基于数字信号处理器的静止同步补偿器脉冲发生

基于数字信号处理器的静止同步补偿器脉冲发生器及控制器设计

高立春惠施江建民启荣

文摘：介绍了基于数字信号处理器的静止同步补偿器高精度脉冲发生器及其控制器的设计，以及动态仿真实验的测试结果。电压源逆变器的多路合成是静止同步补偿器的核心概念，精确驱动脉冲的产生是关键技术。采用数字信号处理器TMS320C31设计了高精度、相位抖动小、稳定性好的静止同步补偿器脉冲发生器和控制器。10kvarSTATCOM动态仿真装置的运行表明，该方案能够满足工程要求。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

李春、高辉、施建民、姜启荣

(中北京清华大学，100084)

摘要本文介绍了基于SP的脉冲发生器和数字控制器的设计。TMS 320 c 31 isempleedpatecheeprecision，low phase noise and tablepulsforthe drivingofstatcom。脉冲发生器和控制器重新应用于真实的10k变量统计模型。实验结果表明，基于DSP的脉冲发生器和控制器对工业应用有效。静止同步补偿器；脉冲发生器；数字信号处理器

介绍静止同步补偿器(STATCOM)是一种能够连续平滑调节电力系统无功功率的并联柔性交流输电系统设备。目前，用于配电系统的中容量静止同步补偿器已经商业化。我较好台2000万伏静止同步补偿器即将投入运行，其中控制器和脉冲发生器是静止同步补偿器的重要组成部分。前者根据用户参考设置和系统运行状态确定静止同步补偿器应输出的无功电流。后者执行前者的指令，并向逆变器发送触发信号。它们的性能将直接影响STATCOM的输出电流质量，从而影响用户的端电压质量。比如脉冲发生器输出脉冲的较小刻度精度不够时，无功调节不够平滑，会对系统产生一定的影响；当脉冲对称性或相对相位不准确时，器件输出电流的谐波含量会增加；由于STATCOM的时间常数很小(一般小于10ms)，控制器的运行速度和精度直接关系到整个系统的性能。过去由于处理器的指令执行时间过长(例如8098主频为12MHz，指令执行时间在1 s到5 s之间，相当于0.02 ~ 0.1工频)，脉冲精度难以保证，同时也受到相位抖动的显著影响[1]。由于数字信号处理器(DSP)的快速运算(尤其是浮点乘法)能力(例如TMS320C31频率为40MHz，指令执行时间一般为50ns)，我们有可能采用微处理器结构实现高精度脉冲发生器。与数字硬件实现[1]相比，该方法灵活简单，通过修改程序可以改变脉冲发生器的功能，具有更好的通用性，文献[1]中提到的相位抖动也可以降低到工程可接受的水平。此外，由于性价比高，设计以数字信号处理器为主的控制器也是我们静止同步补偿器工程设计的先选。1基于DSP的脉冲发生器设计1.1脉冲发生器步进精度要求脉冲发生器的步进精度要求由静止同步补偿器无功功率输出的平滑度和静止同步补偿器本身的特性决定。参考文献[2]指出，STATCOM输出的无功功率q由以下公式确定： #p#分页标题#e#

STATCOM接入系统点电压的美类型；r为STATCOM的等效电阻；是逆变器输出电压的基波与系统电压之间的相位差。在20MvarSTATCOM的设计中，当无功q从-20Mvar变为20Mvar时，的设计变化约为-3至3。显然，对Q的步进精度要求越高，对 [1]的单位相量要求就越高。现在，的步进量要求为0.1。1.2逆变脉冲信号的相位关系图1是简单的单相逆变桥，图2是对应左右桥臂的开关描述。在该系统中，设置为120。在图3和图4所示的多重连接模式下，120的脉冲宽度可以消除STATCOM输出电压的3n次谐波。显然，脉冲发生器主要处理12组0到45个四极和ABC三相逆变桥的48个GTO的开关信号之间的相位关系。由于每个相位和每个权值之间的相位差是固定的，所以可以做成固定的表格，只需要确定某个脉冲与同步信号的相对关系，然后就可以连续发出需要相位关系的脉冲。图5是每个l(或r)桥臂的脉冲信号的相位关系的示意图。在图中，每个周期平均分为24个部分，15是基本间隔。如果00A是较低位，45C是较高位，则每15个周期可以用一个12位字来表示，例如，较好个15描述符是6DAH，第二个是6D。

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 干式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#p#分页标题#e#

1.4 脉冲测量结果及分析 图7是利用PHIL

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