66kVA單相STATCOM軟件詳細設計說明書

6.6kVA單相STATCOM軟件詳細設計說明書編寫：魏曉剛校核： 批準： 日期： 目錄目錄概述控制功能需求硬件資源介紹硬件資源分配軟件流程框圖1概述1.1編寫目的本詳細設計說明書的編寫目的是為了說明程序系統(tǒng)的各個層次中的每個軟件對象（包括每個模塊和程序）的設計考慮，每個功能模塊的具體實現(xiàn)等。1.2項目概況項目名稱：6.6kVA單相STATCOM軟件詳細設計。項目背景：單相STATCOM采用電壓型全橋電路拓撲，其結(jié)構(gòu)圖如圖1。!LT1；1叮1[c二T2；—圖1單相STATCOM電路結(jié)構(gòu)圖電路采用單極性倍頻調(diào)制方式，開關(guān)頻率15kHz,電壓電流雙環(huán)控制。電壓環(huán)穩(wěn)定直流側(cè)電壓，電流環(huán)跟蹤指令電流。對負載電流中無功、諧波的檢測采用基于傅里葉分析的方法，采用捕獲電網(wǎng)電壓上升沿來跟蹤電網(wǎng)電壓相位。其整個控制框圖如圖2。iusicSIN兇i+ipiL-.*LqhLoad-1U _I^^DCiusicSIN兇i+ipiL-.*LqhLoad-1U _I^^DCre^—提取無功廠諧波電流電流控制器電壓控制器鎖相PWM"SIN圖2控制框圖控制功能需求根據(jù)單相STATCOM的詳細參數(shù)設計報告，其軟件部分控制功能需求如下：1、 實現(xiàn)開機軟啟動。2、 各種保護功能，包括補償電流、電網(wǎng)電壓、直流側(cè)電壓瞬時值保護；補償電流、電網(wǎng)電壓有效值保護；直流側(cè)電壓平均值保護；硬件保護信號讀取。3、 逐周期限流實現(xiàn)。4、指令電流限幅。5、 通過CAN實現(xiàn)與上位機通信。6、 溫度開關(guān)信號讀取。7、 電壓環(huán)PI穩(wěn)定直流側(cè)電壓。8、電流環(huán)PI跟蹤指令電流變化。軟件控制系統(tǒng)圖如圖3所示。圖3軟件控制系統(tǒng)圖硬件資源介紹DSP2407控制平臺主要用到以下幾個模塊：

圖4DSP2407控制平臺各個模塊功能介紹如下：1、模擬信號調(diào)理模塊：該模塊主要對通過傳感器采樣回來的電網(wǎng)電壓、負載電流、補償電流、直流側(cè)電壓四路模擬信號進行調(diào)理，然后送至DSP2407的10位ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，為后續(xù)計算控制做準備。2、開關(guān)信號調(diào)理：該開關(guān)信號為75°溫度開關(guān)信號，主要用來檢測溫開狀態(tài)，執(zhí)行相應的程序。3、PWM驅(qū)動放大：對DSP產(chǎn)生的PWM波形進行放大隔離。4、開關(guān)輸出放大：對DSP輸出信號進行放大，主要用于控制預充電繼電器、交流接觸器繼電器。5、保護信號輸出：對DSP產(chǎn)生的各種保護信號，進行放大輸出至相應指示燈，指示相應的保護類型。6、CAN驅(qū)動：提供對CAN總線的差動發(fā)送和接收功能。硬件資源分配該項目所用芯片為TI公司的TMS320LF2407芯片，其硬件資源分配如下表1所示。表1DSP2407硬件資源分配表序號板上資源信號名稱信號含義額定幅值允許范圍傳感器調(diào)理電路傳遞系數(shù)傳遞系數(shù)1AIN3Us電網(wǎng)電壓220*1.4140?530V264/3.5310/432AIN8Ude直流側(cè)電壓3800?450V10/251/13AIN9IL負載電流100*1.4140~110A200/100m2/14AIN10IC補償電流30*1.4140?66A100/50m100/200序號板上資源信號名稱信號含義引腳功能保護閥值5I0PA1IOusOV電網(wǎng)電壓過壓保護輸出IO270*1.4146I0PC3IOusUV電網(wǎng)電壓欠壓保護輸出IO180*1.4147I0PC4IOudcOV直流過壓保護輸出IO4208I0PE7IOicOI輸出過流保護輸出IO45*1.414序號板上資源信號名稱信號含義引腳功能9IOPA3USCAP電網(wǎng)電壓捕獲基本功能10IOPE1Pro-temp溫開狀態(tài)檢測輸入IO11IOPE2Pro-hd硬件保護狀態(tài)檢測輸入IO

