基于FPGA開(kāi)發(fā)靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器

“我們?cè)?strong>NI CompactRIO平臺(tái)上開(kāi)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(shí)間又保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。”

挑戰(zhàn)：

電弧爐、軋鋼機(jī)等大型工業(yè)設(shè)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(dǎo)致系統(tǒng)電壓的波動(dòng)和閃變，給電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的“污染”。

解決方案：

迄今為止，安裝靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)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(jī)箱配合cRIO-9012控制器輕松實(shí)現(xiàn)了對(duì)TCR+TSC型SVC高達(dá)μS級(jí)的控制。高可靠的FPGA技術(shù)和簡(jiǎn)單易用的LabVIEW軟件平臺(tái)為客戶(hù)節(jié)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(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(guò)程，使這套基于FPGA的SVC迅速有效地完成了對(duì)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(jìn)行配送的，當(dāng)交流電在通過(guò)純電阻的時(shí)候，電能都轉(zhuǎn)成了熱能，而在通過(guò)純?nèi)菪曰蛘呒兏行载?fù)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(dāng)然實(shí)際負(fù)載，不可能為純?nèi)菪载?fù)載或者純感性負(fù)載，一般都是混合性負(fù)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(shù)小于1，為了提高電能的利用率，就要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

傳統(tǒng)的無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置是同步調(diào)相機(jī)（SynchronousCondenser-SC），它是專(zhuān)門(mén)用來(lái)產(chǎn)生無(wú)功功率的同步電機(jī)。由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因此損耗和噪聲都較大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，影響速度慢，已無(wú)法適應(yīng)無(wú)功功率控制的要求。所以20世紀(jì)70年代以來(lái)，同步調(diào)相機(jī)開(kāi)始逐漸被靜止無(wú)功補(bǔ)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(guó)研究和應(yīng)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(jì)八、九十年代，我國(guó)輸電系統(tǒng)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(shè)備，國(guó)內(nèi)第一套應(yīng)用于輸電網(wǎng)的SVC于2004年9月投運(yùn)，為電力系統(tǒng)中SVC的國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化打下了基礎(chǔ)。

輸電系統(tǒng)的SVC對(duì)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(diǎn)計(jì)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(jì)算高階諧波，控制循環(huán)速率會(huì)更高，屬于μs級(jí)的閉環(huán)控制，因此只有硬件級(jí)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(xiàn)場(chǎng)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(bǔ)償器可以獲得連續(xù)變化的無(wú)功功率并做到對(duì)補(bǔ)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(yīng)速度直接影響到SVC能否有效解決負(fù)載帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題，是SVC的心腹要塞。

傳統(tǒng)的控制算法是基于DSP實(shí)現(xiàn)的，我們的客戶(hù)之一某SVC設(shè)備供應(yīng)商之所以選用NI CompactRIO，主要因?yàn)镈SP板級(jí)的開(kāi)發(fā)和調(diào)試周期都比較長(zhǎng)，自己開(kāi)發(fā)的DSP板可靠性和穩(wěn)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(tái)，在一個(gè)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(cè)量”環(huán)節(jié)由NI 9215模塊測(cè)量被控的正序電壓，包括3相母線電壓、3相負(fù)載電流和3相源電流，Vref是根據(jù)要求設(shè)定的電壓參考值， “電壓調(diào)節(jié)器”會(huì)根據(jù)測(cè)量電壓Vm和參考電壓之間的差值，計(jì)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(jì)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(jí)電壓，嚴(yán)格與工頻同步并根據(jù)“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(jī)箱配合cRIO-9012控制器輕松實(shí)現(xiàn)了對(duì)TCR+TSC型SVC高達(dá)μS級(jí)的控制。高可靠的FPGA技術(shù)和簡(jiǎn)單易用的LabVIEW軟件平臺(tái)為客戶(hù)節(jié)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(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(guò)程，使這套基于FPGA的SVC迅速有效地完成了對(duì)輸電網(wǎng)的優(yōu)化。

用戶(hù)感言

“我們?cè)瓉?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(shè)計(jì)和封裝?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的反饋是穩(wěn)定性差，調(diào)試排錯(cuò)困難，導(dǎo)致整個(gè)控制器的上市時(shí)間延長(zhǎng)。在上海聚星儀器的協(xié)助下我們嘗試在NI CompactRIO平臺(tái)上開(kāi)發(fā)控制算法，硬件接口邏輯設(shè)計(jì)，上下位機(jī)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(xiàn)場(chǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高。目前已銷(xiāo)售了多套在NI CompactRIO上實(shí)現(xiàn)控制器的靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)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(xiě)的PPL環(huán)節(jié)界面