基于DSP的靜止同步補(bǔ)償器脈沖發(fā)生器及控制器的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于DSP的靜止同步補(bǔ)償器脈沖發(fā)生器及控制器的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要介紹了基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)高精度脈沖發(fā)生器及其控制器的設(shè)計(jì)及動(dòng)模實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。電壓源逆變的多重化合成是STATCOM的概念，而驅(qū)動(dòng)脈沖的產(chǎn)生又是其中的關(guān)鍵技術(shù)，采用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C31設(shè)計(jì)了精度高、相位抖動(dòng)小、穩(wěn)定性好的STATCOM脈沖發(fā)生器和控制器，在±10kvarSTATCOM動(dòng)模裝置上的運(yùn)行表明該方案可以滿足工程要求。關(guān)鍵詞靜止同步補(bǔ)償器脈沖發(fā)生器數(shù)字信號(hào)處理器

0引言靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)是一種可以連續(xù)光滑調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)無功功率的并聯(lián)型靈活交流輸電系統(tǒng)設(shè)備，目前用于配電系統(tǒng)的中等容量的STATCOM已有商業(yè)化產(chǎn)品。我國首臺(tái)±20MvarSTATCOM即將投運(yùn)，其中控制器和脈沖發(fā)生器是STATCOM的重要組成部分，前者根據(jù)用戶參考設(shè)定和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)確定STATCOM應(yīng)輸出的無功電流；后者則執(zhí)行前者的指令，向逆變器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。它們的性能將直接影響STATCOM輸出電流的質(zhì)量，從而影響用戶端電壓質(zhì)量。例如，脈沖發(fā)生器輸出脈沖分度的精度不夠時(shí)會(huì)使無功調(diào)節(jié)不夠光滑，對系統(tǒng)造成一定的沖擊；脈沖對稱度或相對相位不時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致裝置輸出電流諧波含量增加；由于STATCOM時(shí)間常數(shù)很小(一般小于10ms)，控制器的運(yùn)算速度和精度更是直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的性能。以前基于單片機(jī)的脈沖發(fā)生裝置由于處理器指令執(zhí)行時(shí)間太長(例如若8098主頻為12MHz，指令的執(zhí)行時(shí)間是在1μs～5μs間，相當(dāng)于工頻0.02°～0.1°)，必然難以保證脈沖精度，受相位抖動(dòng)的影響也較顯著［1］。由于數(shù)字信號(hào)處理器(digitalsignalprocessor,縮寫為DSP)快速的運(yùn)算(尤其是浮點(diǎn)乘法)能力(例如若TMS320C31主頻為40MHz，指令執(zhí)行時(shí)間一般為50ns)，使得我們有可能采用微處理器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度的脈沖發(fā)生器。相對于數(shù)字硬件實(shí)現(xiàn)［1］，該方法靈活簡單，修改程序即可改變脈沖發(fā)生器的功能，有較好的通用性，而文獻(xiàn)［1］提到的相位抖動(dòng)也可能減小到工程可以接受的水平。另外，由于高的性能價(jià)格比，以DSP為主CPU設(shè)計(jì)控制器也是我們STATCOM工程設(shè)計(jì)的方案。1基于DSP的脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)1.1對脈沖發(fā)生器步進(jìn)精度的要求對脈沖發(fā)生器步進(jìn)精度的要求由用戶對STATCOM無功輸出平滑程度以及STATCOM自身的特性而定。文獻(xiàn)［2］指出STATCOM輸出的無功功率Q由下式確定：

