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0　引言
　　靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)是一種可以連續(xù)光滑調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)無功功率的并聯(lián)型靈活交流輸電系統(tǒng)設(shè)備，目前用于配電系統(tǒng)的中等容量的STATCOM 已有商業(yè)化產(chǎn)品。我國首臺(tái)±20 Mvar STATCOM即將投運(yùn)，其中控制器和脈沖發(fā)生器是STATCOM的重要組成部分，前者根據(jù)用戶參考設(shè)定和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)確定STATCOM應(yīng)輸出的無功電流；后者則執(zhí)行前者的指令，向逆變器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。它們的性能將直接影響STATCOM輸出電流的質(zhì)量，從而影響用戶端電壓質(zhì)量。例如，脈沖發(fā)生器輸出脈沖最小分度的精度不夠時(shí)會(huì)使無功調(diào)節(jié)不夠光滑，對(duì)系統(tǒng)造成一定的沖擊；脈沖對(duì)稱度或相對(duì)相位不精確時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致裝置輸出電流諧波含量增加；由于 STATCOM時(shí)間常數(shù)很小(一般小于10 ms)，控制器的運(yùn)算速度和精度更是直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的性能。以前基于單片機(jī)的脈沖發(fā)生裝置由于處理器指令執(zhí)行時(shí)間太長(zhǎng)(例如若8098主頻為12 MHz，指令的執(zhí)行時(shí)間是在1 μs～5 μs間，相當(dāng)于工頻0.02°～0.1°)，必然難以保證脈沖精度，受相位抖動(dòng)的影響也較顯著^［1］。由于數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,縮寫為DSP)快速的運(yùn)算(尤其是浮點(diǎn)乘法)能力(例如若TMS320C31主頻為40 MHz，指令執(zhí)行時(shí)間一般為50 ns)，使得我們有可能采用微處理器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度的脈沖發(fā)生器。相對(duì)于數(shù)字硬件實(shí)現(xiàn)^［1］，該方法靈活簡(jiǎn)單，修改程序即可改變脈沖發(fā)生器的功能，有較好的通用性，而文獻(xiàn)［1］提到的相位抖動(dòng)也可能減小到工程可以接受的水平。另外，由于高的性能價(jià)格比，以DSP為主CPU設(shè)計(jì)控制器也是我們STATCOM工程設(shè)計(jì)的首選方案。

1　基于DSP的脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)
1.1　對(duì)脈沖發(fā)生器步進(jìn)精度的要求
　　對(duì)脈沖發(fā)生器步進(jìn)精度的要求由用戶對(duì)STATCOM無功輸出平滑程度以及STATCOM自身的特性而定。文獻(xiàn)［2］指出STATCOM輸出的無功功率Q由下式確定：

式中　U_S為STATCOM接入系統(tǒng)點(diǎn)的電壓；R為STATCOM的等效電阻；δ為逆變器輸出電壓基波與系統(tǒng)電壓的相位差。
　　在±20 Mvar STATCOM的設(shè)計(jì)中，當(dāng)無功功率Q從-20 Mvar變化到+20 Mvar時(shí)，δ的設(shè)計(jì)變化約為-3°到+3°。顯然，對(duì)Q的步進(jìn)精度要求越高，對(duì)δ的單位相量^［1］的要求也越高，現(xiàn)在要求δ的步進(jìn)量為0.1°。
1.2　逆變器脈沖信號(hào)的相位關(guān)系
　　圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的單相逆變橋，圖2是相應(yīng)的左右橋臂的開關(guān)描述，本系統(tǒng)中θ定為120°，在如圖3、圖4所示的多重化連接方式下，120°脈寬可以消除 STATCOM輸出電壓的3n次諧波。顯然，脈沖發(fā)生器主要是處理0°到45°四重、ABC三相共12組這樣的逆變橋的48只GTO的開關(guān)信號(hào)間的相位關(guān)系。由于各相間及各重間的相位差固定，可以將其制成固定的表格，故只需確定某一脈沖與同步信號(hào)間的相對(duì)關(guān)系，就可以連續(xù)發(fā)出所要求相位關(guān)系的脈沖。圖5是各L(或R)橋臂脈沖信號(hào)的相位關(guān)系示意圖。圖中將每個(gè)周期等分為24份，以15°為一基本間隔，若將00A作為最低位，45C作為最高位，則每個(gè)15° 的時(shí)間段內(nèi)可用1個(gè)12位的字來表示，如第1個(gè)15°的描述字為6DAH，第2個(gè)為6D3H等。

