STATCOM的電流間接控制方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Design and Realization of Current Indirect Control Method of STATCOM

(西安工業(yè)大學(xué)) 尚宇 孫曉娟 高嵩

Shang Yu  Sun ,Xiaojuan  Gao Song

摘要：  本文介紹了基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）設(shè)計(jì)的靜止無(wú)功發(fā)生器控制器的結(jié)構(gòu)、功能、特點(diǎn)，具體分析了電流間接控制方法，詳細(xì)介紹了控制方法及其編程實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)仿真證明了電流間接控制方法的有效性。

關(guān)鍵字： 柔性交流輸電系；靜止無(wú)功發(fā)生器；電流間接控制；數(shù)字信號(hào)處理

Abstract: Structure, function and features of the DSP based on STATCOM controller are introduced. The current indirect control method is analyzed concretely. The software designs of control method are described in detail. The simulation results show that the current indirect control method is effective.

Key words:  FACTS； STATCOM； Current indirect control； DSP

1概述

隨著柔性交流輸電技術(shù)的提出和發(fā)展，靜止無(wú)功發(fā)生器(Static Synchronous Compensator，簡(jiǎn)稱(chēng)STATCOM)已成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)^［1］。STATCOM的基本原理是將自換相橋式電路通過(guò)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(wú)功功率和有功功率的指令，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位,或者直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿(mǎn)足系統(tǒng)所要求的無(wú)功電流,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康�。穩(wěn)態(tài)時(shí)STATCOM輸出的有功功率和無(wú)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(lái)對(duì)STATCOM的相關(guān)技術(shù)研究主要集中在主電路、新元件、保護(hù)和監(jiān)測(cè)、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(bǔ)償要實(shí)現(xiàn)的功能和應(yīng)用場(chǎng)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(lái)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(dāng)作交流電源來(lái)看待，通過(guò)對(duì)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(lái)間接控制STATCOM交流側(cè)電流；而直接控制^［3］，就是對(duì)電流波形瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制，STATCOM可看作為一個(gè)受控電流源。本文設(shè)計(jì)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(guò)仿真試驗(yàn)證明這種方法是切實(shí)可行的。

2 STATCOM控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與基本功能

在靜止無(wú)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(hù)設(shè)定的參考值和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)確定STATCOM的無(wú)功

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（03JK123）

電流輸出。其主要是通過(guò)產(chǎn)生控制驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件的脈沖來(lái)控制STATCOM的各種行為,完成STATCOM所需完成的任務(wù)。STATCOM裝置原理框圖如圖1所示^[4]。

圖1   STATCOM裝置原理框圖

這個(gè)STATCOM控制系統(tǒng)采用雙DSP結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)DSP處理器用來(lái)完成數(shù)據(jù)處理、控制方法的實(shí)現(xiàn)，是主處理器；另一個(gè)DSP處理器用來(lái)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(lái)測(cè)量STATCOM輸出端的三相電壓和三相電流信號(hào)，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(yùn)行控制算法等功能。

3 STATCOM主控制器控制算法的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)控制器時(shí)，除了脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)以外，控制器的軟硬件設(shè)計(jì)主要集中在采集系統(tǒng)有關(guān)的電壓和電流變量以及實(shí)現(xiàn)控制算法上，即集中在主控制器的設(shè)計(jì)上。STATCOM控制環(huán)節(jié)計(jì)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(duì)裝置的補(bǔ)償效果起決定性的作用，從而影響用戶(hù)端電壓的質(zhì)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(dǎo)通角）配合控制。δ與θ配合控制方法引入了STATCOM吸收的無(wú)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(qiáng)的自適應(yīng)性，實(shí)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(yīng)速度，所以對(duì)間接控制的研究將主要針對(duì)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(duì)STATCOM的無(wú)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(guò)計(jì)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(duì)δ₁的動(dòng)態(tài)調(diào)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(yīng)速度。

3.2 主處理器的選取

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

考慮到系統(tǒng)的要求和實(shí)際情況，本文選TMS320F240為主處理器，這是由于DSP快速的運(yùn)算能力（TMS320F240指令執(zhí)行時(shí)間為50ns）^［5］，以及其強(qiáng)大的片內(nèi)外功能（3個(gè)通用定時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能，可以提高運(yùn)算速度，也可以達(dá)到很好的控制效果。

3.3 測(cè)量采樣系統(tǒng)

控制器的測(cè)量系統(tǒng)是由PT、CT和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成，PT、CT用來(lái)測(cè)量STATCOM輸出端的三相電壓和三相電流信號(hào)，這些模擬量信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入控制器，控制器利用所測(cè)得的信號(hào)瞬時(shí)值，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q后求出瞬時(shí)無(wú)功和瞬時(shí)電壓矢量的“有效值”，并以此為依據(jù)對(duì)STATCOM進(jìn)行控制。電壓量的采集主要利用TMS320F240自帶的A/D轉(zhuǎn)換器完成。TMS320F240內(nèi)部集成了2個(gè)10位的A/D轉(zhuǎn)換器，共16路模擬通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到兩級(jí)先進(jìn)先出的（FIFO）寄存器中�？梢酝瑫r(shí)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換2路模擬輸入（每個(gè)ADC單元各一個(gè)）。本系統(tǒng)取采樣周期為500μs，轉(zhuǎn)換通道選擇通道7和通道15，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.4 軟件流程

