基于模塊化設(shè)計(jì)的SVC控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

朱振飛， 徐樂， 劉育鑫(南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211000)

基于模塊化設(shè)計(jì)的SVC控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

朱振飛， 徐樂， 劉育鑫
(南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211000)

介紹了一種基于模塊化設(shè)計(jì)的SVC控制系統(tǒng)，利用模塊化設(shè)計(jì)思想，將SVC控制系統(tǒng)分為管理功能模塊、控制算法模塊、鎖相環(huán)模塊和脈沖控制模塊，綜合優(yōu)化數(shù)據(jù)處理和計(jì)算環(huán)節(jié)，使控制效果達(dá)到最優(yōu)；FPGA與DSP配合實(shí)現(xiàn)鎖相，鎖相速度快，具有良好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性；提高控制系統(tǒng)對(duì)快速動(dòng)態(tài)負(fù)荷的相應(yīng)能力，并提高觸發(fā)控制精度；根據(jù)控制要求修改控制模塊、脈沖控制模塊后，也可用于其他電力電子設(shè)備的控制。

SVC；模塊化設(shè)計(jì)；鎖相環(huán)；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；脈沖控制

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代化技術(shù)的進(jìn)步，電力網(wǎng)負(fù)荷急劇增大，對(duì)電網(wǎng)感性無功要求也與日俱增。特別是可逆式大型軋鋼機(jī)、煉鋼電弧爐等沖擊負(fù)荷、非線性負(fù)荷容量的不斷增加，加上普遍應(yīng)用的電力電子和微電技術(shù)，由此產(chǎn)生了功率因數(shù)低、電壓波動(dòng)和波形畸變以及三相電壓和電流不平衡等諸多電能質(zhì)量問題[1]。

早期的無功補(bǔ)償裝置如同步調(diào)相機(jī)、飽和電抗器等都存在著響應(yīng)速度慢，維護(hù)困難以及損耗和噪音大等缺點(diǎn)。而靜止型無功補(bǔ)償器(SVC)與以往的無功補(bǔ)償器比較，有著調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于無功功率的補(bǔ)償[2]。

多數(shù)的SVC是用來實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償來提高系統(tǒng)的功率因數(shù)或者穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，其多為單一的電壓、無功控制方法，其控制性能和精度也難以達(dá)到要求，并且不能兼顧不平衡的補(bǔ)償。此外，在SVC控制系統(tǒng)鎖相方式上，傳統(tǒng)的鎖相方式有依靠硬件的模擬鎖相環(huán)[3]、以及依靠軟件計(jì)算的αβ坐標(biāo)開環(huán)鎖相環(huán)[4]、傅里葉分解鎖相環(huán)，這些鎖相方式均存在鎖相速度慢或?qū)冸妷好舾械热秉c(diǎn)，在電壓不平衡條件下為了抑制負(fù)序電壓的影響，dq鎖相環(huán)一般以100 Hz分量衰減系數(shù)為PI控制器設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此也存在著響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)[5]。

基于利用模塊化設(shè)計(jì)思想，將SVC控制系統(tǒng)按功能進(jìn)行模塊劃分，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。FPGA與DSP配合實(shí)現(xiàn)鎖相，鎖相速度快，具有良好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。通過動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于模塊化設(shè)計(jì)的SVC控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，對(duì)于負(fù)載的快速變化和不對(duì)稱負(fù)載均具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

目前大部分控制設(shè)備廠家的控制裝置結(jié)構(gòu)都是以DSP作為邏輯運(yùn)算單元，并采用FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、脈沖觸發(fā)、通信處理等功能[6]。

圖1是基于模塊化設(shè)計(jì)的SVC控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖，控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)選用目前業(yè)界可靠性、功能和處理能力最有優(yōu)勢(shì)的嵌入式CPU、DSP和大容量的FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)采用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高速以太網(wǎng)和IEC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集的光纖通道作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路，內(nèi)部采用高可靠、高實(shí)時(shí)、高效率的數(shù)據(jù)交換接口。

圖1 基于模塊化設(shè)計(jì)的SVC控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)

2 功能模塊設(shè)計(jì)

利用模塊化設(shè)計(jì)思想，將SVC控制系統(tǒng)分為管理功能模塊、控制算法模塊、鎖相環(huán)模塊和脈沖控制模塊，模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SVC控制系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 管理功能模塊

管理功能模塊負(fù)責(zé)電壓電流等信號(hào)量的采集功能、SVC系統(tǒng)的順序控制功能、以及人機(jī)交互功能。管理功能模塊將采集的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行標(biāo)幺化處理，送至控制算法模塊、和鎖相環(huán)模塊。標(biāo)幺化處理的好處就是，整個(gè)控制系統(tǒng)在整個(gè)控制調(diào)節(jié)、等效電納計(jì)算的過程中，采用的都是標(biāo)幺值，軟件程序具有良好的通用性，針對(duì)不同的SVC工程，只需要配置當(dāng)前工程的系統(tǒng)電壓、各電容器組容量、TCR容量即可。順序控制功能是指在SVC系統(tǒng)啟動(dòng)過程中，控制系統(tǒng)自動(dòng)按順序投入電容器組開關(guān)、SVC系統(tǒng)總開關(guān)；在SVC系統(tǒng)停運(yùn)過程中，自動(dòng)按順序切掉電容器組開關(guān)、SVC系統(tǒng)總開關(guān)，不需要人工操作，并具有可靠的邏輯閉鎖功能，防止錯(cuò)誤遙控開關(guān)。

