基于數(shù)字信號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

高立春惠施江建民啟榮

文摘：介紹了基于數(shù)字信號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，以及動態(tài)仿真實驗的測試結(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)動脈沖的產(chǎn)生是關(guān)鍵技術(shù)。采用數(shù)字信號處理器TMS320C31設(shè)計了高精度、相位抖動小、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)字信號處理器；分類號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(shù)字控制器的設(shè)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(yīng)用于真實的10k變量統(tǒng)計模型。實驗結(jié)果表明，基于DSP的脈沖發(fā)生器和控制器對工業(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2000萬伏靜止同步補(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。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，無功調(diào)節(jié)不夠平滑，會對系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響；當(dāng)脈沖對稱性或相對相位不準(zhǔn)確時，器件輸出電流的諧波含量會增加；由于STATCOM的時間常數(shù)很小(一般小于10ms)，控制器的運(yùn)行速度和精度直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能。過去由于處理器的指令執(zhí)行時間過長(例如8098主頻為12MHz，指令執(zhí)行時間在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，同時也受到相位抖動的顯著影響[1]。由于數(shù)字信號處理器(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)行時間一般為50ns)，我們有可能采用微處理器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高精度脈沖發(fā)生器。與數(shù)字硬件實現(xiàn)[1]相比，該方法靈活簡單，通過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]中提到的相位抖動也可以降低到工程可接受的水平。此外，由于性價比高，設(shè)計以數(shù)字信號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)計的先選。1基于DSP的脈沖發(fā)生器設(shè)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(bǔ)償器無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輸出的無功功率q由以下公式確定： #p#分頁標(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)計中，當(dāng)無功q從-20Mvar變?yōu)?0Mvar時，的設(shè)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(xiàn)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是簡單的單相逆變橋，圖2是對應(yīng)左右橋臂的開關(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個四極和ABC三相逆變橋的48個GTO的開關(guān)信號之間的相位關(guān)系。由于每個相位和每個權(quán)值之間的相位差是固定的，所以可以做成固定的表格，只需要確定某個脈沖與同步信號的相對關(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，每個周期平均分為24個部分，15是基本間隔。如果00A是較低位，45C是較高位，則每15個周期可以用一個12位字來表示，例如，較好個15描述符是6DAH，第二個是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上的實現(xiàn) 利用微處理器定時器產(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)行時間易導(dǎo)致脈沖相位的抖動。但高速、高精度的DSP的普及使得我們有可能仍利用定時器產(chǎn)生高精度的脈沖，使程序運(yùn)行時間造成的相位抖動降低到工程允許的水平，同時還可以達(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)程序中啟動定時器0，測量系統(tǒng)頻率，同時啟動定時器1和定時器2發(fā)出L路和R路脈沖。在定時器1和定時器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，計算下一個狀態(tài)描述字(如圖5)輸出的時刻，并將其換算為相應(yīng)的時鐘數(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中定時器2是利用了TMS320C31串行口的發(fā)送定時器。

圖6 脈沖發(fā)生器框圖Fig.6 Structureofthepulsegenerator#p#分頁標(biāo)題#e#

1.4 脈沖測量結(jié)果及分析 圖7是利用PHIL

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