基于STM32分布控制的級聯H橋STATCOM設計*

王袤野, 張延遲，解大

(1. 上海電機學院，上海 201306； 2. 上海交通大學，上海 200240)

0 引 言

隨著工業的發展，對于電能質量的要求不斷提高，電力系統中越來越廣泛的采用柔性交流輸電系統(FACTS)進行電能的傳輸，而靜止同步無功補償器(STATCOM)作為其中的核心裝置具有響應速度快、調節效果好、運行范圍寬、輸出無功電流不受系統電壓影響的諸多優點[1]。而其中開關器件的耐壓值一直是一個阻礙無功補償裝置電壓等級進一步提升的阻礙[2]，為了利用低耐壓開關器件獲得多電平高電壓輸出，學者們陸續采用了：二極管鉗位多電平結構、飛跨電容鉗位多電平結構以及H橋級聯多電平結構[3]。其中H橋級聯多電平結構，其基本功率單元是具有獨立直流電源的H橋，再將數個H橋單元級聯而成的一種串聯結構形式，其不存在直流電容分壓問題[4-5]，同時還具有易于拓展、輸出電壓優質、諧波含量低等優點[6-8]。

現有的級聯H橋多電平電路在實際應用層面存在著以下問題[9]：控制系統與觸發系統的電源較為復雜，需要多組隔離電源，且耐壓等級要求較高，要求耐受值為接入系統的電壓值；系統信息傳遞接線復雜，為了隔離的需要在采用通信等級時，必須選用光纖通信，增加了成本；采用IGBT時成本較高[10]。

本設計的主要特點在于將分布控制系統芯片STM32與主控系統置于統一的電位上，而將觸發部分和功率器件的電源的電位獨立出來，這樣解決了多電平供電需要多電位的重要問題，同時滿足了STM32的供電可靠性，并且通信采用等電位，省去了光纖通信的高成本。

1 級聯H橋STATCOM裝置基本拓撲結構與分布控制系統的實現

1.1 級聯H橋STATCOM主電路拓撲結構

STATCOM主電路的拓撲結構圖如圖1所示，其中逆變器部分采用12單元H橋級聯，這樣做的優點是：

(1)利用較低耐壓值的開關器件和電容器實現高壓大功率轉換。

(2)用較低的開關頻率得到較好的正弦波形。

(3)不存在直流電容分壓問題，同時還具有易于拓展、輸出電壓優質、諧波含量低等優點。

圖1 STATCOM主電路拓撲結構圖

1.2 級聯H橋STATCOM基本H橋單元

每個H橋單元由4個全控性器件以及一個電解電容組成，如圖2所示。其中每個H橋單元均帶有獨立直流電源供電，直流電源采用帶有三端穩壓器件的全橋整流實現。

圖2 H橋單元拓撲

H橋在工作過程中，4個場效應管T1、T2、T3、T4共有四種工作狀態(T1，T2，T3，T4)，即(1,0,0,1)、(1,0,1,0)、(0,1,1,0)、(0,1,0,1)，其中T1(或T2、T3、T4)=1表示T1(或T2、T3、T4)導通，T1(或T2、T3、T4)=0表示T1(或T2、T3、T4)關斷，由于T1與T2以及T3與T4同時導通時會導致裝置短路，故裝置內芯片避免觸發同一橋臂上的兩個電力場效應管，下面分別對上面敘述的4中工作狀態進行討論：

(1)狀態1，(T1，T2，T3，T4)=(1,0,0,1)

開關管T1和T4導通，T3和T2關斷。電路的工作過程如圖3(a)所示，A1A2端口輸出電壓為+E；

(2)狀態2，(T1，T2，T3，T4)=(1,0,1,0)

開關管T1和T3導通，T2和T4關斷，電路的工作過程如圖3(b)所示，A1A2端口輸出電壓為0；

(3)狀態3，(T1，T2，T3，T4)=(0,1,1,0)

