基于STM32分布控制的級聯(lián)H橋STATCOM設(shè)計(jì)*

王袤野, 張延遲，解大

(1. 上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306； 2. 上海交通大學(xué)，上海 200240)

0 引 言

隨著工業(yè)的發(fā)展，對于電能質(zhì)量的要求不斷提高，電力系統(tǒng)中越來越廣泛的采用柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)進(jìn)行電能的傳輸，而靜止同步無功補(bǔ)償器(STATCOM)作為其中的核心裝置具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)效果好、運(yùn)行范圍寬、輸出無功電流不受系統(tǒng)電壓影響的諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。而其中開關(guān)器件的耐壓值一直是一個(gè)阻礙無功補(bǔ)償裝置電壓等級進(jìn)一步提升的阻礙[2]，為了利用低耐壓開關(guān)器件獲得多電平高電壓輸出，學(xué)者們陸續(xù)采用了：二極管鉗位多電平結(jié)構(gòu)、飛跨電容鉗位多電平結(jié)構(gòu)以及H橋級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)[3]。其中H橋級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，其基本功率單元是具有獨(dú)立直流電源的H橋，再將數(shù)個(gè)H橋單元級聯(lián)而成的一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，其不存在直流電容分壓問題[4-5]，同時(shí)還具有易于拓展、輸出電壓優(yōu)質(zhì)、諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。

現(xiàn)有的級聯(lián)H橋多電平電路在實(shí)際應(yīng)用層面存在著以下問題[9]：控制系統(tǒng)與觸發(fā)系統(tǒng)的電源較為復(fù)雜，需要多組隔離電源，且耐壓等級要求較高，要求耐受值為接入系統(tǒng)的電壓值；系統(tǒng)信息傳遞接線復(fù)雜，為了隔離的需要在采用通信等級時(shí)，必須選用光纖通信，增加了成本；采用IGBT時(shí)成本較高[10]。

本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)在于將分布控制系統(tǒng)芯片STM32與主控系統(tǒng)置于統(tǒng)一的電位上，而將觸發(fā)部分和功率器件的電源的電位獨(dú)立出來，這樣解決了多電平供電需要多電位的重要問題，同時(shí)滿足了STM32的供電可靠性，并且通信采用等電位，省去了光纖通信的高成本。

1 級聯(lián)H橋STATCOM裝置基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與分布控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.1 級聯(lián)H橋STATCOM主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

STATCOM主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中逆變器部分采用12單元H橋級聯(lián)，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)利用較低耐壓值的開關(guān)器件和電容器實(shí)現(xiàn)高壓大功率轉(zhuǎn)換。

(2)用較低的開關(guān)頻率得到較好的正弦波形。

(3)不存在直流電容分壓問題，同時(shí)還具有易于拓展、輸出電壓優(yōu)質(zhì)、諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 STATCOM主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2 級聯(lián)H橋STATCOM基本H橋單元

每個(gè)H橋單元由4個(gè)全控性器件以及一個(gè)電解電容組成，如圖2所示。其中每個(gè)H橋單元均帶有獨(dú)立直流電源供電，直流電源采用帶有三端穩(wěn)壓器件的全橋整流實(shí)現(xiàn)。

圖2 H橋單元拓?fù)?/p>

H橋在工作過程中，4個(gè)場效應(yīng)管T1、T2、T3、T4共有四種工作狀態(tài)(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)導(dǎo)通，T1(或T2、T3、T4)=0表示T1(或T2、T3、T4)關(guān)斷，由于T1與T2以及T3與T4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)會導(dǎo)致裝置短路，故裝置內(nèi)芯片避免觸發(fā)同一橋臂上的兩個(gè)電力場效應(yīng)管，下面分別對上面敘述的4中工作狀態(tài)進(jìn)行討論：

(1)狀態(tài)1，(T1，T2，T3，T4)=(1,0,0,1)

開關(guān)管T1和T4導(dǎo)通，T3和T2關(guān)斷。電路的工作過程如圖3(a)所示，A1A2端口輸出電壓為+E；

(2)狀態(tài)2，(T1，T2，T3，T4)=(1,0,1,0)

開關(guān)管T1和T3導(dǎo)通，T2和T4關(guān)斷，電路的工作過程如圖3(b)所示，A1A2端口輸出電壓為0；

(3)狀態(tài)3，(T1，T2，T3，T4)=(0,1,1,0)

開關(guān)管T2和T3導(dǎo)通，T1和T4關(guān)斷，電路的工作過程如圖3(c)所示，A1A2端口輸出電壓為-E；

(4)狀態(tài)4，(T1，T2，T3，T4)=(0,1,0,1)

