实现H桥级联型STATCOM直流电容电压平衡的控制系统

摘要

本发明公开一种可实现H桥级联型STATCOM直流电容电压平衡的控制系统，包括H桥单元、A/D采样单元、FPGA控制单元和主控单元；所述A/D采样单元将采集到的H桥单元直流电容电压模拟信号转换成串行数据信号输送至FPGA控制单元进行数据处理；所述FPGA控制单元与主控单元串行通讯，传输采样值和调制信号。所述FPGA控制单元包括采样模块、PI调节模块、调制信号移相模块和通讯模块。本发明将每个模块的直流电容电压的平衡控制及直流电压检测集成在FPGA控制单元中完成，其中PI调节和调制信号移相模块可一起实现直流电容电压平衡，从而使得H桥级联型STATCOM的模块化程度更高，便于实现多模块级联的装置使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现H桥级联型STATCOM直流电容电压平衡的控制系统。

背景技术

随着电力电子器件在高压大功率场合的不断应用，静止无功发生装置(STATCOM)、有 源电力滤波器(APF)等FACTS技术得到很快发展，H桥级联型逆变器由于各H桥逆变单元 的直流侧独立，级联型逆变结构可实逆变单元的串联连接以提高逆变输出的电压和功率等 级，所以H桥级联型逆变器受到广泛青睐。

大功率场合应用的级联型STATCOM的一个主要缺点在于难以实现直流电容电压的平 衡控制，如果直流电压有偏差容易使开关器件的承受电压过高从而造成主电路故障，严重 影响了装置的可靠性。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号为：CN101707374A，专利名称为《H 桥级联型有源电力滤波器直流侧电容电压均衡控制电路》，该发明专利公开了一种在H桥 级联型有源电力滤波器中实现其直流侧电容电压均衡控制的电路，该电路主要是通过一个 原边共交流母线且具有多个副边绕组的变压器组成，各副边绕组通过电感和直流隔离电容 与H桥逆变单元直接相连，从而实现对直流侧的供电。该方法的主要缺点在于通过外围电 路实现直流电容电压的平衡，变压器的使用增加了模块单元的成本。

发明内容

本发明的目的在于为了克服上述现有技术的缺陷，提供了一种实现H桥级联型 STATCOM直流电容电压平衡的控制系统。本发明的系统将直流电容电压平衡控制和直流电 压的采样集成在现场可编程门阵列(FPGA)上完成，提高了H桥级联型STATCOM的模块化 程度，降低了硬件电路成本。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及的一种可实现H桥级联型STATCOM直流电容电压平衡的控制系统，包括H 桥单元、A/D采样单元、FPGA控制单元和主控单元；所述A/D采样单元将采集到的H桥单 元直流电容电压模拟信号转换成串行数据信号输送至所述FPGA控制单元进行数据处理； 所述FPGA控制单元与所述主控单元串行通讯，传输采样值和调制信号。

优选的，所述FPGA控制单元包括采样模块、PI调节模块、调制信号移相模块和通讯 模块；所述采样模块接收A/D采样单元输出的串行数据信号后输送至PI调节模块，所述 PI调节模块对接收到的信号进行PI调节后输出调节信号至调制信号移相模块；所述通讯 模块与主控单元串行通讯，传输采样值和调制信号；所述调制信号移相模块将所述调节信 号作为延时时间对所述调制信号进行延时，实现所述调制信号的相移并生成触发信号，经 驱动电路驱动所述H桥单元。

优选的，所述FPGA控制单元还包括死区发生模块，所述调制信号移相模块生成的触 发信号经所述死区发生模块加入死区生成带死区的触发信号后输出至所述驱动电路。

优选的，所述FPGA控制单元还包括存储单元，所述采样单元将接收到的串行数据信 号输送至所述存储单元进行数据存储。

优选的，所述H桥单元为四个电力电子开关与一个电容组成的单相全桥电路。

优选的，所述A/D采样单元采用LTC1403串行模数转换器。

优选的，所述FPGA控制单元采用XC3S400芯片。

优选的，所述主控单元采用DSP芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、巧妙的利用PI调节输出作为延时时间，可方便对FPGA内部的调制信号进行移相， 与传统的调制信号在DSP中进行移相相比，计算过程大大简化，该移相方法很简单即可实 现。

2、在FPGA控制单元上集成了直流电容电压的平衡控制，避免了增加直流电容电压平 衡控制电路而造成的装置成本增加。

3、将直流电容电压的平衡控制和直流电容电压检测均由FPGA控制单元实现，提高了 级联型STATCOM的模块化程度，为其进一步工业化应用提供了技术帮助。

附图说明

图1为H桥级联STATCOM整体控制结构图；

图2为本发明控制系统的结构示意图；

图3为本发明控制系统的硬件连接图。

具体实施方式

下面通过具体步骤并结合附图对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示的H桥级联型STATCOM整体控制结构图，级联型STATCOM经交流电抗器Lc 与补偿点直接相连，补偿由于非线性负荷引起的无功功率，图中，C1，…Cn为各单元直 流侧电容。由补偿功率的参考值Q*通过电流控制器计算出调制信号的调制度m，调制信号 的相位由三部分相加组成：公共点电压Vpcc锁相信息θ、用于所有单元电容电压整体平 衡的相角σ和用于每个单元电容电压平衡的相角Δσi。σ由所有单元直流电压的平均 值∑Vdci/n与其参考值经PI调节得到，Δσi由各单元直流电压检测值Vdci与所有单元 直流电压的平均值∑Vdci/n经过PI调节得到。求出调制信号的幅值和相位后，该信号经 移相SPWM调制即可生成H桥单元的触发信号。通过改变σ与Δσi以调节级联式STATCOM 的输出电压相位，从而控制其与电网间有功功率交换的方向和大小，即可实现H桥单元直 流侧电容电压的稳定，而不需要额外的设备。

