CN105281340A - 一种高压静止无功补偿装置功率单元直流均压的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压静止无功补偿装置功率单元直流均压的控制系统，包括功率单元CPLD、均压单元FPGA主控单元DSP；所述主控单元DSP通过总线连接均压单元FPGA，均压单元FPGA通过两根光纤双向连接一定数量的功率单元CPLD；功率单元CPLD直接利用光纤接收获得的驱动信号完成对IGBT的控制，而不需要获得单相占空比信息、电流采样值以及直流电压平均值，光纤通讯中传输数据大为减少，控制延时得到降低，从而提高了控制系统的性能；由于均压控制以及载波移相调制移植到均压单元FPGA，此时一块逻辑资源较小的CPLD就可以实现目前的功能，功率单元控制板的成本得到降低。

Description

一种高压静止无功补偿装置功率单元直流均压的控制系统

技术领域：

本发明属于电力电子领域，涉及一种高压静止无功补偿装置功率单元直流均压的控制系统。

背景技术：

在无功补偿领域，高压静止同步补偿装置以其调节范围大、相应速度快等优点得到广泛的应用。运行过程中，STATCOM通过调整输出电压的幅值和相位实现电流迅速输出，补偿区域电网中存在的无功以及负序电流，实现平衡三相电网、稳定电网电压、提高功率因数、改善电能质量的目的。

STATCOM的单相桥臂是由一定数量H桥结构的功率单元串联组成的，各个功率单元具有独立的直流电容，而由于功率单元分布参数的差异、功率器件开关特性的不一致以及触发控制信号的微小差异等因素都会引起电容电压的不平衡。电容电压不平衡一方面会影响输出电压波形的质量，使输出电流含有大量的谐波，更为重要的是导致各个功率单元承受不同的电压，从而危及整个装置的安全运行。合理有效的直流电压均衡控制方法是实现STATCOM稳定运行的必要条件。

CN102780227和CN202772582通过硬件电路进行功率单元之间的功率交换，实现直流电压的平衡控制，此类均压方法需要增加额外的硬件设备以及相应的控制电路，增加了拓扑结构的复杂度以及装置成本，产品的可靠性也大为降低。CN103280820和CN102694465采用在控制算法中增加直流电压平衡控制的算法，通过软件算法实现功率单元的均压，但是仅仅对控制算法进行了说明，并未涉及控制算法的具体实现。CN10234990提出在功率单元FPGA中完成直流电压的均压控制，FPGA一方面通过光纤接收获得直流电压平均值、单相占空比信息以及电流采样值，另一方面通过AD采样获得功率单元的直流电压，然后综合以上信息完成均压控制获得功率单元的占空比信息，最后采取载波移相调制算法得到驱动信号并输出至相应的IGBT，功率单元的直流均压分散于各个功率单元的FPGA，因此称为直流电压的分散控制，此时功率单元FPGA功能示意图如附图1所示。

直流电压的分散控制虽然具有模块化程度高、便于功率单元级联的优点，但是也存在以下缺点：

1)均压控制所需要的单相占空比、直流电压平均值、电流相位都需要通过光纤接收获得，数据传输量比较大，从而增加了控制的延时，导致装置控制性能的降低。

2)均压控制以及载波移相调制均在功率单元FPGA中完成，增加了FPGA的工作量，因此需要选择较大容量的FPGA，而随着功率单元数量的增加，FPGA的成本也会随之增加。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高压静止无功补偿装置(StaticSynchronousCompensator，简称STATCOM)功率单元直流均压的控制系统，包括功率单元CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice，即复杂可编程逻辑器件)、均压单元FPGA(Field-ProgrammableGateArray，即现场可编程门阵列)主控单元DSP(DigitalSignalProcessor，即数字信号处理器)；控制系统中，所有功率单元的直流均压控制以及载波移相调制在均压单元FPGA中完成，而功率单元CPLD只保留AD采样和光纤通讯的功能，DSP的功能维持不变。相比现有控制系统，所有功率单元直流均压控制在均压单元FPGA中集中实现，因此称为直流电压的集中控制。

1)功率单元CPLD只需要完成AD采样、光纤发送以及光纤接收的功能，工作量得到降低。

2)均压单元FPGA根据通过光纤接收获得的直流电压和通过总线获得单相占空比信息、电流采样值完成均压控制，然后采取载波移相调制获得的驱动信号并且通过光纤传送至功率单元CPLD。

3)主控单元DSP中完成直流总电压控制和电流闭环控制，并且通过总线对均压单元FPGA进行读写。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种高压静止无功补偿装置功率单元直流均压的控制系统，包括功率单元CPLD、均压单元FPGA和主控单元DSP；所述主控单元DSP上通过总线连接均压单元FPGA，均压单元FPGA通过两根光纤双向连接有一定数量的功率单元CPLD。

所述功率单元CPLD由AD采样模块、光纤接收模块和光纤发送模块构成；功率单元CPLD控制AD采样获得直流电压并通过光纤将直流电压发送至均压单元FPGA，通过光纤接收均压单元FPGA发送的驱动信号并完成对IGBT的控制。

