基于DSP實(shí)現(xiàn)靜止無功發(fā)生器控制器和電流間接控制方法的研究

本文介紹了基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）設(shè)計(jì)的靜止無功發(fā)生器控制器的結(jié)構(gòu)、功能、特點(diǎn)，具體分析了電流間接控制方法，詳細(xì)介紹了控制方法及其編程實(shí)現(xiàn)，并通過仿真證明了電流間接控制方法的有效性。

1、概述

隨著柔性交流輸電技術(shù)的提出和發(fā)展，靜止無功發(fā)生器（Static Synchronous Compensator，簡(jiǎn)稱STATCOM）已成為近年來國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。STATCOM的基本原理是將自換相橋式電路通過電阻和電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，根據(jù)輸入系統(tǒng)的無功功率和有功功率的指令，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足系統(tǒng)所要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。穩(wěn)態(tài)時(shí)STATCOM輸出的有功功率和無功功率分別是：

其中VS是系統(tǒng)電壓， R是裝置的等效電阻，δ是系統(tǒng)電壓和裝置輸出電壓之間的相位差。

近年來對(duì)STATCOM的相關(guān)技術(shù)研究主要集中在主電路、新元件、保護(hù)和監(jiān)測(cè)、控制方法上。尤其是控制方法，是STATCOM研究中的重中之重。根據(jù)補(bǔ)償要實(shí)現(xiàn)的功能和應(yīng)用場(chǎng)合，目前STATCOM的控制主要從控制策略和外閉環(huán)的反饋控制量的選取兩方面來考慮，可以分為電流間接控制和電流直接控制。所謂間接控制，就是將STATCOM當(dāng)作交流電源來看待，通過對(duì)STATCOM裝置中逆變器所產(chǎn)生的交流電壓基波的相位和幅值的控制，來間接控制STATCOM交流側(cè)電流；而直接控制［3］，就是對(duì)電流波形瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制，STATCOM可看作為一個(gè)受控電流源。本文設(shè)計(jì)了一種適合較大容量STATCOM控制采用的電流間接控制方法，通過仿真試驗(yàn)證明這種方法是切實(shí)可行的。

2、STATCOM控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與基本功能

在靜止無功發(fā)生器中，控制器（包括脈沖發(fā)生器）是STATCOM的重要組成部分，也是其核心部件之一，它根據(jù)用戶設(shè)定的參考值和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)來確定STATCOM的無功

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（03JK123）

電流輸出。其主要是通過產(chǎn)生控制驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件的脈沖來控制STATCOM的各種行為，完成STATCOM所需完成的任務(wù)。STATCOM裝置原理框圖如圖1所示。

這個(gè)STATCOM控制系統(tǒng)采用雙DSP結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)DSP處理器用來完成數(shù)據(jù)處理、控制方法的實(shí)現(xiàn)，是主處理器；另一個(gè)DSP處理器用來產(chǎn)生高精度脈沖。圖中PT是電壓互感器，CT是電流互感器，用來測(cè)量STATCOM輸出端的三相電壓和三相電流信號(hào)，Uabc、Iabc分別是系統(tǒng)三相電壓和電流，該控制器具有產(chǎn)生同步脈沖、產(chǎn)生觸發(fā)脈沖、控制STATCOM行為和運(yùn)行控制算法等功能。

3、STATCOM主控制器控制算法的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)控制器時(shí)，除了脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)以外，控制器的軟硬件設(shè)計(jì)主要集中在采集系統(tǒng)有關(guān)的電壓和電流變量以及實(shí)現(xiàn)控制算法上，即集中在主控制器的設(shè)計(jì)上。STATCOM控制環(huán)節(jié)計(jì)算量大，精度要求高，所以主控制器和脈沖發(fā)生器的性能及所采用的控制方案對(duì)裝置的補(bǔ)償效果起決定性的作用，從而影響用戶端電壓的質(zhì)量。

3.1 電流間接控制算法

電流間接控制算法分為單δ控制和δ與θ（逆變器導(dǎo)通角）配合控制。δ與θ配合控制方法引入了STATCOM吸收的無功和有功電流的反饋控制，其中包含了許多系統(tǒng)參數(shù)。而電力系統(tǒng)的參數(shù)具有極大的不確定性，所以要求STATCOM控制器必須有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)難度很大。單δ控制主要有傳統(tǒng)PI控制和逆系統(tǒng)的PI控制。逆系統(tǒng)的PI控制具有比傳統(tǒng)PI控制更快的響應(yīng)速度，所以對(duì)間接控制的研究將主要針對(duì)此種控制方法。本文采用單δ控制中的逆系統(tǒng)PI控制作為主要控制方法，控制方法框圖如圖2所示。

上圖的主要思路是對(duì)STATCOM的無功功率采用逆系統(tǒng)非線性的PI控制，圖中的F（1）即為（2）式，通過計(jì)算獲得δ1，ΔU是系統(tǒng)參考電壓和裝置輸出電壓的差值。正是δ2對(duì)δ1的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用，使逆系統(tǒng)PI控制才比傳統(tǒng)PI控制具有更快的響應(yīng)速度。