圖1　單相逆變橋示意圖
Fig.1　Diagram of single phase bridge

L左臂；R右臂；θ單相橋輸出合成階梯波的脈寬
“1”代表橋臂上邊的管子導(dǎo)通下邊的關(guān)閉，反之為“0”

圖2　脈沖相位關(guān)系
Fig.2　Phase difference between the pulses

圖3　STATCOM裝置主電路圖
Fig.3　The diagram of the main circuit of STATCOM

圖4　變壓器曲折連接示意圖
Fig.4　Connection of the transformers

圖5　脈沖間的相位關(guān)系(L或R橋臂)
Fig.5　The phase relation of the pulses(L or R)

1.3　脈沖發(fā)生器在DSP上的實(shí)現(xiàn)
　　利用微處理器定時(shí)器產(chǎn)生方波序列是常用的脈沖發(fā)生方法。文獻(xiàn)［1］就單片機(jī)討論了這種方法的缺點(diǎn)，即過長(zhǎng)的指令執(zhí)行時(shí)間易導(dǎo)致脈沖相位的抖動(dòng)。但高速、高精度的DSP的普及使得我們有可能仍利用定時(shí)器產(chǎn)生高精度的脈沖，使程序運(yùn)行時(shí)間造成的相位抖動(dòng)降低到工程允許的水平，同時(shí)還可以達(dá)到簡(jiǎn)單、靈活、通用等優(yōu)點(diǎn)。圖6是基于TMS320C31的脈沖發(fā)生器框圖。其中，同步信號(hào)發(fā)生電路完成對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)的濾波和整形處理，在正弦信號(hào)的每個(gè)負(fù)向過零點(diǎn)產(chǎn)生向 DSP申請(qǐng)外部中斷的窄脈沖。在外部中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)定時(shí)器0，測(cè)量系統(tǒng)頻率，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器1和定時(shí)器2發(fā)出L路和R路脈沖。在定時(shí)器1和定時(shí)器2中斷服務(wù)程序中根據(jù)測(cè)得的系統(tǒng)頻率和通過雙口RAM獲得的來自控制器的δ指令，計(jì)算下一個(gè)狀態(tài)描述字(如圖5)輸出的時(shí)刻，并將其換算為相應(yīng)的時(shí)鐘數(shù)加載，每隔15°輸出一次新的狀態(tài)字，狀態(tài)字經(jīng)輸出鎖存器鎖存后即形成連續(xù)脈沖。圖6中定時(shí)器2是利用了TMS320C31串行口的發(fā)送定時(shí)器。

圖6　脈沖發(fā)生器框圖
Fig.6　Structure of the pulse generator

1.4　脈沖測(cè)量結(jié)果及分析
　　圖7是利用PHILIPS PM3580/60型邏輯分析儀實(shí)測(cè)的L路脈沖波形，各路波形間的順序與圖5相同。R路的波形相似，不再列出。表1和表2分別給出實(shí)測(cè)的L路和R路脈沖的占空比、三相間的120°相差以及其它各重與0°橋之間的相位差。表3則給出了在給定角度下所發(fā)出的脈沖與同步信號(hào)間的相位差，即圖2中δ角的測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該脈沖發(fā)生器誤差小于0.1°，可以滿足工程要求。

圖7　L路脈沖測(cè)量結(jié)果
Fig.7　The measured L-pulses

表1　L路脈沖測(cè)試結(jié)果
Table 1　Duty ratio and phase difference
of the measured L-pulses

表2　R路脈沖測(cè)試結(jié)果
Table 2　Duty ratio and phase difference
of the measured R-pulses

表3　對(duì)給定δ的測(cè)試結(jié)果
Table 3　Response of the pulse generator
to a command angle

