一種基于DSP實現(xiàn)的直流輸電系統(tǒng)控制方法

陳宇航

（海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004）

一種基于DSP實現(xiàn)的直流輸電系統(tǒng)控制方法

陳宇航

（海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004）

直流輸電技術(shù)在大型電網(wǎng)中的應(yīng)用已日趨成熟，并逐漸被引入船舶電力系統(tǒng)等領(lǐng)域，關(guān)于高壓直流輸電的控制一直是研究熱點。利用目前廣泛使用的數(shù)字信號處理器（DSP）作為直流輸電的控制核心單元，研究了高壓直流輸電系統(tǒng)的基本組成和配置，完成了相關(guān)硬件電路和軟件電路的設(shè)計；然后提出了設(shè)計數(shù)字濾波器直接生成C代碼的MATLAB和CCS的聯(lián)合開發(fā)方法；接著介紹了直流輸電的控制結(jié)構(gòu)及具體控制方式；最后介紹了DSP控制系統(tǒng)與上位機通信的軟硬件。仿真和試驗結(jié)果驗證了該控制方法的有效性。

直流輸電；DSP TMS320F2812；同步鎖相；數(shù)字觸發(fā)；數(shù)字濾波；PI調(diào)節(jié)器；SCI通信

隨著能源開發(fā)、電能傳輸以及電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴大，采用直流輸電技術(shù)的必要性與日俱增。

本文研究對象為直流輸電工程中的兩端直流輸電系統(tǒng)，其構(gòu)成主要有整流站、逆變站和直流輸電線路3部分。兩端交流系統(tǒng)是實現(xiàn)直流輸電必不可少的組成部分。

直流輸電有著不可比擬的好處，但同樣存在著換流站的設(shè)備多，結(jié)構(gòu)復雜，造價高，損耗大，運行費用高，同時運行過程中會產(chǎn)生大量諧波等一系列缺點。因此對直流輸電的研究從出現(xiàn)到現(xiàn)在一直沒有停止過。本文研究的是以DSP為核心，用數(shù)字控制的方法來控制的實驗室用直流輸電系統(tǒng)，這樣可以大大減少設(shè)備的數(shù)量和體積，同時能夠取得更迅速，更直接的控制效果，并且大大提高了運行的可靠性，維護起來也比較簡單。

本文基于DSP研究直流輸電控制系統(tǒng)的數(shù)字控制方法，通過對基于晶閘管的10kW的直流輸電模型進行模擬仿真，驗證數(shù)字控制算法。從理論，算法實現(xiàn)，硬件電路仿真3個方面進行探討。

1.基于DS P的直流輸電控制系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本設(shè)計中采用兩個DSP板，分別作為整流換流器和逆變換流器的控制平臺，分別完成其同步鎖相，數(shù)字觸發(fā)，定電壓或定電流控制及與上位機PC監(jiān)控設(shè)備的SCI串口通信。具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2數(shù)字觸發(fā)相關(guān)電路及程序設(shè)計

本控制系統(tǒng)中鎖相的實現(xiàn)選用軟件鎖相方案，DSP的信號沿變化捕捉功能為軟件鎖相和精度的提高提供了硬件接口支持，利用此捕獲單元可以捕獲電網(wǎng)電壓的過零時刻，通過數(shù)字鎖相，實現(xiàn)鎖相環(huán)功能。

圖1　控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

考慮到硬件電路的復雜性和實現(xiàn)的可行性，設(shè)計中采用等間隔觸發(fā)脈沖觸發(fā)方法。

采用的雙橋換流器由兩個6脈動換流器在直流側(cè)串聯(lián)而成，其交流側(cè)通過換流變壓器實現(xiàn)并聯(lián)。換流變壓器的閥側(cè)繞組一個為星形接線，另一個為三角形接線，從而使兩個6脈動換流器的交流側(cè)得到相位相差30度的換相電壓。大容量高壓直流輸電工程通常采用雙繞組環(huán)流變壓器形式，小容量直流輸電工程一般采用三繞組換流變壓器，本設(shè)計中因容量很小，選用三繞組換流變壓器。

1.3外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的AD采樣和數(shù)字濾波的軟硬件實現(xiàn)

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，為了對電壓和電流，進行數(shù)字信號的處理和控制，需要采用模數(shù)轉(zhuǎn)換。本設(shè)計中采樣的TI公司的28系列ADC采樣精度達到12-bit，在一些采樣精度不高的場合，基本可以滿足系統(tǒng)的控制要求。如果對于精度要求比較高，可以配置外部的ADC以符合系統(tǒng)的設(shè)計標準。

