基于數字信號處理器的靜止同步補償器脈沖發(fā)生器及控制器設計

高立春惠施江建民啟榮

文摘：介紹了基于數字信號處理器的靜止同步補償器高精度脈沖發(fā)生器及其控制器的設計，以及動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗的測試結果。電壓源逆變器的多路合成是靜止同步補償器的核心概念，精確驅動(dòng)脈沖的產(chǎn)生是關(guān)鍵技術(shù)。采用數字信號處理器TMS320C31設計了高精度、相位抖動(dòng)小、穩定性好的靜止同步補償器脈沖發(fā)生器和控制器。10kvarSTATCOM動(dòng)態(tài)仿真裝置的運行表明，該方案能夠滿(mǎn)足工程要求。靜止同步補償器；脈沖發(fā)生器；數字信號處理器；分類(lèi)號TM761

DESIGNOFDSP-BASEDPULSEGENERATORANDCONTROLLERFORSTATCOM

李春、高輝、施建民、姜啟榮

(中北京清華大學(xué)，100084)

摘要本文介紹了基于SP的脈沖發(fā)生器和數字控制器的設計。TMS 320 c 31 isempleedpatecheeprecision，low phase noise and tablepulsforthe drivingofstatcom。脈沖發(fā)生器和控制器重新應用于真實(shí)的10k變量統計模型。實(shí)驗結果表明，基于DSP的脈沖發(fā)生器和控制器對工業(yè)應用有效。靜止同步補償器；脈沖發(fā)生器；數字信號處理器

介紹靜止同步補償器(STATCOM)是一種能夠連續平滑調節電力系統無(wú)功功率的并聯(lián)柔性交流輸電系統設備。目前，用于配電系統的中容量靜止同步補償器已經(jīng)商業(yè)化。我較好臺2000萬(wàn)伏靜止同步補償器即將投入運行，其中控制器和脈沖發(fā)生器是靜止同步補償器的重要組成部分。前者根據用戶(hù)參考設置和系統運行狀態(tài)確定靜止同步補償器應輸出的無(wú)功電流。后者執行前者的指令，并向逆變器發(fā)送觸發(fā)信號。它們的性能將直接影響STATCOM的輸出電流質(zhì)量，從而影響用戶(hù)的端電壓質(zhì)量。比如脈沖發(fā)生器輸出脈沖的較小刻度精度不夠時(shí)，無(wú)功調節不夠平滑，會(huì )對系統產(chǎn)生一定的影響；當脈沖對稱(chēng)性或相對相位不準確時(shí)，器件輸出電流的諧波含量會(huì )增加；由于STATCOM的時(shí)間常數很小(一般小于10ms)，控制器的運行速度和精度直接關(guān)系到整個(gè)系統的性能。過(guò)去由于處理器的指令執行時(shí)間過(guò)長(cháng)(例如8098主頻為12MHz，指令執行時(shí)間在1 s到5 s之間，相當于0.02 ~ 0.1工頻)，脈沖精度難以保證，同時(shí)也受到相位抖動(dòng)的顯著(zhù)影響[1]。由于數字信號處理器(DSP)的快速運算(尤其是浮點(diǎn)乘法)能力(例如TMS320C31頻率為40MHz，指令執行時(shí)間一般為50ns)，我們有可能采用微處理器結構實(shí)現高精度脈沖發(fā)生器。與數字硬件實(shí)現[1]相比，該方法靈活簡(jiǎn)單，通過(guò)修改程序可以改變脈沖發(fā)生器的功能，具有更好的通用性，文獻[1]中提到的相位抖動(dòng)也可以降低到工程可接受的水平。此外，由于性?xún)r(jià)比高，設計以數字信號處理器為主的控制器也是我們靜止同步補償器工程設計的先選。1基于DSP的脈沖發(fā)生器設計1.1脈沖發(fā)生器步進(jìn)精度要求脈沖發(fā)生器的步進(jìn)精度要求由靜止同步補償器無(wú)功功率輸出的平滑度和靜止同步補償器本身的特性決定。參考文獻[2]指出，STATCOM輸出的無(wú)功功率q由以下公式確定： #p#分頁(yè)標題#e#

STATCOM接入系統點(diǎn)電壓的美類(lèi)型；r為STATCOM的等效電阻；是逆變器輸出電壓的基波與系統電壓之間的相位差。在20MvarSTATCOM的設計中，當無(wú)功q從-20Mvar變?yōu)?0Mvar時(shí)，的設計變化約為-3至3。顯然，對Q的步進(jìn)精度要求越高，對 [1]的單位相量要求就越高?，F在，的步進(jìn)量要求為0.1。1.2逆變脈沖信號的相位關(guān)系圖1是簡(jiǎn)單的單相逆變橋，圖2是對應左右橋臂的開(kāi)關(guān)描述。在該系統中，設置為120。在圖3和圖4所示的多重連接模式下，120的脈沖寬度可以消除STATCOM輸出電壓的3n次諧波。顯然，脈沖發(fā)生器主要處理12組0到45個(gè)四極和ABC三相逆變橋的48個(gè)GTO的開(kāi)關(guān)信號之間的相位關(guān)系。由于每個(gè)相位和每個(gè)權值之間的相位差是固定的，所以可以做成固定的表格，只需要確定某個(gè)脈沖與同步信號的相對關(guān)系，然后就可以連續發(fā)出需要相位關(guān)系的脈沖。圖5是每個(gè)l(或r)橋臂的脈沖信號的相位關(guān)系的示意圖。在圖中，每個(gè)周期平均分為24個(gè)部分，15是基本間隔。如果00A是較低位，45C是較高位，則每15個(gè)周期可以用一個(gè)12位字來(lái)表示，例如，較好個(gè)15描述符是6DAH，第二個(gè)是6D。

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

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通下邊的關(guān)閉，反之為“0”圖2 脈沖相位關(guān)系Fig.2 Phasedifferencebetweenthepulses

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

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

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

1.3 脈沖發(fā)生器在DSP上的實(shí)現 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［1］就單片機討論了這種方法的缺點(diǎn)，即過(guò)長(cháng)的指令執行時(shí)間易導致脈沖相位的抖動(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)還可以達到簡(jiǎn)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，同步信號發(fā)生電路完成對電網(wǎng)電壓信號的濾波和整形處理，在正弦信號的每個(gè)負向過(guò)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)程序中根據測得的系統頻率和通過(guò)雙口RAM獲得的來(lái)自控制器的δ指令，計算下一個(gè)狀態(tài)描述字(如圖5)輸出的時(shí)刻，并將其換算為相應的時(shí)鐘數加載，每隔15°輸出一次新的狀態(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.6 Structureofthepulsegenerator#p#分頁(yè)標題#e#

1.4 脈沖測量結果及分析 圖7是利用PHIL

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