基于EtherCAT总线技术的链式STATCOM控制系统

蔡林海，蒋晓春，赵国亮，周飞，荆平，陈国富

(中国电力科学研究院，北京市 100192)

0 引言

静止同步补偿器(static synchronous compensator， STATCOM)是按照调相机的原理，采用新一代的电力电子器件和现代控制技术，在系统故障或负荷突增时，能动态提供无功电压支撑，防止系统发生电压崩溃，减少因低电压而释放的负荷数量，同时在提高线路输送能力、阻尼功率振荡、增强系统稳定性等方面具有优越性能的目前最有效的动态无功补偿装置［1-2］。STATCOM作为新型有源无功补偿装置，具有补偿响应速度快、调节范围广、受系统特性影响较小、占地面积较小、接入系统无谐振等各项优点［3-10］。

实时工业以太网EtherCAT是一种实时总线技术［11］，具备灵活的网络拓扑结构，系统配置简单，具有高速、高有效数据率等特点，其有效数据率可达90%以上，全双工特性完全得以利用，传输速率为100 Mbps，并且可以实现精确的同步［12］。

本文对链式STATCOM的控制系统进行了研究，在CAN网总线的基础上提出了基于工业以太网EtherCAT总线的控制系统。

1 链式STATCOM主电路结构

链式STATCOM主电路拓扑结构如图1所示。该拓扑采用星形接线方式，每相由n个结构相同的H桥链节级联构成，图中:usA、usB、usC为所在系统的交流电压;ifa、ifb、ifc分别为STATCOM输出的电流;iLa、iLb、iLc分别为STATCOM所在系统的负载电流;Lfa、Lfb、Lfc为系统连接电抗器。

图1 STATCOM主电路拓扑Fig.1Main circuit structure of STATCOM

2 EtherCAT通讯方式

EtherCAT系统是一种主从通信系统，整个系统由主站与从站构成，从站通过EtherCAT总线与主站相连，整个系统的通讯由主站进行控制。图2(a)所示结构为EtherCAT的串行通讯方式，所有从站按顺序排列于主站之后，各从站之间分别通过光纤连接，主站和从站之间通过低压差分信号(low-voltage differential signaling，LVDS)总线连接。图2(b)所示结构为EtherCAT的星形通讯方式，所有从站均通过光纤接到耦合器上，各耦合器之间是串型结构，通过LVDS总线连接。串型连接方式的缺点是当中间的从站，例如从站2故障时，从站2后面的所有从站都无法正常通讯。星型连接方式正好可解决此问题，由于耦合器之间通过LVDS总线连接，因此耦合器具有很高的可靠性，一般不会出故障。当从站2故障时，EtherCAT主站会将从站2甩出网络，后面的从站不会受到影响。但星型连接方式比串型连接方式多了耦合器，结构相对复杂，成本要高。

图2 EtherCAT的通讯方式Fig.2Communication mode of EtherCAT

3 基于EtherCAT总线的控制系统设计

基于工业以太网EtherCAT总线技术设计的链式STATCOM控制系统如图3所示，一共有2个EtherCAT总线网，主控网和模块网。

主控网采用串型通讯方式，从站分别为:数据采集单元、开入开出单元、调节保护单元和暂态故障记录单元。主控网的所有从站通过背板连接的方式经LVDS串型连接到EtherCAT网上。

模块网采用星型通讯方式，所有从站经耦合器引出。耦合器经背板LVDS信号线连接到EtherCAT网上。所有从站都处于机箱外，经光纤连接到耦合器上。从站分别为:调节保护单元、暂态故障记录单元、模块1、模块2、…、模块n。

图3 基于EtherCAT的链式STATCOM控制系统Fig.3Chain STATCOM control system based on EtherCAT

EtherCAT主站用于实现EtherCAT数据帧的控制发送、故障诊断定位等，并可以通过与笔记本相连，实现EtherCAT组网的UML配置文件下载。EtherCAT主站由数字信号处理器TMS320F28335和以太网模块NM7010B+组成，NM7010B+负责EtherCAT报文的发送和接收，TMS320F28335负责通讯的维护、故障诊断以及与笔记本通讯。

