魏丽君，谢永超

（1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；2.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001）

链式静止同步补偿器控制系统的研究与设计

魏丽君1，2，谢永超2

（1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；2.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001）

该文基于串联多电平技术，完成一套链式静止同步补偿器控制系统的研究与设计。根据反馈解耦控制算法和单级倍频载波相移正弦脉宽调制方法，采用串联多电平技术，以TMS320F28335为核心处理器，采用软件算法实现补偿器直流侧电压均衡控制。设计链式结构的三相电压源逆变器，构成链式静止同步补偿器系统，实现系统无功补偿控制。经过试验测试，结果表明：该系统的无功补偿效果与理论一致，设计可行、可靠。

无功补偿；反馈解耦控制算法；串联多电平；链式静止同步补偿器

0　引　言

随着电力行业的日益发展和相关新型装置的广泛运用，电能质量问题日益凸显。谐波的存在造成了无功功率的增加，给电网造成了污染，同时也增加了设备的容量。因此，开发新的智能装置，对电力系统进行无功补偿显得越发重要。目前主要采用静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）进行无功功率的补偿[1-3]。SVC目前在同容量成本上较STATCOM低，但在动态响应速度和可控性能方面，STATCOM远优于SVC。STATCOM还可以设计用作滤除电力系统谐波的有源滤波器[4-5]。

本文根据反馈解耦控制算法和单级倍频载波相移正弦脉宽调制方法，采用串联多电平技术，以TMS320F28335为核心处理器，用软件算法实现补偿器直流侧电压均衡控制，设计了链式结构的三相电压源逆变器，构成了链式静止同步补偿器系统，实现对电网的无功补偿。相比传统的无功补偿设备，本文设计的系统具有调节速度、运行范围宽的优点，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后可减少补偿电流中谐波的含量[6-8]。

1　系统设计方案

本设计的主要目的是实现电网的无功补偿，采用串联多电平技术，系统分为主电路和控制电路两部分。系统总体电路结构图如图1所示。

图1　系统整体硬件框图

2　系统硬件设计

2.1系统硬件结构框图

系统由主电路和控制电路两部分组成，硬件结构框图如图2所示。主电路拓扑为串联5电平逆变器；控制电路主要包括DSP控制器、24路PWM波形发生器等。其中DSP主要完成相关控制算法、负载电流的检测、补偿电流的采样等。而24路PWM波形发生器采用FPGA实现[9]。

图2　系统硬件结构框图

2.2控制电路硬件设计

2.2.1控制电路总体结构

控制电路是整个系统的重要组成部分，采用FPGA+DSP的全数字控制平台方案，其结构如图3所示。其中，FPGA主要实现PWM信号的产生，而直流侧电压控制、基波电网电压锁相、统过压、过流保护、指令电流运算系等功能则由DSP负责实现。为了确保采样的精度，采用3片AD7656对三相电网电压usa、usb、usc，三相电网电流isa、isb、isc，STATCOM输出电流 ica、icb、icc以及负载电流 ila、ilb、ilc，各 2H桥直流侧电容电压udck（k=1，2，…，6）共18路信号进行转换。

图3　控制电路硬件结构框图

2.2.2信号调理电路

信号调理电路分为两级，如图4所示。第1级主要去除信号中的高频干扰，设计采用抗混叠低通滤波器；第2级主要完成信号放大，将经过滤波处理后的信号幅值调整到合适范围后由A/D转换器完成模数转换[10]。

图4　信号调理电路

根据采样信号的频率（50 Hz），设计截止频率为100Hz的一阶低通滤波器，并同相输入；其中，C1=0.1 μF，R1=10 kΩ，R2=10 kΩ，R3=510 Ω，R5=6.2 kΩ，R6=6.6kΩ，R8=20kΩ。

2.2.3过零点检测电路

在硬件设计过程中，为了实现控制算法，需要对变换过程中的信号进行同步，而准确锁相要求电路能够准确检测出正弦电网电压信号的过零点，为后面采用软件方法实现锁相提供条件，过零点检测电路如图5所示。

