专利名称：一种基于混合混沌序列发生器的statcom控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于柔性输电系统(FACTS-Flexible Alternative Current
TransmissionSystem)静止同步补偿器(STATCOM-Static Synchronous Compensator)
设备和电力电子技术领域。具体涉及一种混合混沌序列发生器的STATCOM控制系统。
背景技术：
随着电网系统规模的扩大和传输功率不断加大，低频区域模式的阻尼在不断减 小，使得电力系统的低频振荡现象更加严重。近年来，为了提高现有输电系统的输电能力， 除了增加输电线路，柔性交流输电系统装置的广泛应用正在逐步取代传统的电力装置。STATCOM在电力系统中可以实现快速平滑地吸收感性和容性无功功率的目的，可 以更好的实现对无功功率的补偿，减少电压闪烁、实现电压稳定，阻尼次同步震荡、减少电 压和电流的不平衡，及其在配电网中用于改善电能质量等等，在调节系统电压、校正功率因 数、平衡负荷、滤除谐波等方面均具有很大的优势，并且它具有起动无冲击、调节连续、响应 快速、占地面积小等优点，目前已成为最有前途的无功补偿装置，在高压大容量电力系统中 飞速发展，是柔性交流输电系统的重要组成部件之一。STATCOM正以其众多的优越性成为研究热点，但是STATCOM是否可以很好的达到 在电力系统中期望的维持节点电压、阻尼系统振荡、提高输电系统静态稳定和暂态稳定等 作用，关键在于其控制器的设计水平。本发明基于STATCOM的工作原理、组成方式进行研 究，并提出了一种STATCOM控制器的设计框架，对其中的脉冲发生器使用CPLD进行设计，并 实现对逆变单元的CSPWM调制。本发明基于一种混合混沌序列发生器的STATCOM控制系统。针对STATCOM对逆变 单元的要求，利用CPLD的高速、并行处理能力和混合混沌序列特性，设计了 STATCOM的一种 混合混沌序列发生器。该发生器通过1/0 口接受数字信号处理器(DSP)写入的CSPWM(ChaoS SPWM)控制变量λ、δ，然后由CPLD定时产生CSPWM脉冲信号。CPLD在初始化后，可以独 立于DSP进行触发脉冲信号的形成。利用MAX+PLUS II平台，采用VHDL语言设计发生器的 数字逻辑，从而实现对STATCOM系统的CSPWM调制，实现对STATCOM的控制，达到更好的无 功补偿作用。
发明内容本发明的目的是提供一种混合混沌序列发生器的STATCOM控制系统，该系统利用 MAX+PLUS II平台，结合VHDL硬件描述语言对CPLD芯片的控制，通过1/0 口接受数字信号 处理器(DSP)写入的CSPWM控制变量δ、λ，然后由CPLD定时产生CSPWM脉冲信号，达到 对STATCOM的快速、准确的控制，及时实现对系统的无功补偿。本发明提供的基于混合混沌序列发生器的STATCOM控制系统，包括DSP单元用于数据采集、反馈和算法的实现，采集、变换现场信号，实现手动调 节、自动无功调节及多目标模糊控制功能，利用混合混沌序列实现SPWM调制，用来达到稳
4定电压、提高暂态稳定极限、阻尼振荡的目的，也用于STATC0M的调试和测试工作；控制脉冲的发生器单元由数据线及控制线与DSP单元连接，通过混沌序列控制 器产生脉冲信号去实现混合级联逆变器开关的开断，与DSP单元和功率驱动和保护相接功率驱动和保护单元保护STATC0M和功率驱动单元的的正常工作，与CPLD和脉 冲发生器相接混合级联多电平逆变器单元实现对电网的补偿作用，与脉冲信号发生器和电力 系统相接。(如图1)实现混合混沌序列的发生器单元实现控制的DSP单元连接于控制平台MAX+PLUS II，实现信号的双向传输，并与 CPLD连接，实现控制信号和数据信号的传输；脉冲发生单元(CPLD)，连接于DSP单元和功率 驱动单元；功率驱动单元与CPLD单元和控制脉冲发生器产生CSPWM的信号发生器单元相 连；混合级联多电平逆变器单元与控制脉冲发生器产生CSPWM的信号发生器单元连接，并 连接于电力系统，实现对电力系统的无功补偿功能。