開關管T2和T3導通，T1和T4關斷，電路的工作過程如圖3(c)所示，A1A2端口輸出電壓為-E；

(4)狀態4，(T1，T2，T3，T4)=(0,1,0,1)

開關管T2和T4導通，T1和T3關斷，電路的工作過程如圖3(d)所示，A1A2端口輸出電壓為0；

圖3 單個H橋連續導電模式下工作狀態

1.3 STM32分布控制系統的實現

系統結構圖如圖4所示。裝置控制部分由主機與從機組成。主機由統一發送信息、集中處理指令的DSP芯片TMS320F28335擔任，從機同時也是分布控制部分由意法半導體公司的具有強大的控制和信號處理能力的STM32F103C8T6芯片擔任，該芯片具有32位基于ARM核心的帶64 kB字節閃存的微控制器，具有2個12位模數轉換器，多達16個輸入通道，同時其具有7個定時器，9個通信接口。本系統共設計了以下功能。

圖4 STM32分布控制系統原理圖

(1)觸發部分。

本設計中采用一片ARM芯片控制兩個H橋的方式，一片芯片發出8路觸發信號分別為1號H橋F1-F4，2號H橋F1-F4，本文中采用12H橋級聯，則共有6個主控芯片發出48路觸發信號，觸發信號通過給光耦合器一個觸發脈沖實現柵極觸發MOSFET。

(2)H橋工作狀態采集與監控部分。

該系統通過主控制器采集H橋橋臂上的電壓值來實現工作狀態采集與監控，為系統確定運行方式提供參考量。具體實現方式為，參考圖1，采集S1、S2、S3三點電壓值，通過低功率運算放大器，將信號放大后提供給主控制器，這三路信號即圖2中，Q1、Q2、Q3。

(3)通信部分。

該系統采用SPI(Serial Peripheral Interface)通信協議，在從機與主機之間通信。從機將其控制的每個H橋的橋臂電壓值傳給主控機，主控機根據電壓值判斷每個H橋狀態是否正常，根據此判斷參與工作的H橋數量以及每片STM32芯片應控制的一組H橋編號，將這些信息傳回從機。重要的是，本設計通信采用了等電位，省去了光纖通信的高成本。

(4)觸發電源部分。

觸發部分電源采用磁環變壓器一路引入，三路升壓引出。引出后采用全橋整流接入三端穩壓電路，經三端穩壓電路后接光電耦合器，完成觸發部分供電。

2 級聯H橋STATCOM裝置工作原理與調制策略

2.1 STATCOM補償電壓和功角的計算

為了確定STATCOM發出的電壓的幅值和相位。下面將計算STATCOM的補償電壓和功角。

下式中U1,U2分別為STATCOM電壓的幅值，系統電壓的幅值。

電流計算：

(1)

功率計算：P1=P2

(2)

其中：

(3)

(4)

對于STATCOM，P1<

(5)

對于一個補償系統，Q為負荷無功，為確定值，則電壓可以計算得：

(6)

在式(6)中，當Q1>0時，取負號，當Q1<0時，取正號。

在幅值確定后相位計算，由式(5)得：

(7)

U1的幅值決定由逆變電壓的幾個階梯波合成，逆變電壓與系統電壓的關系如圖5所示。

圖5 逆變電壓與系統電壓的關系圖

2.2 STATCOM裝置中逆變器調制策略

STATCOM的控制策略決定了其功能的優異程度，而其中逆變器的調制策略決定了逆變器的輸出性能的優劣，進而決定了STATCOM的性能優劣。本裝置采用低次諧波最小法原則實現功能，不僅改善了輸出電壓波形、還提高了逆變器的輸出電壓和功率以及變換相數。本逆變器正弦波調制策略采用低次諧波最小法原則，精確算出每個H橋上4個電力場效應管的開通關斷時間，進而擬合正弦波。