图5　过零点检测电路

为了保证同相以及实现信号的隔离，设计加入一个反相跟随电路。由于电网电压存在一定的干扰，故设计采用迟滞比较电路，滞后量由R13和R15决定，取滞后量为1mV，根据上图，可得滞后量的表达式为

式中：VOH——输出端高电频，mV；

VOL——输出端低电频，mV。

选取R15为1MΩ，R13为10kΩ。由LM311的特性可得：电路中输入的正弦波信号高于零电压时，输出为高电平；低于零电压时，则输出低电平。因此通过该电路，正弦信号将变为方波信号，其幅值为5V。其上升沿对应正弦波的过零点。因此，DSP捕捉过零点检测电路输出信号的上升沿，即可得到原正弦信号的过零点。

2.2.4保护电路

过压过流保护电路如图6所示。

图6　保护电路

保护电路的输入端接信号调理电路的输出，电路分为3级。第1级为LM324与二极管组成的取绝对值电路，将正负电压转化为正电压以便进行比较。第2级跟随器电路由LM324构成，其输出接入由LM311组成的第3级比较电路。正常情况下，调理电路的输出信号幅值为0～8V，所以非故障情况下，输入LM311的信号幅值最大为8V。因此，设置保护电路的电压阈值为9V。

3　系统软件设计及指令电流计算的软件实现

3.1系统软件设计

系统的软件设计包括3个环节：

1）按照反馈解耦的控制算法对采样信号进行处理，得到无功补偿的指令电压信号。

2）根据指令电压信号生成驱动开关管的PWM信号。

3）实现功率单元和控制单元通信。

3.2指令电流计算的软件实现

无功补偿的指令电压信号是通过反馈解耦控制算法计算得出的，程序主要分为主程序和定时器中断程序两部分。

1）主程序流程图

主程序流程如图7所示。主程序中，DSP主要完成H桥模块开关管的开关信号转换为不同频率的方波。

图7　主程序流程图

2）捕获中断子程序流程图

捕获中断子程序流程如图8所示，此中断由过零点检测电路输出方波的上升沿触发。

图8　捕获定时器中断程序流程图

3）EPWM1定时器中断程序流程图

EPWM1定时器中断程序流程如图9所示，其主要任务就是在确定工作状态无故障的情况下，计算得出指令电压信号，对其进行调整，得到PWM的调制波信号。

图9　EPWM1定时器中断程序流程图

4）状态解耦控制及直流侧电压控制程序流程图

状态解耦控制算法及直流侧电压控制算法的软件实现流程如图10所示，首先，进行所需要的各电气量的采样，当捕获计数值达到要求后，计算dq变换所需要的数学量值及直流电压控制所需要的电流、电压量值，然后对三相补偿电流和电网电压进行dq变换，同时进行指令电流运算和PI调节，输出量经dq反变换即可得到指令电压信号。

图10　状态解耦控制程序流程图

4　试验测试及结果

本设计的装置主要是补偿电网无功功率，主要测试：

1）测试各模块直流侧电压的稳定和均衡性。

2）测试STATCOM输出端电压波形，验证单级倍频CPS-SPWM调制方法的正确性。

3）测试STATCOM输出电压电流波形，检验系统的无功补偿效果。

4）测试系统过压过流等故障情况下的保护功能。

4.1直流侧电压启动过程及控制效果

首先，测试直流侧电压的启动过程，共分为两个步骤：1）在A、B、C三相H桥模块各串联一个57Ω的限流电阻，使变流器的开关管IGBT处于闭锁状态，利用与IGBT开关管的反并联二极管实现不可控整流，从电网吸收有功功率，对H桥直流侧电容充电，结束后，直流侧电压进入稳态，即H桥模块直流侧电容电压之和等于电网线电压峰值；2）时间继电器动作将限流电阻短接，然后解锁整个变流器的开关管驱动脉冲，利用PWM高频整流继续从电网吸收有功功率，将直流侧电容电压升高到给定值并稳定在其附近。