開關(guān)管T2和T4導(dǎo)通，T1和T3關(guān)斷，電路的工作過程如圖3(d)所示，A1A2端口輸出電壓為0；

圖3 單個(gè)H橋連續(xù)導(dǎo)電模式下工作狀態(tài)

1.3 STM32分布控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。裝置控制部分由主機(jī)與從機(jī)組成。主機(jī)由統(tǒng)一發(fā)送信息、集中處理指令的DSP芯片TMS320F28335擔(dān)任，從機(jī)同時(shí)也是分布控制部分由意法半導(dǎo)體公司的具有強(qiáng)大的控制和信號處理能力的STM32F103C8T6芯片擔(dān)任，該芯片具有32位基于ARM核心的帶64 kB字節(jié)閃存的微控制器，具有2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多達(dá)16個(gè)輸入通道，同時(shí)其具有7個(gè)定時(shí)器，9個(gè)通信接口。本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了以下功能。

圖4 STM32分布控制系統(tǒng)原理圖

(1)觸發(fā)部分。

本設(shè)計(jì)中采用一片ARM芯片控制兩個(gè)H橋的方式，一片芯片發(fā)出8路觸發(fā)信號分別為1號H橋F1-F4，2號H橋F1-F4，本文中采用12H橋級聯(lián)，則共有6個(gè)主控芯片發(fā)出48路觸發(fā)信號，觸發(fā)信號通過給光耦合器一個(gè)觸發(fā)脈沖實(shí)現(xiàn)柵極觸發(fā)MOSFET。

(2)H橋工作狀態(tài)采集與監(jiān)控部分。

該系統(tǒng)通過主控制器采集H橋橋臂上的電壓值來實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)采集與監(jiān)控，為系統(tǒng)確定運(yùn)行方式提供參考量。具體實(shí)現(xiàn)方式為，參考圖1，采集S1、S2、S3三點(diǎn)電壓值，通過低功率運(yùn)算放大器，將信號放大后提供給主控制器，這三路信號即圖2中，Q1、Q2、Q3。

(3)通信部分。

該系統(tǒng)采用SPI(Serial Peripheral Interface)通信協(xié)議，在從機(jī)與主機(jī)之間通信。從機(jī)將其控制的每個(gè)H橋的橋臂電壓值傳給主控機(jī)，主控機(jī)根據(jù)電壓值判斷每個(gè)H橋狀態(tài)是否正常，根據(jù)此判斷參與工作的H橋數(shù)量以及每片STM32芯片應(yīng)控制的一組H橋編號，將這些信息傳回從機(jī)。重要的是，本設(shè)計(jì)通信采用了等電位，省去了光纖通信的高成本。

(4)觸發(fā)電源部分。

觸發(fā)部分電源采用磁環(huán)變壓器一路引入，三路升壓引出。引出后采用全橋整流接入三端穩(wěn)壓電路，經(jīng)三端穩(wěn)壓電路后接光電耦合器，完成觸發(fā)部分供電。

2 級聯(lián)H橋STATCOM裝置工作原理與調(diào)制策略

2.1 STATCOM補(bǔ)償電壓和功角的計(jì)算

為了確定STATCOM發(fā)出的電壓的幅值和相位。下面將計(jì)算STATCOM的補(bǔ)償電壓和功角。

下式中U1,U2分別為STATCOM電壓的幅值，系統(tǒng)電壓的幅值。

電流計(jì)算：

(1)

功率計(jì)算：P1=P2

(2)

其中：

(3)

(4)

對于STATCOM，P1<

(5)

對于一個(gè)補(bǔ)償系統(tǒng)，Q為負(fù)荷無功，為確定值，則電壓可以計(jì)算得：

(6)

在式(6)中，當(dāng)Q1>0時(shí)，取負(fù)號，當(dāng)Q1<0時(shí)，取正號。

在幅值確定后相位計(jì)算，由式(5)得：

(7)

U1的幅值決定由逆變電壓的幾個(gè)階梯波合成，逆變電壓與系統(tǒng)電壓的關(guān)系如圖5所示。

圖5 逆變電壓與系統(tǒng)電壓的關(guān)系圖

2.2 STATCOM裝置中逆變器調(diào)制策略

STATCOM的控制策略決定了其功能的優(yōu)異程度，而其中逆變器的調(diào)制策略決定了逆變器的輸出性能的優(yōu)劣，進(jìn)而決定了STATCOM的性能優(yōu)劣。本裝置采用低次諧波最小法原則實(shí)現(xiàn)功能，不僅改善了輸出電壓波形、還提高了逆變器的輸出電壓和功率以及變換相數(shù)。本逆變器正弦波調(diào)制策略采用低次諧波最小法原則，精確算出每個(gè)H橋上4個(gè)電力場效應(yīng)管的開通關(guān)斷時(shí)間，進(jìn)而擬合正弦波。

