基于STM32分布控制的级联H桥STATCOM设计*

王袤野, 张延迟，解大

(1. 上海电机学院，上海 201306； 2. 上海交通大学，上海 200240)

0 引 言

随着工业的发展，对于电能质量的要求不断提高，电力系统中越来越广泛的采用柔性交流输电系统(FACTS)进行电能的传输，而静止同步无功补偿器(STATCOM)作为其中的核心装置具有响应速度快、调节效果好、运行范围宽、输出无功电流不受系统电压影响的诸多优点[1]。而其中开关器件的耐压值一直是一个阻碍无功补偿装置电压等级进一步提升的阻碍[2]，为了利用低耐压开关器件获得多电平高电压输出，学者们陆续采用了：二极管钳位多电平结构、飞跨电容钳位多电平结构以及H桥级联多电平结构[3]。其中H桥级联多电平结构，其基本功率单元是具有独立直流电源的H桥，再将数个H桥单元级联而成的一种串联结构形式，其不存在直流电容分压问题[4-5]，同时还具有易于拓展、输出电压优质、谐波含量低等优点[6-8]。

现有的级联H桥多电平电路在实际应用层面存在着以下问题[9]：控制系统与触发系统的电源较为复杂，需要多组隔离电源，且耐压等级要求较高，要求耐受值为接入系统的电压值；系统信息传递接线复杂，为了隔离的需要在采用通信等级时，必须选用光纤通信，增加了成本；采用IGBT时成本较高[10]。

本设计的主要特点在于将分布控制系统芯片STM32与主控系统置于统一的电位上，而将触发部分和功率器件的电源的电位独立出来，这样解决了多电平供电需要多电位的重要问题，同时满足了STM32的供电可靠性，并且通信采用等电位，省去了光纤通信的高成本。

1 级联H桥STATCOM装置基本拓扑结构与分布控制系统的实现

1.1 级联H桥STATCOM主电路拓扑结构

STATCOM主电路的拓扑结构图如图1所示，其中逆变器部分采用12单元H桥级联，这样做的优点是：

(1)利用较低耐压值的开关器件和电容器实现高压大功率转换。

(2)用较低的开关频率得到较好的正弦波形。

(3)不存在直流电容分压问题，同时还具有易于拓展、输出电压优质、谐波含量低等优点。

图1 STATCOM主电路拓扑结构图

1.2 级联H桥STATCOM基本H桥单元

每个H桥单元由4个全控性器件以及一个电解电容组成，如图2所示。其中每个H桥单元均带有独立直流电源供电，直流电源采用带有三端稳压器件的全桥整流实现。

图2 H桥单元拓扑

H桥在工作过程中，4个场效应管T1、T2、T3、T4共有四种工作状态(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)导通，T1(或T2、T3、T4)=0表示T1(或T2、T3、T4)关断，由于T1与T2以及T3与T4同时导通时会导致装置短路，故装置内芯片避免触发同一桥臂上的两个电力场效应管，下面分别对上面叙述的4中工作状态进行讨论：

(1)状态1，(T1，T2，T3，T4)=(1,0,0,1)

开关管T1和T4导通，T3和T2关断。电路的工作过程如图3(a)所示，A1A2端口输出电压为+E；

(2)状态2，(T1，T2，T3，T4)=(1,0,1,0)

开关管T1和T3导通，T2和T4关断，电路的工作过程如图3(b)所示，A1A2端口输出电压为0；

(3)状态3，(T1，T2，T3，T4)=(0,1,1,0)

开关管T2和T3导通，T1和T4关断，电路的工作过程如图3(c)所示，A1A2端口输出电压为-E；

(4)状态4，(T1，T2，T3，T4)=(0,1,0,1)

开关管T2和T4导通，T1和T3关断，电路的工作过程如图3(d)所示，A1A2端口输出电压为0；

图3 单个H桥连续导电模式下工作状态

1.3 STM32分布控制系统的实现

系统结构图如图4所示。装置控制部分由主机与从机组成。主机由统一发送信息、集中处理指令的DSP芯片TMS320F28335担任，从机同时也是分布控制部分由意法半导体公司的具有强大的控制和信号处理能力的STM32F103C8T6芯片担任，该芯片具有32位基于ARM核心的带64 kB字节闪存的微控制器，具有2个12位模数转换器，多达16个输入通道，同时其具有7个定时器，9个通信接口。本系统共设计了以下功能。

图4 STM32分布控制系统原理图

(1)触发部分。

本设计中采用一片ARM芯片控制两个H桥的方式，一片芯片发出8路触发信号分别为1号H桥F1-F4，2号H桥F1-F4，本文中采用12H桥级联，则共有6个主控芯片发出48路触发信号，触发信号通过给光耦合器一个触发脉冲实现栅极触发MOSFET。

(2)H桥工作状态采集与监控部分。

该系统通过主控制器采集H桥桥臂上的电压值来实现工作状态采集与监控，为系统确定运行方式提供参考量。具体实现方式为，参考图1，采集S1、S2、S3三点电压值，通过低功率运算放大器，将信号放大后提供给主控制器，这三路信号即图2中，Q1、Q2、Q3。

(3)通信部分。

该系统采用SPI(Serial Peripheral Interface)通信协议，在从机与主机之间通信。从机将其控制的每个H桥的桥臂电压值传给主控机，主控机根据电压值判断每个H桥状态是否正常，根据此判断参与工作的H桥数量以及每片STM32芯片应控制的一组H桥编号，将这些信息传回从机。重要的是，本设计通信采用了等电位，省去了光纤通信的高成本。

