基于DSP的簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的無(wú)功補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

http://21ic.com　　摘　要：介紹了應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償控制器的研制，此控制器實(shí)現(xiàn)基于dsp的對(duì)電網(wǎng)電壓和從發(fā)電機(jī)流出的電流快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)，進(jìn)行fft變換，精確算出所要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功分量的值，從而對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行適時(shí)、有效的補(bǔ)償。
關(guān)鍵詞：dsp；fft；無(wú)功補(bǔ)償 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?，就必須?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?？梢詫?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?br>
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)