基于AD7606-6的STATCOM信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

摘要 STATCOM作為新一代無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，具有實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確的補(bǔ)償特性，其特性的發(fā)揮前提是需要快速精確同步的采集三相電壓電流。為此，設(shè)計(jì)了以AD7606-6為核心的前端采集電路。在介紹STATCOM的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，闡述了AD7606-6的特性、引腳功能、并行數(shù)據(jù)輸出時(shí)序邏輯。最后，設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理的AD7606-6與TMS320F2812接口電路，給出了軟件設(shè)計(jì)部分。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該采集模塊達(dá)到了STATCOM對(duì)電量參數(shù)采集的要求。
關(guān)鍵詞 AD7606-6；STATCOM；電量信號(hào)采集；TMS320F2812

在電網(wǎng)適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)合理添加無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償是提高電能質(zhì)量的方法之一。STATCOM作為一種新型無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備，已成為柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的一個(gè)重要組成部分，是未來(lái)無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備的發(fā)展方向。和其他無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備如SVC相比，具有響應(yīng)速度快；不會(huì)引起諧振短路；無(wú)功功率可以在感性和容性之間連續(xù)調(diào)節(jié)；利用PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電壓調(diào)控；可同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。
要實(shí)現(xiàn)STATCOM實(shí)時(shí)陜速準(zhǔn)確的補(bǔ)償特性，必須建立在對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率、有功功率、諧波等電量參數(shù)的實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確測(cè)量基礎(chǔ)上。基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的無(wú)功功率檢測(cè)算法，進(jìn)行的多是瞬時(shí)值運(yùn)算，響應(yīng)速度快，適用于變化快、沖擊大的無(wú)功功率和電壓閃變的補(bǔ)償。但瞬時(shí)無(wú)功功率理論的應(yīng)用要求同步采樣電網(wǎng)某時(shí)刻的三相電壓電流，針對(duì)此情況，文中設(shè)計(jì)了由AD7606-6模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片與TMS320F2812組成的數(shù)據(jù)采集模塊。

1 STATCOM結(jié)構(gòu)模型及工作原理
圖1所示為以電壓源逆變器為核心的STATCOM模型。由以下幾部分組成：電壓／電流互感器，用于電網(wǎng)三相電壓電流、STATCOM交流側(cè)三相電流和電容直流電壓檢測(cè)；直流側(cè)電容，其作用是為設(shè)備提供電壓支撐；電壓源逆變器(VSC)，由大功率電力電子開(kāi)關(guān)器件(GTO或IGBT)組成，運(yùn)用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)控制電力電子開(kāi)關(guān)的通斷，將電容器上的直流電壓逆變成具有一定幅值和頻率的交流電壓；驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)大功率電力電子開(kāi)關(guān)器件；耦合變壓器和電抗器，不但可起到將大功率變流裝置與電力系統(tǒng)耦合在一起的作用，還可將逆變器輸出的電壓中的高次諧波濾除，使輸出的電壓波形接近正弦波。其余的無(wú)功計(jì)算模塊、d-q變換模塊、PI調(diào)節(jié)器模塊、PWM輸出模塊均在主控芯片DSP上完成

式(1)為STATCOM的狀態(tài)模型，L為連接電感，R，us為逆變器損耗等效電阻為系統(tǒng)電壓，uc為逆變器輸出電壓。

STATCOM的工作過(guò)程是，首先通過(guò)檢測(cè)三相電壓和電流，運(yùn)用瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算電網(wǎng)的無(wú)功功率或無(wú)功電流，判斷電網(wǎng)無(wú)功狀態(tài)，得到所需補(bǔ)償電流的無(wú)功分量，經(jīng)坐標(biāo)變換得到逆變器輸出的電壓參考值Vcα.ref和Vcβ.ref。在欠無(wú)功或者無(wú)功過(guò)剩時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)PWM調(diào)制系數(shù)，輸出的PWM信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路改變電壓源逆變器電力電子開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間，達(dá)到改變逆變器輸出電壓幅值、相位、頻率的目的，從而改變電網(wǎng)無(wú)功狀態(tài)，使電網(wǎng)無(wú)功功率平衡。
所以，同步檢測(cè)電網(wǎng)三相電壓和電流、STATCOM交流側(cè)三相電流和電容直流電壓是系統(tǒng)的核心任務(wù)之一。文中將采用AD7606-6模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量采集。