实验时，利用三相可编程电源模拟三相电网，若给定电网电压为40 V，第1阶段为开关管反并联二极管不控整流阶段，稳定后H桥模块直流侧电压为24.5V，当H桥模块直流侧电压值趋于稳定以后控制继电器动作把限流电阻短接，进入第2阶段，即PWM高频整流，实验波形如图11所示。

图11　直流侧电压启动过程波形

图12给出了PWM高频整流阶段H桥模块直流侧电压的实验波形，两个H桥模块的直流侧电压恒定上升到给定值75V附近。这是因为，当H桥单相电路模块电压值接近给定值时，PI调节器开始起作用，使得调节后的电压值不至于升得过高，而是稳定在给定值75V附近。

图12　稳定后A相两个H桥模块直流侧电压

4.2单级倍频CPS-SPWM技术

直流侧电压稳定后，即可启动系统进行无功补偿。系统主电路为基于串联多电平的电压源逆变器，驱动信号的生成采用单级倍频CPS-SPWM技术，按照图2～图10所示算法，单相逆变器的输出端相电压应为5电平类似正弦信号的阶梯状波形。由于主电路采用Δ型连接，测试Ca，Cb，Cc任意两点间电压波形，得到的是三相线电压，根据相电压波形，可知线电压应为9电平阶梯状类似正弦信号的波形，即为补偿器输出滤波前的电压波形。用示波器测量Ca、Cb两点间电压，得到的结果如图13所示。

图13　补偿器输出端滤波前电压波形

图中给出了补偿器输出滤波前电压的实验波形，电压共9电平，频率50Hz，与单级倍频CPS-SPWM技术理论分析结果一致，证明了这种PWM信号调制方法的正确性。

4.3无功补偿效果测试

将负载与电网断开，此时补偿装置和电网直接相连，补偿器输出端电流超前电压90°，电压幅值高于电网电压，测量补偿器输出端滤波后电流及采样电压，得到的结果如图14所示。其中，电流为补偿器输出端电流，电压为DA输出的补偿器输出端电压的采样值。由图可知，补偿器输出端电流相位超前电压相位约90°，补偿器工作在容性工况，与理论结果一致。

图14　补偿器输出端滤波后电流及采样电压波形

4.4过流保护测试

当装置在正常运行或启动时，当装置电流输出大于额定电流20A的10%，即22A时，系统进入过流保护，闭锁PWM脉冲，故障指示灯亮。当电流恢复到正常范围，系统恢复正常运行。

5　结束语

根据测试实验，可得以下实验结论：

1）直流侧电压启动过程及控制效果测试结果表明，文中设计采用的控制方法能够实现直流侧电压的稳定和均衡控制。

2）单采用级倍频CPS-SPWM技术能够得到多电平输出电压。

3）无功补偿效果测试结果与理论一致。

4）过压过流保护测试结果符合设计要求。

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Research and design of control system for cascade static synchronous compensators

WEI Lijun1，2，XIE Yongchao2
（1.School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China；2.Hu’nan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China）

A control system for cascade static synchronous compensators has been developed on the basis of cascaded multilevel technology.In combination with feedback decoupling control algorithm and sinusoidal pulse width modulation for single-level frequency doubling carrier phase shifting，using cascaded multilevel technology，TMS320F28335 as core processor and software algorithm were employed to realize compensator DC-side voltage balancing control.A chain-linked three-phase voltagesourceinverterwasdesignedaccordinglytoconstituteacascadestaticsynchronous compensator system，thus achieving the goal of reactive power compensation control.Tests prove that the system is feasible and reliable.

reactive power compensation；feedback decoupling control algorithm；cascaded multilevel；cascade static synchronous compensator

A

1674-5124（2015）12-0100-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.025

2015-01-20；

2015-03-06

魏丽君（1983-），男，湖南娄底市人，讲师，硕士，研究方向为智能仪器与仪表、电子技术。