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1.前言

    電力電子技術是未來工業(yè)技術發(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，給公用電網的供電質量造成了嚴重污染。另一方面，隨著以計算機為代表的大量敏感設備的應用，人們對電網供電質量的要求越來越高，對電網中的諧波含量及用電設備的功率因數(shù)提出了更嚴格的要求。

資料表明，發(fā)達國家50%以上的電力負荷通過電力電子裝置供電，我國目前30%左右的負荷經過各類功率變換后供用戶使用，隨著人們節(jié)能意識及環(huán)保意識的增強，此類負荷在我國將會迅速增加，由此帶來的諧波污染問題將會更加突出。因此，正確分析電網諧波、無功功率產生的根源和機理，進而采取有效措施最大限度抑制其影響，以保證電網的安全、經濟運行是非常重要的^[1]。

2.無功補償及諧波抑制原理

    基于DSP的無功補償和諧波抑制裝置以電網電流、電壓為輸入信號，采用光耦雙向晶閘管作為開關，投切電力電容器組，同時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，從而達到無功補償和諧波抑制的目的。它能有效改善用電負荷的功率因數(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)設計

    由下圖可以看出，整個裝置包括模擬量輸入、A/D轉換、DSP、執(zhí)行、開關量輸出模塊。利用DSP強大的數(shù)據(jù)處理能力采集、檢測電網的實時電流、電壓信號，通過DSP內建的快速傅立葉變換（FFT）算法將模擬信號數(shù)字化從而計算出電網諧波電流和所需的無功功率，根據(jù)計算結果投入和切除抑波電抗器、電力電容器組以達到控制要求。

3.1主控制芯片

    美國德州儀器（TI）公司于 1996 年推出了專門用于電機控制的 TMS320C240數(shù)字信號處理器。通過高性能的 DSP 核芯與功能強大的片上外設的集成，C24x 系列 DSP 為傳統(tǒng)微處理器提供了高性價比的替代品。1998年 TI 公司又推出了TMS320LF2407A芯片，其運行速度達到 40MIPS。作為裝置的核心，TMS320LF2407A 具有強大的片上 I/O 和其他外設。它的事件管理器（Event Manager）是專門為控制設計的，具有多達4個可編程定時器，每個定時器又具備多種中斷，非常有利于產生控制信號。豐富的I/O 口為控制信號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

無功補償?shù)木_性依賴于對電網信號的準確檢測和計算。所以，電網信號的準確測量非常重要。同時由于電網信號變化快，諧波普遍存在，其電壓、電流信號要由各次諧波量的疊加來計算。因此我們可以借鑒數(shù)字信號理論中成熟的快速傅立葉變換（FFT）對電網信號進行處理。
    對電網母線監(jiān)測點的三相電壓、電流信的順序進行采樣。TMS320LF2407A芯片內嵌的10位模數(shù)轉換器（ADC）的采樣轉換時間為500ns，提供16路模擬輸入通道，具有自動排序功能，在裝置中使用6個通道，所以在理想狀態(tài)下每3us就可以采樣轉換6通道模擬量的數(shù)值。如果對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。該芯片可以同時對4路輸入信號進行同步采樣，從而大大提高轉換速度和精度^[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)字信號中就包含了模擬信號的全部信息，可將其完全復原。在裝置中要求檢測到第31次諧波，奈奎斯特頻率即為，取。同時由于在數(shù)據(jù)處理中采用FFT的基2算法，即N=，（N是一個周期內的采樣點數(shù)；m為正整數(shù)）。綜合上述兩方面考慮，確定采樣頻率為3200Hz，那么該采樣頻率對于工頻為50Hz的理想電網信號一周期恰好采集64點。

為充分利用DSP的硬件乘法器功能，裝置利用FFT算法對數(shù)據(jù)進行實時處理以分析功率因數(shù)和諧波情況。在進行FFT運算時，需要解決整序和蝶形算法問題。整序問題可以按碼位倒置的原理實現(xiàn)，這是進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轉換后的數(shù)值通過反序排列作為FFT的輸入序列，則輸出為正序排列，由于采集信號為電壓量u(t)和電流量i(t)，均為實函數(shù)，且采用復數(shù)64點FFT來實現(xiàn)，所以虛部置0，在內存區(qū)開辟128個單元，對每路信號每周期采樣64點，那么進行FFT的基2算法時，蝶形算法的級數(shù)，所以FFT分6級進行運算，蝶形算法是FFT的關鍵，其運算規(guī)則如下圖所示：

