1 引言
大型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用異步發(fā)電機(jī)。異步發(fā)電機(jī)在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時(shí)，還必須從電網(wǎng)中吸收感性的無(wú)功功率，加重了電網(wǎng)無(wú)功功率負(fù)擔(dān)。異步發(fā)電機(jī)抽取的感性無(wú)功功率主要為了滿足勵(lì)磁電流的需要，另一方面，也滿足轉(zhuǎn)子漏磁的需要。單就前一項(xiàng)來(lái)說(shuō)，一般大中型異步電極，勵(lì)磁電流約為其額定電流 20％～25％，如此大的無(wú)功吸取如果不經(jīng)過(guò)補(bǔ)償直接并網(wǎng)，就會(huì)表現(xiàn)出功率因數(shù)（PF）較低，不僅對(duì)電網(wǎng)形成污染，而且防礙有功功率的輸出，還會(huì)造成線損增加，送電距離遠(yuǎn)的末端用戶電壓降低，電網(wǎng)穩(wěn)定性降低等問(wèn)題。進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因素，對(duì)提高設(shè)備利用率、提高輸電效率及改善電網(wǎng)質(zhì)量，具有重要的實(shí)際意義。目前調(diào)節(jié)無(wú)功的裝置主要有調(diào)相機(jī)、有源靜止無(wú)功補(bǔ)償器、并聯(lián)補(bǔ)償電容器等。相對(duì)來(lái)說(shuō)前兩種裝置價(jià)格較高，結(jié)構(gòu)、控制比較復(fù)雜。目前一般采用了并聯(lián)電容器對(duì)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，這種靜止補(bǔ)償器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、控制和維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)并聯(lián)電容器的補(bǔ)償后，異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)提供有功的同時(shí)，所要吸取的無(wú)功電流就由電容器提供，從而大大減輕了電網(wǎng)的無(wú)功負(fù)擔(dān)。
2 無(wú)功補(bǔ)償控制器的基本工作原理
要取得無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖罴研Ч捅仨殰?zhǔn)確地測(cè)量出有功功率和無(wú)功功率。當(dāng)前測(cè)量有功功率和無(wú)功功率的方法很多，本文將采用傅立葉算法，它是測(cè)量有功功率和無(wú)功功率的最為精確和有效的算法，但其計(jì)算量較大，單片機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算速度遠(yuǎn)不能滿足要求，而DSP的應(yīng)用則解決了計(jì)算量大的問(wèn)題。可以對(duì)電網(wǎng)參量進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)和處理，從而達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖罴研Ч?/p>
2．1 無(wú)功功率的測(cè)量
本控制器采用一種基于對(duì)A／D轉(zhuǎn)換后的采樣序列經(jīng)傅立葉變換從干擾的輸入信號(hào)中對(duì)基波電壓（電流）復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部進(jìn)行計(jì)算，并利用它們來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無(wú)功功率的測(cè)量。假設(shè)無(wú)噪聲的輸入信號(hào)是頻率為ω的正弦波電壓。
式中：φ—初相位；ψ—電壓相角變化；A—幅值
u（t）可用矢量U的虛部表示。
對(duì)u（t）信號(hào)每周采樣N次產(chǎn)生采樣序列｛uk｝
式中：T0／N—采樣間隔。
對(duì)｛uk｝進(jìn)行離散傅立葉變換得到基波分量的頻譜系數(shù)u1（k）：
對(duì)正弦輸入信號(hào)可證明：
u1（k）是輸入信號(hào)的基波頻譜系數(shù)，由式（1）、（2）、和（3）可得出u（k）與Um的關(guān)系。
可見(jiàn)u1（k）與Um都是表示基波分量的復(fù)數(shù)振幅，uR和uI分別為復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部。
利用輸入信號(hào)基波電壓（電流）復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部可以求得交流電壓U、交流電流I、有功功率P和無(wú)功功率Q的有效值，為此先將復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部變成有效值，假設(shè)輸入電壓復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部有效值用UR和UI表示，由式
（3）不難求出輸入電壓的有效值為：
式中：IR，II—輸入電流復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部的有效值。
對(duì)于三相三線電網(wǎng)，為減少測(cè)量和計(jì)算，可先假定一參考點(diǎn)，如C相，在這種情況下，可僅同時(shí)測(cè)量?jī)删€電壓和兩相電流UAC，
