基于雙DSP硬件架構(gòu)的固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為解決電網(wǎng)供電電壓跌落及短時斷電的問題，實現(xiàn)了對負載的不間斷供電，設(shè)計了基于雙DSP和FPGA的固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(SSTS)控制系統(tǒng)。介紹了SSTS設(shè)備的工作原理，通過仿真論證了強制切換(MBB)控制策略及單相電壓跌落檢測算法的有效性和必要性。根據(jù)改進后的SSTS系統(tǒng)控制算法，通過對功能的層次化解析，建立了雙DSP+FPGA控制系統(tǒng)架構(gòu)，并簡單介紹了各系統(tǒng)模塊的實現(xiàn)方法。最后給出了380 V SSTS裝置部分運行結(jié)果。實驗結(jié)果表明，所采用的控制系統(tǒng)架構(gòu)及控制策略是正確可行的。
關(guān)鍵詞：固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)；電壓跌落檢測；切換控制

1 引言
SSTS是一種解決電壓短時跌落的電力電子設(shè)備。隨著電力電子器件的發(fā)展，采用可控電力電子器件取代機械開關(guān)，可實現(xiàn)高速投切，且設(shè)備壽命長，賦予了SSTS全新的意義。在此以晶閘管型固態(tài)開關(guān)裝置為研究對象，首先在電磁暫態(tài)仿真平臺PSCAD／EMTDC建立了10 kV／1 MW中壓SSTS系統(tǒng)模型。通過仿真對現(xiàn)有電壓跌落檢測算法以及切換控制策略進行了研究和改進。在仿真基礎(chǔ)上，對SSTS控制系統(tǒng)功能進行了梳理和層次化解析，提出基于雙DSP+FPGA的硬件控制架構(gòu)。
該控制平臺可實現(xiàn)多達24路的模擬信號同步實時采樣。通過將系統(tǒng)測試、控制功能在多處理器中分工合作，有效提高了系統(tǒng)運算速度，減少了軟件開發(fā)復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。該控制平臺在各種智能電網(wǎng)電力電子測控設(shè)備上具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 SSTS原理與系統(tǒng)仿真
SSTS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

主、備用側(cè)電源分別通過晶閘管連接到負載。在正常工作時，負載接入主側(cè)電源工作運行，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到主側(cè)電源有電壓跌落、過流或過溫故障時，系統(tǒng)自動將負載切換到備用側(cè)電源。SSTS控制系統(tǒng)的研究重點在于電壓跌落檢測算法和切換控制策略。為研究這些問題，在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD／EMTDC中建立了10 kV／1 MW中壓SSTS的系統(tǒng)模型并根據(jù)系統(tǒng)故障種類和負載種類的不同，進行了全面仿真。負載種類包括：容性負載、阻性負載、感性負載和變壓器型負載。電壓跌落故障包括：三相短路、兩相短路、兩相接地短路、單相接地短路、單相跌落30％和三相跌落30％等。
2．1 系統(tǒng)切換控制策略仿真
SSTS切換控制策略主要包括電流過零切換(BBM)和MBB兩種，其切換控制流程如圖2所示。通過仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)負載為功率因數(shù)較低的阻感負載或變壓器時，若SSTS之前發(fā)生短路故障，系統(tǒng)電流過零非常緩慢，大大影響系統(tǒng)切換速度。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)系統(tǒng)負載功率因數(shù)為0．3，呈現(xiàn)感性時，系統(tǒng)電流過零耗時60 ms。當(dāng)系統(tǒng)負載端連有10 kV／400 V變壓器時，由于變壓器勵磁電感作用，電流過零耗時超過了4 s。為保證系統(tǒng)在20 ms內(nèi)完成電源切換，必須采用MBB控制策略。

仿真還發(fā)現(xiàn)，若短路故障發(fā)生在負載側(cè)，此時將故障負載投切到備用電源，會給備用電源側(cè)線路帶來電流沖擊，造成備用電源線路及其設(shè)備損壞。因此應(yīng)對故障位置加以判斷。當(dāng)主側(cè)發(fā)生電壓跌落且伴有較大故障電流時，說明故障位置在SSTS后，此時不宜切入備用側(cè)電源，可按照繼電保護重合閘的方案進行處理。