所述的脉冲发生单元包括同步脉冲发生器单元(见图3)控制器的结构关系，基于CAN总线的网络型 DSP+CPLD控制结构，通过CAN总线将STATC0M控制器的各个模块物理连接起来。所述的功率驱动和保护单元电路(见图4)包括光电隔离电路提供控制电路和主电路的电气隔离作用功率放大电路，分别由光电耦合器和功率放大器组成；起放大信号的作用。功率驱动管电路将输入脉冲信号经光电隔离、三极管进行放大，提供给功率开关 电路，当功率驱动电路接收到的比较单元的输入信号为1时，输出触发脉冲控制级联H桥电 路的导通；反之使其关断。所说的三相脉冲放大电路的一相包括放大“+Al”脉冲的驱动电 路，含光耦U9、二极管D1、电阻和三极管m ；放大“-Al”脉冲的驱动电路，含光耦U10、二极 管D2、电阻和三极管N2 ；放大“+A2”脉冲的驱动电路，含光耦U11、二极管D3、电阻和三极管 N3 ；放大“-A2”脉冲的驱动电路，含光耦U12、二极管D4、电阻和三极管N4 ；同理另外两相共 12个脉冲驱动电路。二极管D1、D2、D3和D4的作用是防止脉冲反向输入，保证电路正常工 作。所述的混合级联多电平逆变器结构(见图5，6)，包括储能装置电容，起电压支撑作用滤波装置滤波器，主要滤除高频和工频的整数次谐波分量。单模块的4个IGBT单元，N模块共计4*N个IGBT单元(图5)作为开关的功能， 对接收来的脉冲信号识别后，决定各组模块的开断。该电路工作原理为控制脉冲来自经过功率驱动电路放大处理后CSPWM信号，电 路中的4*N个IGBT单元随机的接收来自功率驱动电路的信号得以触发，实现级联型多电平 逆变器关、开功能。所述的实现混合混沌序列的发生器单元(图7，8)包括主要依据混合混沌序列(无限折叠混沌序列和Chebyshev混沌序列)的周期性和 快速实现均勻性，去调制STATC0M的SPWM实现对对逆变单元的调制。利用MAX+Plus II设 计平台实现混合混沌序列的发生器设计。
VHDL硬件描述语言主要用于描述控制系统的结构、行为和接口。控制系统的结构 用有限状态机描述，接口是指PC机与CPLD芯片的连接。CPLD芯片，包含有宏块，可编程的内部连线资源和基本逻辑门，其输出信号与功率 驱动电路连接，采用VHDL语言设计一个专用的SPWM脉冲发生器。CPLD芯片随时接收控制 器发出的指令信号，然后根据指令自行产生出具有死区的三相六路SPWM脉冲信号。同时触 发系统具有一定的保护功能，防止一旦逆变发生失败时，烧毁外围的设备。MAX+Plus II主要用于设计新器件和大规模CPLD/FPGA，使用简单，设计速度非常 快。本发明工作原理本案所涉及的基于混合混沌序列发生器的STATC0M控制系统旨在针对STATC0M 对逆变单元的要求，利用CPLD的高速、并行处理能力和混合混沌序列特性，设计了 STATC0M 的一种混合混沌序列发生器。该发生器通过I/O 口接受数字信号处理器(DSP)写入的 CSPWM (Chaos SPWM)控制变量λ、δ，然后由CPLD定时产生CSPWM脉冲信号。CPLD在初始 化后，可以独立于DSP进行触发脉冲信号的形成。利用MAX+PLUS II平台，采用VHDL语言 设计发生器的数字逻辑，从而实现对STATC0M系统的CSPWM调制，实现对STATC0M的控制， 达到更好的无功补偿作用。本发明的优点和积极效果(1)采用模块化结构使得各功能模块的程序编制相对于对STATC0M控制器进行整 体编程容易得多。(2)利用混合混沌序列实现对SPWM的调制。(3) STATC0M各功能模块的 输出数据易于监测，有助于STATC0M控制器的故障检测。(4)引入PC作为人机交互的接口， 使得对STATC0M的操作简单化。(5)由于PC的引入，便于底层协议与TCP/IP协议的连接， 因此可以通过与INTERNET连接，实现对STATC0M的远程控制。(6)控制器拥有全数字化、具 有部分保护功能、高速并行处理、采用先进的数据处理及控制算法等特点。
