FPGA開(kāi)發(fā)靜態(tài)無(wú)功補償控制器

“我們在NI CompactRIO平臺上開(kāi)發(fā)的SVC全數字控制系統，大大縮短了產(chǎn)品上市的時(shí)間又保證了系統的穩定性。”

挑戰：

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(shí)也帶來(lái)了無(wú)功分量和高次諧波等危害，他們直接導致系統電壓的波動(dòng)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(wú)功補償裝置(Static VAR Compensator，簡(jiǎn)稱(chēng)SVC)是解決上述問(wèn)題最有效的方法?？蛻?hù)采用cRIO-9114機箱配合cRIO-9012控制器輕松實(shí)現了對 TCR+TSC型SVC高達μS級的控制。高可靠的FPGA技術(shù)和簡(jiǎn)單易用的LabVIEW軟件平臺為客戶(hù)節省了大量開(kāi)發(fā)時(shí)間，模擬輸入模塊NI 9205、NI 9215和5V/TTL高速雙向數字I/O模塊NI 9401、NI 9403出色地完成了從數據采集到脈沖控制的全過(guò)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(chǎng)輸出的電能都是以交流電的形式進(jìn)行配送的，當交流電在通過(guò)純電阻的時(shí)候，電能都轉成了熱能，而在通過(guò)純容性或者純感性負載的時(shí)候，并不做功。也就是說(shuō)沒(méi)有消耗電能，即為無(wú)功功率。當然實(shí)際負載，不可能為純容性負載或者純感性負載，一般都是混合性負載，這樣電流在通過(guò)它們的時(shí)候，就有部分電能不做功，就是無(wú)功功率，此時(shí)的功率因數小于1，為了提高電能的利用率，就要進(jìn)行無(wú)功補償。

傳統的無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補償裝置是同步調相機(SynchronousCondenser-SC)，它是專(zhuān)門(mén)用來(lái)產(chǎn)生無(wú)功功率的同步電機。由于它是旋轉電機，因此損耗和噪聲都較大，運行維護復雜，影響速度慢，已無(wú)法適應無(wú)功功率控制的要求。所以20世紀70年代以來(lái)，同步調相機開(kāi)始逐漸被靜止無(wú)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(lǐng)域，容量一般為10～55 Mvar。20世紀八、九十年代，我國輸電系統5個(gè)500 kV變電站安裝了6套容量為105～170 Mvar 的SVC，均為進(jìn)口設備，國內第一套應用于輸電網(wǎng)的SVC于2004年9月投運，為電力系統中SVC的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化打下了基礎。

輸電系統的SVC對可靠性要求極高，需要采用全數字控制，此系統要求逐點(diǎn)計算，以一個(gè)工頻周期采樣100個(gè)點(diǎn)來(lái)算，逐點(diǎn)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(huì )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(mǎn)足要求，NI CompactRIO不僅集成了FPGA硬件而且特別適合工業(yè)現場(chǎng)控制，十分符合全數字控制系統的要求。

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變化的無(wú)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的全數字控制器

TSC+TCR型SVC主要由全數字控制系統和TCR、TSC閥組構成，全數字控制系統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(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題，是SVC的心腹要塞。

傳統的控制算法是基于DSP實(shí)現的，我們的客戶(hù)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(kāi)發(fā)和調試周期都比較長(cháng)，自己開(kāi)發(fā)的DSP板可靠性和穩定性又無(wú)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(shù)的CompactRIO平臺，在一個(gè)月內完成了全數字控制系統的發(fā)布。

如圖1所示，“電壓測量”環(huán)節由NI 9215模塊測量被控的正序電壓，包括3相母線(xiàn)電壓、3相負載電流和3相源電流，Vref是根據要求設定的電壓參考值， “電壓調節器”會(huì )根據測量電壓Vm和參考電壓之間的差值，計算出要保持母線(xiàn)電壓恒定所需要的并聯(lián)電納值B，“分配環(huán)節”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(diǎn)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 “點(diǎn)火角”在不同的相位給晶閘管發(fā)出控制脈沖。

整個(gè)過(guò)程都在CompactRIO上完成，客戶(hù)采用cRIO-9114機箱配合cRIO-9012控制器輕松實(shí)現了對TCR+TSC型SVC高達 μS級的控制。高可靠的FPGA技術(shù)和簡(jiǎn)單易用的LabVIEW軟件平臺為客戶(hù)節省了大量開(kāi)發(fā)時(shí)間，模擬輸入模塊NI 9205、NI 9215和5V/TTL高速雙向數字I/O模塊NI 9401、NI 9403出色地完成了從數據采集到脈沖控制的全過(guò)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(hù)感言

“我們原來(lái)使用DSP開(kāi)發(fā)板開(kāi)發(fā)核心控制算法，再進(jìn)行外圍硬件電路及外殼設計和封裝?，F場(chǎng)運行的反饋是穩定性差，調試排錯困難，導致整個(gè)控制器的上市時(shí)間延長(cháng)。在上海聚星儀器的協(xié)助下我們嘗試在NI CompactRIO平臺上開(kāi)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(kāi)發(fā)時(shí)間得到有效縮短，最終控制器發(fā)布并安裝到現場(chǎng)后系統穩定性大大提高。目前已銷(xiāo)售了多套在NI CompactRIO上實(shí)現控制器的靜態(tài)無(wú)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全數字控制系統

圖2 LabVIEW編寫(xiě)的PPL環(huán)節界面