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1、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 (清华大学电机工程系 100084 北京)摘 要 介绍了基于数字信号处理器( DSP) 的静止同步补偿器( STAT COM) 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 ST AT COM 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 ST ATCOM 脉冲发生器和控制器, 在10 kvar STAT COM 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
2、 脉冲发生器 数字信号处理器分类号 TM 7611998- 09-28 收稿。0 引言静止同步补偿器( STAT COM) 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 STAT COM 已有商业化产品。我国首台20 Mvar STAT COM 即将投运, 其中控制器和脉冲发生器是 STAT COM 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 STAT COM 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 ST ATCOM 输出电流 的质量, 从而影响用户端电压质量。例如,
3、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 ST ATCOM 时 间常 数很小 ( 一般 小于 10 ms) , 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 12 MHz, 指令的执行时间是在 1 Ls5 Ls 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( digital signal pr
4、ocessor, 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 40 MHz, 指令执行时间一般为 50 ns) , 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 ST AT COM 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
5、 进精度 的要 求由 用户 对 ST ATCOM 无功输出平滑程度以及 ST AT COM 自 身的特性而定。文献 2 指出 ST ATCOM 输出的无 功功率Q 由下式确定:Q =U2 S 2Rsin 2D( 1)式中 US为 STAT COM 接入系统点的电压; R 为 STAT COM 的等效电阻; D为逆变器输出电 压基波与系统电压的相位差。 在20 Mvar ST ATCOM 的设计中, 当无功功 率 Q 从- 20 Mvar 变化到+ 20 Mvar 时, D 的设计 变化约为- 3 到+ 3 。 显然, 对Q 的步进精度要求越 高, 对 D的单位相量 1的要求也越高, 现在要求
6、D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 H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STAT COM 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 GT O 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
7、) 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261999 年 7 月 电 力 系 统 自 动 化 Automation of Electric Power Systems 第 23 卷 第 13 期间隔, 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。+ UdcURUiGTO3GTO4GTO2ULGTO1图 1 单相逆变桥示意图 Fig. 1 Diagram of single phase bridge图 2 脉冲相
8、位关系 Fig. 2 Phase difference between the pulses图3STATCO M装置主电路图 Fig. 3The diagram of the main circuit of STATCOM4530150ABC图4变压器曲折连接示意图 Fig. 4Connection of the transformers45A30A15C00C45C30C15B00B45B30B15A00A1. 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
9、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 D指令, 计算
10、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 T MS320C31 串行口的发送定时器。图 5 脉冲间的相位关系(L 或 R桥臂) Fig. 5 The phase relation of the pulses(L or R)图 6 脉冲发生器框图 Fig. 6 Structure of the pulse generator1. 4 脉冲测量结果及分析 图 7 是利用 PHILIPS PM3580/ 60 型逻辑分析 仪实测的 L 路脉冲波形
11、, 各路波形间的顺序与图 5 相同。 R 路的波形相似, 不再列出。 表 1 和表2 分别 给出实测的 L 路和 R 路脉冲的占空比、 三相间的 120 相差以及其它各重与 0 桥之间的相位差。表 3 则给出了在给定角度下所发出的脉冲与同步信号间 的相位差, 即图 2 中D角的测量结果。 实验结果显示 该脉冲发生器误差小于 0. 1 , 可以满足工程要求。27学术论文与应用研究 栗 春等 基于DSP的静止同步补偿器脉冲发生器及控制器的设计图 7 L路脉冲测量结果 Fig. 7 The measured L-pulses表 1 L 路脉冲测试结果 Table 1 Duty ratio and p
12、hase difference of the measured L- pulses重相占空比/( % )三相相差/ ( )与 0 桥相差/ ( )0A B C49. 988 49. 986 50. 005120.0271) 120.0362) 120.0323)15A B C49. 996 49. 991 49. 998120.0401) 119.9782) 120.0113)15. 000 15. 035 15. 00130A B C49. 990 49. 997 50. 014120.0361) 120.0362) 120.0363)30. 009 30. 000 30. 00945A B
13、 C49. 998 49. 994 50. 000119.9731) 120.0312) 120.0033)44. 999 45. 034 44. 998注: 1) 表示 A 相与 B 相的相位差; 2) 表示B相与C相的相位差; 3) 表示 C 相与 A 相的相位差。表 2 R路脉冲测试结果 Table2 Duty ratio and phase difference of the measured R-pulses重相占空比/( % )三相相差/ ( )与 0 桥相差/ ( )0A B C50. 005 49. 994 49. 995120.0041) 120.0052) 120.0153
14、)15A B C50. 010 49. 991 49. 990120.0251) 120.0202) 119.9603)15. 004 15. 003 14. 99830A B C50. 007 49. 993 49. 995120.0071) 120.0482) 119.9863)30. 005 30. 003 30. 04245A B C50. 010 49. 993 49. 989120.0091) 120.0522) 119.9893)45. 006 45. 004 45. 044注: 1) 表示A相与B相的相位差; 2) 表示 B 相与 C 相的相位差; 3) 表示C相与A相的相位差
15、。表 3 对给定 D的测试结果 Table 3 Response of the pulse generator to a command angle给定/ ( )相位差/ ( )给定/ ( )相位差/ ( ) 0. 10. 087- 0. 1- 0. 121 0. 20. 184- 0. 2- 0. 199 0. 30. 275- 0. 3- 0. 323 0. 40. 379- 0. 4- 0. 417 0. 50. 483- 0. 5- 0. 499 0. 60. 608- 0. 6- 0. 6040. 70. 699- 0. 7- 0. 704 0. 80. 788- 0. 8- 0.
16、804 0. 90. 906- 0. 9- 0. 904 1. 00. 982- 1. 0- 1. 009图 8 给出 STATCOM 装置并网前输出的阶梯 波形及其频谱, 其中频谱以各频率成分与基波幅值 相对的分贝数表示。可见输出阶梯波主要含 23次、 25 次谐波, 它们的幅值分别为基波的 4. 15% 和 3. 57%。该结果可证明脉冲发生器产生的波形相位 准确, 可使 ST AT COM 输出波形的谐波含量达到 设计要求。图 8 STATCOM输出电压波形及其频谱 Fig. 8 The waveform of STATCOM output and its spectrum282 基于 DSP 的 STATCOM 控制器设计STAT COM 的控制任务是根据控制目标确定 其逆变器输出电压与系统同步信号间的微小的相位 差, 从而控制 ST AT COM 向系统发出( 或吸收) 的 无功
