基于DSP+CPLD的超导磁储能系统控制器研究

【摘 要】本文介绍了超导磁储能（SMES）系统的总体结构，推导了控制算法的基本原理，提出了一种基于数字信号处理器（DSP）和可编程逻辑控制器件（CPLD）相结合的控制策略。其中，DSP 用于采样和数据计算，CPLD 用于产生PWM信号。此控制策略简化了硬件和软件设计，并充分利用CPLD的快速性，节省CPU的资源，可以实现复杂控制。

【关键词】超导磁储能；数字信号处理器；CPLD；PWM

1. 引言

超导磁储能（superconducting magneitic energy storage，缩写为SMES）是基于现代电力电子技术发展的一种新的储能方式，它以其快速而独立的功率双向调节功能成为高新技术研究的热点[1]。SMES最大的优越性在于其能快速地与系统进行有功和无功交换，而且有功无功的交换可四象限独立进行。控制器和控制策略的设计非常关键，它是决定SMES装置能否与电网良好的匹配，并根据不同的控制目标最大限度的改善电力系统性能的主要因素。本文提出的将数字信号处理器和可编程逻辑控制器件相结合的数字控制方法，具有抗干扰、控制精度高等优点。实践证明，该技术具有广泛的推广应用前景。

2. SMES系统的总体结构和变换器结构

2.1 超导储能系统总体结构由超导线圈、制冷装置、变流器、控制器和保护电路等几部分组成。其结构图如图1所示[2]。

图2 多模块并联的电流型组合变流器结构2.2 从变流器“基本单元并联”的思想出发，采用将多个模块直接并联的电流型组合变流器结构，其结构图如图2所示。 当超导储能系统需要大容量的变流器时，可通过直接并联模块数目来改变变流器总功率容量。当模块数变化时，只需对保护设定和软件中若干参数做调整，无需改动其他硬件，因此易于实现扩展。

3. 控制算法研究

3.1 基于赤木泰文[3]定义的瞬时实功率和瞬时虚功率，在三相电路中通常称为瞬时有功功率p和瞬时无功功率q。有：

P=uaia+ubib+ucic

q=1 3 [ubcia+ucaib+uabic ] （1）

在三相电压对称的电网中，三相电流和三相电压之和为零，即：

isa+isb+isc =0

usa+usb+usc =0 （2）

3.2 令SMES接入点处的电流等于变流器调制电流的滤波电流，即isn=icn ，其中 n=a，b，c在调制过程中，设变流器直流侧电流idc 恒定，变流器工作在三逻辑SPWM调制方式，其直流侧可以等效为一个电流源，用三值逻辑开关函数Yn来描述其交流侧的电流，有：

in（t） =Yn（t） ·Idc （3）

因此可得： ia（t）=Ya（t）·Idc

将Yn经过傅立叶变换，得：

Ya=∑∞n=2m+1ynsin（nωt+θn） m0 （4）

其中，基波幅值 y1=32x1。

交流侧电流的基波幅值为：

Icn=y1Idc+ 32M·Idc ，n=a，b，c （5）

式中，M 为SPWM的幅度调制比； Idc 为直流电流。设电压和电流之间的相位差为 α，利用三角恒等式可得：

Psm= 32UsIscosα= 334 UsMidc cosα

qsm= 32UsIssinα= 334 UsMidc sinα （6）

式中， Us、Is分别为电网中SMES接入点处变流器的基波电压和电流的幅值。SMES的功率调节目的是跟踪给定的有功无功功率参考值，设 Uph为交流侧电压的有效值，则有 Uph=2Us。将设定值pr 和 qr代入式（6）得：

α=f（pr ， qr） =arctan（qrpr ）

M=g（pr ， qr） = 22pr2+qr233Uphidc （7）

3.3 通过直接调节M 和α ，可以实现SMES和电网之间按照给定的功率参考值交换有功和无功功率。

4. CPLD与DSP构成的控制系统

采用基于DSP（Digital Signal Processing 数字信号处理）和CPLD（Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件 ）相结合的控制系统。DSP选用TMS320LF2407A芯片，CPLD选用EPM1270T144C5芯片[4]。结构图如图3所示。DSP接到中断信号后进行采样计算，用DSP的时钟驱动CPLD的时序进行数据处理，两者时钟完全同步，运算和控制信号由DSP给出，通过总线将信号按照正确的时序送到CPLD中，在CPLD中有数据锁存单元、三角波发生器、比较单元。数据锁存单元将各个桥臂的信号数据锁存，在三角波发生器给出的确定时刻，将其送到比较单元与计数器进行比较产生SPWM信号。

