基于FPGA開發(fā)靜態(tài)無功補償控制器

“我們在NI CompactRIO平臺上開發(fā)的SVC全數(shù)字控制系統(tǒng)，大大縮短了產(chǎn)品上市的時間又保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。”

挑戰(zhàn)：

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”。

解決方案：

迄今為止，安裝靜態(tài)無功補償裝置（Static VAR Compensator，簡稱SVC）是解決上述問題最有效的方法。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LabVIEW軟件平臺為客戶節(jié)省了大量開發(fā)時間，模擬輸入模塊NI 9205、NI 9215和5V/TTL高速雙向數(shù)字I/O模塊NI 9401、NI 9403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。

從發(fā)電廠輸出的電能都是以交流電的形式進行配送的，當交流電在通過純電阻的時候，電能都轉(zhuǎn)成了熱能，而在通過純?nèi)菪曰蛘呒兏行载撦d的時候，并不做功。也就是說沒有消耗電能，即為無功功率。當然實際負載，不可能為純?nèi)菪载撦d或者純感性負載，一般都是混合性負載，這樣電流在通過它們的時候，就有部分電能不做功，就是無功功率，此時的功率因數(shù)小于1，為了提高電能的利用率，就要進行無功補償。

傳統(tǒng)的無功功率動態(tài)補償裝置是同步調(diào)相機（SynchronousCondenser-SC），它是專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機。由于它是旋轉(zhuǎn)電機，因此損耗和噪聲都較大，運行維護復雜，影響速度慢，已無法適應無功功率控制的要求。所以20世紀70年代以來，同步調(diào)相機開始逐漸被靜止無功補償裝置（SVC）所代替，這種電子裝置能夠提供為高壓電網(wǎng)提供迅速變化的有功功率。

SVC研發(fā)背景

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(nèi)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。

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，此系統(tǒng)要求逐點計算，以一個工頻周期采樣100個點來算，逐點控制循環(huán)的速率也在200μs，如果要計算高階諧波，控制循環(huán)速率會更高，屬于μs級的閉環(huán)控制，因此只有硬件級控制的方法才能滿足要求，NI CompactRIO不僅集成了FPGA硬件而且特別適合工業(yè)現(xiàn)場控制，十分符合全數(shù)字控制系統(tǒng)的要求。

TSC+TCR型SVC

SVC有三種基本配置：1. 固定電容器+晶閘管控制的電抗器（FC+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(gòu)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(zhì)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(diào)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(zhì)量，工程師最終選擇了集成FPGA技術的CompactRIO平臺，在一個月內(nèi)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NI 9215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(diào)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LabVIEW軟件平臺為客戶節(jié)省了大量開發(fā)時間，模擬輸入模塊NI 9205、NI 9215和5V/TTL高速雙向數(shù)字I/O模塊NI 9401、NI 9403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?，F(xiàn)場運行的反饋是穩(wěn)定性差，調(diào)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NI CompactRIO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)控制器的靜態(tài)無功補償器。”

硬件：CompactRIO，cRIO 9012，cRIO 9114，NI 9205，NI 9215，NI 9401，NI 9403

圖1  基于NI  CompactRIO 的SVC全數(shù)字控制系統(tǒng)

圖2   LabVIEW編寫的PPL環(huán)節(jié)界面