图1为本发明所涉一种混合混沌序列的STATC0M控制系统总体结构示意图。图2为本发明所涉一种混合混沌序列的STATC0M控制系统的脉冲发生单元的结构 示意图。图3为本发明所涉一种混合混沌序列的STATC0M控制系统的控制器的总体示意图。图4为本发明所涉一种混合混沌序列的STATC0M控制系统功率驱动电路结构示意 图。图5为本发明所涉一种混合混沌序列的STATC0M控制系统的混合型级联多电平逆 变器的单相结构图。图6为本发明所涉一种混合混沌序列的STATC0M控制系统的混合型级联多电平逆 变器的CSPWM的三相调制结构图。图7为本发明所涉一种混合混沌序列的STATC0M控制系统的混合混沌序列的产生 模块示意8为本发明所涉一种混合混沌序列的STATC0M控制系统的混合混沌序列实现流
6程图。
具体实施方式实施例1 一种基于混合混沌序列发生器的STATC0M控制系统(见图1)本系统由以下单元 组成实现控制的DSP单元，脉冲发生单元，功率驱动单元，控制脉冲的发生器单元，功 率驱动单元，混合级联多电平逆变器单元，及实现混合混沌序列发生器单元，连接于电力系 统中实现对电力系统的无功补偿功能。数据采集、反馈和算法实现的DSP单元(图2，3)采集、变换现场信号如系统电 压、STATC0M装置的输出电流和直流侧电压等；实现手动调节、自动无功调节及多目标模糊 控制等功能；用来达到稳定电压、提高暂态稳定极限、阻尼振荡的目的，也用于STATC0M的 调试和测试工作。本设计的主要特色是利用混合混沌序列实现SPWM调制。远程监控与保护用来对控制脉冲的故障进行监控、诊断并实施保护动作(图2)。同步脉冲发生器单元(见图3)，根据DSP控制器发出的IGBT控制角，产生高精度 的IGBT触发脉冲。实现混合混沌序列发生器单元(图7，8)，主要依据混合混沌序列(无限折叠混沌 序列和Chebyshev混沌序列)的周期性和快速实现均勻性，去调制STATC0M的SP丽实现对 对逆变单元的调制。利用MAX+Plus II设计平台实现混合混沌序列的发生器设计。功率驱动电路(见图4)包括光电隔离电路和功率放大电路，分别由光电耦合器和 功率放大器组成；功率驱动管电路将输入脉冲信号经光电隔离、三极管进行放大，提供给功 率开关电路，当功率驱动电路接收到的比较单元的输入信号为1时，输出触发脉冲控制级 联H桥电路的导通；反之使其关断。所说的三相脉冲放大电路的一相包括放大“+Al”脉冲 的驱动电路，含光耦U9、二极管D1、电阻和三极管m ；放大“-Al”脉冲的驱动电路，含光耦 U10、二极管D2、电阻和三极管N2 ；放大“+A2”脉冲的驱动电路，含光耦U11、二极管D3、电阻 和三极管N3 ；放大“-A2”脉冲的驱动电路，含光耦U12、二极管D4、电阻和三极管N4 ；同理另 外两相共12个脉冲驱动电路。二极管D1、D2、D3和D4的作用是防止脉冲反向输入，保证电 路正常工作。混合级联多电平逆变器单元指由混合级联多电平逆变器组成的逆变单元(见图 5,6)包括储能装置、滤波装置、耦合电容、单模块的4个IGBT单元，N模块共计4*N个IGBT 单元。该电路工作过程为控制脉冲来自经过功率驱动电路放大处理后CSPWM信号，电路中 的4*N个IGBT单元随机的接收来自功率驱动电路的信号得以触发，实现级联型多电平逆变 器关、开功能。VHDL硬件描述语言主要用于描述控制系统的结构、行为和接口。控制系统的结构 用有限状态机描述，接口是指PC机与CPLD芯片的连接。CPLD芯片，包含有宏块，可编程的内部连线资源和基本逻辑门，其输出信号与功率 驱动电路连接，采用VHDL语言设计一个专用的SPWM脉冲发生器。CPLD芯片随时接收控制 器发出的指令信号，然后根据指令自行产生出具有死区的三相六路SPWM脉冲信号。同时触 发系统具有一定的保护功能，防止一旦逆变发生失败时，烧毁外围的设备。
MAX+Plus II主要用于设计新器件和大规模CPLD/FPGA，使用简单，设计速度非常快。
权利要求
