STATCOM的電流間接控制方法設計與實現(xiàn)

摘要：  本文介紹了基于數(shù)字信號處理（DSP）設計的靜止無功發(fā)生器控制器的結構、功能、特點，具體分析了電流間接控制方法，詳細介紹了控制方法及其編程實現(xiàn)，并通過仿真證明了電流間接控制方法的有效性。
關鍵字： 柔性交流輸電系；靜止無功發(fā)生器；電流間接控制；數(shù)字信號處理

1概述

隨著柔性交流輸電技術的提出和發(fā)展，靜止無功發(fā)生器(Static Synchronous Compensator，簡稱STATCOM)已成為近年來國內外研究的熱點^［1］。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?shù)卣{節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位,或者直接控制其交流側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,實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。穩(wěn)態(tài)時STATCOM輸出的有功功率和無功功率分別是^［2］：

其中V_S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STATCOM的相關技術研究主要集中在主電路、新元件、保護和監(jiān)測、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)補償要實現(xiàn)的功能和應用場合，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當作交流電源來看待，通過對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交流側電流；而直接控制^［3］，就是對電流波形瞬時值進行反饋控制，STATCOM可看作為一個受控電流源。本文設計了一種適合較大容量STATCOM控制采用的電流間接控制方法，通過仿真試驗證明這種方法是切實可行的。

2 STATCOM控制系統(tǒng)的結構與基本功能

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)用戶設定的參考值和系統(tǒng)的運行狀態(tài)來確定STATCOM的無功

基金項目：陜西省教育廳科研計劃項目（03JK123）

電流輸出。其主要是通過產(chǎn)生控制驅動開關器件的脈沖來控制STATCOM的各種行為,完成STATCOM所需完成的任務。STATCOM裝置原理框圖如圖1所示^[4]。

圖1   STATCOM裝置原理框圖

這個STATCOM控制系統(tǒng)采用雙DSP結構，其中一個DSP處理器用來完成數(shù)據(jù)處理、控制方法的實現(xiàn)，是主處理器；另一個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，用來測量STATCOM輸出端的三相電壓和三相電流信號，U_abc、I_abc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行為和運行控制算法等功能。

3 STATCOM主控制器控制算法的實現(xiàn)

設計控制器時，除了脈沖發(fā)生器的設計以外，控制器的軟硬件設計主要集中在采集系統(tǒng)有關的電壓和電流變量以及實現(xiàn)控制算法上，即集中在主控制器的設計上。STATCOM控制環(huán)節(jié)計算量大，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裝置的補償效果起決定性的作用，從而影響用戶端電壓的質量。

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控制器必須有很強的自適應性，實現(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控制更快的響應速度，所以對間接控制的研究將主要針對此種控制方法。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。

圖2  電流間接控制框圖

上圖的主要思路是對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δ₁的動態(tài)調節(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速度。

3.2 主處理器的選取

STATCOM控制器有兩個基本的特點，一是響應速度快；二是待處理變量多，在檢測控制中要進行大量的微分、積分、乘方、三角函數(shù)等運算。故在采用數(shù)字控制系統(tǒng)時，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，因此難以保證控制裝置的實時性。而采用一種高性能的數(shù)字信號處理器DSP作為CPU時，則使兼顧滿足STATCOM控制器的精確性和實時性要求成為可能。

考慮到系統(tǒng)的要求和實際情況，本文選TMS320F240為主處理器，這是由于DSP快速的運算能力（TMS320F240指令執(zhí)行時間為50ns）^［5］，以及其強大的片內外功能（3個通用定時器，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芯片來實現(xiàn)控制功能，可以提高運算速度，也可以達到很好的控制效果。

3.3 測量采樣系統(tǒng)

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

3.4 軟件流程

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

4 控制算法仿真結果

本次仿真軟件用MATLAB6.1 PSB（電源系統(tǒng)模塊）控制工具箱^［6］，將含有采用電流間接控制方法的STATCOM接入一個單機無窮大系統(tǒng)，假設系統(tǒng)其中的一條線路在0.3秒發(fā)生瞬時兩相對地短路，在0.45秒切除故障線路，記錄發(fā)電機機端電壓、功角的動態(tài)仿真特性曲線，無STATCOM的系統(tǒng)和裝有STATCOM的系統(tǒng)的仿真結果對比分別如圖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)電機機端電壓、功角曲線發(fā)生波動，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 結論

本文作者的創(chuàng)新點在于利用了數(shù)字信號處理運算速度快、計算精度高、定時準確的優(yōu)點，設計了基于TMS320F240的STATCOM主控制器，詳細介紹了電流間接控制方法的特點、結構以及控制方法的編程實現(xiàn)。數(shù)字仿真結果表明，采用電流間接控制方法的STATCOM在系統(tǒng)受到大干擾后對系統(tǒng)的調節(jié)作用是很明顯的，具有較高的使用價值，值得在工業(yè)控制中推廣。

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