FPGA開發(fā)靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器
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“我們?cè)?strong>NI CompactRIO平臺(tái)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(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SVC)是解決上述問(wèn)題最有效的方法??蛻舨捎胏RIO-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)為客戶節(jié)省了大量開發(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),它是專門用來(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)的開發(fā)和調(diào)試周期都比較長(zhǎng),自己開發(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)為客戶節(jié)省了大量開發(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。
用戶感言
“我們?cè)瓉?lái)使用DSP開發(fā)板開發(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編寫的PPL環(huán)節(jié)界面