1.一种基于混合混沌序列发生器的STATC0M控制系统，其特征在于该系统包括DSP单元用于数据采集、反馈和算法的实现，采集、变换现场信号，实现手动调节、自 动无功调节及多目标模糊控制功能，利用混合混沌序列实现SPWM调制，用来达到稳定电 压、提高暂态稳定极限、阻尼振荡的目的，也用于STATC0M的调试和测试工作；控制脉冲的发生器单元由数据线及控制线与DSP单元连接，通过混沌序列控制器产 生脉冲信号去实现混合级联逆变器开关的开断，与DSP单元和功率驱动和保护单元相接；功率驱动和保护单元保护STATC0M和功率驱动单元的的正常工作，与CPLD和脉冲发 生器相接；混合级联多电平逆变器单元实现对电网的补偿作用，与脉冲信号发生器和电力系统 相接；实现混合混沌序列的发生器单元功率驱动单元与CPLD单元和控制脉冲发生器产生 CSPWM的信号发生器单元即实现混合混沌序列发生器单元相连；混合级联多电平逆变器单 元与控制脉冲发生器产生CSPWM的信号发生器单元连接，并连接于电力系统，实现对电力 系统的无功补偿功能。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述的控制脉冲的发生器单元包括 同步脉冲发生器发生器的结构关系，基于CAN总线的网络型DSP+CPLD控制结构，通过CAN总线将STATC0M控制器的各个模块物理连接起来。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述的功率驱动和保护单元电路包括光电隔离电路提供控制电路和主电路的电气隔离作用； 功率放大电路分别由光电耦合器和功率放大器组成；起放大信号的作用； 功率驱动管电路将输入脉冲信号经光电隔离、三极管进行放大，提供给功率开关电 路，当功率驱动电路接收到的的输入信号为1时，输出触发脉冲控制级联H桥电路的导通; 反之使其关断；所说的功率放大电路的一相包括放大“+Al”脉冲的驱动电路，含光耦U9、二极管D1、电 阻和三极管m ；放大“-Al”脉冲的驱动电路，含光耦U10、二极管D2、电阻和三极管N2 ；放大 “+A2”脉冲的驱动电路，含光耦U11、二极管D3、电阻和三极管N3 ；放大“-A2”脉冲的驱动电 路，含光耦U12、二极管D4、电阻和三极管N4 ；同理另外两相共12个脉冲驱动电路；二极管 D1、D2、D3和D4的作用是防止脉冲反向输入，保证电路正常工作。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述的混合级联多电平逆变器结构， 包括储能装置电容，起电压支撑作用；滤波装置滤波器，主要滤除高频和工频的整数次谐波分量；单模块的4个IGBT单元，N模块共计4*N个IGBT单元作为开关的功能，对接收来的脉 冲信号识别后，决定各组模块的开断；该电路的控制脉冲来自经过功率驱动电路放大处理 后CSPWM信号，电路中的4*N个IGBT单元随机的接收来自功率驱动电路的信号得以触发， 实现级联型多电平逆变器关、开功能。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述的实现混合混沌序列的发生器单 元包括主要依据混合混沌序列即无限折叠混沌序列和Chebyshev混沌序列的周期性和快速 实现均勻性，去调制STATC0M的SPWM实现对对逆变单元的调制；利用MAX+Plus II设计平 台实现混合混沌序列的发生器设计。
全文摘要
一种基于混合混沌序列发生器的STATCOM控制系统。包括DSP单元、控制脉冲的发生器单元、功率驱动和保护单元、混合级联多电平逆变器单元等。本发明针对STATCOM对逆变单元的要求，利用CPLD的高速、并行处理能力和混合混沌序列特性，设计了STATCOM的一种基于混合混沌序列发生器的STATCOM控制系统。利用MAX+PLUS II平台，采用VHDL语言设计了混合混沌序列发生器的数字逻辑，从而实现对STATCOM系统的CSPWM调制，实现对STATCOM的控制，达到更好的无功补偿作用。
文档编号H02J3/18GK102004455SQ20101028949
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月25日 优先权日2010年9月25日
发明者刘一琦, 周雪松, 李满, 陈浩, 马幼捷 申请人:天津理工大学