用它們計(jì)算出兩個(gè)等效的有功功率和無(wú)功功率，最后將有功功率和無(wú)功功率相加得總的有功功率和無(wú)功功率。即：
2．2 測(cè)量數(shù)據(jù)的采集
交流電參量的測(cè)量方法主要分為兩大類：模擬電路測(cè)量方法和采樣計(jì)算式測(cè)量方法。其中模擬電路測(cè)量方法準(zhǔn)確度
高，穩(wěn)定性好，但不太適用于多參數(shù)測(cè)量。采樣計(jì)算式測(cè)量方法比較適用于多參數(shù)測(cè)量，尤其隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能微處理器和A／D轉(zhuǎn)換器，給采樣計(jì)算式測(cè)量方法，提供了有力的硬件支持。目前采樣計(jì)算式測(cè)量實(shí)現(xiàn)了同步采樣法，準(zhǔn)同步采樣法等。
軟件同步采樣法是首先測(cè)出被測(cè)信號(hào)的周期T，則用該周期除以一周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)N，得采樣間隔并確定定時(shí)器的技術(shù)值，用定時(shí)器中斷方式實(shí)現(xiàn)同步采樣。軟件同步采樣省去了硬件電路鎖相環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了鎖相環(huán)設(shè)計(jì)調(diào)試的復(fù)雜和失鎖現(xiàn)象。但由于信號(hào)的頻率是在一定范圍內(nèi)變化，對(duì)其周期T不能準(zhǔn)確測(cè)量，按不準(zhǔn)確的周期T計(jì)算的采樣間隔進(jìn)行N次采樣后，不能與實(shí)際信號(hào)的周期同步，即存在同步誤差，為減小同步誤差，提高測(cè)量精度，后采用自適應(yīng)調(diào)整采樣間隔的方法。
快速傅立葉變換要求將一個(gè)采樣周期均分成N等分。不滿足這個(gè)條件會(huì)給變換后的結(jié)果帶來(lái)較大的誤差。因此在傅立葉變換中根據(jù)頻率的變化，采用自適應(yīng)變步長(zhǎng)可取得較高的精度。
2．3 頻率的測(cè)量
利用DSP芯片自帶的捕獲功能。捕獲功能是指當(dāng)捕獲引腳出現(xiàn)指定電平時(shí)，DSP能捕獲指定定時(shí)器的讀數(shù)。因此將跟蹤頻率的方波信號(hào)作為捕獲引腳的輸入信號(hào)，令連續(xù)兩次捕獲信號(hào)在定時(shí)器上的讀數(shù)之差為N，DSP定時(shí)器的頻率為fs，則交流信號(hào)的頻率f＝fs／N。由于定時(shí)器的最大頻率為20MHz，所以測(cè)量的誤差極小。
3 無(wú)功補(bǔ)償控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
從圖1中可以看出本系統(tǒng)主要由DSP基本系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、補(bǔ)償電容器投切單元三個(gè)部分組成。由于三相電網(wǎng)滿足關(guān)系：
所以只要用四個(gè)互感器將uac、ubc、ia、ib四路電網(wǎng)參量取出來(lái)，通過(guò)放大、濾波后，把信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣保持器（S／H）、多路開(kāi)關(guān)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（A／D）使之離散化。然后把這些數(shù)字量送入數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（FFT運(yùn)算），從而算出所發(fā)電能的有功和無(wú)功的數(shù)值。
3．2 系統(tǒng)各部分硬件設(shè)計(jì)
3．2．1 DSP基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以TMS320C240芯片為核心，充分利用它高速的運(yùn)算能力和先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)來(lái)完成有功功率和無(wú)功功率的快速檢測(cè)和處理，從而適時(shí)、有效地進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。
DSP（TMS320C240）是一種為處理數(shù)字信號(hào)而專門設(shè)計(jì)的高速芯片，適用于大量的高速處理，與通用的微處理器相比，相同函數(shù)的DSP運(yùn)算可提高10倍甚至100倍。由于采用了硬件實(shí)現(xiàn)乘累加運(yùn)算及提供了特殊的位倒序操作指令及乘累加、位移累加等平行數(shù)據(jù)處理指令，使DSP非常適用于進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT）。所以DSP作為本系統(tǒng)的控制器非常合適 。
由于TMS320F240內(nèi)含16K閃爍存儲(chǔ)器，所以不需外加EPROM，簡(jiǎn)化了DSP的外圍電路（見(jiàn)圖2），而它內(nèi)含的544＊16位片內(nèi)數(shù)據(jù)／程序雙口RAM，極大地提高了數(shù)據(jù)的處理速度。DSP的外圍電路由五部分組成：①模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路；②開(kāi)關(guān)量輸入、輸出接口電路；③測(cè)頻輸入電路；④兩片高速RAM；⑤與上位機(jī)通信的接口電路。
