基于FPGA的靜態(tài)無功補償裝置(SVC)

摘要：電弧爐、軋鋼機等大型工業(yè)設備在為企業(yè)創(chuàng)造產(chǎn)值的同時也帶來了無功分量和高次諧波等危害，他們直接導致系統(tǒng)電壓的波動和閃變，給電網(wǎng)造成了嚴重的“污染”。迄今為止，安裝靜止無功補償裝置(statlc VARConlpensator，簡稱SVC)是解決上述問題最有效的方法。SVC在電力系統(tǒng)中能起到調相、調壓、抑制振蕩等作用；在工業(yè)企業(yè)中則可以消除高次諧波、平穩(wěn)母線電壓、提升功率因數(shù)。輸電系統(tǒng)的SVC對可靠性要求極高，需要采用全數(shù)字控制，通過使用NI CompactRIO平臺實現(xiàn)μs級控制。

關鍵詞：電力能源；CompactRIO；SVC；閉環(huán)控制

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2011，06.007

SVC研發(fā)背量

我國研究和應用SVC已有20多年歷史，研制出不少產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品大多集中在工業(yè)和配電領域，容量一般為10～55 Mvar。20世紀八、九十年代，我國輸電系統(tǒng)5個500 kV變電站安裝了6套容量為105～170 Mvar的SVC，均為進口設備，國內第一套應用于輸電網(wǎng)的SVC于2004年9月投運，為電力系統(tǒng)中SVC的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化打下了基礎。

TSC+TCR壁SVC

SVC有三種基本配置：1 固定電容器+晶閘管控制的電抗器(PC+CR)。2 晶閘管切換的電容器(TSC)。3 晶閘管切換的電容器+晶閘管控制電抗器(TSC+TCR)。其中，TSC+TCR的組合在通常情況下都是最優(yōu)解決方案，用TSC+TCR補償器可以獲得連續(xù)變化的無功功率并做到對補償器的電感和電容部分的完全控制。

基于NI CompactRIO的全數(shù)字控制器

TSC+TCR型SVC主要由全數(shù)字控制系統(tǒng)和TCR、TSC閥組構成，全數(shù)字控制系統(tǒng)的控制精度和響應速度直接影響到SVC能否有效解決負載帶來的電能質量問題，是SVC的心腹要塞。

傳統(tǒng)的控制算法是基于DSP實現(xiàn)的，我們的客戶之一某SVC設備供應商之所以選用NI CompactRIO。主要因為DSP板級的開發(fā)和調試周期都比較長，自己開發(fā)的DSP板可靠性和穩(wěn)定性又無法保證，為了產(chǎn)品能盡快交貨又保證質量，工程師最終選擇了集成FPGA技術的CompactlLIO平臺，在一個月內完成了全數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)布。

如圖1所示，“電壓測量”環(huán)節(jié)由N19215模塊測量被控的正序電壓，包括3相母線電壓、3相負載電流和3相源電流。Vref是根據(jù)要求設定的電壓參考值，“電壓調節(jié)器”會根據(jù)測量電壓Vm和參考電壓之間的差值、計算出要保持母線電壓恒定所需要的并聯(lián)電納值B，“分配環(huán)節(jié)”決定了TSC(晶閘管投切的電容器)是否需要投切、計算出TCR(晶閘管控制的電感器)需要并入的“點火角”α，最后由同步單元利用鎖相環(huán)(PLL)跟蹤次級電壓，嚴格與工頻同步并根據(jù)“點火角”在不同的相位給晶閘管發(fā)出控制脈沖。

整個過程都在CompactRIO上完成，客戶采用CRIO-9114機箱配合CRIO-9012控制器輕松實現(xiàn)了對TCR+TSC型SVC高達μs級的控制。高可靠的FPGA技術和簡單易用的1abVIEW軟件平臺為客戶節(jié)省了大量開發(fā)時間，模擬輸入模塊N19205、N19215和SV／TTL高速雙向數(shù)字I／O模塊N19401、N19403出色地完成了從數(shù)據(jù)采集到脈沖控制的全過程。使這套基于FPGA的SVC迅速有效地完成了對輸電網(wǎng)的優(yōu)化。

用戶感言

“我們原來使用DSP開發(fā)板開發(fā)核心控制算法，再進行外圍硬件電路及外殼設計和封裝。現(xiàn)場運行的反饋是穩(wěn)定性差，調試排錯困難，導致整個控制器的上市時間延長。在上海聚星儀器的協(xié)助下我們嘗試在NICompactRIO平臺上開發(fā)控制算法，硬件接口邏輯設計，上下位機通信等功能，算法開發(fā)時間得到有效縮短，最終控制器發(fā)布并安裝到現(xiàn)場后系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高。目前已銷售了多套在NI CompactRIO上實現(xiàn)控制器的靜止無功補償器。”