12PWM1PWM1驅(qū)動脈沖1基本功能13PWM2PWM2驅(qū)動脈沖2基本功能14PWM3PWM3驅(qū)動脈沖3基本功能15PWM4PWM4驅(qū)動脈沖4基本功能16IOPC2IOK1繼電器信號（交流接觸器）輸出IO17IOPC5IOK2繼電器信號（預充電繼電器）輸出IO18CANTXCANTXCAN發(fā)生腳基本功能19CANRXCANRXCAN接收腳基本功能軟件流程框圖根據(jù)上述控制功能需求分析，該程序主要設計了以下幾個功能模塊：系統(tǒng)初始化模塊變量初始化模塊、啟動模塊、定時器中斷模塊、CAP捕獲中斷模塊、CAN接收中斷模塊。以下對上述幾個模塊做詳細介紹。各變量含義見程序注釋與EXCELE文件“變量注釋”系統(tǒng)初始化模塊系統(tǒng)初始化模塊主要是對系統(tǒng)需要用到的各功能模塊使能并進行初始化配置，包括I/O口初始化、ADC采樣初始化、捕獲初始化、定時器Tl、T3）初始化、PWM初始化、CAN初始化。I/O初始化根據(jù)表1通過寄存器MCRx將DSP各復用引腳設置成相應的基本功能或者一般I/O功能，對于一般I/O功能，我們可通過寄存器PxDATDIR，設置其輸入輸出方向。ADC采樣初始化使能CAP1,T2選作時基，檢測上升沿級連工作模式，EVA觸發(fā)源啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換，預定標系數(shù)ACQPS3-PS0為4（0100）,最大轉(zhuǎn)換通道數(shù)4路，轉(zhuǎn)換順序為AIN3、AIN8、AIN9使能CAP1,T2選作時基，檢測上升沿、、、、ADC_INT配置ADCTRL1ADC時鐘預定標（TCLK二配置ADCTRL1ADC時鐘預定標（TCLK二CLK/1）排序器的工作模式（級聯(lián)）啟動/停止模式 —轉(zhuǎn)換順序（AIN3、8、9、10配置T2（連續(xù)增計數(shù)、128分頻、禁止比較）T2PR=0FFFFH—T2CNT-0使能CAP1中斷5.1.3捕獲初始化選擇CAP1作為捕獲口，捕獲上升沿，選用通用定時器2作為時基5.1.4定時器（Tl、T3）初始化通過通用定時器T1來設置采樣頻率與PWM波頻率——15kHz,定時器T1設置為連續(xù)增減計數(shù)模式，下溢中斷使能并啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換。定時器T3作為一個時間片，連續(xù)增計數(shù)模式，周期為2ms（初始化時周期中斷禁止，后期將會使能周期中斷）。5.1.5PWM初始化這里通過EVA的比較單元1、2來產(chǎn)生PWM1?4,初始設置PWM1、3高有效，PWM2、4低有效，死區(qū)設置為3us。設置比較寄存器CMPR1=CMPR2=1334（初始占空比為0）設置比較方式控制寄存器

