基于DSP的配电静止同步补偿器控制器的设计.docx

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基于DSP的配电静止同步补偿器控制器的设计

摘要

DistributionStaticCompensatorTMS320LF2407本控制器装置由主电路、控制电路、驱动电路组成。

本文按信号流程来阐述，最小系统、信号采集、信号处理。

最小系统包括芯片、键盘显示、扩展ROM/RAM等。

信号采集包括PT（电压互感器）/CT（电流互感器）、信号调理、A/D转换。

关键词：

最小系统；信号采集；信号处理

Abstract

DigitalSignalProcessingDistributionStaticSynchronousCompensator

KeyWords：

Digitalsignalprocessing（DSP）；DistributionStaticCompensatorD-STATCOM；DSPsmallestsystem；Signalgathering；Signalprocessing

摘要

第1章绪论1

第1.1节课题的来源及意义1

第1.2节D-STATCOM控制器设计的研究现状3

第1.3节D-STATCOM补偿电流检测技术的研究现状5

第1.4节D-STATCOM的优越性8

第1.5节论文的主要内容及章节安排9

第2章DSP器件的简介及D-STATCOM的工作原理11

第2.1节DSP器件的特点11

第2.2节TMS320LF2407的特点13

第2.3节TMS320LF2407的结构14

第2.4节选择DSP芯片注意事项16

第2.5节D-STATCOM的基本原理17

第3章基于DSP的D-STATCOM控制器设计25

第3.1节基于DSP的D-STATCOM的控制系统硬件结构25

第3.2节控制系统软件部分36

总结41参考文献42致谢44

第1章绪论

第1.1节课题的背景及意义

电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要标志之一。

在满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时，提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现，是增强用电效率、节能降损、改善环境、提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。

随着现代科学技术的发展，近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路等负荷不断增加。

这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性的用电特性，使网络中的电压、电流波形发生畸变，或引起电压波动、闪变和三相不平衡。

此外，系统侧发生的雷击线路、投切电容器组、短路。

断路等，都给供电质量造成严重干扰。

另一方面，随着现代工业技术的不断发展和计算机技术的广泛应用，用电设备对电能质量更加敏感。

低劣的供电质量将导致低劣的产品质量，特别是在重要工业生产过程中，供电的突然中断将会带来巨大的经济损失。

据美国官方统计，近20年来全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达20多起，每年因电能质量扰和电气环境污染引起的国民经济损失高达300亿美元，电能质量直接关系到国民经济的总体效益。

如何提高和保证电能质量，已成为迫切需要解决的重要课题之一。

电能质量的优劣已经成为电力系统运行与管理水平高低的重要标志，控制和改善电能质量也是保证电力系统自身可持续发展的必要条件。

电能质量问题已不仅仅是电力系统中电压和频率等的基本技术问题，它已被提升为关系到整个电力系统及设备的安全、稳定、经济、可靠运行，关系电气环境工程保护，关系整个国民经济的总体效益和发展战略。

因此，开展电能质量控制技术的研究及相关电能质量调节装置的开发具有重要的现实意义和战略意义，成为了近年来电气工程领域研究的热点之一。

N.H.Hingorani于1986年提出了灵活交流输电系统（FACTS）的概念。

FACTS技术发展的两个重要特点，一是不断采用新器件，另一个特点是装置多样化,应用范围更广。

一方面继续向高压大容量方向发展，另一方面，向中低压配电网的应用发展，宗旨是提高用户侧的电能质量，称之为用户电力技术。

用户电力技术（Custompower）的概念最早于1988年由N.H.Hingoran博士提出，这是一种应用现代电力电子技术、计算机技术和控制技术，按用户特定要求提供电力供应并实现对电能质量控制的技术。

我国一些学者称用户电力技术为DFACTS，认为是FACTS技术在配电系统应用的延伸，并做了大量的研究。

1996年，日本北海道大学和茨城大学的学者正式提出了与上述概念相似的FRIENDS（FlexibleReliableandIntelligentElectricEnergyDeliverySystem），并组织“FRIENDS研究会”。

两者目的都是为了建立灵活、可靠的电力供应系统，更好地满足用户需求。

用户电力技术是一种将电力电子技术、微处理机技术、控制技术等高新技术运用于中、低压配电和用电系统中，以减小谐波畸变，消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断，从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。