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

通過對FFT算法6級運算的研究可以發(fā)現(xiàn)，第1、2級W的實部和虛部的值為0或1，所以第1、2級可以按基4算法來實現(xiàn)，以加快運算速度^[2]。

3.3硬件設計

信號輸入單元：三相電壓、電流信號經過信號預處理,輸入到DSP的A/D轉換通道進行采樣，同時引入一路正弦信號經比較電路輸出,將正弦信號轉換成方波信號,通過DSP的定時器測出兩個上升沿之間的時間,從而得出電網信號的周期，再由預先設定的采樣點數(shù)計算出采樣頻率,以保證信號采樣的同步,消除非同步采樣引起的頻譜泄漏,保證測量精度。在信號進入DSP處理之前，還必須通過信號調理電路，該電路包括信號衰減和模擬抗混疊濾波器。由互感器得到的電壓、電流信號線性衰減成DSP的量程范圍以內,再經抗混疊濾波器濾波,輸入到DSP的A/D轉換器中進行采樣和模數(shù)轉換，抗混疊濾波器的作用是把電力系統(tǒng)的信號進行低通濾波,濾除高頻分量,使輸入DSP進行處理的信號是滿足奈奎斯特采樣定律()要求的信號,消除混疊現(xiàn)象,提高FFT的運算精度。

控制單元：DSP在一個工頻周期內等間隔地采集64點電壓、電流數(shù)據(jù)后,經DSP處理計算出電網電壓、電流、功率因數(shù)、無功功率、電壓、1~32次諧波電流等參數(shù)值,存儲并送至顯示單元,控制器不斷監(jiān)測電網負荷參數(shù),根據(jù)預設的參數(shù)值,形成投切信號,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)機械觸頭動作速度與工頻電壓、電流的變化速度不匹配,在投切過程中由于電力電容器極性的存在產生涌流,難以實現(xiàn)無功補償?shù)膬?yōu)化運行,而且經常發(fā)生過補償，裝置中選用晶閘管控制投切電力電容器,可以10ms的速度將補償容量投入電網,并嚴格控制在各相電壓最高點時合閘,避免涌流沖擊。晶閘管的觸發(fā)脈沖由專門的觸發(fā)電路提供,嚴格保證相序正確，設有觸發(fā)延時可調控制,從而具備循環(huán)投切功能。由于裝置中強弱電并存，所以在輸入輸出信號的傳輸中設置TLP521光電耦合器，以避免輸出端對輸入端可能產生的反饋和干擾。

3.4軟件設計

    在TI公司的CCS2000平臺上完成軟件開發(fā)，應用程序采用功能塊結構，由主程序、中斷服務程序、運算程序、循環(huán)投切程序、顯示程序等功能塊組成。主程序完成堆棧設置，初始化設置，定時設置，工作方式設置，調用子程序等功能。中斷服務程序完成信號采集，同步功能。運算程序完成對每次采集數(shù)據(jù)的分析，然后和標準值進行比較以確定當前電網的運行狀況，從而給出投切信號。循環(huán)投切程序根據(jù)運算結果所給的投切標志，控制晶閘管回路自動投切電容器組，程序內設有投切記憶單元，當一組電容器投入（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。考慮到各種誤差因數(shù)，設置投入裕度，每次投入電容器時，留有一定的裕度以防止過補償而造成頻繁投切動作。

4.結論

    本文研究了基于DSP無功補償及諧波抑制裝置的原理和技術問題，在輸入、輸出部分之間設置了光電耦合器，提高了可靠性，可以安全的檢測電網中各項數(shù)據(jù)。采用TMS320LF2407A芯片作為主控制器，可充分利用其強大的數(shù)據(jù)處理功能，對采集的數(shù)據(jù)及時進行快速傅立葉變換等復雜運算，滿足工業(yè)控制的穩(wěn)定性、實時性要求，所以該裝置將適用于各類中低壓配電網絡，降低線路損耗，提高電網的運行質量和穩(wěn)定性。

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[2]   劉黎明,劉滌塵,史進.智能式動態(tài)無功補償裝置的研究[Ｊ].電力自動化設備,

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