DSP 在新型静止无功补偿器(ASVC)的控制中的应用

DSP在新型静止无功补偿器(ASVC)的控制中的应用Application of Advanced Static VAR Compensator’s control of DSP(南昌工程学院) 胡旻Hu,Min 摘要：本文针对在柔性交流输电系统中日益广泛运用的静止无功补偿器的控制,介绍了以DSP和单片机组合的双CPU为主控器的实验系统的工作原理、系统结构等。

并着重就DSP 在系统主闭环（电流环）控制中的作用,其各项运算的依据,软件设计等作了详细阐述Abstract: This paper deals with the extensive use of Static V AR Compensator in Flexible AC Transmission System introduces the working principles and systematical Structure of the Experimenting System employed double cpus which have DSP and single-chip computer as a group as the main controlor.It focuses on the detailed descripition of the functions of DSP in the control of the main closed loop,its basis for operations and software designs.关键字：DSP; 新型静止无功补偿器文献标识码：B 中图分类号：TM4641、引言随着全控性电力电子器件的长足发展,由电力电子器件构成的超前与滞后均可补偿且补偿量可随负载无功分量大小灵活变化的静止无功补偿器正渐渐取代传统的固定的电力电容器补偿方式，成为柔性交流输电系统的基础技术。

而这些静止无功补偿器的控制由于要求快速进行复杂有符号计算,采用DSP作为主控器的组成部分可提高系统的反应速度、稳定性及准确性。

本文以DSP和单片机共同组成控制器的ASVC实验系统来阐述DSP在此方面应用设计的一点己见。

ASVC实验系统原理结构示意图如图1所示：图1 ASVC实验系统原理结构示意图这是一个自励式静止无功补偿电路，主电路由智能型桥式IGBT模块、电感X、直流侧储能电容C组成一个PWM电压型逆变器，与电网并联构成一个⑿源无功补偿装置。

这里电容C仅起保持直流侧电压的功用，而不是作为电力补偿电容，容量远比后者要小。

控制单元是以DSPTMS320C32和80C196KC单片机共同为主控器的双CPU组合控制电路。

胡旻：硕士，讲师江西省自然科学基金资助项目（0511062）2、系统工作原理通常负载不是纯电阻性的，电网除输送有功功率外还要输送无功功率，这就恶化了电网的运行状况，所以要加无功补偿器来供给(或吸收)负载的无功功率，使从电网看功率因素近于1，电网此时仅需传送有功功率运行得到优化。

本试验ASVC补偿器主电路的IGBT桥式电路在六路门控信号的作用下,将直流侧电压变换成基波与电网电压同频的交流侧三相PWM电压，由于门控信号的变化，引起三相PWM电压的基波相应改变，在与电网电压相互作用下，实现向负载馈送(或吸收)所需补偿的无功功率之目的。

系统的控制主要就是控制IGBT的门控信号，它由二个控制环组成，一为电流环,用于保证补偿器输出期望的无功电流，另一是电压环，用于保证直流侧电压的恒定。

整个控制原理可用图２来表示，图中：I表有效值，i表瞬时值，PI表比例积分调节器。

而下标：Q表无功量，P表有功量，ref表期望值，d 表直流量，图2 系统控制原理图电流控制环是主要工作环路，以一相为例，它的工作是：负载电流的采样值经A/D转换芯片MAX120快速转换后送至DSP, DSP用傅立叶级数分解程序计算分析得出补偿器无功电流I值(也即是求出无功功率)。

又因装置的直流电压直接取自交流网络,没有专门供电的直流电源,要使直流侧自励,故需要将无功电流分量前移(或后移)一个很小的β角,以提供少许有功功率来供电容等的有功损耗并有利维持电容二端的直流电压。

这个位移了β角的电流i将作为无功补偿电流的期望值。

期望无功电流的瞬时值与补偿器向电网传送电流的实际f e r采样瞬时值相减,差值送电流环PI调节器，调节器输出的正弦波与SPWM技术中运用的三角波相交产生控制IGBT开关的脉冲信号，控制IGBT逆变器工作，在闭环负反馈调节作用下使补偿器输出期望的无功电流，实现软补偿的目的。

