基于OMAPL138+FPGA静止同步补偿器的无功补偿系统结构研究与实现

Posted 2021-07-27 专注DSP+ARM+FPGA

电力系统中日益多样化的非线性器件对供电系统造成冲击,导致供电端电压幅值波动明显、电力系统功率因数降低以及公网谐波增加等问题。同时,随着电子计算机技术和精密控制的高速发展,用户对于供电质量的要求也越来越高。这一电能矛盾加速了电力系统无功补偿技术的理论研究和工程应用。得益于开关器件性能的全面提升,无功补偿装置的调节效果也愈加出色,与同类无功补偿装置相比,静止同步补偿器（Static Synchronous Series Compensator,STATCOM）系统具有谐波小、动态调整范围大及可靠性高等优点,因此本文针对STATCOM控制系统的研究具有很高的价值。本文以电网中STATCOM装置为参考模型,研制了针对三相220V交流电的级联STATCOM通用化硬件装置,并基于OMAPL138及FPGA的操作平台实现控制策略软件设计。在硬件设计方面,本文将OMAPL138及XC6SLX16作为系统主处理器,并根据系统功能采用模块化硬件设计结构,以此搭建了由CPU模块、信号开入开出模块及驱动信号控制模块等构成的STATCOM系统硬件平台,同时为便于用户根据应用需求对功能模块灵活增删,装置硬件结构采用子母板插接的方式。在软件设计方面,本文以级联STATCOM数学模型及系统电路能量流关系为基础,采用分层化结构模式,根据STATCOM系统电流及电压的解耦方程设计了内环解耦控制、有功无功电流控制和级联单元均压控制为主的控制算法体系。同时,为应对STATCOM系统较强电磁干扰的工作环境,本文从电路设计、PCB布局布线、干扰源三方面入手,以提高系统的抗干扰性和保障传输信号的可靠性,并通过EMC测试验证了本文STATCOM装置的抗干扰性能。最后,利用MATLAB搭建H桥四级联STATCOM系统,在SIMULINK仿真模型中对本文采用的控制策略进行验证。在此基础上,将STATCOM系统仿真和硬件平台相结合,采用局部到整体的实验思路,从系统电流、电压信号采样和级联驱动信号隔离、放大两个模块的实验出发对系统无功补偿性能作测试。实验结果表明,本文设计的级联STATCOM硬件装置在实际运行中稳定可靠,且有效地实现了对三相220V交流电的无功补偿。

1 评估板简介

• 基于TI OMAP-L138（定点/浮点 DSP C674x+ARM9）+ Xilinx Spartan-6 FPGA处理器；
• OMAP-L138 FPGA 通过uPP、EMIFA、I2C总线连接，通信速度可高达 228MByte/s；OMAP-L138主频456MHz，高达3648MIPS和2746MFLOPS的运算能力；
• FPGA 兼容 Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45，平台升级能力强；
• 开发板引出丰富的外设，包含千兆网口、SATA、EMIFA、uPP、USB 2.0 等高速数据传输接口，同时也引出 GPIO、I2C、RS232、PWM、McBSP 等常见接口；
• 通过高低温测试认证，适合各种恶劣的工作环境；
• DSP+ARM+FPGA三核核心板，尺寸为 66mm*38.6mm，采用工业级B2B连接器，保证信号完整性； Ø
• 支持裸机、SYS/Bios 操作系统、Linux 操作系统。

图1 开发板正面和侧视图

XM138F-IDK-V3.0 是一款基于深圳信迈XM138-SP6-SOM核心板设计的开发板，采用沉金无铅工艺的4层板设计，它为用户提供了 XM138-SP6-SOM核心板的测试平台，用于快速评估XM138-SP6-SOM核心板的整体性能。

XM138-SP6-SOM引出CPU全部资源信号引脚，二次开发极其容易，客户只需要专注上层应用，大大降低了开发难度和时间成本，让产品快速上市，及时抢占市场先机。不仅提供丰富的 Demo 程序，还提供详细的开发教程，全面的技术支持，协助客户进行底板设计、调试以及软件开发。

2 典型运用领域
数据采集处理显示系统
智能电力系统
图像处理设备
高精度仪器仪表
中高端数控系统
通信设备
音视频数据处理

图2 典型应用领域