基于雙DSP硬件架構的固態(tài)開(kāi)關(guān)控制系統設計

摘要：為解決電網(wǎng)供電電壓跌落及短時(shí)斷電的問(wèn)題，實(shí)現了對負載的不間斷供電，設計了基于雙DSP和FPGA的固態(tài)轉換開(kāi)關(guān)(SSTS)控制系統。介紹了SSTS設備的工作原理，通過(guò)仿真論證了強制切換(MBB)控制策略及單相電壓跌落檢測算法的有效性和必要性。根據改進(jìn)后的SSTS系統控制算法，通過(guò)對功能的層次化解析，建立了雙DSP+FPGA控制系統架構，并簡(jiǎn)單介紹了各系統模塊的實(shí)現方法。最后給出了380 V SSTS裝置部分運行結果。實(shí)驗結果表明，所采用的控制系統架構及控制策略是正確可行的。
關(guān)鍵詞：固態(tài)轉換開(kāi)關(guān)；電壓跌落檢測；切換控制

1 引言
SSTS是一種解決電壓短時(shí)跌落的電力電子設備。隨著(zhù)電力電子器件的發(fā)展，采用可控電力電子器件取代機械開(kāi)關(guān)，可實(shí)現高速投切，且設備壽命長(cháng)，賦予了SSTS全新的意義。在此以晶閘管型固態(tài)開(kāi)關(guān)裝置為研究對象，首先在電磁暫態(tài)仿真平臺PSCAD／EMTDC建立了10 kV／1 MW中壓SSTS系統模型。通過(guò)仿真對現有電壓跌落檢測算法以及切換控制策略進(jìn)行了研究和改進(jìn)。在仿真基礎上，對SSTS控制系統功能進(jìn)行了梳理和層次化解析，提出基于雙DSP+FPGA的硬件控制架構。
該控制平臺可實(shí)現多達24路的模擬信號同步實(shí)時(shí)采樣。通過(guò)將系統測試、控制功能在多處理器中分工合作，有效提高了系統運算速度，減少了軟件開(kāi)發(fā)復雜性，提高了系統的可靠性與穩定性。該控制平臺在各種智能電網(wǎng)電力電子測控設備上具有廣泛的應用前景。

2 SSTS原理與系統仿真
SSTS系統結構框圖如圖1所示。

主、備用側電源分別通過(guò)晶閘管連接到負載。在正常工作時(shí)，負載接入主側電源工作運行，當系統監測到主側電源有電壓跌落、過(guò)流或過(guò)溫故障時(shí)，系統自動(dòng)將負載切換到備用側電源。SSTS控制系統的研究重點(diǎn)在于電壓跌落檢測算法和切換控制策略。為研究這些問(wèn)題，在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD／EMTDC中建立了10 kV／1 MW中壓SSTS的系統模型并根據系統故障種類(lèi)和負載種類(lèi)的不同，進(jìn)行了全面仿真。負載種類(lèi)包括：容性負載、阻性負載、感性負載和變壓器型負載。電壓跌落故障包括：三相短路、兩相短路、兩相接地短路、單相接地短路、單相跌落30％和三相跌落30％等。
2．1 系統切換控制策略仿真
SSTS切換控制策略主要包括電流過(guò)零切換(BBM)和MBB兩種，其切換控制流程如圖2所示。通過(guò)仿真發(fā)現，當系統負載為功率因數較低的阻感負載或變壓器時(shí)，若SSTS之前發(fā)生短路故障，系統電流過(guò)零非常緩慢，大大影響系統切換速度。由仿真結果可知，當系統負載功率因數為0．3，呈現感性時(shí)，系統電流過(guò)零耗時(shí)60 ms。當系統負載端連有10 kV／400 V變壓器時(shí)，由于變壓器勵磁電感作用，電流過(guò)零耗時(shí)超過(guò)了4 s。為保證系統在20 ms內完成電源切換，必須采用MBB控制策略。

仿真還發(fā)現，若短路故障發(fā)生在負載側，此時(shí)將故障負載投切到備用電源，會(huì )給備用電源側線(xiàn)路帶來(lái)電流沖擊，造成備用電源線(xiàn)路及其設備損壞。因此應對故障位置加以判斷。當主側發(fā)生電壓跌落且伴有較大故障電流時(shí)，說(shuō)明故障位置在SSTS后，此時(shí)不宜切入備用側電源，可按照繼電保護重合閘的方案進(jìn)行處理。