数据采集单元将采集到的电压、电流信号通过EtherCAT总线传送至调节保护单元和暂态故障记录单元。数据采集单元包含用于采集电压信号的电压互感器、用于采集电流信号的电流互感器、采样保持回路、A/D转换器等等。

开入开出单元采用复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device，CPLD)，输入输出部分用光耦隔离，开关量输出单元出口驱动继电器。开入部分将经消抖后的开关量输入信号通过EtherCAT总线送至调节保护单元，同时送至暂态故障记录单元记录数据。开关量输入信号包括断路器和隔离刀闸的辅助节点信号、投入退出按钮信号、熔断器状态信号、温控器节点信号等。开关量输出信号由调节保护单元通过EtherCAT总线送至开入开出单元的开出部分。开关量输出信号包括断路器的动作信号、运行故障指示灯信号、报警信号等。

调节保护单元采用数字信号处理器TMS320F28335作为运算单元，有2个EtherCAT从站，分别隶属于主控网和模块网。隶属于主控网的EtherCAT从站接收数据采集单元和开入开出单元的数据，进行数据计算。通过隶属于模块网的EtherCAT从站将计算结果送到n个模块中。所有模块的电压电流数据和状态信息再通过模块网回送至调节保护单元，同时送至暂态故障记录单元记录数据。

暂态故障记录单元也采用数字信号处理器TMS320F28335，从2个EtherCAT总线网中收集需要记录的数据，以备查看和分析。

n个模块单元均采用数字信号处理器TMS320F28335作为运算单元，通过EtherCAT模块网接收调节保护单元的控制命令，生成同步脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)脉冲触发信号，送至模块阀体的驱动器中。EtherCAT从站具有时钟同步功能，各从站同步时钟误差小于20 ns，可同步PWM脉冲触发信号。阀控系统的采集信号包括各模块单元中阀体的直流母线电压信号、阀体电流信号、阀体故障状态信号和温度信号等，当上述信号超过阈值时，则启动故障保护、封锁PWM脉冲，并将产生的故障信号通过EtherCAT模块网上报至调节保护单元，调节保护单元再根据故障信号启动该控制装置的保护动作，控制模块阀体中的驱动器实现对绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)阀的驱动和保护。

上述2个EtherCAT总线网中所有信号的传输在1个EtherCAT周期中即可完成。本控制系统的EtherCAT周期是78 us(频率12.8 kHz)。

4 实验验证

将基于工业以太网EtherCAT总线技术设计的链式STATCOM控制系统应用于10 kV/3.5 MVA STATCOM工业样机，其主要参数如表1所示。

表1 静止同步补偿器工业样机的主要参数Tab.1Main parameters of STATCOM industrial prototype

经暂态故障记录单元记录的试验波形如图4所示。图4(a)所示为STATCOM装置启动时刻所有阀体直流电压稳压波形，从图中可看出装置启动后所有阀体直流电压均稳定在1 000 V左右，具有良好的稳压性能;图4(b)、(c)所示为装置运行时的无功补偿波形，分别为A相电流和A相电压，电流为200 A的容性电流(波形经过反向)。通过实验验证该控制系统具有良好的控制性能。

图4 实验波形Fig.4Experiment waveform

5 结语

控制系统采用的EtherCAT总线技术，传送速率为100 M，可实现报文硬件校验，且无信息冲突; EtherCAT报文与从站交互数据的过程只有几ns的时间延迟;且具有时钟同步功能，各从站同步时钟误差小于20 ns，因此可实现各模块阀体控制的一致性。本控制系统扩展灵活，当需要增加模块数时，可通过耦合器引出的方式实现级联;配置灵活，可以在配置界面上对从站的数量、种类，数据交换的站点、个数、类型等信息进行在线配置。基于上述特点，本控制系统具有极强的通用性，可应用于半控型器件和全控型器件的装置。

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(编辑:蒋毅恒)