磁控电抗器中DSP及其嵌入式系统控制器的研究

张健华 程汉湘 何绍洋 黄淼华

(广东工业大学自动化学院，广东 广州 510000)

0 引言

无功功率平衡对提高电网的经济效益和改善供电质量至关重要。根据电力工业的现状与发展，新型无功补偿装置的研制和应用是我国当前电力系统需要解决的重大关键技术课题。基于MCR的动态无功补偿装置具有在容性至感性无功范围内连续可调、产生谐波小、易于维护、成本低等优点，适用高电压，可直接用于直到1150kV的任何电压等级的电网中，对于提高电网的输电能力，调整电网电压，补偿无功功率，以及限制过电压都有非常大的应用潜力。因此对其进行认真的研究和设计研制具有十分重要的工程实际意义。然而随着电抗器技术的不断完善，对控制系统的要求也越来越高［1-3］。目前MCR的控制系统采用单个CPU处理，处理速度已经受到了很大的影响。本文采用双CPU的处理系统，BF506F完成相应的数字信号处理，ADuC7026完成了控制系统与人机界面的操作，大大的提高了控制系统的响应速度，从而使磁控电抗器的控制更加可靠、灵活，稳定，可以满足电力系统对无功补偿功率连续、平滑调节的要求。

1 控制系统的功能

(1)可以选择是手动，自动触发磁控电抗器;

(2)实时快速地采集数据:电网中三相电压、电流信号、电网频率，磁控电抗器铁芯和铁芯气隙处的温度，晶闸管温度以及故障电流信号;

图1 系统功能图

(3)处理采集信号:快速傅里叶变换(FFT)，计算电网的有功功率，无功功率和功率因数，晶闸管触发角，谐波含量;

(4)显示信息:当前时间，系统实时工作频率、电压有效值、有功功率、无功功率、功率因数、晶闸管触发角、铁芯温度、铁芯气隙出温度、晶闸管温度、谐波含量;

(5)磁控电抗器(MCR)控制特性

式中I*为基波电流标幺值，β反映了铁芯饱和程度，即半铁芯在一个工频周期内铁芯的饱和时间，且β=2arccos(1-Bd/Bs)，Bs为铁芯磁化曲线饱和值，Bd为直流偏磁。

MCR中晶闸管触发角α和铁芯饱和度β的关系

根据处理数据结果计算出相应的晶闸管触发角α，通过控制磁控电抗器(MCR)二次侧直流回路晶闸管触发角，来改变二次侧直流的电流，从而达到平滑调节磁控电抗器容量的目的［4］。

2 控制硬件原理

控制系统工作原理如图2:高压侧是电抗器与电容器的简化模型，电抗器是感性负载而电容器容性负载，固定容性负载，通过改变晶闸管触发角就可以改变感性电流大小，这样改变感性电流大小，就实现了感性无功和容性无功变化。控制箱中装有晶闸管、二极管以及光纤接收电路。如图2所示右侧控制系统，通过光纤将高低压隔离，起到安全保护作用。电网中的A、B、C三相电压首先经过一级PT将1000V电压转换为100 V，然后进入采样板，经过采样板SPT205B(3/1)型二级电压互感器转换成2.5V电压信号，经信号调理电路处理后，DSP进行采样。同样的原理，电网中的A、B、C三相电流信号，经两级CT0(CT1采集故障电流)和信号调理电路处理后，DSP进行采样;同时磁控电抗器采样板，还要采集温度传感器输出的信号。控制系统对采集的数据处理计算后，通过DSP的I/O口发出触发脉冲，控制磁控电抗器。

系统的控制原理有两种:两CPU之间通过UART口来进行数据传输，手动触发时，通过按键手动设定触发角，然后进DSP处理发出触发角，然后DSP采集数据计算处理，观察晶闸管触发后，系统的有功无功，功率因素;自动触发时，DSP采集三相电压、电流、温度传感器信号，数据处理后发出触发角，同时把想要显示的数据输入ARM7，进行显示。

图2 系统控制原理图

2.1 BF506FDSP和ARM7的特点

BF506FDSP处理器内核:400MHz(800MM-ACS)性能68KBL存储器，4MB可执行闪存，内置12位双通道SAR ADC低功耗，2个SPI、2个 SPORT、2个 UART和1个 PPI接口，ADC控制模块可与外部ADC实现无缝接口，并执行同步采样，2个三相PWM单元，CAN控制器和移动存储器接口，8个通用计数器和2个32位升/降计数器，支持旋转计数 ，12个外设DMA通道和2个存储器对存储器DMA通道［5-6］;

ARM7处理器具有高速缓存处理宏单元还提供8KB缓存、读缓存和具有内存管理功能的高性能处理器，支持高密度16位的Thumb指令扩展;支持片上调试，支持64位乘法指令，支持嵌入式系统调试的Embedded ICE模块。内置12位的A/D模块，1个PWM 单元和 2 个 UART［7-10］。

2.2 电源模块(掉电保护装置)

控制系统通过开关电源输出15 V电源，经稳压电路处理后提供给系统，因为系统需要3.3 V、5 V、1.8 V、1.5 V 多种电源，所以在设置的时候选用不同等级的AMS1117转换芯片。考虑到系统有时候会掉电，运用ICL7673设置了相应掉电保护模块。系统掉电时，掉电保护装置保证控制系统有足够的时间将正在处理的数据保存，这样保证了数据不会丢失。