PWM2、4低有效，1、3設置比較寄存器CMPR1=CMPR2=1334（初始占空比為0）設置比較方式控制寄存器

PWM2、4低有效，1、3高

有效-單極性倍頻調(diào)制

（PWM2、3低有效,1、4

高有效-雙極性調(diào)制）TI下溢啟動ADC圖7PWM初始化圖8CAN初始化5.1.6CAN初始化使能郵箱MBOXO、MBOX1、MBOX2、MBOX3，其中郵箱0、1為接收郵箱（MBOXO接收開關(guān)機指令，MBOX1接收電容投切狀態(tài)），郵箱2、3配置為發(fā)送郵箱（向上位機發(fā)送電網(wǎng)電壓有效值、補償電流有效值（極性）、保護信號、負載電流、負載有功電流、負載無功電流）。波特率為125Kb/s，局部接收屏蔽高位寄存器。表2CAN初始化功能標識符數(shù)據(jù)MBOX0接收（接收中斷）MSGID0H=xCAAAMSGID0L=x3333開關(guān)機指令MBOX1接收（接收中斷）MSGID0H=xCAAAMSGID0L=x7777電容投切狀態(tài)MBOX2發(fā)送（自動應答遠程幀）MSGID0H=xEAAAMSGID0H=x5555MBX2A=realusMBX2B=ICrms（極性）MBX2C—握手信號MBX2D—保護信號MBOX3發(fā)送（自動應答遠程幀）MSGID0H=xEAAAMSGID0H=x6666MBX3A=icrmsrealMBX3B=ilprmsrealMBX3C=ilqrmsrealMBX3D=ilqhrmsreal禁止所有可屏蔽中斷5.1.7系統(tǒng)初始化流程圖禁止所有可屏蔽中斷通過SCSR1使能ADC、CAN、禁止看門狗EVA、EVB模塊禁止看門狗通過控制寄存器一般I/O引腳數(shù)據(jù)方向設置定時器T1設置MCRA/B/C一般I/O引腳數(shù)據(jù)方向設置定時器T1設置圖9系統(tǒng)初始化5.2變量初始化該模塊主要是對各個變量進行初始化，為后續(xù)計算控制做準備。各個變量的含義詳見程序注釋。這里列出幾個變量。變量CAP_CNT變量CAP_CNT（初始值300）為計數(shù)器，計算一個工頻周期（50Hz）內(nèi)發(fā)生的TK15kHz）中斷次數(shù)（300次），并用來判斷捕獲正確與否。若發(fā)生捕獲中斷且CAP_CNT的值大于290,則可認為是實捕獲。變量CNT變量CNT（初始值300）為一個工頻周期內(nèi)采樣的次數(shù)，在程序中用作除數(shù)，用來計算直流電壓平均值、采樣變量內(nèi)直流分量等。變量CNT_DC變量CNT_DC（初始值1200）用于計算各采樣對象（us、il、ic）的直流分量，相當于時間片。每個T1下溢中斷其值減一，當CNT_DC值為0時，共經(jīng)歷了4個工頻周期（80ms）。將每個工頻周期采樣回來的值累加求平均，可得直流分量（一個工頻周期內(nèi)交流分量累加和為0）。變量FLAGS_FIRST變量FLAGS_FIRST（初始值1）為標志位，其值為0或1,用于逐周期限流。變量Sintable[]變量Sintable[]為正弦表，可用于計算負載電流有功、無功分量幅值。5.3啟動模塊啟動模塊完成對設備的啟動過程。啟動初始PWM禁止——Dpwm（）,給繼電器K2高電平——PULL_K2_UP（）,串入預充電電阻給直流側(cè)電容進行充電。2s后（count_pwm=1000時）給繼電器K1高電平——PULL_K1_UP（）,控制交流接觸器吸合。1s后（count_k1=1500時）使能PWM Epwm（），進行PWM整流，將直流側(cè)電壓升至380V。count_pwm、count_k1用于規(guī)劃時間，其值每增加1代表2ms（1000*2ms=2s）。PWMREC_OVER、FLAGS_SOFTSTAR、FLAGS_STAR_FUNC為狀態(tài)標志位，其值可為0或1°PWMREC_OVER標志預充電狀態(tài)，1代表預充電結(jié)束。FLAGS_STAR_FUNC為1標志STAR_FUNC（void）結(jié)束，F(xiàn)LAGS_SOFTSTAR為1標志進入PWM整流階段（此時使能PWM），當直流側(cè)電壓為380V時，設其值為0,標志PWM整流結(jié)束。CLEAR_PI=1標志此時初始化PI環(huán)相關(guān)變量，為后續(xù)PI控制（升壓、跟蹤電流）做準備。其流程圖如下圖所示。

