基于DSP的静止同步补偿器脉冲发生器及控制器的设计

栗　春　高　辉　石建民　姜齐荣

摘　要　介绍了基于数字信号处理器(DSP)的静止同步补偿器(STATCOM)高精度脉冲发生器及其控制器的设计及动模实验测试结果。电压源逆变的多重化合成是STATCOM的核心概念，而精确驱动脉冲的产生又是其中的关键技术，采用数字信号处理器TMS320C31设计了精度高、相位抖动小、稳定性好的STATCOM脉冲发生器和控制器，在±10kvarSTATCOM动模装置上的运行表明该方案可以满足工程要求。
关键词　静止同步补偿器　脉冲发生器　数字信号处理器
分类号　TM761

DESIGNOFDSP-BASEDPULSEGENERATORANDCONTROLLERFORSTATCOM

LiChun,GaoHui,ShiJianmin,JiangQirong

(TsinghuaUniversity,100084,Beijing,China)

Abstract　ThispaperpresentsthedesignofDSP-basedpulsegeneratoranddigitalcontrollerforSTATCOM.TMS320C31isemployedtoachieveaccurate,lowphasenoiseandstablepulseforthedrivingofSTATCOM.Thepulsegeneratorandcontrollerareappliedonareal±10kvarSTATCOMmodel.TheexperimentresultsshowthattheDSP-basedpulsegeneratorandcontrollerareeffectiveforindustrialapplications.
Keywords　staticsynchronouscompensator(STATCOM)　pulsegenerator　digitalsignalprocessor(DSP)

0　引言
　　静止同步补偿器(STATCOM)是一种可以连续光滑调节电力系统无功功率的并联型灵活交流输电系统设备，目前用于配电系统的中等容量的STATCOM已有商业化产品。我国首台±20MvarSTATCOM即将投运，其中控制器和脉冲发生器是STATCOM的重要组成部分，前者根据用户参考设定和系统运行状态确定STATCOM应输出的无功电流；后者则执行前者的指令，向逆变器发出触发信号。它们的性能将直接影响STATCOM输出电流的质量，从而影响用户端电压质量。例如，脉冲发生器输出脉冲最小分度的精度不够时会使无功调节不够光滑，对系统造成一定的冲击；脉冲对称度或相对相位不精确时，则会导致装置输出电流谐波含量增加；由于STATCOM时间常数很小(一般小于10ms)，控制器的运算速度和精度更是直接关系到整个系统运行的性能。以前基于单片机的脉冲发生装置由于处理器指令执行时间太长(例如若8098主频为12MHz，指令的执行时间是在1μs～5μs间，相当于工频0.02°～0.1°)，必然难以保证脉冲精度，受相位抖动的影响也较显著^［1］。由于数字信号处理器(digitalsignalprocessor,缩写为DSP)快速的运算(尤其是浮点乘法)能力(例如若TMS320C31主频为40MHz，指令执行时间一般为50ns)，使得我们有可能采用微处理器结构实现高精度的脉冲发生器。相对于数字硬件实现^［1］，该方法灵活简单，修改程序即可改变脉冲发生器的功能，有较好的通用性，而文献［1］提到的相位抖动也可能减小到工程可以接受的水平。另外，由于高的性能价格比，以DSP为主CPU设计控制器也是我们STATCOM工程设计的首选方案。

1　基于DSP的脉冲发生器的设计
1.1　对脉冲发生器步进精度的要求
　　对脉冲发生器步进精度的要求由用户对STATCOM无功输出平滑程度以及STATCOM自身的特性而定。文献［2］指出STATCOM输出的无功功率Q由下式确定：

式中　U_S为STATCOM接入系统点的电压；R为STATCOM的等效电阻；δ为逆变器输出电压基波与系统电压的相位差。
　　在±20MvarSTATCOM的设计中，当无功功率Q从-20Mvar变化到 20Mvar时，δ的设计变化约为-3°到 3°。显然，对Q的步进精度要求越高，对δ的单位相量^［1］的要求也越高，现在要求δ的步进量为0.1°。
1.2　逆变器脉冲信号的相位关系
　　图1是一个简单的单相逆变桥，图2是相应的左右桥臂的开关描述，本系统中θ定为120°，在如图3、图4所示的多重化连接方式下，120°脉宽可以消除STATCOM输出电压的3n次谐波。显然，脉冲发生器主要是处理0°到45°四重、ABC三相共12组这样的逆变桥的48只GTO的开关信号间的相位关系。由于各相间及各重间的相位差固定，可以将其制成固定的表格，故只需确定某一脉冲与同步信号间的相对关系，就可以连续发出所要求相位关系的脉冲。图5是各L(或R)桥臂脉冲信号的相位关系示意图。图中将每个周期等分为24份，以15°为一基本间隔，若将00A作为最低位，45C作为最高位，则每个15°的时间段内可用1个12位的字来表示，如第1个15°的描述字为6DAH，第2个为6D3H等。

图1　单相逆变桥示意图
Fig.1　Diagramofsinglephasebridge

L左臂；R右臂；θ单相桥输出合成阶梯波的脉宽
“1”代表桥臂上边的管子导通下边的关闭，反之为“0”

图2　脉冲相位关系
Fig.2　Phasedifferencebetweenthepulses

图3　STATCOM装置主电路图
Fig.3　ThediagramofthemaincircuitofSTATCOM

图4　变压器曲折连接示意图
Fig.4　Connectionofthetransformers

图5　脉冲间的相位关系(L或R桥臂)
Fig.5　Thephaserelationofthepulses(LorR)

1.3　脉冲发生器在DSP上的实现
　　利用微处理器定时器产生方波序列是常用的脉冲发生方法。文献［1］就单片机讨论了这种方法的缺点，即过长的指令执行时间易导致脉冲相位的抖动。但高速、高精度的DSP的普及使得我们有可能仍利用定时器产生高精度的脉冲，使程序运行时间造成的相位抖动降低到工程允许的水平，同时还可以达到简单、灵活、通用等优点。图6是基于TMS320C31的脉冲发生器框图。其中，同步信号发生电路完成对电网电压信号的滤波和整形处理，在正弦信号的每个负向过零点产生向DSP申请外部中断的窄脉冲。在外部中断服务程序中启动定时器0，测量系统频率，同时启动定时器1和定时器2发出L路和R路脉冲。在定时器1和定时器2中断服务程序中根据测得的系统频率和通过双口RAM获得的来自控制器的δ指令，计算下一个状态描述字(如图5)输出的时刻，并将其换算为相应的时钟数加载，每隔15°输出一次新的状态字，状态字经输出锁存器锁存后即形成连续脉冲。图6中定时器2是利用了TMS320C31串行口的发送定时器。

图6　脉冲发生器框图
Fig.6　Structureofthepulsegenerator

1.4　脉冲测量结果及分析
　　图7是利用PHIL

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