(4)触发电源部分。

触发部分电源采用磁环变压器一路引入，三路升压引出。引出后采用全桥整流接入三端稳压电路，经三端稳压电路后接光电耦合器，完成触发部分供电。

2 级联H桥STATCOM装置工作原理与调制策略

2.1 STATCOM补偿电压和功角的计算

为了确定STATCOM发出的电压的幅值和相位。下面将计算STATCOM的补偿电压和功角。

下式中U1,U2分别为STATCOM电压的幅值，系统电压的幅值。

电流计算：

(1)

功率计算：P1=P2

(2)

其中：

(3)

(4)

对于STATCOM，P1<

(5)

对于一个补偿系统，Q为负荷无功，为确定值，则电压可以计算得：

(6)

在式(6)中，当Q1>0时，取负号，当Q1<0时，取正号。

在幅值确定后相位计算，由式(5)得：

(7)

U1的幅值决定由逆变电压的几个阶梯波合成，逆变电压与系统电压的关系如图5所示。

图5 逆变电压与系统电压的关系图

2.2 STATCOM装置中逆变器调制策略

STATCOM的控制策略决定了其功能的优异程度，而其中逆变器的调制策略决定了逆变器的输出性能的优劣，进而决定了STATCOM的性能优劣。本装置采用低次谐波最小法原则实现功能，不仅改善了输出电压波形、还提高了逆变器的输出电压和功率以及变换相数。本逆变器正弦波调制策略采用低次谐波最小法原则，精确算出每个H桥上4个电力场效应管的开通关断时间，进而拟合正弦波。

低次谐波最小法原则的离线计算简单，同时可以使得输出波形特性良好。基于控制原则，是由STM32来控制每个H桥的开通关断时间来叠加拟合正弦波输出，所以各个H桥的导通周期是不一样的，显而易见，1号桥的导通时间最长，电容的充放电时间也最长。而12号桥的导通时间最短，电容的充放电时间也最短。因此，在设计之初，还考虑到不同H桥上电容损耗不同导致直流侧电压不平衡问题，采用每过一个固定的时间，对应调整H桥的顺序的方式来平衡每个H桥上电容的损耗。

图6为阶梯波逼近正弦波示意图。θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6的计算按照低次谐波最少原则进行的，因此要求每部分输出的阶梯波形面积等于正弦波面积，取第i块(i=1,2,3,4,5,6)，即有：

(8)

求解积分式，可得：

(9)

根据上面的分析和计算可以得出每个H桥上MOSFET的开通、关断时间，从而拟合正弦波输出，完成DC/AC功能，进而实现STATCOM装置的功能。

图6 12链节阶梯波逼近正弦波原理示意图

3 仿真研究和实验验证

3.1 仿真研究

应用EMTP电力系统电磁暂态分析仿真软件，搭建12H桥级联STATCOM装置模型进行仿真分析,仿真模型中设定参数如下：额定功率1 Mvar，STATCOM输出电压10 kV/50Hz，额定电流100 A，H桥直流侧额定电压800 V，直流侧电容6 800 μF，一相链节数12。

图7为STATCOM装置直流侧电压波形即H桥两端电压波形，从图中可以看出电压基本稳定在800 V，偏差不大于5%，且未出现不平衡现象。图8为a相输出电压、输出电流波形，输出波形为梯形波拟合正弦波输出，符合控制策略。

图7 STATCOM装置直流侧电压波形

图8 a相输出电压及电流仿真波形

a、b、c三相输出电压及电流的仿真波形见图9，三相输出电压符合多重叠加法的原理，由阶梯波叠加而成，拟合正弦波输出，三相电流也以正弦形式输出。图10为STATCOM装置有功与无功功率曲线，显示装置有效的补偿了负载发出的无功功率。

图9 a、b、c三相输出电压及电流仿真波形

图10 STATCOM装置有功、无功功率曲线

3.2 实验验证

为了进一步验证本文控制策略的正确性以及可行性搭建了12H桥级联STATCOM实验装置，在实验装置上进行了测试，表一为实验参数。实验装置主控芯片采用STM32F103C8T6，开关管选择使用HM3207B。图11为2H桥板级实物图，采用了一片STM32控制两个H桥。图12为实验装置实物照片。

表1 实验装置参数

图11 2H桥板级实物图

图12 实验装置

实验装置输出电压波形图见图13(a)，其中横坐标为时间，每格 5 ms。图13(b)为装置输出电压波形放大图，图中可清晰看到级联H桥叠加拟合形成了正弦波，输出了稳定的电压波形，从而验证了文章中描述的控制策略。

图13(c)为实验电流波形图。图13(d)为输出电压谐波图形，其电压总畸变率THDU=3.26%，谐波含量很少，输出波形优异，满足电网要求，说明该拓扑和控制策略能实现STATCOM功能。

图13 实验波形

4 结束语

论文研究并设计了一款基于STM32分布控制的级联H桥STATCOM装置，该装置实现了多电平供电只需要一个电位。在低次谐波最小法则的控制下，实现阶梯波叠加，拟合正弦输出，为动态无功补偿提供了方法。另外，由于采用了从机分布控制，主机统一调度，满足了控制精度同时可靠性大大提升。另外，通信实现了等电位，与光纤通信相比，节约了大量成本。分析结果表明，理论、仿真和实验结果相吻合，验证了理论分析的正确性以及实际应用的可能性。