DSP主控制器的軟件實(shí)際上是一個(gè)控制器下位機(jī)軟件，主要負(fù)責(zé)各個(gè)參量的采集和各種控制算法的具體實(shí)現(xiàn)。程序運(yùn)行開(kāi)始打開(kāi)定時(shí)器1中斷和外部中斷INT0，外部中斷用于和上位機(jī)通信，DSP控制器在外部中斷服務(wù)子程序中完成上位機(jī)的各種指令，在定時(shí)中斷服務(wù)子程序中完成控制算法的實(shí)現(xiàn)。由于采樣周期設(shè)為 500μs，即一個(gè)周期采樣40個(gè)點(diǎn)。所以定時(shí)器1每隔500μs觸發(fā)一次中斷，在中斷服務(wù)程序中DSP采集當(dāng)前系統(tǒng)參量并計(jì)算瞬時(shí)電壓的量，然后根據(jù)上位機(jī)所發(fā)出的指令選擇控制方式和控制算法以便計(jì)算控制量δ，最后將計(jì)算結(jié)果通過(guò)雙口RAM送到脈沖發(fā)生器。由于DSP的運(yùn)算速度很快，所以完全可以在500μs的周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)采樣、讀取數(shù)據(jù)及實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法并查表計(jì)算出STATCOM逆變器輸出電壓與系統(tǒng)電壓間的相位差δ，實(shí)際的程序編制運(yùn)行中已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。圖3是主控制器主程序流程圖和定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖。

圖3  主控制器程序流程圖

4 控制算法仿真結(jié)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(gè)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)，假設(shè)系統(tǒng)其中的一條線路在0.3秒發(fā)生瞬時(shí)兩相對(duì)地短路，在0.45秒切除故障線路，記錄發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、功角的動(dòng)態(tài)仿真特性曲線，無(wú)STATCOM的系統(tǒng)和裝有STATCOM的系統(tǒng)的仿真結(jié)果對(duì)比分別如圖4、圖5所示

圖5  功角仿真曲線

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(guò)程中，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、功角曲線發(fā)生波動(dòng)，但很快趨于穩(wěn)定，說(shuō)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(jié)論

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用了數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高、定時(shí)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于TMS320F240的STATCOM主控制器，詳細(xì)介紹了電流間接控制方法的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及控制方法的編程實(shí)現(xiàn)。數(shù)字仿真結(jié)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(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用是很明顯的，具有較高的使用價(jià)值，值得在工業(yè)控制中推廣。

參考文獻(xiàn)：

［1］    何大愚.柔性交流輸電系統(tǒng)概念的新進(jìn)展[J].電網(wǎng)技術(shù)，1997，21（2）：9～14

［2］    姜齊榮.新型靜止無(wú)功發(fā)生器建模及其控制研究[C].[博士學(xué)位論文].北京:清華大學(xué)電機(jī)系，1997

［3］  李可.直接電流控制的靜止無(wú)功發(fā)生器研究［J］.電力電子技術(shù)，2003，37（3）：8～11

［4］  孫曉娟，高嵩.STATCOM的系統(tǒng)仿真[J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005，10期：170～172

［5］    劉和平.TMS320LF240X DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002

［6］    陳桂明，張明照.應(yīng)用MATLAB建模與仿真[M].北京：科學(xué)出版社，2001.162~165

作者簡(jiǎn)介：尚宇，（1973-），女，漢族，碩士，講師。工作單位：西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院�，F(xiàn)從事信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的教學(xué)與研究。E-mail：shangyu@mail.xait.edu.cn. 孫曉娟：（1975-），女，碩士，講師�，F(xiàn)從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化方向的教學(xué)與研究。高嵩：（1966-），男，教授，研究方向：工業(yè)控制、智能控制。

（710032，陜西西安市金花北路4號(hào)，西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院81#）尚宇  孫曉娟  高嵩

Author Introduction：Shang Yu, 1973, lecturer, working at Electronics Information Engineering department, Xi’an Institute of Technology, now engaging in the teaching and research of signal processing, computer simulation. E-mail: shangyu@mail.xait.edu.cn.  Sun, Xiaojuan,1975, Female, lecturer ，now engaging in the teaching and research of automation of power system. Gao Song, 1966, Male, professor, research direction: control for Industry and Intellectual.

（Electronics Information Engineering department, Xi’an Institute of Technology, Xi’an 710032, Shaanxi, China）Shang Yu