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STATCOM的電流間接控制方法設計與實現
Design and Realization of Current Indirect Control Method of STATCOM
(西安工業大學) 尚宇 孫曉娟 高嵩
Shang Yu Sun ,Xiaojuan Gao Song
摘要： 本文介紹了基于數字信號處理（DSP）設計的靜止無功發生器控制器的結構、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，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；靜止無功發生器；電流間接控制；數字信號處理
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的提出和發展，靜止無功發生器(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在電網上,根據輸入系統的無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出滿足系統所要求的無功電流,實現動態無功補償的目的。穩態時STATCOM輸出的有功功率和無功功率分別是［2］：
其中VS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。
近年來對STATCOM的相關技術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。根據補償要實現的功能和應用場合，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控制系統的結構與基本功能
在靜止無功發生器中，控制器（包括脈沖發生器）是STATCOM的重要組成部分，也是其核心部件之一，它根據用戶設定的參考值和系統的運行狀態來確定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控制系統采用雙DSP結構，其中一個DSP處理器用來完成數據處理、控制方法的實現，是主處理器；另一個DSP處理器用來產生高精度脈沖。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，Uabc、Iabc分別是系統三相電壓和電流，該控制器具有產生同步脈沖、產生觸發脈沖、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
設計控制器時，除了脈沖發生器的設計以外，控制器的軟硬件設計主要集中在采集系統有關的電壓和電流變量以及實現控制算法上，即集中在主控制器的設計上。STATCOM控制環節計算量大，精度要求高，所以主控制器和脈沖發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的無功功率采用逆系統非線性的PI控制，圖中的F（1）即為（2）式，通過計算獲得δ1，ΔU是系統參考電壓和裝置輸出電壓的差值。正是δ2對δ1的動態調節作用，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、三角函數等運算。故在采用數字控制系統時，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，因此難以保證控制裝置的實時性。而采用一種高性能的數字信號處理器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，單比較單元可產生3路PWM波，全比較單元可產生6路PWM波），所以采用TMS320F240系列的DSP芯片來實現控制功能，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A/D轉換器進行模／數轉換后進入控制器，控制器利用所測得的信號瞬時值，經過適當的變換后求出瞬時無功和瞬時電壓矢量的“有效值”，并以此為依據對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，進行數據處理。
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。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。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觸發一次中斷，在中斷服務程序中DSP采集當前系統參量并計算瞬時電壓的量，然后根據上位機所發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的周期內實現采樣、讀取數據及實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，實際的程序編制運行中已經證明了這一點。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。
圖3 主控制器程序流程圖
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接入一個單機無窮大系統，假設系統其中的一條線路在0.3秒發生瞬時兩相對地短路，在0.45秒切除故障線路，記錄發電機機端電壓、功角的動態仿真特性曲線，無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
圖5 功角仿真曲線
從圖4、圖5可以看出，在系統發生兩相短路瞬間，系統很快失去同步，投入STATCOM后，發現在故障發生過程中，發電機機端電壓、功角曲線發生波動，但很快趨于穩定，說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穩定極限上發揮了很大的作用。
5 結論
本文作者的創新點在于利用了數字信號處理運算速度快、計算精度高、定時準確的優點，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。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，具有較高的使用價值，值得在工業控制中推廣。
參考文獻：
［1］ 何大愚.柔性交流輸電系統概念的新進展[J].電網技術，1997，21（2）：9～14
［2］ 姜齊榮.新型靜止無功發生器建模及其控制研究[C].[博士學位論文].北京:清華大學電機系，1997
［3］ 李可.直接電流控制的靜止無功發生器研究［J］.電力電子技術，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：北京航空航天大學出版社，2002
［6］ 陳桂明，張明照.應用MATLAB建模與仿真[M].北京：科學出版社，2001.162~165
作者簡介：尚宇，（1973-），女，漢族，碩士，講師。工作單位：西安工業大學電子信息工程學院。現從事信號處理、計算機仿真技術的教學與研究。E-mail：shangyu@mail.xait.edu.cn. 孫曉娟：（1975-），女，碩士，講師。現從事電力系統自動化方向的教學與研究。高嵩：（1966-），男，教授，研究方向：工業控制、智能控制。
（710032，陜西西安市金花北路4號，西安工業大學電子信息工程學院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
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