5.1 用C语言进行编程，主程序的流程图如图4、图5所示。如流程图4所示：首先，DSP对寄存器和I/O口进行初始化，接着对变流器直流电流的过流标志位进行检测，看它是否为1。如果是立即调用限流子程序对超导线圈中的电流进行限制，防止超导线圈发生过流现象。然后判断超导储能系统的变流器所处的状态：（1）充磁状态；（2）放磁状态；（3）功率交换状态。如果超导储能系统的变流器处于充磁状态，此时需要调用充磁子程序来控制超导线圈中的充磁电流；果超导储能系统的变流器处于充磁状态，就需要调用放磁子程序来放掉超导线圈中的电能；若两种状态都不是，则变流器处于功率交换状态。此时要控制变流器进行有功功率和无功功率的交换：首先要将需要补偿的有功功率和无功功率的值经过比例积分环节，并要对结果进行限幅，接着利用公式计算出SPWM调制所需的相位角 α和幅度调制比M。最后利用总线将此M和α 的值发送给CPLD。同时，要调用SCI发送子程序利用查询方式向主机PC传送信息。CPLD内部的软件结构如图5示。

（1） 三角载波计数器。三角载波计数器是由可依次加减交替计数的可逆计数器构成。载波周期值Tc取决于两个因素，一是计数脉冲周期Tit，二是载波的幅值Peak。它们之间的关系为：

Tc=2× Tit×Peak （8）

在CPLD内设置载波幅值寄存器，保存载波最大计数值Peak。该值可由DSP发送数据来更新，从而改变三角载波的周期和频率，以实现同步或分段同步调制的目的。此外，N个CPLD由于采用同一个晶振提供时钟信号，可严格保证各片的载波计数的同步性。在CPLD开始工作时，一定要保证两个载波计数器的计数初值和加减状态，从而保证载波计数器严格错开360°/N的载波角度。

（2） 脉冲数据锁存器。CPLD接DSP发送的数据。在CPLD内设置译码器，以保证不同的寄存数据发送到相应的寄存单元中。为了保证PWM脉冲的正确实现，三角载波计数值必须在从0增加时同步的与脉冲关断时间比较，才能产生正确的PWM脉冲。而DSP通过总线发送给CPLD的脉冲低电平时间数据是依次的，并不是同步的。所以要设置二级的缓冲寄存器，以保证三相桥臂的脉冲低电平数据同时进入比较器，与三角载波比较。

（3） 数值比较器。数值比较器将三角载波计数值与三个脉冲低电平时间数据相比较，产生三路PWM信号。根据比较原理，比较结果采用载波计数值大于等于脉冲低电平时间数据时翻转。比较产生的PWM信号再经过D触发器，消除比较过程产生的干扰脉冲。

（4） 死区发生器。它由死区计数器和一些时序逻辑组成。在每个信号的上升沿，将信号经过一段死区时间延时后再输出，死区时间由死区计数器计至一定的数值来控制[5]。

6. 结语

先进的DSP+CPLD 使超导磁储能系统结构更加紧凑，因而提高了抗干扰性，保证了系统运行的实时性和稳定性。为最新的数字控制器件构成系统应用于电力电子装置做初步探索。

参考文献

[1] 唐跃进，石晶，任丽.超导磁储能系统及其在电力系统中的应用[M]，中国电力出版社，北京，2009.5.

[2] 谢小荣，姜其荣.柔流输电系统的原理与应用[J]，华大学出版社2006.9.

[3] 唐蕾，陈维荣.瞬时无功功率理论坐标变换的推导及谐波电流检测原理分析[J] 2008，2.

[4] Texas Instruments Incorporated 著，徐科军等译， TMS320LF/LC24系列DSP的CPU与外设[M]，清华大学出版社，北京，2004.4.

[5] 叶剑利.CPLD在电力电子变换技术中的应用[D].浙江：浙江大学，2004.