用户电力技术的提出为电力公司在系统侧和用户侧以最经济的方法综合解决电能质量问题提供了一种新途径。

常用的用户电力技术装置有不间断电源（UPS）、配电静止同步补偿器（D-STATCOM）、动态电压恢复器（DVR）、有源电力滤波器（APF）等。

配电静止同步补偿器（D-STATCOM）是一种重要的用户电力技术装置，跟其它类型的用户电力技术装置相比较，具有功能强大、性能优良、性价比高的特点，能综合的解决配电网中电压波动与闪变、电流畸变、三相电压不对称等电能质量问题，因此在配电网中颇受关注，成为了现阶段配电网无功补偿和电能质量控制的发展方向。

D-STATCOM与以往的无功补偿装置如自动投切电容器组装置和SVC相比具有如下特点：

（1）响应时间快。

自动投切电容器组装置的响应时间需要几秒钟，这是受电容器放电时间所限制。

国标规定电力电容器放电时间为3秒钟，如果放电时间太少，则电容器的剩余电荷不能放电干净，如再次投入可能会导致电容器发生过压击穿现象。

（2）不会引起谐振短路。

虽然该装置仍然采用并联型结构，但是它与电网之间有连接电抗器，因此不会出现并联谐振现象。

（3）可以发出连续可调的感性无功和容性无功。

该装置不仅可以应用在感性负荷场合，还可以应用在容性负荷的场合，可以提高补偿效果，降低线路损耗。

（4）精准电压控制。

该装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外，还可以按照电压幅值来控制，确保用户获得的电压的平稳性，降低电压纹波。

（5）具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。

（6）可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。

（7）受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。

目前已经研制成功以及正在运行的STATCOM所使用的功率器件大多为GTO，电压及容量较小的配电系统用STATCOM（D-STATCOM）使用IGBT。

德国西门子公司已生产出用于高电压的IGBT，电压可达到5000V以上，日本东芝公司于1993年开发研制出的IEGT（电子注入增强门极晶体管）已经形成商用产品，其额定参数可达到4.5kV3000A，ABB公司于1996年开发研制出了IGCT（集成门极换向晶闸管），开通、关断时间与开关损耗进一步减小（关断时间小于5Ls），目前IGCT的额定参数可达到10kV4500A20kHz，而且可在无关断吸收电路条件下工作。

目前人们正在对碳化硅和金刚石等禁带很宽、击穿电场很高、同时又具有高热导率的新型半导体材料进行不断探索与研究，并已获得了初步成果。

将此类新型电力电子功率器件用于D-SATCOM中，开关频率提高、装置损耗降低、体积减小、运行效率提高、使PWM技术在中压中小容量D-SATCOM中的直接应用成为可能。

在中小容量D-SATCOM的场合，应用多重化技术的D-SATCOM装置结构与控制复杂，占地面积大，功率密度小，成本较高，而直接采用PWM控制技术的D-SATCOM装置可以克服上述缺点，同时省去了多重化变压器，避免了由于多重化变压器的非线性磁饱和引起的过电流，而且可以将研究成熟多种三相PWM变流器控制方法（如相幅控制、滞环电流控制、三角波比较电流控制、空间矢量控制、直接功率控制等）直接运用于D-SATCOM装置的控制系统设计当中。

可见开展应用于中低压系统的基于VSI-SPWM结构D-SATCOM的研究符合新型电力电子器件的发展趋势，可以为将来实现D-SATCOM在配电网中的工业应用奠定基础。

第1.2节D-SATCOM控制器设计的研究现状

在中低压配电网中装设D-SATCOM装置能有效的解决配电网中常见的电能质量问题。

随着电力电子技术、自动控制技术、信息处理技术和计算机技术的迅猛发展，基于电力电子技术的D-SATCOM装置得到了广泛和深入的研究。

从目前国内外研究现状来看，国外发达工业国家，如美国、日本等在这方面的研究起步较早，已有工业装置在电网和工业企业中投运。

而我国由于受多种因数的制约，对D-SATCOM的研究还处于理论研究和实验阶段，真正应用于电网和工业企业中的工业装置不多见，其主要原因是一些关键技术和难点问题以及设备的成本问题尚未得到解决。

SATCOMSATCOMSATCOMSTATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOM

第1.3节D-SATCOM补偿电流检测技术的研究现状

当D-SATCOM用来补偿负荷中的谐波、无功和负序电流时，补偿电流检测是决定D-SATCOM补偿性能好坏的重要环节。

补偿电流的检测引起了广泛的研究，众多学者在补偿电流检测方面做了不懈的努力，提出了很多新的思想和方法。

但他们几乎都朝着这么一个方向努力，那就是检测的精度和速度。

从目前国内外文献所报道的情况来看，补偿电流的检测方法主要有基于瞬时无功功率理论的检测方法及其改进、基于

变换的检测方法、基于FFT的检测方法、基于自适应原理的检测方法、小波变换检测法等。

日本学者赤木泰文提出的瞬时无功功率理论在补偿电流检测中得到广泛应用。

基于瞬时无功功率理论的补偿电流检测方法有两种运算方式，即

运算方式和

运算方式。

这两种检测方法在电网电压对称且无畸变的情况下具有形同的检测结果，都能精确的检测出负载电流中的谐波、无功和负序电流。

而当电网电压不对称和畸变条件下，

运算方式会有检测误差，而

方式在检测谐波时无检测误差，但检测出的无功电流有误差。

运算在电网电压不对称且畸变（或畸变）条件下检测的误差来源来源于这种检测方法本身的缺陷。

当三相电压中不含有负序和高次谐波分量时,根据瞬时无功功率理论计算出的瞬时实功率对应于基波有功功率,瞬时虚功率对应于基波无功功率,瞬时实功率和瞬时虚功率中的交流成分对应于负序和谐波部分。

分别对基波有功功率、基波无功功率和瞬时实功率和瞬时虚功率中的交流成分进行反变换,则可得三相系统的基波有功、基波无功和负序正谐波电流。

但当电压中含有负序和谐波成分时,瞬时实功率将由正序有功功率、负序有功功率和谐波功率构成,由其反变换得到的有功电流将是与电压具有相同的频率、相位和波形的畸变波,使补偿系统不能正常工作。

日本有数台采用

法的谐波补偿装置,售出后因其使用场合的网压存在谐波和不对称情况,已不能继续运行,说明这一问题相当突出。

运算方式检测补偿电流的误差来源于由锁相环电路所得到的与a相电网电压同相位的正弦和余弦信号。

当三相电网电压不对称时，电压中将包含负序分量和零序分量。

由PLL及正余弦信号发生电路得到的正余弦信号的相位由a相电压确定，其中，正弦信号与

a相电压同相，即与a相电压的正序分量、负序分量及零序分量之和同相。

而期望的正弦信号应与a相电压的正序分量同相。

这样，实际的正弦信号与期望的正弦信号之间就有相位差，从而引起了无功电流检测误差，但不会影响到谐波电流的精确检测。

在以上两种检测方法的基础上，有很多文献报道了对以上两种检测方法的改进。

对以上两种检测方法的改进主要体现在两个方面，一方面是克服电网电压不对称或畸变（或电网电压不对称且畸变）给检测精度带来的不利影响；另一方面是通过对检测电路中低通滤波器的研究，力求一种延时小且滤波性能好的低通滤波器。

文献[1]针对电网电压三相不对称时

法检测瞬时有功电流和无功电流时存在的误差，提出了一种基于低通滤波器的基波正序电压提取单元代替传统的电压检测电路，提取单元能检测出电压正序分量的相位，从而在三相不对称时仍能检测基波有功、无功电流。

文献[2]提出了在三相电压不对称并含有高次谐波的情况下采用双闭环方式检测谐波和无功电流的方法。

文献[3]报道了一种并联型有源电力滤波器在非理想电源电压下的控制方法。

提出了并联型有源电力滤波器在不对称、非正弦电源电压情况下补偿电流指令的计算方法。

该方法基于同时对三相电压、电流进行旋转坐标变换和投影变换，所求得的补偿电流指令为非线性负载电流中除了基波正序有功分量之外的全部电流分量。

关于检测电路中滤波器的研究，文献[4]应用高通滤波器同时检测高次谐波和无功电流的检测方法进行了研究，认为应略去无功电流通道的一个高通滤波器后直接连接，就能同时检测出被检测电流中的谐波和无功电流。

文献[5]从基于瞬时无功功率理论的一种谐波电流检测方法，推出了采用高通和低通滤波器两种谐波电流检测电路。

对两种电路的性能进行了对比，结果表明，滤波器的截止频率、阶数和类型对检测电路的动态响应过程、检测精度都有很大影响。

谐波电流检测电路采用低通滤波器，无论从设计上还是从检测效果都有优势。

在对基于瞬时功率理论的补偿电流检测方法研究的同时，电力科技工作者也从不同的角度提出了一些新的功率理论和功率定义，试图从另外的视眼来对负载电流中的谐波、无功和负序电流进行检测。

文献[6]提出一种在电网电压畸变情况下依然适用的

坐标系下的广义无功电流和无功功率的新定义，给出了广义无功电流的检测和补偿方法。

文献[7]在三相电路综合矢量的基础上定义了三相电路的有功功率和无功功率，并定义基波电压综合矢量与基波电流综合矢量的点积的直流分量为有功功率，电压综合矢量与基波电流综合矢量的叉积和它们点积的脉动分量构成了无功功率。