3.2 主處理器的選取

STATCOM控制器有兩個(gè)基本的特點(diǎn)，一是響應(yīng)速度快；二是待處理變量多，在檢測(cè)控制中要進(jìn)行大量的微分、積分、乘方、三角函數(shù)等運(yùn)算。故在采用數(shù)字控制系統(tǒng)時(shí)，若以普通微處理器（如MCS51、96）為CPU，則由于其本身指令系統(tǒng)的局限性，所需指令數(shù)目多，指令周期長(zhǎng)，因此難以保證控制裝置的實(shí)時(shí)性。而采用一種高性能的數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為CPU時(shí)，則使兼顧滿足STATCOM控制器的精確性和實(shí)時(shí)性要求成為可能。

考慮到系統(tǒng)的要求和實(shí)際情況，本文選TMS320F240為主處理器，這是由于DSP快速的運(yùn)算能力（TMS320F240指令執(zhí)行時(shí)間為50ns），以及其強(qiáng)大的片內(nèi)外功能（3個(gè)通用定時(shí)器，單比較單元可產(chǎn)生3路PWM波，全比較單元可產(chǎn)生6路PWM波），所以采用TMS320F240系列的DSP芯片來實(shí)現(xiàn)控制功能，可以提高運(yùn)算速度，也可以達(dá)到很好的控制效果。

3.3 測(cè)量采樣系統(tǒng)

控制器的測(cè)量系統(tǒng)是由PT、CT和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成，PT、CT用來測(cè)量STATCOM輸出端的三相電壓和三相電流信號(hào)，這些模擬量信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入控制器，控制器利用所測(cè)得的信號(hào)瞬時(shí)值，經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q后求出瞬時(shí)無功和瞬時(shí)電壓矢量的“有效值”，并以此為依據(jù)對(duì)STATCOM進(jìn)行控制。電壓量的采集主要利用TMS320F240自帶的A/D轉(zhuǎn)換器完成。TMS320F240內(nèi)部集成了2個(gè)10位的A/D轉(zhuǎn)換器，共16路模擬通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到兩級(jí)先進(jìn)先出的（FIFO）寄存器中。可以同時(shí)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換2路模擬輸入（每個(gè)ADC單元各一個(gè)）。本系統(tǒng)取采樣周期為500μs，轉(zhuǎn)換通道選擇通道7和通道15，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.4 軟件流程

DSP主控制器的軟件實(shí)際上是一個(gè)控制器下位機(jī)軟件，主要負(fù)責(zé)各個(gè)參量的采集和各種控制算法的具體實(shí)現(xiàn)。程序運(yùn)行開始打開定時(shí)器1中斷和外部中斷INT0，外部中斷用于和上位機(jī)通信，DSP控制器在外部中斷服務(wù)子程序中完成上位機(jī)的各種指令，在定時(shí)中斷服務(wù)子程序中完成控制算法的實(shí)現(xiàn)。由于采樣周期設(shè)為 500μs，即一個(gè)周期采樣40個(gè)點(diǎn)。所以定時(shí)器1每隔500μs觸發(fā)一次中斷，在中斷服務(wù)程序中DSP采集當(dāng)前系統(tǒng)參量并計(jì)算瞬時(shí)電壓的量，然后根據(jù)上位機(jī)所發(fā)出的指令選擇控制方式和控制算法以便計(jì)算控制量δ，最后將計(jì)算結(jié)果通過雙口RAM送到脈沖發(fā)生器。由于DSP的運(yùn)算速度很快，所以完全可以在500μs的周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)采樣、讀取數(shù)據(jù)及實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法并查表計(jì)算出STATCOM逆變器輸出電壓與系統(tǒng)電壓間的相位差δ，實(shí)際的程序編制運(yùn)行中已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。圖3是主控制器主程序流程圖和定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖。

4 、控制算法仿真結(jié)果

本次仿真軟件用MATLAB6.1 PSB（電源系統(tǒng)模塊）控制工具箱，將含有采用電流間接控制方法的STATCOM接入一個(gè)單機(jī)無窮大系統(tǒng)，假設(shè)系統(tǒng)其中的一條線路在0.3秒發(fā)生瞬時(shí)兩相對(duì)地短路，在0.45秒切除故障線路，記錄發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、功角的動(dòng)態(tài)仿真特性曲線，無STATCOM的系統(tǒng)和裝有STATCOM的系統(tǒng)的仿真結(jié)果對(duì)比分別如圖4、圖5所示。

從圖4、圖5可以看出，在系統(tǒng)發(fā)生兩相短路瞬間，系統(tǒng)很快失去同步，投入STATCOM后，發(fā)現(xiàn)在故障發(fā)生過程中，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、功角曲線發(fā)生波動(dòng)，但很快趨于穩(wěn)定，說明了采用電流間接控制算法的STATCOM在維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定極限上發(fā)揮了很大的作用。

5、 結(jié)論

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用了數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高、定時(shí)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于TMS320F240的STATCOM主控制器，詳細(xì)介紹了電流間接控制方法的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及控制方法的編程實(shí)現(xiàn)。數(shù)字仿真結(jié)果表明，采用電流間接控制方法的STATCOM在系統(tǒng)受到大干擾后對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用是很明顯的，具有較高的使用價(jià)值，值得在工業(yè)控制中推廣。

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