式中US為STATCOM接入系統(tǒng)點(diǎn)的電壓；R為STATCOM的等效電阻；δ為逆變器輸出電壓基波與系統(tǒng)電壓的相位差。在±20MvarSTATCOM的設(shè)計(jì)中，當(dāng)無功功率Q從-20Mvar變化到+20Mvar時(shí)，δ的設(shè)計(jì)變化約為-3°到+3°。顯然，對Q的步進(jìn)精度要求越高，對δ的單位相量［1］的要求也越高，現(xiàn)在要求δ的步進(jìn)量為0.1°。1.2逆變器脈沖信號(hào)的相位關(guān)系圖1是一個(gè)簡單的單相逆變橋，圖2是相應(yīng)的左右橋臂的開關(guān)描述，本系統(tǒng)中θ定為120°，在如圖3、圖4所示的多重化連接方式下，120°脈寬可以消除STATCOM輸出電壓的3n次諧波。顯然，脈沖發(fā)生器主要是處理0°到45°四重、ABC三相共12組這樣的逆變橋的48只GTO的開關(guān)信號(hào)間的相位關(guān)系。由于各相間及各重間的相位差固定，可以將其制成固定的表格，故只需確定某一脈沖與同步信號(hào)間的相對關(guān)系，就可以連續(xù)發(fā)出所要求相位關(guān)系的脈沖。圖5是各L(或R)橋臂脈沖信號(hào)的相位關(guān)系示意圖。圖中將每個(gè)周期等分為24份，以15°為一基本間隔，若將00A作為位，45C作為位，則每個(gè)15°的時(shí)間段內(nèi)可用1個(gè)12位的字來表示，如第1個(gè)15°的描述字為6DAH，第2個(gè)為6D3H等。

圖1單相逆變橋示意圖Fig.1Diagramofsinglephasebridge

L左臂；R右臂；θ單相橋輸出合成階梯波的脈寬“1”代表橋臂上邊的管子導(dǎo)通下邊的關(guān)閉，反之為“0”圖2脈沖相位關(guān)系Fig.2Phasedifferencebetweenthepulses

圖3STATCOM裝置主電路圖Fig.3ThediagramofthemaincircuitofSTATCOM

圖4變壓器曲折連接示意圖Fig.4Connectionofthetransformers

圖5脈沖間的相位關(guān)系(L或R橋臂)Fig.5Thephaserelationofthepulses(LorR)

1.3脈沖發(fā)生器在DSP上的實(shí)現(xiàn)利用微處理器定時(shí)器產(chǎn)生方波序列是常用的脈沖發(fā)生方法。文獻(xiàn)［1］就單片機(jī)討論了這種方法的缺點(diǎn)，即過長的指令執(zhí)行時(shí)間易導(dǎo)致脈沖相位的抖動(dòng)。但高速、高精度的DSP的普及使得我們有可能仍利用定時(shí)器產(chǎn)生高精度的脈沖，使程序運(yùn)行時(shí)間造成的相位抖動(dòng)降低到工程允許的水平，同時(shí)還可以達(dá)到簡單、靈活、通用等優(yōu)點(diǎn)。圖6是基于TMS320C31的脈沖發(fā)生器框圖。其中，同步信號(hào)發(fā)生電路完成對電網(wǎng)電壓信號(hào)的濾波和整形處理，在正弦信號(hào)的每個(gè)負(fù)向過零點(diǎn)產(chǎn)生向DSP申請外部中斷的窄脈沖。在外部中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)定時(shí)器0，測量系統(tǒng)頻率，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器1和定時(shí)器2發(fā)出L路和R路脈沖。在定時(shí)器1和定時(shí)器2中斷服務(wù)程序中根據(jù)測得的系統(tǒng)頻率和通過雙口RAM獲得的來自控制器的δ指令，計(jì)算下一個(gè)狀態(tài)描述字(如圖5)輸出的時(shí)刻，并將其換算為相應(yīng)的時(shí)鐘數(shù)加載，每隔15°輸出新的狀態(tài)字，狀態(tài)字經(jīng)輸出鎖存器鎖存后即形成連續(xù)脈沖。圖6中定時(shí)器2是利用了TMS320C31串行口的發(fā)送定時(shí)器。

圖6脈沖發(fā)生器框圖Fig.6Structureofthepulsegenerator

1.4脈沖測量結(jié)果及分析圖7是利用PHILIPSPM3580/60型邏輯分析儀實(shí)測的L路脈沖波形，各路波形間的順序與圖5相同。R路的波形相似，不再列出。表1和表2分別給出實(shí)測的L路和R路脈沖的占空比、三相間的120°相差以及其它各重與0°橋之間的相位差。表3則給出了在給定角度下所發(fā)出的脈沖與同步信號(hào)間的相位差，即圖2中δ角的測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該脈沖發(fā)生器誤差小于0.1°，可以滿足工程要求。