基于无畸变的电压参考矢量，直接对三相电压、电流的瞬时值运算，可以获得三相瞬时无功及谐波电流。

文献[8-10]研究了基于

旋转变换原理的补偿电流检测方法。

近年来，一些基于新的原理和方法的补偿电流检测方法也层出不穷。

数字信号处理和分析中的一些理论、自适应信号处理理论也在补偿电流检测技术中得到应用，体现出了补偿电流检测技术的前沿性和综合性。

文献[11-12]提出了一种利用基于改进锁相环（EPLL）的非线性自适应滤波器进行补偿电流检测的方法。

文献[13]报道了基于FFT的高精度谐波检测算法。

文献针对传统的谐波检测方法快速傅立叶变换（FFT）由于存在栅栏和频谱泄漏现象，只适用于整数次谐波的分析，而不适用于非整数次谐波的检测，因此不能够实现精确的谐波分析。

提出了改进算法。

该算法通过对FFT算法做简单变换，减小了频谱泄漏误差，降低了谐波之间的相互干扰。

文献[14-15]对基于小波变换的谐波和无功电流检测方法进行了较深入的研究。

文献[14]针对常规快速傅立叶变换无法检测非整次谐波的问题，提出了利用小波变换实现检测非整次谐波的方法。

小波函数是具有时域和频域良好局部化特性的函数，理论上可以用于非整次谐波的检测。

但是小波变换存在着由于频谱泄露而带来的混频问题，给谐波的检测带来误差。

为解决此问题，可选择分频严格的小波函数，或者选择合适的分析方法。

有关基于自适应信号处理的补偿电流检测方法也有大量文献报道文献[16-24]。

文献[25]、[26]和[27]分别报道了基于FBD法的三相电力系统电流检测方法、基于鉴相原理的瞬时谐波电流检测方法和基于补偿电流最小原理的谐波与无功电流检测方法。

从上面的综述可以看出，补偿电流检测根据所基于的检测原理有多种方法，但从D-STATCOM装置开发和工程应用的角度出发，快速、准确、适应性强、易实现的补偿电流检测方法是研究的主要方向。

第1.4节D-STATCOM的优越性

配电静止同步补偿器（D-SATCOM）与传统的SVC装置相比，具有以下的优点：

（1）在提高系统的暂态稳定性等方面的性能大大优于传统的SVC装置。

（2）采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量的维护费用；同时，可通过调度中心EMS实现无功功率潮流和电压最优控制，是建设中的数字电力系统的组成部分。

（3）控制灵活、调节速度快，在感性和容性运行状况下均可连续快速调节，响应速度很快。

（4）静止运行，安全稳定，没有SVC装置那样的大型转动设备，将大大提高装置寿命。

（5）对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容及庞大的切换机构，使D-STATCOM装置的体积小、损耗低。

（6）连接电抗小。

D-STATCOM接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量。

如果使用降压变压器将D-STATCOM连入电网，则还可以利用降压变压器的漏抗，所需的连接电抗器将进一步减小。

（7）对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，它仍然可以维持最大无功电流，即D-STATCOM产生无功电流基本不受系统电压的影响。

（8）谐波量小。

在多种形式下的SVC装置中，SVC本身产生一定量的谐波。

如TCR型的5、7次特征谐波量比较大，占基波值的5%~10%；其他形式如SR、TCR等也产生3、5、7、11等次的谐波。

这给SVC系统的滤波器设计带来了许多困难，而在D-STATCOM中则完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次如7、11等次谐波见效到可以接受的程度。

（9）D-STATCOM不需要大容量的电容、电感等储能元件，在网络中普遍使用也不会产生谐波，而使用SVC或固定电容器补偿，如果系统安装台数较多，有可能会导致系统谐振的产生。

（10）D-STATCOM的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。

当外部系统容量与补偿装置容量可比时，SVC将会变得不稳定，而D-STATCOM仍然可以保持稳定，即输出稳定的系统电压。

（11）运行范围大。

对传统的SVC装置，其所提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随电压的降低而减少。

（12）D-STATCOM比同容量的SVC装置占地面积小、成本低（由于SVC装置为补偿0~100%容量变化的无功功率，几乎需要100%容量的电容器与超过100%容量的晶闸管控制电抗器，铜和铁的消耗很大，而D-STATCOM使用的电抗器和电容器远比D-STATCOM中使用的要小），在系统欠压条件下无功功率调节能力强。

