一种基于DSP实现的直流输电系统控制方法

2016-12-08陈宇航

中国新技术新产品 2016年21期

关键词：锁相换流器调节器

陈宇航

（海军驻葫芦岛四三一厂军事代表室，辽宁葫芦岛 125004）

一种基于DSP实现的直流输电系统控制方法

陈宇航

（海军驻葫芦岛四三一厂军事代表室，辽宁葫芦岛 125004）

直流输电技术在大型电网中的应用已日趋成熟，并逐渐被引入船舶电力系统等领域，关于高压直流输电的控制一直是研究热点。利用目前广泛使用的数字信号处理器（DSP）作为直流输电的控制核心单元，研究了高压直流输电系统的基本组成和配置，完成了相关硬件电路和软件电路的设计；然后提出了设计数字滤波器直接生成C代码的MATLAB和CCS的联合开发方法；接着介绍了直流输电的控制结构及具体控制方式；最后介绍了DSP控制系统与上位机通信的软硬件。仿真和试验结果验证了该控制方法的有效性。

直流输电；DSP TMS320F2812；同步锁相；数字触发；数字滤波；PI调节器；SCI通信

随着能源开发、电能传输以及电力系统规模日益扩大，采用直流输电技术的必要性与日俱增。

本文研究对象为直流输电工程中的两端直流输电系统，其构成主要有整流站、逆变站和直流输电线路3部分。两端交流系统是实现直流输电必不可少的组成部分。

直流输电有着不可比拟的好处，但同样存在着换流站的设备多，结构复杂，造价高，损耗大，运行费用高，同时运行过程中会产生大量谐波等一系列缺点。因此对直流输电的研究从出现到现在一直没有停止过。本文研究的是以DSP为核心，用数字控制的方法来控制的实验室用直流输电系统，这样可以大大减少设备的数量和体积，同时能够取得更迅速，更直接的控制效果，并且大大提高了运行的可靠性，维护起来也比较简单。

本文基于DSP研究直流输电控制系统的数字控制方法，通过对基于晶闸管的10kW的直流输电模型进行模拟仿真，验证数字控制算法。从理论，算法实现，硬件电路仿真3个方面进行探讨。

1.基于DS P的直流输电控制系统总体设计

1.1控制系统总体设计方案

本设计中采用两个DSP板，分别作为整流换流器和逆变换流器的控制平台，分别完成其同步锁相，数字触发，定电压或定电流控制及与上位机PC监控设备的SCI串口通信。具体结构图如图1所示。

1.2数字触发相关电路及程序设计

本控制系统中锁相的实现选用软件锁相方案，DSP的信号沿变化捕捉功能为软件锁相和精度的提高提供了硬件接口支持，利用此捕获单元可以捕获电网电压的过零时刻，通过数字锁相，实现锁相环功能。

图1　控制系统总体结构图

考虑到硬件电路的复杂性和实现的可行性，设计中采用等间隔触发脉冲触发方法。

采用的双桥换流器由两个6脉动换流器在直流侧串联而成，其交流侧通过换流变压器实现并联。换流变压器的阀侧绕组一个为星形接线，另一个为三角形接线，从而使两个6脉动换流器的交流侧得到相位相差30度的换相电压。大容量高压直流输电工程通常采用双绕组环流变压器形式，小容量直流输电工程一般采用三绕组换流变压器，本设计中因容量很小，选用三绕组换流变压器。

1.3外数据采集系统的AD采样和数字滤波的软硬件实现

在高压直流输电系统中，为了对电压和电流，进行数字信号的处理和控制，需要采用模数转换。本设计中采样的TI公司的28系列ADC采样精度达到12-bit，在一些采样精度不高的场合，基本可以满足系统的控制要求。如果对于精度要求比较高，可以配置外部的ADC以符合系统的设计标准。

1.3.1相关硬件电路设计

直流电压采样：

通过电阻分压将输电端直流电压成比例的变为0～3V，经过一个电压跟随器，将其输入到DSP的A/D采样输入端，后面的两个二极管和上拉3V电压防止电压出现上溢和下溢。

直流电流采样：

该硬件电路右侧与电压采样电路相同，左侧电路为一磁放大式直流电流互感器。直流电流流入一次导体后使铁心磁化，因为没有磁链变化，所以没有2次侧输出。因此必须在2次侧加交流电源进行励磁，铁心因受到直流磁化，磁链只按半波变化，根据磁链平衡原理，得到二次电流的输出。为了能够在电流反向时也能检出，互感器中装设了另一个偏置线圈。

1.3.2FIR滤波器的实现

FIR滤波器可以通过DSP编程直接实现，也可以用MATLAB与CCS联合仿真实现，MATLAB中提供了专门的滤波器的设计工具“Filter Design and Analysis Tool”。

2.直流输电系统控制的具体实现

（1）直流输电起停控制

起停控制主要包括直流输电系统从停运状态转变到运行状态以及输送功率从零增加到给定值或从运行状态转变到停运状态的控制功能。

（2）潮流反转控制

潮流反转是利用直流输电系统的快速可控性，将直流功率传输方向在运行中自动反转的一种控制功能。

在基于DSP的定电流和定电压的实现过程中，因为采样的频率相对于电流频率来说很大，所以可以利用模拟的方法来设计PI调节器然后在离散化来实现。

2.1算法的可行性演算和仿真验证

现建立一10kW，500V，20A的高压直流输电系统，输电线上的电感为1.27H，电阻为6.5Ω，则T1≈0.2，Vdor=600V，取sinα为定值sin15°，采样时间Ts=0.05ms，且T=Ts，滤波常数Toi＝0.3ms，则运用上述公式可求得Kp≈14.4，Ki≈8200。

仿真结果验证了控制方法的有效性。

2.24DSP控制系统与上位机的通信

CAN通信技术是一种各种主要用于各种设备检测及控制的网络，它具有较强的纠错能力支持查分收发，因而适合高干扰环境，并具有较远的传输距离。串行通信接口SCI是采用双线制通信的异步串行通信接口，通常称之为UART。SCI模块采用标准非归零（NRZ）数据格式，能够实现多CPU之间或同其他具有兼容数据格式SCI端口的外设进行数据通信。F2812处理器提供两个SCI接口，为减少串口通信时CPU的开销，F2812的串口支持16级接收和发送FIFO，也可以不使用FIFO缓冲，SCI的接收器和发送器可以使用双级缓冲传送数据，并且SCI接收器和发送器有各自独立的中断和使能位，可以独立地操作实现半双工通信，或者同时操作实现全双工通信。

本设计SCI通信的目的是将需要实时观测的电量和数据传送给主机显示出来，并且主机可以根据这些数据来传送指令给下位机，对其进行控制。