??? 摘 要： 基于DSP的SVPWM脈沖信號的產生，并以此脈沖信號觸發DSTATCOM裝置工作，從而產生期望的無功功率，實現無功補償的目的。
??? 關鍵詞： 配電網靜止同步補償器；數字信號處理器；空間矢量脈寬調制；觸發系統
?
??? DSTATCOM的工作原理可以簡單描述為：將自換相橋式電路通過電抗器或者變壓器并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流" title="無功電流">無功電流，實現動態無功補償的目的。脈沖觸發系統" title="觸發系統">觸發系統作為DSTATCOM控制系統的重要組成部分，其根據控制電路輸出的控制信號產生相應的觸發脈沖以驅動功率器件工作。文獻[1]介紹了基于CPLD的SPWM脈沖發生器的實現過程，SPWM實現相對簡單容易，但其諧波含量高、電壓利用率不高。文獻[2]介紹了特定諧波消除（SHE-PWM）技術應用于DSTATCOM脈沖觸發系統。SHE-PWM算法可以很好地起到消除DSTATCOM輸出電壓電流低次諧波的目的，然而對低次諧波的消除是以犧牲高次電壓諧波為代價的，并且電壓諧波集中在開關頻率附近。本文介紹了基于DSP的SVPWM脈沖信號的產生，并以此脈沖信號觸發DSTATCOM裝置工作，從而產生期望的無功功率，實現無功補償的目的。
1 DSTATCOM主電路" title="主電路">主電路及控制方法簡介
??? DSTATCOM主電路分為電壓橋式電路和電流橋式電路。兩者的區別是直流側分別采用電容和電感這兩種不同儲能元件。對電壓型" title="電壓型">電壓型橋式電路，需要串聯電抗器才能并上電網；對電流型橋式電路，需要并聯電容器才能并上電網。由于運行效率的原因，實際應用的DSTATCOM大多采用電壓型橋式電路，圖1給出了電壓型靜止同步補償器主電路圖。本文的DSTATCOM專指采用自換相的電壓型橋式電路作為主電路的動態無功補償裝置。
?
??? DSTATCOM控制策略根據補償器要實現的功能和應用場合選擇，控制策略包括開環控制、閉環控制和兩者相結合的控制策略。根據控制理論的基本原理，要得到穩定的電壓，必須引入電壓負反饋，通過裝置電壓U和裝置電壓參考值Uref的比較，由其偏差來控制裝置的運行。因此DSTATCOM控制系統一般采用直流側電壓的外閉環反饋控制，同時為了改善控制性能，可以在此基礎上引入補償電流的反饋控制。具體說來這種控制方式可以分為無功電流間接控制和直接控制兩種方式。電流直接控制，就是采用跟蹤型PWM技術對電流波形的瞬時值進行反饋控制；電流間接控制，就是調節PWM調制深度λ來控制直流電壓Udc，從而調節DSTATCOM裝置交流側電壓Ug的大小以控制無功性質和大小，而Ug也可以通過改變相角差δ角來調節，進而改變無功電流Iq的大小。由于裝置運行效率和開關器件自身要求的原因，本文采用電壓型橋式電路的間接電流控制方法。
2 SVPWM信號發生原理
??? 設逆變器三相電壓為：
??? 
??? 將式（1）代入（2），得到理想供電電壓下的逆變器空間電壓合成矢量：
??? 
??? 逆變器需滿足以下條件：(1)任一時刻總有三個功率開關器件處于導通狀態，另三個處于關斷狀態；(2)上下橋臂不能同時導通。
??? 滿足上述兩個條件的開關模式只有8種，分別對應著8個空間電壓矢量
(110)為有效矢量，幅值大小為Udc；
為零矢量，幅值為零，如圖2所示。
?
??? SVPWM的調制，將逆變器交流側期望的二維靜止α-β坐標系上的兩個正交電壓向量VSαref和VSβref作為空間矢量信號實時調制的給定值。由空間電壓矢量SVPWM的原理知道，算法的關鍵是判斷矢量所在扇區和矢量作用時間。
2.1 Uout所在扇區的判斷方法
??? 假定合成的矢量落在第3扇區，則可知其等價條件為：
??? 
??? 同理可得合成的電壓矢量落在其他扇區的等價條件，綜合整理可得到具體的扇區判斷算法。
??? 定義：
??? 
??? 按如下邏輯執行，則可確定扇區：
??? IF Vref1>0? THEN? A=1? ELSE? A=0；
??? IF Vref2>0? THEN? B=1? ELSE? B=0；
??? IF Vref3>0? THEN? C=1? ELSE? C=0；
??? SECTOR＝A+2×B+4×C。
??? 由此可以求出矢量Uout所在的扇區即是SECTOR的數值。
2.2 確定某扇區各矢量的作用時間
??? 定義：在一個PWM周期Tp中，t1為主矢量（先作用的矢量）作用時間，t2為輔矢量（后作用的矢量）作用時間，t0為每個零矢量的作用時間。假定合成矢量落在第3扇區。
??? 
代入公式(2)，并整理得：
??? 
??? 
代入公式（2），并整理得：
??? 
??? 根據伏秒平衡原則得：
??? 
??? 同理，可以計算出其他扇區各矢量的作用時間。這些表達式都由如下三個獨立的表達式構成，在此定義：
??? 
??? 對于不同扇區，t1、t2根據表1取值。
?
