0   引言

在无功补偿装置方面，随着大功率电子器件（例如可关断GTO、IGBT、IGCT等）的开发与运用，以及DSP芯片的快速发展，特别是TMS320F28x (简称“F28x”)数字信号处理器具有高达150MHz频率，大大提高了控制系统的精度和芯片的处理能力。使磁控电抗器的控制更加可靠、灵活，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   TMS320F2812的特点

    TMS320F2812数字信号处理器是TI公司最近推出的32位定点DSP控制器，是目前控制领域最先进的处理器之一。具有基于C/C++高效32位TMS320C28x DSP内核，并提供浮点数学函数库，从而可以在定点处理器上方便的实现浮点计算。TMS320F2812 DSP集成了大量的外设，优化过的事件管理器具有脉冲宽度调制、可编程通用计时器及捕捉译码器接口，12位模数转换器，片上标准通讯端口等。

2 磁控电抗器的工作原理

2.1  MCR电路接线图及工作原理

磁阀式可控电抗器的铁芯截面积具有减小的一段，在整个容量调节范围内，只有小面积的那一段饱和，其余段均处于未饱和线性状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量。

图1   (a)磁阀式可控电抗器的接线图 (b)电路图。

如图1所示，本磁控电抗器具有完全对称的磁路结构。4个铁芯柱中两边的起导磁作用，中间的两个铁芯柱相当于单相电抗器的分裂铁芯柱，面积各为A_b，长度为L-L₁，每铁芯都具有长度为L₁的小截面段，其面积为A_b1 (A_b1<A_b )，在电抗器的整个工作范围内，只有这一段磁路饱和，其余段均处于未饱和状态。两个匝数为N/2的线圈分别对称地绕在两个铁芯柱上(半铁芯柱上的线圈总匝数为N )；每铁芯柱的上下绕组各有一抽头比为σ=N₂/N的抽头，它们之间接有IGBT开关K₁ (K₂)；不同铁芯的上下绕组交叉连接后，并联至电网电源，续流二极管D则横跨在交叉端点上。

2.2  MCR的控制特性

MCR的基波电流标幺值为：

         式中： 为铁芯饱和度。

可控硅的触发角 与  的关系为：

2.3 小结

   通过改变磁控电抗器（MCR）二次侧直流回路的IGBT的触发角，来改变二次侧直流的电流，从而可以达到平滑调节电抗的目的。

3  基于TMS320F2812的磁控电抗器的设计

3.1 硬件设计

基于DSP和MCR的无功电压综合补偿控制装置是采集进线处的电压、电流信号，根据瞬时功率理论计算出无功功率。依据补偿要求，计算出需要补偿的无功量，根据列表找出触发导通角，进行无功补偿，实现动态地调节无功的目的。

图2   控制系统图

3.1.1信号采集

首先经过电压或电流互感器分别转换成0.1V和2.5mA，进行滤波、放大（-1.5V~1.5V）、滤除高次谐波，最后再对信号调理到0~3V，输出到DSP的ADC模块。为了保证采样的准确性，增加了低通滤波环节，在滤除高频信号的同时还起到放大基频信号的作用。为获得理想的补偿效果，使用二阶滤波电路，滤除高次的谐波信号。

3.1.2  A/D转换

    TMS320F2812 的ADC模块是一个12位分辨率的、具有流水线结构的模-数转换器。此转换器的模拟电路包括：前端模拟多路复用器(MUXs)、采样-保持电路(S/H)、转换核、电压调节器以及其它模拟支持电路。数字电路包括：可编程转换序列发生器、转换结果寄存器、模拟电路接口、设备外围总线接口以及其它片上模块接口等。ADC 模块有16个通道，配置为两个独立的8通道模块以便为事件管理器A和B使用，两个8通道模块具有对系列转换和自动排序的能力，通过模拟多路复用器，选择可用的8个通道中的任何一个通道。在每个排序发生器上，一旦转换结束，结果存在ADCRESULT中。