2.3 信号采集模块

首先将输入信号经过电压和电流互感器转换成1.0 mA和2.5 mA的信号，然后滤波，相位补偿，经信号调理电路后转换成0～5 V电压信号，输入到DSP采样模块，考虑到系统中含有谐波分量，需用RC低通滤波，截止频率为f，根据截止频率的计算公式f=1/2πRC，可以先确定电容C1的大小，再计算出电阻R1的大小，滤波电路的相位补偿电路是补偿信号在采集过程中相位偏移，电压抬升电路将负半波信号抬升，输入到系统的A/D采样模块。而相位补偿计算入在图3中，假设Uo=(a+bj)Ui，要使Ui和Uo同相，必须使参数b等于0。经分析计算可知

图3 信号调理电路

这里可以通过调节R2、R3的大小确定a值，再根据式(2)、(3)算出 R4和 C2。

2.4 晶闸管驱动和检测模块

晶闸管驱动电路采用的脉冲变压器，选用脉冲变压器响应速度快，具有很高的抗干扰能力;漏感小，保证了更好的输出脉冲波形;该模块驱动功率大，隔离强，性能好，电路简单可靠性高使用方便。电路图如4所示:DSP输出控制脉冲，控制三极管的开断。当DSP输出高电平的时三极管导通，脉冲变压器初级输入电压Uo=Vcc-Vcc/R1，通过调节R1的大小就可以改变输入脉冲变压器的电压，当DSP输出为低电平时，三极管截止，脉冲变压器输入电压Uo=0:通过控制三级管可以提供给脉冲变压器一个脉冲电压。R2、D1起到续流的作用，D2、D3、R3起到整流的作用。图5仿真波形是触发角α=120°时晶闸管导通电压波形，电流波形以及二极管电流波形。

晶闸管是否导通直接关系到磁控电抗器的补偿效果，所以本系统设计了晶闸管检测电路，监控晶闸管是否正常触发。检测电路图如图6所示:晶闸管两极电压经过电压互感器PT隔离，经桥式整流、滤波(通过调节R4、C1可以改变滤波截止频率)，经过比较电路后(调节R2可以改变基准电压)然后输入到三极管基极，当晶闸管不导通时，基极为高电平三极管导通，DSP接收到高电平;反之，DSP接收到低电平。

图4 晶闸管驱动电路

图5 晶闸管实验波形

2.5 通信及人机对话模块

图6 晶闸管检测电路

图7 软件设计流程图

系统运用RS232与计算机进行通信，DSP和ARM都可以单独与计算机进行通信。协议进行设定:用标准异步串行通信协议，只使用数据接收(RXD)线和数据传输(TXD)线，两机通信采用同一波特率，每个命令字节(10位)包括一个低电平起始位、8位数据位、1个高电平停止位。控制系统每隔一段时间控制系统与计算机通信一次，将系统采集的数据传输到计算机，供工作人员分析数据。

控制系统运用ARM7实现LCD(320*240)显示和键盘的控制，本系统可以实现自动投切，自动触发，也可以手动触发，通过键盘来输入晶闸管触发角，键盘控制使用的是ARM7外部中断。

3 软件设计

系统开始初始化，然后开始采样电流电压信号，过零检测实时跟踪电网的频率，在A、B、C三相电压的每次过零点处，DSP相应外部中断，在中断子程序中以三相电压的过零点作为晶闸管触发角α基准，来找出相应晶闸管触发角α，调节磁控电抗器二次侧的直流，从而达到补偿效果。系统软件流程图如图7:为了提高系统的精确度，处理数据采用快速傅里叶(FFT)处理采集的数据，将采集的数据傅里叶展开，取出基波进行计算，有功功率和无功功率，还可以非常方便的计算出谐波含量，提高了控制系统的处理精度。

4 结束语

本文基于DSP芯片BF506F和ADuC7026设计了磁阀式可控电抗器的控制装置。能够实时采集电网信号，监控磁控电抗器铁芯气隙，晶闸管温度，而且高精度转换快速处理数据，实现对磁控电抗器容量进行有效和平滑地调节，达到动态无功补偿的目的。

本系统创新点

(1)硬件方面:采用双CPU，BF506F和ADuC7026，DSP采用的是国内最先进 BF506F，400 MH的指令执行速度，内置4MBFlash存储器，内置一个特别ADC控制模块(ACM)可以自己独立设置采样模式，选择采样通道，不占用DSP内核处理的时间，这样大大的节省了DSP处理的执行时间从而提高了DSP的数据处理速度。数据传输采用DMA(Direct Memory Access)通过硬件实现存储器与存储器之间、存储器与ADuC7026之间高速数据传送，不需要内核干预，减少中间环节，而且存储器地址的修改和传送均有硬件自动完成，极大的提高了传送速度和工作效率［5］。设计系统的掉电保护模块和晶闸管检测模块等。

(2)软件方面:软件程序可靠性高，具有看门狗保护程序。采用快速傅里叶(FFT)处理采集数据，可以利用功率因数和电压稳定两种控制原理来控制磁控电抗器进行补偿无功，系统采用了PI控制，可以实现快速稳定的调节晶闸管触发角?，同时控制进行自动和手动切换控制磁控电抗器。

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