基于DSP的静止同步补偿器脉冲发生器及控制器的设计-设计应用

精品文档-下载后可编辑基于DSP的静止同步补偿器脉冲发生器及控制器的设计-设计应用摘要介绍了基于数字信号处理器(DSP)的静止同步补偿器(STATCOM)高精度脉冲发生器及其控制器的设计及动模实验测试结果。电压源逆变的多重化合成是STATCOM的概念，而驱动脉冲的产生又是其中的关键技术，采用数字信号处理器TMS320C31设计了精度高、相位抖动小、稳定性好的STATCOM脉冲发生器和控制器，在±10kvarSTATCOM动模装置上的运行表明该方案可以满足工程要求。关键词静止同步补偿器脉冲发生器数字信号处理器

0引言静止同步补偿器(STATCOM)是一种可以连续光滑调节电力系统无功功率的并联型灵活交流输电系统设备，目前用于配电系统的中等容量的STATCOM已有商业化产品。我国首台±20MvarSTATCOM即将投运，其中控制器和脉冲发生器是STATCOM的重要组成部分，前者根据用户参考设定和系统运行状态确定STATCOM应输出的无功电流；后者则执行前者的指令，向逆变器发出触发信号。它们的性能将直接影响STATCOM输出电流的质量，从而影响用户端电压质量。例如，脉冲发生器输出脉冲分度的精度不够时会使无功调节不够光滑，对系统造成一定的冲击；脉冲对称度或相对相位不时，则会导致装置输出电流谐波含量增加；由于STATCOM时间常数很小(一般小于10ms)，控制器的运算速度和精度更是直接关系到整个系统运行的性能。以前基于单片机的脉冲发生装置由于处理器指令执行时间太长(例如若8098主频为12MHz，指令的执行时间是在1μs～5μs间，相当于工频0.02°～0.1°)，必然难以保证脉冲精度，受相位抖动的影响也较显著［1］。由于数字信号处理器(digitalsignalprocessor,缩写为DSP)快速的运算(尤其是浮点乘法)能力(例如若TMS320C31主频为40MHz，指令执行时间一般为50ns)，使得我们有可能采用微处理器结构实现高精度的脉冲发生器。相对于数字硬件实现［1］，该方法灵活简单，修改程序即可改变脉冲发生器的功能，有较好的通用性，而文献［1］提到的相位抖动也可能减小到工程可以接受的水平。另外，由于高的性能价格比，以DSP为主CPU设计控制器也是我们STATCOM工程设计的方案。1基于DSP的脉冲发生器的设计1.1对脉冲发生器步进精度的要求对脉冲发生器步进精度的要求由用户对STATCOM无功输出平滑程度以及STATCOM自身的特性而定。文献［2］指出STATCOM输出的无功功率Q由下式确定：

式中US为STATCOM接入系统点的电压；R为STATCOM的等效电阻；δ为逆变器输出电压基波与系统电压的相位差。在±20MvarSTATCOM的设计中，当无功功率Q从-20Mvar变化到+20Mvar时，δ的设计变化约为-3°到+3°。显然，对Q的步进精度要求越高，对δ的单位相量［1］的要求也越高，现在要求δ的步进量为0.1°。1.2逆变器脉冲信号的相位关系图1是一个简单的单相逆变桥，图2是相应的左右桥臂的开关描述，本系统中θ定为120°，在如图3、图4所示的多重化连接方式下，120°脉宽可以消除STATCOM输出电压的3n次谐波。显然，脉冲发生器主要是处理0°到45°四重、ABC三相共12组这样的逆变桥的48只GTO的开关信号间的相位关系。由于各相间及各重间的相位差固定，可以将其制成固定的表格，故只需确定某一脉冲与同步信号间的相对关系，就可以连续发出所要求相位关系的脉冲。图5是各L(或R)桥臂脉冲信号的相位关系示意图。图中将每个周期等分为24份，以15°为一基本间隔，若将00A作为位，45C作为位，则每个15°的时间段内可用1个12位的字来表示，如第1个15°的描述字为6DAH，第2个为6D3H等。

图1单相逆变桥示意图Fig.1Diagramofsinglephasebridge

L左臂；R右臂；θ单相桥输出合成阶梯波的脉宽“1”代表桥臂上边的管子导通下边的关闭，反之为“0”图2脉冲相位关系Fig.2Phasedifferencebetweenthepulses

图3STATCOM装置主电路图Fig.3ThediagramofthemaincircuitofSTATCOM

图4变压器曲折连接示意图Fig.4Connectionofthetransformers

图5脉冲间的相位关系(L或R桥臂)Fig.5Thephaserelationofthepulses(LorR)

1.3脉冲发生器在DSP上的实现利用微处理器定时器产生方波序列是常用的脉冲发生方法。文献［1］就单片机讨论了这种方法的缺点，即过长的指令执行时间易导致脉冲相位的抖动。但高速、高精度的DSP的普及使得我们有可能仍利用定时器产生高精度的脉冲，使程序运行时间造成的相位抖动降低到工程允许的水平，同时还可以达到简单、灵活、通用等优点。图6是基于TMS320C31的脉冲发生器框图。其中，同步信号发生电路完成对电网电压信号的滤波和整形处理，在正弦信号的每个负向过零点产生向DSP申请外部中断的窄脉冲。在外部中断服务程序中启动定时器0，测量系统频率，同时启动定时器1和定时器2发出L路和R路脉冲。在定时器1和定时器2中断服务程序中根据测得的系统频率和通过双口RAM获得的来自控制器的δ指令，计算下一个状态描述字(如图5)输出的时刻，并将其换算为相应的时钟数加载，每隔15°输出新的状态字，状态字经输出锁存器锁存后即形成连续脉冲。图6中定时器2是利用了TMS320C31串行口的发送定时器。

