蔡林海，蔣曉春，趙國(guó)亮，周飛，荊平，陳國(guó)富

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

0 引言

靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator， STATCOM)是按照調(diào)相機(jī)的原理，采用新一代的電力電子器件和現(xiàn)代控制技術(shù)，在系統(tǒng)故障或負(fù)荷突增時(shí)，能動(dòng)態(tài)提供無功電壓支撐，防止系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰，減少因低電壓而釋放的負(fù)荷數(shù)量，同時(shí)在提高線路輸送能力、阻尼功率振蕩、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面具有優(yōu)越性能的目前最有效的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置［1-2］。STATCOM作為新型有源無功補(bǔ)償裝置，具有補(bǔ)償響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)范圍廣、受系統(tǒng)特性影響較小、占地面積較小、接入系統(tǒng)無諧振等各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)［3-10］。

實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT是一種實(shí)時(shí)總線技術(shù)［11］，具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，具有高速、高有效數(shù)據(jù)率等特點(diǎn)，其有效數(shù)據(jù)率可達(dá)90%以上，全雙工特性完全得以利用，傳輸速率為100 Mbps，并且可以實(shí)現(xiàn)精確的同步［12］。

本文對(duì)鏈?zhǔn)絊TATCOM的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在CAN網(wǎng)總線的基礎(chǔ)上提出了基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT總線的控制系統(tǒng)。

1 鏈?zhǔn)絊TATCOM主電路結(jié)構(gòu)

鏈?zhǔn)絊TATCOM主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。該拓?fù)洳捎眯切谓泳€方式，每相由n個(gè)結(jié)構(gòu)相同的H橋鏈節(jié)級(jí)聯(lián)構(gòu)成，圖中:usA、usB、usC為所在系統(tǒng)的交流電壓;ifa、ifb、ifc分別為STATCOM輸出的電流;iLa、iLb、iLc分別為STATCOM所在系統(tǒng)的負(fù)載電流;Lfa、Lfb、Lfc為系統(tǒng)連接電抗器。

圖1 STATCOM主電路拓?fù)銯ig.1Main circuit structure of STATCOM

2 EtherCAT通訊方式

EtherCAT系統(tǒng)是一種主從通信系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由主站與從站構(gòu)成，從站通過EtherCAT總線與主站相連，整個(gè)系統(tǒng)的通訊由主站進(jìn)行控制。圖2(a)所示結(jié)構(gòu)為EtherCAT的串行通訊方式，所有從站按順序排列于主站之后，各從站之間分別通過光纖連接，主站和從站之間通過低壓差分信號(hào)(low-voltage differential signaling，LVDS)總線連接。圖2(b)所示結(jié)構(gòu)為EtherCAT的星形通訊方式，所有從站均通過光纖接到耦合器上，各耦合器之間是串型結(jié)構(gòu)，通過LVDS總線連接。串型連接方式的缺點(diǎn)是當(dāng)中間的從站，例如從站2故障時(shí)，從站2后面的所有從站都無法正常通訊。星型連接方式正好可解決此問題，由于耦合器之間通過LVDS總線連接，因此耦合器具有很高的可靠性，一般不會(huì)出故障。當(dāng)從站2故障時(shí)，EtherCAT主站會(huì)將從站2甩出網(wǎng)絡(luò)，后面的從站不會(huì)受到影響。但星型連接方式比串型連接方式多了耦合器，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本要高。

圖2 EtherCAT的通訊方式Fig.2Communication mode of EtherCAT

3 基于EtherCAT總線的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT總線技術(shù)設(shè)計(jì)的鏈?zhǔn)絊TATCOM控制系統(tǒng)如圖3所示，一共有2個(gè)EtherCAT總線網(wǎng)，主控網(wǎng)和模塊網(wǎng)。

主控網(wǎng)采用串型通訊方式，從站分別為:數(shù)據(jù)采集單元、開入開出單元、調(diào)節(jié)保護(hù)單元和暫態(tài)故障記錄單元。主控網(wǎng)的所有從站通過背板連接的方式經(jīng)LVDS串型連接到EtherCAT網(wǎng)上。

模塊網(wǎng)采用星型通訊方式，所有從站經(jīng)耦合器引出。耦合器經(jīng)背板LVDS信號(hào)線連接到EtherCAT網(wǎng)上。所有從站都處于機(jī)箱外，經(jīng)光纖連接到耦合器上。從站分別為:調(diào)節(jié)保護(hù)單元、暫態(tài)故障記錄單元、模塊1、模塊2、…、模塊n。

圖3 基于EtherCAT的鏈?zhǔn)絊TATCOM控制系統(tǒng)Fig.3Chain STATCOM control system based on EtherCAT

EtherCAT主站用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)幀的控制發(fā)送、故障診斷定位等，并可以通過與筆記本相連，實(shí)現(xiàn)EtherCAT組網(wǎng)的UML配置文件下載。EtherCAT主站由數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335和以太網(wǎng)模塊NM7010B+組成，NM7010B+負(fù)責(zé)EtherCAT報(bào)文的發(fā)送和接收，TMS320F28335負(fù)責(zé)通訊的維護(hù)、故障診斷以及與筆記本通訊。

數(shù)據(jù)采集單元將采集到的電壓、電流信號(hào)通過EtherCAT總線傳送至調(diào)節(jié)保護(hù)單元和暫態(tài)故障記錄單元。數(shù)據(jù)采集單元包含用于采集電壓信號(hào)的電壓互感器、用于采集電流信號(hào)的電流互感器、采樣保持回路、A/D轉(zhuǎn)換器等等。