电压闭环是一个辅助环,由于其内PI调节器的作用,闭环实现稳态无差,电容上直流平均电压等于期望值,为系统稳定工作提供了有利条件。

电流环中相移的β角对应于电压闭环中间输出的有功分量期望电流值,或言之由电压对角度的变换得,此β值在本系统中是由电压环计算来提供。

3、系统硬件设计考虑到本实验补偿器系统控制工作的复杂性,采用了DPS加通用单片机的双CPU方案,发挥DSP运算能力强和单片机控制功能强的各自优势。

系统总体硬件框图如图3。

图3 系统硬件框图系统中TMS320C32完成无功电流期望值全部运算、电流环中的PI 计算、运用双极性SPWM 技术求得脉冲跳变点值等工作。

TMS320C32是』个简化版的浮点32位DS Ｐ 器件,单周期指令执行时间仅33ns,十分有利用于ASVC 控制计算所需。

而80C196KC 单片机中断功能丰富，自带A/D 转换、HIS 、HSO 等功能,控制功能很强,用来承担电压环中的输入采样及PI 运算、由HSO 输出控制IGBT 的脉冲信号、系统显示及键盘输入、系统调度与控制等任务。

二个CPU 间的数据交流由双向RAM ( ITD7142)传送，工作节拍由严格依从电网一个周波内54倍频的锁相环电路统一提供，实现双方协调同步工作。

4、PSP 计算任务的算法分析4.1 无功电流f e r Q I负载电流在不计高次谐波时可表示是：q p l i i i +=此中 p i =t I p ωsin 是有功分量，t I i q q ωcos =是无功分量。

若设N 为一个周期内电流采样总数，k L i 为采样时刻kT 负载电流值，由付氏级数分解,基波系数由离散化求和得：)2sin(210k N i NI N k k L p π∑−== )2cos(210k N i N I N k k L q π∑−== （4—1） （4-1）表示可通过一个周期内等间隔采样N 次负载电流的瞬时值而计算得到其无功分量及有功分量矢量模, 由于采样频率固定，计算式中)2cos(k N π 等的值是预先可确定的，因此可制表预存，以简化公式(4-1)的计算。

4.2 电流环 PI 调节器的计算由于是等间隔采样，KT 时刻PI 调节器的输入e(k)有：)()()(k i k i k e j c j f e r J −= (4-2)式中 322cos()(j k N I k i f e r Q j f e r ×++=πβπ, j=0、1、2分别对应a 、b 、c 三相 ，下标中c 意义见图1。

而 cos(*)也可预先制表,而计算时按括号内的数值查得结果。

调节器运算取增量形式，即对应某一相的调节器输出是：)()()(k e k k e k k y i p +∆=∆式中 )1()()(−−=∆k e k e k e而：)()1()(k y k 亅y k y ∆+= (4-3)4.3 脉冲时刻的计算如图 4 所示,有关脉冲调制波产生时刻的计算，若近似认为调节器PI 的输出在采样间隔内是直线,即用折线来代替曲线，那不难推算得是： 4())1(1(1yT k y t ∆−÷−+= )4())1(3(2yT k y t ∆+÷−−= (4-4) 式中 △y=y(k)-y(k-1),T 是采样周期因补偿器是三相，所以也应该分别计算得出各相在此区间的1t 和2t 值,送双向RAM ，以便由80C96KC 调用去产生相应的IGBT 控制脉冲，这种近似处理经验证是允许的。

5、 DSP 运算部分的软件设计如前所述，为了系统能快速反映,DSP 中断采用50×54节拍，并设计其在一次中断内完成相关的电流环运算,所设计软件流程图如图5图4 调制示意图图5 DSP运算流程图6、结束语静止无功补偿器的控制是它实现的关键之一,本文的创新点在于采用了DSP和单片机组合的双CPU主控制器方案,发挥了二者各自的优势,相得益彰，实现了柔性无功调节的目的，系统构思新颖，软、硬件设计有特点。

文章仅阐述了DSP部分，其它内容将另文介绍。

参考文献[1] Kenichi Suzuki,Masashi Yajima,Mikiya Nohara,et al.Control Mothod for 50 MVA Self-commutated Static VAR Compensator.IEE-B japan,1997,117(7):953-959[2] Luis Moran,phoivos K.Ziogs,Geza joo. A Solid State High Performance Reactive Power Compensator, IEEE Trans.On Industry Applications.Pp969-977,1993[3]马学军，吴鸿霞.基于DSP的单相逆变器抗直流偏磁技术研究[J].微计算机信息，2006，10-2：67[4]王兆安，杨君，刘进军编著.北京：谐波抑制无功功率补偿[M].机械工业出版社，1998.1[5] TMS320C3x User s Guide, TI Company作者简介：胡旻，（1973－），男(汉)，硕士，讲师，研究方向：计算机应用技术，计算机安全.Biography：Hu min，（1973-），male(Han)，Master, Lecturer，Research field：Computational applied technology，Computer security.(330099 南昌南昌工程学院计算机系)胡旻(Computer Science and Technology Department Of NanChang Institute of Technology,Nancahng,330099)Hu Min通讯地址：（330099 南昌市高新技术开发区天祥大道289号南昌工程学院计算机系）胡旻。