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 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, 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 processor, 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 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 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) 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, 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 phase 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 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)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。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. 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