圖10啟動流程圖5.4定時器下溢中斷定時器下溢中斷在此起著十分重要的作用，完成許多重要功能。包括數(shù)據(jù)采樣、瞬時值保護、逐周期限流、滑窗迭代計算、負載無功有功幅值計算、指令電流計算、電流環(huán)PI、PWM生成等。電壓電流

瞬時值保護逐周期限流根據(jù)電容狀態(tài)計算

指令無功電流確定電流極性..補償Nilqh=O5：計算us*us、ic*ic、 ilsin、|ilcos——限定指令無功電流補償電流換算

成實，際值滑窗迭代求電網(wǎng)電壓

補償電流平方累加和

直流電壓累加和計算指令電流ilqh電壓電流

瞬時值保護逐周期限流根據(jù)電容狀態(tài)計算

指令無功電流確定電流極性..補償Nilqh=O5：計算us*us、ic*ic、 ilsin、|ilcos——限定指令無功電流補償電流換算

成實，際值滑窗迭代求電網(wǎng)電壓

補償電流平方累加和

直流電壓累加和計算指令電流ilqh（負載無功+諧波）電流環(huán)PI電流環(huán)輸出限幅滑窗迭代求ilsin、ilcos累加禾口—滑窗迭代計算ilqh平方累加和—改變比較寄存器幅值負載電流有功無功幅值計算—負載電流有功無功瞬時值峰值電流限幅溫度保護電流減半返回圖11定時器下溢中斷5.5CAP捕獲中斷該模塊主要是對電網(wǎng)電壓相位進行捕獲。在該中斷中主要完成了以下幾個功能：1、判斷是否是實捕獲；2、實捕獲則正弦表指針指向正弦表表首，捕獲電網(wǎng)電壓相位；3、 直流側(cè)電壓軟起，其基準UDCref從584（311V）加至714（380V）（每個捕獲中斷其值加1）；4、 電流峰值限幅；5、 硬件保護檢測。捕獲中斷仝：.實捕獲結(jié)束正弦表指針