2.2 鎖相環(huán)模塊

鎖相環(huán)模塊的主要功能是實(shí)時(shí)獲得電壓信號(hào)相位、頻率信息，為控制算法模塊提供計(jì)算基準(zhǔn),鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)是基于FPGA和DSP共同完成的。鎖相環(huán)控制原理如圖3。首先DSP將電壓信號(hào)由abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到αβ坐標(biāo)系。θ為電壓向量u與α軸的夾角。

(1)

為濾除負(fù)序分量，進(jìn)行dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前，需要進(jìn)行相序分解。二倍頻陷波器可實(shí)現(xiàn)相序分離，但其濾波器設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，不利于工程實(shí)現(xiàn)，同時(shí)受頻率波動(dòng)的影響較大，因此本系統(tǒng)中采用了延時(shí)相序分解法，處理簡(jiǎn)單，利于工程實(shí)現(xiàn)。

(2)

上標(biāo)“+”表示正序分量，“-”表示負(fù)序分量。根據(jù)公式(2)所得結(jié)果，將正、負(fù)序分量帶入正、負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，進(jìn)行dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換:

(3)

(4)

FPGA設(shè)計(jì)原則為：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工頻周期的值20 ms, 對(duì)應(yīng)著FPGA的計(jì)數(shù)值為50 000, 即FPGA的計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期為400 ns，計(jì)數(shù)頻率為2.5 MHz。

此外，鎖相環(huán)模塊還應(yīng)計(jì)算出各相在鎖相環(huán)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的角度。

(5)

(6)

圖3 鎖相環(huán)控制原理圖

2.3 控制算法模塊

控制算法模塊具備常規(guī)的電壓控制方式、無功開環(huán)控制方式、無功閉環(huán)控制方式，并且配置了TCR直流控制、三相有功負(fù)荷平衡控制等，以適應(yīng)不同用戶的要求。

2.3.1 TCR直流控制

TCR電流中的直流分量會(huì)造成二次諧波電壓畸變，為使二次諧波電壓的畸變減至最小，SVC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了TCR直流控制功能。直流控制的功能是在二次諧波電壓畸變較大時(shí)，監(jiān)視和控制TCR電抗器支路中的直流電流大小。

其原理是通過檢測(cè)TCR電流中的直流分量，調(diào)節(jié)觸發(fā)角使得可控硅正方向和負(fù)方向的導(dǎo)通時(shí)間不相同，將直流電流分量減小到零。直流控制設(shè)計(jì)應(yīng)具有較大的時(shí)間常數(shù)，以避免與TCR電壓調(diào)節(jié)器的快速動(dòng)態(tài)控制相沖突。TCR直流控制原理如圖4。

圖4 TCR直流控制原理圖

2.3.2 有功負(fù)荷平衡控制

負(fù)荷的三相不對(duì)稱將使供電系統(tǒng)中出現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行十分不利的負(fù)序分量,它增大了交流電動(dòng)機(jī)的功率損耗并加劇了其運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪音[7]。

將三相負(fù)載，轉(zhuǎn)化為線負(fù)載，則在TCR上對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電納應(yīng)為：

(7)

Gab、Gbc、Gca為線負(fù)載等效電導(dǎo)。將補(bǔ)償電納與電壓/無功控制環(huán)節(jié)計(jì)算出的電納相加之和，就是三相有功負(fù)荷平衡的等效電納。

2.3.3 觸發(fā)角計(jì)算

控制算法模塊按當(dāng)前控制方式，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行工況，計(jì)算出TCR各相的等效電納，并將等效電納換算為觸發(fā)角，送至脈沖控制模塊。

等效電納與晶閘管觸發(fā)角的關(guān)系如公式(8)：

(8)

其中X為與晶閘管串聯(lián)的電抗值，α為TCR的觸發(fā)角。

常規(guī)的查表法的缺點(diǎn)是控制精度低。本系統(tǒng)采用的觸發(fā)角計(jì)算方法為：采用的通過最小二乘法，根據(jù)公式(8)進(jìn)行曲線擬合，多項(xiàng)式最高次數(shù)為10次，確定(α,B)的最小二乘曲線擬合公式。在系統(tǒng)實(shí)際控制過程中，可得到較精確的觸發(fā)角，精確度可達(dá)到0.01度。

2.4 脈沖控制模塊

脈沖控制模塊根據(jù)控制算法模塊提供的脈沖觸發(fā)角進(jìn)行脈沖發(fā)生定時(shí)設(shè)置、脈寬及脈沖回收控制。

3 動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

利用動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)對(duì)SVC控制保護(hù)系統(tǒng)及其控制策略以及性能全面的研究和驗(yàn)證。