2 AD7606-6模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片
2．1 AD7606-6簡(jiǎn)介及特性
AD7606-6是ADI公司為簡(jiǎn)化下一代電力線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，新推出16位6通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，多通道集成方便實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的三相電流和電壓測(cè)量。如圖2所示，AD7606-6內(nèi)置有模擬輸入箝位保護(hù)、跟蹤保持放大器、二階抗混疊濾波器、16位逐次逼近型ADC、數(shù)字濾波器、2．5 V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速并行和串行接口。采用單電源5 V供電，可處理±5 V和±10 V真雙極性輸入信號(hào)，同時(shí)6個(gè)通道均能以200 ksample·s-1的吞吐速率采樣。輸入箝位保護(hù)電路可承受高達(dá)±16．5 V的電壓。無(wú)論工作在何種采樣頻率，AD7606-6的模擬輸入阻抗均為1 MΩ。其采用單電源工作方式，具有片內(nèi)濾波和高輸入阻抗，無(wú)需驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器和外接雙極性電源供電?？够殳B濾波器的3 dB截止頻率為22 kHz；當(dāng)采樣速率為200 ksample·s-1時(shí)，其具有40 dB抗混疊抑制特性。封裝采用64腳LQFP形式，具有體積小、重量輕、可工作于-40～+80℃內(nèi)的惡劣環(huán)境、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2．2 AD7606-6引腳功能說(shuō)明
AD7606-6采用64引腳LQFP形式，具有豐富的功能引腳，方便與DSP和微處理器連接。
AD7606-6主要的引腳和功能為：
(1)V1～V6。6個(gè)模擬信號(hào)輸入端，輸入信號(hào)范圍可以是±5 V或±10 V，具體由引腳RANGE決定。
(2)V1GND～V6GND。模擬輸入接地引腳，與各自輸入引腳對(duì)應(yīng)。
(3)OS[2：0]。過(guò)采樣模式引腳，用于選擇過(guò)采樣倍率。
(4)DB0-DB15。16位數(shù)據(jù)并行輸出口。其中，DB7／DB8復(fù)用為串口輸出引腳(DOUTA／DOUTB)。
(6)AGND。模擬地，需并聯(lián)10μF和100μF的去耦電容；AVCC：模擬電壓，范圍可從4．5～5．5 V；DGND：數(shù)字電路部分參考地；DVCC：數(shù)字電壓，通常為5 V，數(shù)字電壓與模擬電壓必須保持一致；VDD：電源正電壓；VSS：電源負(fù)電壓。
(7)。片選輸入信號(hào)引腳，若和一起選中，數(shù)據(jù)由并口一起輸出；：讀選通信號(hào)引腳。
(8)CONVST A／CONVST B。轉(zhuǎn)換開(kāi)始輸入A和B，用于啟動(dòng)模擬輸入通道轉(zhuǎn)換。要對(duì)6個(gè)轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行同時(shí)采樣，可將兩引腳短接，并施加一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)。
(9)BUSY。轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號(hào)，該引腳從轉(zhuǎn)換開(kāi)始到結(jié)束保持高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束B(niǎo)USY變?yōu)榈碗娖剑瑪?shù)據(jù)被鎖存，可供讀取。
(10)RESET。芯片復(fù)位信號(hào)引腳。
(11)RANGE。模擬輸入范圍選擇引腳，此引腳的極性決定了模擬輸入通道的輸入范圍，當(dāng)為高電平時(shí)，輸入范圍±10 V，低電平時(shí)，輸入范圍±5 V。
(12)REF SELECT。內(nèi)外部基準(zhǔn)電壓選擇輸入。高電平時(shí)使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，低電平則使用外部基準(zhǔn)電壓。
(13)REFIN／REFOUT?；鶞?zhǔn)電壓輸入／基準(zhǔn)電壓輸出。
2．3 AD7606-6所有通道同步采樣邏輯時(shí)序
AD7606-6可對(duì)所有模擬輸入通道同時(shí)采樣，時(shí)序邏輯如圖3所示。要實(shí)現(xiàn)所有通道同步采樣，只需將CONVEST A和CONVST B引腳短接，使用一個(gè)CONVST信號(hào)便可啟動(dòng)所有模擬輸入通道。AD7606-6內(nèi)置有片內(nèi)振蕩器用于轉(zhuǎn)換，每個(gè)ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間為tCONV。當(dāng)施加CONVST上升沿時(shí)，BUSY變成高電平，在轉(zhuǎn)換介紹后變?yōu)榈碗娖?。BUSY下降沿時(shí)，主控芯片可以通過(guò)給／施加低電平，從并行總線DB[15：0]、DOUTA／DOUT B串行數(shù)據(jù)線讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，按順序V1～V6，每施加一個(gè)低電平讀取一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。