(a)STATCOM輸出電壓波形　　　(b)頻譜

圖8　STATCOM輸出電壓波形及其頻譜
Fig.8　The waveform of STATCOM output
and its spectrum

2　基于DSP的STATCOM控制器設(shè)計(jì)
　　STATCOM的控制任務(wù)是根據(jù)控制目標(biāo)確定其逆變器輸出電壓與系統(tǒng)同步信號(hào)間的微小的相位差，從而控制STATCOM向系統(tǒng)發(fā)出(或吸收)的無功功率，進(jìn)而改變電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)，為輸電系統(tǒng)或配電系統(tǒng)貢獻(xiàn)力量。對(duì)輸電系統(tǒng)，如提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定極限，增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼等；對(duì)配電系統(tǒng)，如抑制用戶端電壓閃變，提高功率因數(shù)，改善電壓調(diào)節(jié)等^［3，4］。在完成精確的脈沖發(fā)生器(執(zhí)行機(jī)構(gòu))設(shè)計(jì)后，控制器的硬件設(shè)計(jì)主要集中在采集系統(tǒng)有關(guān)電壓和電流變量，完成與脈沖發(fā)生器以及操作人員的接口等。在本系統(tǒng)中，再次采用TMS320C31作為主處理器構(gòu)成控制器。除了保持與脈沖發(fā)生器一致，不增加開發(fā)的難度外，采用DSP的原因還在于其快速的浮點(diǎn)運(yùn)算和精確的定時(shí)能力。前者為設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制算法提供了保證，后者則是數(shù)字系統(tǒng)基本的要求。加入控制器后，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖9所示。其中上位工控機(jī)接受操作人員由鍵盤或操作面板發(fā)出的命令，實(shí)現(xiàn)相角調(diào)節(jié)、控制參數(shù)設(shè)定、波形記錄、恒電壓/無功控制模式切換及投切等功能。它通過微機(jī)的I/O接口與DSP控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主DSP控制器根據(jù)上位機(jī)的指令及測(cè)到的系統(tǒng)電流電壓信號(hào)，確定工作模式并計(jì)算當(dāng)前的控制量δ，該控制量通過雙口RAM被送至脈沖發(fā)生器。脈沖發(fā)生器根據(jù)得到的δ信息產(chǎn)生脈沖，脈沖經(jīng)隔離、整形后驅(qū)動(dòng)主電路的晶閘管，使逆變器輸出相應(yīng)的無功電流。

圖9　STATCOM控制系統(tǒng)框圖
Fig.9　Structure of the STATCOM controller

　　該控制器在清華大學(xué)±10 kvar STATCOM動(dòng)模裝置上作了試運(yùn)行。圖10給出的從0至5 kvar的無功階躍曲線可以很好地說明該控制器的有效性，其中的無功采用瞬時(shí)無功算法獲得^［5］，控制律采用PI，其控制參數(shù)可以在線調(diào)節(jié)。從圖中可以看出，STATCOM具有非常快的無功響應(yīng)速度，證明該控制器響應(yīng)正確，可以滿足STATCOM的控制需要。

——無功；-----電流

圖10　STATCOM的無功階躍響應(yīng)
Fig.10　Reactive power step response of STATCOM

3　結(jié)語
　　本文較詳細(xì)地介紹了基于DSP的STATCOM脈沖發(fā)生器及控制器的設(shè)計(jì)和動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果，脈沖發(fā)生器的精度和可靠性直接關(guān)系到STATCOM能否正常運(yùn)行，控制器則顯然是整個(gè)裝置的核心部分。本文嘗試?yán)�用DSP速度快、定時(shí)精確、計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于DSP的脈沖發(fā)生器和控制器。動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它們符合工程應(yīng)用要求。

作者單位：栗　春，男，1974年生，博士研究生，研究方向?yàn)镕ACTS控制。
　　　　　高　輝，男，1977年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通用控制器。
　　　　　石建民，男，從事微處理器的開發(fā)應(yīng)用研究。
作者單位：清華大學(xué)電機(jī)工程系　100084　北京

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