基于μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)的TCSC實(shí)驗(yàn)控制器前置單元設(shè)計(jì)

　　可控串聯(lián)補(bǔ)償( TCSC) 是柔性交流輸電系統(tǒng)( FACTS)概念提出后的第一個(gè)FACTS裝置。 由于TCSC直接串入輸電線路,可以連續(xù)、快速、大范圍地調(diào)節(jié)線路阻抗(本身的阻抗從容性到感性變化) ,和其自身的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控( SCADA)系統(tǒng)相配合,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方阻抗和功率潮流調(diào)節(jié),平息地區(qū)性功率振蕩,提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性,抑制次同步諧振。 本文通過(guò)一個(gè)在研項(xiàng)目——福建-華東電網(wǎng)互聯(lián)的可控串補(bǔ)研究,詳細(xì)介紹了可控串聯(lián)補(bǔ)償( TCSC)實(shí)驗(yàn)控制器的前置單元部分設(shè)計(jì),以便于為實(shí)際決策提供完整、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　TCSC的穩(wěn)態(tài)特性分析電路模型

　　TCSC的基本結(jié)構(gòu)是固定的串補(bǔ)電容C并聯(lián)一個(gè)由雙向晶閘管(實(shí)際也可把兩個(gè)單向晶閘管并聯(lián)反接在一起)控制的電抗L ,圖1所示為穩(wěn)態(tài)分析用的TCSC模型:

它的運(yùn)行模式有:

　　1) 晶閘管截止。 TCSC等同于固定串聯(lián)補(bǔ)償。

　　2) 晶閘管旁路。 在電流正或反方向流過(guò)VT時(shí),雙向晶閘管VT分別在180°范圍內(nèi)全導(dǎo)通,線路電流大部分通過(guò)L ,整個(gè)TCSC呈現(xiàn)小電抗特性。

　　3) 容性微調(diào)模式。 VT導(dǎo)通角較小,整個(gè)TCSC的阻抗呈現(xiàn)大于C本身的容抗特性。

　　4) 感性微調(diào)模式。 VT的導(dǎo)通角較大,整個(gè)TCSC的阻抗呈現(xiàn)感性電抗特性。

　　通過(guò)其運(yùn)行模式可以看出,控制雙向晶閘管VT的導(dǎo)通角可以改變LC環(huán)路導(dǎo)通電流,從而可以連續(xù)快速調(diào)整TCSC阻抗值而達(dá)到其控制目的。

　　實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)由上位主機(jī)和前置控制單元組成,上位機(jī)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)分析,控制算法的確定。 前置單元實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集,AD轉(zhuǎn)換,與上位機(jī)快速傳遞數(shù)據(jù)及觸發(fā)可控硅等多項(xiàng)功能。

　前置單元的需求分析

　　前置單元的在整個(gè)TCSC實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)中主要完成以下3項(xiàng)工作。

　和上位機(jī)的通訊

　　前置單元通過(guò)USB接口和上位機(jī)通訊。 這個(gè)功能是其它兩個(gè)功能的基礎(chǔ),要實(shí)現(xiàn)這一功能,需要設(shè)計(jì)設(shè)備端(前置單元)和主機(jī)端(上位機(jī))的USB 軟件,并定義上位機(jī)和前置單元間通訊的數(shù)據(jù)格式。

　數(shù)據(jù)采集

　　前置單元要采集從電流(電壓)傳感器輸入的三相電流和三相電壓,共六路數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機(jī)需要三相電流電壓數(shù)據(jù)時(shí),就發(fā)送命令給前置單元要求其開(kāi)始采集數(shù)據(jù),并設(shè)定所需采樣的周期數(shù)。前置單元收到命令后立即開(kāi)始數(shù)據(jù)采集,并通過(guò)USB把采集的數(shù)據(jù)按約定的格式送給主機(jī)。要實(shí)現(xiàn)六路采樣功能,前置單元必須具備采樣保持器、多路選擇器和AD轉(zhuǎn)換器。

　　數(shù)據(jù)采集的速度分析:因?yàn)樯衔粰C(jī)需要對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行高次諧波分析,所以數(shù)據(jù)采集的速度必須盡量快。S3C44B0X自帶的AD最高采樣頻率為100 kSPS(10μs一次) ,加上其多路選擇器的切換時(shí)間為15μs,實(shí)際的最快采樣速度為25 μs一次。這里選擇每0.2 ms對(duì)三相電壓和三相電流各采樣一次,即每33μs采樣一個(gè)數(shù)據(jù)。這樣每個(gè)周波可以采樣100 次,可以分析到5～7次諧波。

三相晶閘管的觸發(fā)控制

　　上位機(jī)計(jì)算出合適的晶閘管導(dǎo)通角并通過(guò)USB傳給前置單元,前置單元使用此導(dǎo)通角發(fā)出晶閘管觸發(fā)信號(hào)。要實(shí)現(xiàn)此功能,前置單元必須具有3路電壓過(guò)零監(jiān)測(cè)器和晶閘管觸發(fā)電路,如圖2所示。

　硬件設(shè)計(jì)

　　單元硬件電路的核心部分采用51EDA和勤研公司聯(lián)合研制的44B0X開(kāi)發(fā)板。 該開(kāi)發(fā)板使用SAMSUMG S3C44B0X處理器,并集成了其它外部設(shè)備,主要包括2 MB16 位數(shù)據(jù)寬度的線性Flash( SST39VF160) , 10M TCP / IP 接口(RTL8019 ) , USBDevice接口( Philip s PD IUSBD12) ,LCD接口, 7路ADC輸入,兩路標(biāo)準(zhǔn)RS232接口等等。此外,根據(jù)課題需要在設(shè)計(jì)中還自行擴(kuò)展了過(guò)零檢測(cè)電路,采樣保持電路和可控硅觸發(fā)電路。