TCR型静态无功补偿器的系统设计

作者：cobra_z　来源：互联网　时间：2006-9-18 9:39:29

TCR型静态无功补偿器的系统设计 Design of TCR-SVC System 李海生， 安万洙   摘要：首先讲述了我公司TCR（晶闸管控制电抗器）型SVC（静态无功补偿器）在我国的运行情况，然后讲述了SVC控制系统的原理，并详细地讲述了控制系统的软硬件设计，最终得出结论，本系统具有运行可靠、技术先进、使用方便和经济合理的优点，对净化国家电网起到了不可估量的作用，适合在很多工业场合下大力推广。 关键词：晶闸管控制电抗器；静态无功补偿器 Abstract: It first introduces the running complexion of our company’s TCR-SVC,And then introduces the theory, the software and hardware design of SVC control system,Finally draws a conclussion that the system have the advantage of running credibility,advanced technique,using convenience,economy and reasonable.It has great function to purify our country’s electric power system, adapt to extend at many indurstry situations. Keywords: TCR; SVC 1 引言 随着现代工业的迅速发展，电力机车、交流电弧炉、轧钢机以及其他大型半导体变流装置等冲击性负荷得到越来越广泛的应用，随之带来的冲击无功分量和高次谐波分量直接导致了系统电压的波动和闪变，给电网造成了严重的污染。为了抑制无功，研究具有响应速度快、经济性能好的无功补偿装置具有十分重要的意义。经过比较，目前广泛应用于国内外输配电系统的静态无功补偿器(SVC)在无功补偿、改善电压不平衡度、抑止电压闪变等多方面性能优良，性价比和技术开发难度适合于我国国情，是国内应用无功补偿装置的理想选择。 从九十年代初开始，鞍山荣信电力电子公司从前苏联引进了TCR型SVC的设计制造技术。在此基础上，经过进一步研制和开发，研制出了适合工业应用的国产TCR型SVC，建成了国家级SVC实验中心和SVC满载实验中心，产品已广泛应用于宝钢、鞍钢、首钢、武钢、沙钢等国内二十余家钢铁企业，兰州铁路局、神华铁路等电气化铁道牵引站，以及乌鲁木齐苇湖矿务局、哈密矿务局、上海马迹山港、海口电业局等煤炭、港口及电力系统，总安装容量已超过2200Mvar。开创了国产全数字控制SVC系统的工业运行，取得了巨大的经济和社会效益。 2 SVC控制系统原理 目前我公司开发的产品以TCR型静止无功补偿器为主，在此着重讲述其控制系统的原理。 SVC如图1接入系统中，滤波器FC提供固定的容性无功 ，补偿电抗器提供感性无功。只要能做到 = - + =常数（或0），就能实现电网功率因数等于常数，电网电压几乎不波动。式中： 为系统无功， 为负荷无功， 为补偿电抗器提供的无功。补偿效果好坏的关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流。通过可控硅阀组和控制系统实现这个功能。控制系统通过采集电流和电压，求得补偿无功值，计算得到触发角大小，控制晶闸管触发装置，使晶闸管流过所需的电流。 图1. 系统结构简图 补偿电抗器电纳值与电抗器的导通角 有关， =2 -2 。当电抗器额定电感值确定后，控制电抗器的导通角可改变电抗器在工作电路中的等效电纳值。补偿电抗器电纳值与触发角的关系如下： 其中： 为电抗器触发角     　 为电抗器额定电感值 图2. TCR原理图 用可控硅可实现电抗器导通角的改变。如图2所示，控制可控硅的触发角来改变电抗器的导通角。当触发角增大时，电抗器的电纳值减小，补偿功率减小。图2中 为电抗器电流，随触发角 的增大而减小。 TCR控制系统完成如下功能：通过检测系统电压、电流和TCR的电流，计算出可控硅的触发角，控制电抗器电纳值，达到无功补偿的目的。 对于不对称负荷，应用分相调节。TCR分相调节的理论基础为STEINMETZ理论，此理论的前提是系统电压为平衡对称的。从这个前提出发，补偿后理论上负荷是纯有功、平衡的。STEINMETZ理论给出多种补偿表达形式，本系统采用无功功率平均值表示的补偿电纳公式： 其中： 、 、 分别为△形连接的补偿电抗器电纳值       为系统电压有效值       、 、 为系统线电压瞬时值       、 、 为负荷电流瞬时值 为采样周期，设定为10 TCR的分相调节控制系统能做到补偿后的各项指标均能达到国家标准，能够满足用户要求。 3 SVC控制系统的设计 本部分阐述了SVC控制系统的设计和实现，重点说明下位机软硬件设计和上位机的软件设计。 3.1 SVC控制系统结构 SVC控制系统具有控制、监测、保护和通讯功能，能有效的协调整个系统中多个设备或过程的运行，从而实现SVC的整体优化。因此，它是整个系统的核心部分。基于DSP、工控机和计算机网络开发的SVC控制系统，使系统结构层次化，实现了集散控制，提高了整个系统的可靠性。SVC控制系统设计为三层：第1层为直接监控级，由基于DSP开发的下位机和监测系统构成，完成实时监控任务；第2层为过程优化级，由SVC上位机组成。