基于FPGA的靜態無功補償裝置(SVC)

摘要：電弧爐、軋鋼機等大型工業設備在為企業創造產值的同時也帶來了無功分量和高次諧波等危害，他們直接導致系統電壓的波動和閃變，給電網造成了嚴重的“污染”。迄今為止，安裝靜止無功補償裝置(statlc VARConlpensator，簡稱SVC)是解決上述問題最有效的方法。SVC在電力系統中能起到調相、調壓、抑制振蕩等作用；在工業企業中則可以消除高次諧波、平穩母線電壓、提升功率因數。輸電系統的SVC對可靠性要求極高，需要采用全數字控制，通過使用NI CompactRIO平臺實現μs級控制。

關鍵詞：電力能源；CompactRIO；SVC；閉環控制

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2011，06.007

SVC研發背量

我國研究和應用SVC已有20多年歷史，研制出不少產品，但這些產品大多集中在工業和配電領域，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，國內第一套應用于輸電網的SVC于2004年9月投運，為電力系統中SVC的國產化和產業化打下了基礎。

TSC+TCR壁SVC

SVC有三種基本配置：1 固定電容器+晶閘管控制的電抗器(PC+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解決方案，用TSC+TCR補償器可以獲得連續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的電能質量問題，是SVC的心腹要塞。

傳統的控制算法是基于DSP實現的，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板級的開發和調試周期都比較長，自己開發的DSP板可靠性和穩定性又無法保證，為了產品能盡快交貨又保證質量，工程師最終選擇了集成FPGA技術的CompactlLIO平臺，在一個月內完成了全數字控制系統的發布。

如圖1所示，“電壓測量”環節由N19215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是根據要求設定的電壓參考值，“電壓調節器”會根據測量電壓Vm和參考電壓之間的差值、計算出要保持母線電壓恒定所需要的并聯電納值B，“分配環節”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“點火角”α，最后由同步單元利用鎖相環(PLL)跟蹤次級電壓，嚴格與工頻同步并根據“點火角”在不同的相位給晶閘管發出控制脈沖。

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1abVIEW軟件平臺為客戶節省了大量開發時間，模擬輸入模塊N19205、N19215和SV／TTL高速雙向數字I／O模塊N19401、N19403出色地完成了從數據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的優化。

用戶感言

“我們原來使用DSP開發板開發核心控制算法，再進行外圍硬件電路及外殼設計和封裝。現場運行的反饋是穩定性差，調試排錯困難，導致整個控制器的上市時間延長。在上海聚星儀器的協助下我們嘗試在NICompactRIO平臺上開發控制算法，硬件接口邏輯設計，上下位機通信等功能，算法開發時間得到有效縮短，最終控制器發布并安裝到現場后系統穩定性大大提高。目前已銷售了多套在NI CompactRIO上實現控制器的靜止無功補償器。”