指向表首不控整流結(jié)束:：'PI相關(guān)變量初始化

（僅在第一次）圖13CAN接收中斷使能PWM（僅在第一次）N捕獲中斷仝：.實捕獲結(jié)束正弦表指針

指向表首不控整流結(jié)束:：'PI相關(guān)變量初始化

（僅在第一次）圖13CAN接收中斷使能PWM（僅在第一次）N 時間計數(shù)器+1禁止PW「MI電壓基準+1

（直到目標值）不控整流結(jié)束有效值、平均值保護（封驅(qū)動、斷繼電器、置標志位）—電壓環(huán)PI

將比例、積分換成累加和形式電流峰值限幅電流峰值限幅檢測硬件保護

并置相應標志位有效值計算平均值計算電壓環(huán)輸出限幅電壓環(huán)輸出作為電流環(huán)給定的一部分返回檢測硬件保護

并置相應標志位有效值計算平均值計算電壓環(huán)輸出限幅電壓環(huán)輸出作為電流環(huán)給定的一部分返回圖12捕獲中斷圖14圖12捕獲中斷5.6CAN接收中斷CAN接收中斷，接收上位機發(fā)來的信號，郵箱MBOX0接收上位機發(fā)來的開關(guān)機指令,郵箱MBOX1接收由上位機發(fā)來的電容投切狀態(tài)，以調(diào)整指令電流大小。5.7T3周期中斷T3周期中斷完成以下幾個功能：1、 每個周期為2ms,可用作時間片基準（如預充電延時2s、交流接觸器延時Is）；2、 電網(wǎng)電壓、補償電流有效值計算，直流側(cè)電壓平均值計算；3、 電網(wǎng)電壓、補償電流有效值保護,直流側(cè)電壓平均值保護；4、 電壓外環(huán)PI計算。5.8電流峰值限幅主要完成對指令電流限幅,當指令電流（負載無功加諧波電流）峰值大于最大允許值時需要對電流峰值進行限幅,防止電流超出設備承受范圍。本設計采用比例法對電流進行限幅,i*當電流i大于最大允許值i*時，對其進彳丁限幅i=k*i，其中k=一（kW1）,i為電流峰newimm值。通過上述方法可以將電流成比例的減小，并保證限幅后的電流峰值為允許最大值，實現(xiàn)最大化補償。其整個原理如圖所示。T1周期內(nèi)：在t0~t1階段，i<i*,inew=i;在t1~t2階段，i>i*,k1=i*/i,inew=iXk1=iX（i*/i）=i*,t2時刻找出最大值im1。在t2~t3階段，k2=i*/im1,inew=iXk2。在T1周期內(nèi)，找出最大點im1，并求得k2=i*/im1,可作為下個周期地參考。T2周期內(nèi)：在t3~t5階段，i<im1,inew=i^k2，并在t5時刻i=i*。在t5~t6階段,i>iml,k3=i*/i,inew=iXk3,t6時刻找出比im1大的點im2,用于計算k值。在t6~t7階段,k4=i*/im2,inew=iXk4.T3周期內(nèi)：在t7~t8階段,i<im2，此時表明電流已開始下降，但最大點im3任然大于i*,inew=iXk4。得到的inew最大點應該小于i*。T4周期內(nèi)：從上一個周期可知，電流已經(jīng)開始下降，這時可求出最合適的k值：k5=i*/im3,以保

證電流不會過多地減?。═3周期得到的電流已過多減?。Ｔ趖8~t9階段，iWim3,不用重新計算k值，inew=Mk5,可以保證inew最大值為i*。下圖為使用DSP實現(xiàn)上述功能。在一個工頻周期（50Hz）內(nèi)會產(chǎn)生300次T1下溢中斷（15kHz）,在T1下溢中斷內(nèi)對負載電流采樣，并求得初始指令電流。通過比較判斷找出一個工頻周期內(nèi)最大峰值，并計算出k值。在CAP中斷內(nèi)可判斷過去兩個周期電流峰值變化情況（增大或減?。?，并修正K值。.i_maxTi」max|yMAINLOOP=i*/im1k=i*/i*/im2‘i*/im3im30T1T2T3T4*tonFLAGS_COUNT^=1Y—k=i*/i—kmm22t43t5t6iii_mcxN」maxi_maxTT2CAP中斷儲存上一個周期電流峰值rri?i_maxiL=i_maxi=imii_maxT=IMAXi_maxTL>=i_max'i-mazim.i_maxTi」max|yMAINLOOP=i*/im1k=i*/i*/im2‘i*/im3im30T1T2T3T4*tonFLAGS_COUNT^=1Y—k=i*/i—kmm22t43t5t6iii_mcxN」maxi_maxTT2CAP中斷儲存上一個周期電流峰值rri?i_maxiL=i_maxi=imii_maxT=IMAXi_maxTL>=i_max'i-mazim1imaxN=im1 flagscount主=0i_maxT/imaxT1下溢中斷（300次）T2找出該周期中電流峰im2i_maxT=im2i_maxN=im2im2>imi i_rnax=im2k=IMAX/imaximaxT——.imaxNimaxCAP中斷儲存上一個周期電流峰值rri?i_maxiL=i_maxi=im2i_maxT=IMAXi_maxTL>=i_max、^-_max~=m2imaxN=im2 flagscountk=oT3.i_maxT'_max下溢中斷（300次）T4找出該周期中流峰im3i_maxT=im下溢中斷（300次