图6脉冲发生器框图Fig.6Structureofthepulsegenerator

1.4脉冲测量结果及分析图7是利用PHILIPSPM3580/60型逻辑分析仪实测的L路脉冲波形，各路波形间的顺序与图5相同。R路的波形相似，不再列出。表1和表2分别给出实测的L路和R路脉冲的占空比、三相间的120°相差以及其它各重与0°桥之间的相位差。表3则给出了在给定角度下所发出的脉冲与同步信号间的相位差，即图2中δ角的测量结果。实验结果显示该脉冲发生器误差小于0.1°，可以满足工程要求。

图7L路脉冲测量结果Fig.7ThemeasuredL-pulses

表1L路脉冲测试结果Table1DutyratioandphasedifferenceofthemeasuredL-pulses

重相占空比/(%)三相相差/(°)与0°桥相差/(°)0°A49.988120.0271)B49.986120.0362)C50.005120.0323)15°A49.996120.0401)15.000B49.991119.9782)15.035C49.998120.0113)15.00130°A49.990120.0361)30.009B49.997120.0362)30.000C50.014120.0363)30.00945°A49.998119.9731)44.999B49.994120.0312)45.034C50.000120.0033)44.998注：1)表示A相与B相的相位差；2)表示B相与C相的相位差；3)表示C相与A相的相位差。表2R路脉冲测试结果Table2DutyratioandphasedifferenceofthemeasuredR-pulses

重相占空比/(%)三相相差/(°)与0°桥相差/(°)0°A50.005120.0041)B49.994120.0052)C49.995120.0153)15°A50.010120.0251)15.004B49.991120.0202)15.003C49.990119.9603)14.99830°A50.007120.0071)30.005B49.993120.0482)30.003C49.995119.9863)30.04245°A50.010120.0091)45.006B49.993120.0522)45.004C49.989119.9893)45.044注：1)表示A相与B相的相位差；2)表示B相与C相的相位差；3)表示C相与A相的相位差。表3对给定δ的测试结果Table3Responseofthepulsegeneratortoacommandangle

给定/(°)相位差/(°)给定/(°)相位差/(°)0.10.087-0.1-0.1210.20.184-0.2-0.1990.30.275-0.3-0.3230.40.379-0.4-0.4170.50.483-0.5-0.4990.60.608-0.6-0.6040.70.699-0.7-0.7040.80.788-0.8-0.8040.90.906-0.9-0.9041.00.982-1.0-1.009图8给出STATCOM装置并网前输出的阶梯波形及其频谱，其中频谱以各频率成分与基波幅值相对的分贝数表示。可见输出阶梯波主要含23次、25次谐波，它们的幅值分别为基波的4.15%和3.57%。该结果可证明脉冲发生器产生的波形相位准确，可使STATCOM输出波形的谐波含量达到设计要求。

(a)STATCOM输出电压波形(b)频谱图8STATCOM输出电压波形及其频谱Fig.8ThewaveformofSTATCOMoutputanditsspectrum

2基于DSP的STATCOM控制器设计STATCOM的控制任务是根据控制目标确定其逆变器输出电压与系统同步信号间的微小的相位差，从而控制STATCOM向系统发出(或吸收)的无功功率，进而改变电力系统的电压调节，为输电系统或配电系统贡献力量。对输电系统，如提高系统暂态稳定极限，增强系统阻尼等；对配电系统，如抑制用户端电压闪变，提高功率因数，改善电压调节等［3，4］。在完成的脉冲发生器(执行机构)设计后，控制器的硬件设计主要集中在采集系统有关电压和电流变量，完成与脉冲发生器以及操作人员的接口等。在本系统中，再次采用TMS320C31作为主处理器构成控制器。除了保持与脉冲发生器一致，不增加开发的难度外，采用DSP的原因还在于其快速的浮点运算和的定时能力。前者为设计复杂的控制算法提供了保证，后者则是数字系统基本的要求。加入控制器后，整个系统的结构如图9所示。其中上位工控机接受操作人员由键盘或操作面板发出的命令，实现相角调节、控制参数设定、波形记录、恒电压/无功控制模式切换及投切等功能。它通过微机的I/O接口与DSP控制器进行数据交换。主DSP控制器根据上位机的指令及测到的系统电流电压信号，确定工作模式并计算当前的控制量δ，该控制量通过双口RAM被送至脉冲发生器。脉冲发生器根据得到的δ信息产生脉冲，脉冲经隔离、整形后驱动主电路的晶闸管，使逆变器输出相应的无功电流。

图9STATCOM控制系统框图Fig.9StructureoftheSTATCOMcontroller

该控制器在清华大学±10kvarSTATCOM动模装置上作了试运行。图10给出的从0至5kvar的无功阶跃曲线可以很好地说明该控制器的有效性，其中的无功采用瞬时无功算法获得［5］，控制律采用PI，其控制参数可以在线调节。从图中可以看出，STATCOM具有非常快的无功响应速度，证明该控制器响应正确，可以满足STATCOM的控制需要。

——无功；电流图10STATCOM的无功阶跃响应Fig.10ReactivepowerstepresponseofSTATCOM

3结语