SVC動(dòng)模系統(tǒng)由四組濾波器、TCR以及可分相投切的無功負(fù)載組成，TCR采用三角形接線方式。在額定電壓1 000 V條件下，四組濾波器無功容量均為7.5 kVar，TCR容量為52 kVar，可投切負(fù)載為7.5 kVar。圖5為SVC動(dòng)模系統(tǒng)接線圖。

圖5 動(dòng)模系統(tǒng)接線圖

SVC控制系統(tǒng)具有錄波功能，能手動(dòng)或根據(jù)錄波觸發(fā)條件自動(dòng)錄波，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)格式的comtrade文件。通過錄波分析軟件，可以看到電流電壓、鎖相環(huán)、觸發(fā)脈沖等系統(tǒng)工況。圖6為鎖相環(huán)波形圖，同步電壓為Uab。

圖6 鎖相環(huán)波形圖

通過快速開關(guān)控制負(fù)載的投入、切除，以及分相投入、切除負(fù)載的方法來模擬現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載的快速變化和不對(duì)稱負(fù)載，從而測(cè)試SVC控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制性能。表1～表3 為已投入5次、7次兩組電容器、在不同控制模式下，SVC控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。

響應(yīng)時(shí)間是指從控制器采樣、計(jì)算、送出計(jì)算的控制角度，并調(diào)節(jié)到目標(biāo)范圍的10%所用的時(shí)間；調(diào)整時(shí)間是指調(diào)節(jié)到目標(biāo)范圍的90%所用的時(shí)間。

上述動(dòng)模試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于模塊化設(shè)計(jì)的SVC控制系統(tǒng)控制策略的正確性，對(duì)于負(fù)載的快速變化和不對(duì)稱負(fù)載均具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，響應(yīng)時(shí)間小于7 ms。

表1 無功開環(huán)模式下，投切三相無功負(fù)載

表2 電壓閉環(huán)控制模式下，投切三相無功負(fù)載

表3 無功綜合控制模式下，投切無功負(fù)載A相

4 結(jié)束語

利用模塊化設(shè)計(jì)思想，將SVC控制系統(tǒng)，綜合優(yōu)化數(shù)據(jù)處理和計(jì)算環(huán)節(jié)，使控制效果達(dá)到最優(yōu)；FPGA與DSP配合實(shí)現(xiàn)鎖相，鎖相速度快，具有良好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性；提高控制系統(tǒng)對(duì)快速動(dòng)態(tài)負(fù)荷的響應(yīng)能力，并提高觸發(fā)控制精度；根據(jù)控制要求修改控制模塊、脈沖控制模塊后，也可用于其他電力電子設(shè)備的控制。通過SVC動(dòng)模試驗(yàn)驗(yàn)證了基于模塊化設(shè)計(jì)的SVC控制系統(tǒng)控制策略的正確性，并對(duì)于負(fù)載的快速變化和不對(duì)稱負(fù)載均具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 林海雪．現(xiàn)代電能質(zhì)量的基本問題[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(10):5-12．

[2] 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍．諧波抑制和無功補(bǔ)償[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998．

[3] 韓民曉，尤勇，劉昊.線電壓補(bǔ)償型動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)的原理與實(shí)現(xiàn)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003， 23(12):49-53.

[4] 王海軍,陳潛.云廣直流工程鎖相環(huán)功能分析及仿真研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2009，3(4):60-63.

[5] 丁菊霞，張華俊，張秀峰. 基于平均值理論的無鎖相環(huán)三相電路諧波電流檢測(cè)方法[J]. 電測(cè)與儀表，2010，47(5):43-47.

[6] 張吉，宋斌，唐成虹. 保護(hù)測(cè)控裝置嵌入式采樣新平臺(tái)的研制[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(2):89-92.

[7] 李運(yùn)彬，姚舜.基于無功補(bǔ)償?shù)娜嘭?fù)荷均荷控制[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2009，25(3):32-34.

Realization of an SVC Control System Based on Modular Design

ZHU Zhen-fei, XU Le, LIU Yu-xin
(NARI Group Corporation, Nanjing Jiangsu 211000, China)

This paper introduces a SVC control system based on modular design, which, by using modular design concept, divides the SVC control system into management function module, control algorithm module, phase lock loop module and pulse control module, and optimizes data processing and computational links so as to achieve optimal control effect. FPGA and DSP are used to implement quick phase lock with excellent dynamic and static characteristics. Control system’s response to quick dynamic load is improved, and accuracy of triggering control is raised. The system can also be used to control other power and electronic devices, after the control module and pulse control module are modified according to new control requirements.

SVC; modular design; phase lock loop; FPGA ;pulse control

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.022

TM76

A

1000-3886(2015)05-0070-03

朱振飛(1958-)，男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬仿真、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用研究。 徐樂(1988-)，男，江蘇泰州人，工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備開發(fā)與管理。 劉育鑫(1982-)，男，黑龍江東寧縣人，工程師，主要從事FACTS技術(shù)研究及其控制保護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)。

定稿日期: 2014-12-01