3．2．2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
由于三相電網(wǎng)滿足關(guān)系式（4），只需采樣兩相的相電流和線電壓，即uac、ubc、ia、ib四路電網(wǎng)參量，通過(guò)電壓、電流變換，經(jīng)放大、濾波，使輸出電壓范圍在0～5V，再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換（A／D）進(jìn)行離散采樣。每周期采樣64點(diǎn)，將其數(shù)字量送入 DSP，進(jìn)行FFT變換。完成一次數(shù)據(jù)采集的時(shí)間（包括多路開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間、采樣保持時(shí)間、A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間還有其他延遲時(shí)間）為：0． 02＊1000000／（64＊4）＝75μs。
TMS320F240內(nèi)含兩組8路10位A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度達(dá)100kHz，每個(gè)A／D最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為6．6μs，而且可由多種采樣啟動(dòng)方式：① 程序啟動(dòng)方式；②時(shí)間管理器啟動(dòng)方式；③外部引腳觸發(fā)啟動(dòng)方式。本系統(tǒng)采用第三種方式，并網(wǎng)完成后即觸發(fā)，每次觸發(fā)后依次對(duì)模擬量進(jìn)行采樣。在讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)，采用DSP的外部中斷方式。當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)結(jié)束信號(hào)，以此信號(hào)引起DSP中斷，通知DSP把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。數(shù)據(jù)采集完成后，將每個(gè)通道數(shù)據(jù)逐點(diǎn)采集到內(nèi)存緩沖區(qū)中進(jìn)行處理。
3．2．3 補(bǔ)償電容器投切控制單元的設(shè)計(jì)
補(bǔ)償單元由交流接觸器和電力電容器組成。根據(jù)計(jì)算出來(lái)的有功功率和功率因素相結(jié)合作為投切電容器的判斷依據(jù)，即可算出所要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功分量的值，并轉(zhuǎn)化為10路補(bǔ)償開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)，將這些信號(hào)適當(dāng)放大，用以控制接觸器，從而投入或切除電容器，進(jìn)行適時(shí)、有效的補(bǔ)償。
在投切方式上，循環(huán)投和循環(huán)切程序是根據(jù)計(jì)算結(jié)果所給出的投切標(biāo)志，控制繼電器回路自動(dòng)投或自動(dòng)切電容器組，程序內(nèi)設(shè)有投切狀態(tài)記憶單元，當(dāng)一組電容器投（或切）之后按循環(huán)自動(dòng)投切，即“先投先切，后投后切”原則，找出下一組電容器的投切序號(hào)，以便于下一次的投切，從而均衡電容器的使用率和壽命，當(dāng)然這一功能是由DSP和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)完成的。
3．3 無(wú)功補(bǔ)償控制器的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由以下幾個(gè)部分組成：主程序部分、數(shù)據(jù)采集部分（模擬量采集、數(shù)字量采集部分）、計(jì)算（FFT）部分、投切控制部分、通訊部分等。
投切控制部分：遵循不使補(bǔ)償電容器頻繁投入與切除，各個(gè)補(bǔ)償電容器使用頻率相同的原則，應(yīng)使補(bǔ)償電容器的投入和切除時(shí)控制量設(shè)定值應(yīng)有適當(dāng)?shù)幕夭钪怠?/p>
4 結(jié)束語(yǔ)
采用DSP芯片TMS320F240設(shè)計(jì)成的無(wú)功補(bǔ)償控制器特點(diǎn)如下：
①兩線電壓和兩相電流同時(shí)采樣，根據(jù)有功功率和功率因素的要求進(jìn)行補(bǔ)償電容器的投切，并設(shè)有投切回差值，不會(huì)產(chǎn)生投切振蕩。
②交流采樣后進(jìn)行FFT計(jì)算，補(bǔ)償速度快、補(bǔ)償精度高。
③采用并聯(lián)電容器補(bǔ)償方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、控制維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。
④補(bǔ)償電容器采用自動(dòng)循環(huán)投切，有效的延長(zhǎng)了電容器的壽命。
本控制器作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)的組成部分，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，以適應(yīng)整個(gè)電控系統(tǒng)對(duì)控制器功能的要求。