所述均压单元FPGA由光纤接收模块、光纤发送模块、载波移相调制模块和均压控制模块构成；通过光纤接收获得各个功率单元的直流电压信息，并进行汇总得到直流总电压；通过总线将直流总电压传送至DSP并且接收单相占空比信息和电流采样值；根据单相占空比信息、电流采样值、直流总电压以及各个功率单元的直流电压完成均压控制，最终获得各个功率单元的占空比信息，所有功率单元的均压控制在FPGA中并行执行；采取载波移相的调制策略生成各个功率单元的驱动信号；通过光纤将驱动信号发送至相应的功率单元CPLD。

所述主控单元DSP包括电流闭环控制模块和直流总电压闭合控制模块；所述主控单元DSP通过总线获得均压单元FPGA传送的直流总电压，并根据直流总电压指令和直流总电压完成直流总电压控制获得有功电流指令；将有功电流指令和无功电流指令相加获得总电流指令，然后根据总电流指令和电流采样值完成电流闭环控制获得单相桥臂的占空比信息，最终将单相占空比信息以及电流采样值通过总线发送至均压单元FPGA。

本发明的有益效果在于：

1)功率单元CPLD直接利用光纤接收获得的驱动信号就可以完成IGBT的控制，而不需要获得单相占空比信息、电流采样值以及直流电压平均值，光纤通讯中传输数据大为减少，控制延时得到降低，从而提高了控制系统的性能。

2)由于原有的均压控制以及载波移相调制移植到均压单元FPGA，此时只需要一块CPLD就可以实现目前的功能，从而降低了功率单元控制板的成本，而考虑到一套STATCOM装置需要大量的功率单元控制板，因此整个装置的成本也得到降低。

附图说明：

图1分散控制中功率单元FPGA功能示意图；

图2集中控制中功率单元CPLD功能示意图；

图3集中控制中DSP以及均压单元FPGA功能示意图；

图4集中控制系统硬件连接图。

具体实施方式：

参见图1、2、3，一种高压静止无功补偿装置功率单元直流均压的控制系统，包括功率单元CPLD、均压单元FPGA和主控单元DSP；所述主控制单元DSP上通过总线连接均压单元FPGA，均压单元FPGA通过两根光纤双向连接一定数量的功率单元CPLD。

所述功率单元CPLD由AD采样模块、光纤接收模块和光纤发送模块构成；功率单元CPLD控制AD采样获得直流电压并通过光纤将直流电压发送至均压单元FPGA，通过光纤接收均压单元FPGA发送的驱动信号并完成对IGBT的控制。

所述均压单元FPGA由光纤接收模块、光纤发送模块、载波移相调制模块和均压控制模块构成；通过光纤接收获得各个功率单元的直流电压信息，并进行汇总得到直流总电压；通过总线将直流总电压传送至控制单元DSP并且接收单相占空比信息和电流采样值；根据单相占空比信息、电流采样值、直流总电压以及各个功率单元的直流电压完成均压控制，最终获得各个功率单元的占空比信息，所有功率单元的均压控制在均压单元FPGA中并行执行；采取载波移相的调制策略生成各个功率单元的驱动信号，并且通过光纤将驱动信号发送至相应的功率单元CPLD。

所述主控单元DSP包括电流闭环控制模块和直流总电压控制模块；所述主控单元DSP通过总线获得均压单元FPGA传送的直流总电压，并根据直流总电压指令和直流总电压完成直流总电压控制获得有功电流指令；将有功电流指令和无功电流指令相加获得总电流指令，然后根据总电流指令和电流采样值完成电流闭环控制获得单相桥臂的占空比信息，最终将单相占空比信息以及电流采样值通过总线发送至均压单元FPGA。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种高压静止无功补偿装置功率单元直流均压的控制系统，其特征在于：包括功率单元CPLD、均压单元FPGA和主控单元DSP；所述主控单元DSP上通过总线连接均压单元FPGA，均压单元FPGA通过两根光纤双向连接一定数量的功率单元CPLD。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述功率单元CPLD由AD采样模块、光纤接收模块和光纤发送模块构成；功率单元CPLD控制AD采样获得直流电压并通过光纤将直流电压发送至均压单元FPGA，通过光纤接收均压单元FPGA发送的驱动信号并完成IGBT的控制。

3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述均压单元FPGA由光纤接收模块、光纤发送模块、载波移相调制模块和均压控制模块构成；通过光纤接收获得各个功率单元的直流电压信息，并进行汇总得到直流总电压；通过总线将直流总电压传送至DSP并且接收单相占空比信息和电流采样值；根据单相占空比信息、电流采样值、直流总电压以及各个功率单元的直流电压完成均压控制，最终获得各个功率单元的占空比信息，所有功率单元的均压控制在均压单元FPGA中并行执行；采取载波移相的调制策略生成各个功率单元的驱动信号；通过光纤将驱动信号发送至相应的功率单元CPLD。

4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述主控单元DSP包括电流闭环控制模块和直流总电压控制模块；所述主控单元DSP通过总线获得均压单元FPGA传送的直流总电压，并根据直流总电压指令和直流总电压完成直流总电压控制获得有功电流指令；将有功电流指令和无功电流指令相加获得总电流指令，然后根据总电流指令和电流采样值完成电流闭环控制获得单相桥臂的占空比信息，最终将单相占空比信息以及电流采样值通过总线发送至均压单元FPGA。