（13）D-STATCOM的直流如果采用较大的储能电容，或者其他直流电源（如蓄电池组）后，它不仅可以调节系统的无功功率，还可以条调系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率，这对于电网来说是非常有益的，也是D-STATCOM装置所不能比拟的。

正由于D-STATCOM具有上述优点，因而D-STATCOM作为一种新型的无功功率补偿调节装置，已经成为现代无功功率补偿补偿装置的发展方向，成为国内外电力系统行业的重点研究方向之一。

第1.5节论文的主要内容及章节安排

论文的主要目的是利用DSP器件设计配电静止同步补偿器的控制器。

详细介绍配电静止同步补偿器的各个组成部分，包括指令信号检测部分、控制器部分、主电路部分、驱动电路部分等等。

为此论文的研究内容围绕以下几个方面展开。

第1章：

绪论

随着计算机和电力电子技术等学科的飞速发展，静止同步补偿器的技术理论、方法及实现手段也获得了飞速的发展，并且应用越来越广泛。

配电静止同步补偿器数字控制器的设计内容广泛、理论复杂。

配电静止同步补偿器（D-SATCOM）是目前用于电力系统中性能最好的无功补偿装置,是柔性交流输电系统的核心.综述了配电静止同步补偿器技术的发展现状。

第2章：

DSP器件的简介及D-SATCOM的工作原理

TMS320LF240x系列的DSP（DigitalSignalProcessing）是TMS320数字信号处理器家族中的一员，LF240x系列DSP是为满足大范围的数字控制应用而设计的。

本章是对当前TMS320家族作一个概述，描述LF240xDSP产品的背景和技术优势，并介绍TMS320LF2407x系列DSP。

并介绍了配电静止同步补偿器（D-SATCOM）的工作原理。

第3章：

基于DSP的D-SATCOM控制器设计

控制器的设计包括硬件系统设计和软件系统设计两部分。

控制器硬件采用单CPU结构。

控制系统由信号调理板，控制主板两部分组成。

信号调理板将电压和电流及相位信号处理后传给控制主板；在控制主板上，由TMS320LF2407A负责进行数据采集、数据实时处理、数据显示和与上位机通讯及时对IGBT进行控制。

TMS320LF2407A将A/D转换采来的数据进行实时处理，送入LCD显示各种电量参数，同时根据采样回来的数据进行控制计算。

LCD可显示功率因数、电压、电流、有功功率和无功功率等。

软件大体包括几个子程序模块：

数字滤波模块、DQ变换模块、PI调节模块等。

第2章DSP器件的简介及D-STATCOM的工作原理

由于电网是一个非线性的、动态的、实时性比较强的系统，所以传统的器件很难满足系统对实时性的要求，因此，DSP器件以其高速的处理速度和丰富的片上资源被引入到我们的控制平台，在此基础上，实现了以DSP为核心的谐波的实时检测算法和数字化控制方案。

在本章中先概括的介绍了DSP主要特点，接着介绍了我们课题中用的具体芯片TMS320LF2407内部结构和功能文献[28]。

第2.1节DSP器件的特点

目前数字信号处理（DigitalSignalProcessing，简称DSP）已经成为信号处理技术的主流。

因为与早期的模拟信号相比，数字信号处理有着巨大的优势。

早期的模拟信号处理主要通过运算放大电路进行不同的电阻组配实现算术运算，通过电阻、电容的组配实现滤波处理等，其中有一个很明显的问题是不灵活、不稳定，参数修改困难，需要采用多种阻值、容值的电阻、电容，并通过电子开关选通才能修改处理参数；而且对周围环境变化的敏感性强，温度、电路噪声等都会造成处理结果的改变，而数字信号处理可以通过软件修改处理参数，因此具有很大的灵活性。

由于数字电路采用厂二值逻辑，只要环境温度、电路噪声的变化不造成电路逻辑的翻转，数字电路都可以不受影响地完成工作，因此具有很好的稳定性。

具体来说，DSP器件有如下几个特点：

（1）改进的哈佛结构：

其程序和数据存储具有独立的存储空间，有各自独立的程序总线和数据总线，由于可以同时对数据和程序进行寻址，大大提高了数据处理能力，非常适合于实时的数字信号处理。

TI公司的DSP芯片结构是基本哈佛结构的改进类型。

改进之处是在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。

这一改进允许数据存放在程序存储中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。

只要调度好两个独立的总线就可使处理能力达到最高，以实现全速运行。

改进的哈佛结构还可使指令存储在高速缓存器中（Cache），省去了从存储器中读取指令的时间，大大提高了运行速度。

（2）流水线操作：

在流水操作中，一个任务被分解成若干个子任务，各个任务可以在执行时相互重叠。

DS