圖7L路脈沖測量結(jié)果Fig.7ThemeasuredL-pulses

表1L路脈沖測試結(jié)果Table1DutyratioandphasedifferenceofthemeasuredL-pulses

重相占空比/(%)三相相差/(°)與0°橋相差/(°)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相與B相的相位差；2)表示B相與C相的相位差；3)表示C相與A相的相位差。表2R路脈沖測試結(jié)果Table2DutyratioandphasedifferenceofthemeasuredR-pulses

重相占空比/(%)三相相差/(°)與0°橋相差/(°)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相與B相的相位差；2)表示B相與C相的相位差；3)表示C相與A相的相位差。表3對給定δ的測試結(jié)果Table3Responseofthepulsegeneratortoacommandangle

給定/(°)相位差/(°)給定/(°)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圖8給出STATCOM裝置并網(wǎng)前輸出的階梯波形及其頻譜，其中頻譜以各頻率成分與基波幅值相對的分貝數(shù)表示?？梢娸敵鲭A梯波主要含23次、25次諧波，它們的幅值分別為基波的4.15%和3.57%。該結(jié)果可證明脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的波形相位準(zhǔn)確，可使STATCOM輸出波形的諧波含量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(a)STATCOM輸出電壓波形(b)頻譜圖8STATCOM輸出電壓波形及其頻譜Fig.8ThewaveformofSTATCOMoutputanditsspectrum

2基于DSP的STATCOM控制器設(shè)計(jì)STATCOM的控制任務(wù)是根據(jù)控制目標(biāo)確定其逆變器輸出電壓與系統(tǒng)同步信號(hào)間的微小的相位差，從而控制STATCOM向系統(tǒng)發(fā)出(或吸收)的無功功率，進(jìn)而改變電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)，為輸電系統(tǒng)或配電系統(tǒng)貢獻(xiàn)力量。對輸電系統(tǒng)，如提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定極限，增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼等；對配電系統(tǒng)，如抑制用戶端電壓閃變，提高功率因數(shù)，改善電壓調(diào)節(jié)等［3，4］。在完成的脈沖發(fā)生器(執(zhí)行機(jī)構(gòu))設(shè)計(jì)后，控制器的硬件設(shè)計(jì)主要集中在采集系統(tǒng)有關(guān)電壓和電流變量，完成與脈沖發(fā)生器以及操作人員的接口等。在本系統(tǒng)中，再次采用TMS320C31作為主處理器構(gòu)成控制器。除了保持與脈沖發(fā)生器一致，不增加開發(fā)的難度外，采用DSP的原因還在于其快速的浮點(diǎn)運(yùn)算和的定時(shí)能力。前者為設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制算法提供了保證，后者則是數(shù)字系統(tǒng)基本的要求。加入控制器后，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖9所示。其中上位工控機(jī)接受操作人員由鍵盤或操作面板發(fā)出的命令，實(shí)現(xiàn)相角調(diào)節(jié)、控制參數(shù)設(shè)定、波形記錄、恒電壓/無功控制模式切換及投切等功能。它通過微機(jī)的I/O接口與DSP控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主DSP控制器根據(jù)上位機(jī)的指令及測到的系統(tǒng)電流電壓信號(hào)，確定工作模式并計(jì)算當(dāng)前的控制量δ，該控制量通過雙口RAM被送至脈沖發(fā)生器。脈沖發(fā)生器根據(jù)得到的δ信息產(chǎn)生脈沖，脈沖經(jīng)隔離、整形后驅(qū)動(dòng)主電路的晶閘管，使逆變器輸出相應(yīng)的無功電流。

圖9STATCOM控制系統(tǒng)框圖Fig.9StructureoftheSTATCOMcontroller

該控制器在清華大學(xué)±10kvarSTATCOM動(dòng)模裝置上作了試運(yùn)行。圖10給出的從0至5kvar的無功階躍曲線可以很好地說明該控制器的有效性，其中的無功采用瞬時(shí)無功算法獲得［5］，控制律采用PI，其控制參數(shù)可以在線調(diào)節(jié)。從圖中可以看出，STATCOM具有非?？斓臒o功響應(yīng)速度，證明該控制器響應(yīng)正確，可以滿足STATCOM的控制需要。

——無功；電流圖10STATCOM的無功階躍響應(yīng)Fig.10ReactivepowerstepresponseofSTATCOM

3結(jié)語