開入開出單元采用復(fù)雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)，輸入輸出部分用光耦隔離，開關(guān)量輸出單元出口驅(qū)動(dòng)繼電器。開入部分將經(jīng)消抖后的開關(guān)量輸入信號(hào)通過EtherCAT總線送至調(diào)節(jié)保護(hù)單元，同時(shí)送至?xí)簯B(tài)故障記錄單元記錄數(shù)據(jù)。開關(guān)量輸入信號(hào)包括斷路器和隔離刀閘的輔助節(jié)點(diǎn)信號(hào)、投入退出按鈕信號(hào)、熔斷器狀態(tài)信號(hào)、溫控器節(jié)點(diǎn)信號(hào)等。開關(guān)量輸出信號(hào)由調(diào)節(jié)保護(hù)單元通過EtherCAT總線送至開入開出單元的開出部分。開關(guān)量輸出信號(hào)包括斷路器的動(dòng)作信號(hào)、運(yùn)行故障指示燈信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等。

調(diào)節(jié)保護(hù)單元采用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335作為運(yùn)算單元，有2個(gè)EtherCAT從站，分別隸屬于主控網(wǎng)和模塊網(wǎng)。隸屬于主控網(wǎng)的EtherCAT從站接收數(shù)據(jù)采集單元和開入開出單元的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。通過隸屬于模塊網(wǎng)的EtherCAT從站將計(jì)算結(jié)果送到n個(gè)模塊中。所有模塊的電壓電流數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息再通過模塊網(wǎng)回送至調(diào)節(jié)保護(hù)單元，同時(shí)送至?xí)簯B(tài)故障記錄單元記錄數(shù)據(jù)。

暫態(tài)故障記錄單元也采用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335，從2個(gè)EtherCAT總線網(wǎng)中收集需要記錄的數(shù)據(jù)，以備查看和分析。

n個(gè)模塊單元均采用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335作為運(yùn)算單元，通過EtherCAT模塊網(wǎng)接收調(diào)節(jié)保護(hù)單元的控制命令，生成同步脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)脈沖觸發(fā)信號(hào)，送至模塊閥體的驅(qū)動(dòng)器中。EtherCAT從站具有時(shí)鐘同步功能，各從站同步時(shí)鐘誤差小于20 ns，可同步PWM脈沖觸發(fā)信號(hào)。閥控系統(tǒng)的采集信號(hào)包括各模塊單元中閥體的直流母線電壓信號(hào)、閥體電流信號(hào)、閥體故障狀態(tài)信號(hào)和溫度信號(hào)等，當(dāng)上述信號(hào)超過閾值時(shí)，則啟動(dòng)故障保護(hù)、封鎖PWM脈沖，并將產(chǎn)生的故障信號(hào)通過EtherCAT模塊網(wǎng)上報(bào)至調(diào)節(jié)保護(hù)單元，調(diào)節(jié)保護(hù)單元再根據(jù)故障信號(hào)啟動(dòng)該控制裝置的保護(hù)動(dòng)作，控制模塊閥體中的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)閥的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)。

上述2個(gè)EtherCAT總線網(wǎng)中所有信號(hào)的傳輸在1個(gè)EtherCAT周期中即可完成。本控制系統(tǒng)的EtherCAT周期是78 us(頻率12.8 kHz)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT總線技術(shù)設(shè)計(jì)的鏈?zhǔn)絊TATCOM控制系統(tǒng)應(yīng)用于10 kV/3.5 MVA STATCOM工業(yè)樣機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 靜止同步補(bǔ)償器工業(yè)樣機(jī)的主要參數(shù)Tab.1Main parameters of STATCOM industrial prototype

經(jīng)暫態(tài)故障記錄單元記錄的試驗(yàn)波形如圖4所示。圖4(a)所示為STATCOM裝置啟動(dòng)時(shí)刻所有閥體直流電壓穩(wěn)壓波形，從圖中可看出裝置啟動(dòng)后所有閥體直流電壓均穩(wěn)定在1 000 V左右，具有良好的穩(wěn)壓性能;圖4(b)、(c)所示為裝置運(yùn)行時(shí)的無功補(bǔ)償波形，分別為A相電流和A相電壓，電流為200 A的容性電流(波形經(jīng)過反向)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。

圖4 實(shí)驗(yàn)波形Fig.4Experiment waveform

5 結(jié)語

控制系統(tǒng)采用的EtherCAT總線技術(shù)，傳送速率為100 M，可實(shí)現(xiàn)報(bào)文硬件校驗(yàn)，且無信息沖突; EtherCAT報(bào)文與從站交互數(shù)據(jù)的過程只有幾ns的時(shí)間延遲;且具有時(shí)鐘同步功能，各從站同步時(shí)鐘誤差小于20 ns，因此可實(shí)現(xiàn)各模塊閥體控制的一致性。本控制系統(tǒng)擴(kuò)展靈活，當(dāng)需要增加模塊數(shù)時(shí)，可通過耦合器引出的方式實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián);配置靈活，可以在配置界面上對(duì)從站的數(shù)量、種類，數(shù)據(jù)交換的站點(diǎn)、個(gè)數(shù)、類型等信息進(jìn)行在線配置?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，本控制系統(tǒng)具有極強(qiáng)的通用性，可應(yīng)用于半控型器件和全控型器件的裝置。

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(編輯:蔣毅恒)