1.3.1相關(guān)硬件電路設(shè)計

直流電壓采樣：

通過電阻分壓將輸電端直流電壓成比例的變?yōu)?～3V，經(jīng)過一個電壓跟隨器，將其輸入到DSP的A/D采樣輸入端，后面的兩個二極管和上拉3V電壓防止電壓出現(xiàn)上溢和下溢。

直流電流采樣：

該硬件電路右側(cè)與電壓采樣電路相同，左側(cè)電路為一磁放大式直流電流互感器。直流電流流入一次導體后使鐵心磁化，因為沒有磁鏈變化，所以沒有2次側(cè)輸出。因此必須在2次側(cè)加交流電源進行勵磁，鐵心因受到直流磁化，磁鏈只按半波變化，根據(jù)磁鏈平衡原理，得到二次電流的輸出。為了能夠在電流反向時也能檢出，互感器中裝設(shè)了另一個偏置線圈。

1.3.2FIR濾波器的實現(xiàn)

FIR濾波器可以通過DSP編程直接實現(xiàn)，也可以用MATLAB與CCS聯(lián)合仿真實現(xiàn)，MATLAB中提供了專門的濾波器的設(shè)計工具“Filter Design and Analysis Tool”。

2.直流輸電系統(tǒng)控制的具體實現(xiàn)

（1）直流輸電起停控制

起停控制主要包括直流輸電系統(tǒng)從停運狀態(tài)轉(zhuǎn)變到運行狀態(tài)以及輸送功率從零增加到給定值或從運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變到停運狀態(tài)的控制功能。

（2）潮流反轉(zhuǎn)控制

潮流反轉(zhuǎn)是利用直流輸電系統(tǒng)的快速可控性，將直流功率傳輸方向在運行中自動反轉(zhuǎn)的一種控制功能。

在基于DSP的定電流和定電壓的實現(xiàn)過程中，因為采樣的頻率相對于電流頻率來說很大，所以可以利用模擬的方法來設(shè)計PI調(diào)節(jié)器然后在離散化來實現(xiàn)。

2.1算法的可行性演算和仿真驗證

現(xiàn)建立一10kW，500V，20A的高壓直流輸電系統(tǒng)，輸電線上的電感為1.27H，電阻為6.5Ω，則T1≈0.2，Vdor=600V，取sinα為定值sin15°，采樣時間Ts=0.05ms，且T=Ts，濾波常數(shù)Toi＝0.3ms，則運用上述公式可求得Kp≈14.4，Ki≈8200。

仿真結(jié)果驗證了控制方法的有效性。

2.24DSP控制系統(tǒng)與上位機的通信

CAN通信技術(shù)是一種各種主要用于各種設(shè)備檢測及控制的網(wǎng)絡(luò)，它具有較強的糾錯能力支持查分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境，并具有較遠的傳輸距離。串行通信接口SCI是采用雙線制通信的異步串行通信接口，通常稱之為UART。SCI模塊采用標準非歸零（NRZ）數(shù)據(jù)格式，能夠?qū)崿F(xiàn)多CPU之間或同其他具有兼容數(shù)據(jù)格式SCI端口的外設(shè)進行數(shù)據(jù)通信。F2812處理器提供兩個SCI接口，為減少串口通信時CPU的開銷，F(xiàn)2812的串口支持16級接收和發(fā)送FIFO，也可以不使用FIFO緩沖，SCI的接收器和發(fā)送器可以使用雙級緩沖傳送數(shù)據(jù)，并且SCI接收器和發(fā)送器有各自獨立的中斷和使能位，可以獨立地操作實現(xiàn)半雙工通信，或者同時操作實現(xiàn)全雙工通信。

本設(shè)計SCI通信的目的是將需要實時觀測的電量和數(shù)據(jù)傳送給主機顯示出來，并且主機可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)來傳送指令給下位機，對其進行控制。

結(jié)論

（1）等間隔觸發(fā)與分相觸發(fā)相比，有著實現(xiàn)簡單，諧波含量少等好處，并且經(jīng)濟可行性好，但控制系統(tǒng)復雜，在現(xiàn)行高壓直流輸電系統(tǒng)中運用，還有待電力電子器件的發(fā)展。

（2）數(shù)字濾波的算法眾多，窗函數(shù)也眾多，如何選擇合適的數(shù)字濾波器算法，達到算法簡單同時濾波效果好，需要依據(jù)算法的適用場合來選擇濾波算法及所需要根據(jù)濾波要求來確定選擇窗函數(shù)。

（3）PI調(diào)節(jié)器的工程算法簡單實用，計算簡單同時效果也能滿足要求；當采用頻率很高時，利用PI調(diào)節(jié)器的離散化來設(shè)計PI調(diào)節(jié)器節(jié)省大量的計算量，因為離散PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法比較復雜。

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