFT变换。完成一次数据采集的时间（包括多路开关的开关时间、采样保持时间、A／D转换时间还有其他延迟时间）为：0． 02＊1000000／（64＊4）＝75μs。

TMS320F240内含两组8路10位A／D转换器，转换速度达100kHz，每个A／D最大转换时间为6．6μs，而且可由多种采样启动方式：① 程序启动方式；②时间管理器启动方式；③外部引脚触发启动方式。本系统采用第三种方式，并网完成后即触发，每次触发后依次对模拟量进行采样。在读取转换数据时，采用DSP的外部中断方式。当ADC转换结束时，产生一个结束信号，以此信号引起DSP中断，通知DSP把数据存入数据存储器RAM。数据采集完成后，将每个通道数据逐点采集到内存缓冲区中进行处理。  

  

3．2．3　补偿电容器投切控制单元的设计
　　
补偿单元由交流接触器和电力电容器组成。根据计算出来的有功功率和功率因素相结合作为投切电容器的判断依据，即可算出所要补偿的无功分量的值，并转化为10路补偿开关的控制信号，将这些信号适当放大，用以控制接触器，从而投入或切除电容器，进行适时、有效的补偿。

在投切方式上，循环投和循环切程序是根据计算结果所给出的投切标志，控制继电器回路自动投或自动切电容器组，程序内设有投切状态记忆单元，当一组电容器投（或切）之后按循环自动投切，即“先投先切，后投后切”原则，找出下一组电容器的投切序号，以便于下一次的投切，从而均衡电容器的使用率和寿命，当然这一功能是由DSP和驱动电路来完成的。

3．3　无功补偿控制器的软件设计
　　
系统的软件设计主要由以下几个部分组成：主程序部分、数据采集部分（模拟量采集、数字量采集部分）、计算（FFT）部分、投切控制部分、通讯部分等。

投切控制部分：遵循不使补偿电容器频繁投入与切除，各个补偿电容器使用频率相同的原则，应使补偿电容器的投入和切除时控制量设定值应有适当的回差值。

4　结束语
　　
采用DSP芯片TMS320F240设计成的无功补偿控制器特点如下：
　　
①两线电压和两相电流同时采样，根据有功功率和功率因素的要求进行补偿电容器的投切，并设有投切回差值，不会产生投切振荡。
②交流采样后进行FFT计算，补偿速度快、补偿精度高。
③采用并联电容器补偿方式，具有结构简单、投资少、控制维护方便等优点。
④补偿电容器采用自动循环投切，有效的延长了电容器的寿命。

本控制器作为风力发电机组电控系统的组成部分，具有很强的抗干扰能力，以适应整个电控系统对控制器功能的要求。