基于數(shù)字信號(hào)處理器的靜止同步補(bǔ)償器脈沖發(fā)生器及控制器設(shè)計(jì)

高立春惠施江建民啟榮

文摘：介紹了基于數(shù)字信號(hào)處理器的靜止同步補(bǔ)償器高精度脈沖發(fā)生器及其控制器的設(shè)計(jì)，以及動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。電壓源逆變器的多路合成是靜止同步補(bǔ)償器的核心概念，精確驅(qū)動(dòng)脈沖的產(chǎn)生是關(guān)鍵技術(shù)。采用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C31設(shè)計(jì)了高精度、相位抖動(dòng)小、穩(wěn)定性好的靜止同步補(bǔ)償器脈沖發(fā)生器和控制器。10kvarSTATCOM動(dòng)態(tài)仿真裝置的運(yùn)行表明，該方案能夠滿足工程要求。靜止同步補(bǔ)償器；脈沖發(fā)生器；數(shù)字信號(hào)處理器；分類號(hào)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(shù)字控制器的設(shè)計(jì)。TMS 320 c 31 isempleedpatecheeprecision，low phase noise and tablepulsforthe drivingofstatcom。脈沖發(fā)生器和控制器重新應(yīng)用于真實(shí)的10k變量統(tǒng)計(jì)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于DSP的脈沖發(fā)生器和控制器對(duì)工業(yè)應(yīng)用有效。靜止同步補(bǔ)償器；脈沖發(fā)生器；數(shù)字信號(hào)處理器

介紹靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)是一種能夠連續(xù)平滑調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)無(wú)功功率的并聯(lián)柔性交流輸電系統(tǒng)設(shè)備。目前，用于配電系統(tǒng)的中容量靜止同步補(bǔ)償器已經(jīng)商業(yè)化。我較好臺(tái)2000萬(wàn)伏靜止同步補(bǔ)償器即將投入運(yùn)行，其中控制器和脈沖發(fā)生器是靜止同步補(bǔ)償器的重要組成部分。前者根據(jù)用戶參考設(shè)置和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)確定靜止同步補(bǔ)償器應(yīng)輸出的無(wú)功電流。后者執(zhí)行前者的指令，并向逆變器發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。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(diào)節(jié)不夠平滑，會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響；當(dāng)脈沖對(duì)稱性或相對(duì)相位不準(zhǔn)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(shù)很小(一般小于10ms)，控制器的運(yùn)行速度和精度直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。過(guò)去由于處理器的指令執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(例如8098主頻為12MHz，指令執(zhí)行時(shí)間在1 s到5 s之間，相當(dāng)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)的顯著影響[1]。由于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的快速運(yùn)算(尤其是浮點(diǎn)乘法)能力(例如TMS320C31頻率為40MHz，指令執(zhí)行時(shí)間一般為50ns)，我們有可能采用微處理器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度脈沖發(fā)生器。與數(shù)字硬件實(shí)現(xiàn)[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(xiàn)[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，由于性價(jià)比高，設(shè)計(jì)以數(shù)字信號(hào)處理器為主的控制器也是我們靜止同步補(bǔ)償器工程設(shè)計(jì)的先選。1基于DSP的脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)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(bǔ)償器無(wú)功功率輸出的平滑度和靜止同步補(bǔ)償器本身的特性決定。參考文獻(xiàn)[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(biāo)題#e#

STATCOM接入系統(tǒng)點(diǎn)電壓的美類型；r為STATCOM的等效電阻；是逆變器輸出電壓的基波與系統(tǒng)電壓之間的相位差。在20MvarSTATCOM的設(shè)計(jì)中，當(dāng)無(wú)功q從-20Mvar變?yōu)?0Mvar時(shí)，的設(shè)計(jì)變化約為-3至3。顯然，對(duì)Q的步進(jìn)精度要求越高，對(duì) [1]的單位相量要求就越高?，F(xiàn)在，的步進(jìn)量要求為0.1。1.2逆變脈沖信號(hào)的相位關(guān)系圖1是簡(jiǎn)單的單相逆變橋，圖2是對(duì)應(yīng)左右橋臂的開(kāi)關(guān)描述。在該系統(tǒng)中，設(shè)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(hào)之間的相位關(guān)系。由于每個(gè)相位和每個(gè)權(quán)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(hào)的相對(duì)關(guān)系，然后就可以連續(xù)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(hào)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(dǎo)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(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(guò)長(zhǎng)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(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(hào)發(fā)生電路完成對(duì)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(guò)零點(diǎn)產(chǎn)生向DSP申請(qǐng)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(cè)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(cè)得的系統(tǒng)頻率和通過(guò)雙口RAM獲得的來(lái)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(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.6 Structureofthepulsegenerator#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

1.4 脈沖測(cè)量結(jié)果及分析 圖7是利用PHIL

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