STATCOM的電流間接控制方法設計與實(shí)現

摘要：本文介紹了基于數字信號處理（DSP）設計的靜止無(wú)功發(fā)生器控制器的結構、功能、特點(diǎn)，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(shí)現，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；數字信號處理

1概述

隨著(zhù)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)國內外研究的熱點(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,根據輸入系統的無(wú)功功率和有功功率的指令，適當地調節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(mǎn)足系統所要求的無(wú)功電流,實(shí)現動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的目的。穩態(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是系統電壓， R是裝置的等效電阻，δ是系統電壓和裝置輸出電壓之間的相位差。

近年來(lái)對STATCOM的相關(guān)技術(shù)研究主要集中在主電路、新元件、保護和監測、控制方法上。尤其是控制方法，是STATCOM研究中的重中之重。根據補償要實(shí)現的功能和應用場(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當作交流電源來(lái)看待，通過(guò)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(lái)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(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(guò)仿真試驗證明這種方法是切實(shí)可行的。

2 STATCOM控制系統的結構與基本功能

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，它根據用戶(hù)設定的參考值和系統的運行狀態(tài)來(lái)確定STATCOM的無(wú)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(guò)產(chǎn)生控制驅動(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控制系統采用雙DSP結構，其中一個(gè)DSP處理器用來(lái)完成數據處理、控制方法的實(shí)現，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(shí)現

設計控制器時(shí)，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有關(guān)的電壓和電流變量以及實(shí)現控制算法上，即集中在主控制器的設計上。STATCOM控制環(huán)節計算量大，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(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參數。而電力系統的參數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(shí)現難度很大。單δ控制主要有傳統PI控制和逆系統的PI控制。逆系統的PI控制具有比傳統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(wú)功功率采用逆系統非線(xiàn)性的PI控制，圖中的F（1）即為（2）式，通過(guò)計算獲得δ₁，ΔU是系統參考電壓和裝置輸出電壓的差值。正是δ₂對δ₁的動(dòng)態(tài)調節作用，使逆系統PI控制才比傳統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(gè)基本的特點(diǎn)，一是響應速度快；二是待處理變量多，在檢測控制中要進(jìn)行大量的微分、積分、乘方、三角函數等運算。故在采用數字控制系統時(shí)，若以普通微處理器(如MCS51、96)為CPU，則由于其本身指令系統的局限性，所需指令數目多，指令周期長(cháng)，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字信號處理器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快速的運算能力（TMS320F240指令執行時(shí)間為50ns）^［5］，以及其強大的片內外功能（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

控制器的測量系統是由PT、CT和A/D轉換模塊組成，PT、CT用來(lái)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(jìn)行模／數轉換后進(jìn)入控制器，控制器利用所測得的信號瞬時(shí)值，經(jīng)過(guò)適當的變換后求出瞬時(shí)無(wú)功和瞬時(shí)電壓矢量的“有效值”，并以此為依據對STATCOM進(jìn)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(gè)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(jìn)先出的（FIFO）寄存器中?？梢酝瑫r(shí)進(jìn)行采樣和轉換2路模擬輸入（每個(gè)ADC單元各一個(gè)）。本系統取采樣周期為500μs，轉換通道選擇通道7和通道15，轉換結束后，進(jìn)行數據處理。

3.4 軟件流程

DSP主控制器的軟件實(shí)際上是一個(gè)控制器下位機軟件，主要負責各個(gè)參量的采集和各種控制算法的具體實(shí)現。程序運行開(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通信，DSP控制器在外部中斷服務(wù)子程序中完成上位機的各種指令，在定時(shí)中斷服務(wù)子程序中完成控制算法的實(shí)現。由于采樣周期設為 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采集當前系統參量并計算瞬時(shí)電壓的量，然后根據上位機所發(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(guò)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(shí)現采樣、讀取數據及實(shí)現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電壓間的相位差δ，實(shí)際的程序編制運行中已經(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。

4 控制算法仿真結果

本次仿真軟件用MATLAB6.1 PSB（電源系統模塊）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)單機無(wú)窮大系統，假設系統其中的一條線(xiàn)路在0.3秒發(fā)生瞬時(shí)兩相對地短路，在0.45秒切除故障線(xiàn)路，記錄發(fā)電機機端電壓、功角的動(dòng)態(tài)仿真特性曲線(xiàn)，無(wú)STATCOM的系統和裝有STATCOM的系統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，在系統發(fā)生兩相短路瞬間，系統很快失去同步，投入STATCOM后，發(fā)現在故障發(fā)生過(guò)程中，發(fā)電機機端電壓、功角曲線(xiàn)發(fā)生波動(dòng)，但很快趨于穩定，說(shuō)明了采用電流間接控制算法的STATCOM在維持系統電壓穩定和提高電力系統的暫態(tài)穩定極限上發(fā)揮了很大的作用。

5 結論

本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)在于利用了數字信號處理運算速度快、計算精度高、定時(shí)準確的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)、結構以及控制方法的編程實(shí)現。數字仿真結果表明，采用電流間接控制方法的STATCOM在系統受到大干擾后對系統的調節作用是很明顯的，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：

［1］ 何大愚.柔性交流輸電系統概念的新進(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的系統仿真[J］.微計算機信息，2005，10期：170～172
［5］ 劉和平.TMS320LF240X DSP結構、原理及應用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002
［6］ 陳桂明，張明照.應用MATLAB建模與仿真[M].北京：科學(xué)出版社，2001.162~165