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(shí)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(diǎn)。利用目前廣泛使用的數(shù)字信號(hào)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(jì)；然后提出了設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器直接生成C代碼的MATLAB和CCS的聯(lián)合開(kāi)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(jī)通信的軟硬件。仿真和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(kāi)發(fā)、電能傳輸以及電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴(kuò)大，采用直流輸電技術(shù)的必要性與日俱增。

本文研究對(duì)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(xiàn)路3部分。兩端交流系統(tǒng)是實(shí)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(fù)雜，造價(jià)高，損耗大，運(yùn)行費(fèi)用高，同時(shí)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波等一系列缺點(diǎn)。因此對(duì)直流輸電的研究從出現(xiàn)到現(xiàn)在一直沒(méi)有停止過(guò)。本文研究的是以DSP為核心，用數(shù)字控制的方法來(lái)控制的實(shí)驗(yàn)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(shí)能夠取得更迅速，更直接的控制效果，并且大大提高了運(yùn)行的可靠性，維護(hù)起來(lái)也比較簡(jiǎn)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(guò)對(duì)基于晶閘管的10kW的直流輸電模型進(jìn)行模擬仿真，驗(yàn)證數(shù)字控制算法。從理論，算法實(shí)現(xiàn)，硬件電路仿真3個(gè)方面進(jìn)行探討。

1.基于DS P的直流輸電控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)DSP板，分別作為整流換流器和逆變換流器的控制平臺(tái)，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(jī)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(jì)

本控制系統(tǒng)中鎖相的實(shí)現(xiàn)選用軟件鎖相方案，DSP的信號(hào)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(guò)零時(shí)刻，通過(guò)數(shù)字鎖相，實(shí)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(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)的可行性，設(shè)計(jì)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(gè)6脈動(dòng)換流器在直流側(cè)串聯(lián)而成，其交流側(cè)通過(guò)換流變壓器實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。換流變壓器的閥側(cè)繞組一個(gè)為星形接線(xiàn)，另一個(gè)為三角形接線(xiàn)，從而使兩個(gè)6脈動(dòng)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(jì)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(shí)現(xiàn)

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，為了對(duì)電壓和電流，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理和控制，需要采用模數(shù)轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中采樣的TI公司的28系列ADC采樣精度達(dá)到12-bit，在一些采樣精度不高的場(chǎng)合，基本可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的控制要求。如果對(duì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.1相關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)

直流電壓采樣：

通過(guò)電阻分壓將輸電端直流電壓成比例的變?yōu)?～3V，經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓跟隨器，將其輸入到DSP的A/D采樣輸入端，后面的兩個(gè)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(dǎo)體后使鐵心磁化，因?yàn)闆](méi)有磁鏈變化，所以沒(méi)有2次側(cè)輸出。因此必須在2次側(cè)加交流電源進(jìn)行勵(lì)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(shí)也能檢出，互感器中裝設(shè)了另一個(gè)偏置線(xiàn)圈。

1.3.2FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)

FIR濾波器可以通過(guò)DSP編程直接實(shí)現(xiàn)，也可以用MATLAB與CCS聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)，MATLAB中提供了專(zhuān)門(mén)的濾波器的設(shè)計(jì)工具“Filter Design and Analysis Tool”。

2.直流輸電系統(tǒng)控制的具體實(shí)現(xiàn)

（1）直流輸電起?？刂?/p>

起?？刂浦饕ㄖ绷鬏旊娤到y(tǒng)從停運(yùn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到運(yùn)行狀態(tài)以及輸送功率從零增加到給定值或從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變到停運(yùn)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(yùn)行中自動(dòng)反轉(zhuǎn)的一種控制功能。

在基于DSP的定電流和定電壓的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，因?yàn)椴蓸拥念l率相對(duì)于電流頻率來(lái)說(shuō)很大，所以可以利用模擬的方法來(lái)設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器然后在離散化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1算法的可行性演算和仿真驗(yàn)證

現(xiàn)建立一10kW，500V，20A的高壓直流輸電系統(tǒng)，輸電線(xiàn)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(shí)間Ts=0.05ms，且T=Ts，濾波常數(shù)Toi＝0.3ms，則運(yùn)用上述公式可求得Kp≈14.4，Ki≈8200。

仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制方法的有效性。

2.24DSP控制系統(tǒng)與上位機(jī)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(cè)及控制的網(wǎng)絡(luò)，它具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力支持查分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。串行通信接口SCI是采用雙線(xiàn)制通信的異步串行通信接口，通常稱(chēng)之為UART。SCI模塊采用標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信。F2812處理器提供兩個(gè)SCI接口，為減少串口通信時(shí)CPU的開(kāi)銷(xiāo)，F(xiàn)2812的串口支持16級(jí)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(jí)緩沖傳送數(shù)據(jù)，并且SCI接收器和發(fā)送器有各自獨(dú)立的中斷和使能位，可以獨(dú)立地操作實(shí)現(xiàn)半雙工通信，或者同時(shí)操作實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

本設(shè)計(jì)SCI通信的目的是將需要實(shí)時(shí)觀測(cè)的電量和數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)顯示出來(lái)，并且主機(jī)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)傳送指令給下位機(jī)，對(duì)其進(jìn)行控制。

結(jié)論

（1）等間隔觸發(fā)與分相觸發(fā)相比，有著實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，諧波含量少等好處，并且經(jīng)濟(jì)可行性好，但控制系統(tǒng)復(fù)雜，在現(xiàn)行高壓直流輸電系統(tǒng)中運(yùn)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(dá)到算法簡(jiǎn)單同時(shí)濾波效果好，需要依據(jù)算法的適用場(chǎng)合來(lái)選擇濾波算法及所需要根據(jù)濾波要求來(lái)確定選擇窗函數(shù)。

（3）PI調(diào)節(jié)器的工程算法簡(jiǎn)單實(shí)用，計(jì)算簡(jiǎn)單同時(shí)效果也能滿(mǎn)足要求；當(dāng)采用頻率很高時(shí)，利用PI調(diào)節(jié)器的離散化來(lái)設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器節(jié)省大量的計(jì)算量，因?yàn)殡x散PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法比較復(fù)雜。

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