如图2所示的本发明控制系统的结构示意图，控制系统由H桥单元，A/D采样单元， FPGA控制单元和主控单元组成。由外置A/D采样单元采得H桥单元电容C电压值，经过 A/D转换，送到FPGA控制单元进行数据处理以及与外部主控单元的DSP芯片经光纤进行 串行通讯，由FPGA控制单元发出四路触发信号，触发信号经驱动电路驱动H桥单元的四 个开关管。H桥单元为四个电力电子开关S1，S2，S3，S4与一个电容组成C组成的传统 单相全桥电路。其输出端为A，B。外置A/D采样单元采用凌特公司(Linear Technology) 的14位、2.8Msps、串行模数转换器(ADC)LTC1403。FPGA控制单元采用Xilinx公司的 XC3S400芯片。主要功能为与上级DSP通信，采样数据处理，通过SPWM调制方法输出带 有死区的触发信号。所述FPGA控制单元包括采样模块、PI调节模块、调制信号移相模块 和通讯模块；所述采样模块接收A/D采样单元输出的串行数据信号后输送至PI调节模块， 所述PI调节模块对接收到的信号进行PI调节后输出调节信号至调制信号移相模块；所述 通讯模块与主控单元串行通讯，传输采样值和调制信号，并将所述调制信号传输至调制信 号移相模块；所述调制信号移相模块将所述调节信号作为延时时间对所述调制信号进行延 时，实现所述调制信号的相移并生成触发信号，经驱动电路驱动所述H桥单元。所述FPGA 控制单元还包括死区发生模块，所述调制信号移相模块生成的触发信号经所述死区发生模 块加入死区生成带死区的触发信号后输出至所述驱动电路。

本发明的系统工作时，外置A/D芯片LTC1403对直流电容电压检测信号的模拟量转化 为串行数据，通过FPGA接收该串行数据，得到直流电容电压检测值V_dc；在FPGA片上将 直流电容电压检测值V_dc与其给定值的差值进行PI调节，输出信号作为直流电容电压平 衡的调节信号Δδ；用Δδ转化为信号延时时间，对DSP传输到FPGA的调制信号进行延时， 如此即可实现对调制信号的相移，相移后的调制信号即可改变模块单元的交流侧到直流侧 的有功功率传输，从而实现直流电压的平衡。

如图3所示的本发明控制系统内模数转换器LTC1403，FPGA芯片XC3S400与上级DSP 之间的相互连接关系；LTC1403的AIN+，AIN-为模块中电容C两端电压经过调理后的模拟 信号输入，VDD接3V供电电源，GND接地。SDO，CONV，SCK分别接到FPGA不同的I/O口 上。FPGA为5V供电，与LTC1403共地，四个空闲的I/O口分别接到上级DSP芯片 TMS320F2812的TXD，RXD，R-err，S-err上。

串行模数转换器(ADC)LTC1403中，SCK是FPGA为A/D提供的外部时钟。当CONV上 升沿时，SDO输出经转换后的14为补码格式的串行数据。为了接收A/D转换出的串行数 据，所述FPGA控制单元还包括存储单元，即在FPGA上设置相应时序，构造出16位双口 RAM存放A/D转换结果。

FPGA与主控DSP经光钎串行通讯，传输A/D结果、调制信号和同步信号。FPGA的RXD 一直处于等待接收数据的状态，DSP通过TXD端口向FPGA发送数据，FPGA接收一帧数据 并进行奇偶校验，然后通过自身的TXD端口向DSP发送一帧反馈数据，DSP检测到从FPGA 发送的反馈数据后，立即发送下一帧数据。为了减少数据通讯延时可设置较高的波特率。

FPGA定点数运算实现PI调节，确定出相移角度，用16位计数器对调制信号进行延 时，对调制信号延时即调制波移相。调制信号再与两个16位计数器比较生成初步触发信 号，因为上下桥臂触发脉冲须有死区，所以需在初始触发信号的上升沿和下降沿用两个8 位计数器协助来产生带死区的触发信号。

本发明是一个可实现H桥级联型STATCOM直流电容电压平衡的控制系统，功能大致有 四方面：1)结合外置A/D对逆变单元的直流电压进行检测；2)负责与上一级主控(DSP)通 讯，传输采样值和调制信号；3)通过对直流电压检测值的与给定值的PI调节，用输出信 号对调制信号进行移相，从而实现直流电压的平衡控制；4)为驱动信号加入死区防止上下 桥臂直通。