低次諧波最小法原則的離線計算簡單，同時可以使得輸出波形特性良好?；诳刂圃瓌t，是由STM32來控制每個H橋的開通關斷時間來疊加擬合正弦波輸出，所以各個H橋的導通周期是不一樣的，顯而易見，1號橋的導通時間最長，電容的充放電時間也最長。而12號橋的導通時間最短，電容的充放電時間也最短。因此，在設計之初，還考慮到不同H橋上電容損耗不同導致直流側電壓不平衡問題，采用每過一個固定的時間，對應調整H橋的順序的方式來平衡每個H橋上電容的損耗。

圖6為階梯波逼近正弦波示意圖。θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6的計算按照低次諧波最少原則進行的，因此要求每部分輸出的階梯波形面積等于正弦波面積，取第i塊(i=1,2,3,4,5,6)，即有：

(8)

求解積分式，可得：

(9)

根據上面的分析和計算可以得出每個H橋上MOSFET的開通、關斷時間，從而擬合正弦波輸出，完成DC/AC功能，進而實現STATCOM裝置的功能。

圖6 12鏈節階梯波逼近正弦波原理示意圖

3 仿真研究和實驗驗證

3.1 仿真研究

應用EMTP電力系統電磁暫態分析仿真軟件，搭建12H橋級聯STATCOM裝置模型進行仿真分析,仿真模型中設定參數如下：額定功率1 Mvar，STATCOM輸出電壓10 kV/50Hz，額定電流100 A，H橋直流側額定電壓800 V，直流側電容6 800 μF，一相鏈節數12。

圖7為STATCOM裝置直流側電壓波形即H橋兩端電壓波形，從圖中可以看出電壓基本穩定在800 V，偏差不大于5%，且未出現不平衡現象。圖8為a相輸出電壓、輸出電流波形，輸出波形為梯形波擬合正弦波輸出，符合控制策略。

圖7 STATCOM裝置直流側電壓波形

圖8 a相輸出電壓及電流仿真波形

a、b、c三相輸出電壓及電流的仿真波形見圖9，三相輸出電壓符合多重疊加法的原理，由階梯波疊加而成，擬合正弦波輸出，三相電流也以正弦形式輸出。圖10為STATCOM裝置有功與無功功率曲線，顯示裝置有效的補償了負載發出的無功功率。

圖9 a、b、c三相輸出電壓及電流仿真波形

圖10 STATCOM裝置有功、無功功率曲線

3.2 實驗驗證

為了進一步驗證本文控制策略的正確性以及可行性搭建了12H橋級聯STATCOM實驗裝置，在實驗裝置上進行了測試，表一為實驗參數。實驗裝置主控芯片采用STM32F103C8T6，開關管選擇使用HM3207B。圖11為2H橋板級實物圖，采用了一片STM32控制兩個H橋。圖12為實驗裝置實物照片。

表1 實驗裝置參數

圖11 2H橋板級實物圖

圖12 實驗裝置

實驗裝置輸出電壓波形圖見圖13(a)，其中橫坐標為時間，每格 5 ms。圖13(b)為裝置輸出電壓波形放大圖，圖中可清晰看到級聯H橋疊加擬合形成了正弦波，輸出了穩定的電壓波形，從而驗證了文章中描述的控制策略。

圖13(c)為實驗電流波形圖。圖13(d)為輸出電壓諧波圖形，其電壓總畸變率THDU=3.26%，諧波含量很少，輸出波形優異，滿足電網要求，說明該拓撲和控制策略能實現STATCOM功能。

圖13 實驗波形

4 結束語

論文研究并設計了一款基于STM32分布控制的級聯H橋STATCOM裝置，該裝置實現了多電平供電只需要一個電位。在低次諧波最小法則的控制下，實現階梯波疊加，擬合正弦輸出，為動態無功補償提供了方法。另外，由于采用了從機分布控制，主機統一調度，滿足了控制精度同時可靠性大大提升。另外，通信實現了等電位，與光纖通信相比，節約了大量成本。分析結果表明，理論、仿真和實驗結果相吻合，驗證了理論分析的正確性以及實際應用的可能性。