?
??? 
??? 當已知合成矢量所在的扇區，以及主矢量、輔矢量和零矢量的作用時間，就可以按照各扇區SVPWM的波形時序產生SVPWM波。
3 DSTATCOM觸發系統的設計
??? DSTATCOM觸發系統必須具有以下基本功能：(1)功能要求：接收來自控制器給定的控制角" title="控制角">控制角δ和PWM調制深度λ指令；根據控制角δ和調制深度λ，按照α-β坐標系下的SVPWM控制算法產生觸發脈沖，實現逆變器輸出電壓幅值和相位的調節。(2)參數性能要求：要求控制角δ在（-6°～+6°）之間，可以任意調節。如果δ的分辨率越高，DSTATCOM對無功的調節就越平滑，δ分辨率不應大于0.05°；λ要求在0～1之間可以任意調節，分辨率為0.01即可。(3)安全性要求：在DSTATCOM建模時總是假定其交流側電壓與系統電壓頻率一致，控制角δ在額定無功功率時很小，如果DSTATCOM交流側電壓存在輕微不同步，則裝置可能在幾個周期內就出現過流而無法繼續工作，因而對DSTATCOM的目標電壓與系統正序電壓同步有嚴格的要求；在實際的逆變系統中，需要對PWM脈沖進行死區補償，以防止上下橋臂的開關器件同時導通，形成短路，燒毀開關器件；在DSTATCOM系統中，一旦在逆變系統出現過流、過熱等故障，要求觸發系統立即封鎖PWM信號，保證DSTATCOM的安全。
?? ?為了滿足以上功能要求，采用TMS320LF2407A DSP實現了DSTATCOM的脈沖觸發系統。TMS320LF2407A內部的每個事件管理器模塊都具有極大簡化對稱空間矢量PWM波形產生的內置硬件電路。需要設置的寄存器有：ACTRA寄存器，用來定義比較輸出引腳的輸出方式；COMCONA寄存器，用來使能比較操作和空間矢量PWM模式，并把CMPR1，2，3的重裝載條件設置為下溢，通用定時器T1設置為連續增/減計數模式，并啟動定時器。接下來由DSTATCOM交流側指令電壓Uout確定每個PWM周期的參數：兩個相鄰向量Ux和Ux+60，參數T1，T2，T3，將相應于Ux的開啟方式寫入ACTTRA.14～12位中，并將1寫入ACTRA.15中，再將1/2T1寫到CMPR1寄存器，將1/2(T1+T2)的值寫入CMPR2寄存器。一般情況下，在使用空間矢量PWM時應滿足如下關系式：CMPR1≤CMPR2≤T1PR。比較寄存器CMPR3沒有用于空間矢量PWM輸出，它仍可應用于其他定時事件的發生。
4 實驗結果及分析
??? 針對上節的寄存器設置情況，生成的空間矢量PWM波形是關于每個PWM周期中心對稱的，因此稱其為對稱空間矢量PWM法，其波形示例如圖3所示。
?
??? 對六路PWM輸出口進行濾波并觀察其輸出波形，可得輸出波形如圖4所示。
?
??? 經濾波后PWM口輸出波形為饅頭波，表明由此觸發脈沖系統發出的脈沖波經過功率放大觸發DSTATCOM主電路逆變橋是正確合理的，能夠得到期望的正弦指令電壓。將此觸發系統應用到實際DSTATCOM裝置中進行了實驗，圖5和圖6為部分實驗結果。圖5為示波器測量的DSTATCOM裝置交流側輸出線電壓波形，可見其完全達到了期望的程度；圖6中，t1時刻裝置的給定無功電流指令由吸收無功電流轉變為發出無功電流，經過不到3個基波時間的調整，到t2時刻電流的相位基本滿足要求，超前電壓90°，且t2時刻電流的幅值比t1時刻電流幅值大的多。
?
?
??? 本文根據DSTATCOM觸發系統的具體要求，采用美國德州儀器公司的TMS320LF2407A DSP設計了脈沖觸發系統，此款DSP芯片在硬件上內置了PWM波形產生電路。與其他各種PWM脈沖波相比較，空間矢量脈寬調制（SVPWM）具有物理概念清晰，算法簡單，適用于數字實現，且電壓利用率高（其輸出線電壓基波最大幅值為直流側電壓），諧波含量低，開關損耗小（每次切換只牽涉兩相橋臂上最相鄰的兩個功率開關動作，開關次數少，在PWM頻率很高時，開關損耗明顯降低）以及硬件電路簡單等特點。本文采用SVPWM脈沖觸發原理設計了DSTATCOM的觸發系統，由DSTATCOM實際運行結果可見，此處設計實現的DSTATCOM觸發系統完全滿足裝置的實際需要。
參考文獻
[1] 高淼.自治型STATCOM觸發系統的研究[D].西安理工大學碩士學位論文集，2004.
[2] 劉文華，盧軍鋒，鄭征，等.基于SHE-PWM的DSTATCOM的控制器和脈沖發生器的設計[J].清華大學學報，2002，(9)：1188-1191.
[3] 劉和平，嚴利平，張學鋒，等.TMS320LF240X DSP結構原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.
[4] 魏文輝，劉文華，騰樂天，等.大容量鏈式STATCOM的基頻優化PWM控制[J].清華大學學報，2004，(10)：1306-1309.