完成信息收集、集中显示、集中操作、SVC各子系统的控制、设定和修改参数和控制过程的优化等功能，同时还具有非实时的控制功能，减轻了直接控制级的负担。具有良好的人机界面，可以通过计算机网络实现与生产管理级的调度中心的通信；第3层为生产管理级, 是一台位于远程调度室的中央主机，实现为调度员提供信息，对异地SVC系统进行监控，做到现场无人值守，大大降低了设备的运行成本。 SVC控制系统的硬件结构，主要由位于本地的上位机、下位机、监测系统以及位于调度室的远程主机组成。SVC上位机采用工控机，主要负责系统的通信功能。下位机由DSP控制板和脉冲触发板组成，实现系统的实时控制功能。监测系统以工控机为基础，采用数据采集卡采集整个SVC的各个状态变量，并将实时数据传递给上位机。上位机和下位机的DSP控制板通过CAN总线实现通讯。上位机和监测系统采用服务器/客户机模式，通过TCP/IP协议通信。上位机和远程主机通过internet通信，传递控制命令以及SVC运行的实时历史数据。SVC控制系统的硬件结构如图3所示。　 图3. SVC控制系统的硬件结构 3.2 SVC下位机软硬件设计：SVC下位机主要由DSP控制板和TCR脉冲触发板组成。 1）控制板设计 考虑控制系统的运算速度，为了满足复杂控制算法的要求，实现对负荷的快速补偿，系统采用先进的、功能强大的DSP控制器。本控制板采用TI公司的TMS320LF2407系列DSP芯片为处理器，片外扩展了A/D输入、D/A输出、I/O、CAN总线及异步串行通信接口等，并且具有可重复烧录的FLASH ROM，大大提高了开发的效率。DSP控制板的硬件原理框图如图4所示。 A/D模块负责采集系统的3相线电压、输电线路的3相线电流（系统补偿）和负荷的3相线电流（负荷补偿）等信号。DSP控制器通过CAN总线和上位机通讯，获得用户控制命令，对采样数据进行处理，实现SVC无功补偿、稳定电压、抑制电压闪变和不平衡度等功能。DSP脉冲发生器根据控制器发出的指令，产生高精度的触发脉冲，并将脉冲信号转化为模拟信号（TCR的控制角电压）传给脉冲发生板，控制晶闸管的导通与关断。 图4. DSP控制板的硬件原理框图 DSP板的软件设计采用模块化方法。主程序用来完成硬件初始化、程序子模块调用等工作。子程序包括数据处理子模块、控制子模块、TCR触发角计算子模块和通讯子模块等。控制子模块设计采用PID控制算法。数据处理子模块提取有用信号，减小信号检测过程造成的时间延迟，提高了SVC 响应速度。通讯子模块采用CAN总线通信，提高了通信的实时性和稳定性。 2）脉冲发生板设计 TCR是SVC控制系统的执行机构，采用模拟电路来实现这部分功能。它们接收DSP板的投切命令，输出光信号并通过光纤传递到晶闸管阀组上，晶闸管阀组再将光信号转化为电信号触发晶闸管。TCR脉冲发生板的作用是根据DSP板输出的控制角信号及同步电压信号，产生经过移相的高频脉冲，控制TCR主电路中晶闸管的导通角。考虑到三相不平衡负荷，TCR应具有分相调节能力，因此采用了三相独立的移相触发电路。 3）SVC上位机软件设计 上位机的硬件平台是一台工控机，操作系统为WindowsNT，采用Visual C++6.0开发。软件设计模块化，程序具有较强的可读性和稳定性，易于维护和升级。SVC上位机功能模块图如图5所示。 SVC状态显示与系统分析模块组包括波形显示模块、状态显示模块和高级分析模块。波形显示模块用二维曲线方式动态显示各模拟量，包括SVC系统三相电压波形，TCR以及滤波器三相电流波形；状态显示模块可按用户要求显示SVC运行状态，包括下位机、监测系统和通讯状态（正常/故障）以及三相断路器状态（闭合/断开）。高级分析模块提供了电压电流有效值计算，无功计算，谐波分析等实时分析工具。 控制模块组包括控制算法和控制参数模块。控制算法采用PID算法，分为平衡系统和不平衡系统设计，根据系统需要更新下位机的控制算法。每种控制算法需要一定的系统、性能要求及控制器参数，这些参数中需要用户定制的部分将出现在控制参数模块里，上位机提供良好的人机界面，将这些参数发送给下位机的DSP控制板。 图5. SVC上位机功能模块图 巡检模块主要包括上位机初始化，SVC系统巡检。在并网之前，由于SVC装置包含众多的子系统，只有各个子系统都能保持良好的运行状态并能协调一致，整个装置才能正常工作，因此，装置的启动必须按照严格的操作流程。上位机的巡检模块具有启动自检和并网监测功能，它在SVC并网前逐一检查各个子系统的运行状态是否正常，并在SVC并网时作出许可判断。如果没有完全满足并网条件，程序将禁止并网操作，并且弹出警告对话框。在SVC 运行过程中，上位机实时监测SVC装置电流电压状态以及各个子系统，如晶闸管阀组的运行状况，处理原始信息，向用户提供结论，并将SVC各个子系统的状态以指示灯的形式显示在主界面上，在故障情况下及时发出报警信号。 数据通信模块负责上位机、下位机、调度室的远程主机以及监测系统之间的通信。具有显示数据通信的状态，建立和拆除通信链路，向用户提供通信参数，修改通讯接口等功能。 4.结论 本文在分析了国内电网存在的问题的基础上,介绍了我公司的主要产品TCR型SVC在国内的运行情况和销售网络，之后详细的讲述了基于DSP、工控机和计算机网络的SVC控制系统的软件和硬件设计。现场运行证明，SVC控制系统达到了设计目标，具有运行可靠、技术先进、使用方便和经济合理的优点，大大的净化了国家电网，适合大规模的运用在多种工业场合。