3.1.3  IGBT 驱动电路

驱动电路采用日本三菱公司的 M57959L 专用驱动模块，它是为驱动N沟道IGBT 而设计的厚膜集成电路，内部具有光电隔离的放大器，深饱和探测器。配有短路/过载保护，具有封闭性短路保护功能，该模块驱动功率大，信号隔离强，集成化程度高，性能优良，使用方便。电路图如下

图3  M57962L 驱动 IGBT 模块的接线图

当 IGBT过载(过压、过流)时，即其集电极电压大于 15V时，隔离二极管D₁截止；1脚为15V高电平，则驱动器将5脚置低电平，使IGBT截止，同时，8脚置低电平，使光耦合器工作，以驱动外接电路将输入端13脚置高电平。稳压二极管Z₁用于防止D₁击穿而损坏M57962L。Z₂、Z₃组成限幅器，以确保IGBT基极不被击穿。

3.1.4 开关量输入输出电路

开关量输入输出电路选用TLP521-4芯片，该片内集成了四组光电耦合器，可进行四路开关量的转换。当开关量输入到TLP521-4的输出引脚，发光二极管发出红外光，光敏三极管受激发后便产生电流，在集电极输出低电平，当光敏三极管截止时，被拉高至V_CC高电平，从而在输出侧产生压降。经TLP521-4转换后的信号送至TMS320F2812的GPIO口。

当TMS320F2812的GPIO输出高、低电平时，经过74LS373锁存、限流后，到达光电耦合器TLP521-4，后到达ULN2803A，输出到继电器以控制开关。

3.2 软件设计

通过对电压、电流的检测，经模-数转换，借助于瞬时无功功率理论，计算出实时无功，采用查表法，找出触发IGBT的触发角，调节磁阀式电抗器二次侧的直流电流，从而达到补偿的效果。系统软件的流程图如图4所示。

系统初始化（部分代码）如下：

ADC模块复位：

AdcRegs.ADCTRL1.bit.RESET=1；//寄存器和序列发生器状态机复位到初始状态值

采样方式：

    AdcRegs. ADCTRL3. bit. SMODE_SEL =0；//采用同时采样方式

ADC输入通道：

AdcRegs.ADCCHSELSEQI.bit.CONV00 = 0；//采集A相电压

AdcRegs.ADCCHSELSEQI.bit.CONV01 =1；//采集A相电流

AdcRegs.ADCCHSELSEQI.bit.CONV02 =2；//采集B相电流

AdcRegs.ADCCHSELSEQI.bit.CONV03 =3；//采集C相电流

ADC中断：

AdcRegs.ADCTRL2.all=0x0901；//使能序列器1 CSEQ1)中断

PieCtrlRegs.PIEIERI.bi t.INTx6=1；

. . . . . .

图4   系统软件流程图

4 结论及创新点

采用TI公司高性能的TMS320F2812作为磁控电抗器的核心芯片，可以满足实时采样、高精度转换，无功复杂计算及对IGBT触发角控制的需求，简化了硬件电路的设计要求，实现了磁控电抗器容量的连续无级调节。创新点：①单相四柱体对称结构与一般采用的三柱非对称结构相比，电磁设计更加科学、合理。②磁控电抗器的控制开关采用了电压源控制的IGBT，简化了控制电路，增强了控制的灵活性。③TMS320F2812作为TI公司最强大的控制处理芯片用于磁控电抗器。

参考文献：

[1]苏奎峰,吕强,耿庆锋,等.TMS320F2812原理与开[M].北京:电子工业出版社2005.

[2]TexasInstruments.TMS320F2810,TMS320F2 DigitalSignalProcessors[Z],2003.

[3]张卫宁编译.TMS320C28X系列DSP的CPU与外设(M).北京:清华大学出版社,2004

[4]陈柏超著．新型可控饱和电抗器理论及应用[M]．武汉：武汉水利电力大学出版杜，1999．

[5]苏变玲等.DSP在暂态电能信号监测系统中的运用[J].微计算机信息.2006.6-2:192-194