低次諧波最小法原則的離線計(jì)算簡單，同時(shí)可以使得輸出波形特性良好。基于控制原則，是由STM32來控制每個(gè)H橋的開通關(guān)斷時(shí)間來疊加擬合正弦波輸出，所以各個(gè)H橋的導(dǎo)通周期是不一樣的，顯而易見，1號橋的導(dǎo)通時(shí)間最長，電容的充放電時(shí)間也最長。而12號橋的導(dǎo)通時(shí)間最短，電容的充放電時(shí)間也最短。因此，在設(shè)計(jì)之初，還考慮到不同H橋上電容損耗不同導(dǎo)致直流側(cè)電壓不平衡問題，采用每過一個(gè)固定的時(shí)間，對應(yīng)調(diào)整H橋的順序的方式來平衡每個(gè)H橋上電容的損耗。

圖6為階梯波逼近正弦波示意圖。θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6的計(jì)算按照低次諧波最少原則進(jìn)行的，因此要求每部分輸出的階梯波形面積等于正弦波面積，取第i塊(i=1,2,3,4,5,6)，即有：

(8)

求解積分式，可得：

(9)

根據(jù)上面的分析和計(jì)算可以得出每個(gè)H橋上MOSFET的開通、關(guān)斷時(shí)間，從而擬合正弦波輸出，完成DC/AC功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)STATCOM裝置的功能。

圖6 12鏈節(jié)階梯波逼近正弦波原理示意圖

3 仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真研究

應(yīng)用EMTP電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析仿真軟件，搭建12H橋級聯(lián)STATCOM裝置模型進(jìn)行仿真分析,仿真模型中設(shè)定參數(shù)如下：額定功率1 Mvar，STATCOM輸出電壓10 kV/50Hz，額定電流100 A，H橋直流側(cè)額定電壓800 V，直流側(cè)電容6 800 μF，一相鏈節(jié)數(shù)12。

圖7為STATCOM裝置直流側(cè)電壓波形即H橋兩端電壓波形，從圖中可以看出電壓基本穩(wěn)定在800 V，偏差不大于5%，且未出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。圖8為a相輸出電壓、輸出電流波形，輸出波形為梯形波擬合正弦波輸出，符合控制策略。

圖7 STATCOM裝置直流側(cè)電壓波形

圖8 a相輸出電壓及電流仿真波形

a、b、c三相輸出電壓及電流的仿真波形見圖9，三相輸出電壓符合多重疊加法的原理，由階梯波疊加而成，擬合正弦波輸出，三相電流也以正弦形式輸出。圖10為STATCOM裝置有功與無功功率曲線，顯示裝置有效的補(bǔ)償了負(fù)載發(fā)出的無功功率。

圖9 a、b、c三相輸出電壓及電流仿真波形

圖10 STATCOM裝置有功、無功功率曲線

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文控制策略的正確性以及可行性搭建了12H橋級聯(lián)STATCOM實(shí)驗(yàn)裝置，在實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了測試，表一為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置主控芯片采用STM32F103C8T6，開關(guān)管選擇使用HM3207B。圖11為2H橋板級實(shí)物圖，采用了一片STM32控制兩個(gè)H橋。圖12為實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物照片。

表1 實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)

圖11 2H橋板級實(shí)物圖

圖12 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置輸出電壓波形圖見圖13(a)，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，每格 5 ms。圖13(b)為裝置輸出電壓波形放大圖，圖中可清晰看到級聯(lián)H橋疊加擬合形成了正弦波，輸出了穩(wěn)定的電壓波形，從而驗(yàn)證了文章中描述的控制策略。

圖13(c)為實(shí)驗(yàn)電流波形圖。圖13(d)為輸出電壓諧波圖形，其電壓總畸變率THDU=3.26%，諧波含量很少，輸出波形優(yōu)異，滿足電網(wǎng)要求，說明該拓?fù)浜涂刂撇呗阅軐?shí)現(xiàn)STATCOM功能。

圖13 實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)束語

論文研究并設(shè)計(jì)了一款基于STM32分布控制的級聯(lián)H橋STATCOM裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)了多電平供電只需要一個(gè)電位。在低次諧波最小法則的控制下，實(shí)現(xiàn)階梯波疊加，擬合正弦輸出，為動態(tài)無功補(bǔ)償提供了方法。另外，由于采用了從機(jī)分布控制，主機(jī)統(tǒng)一調(diào)度，滿足了控制精度同時(shí)可靠性大大提升。另外，通信實(shí)現(xiàn)了等電位，與光纖通信相比，節(jié)約了大量成本。分析結(jié)果表明，理論、仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了理論分析的正確性以及實(shí)際應(yīng)用的可能性。