陶 勇，謝青松，陳方亮

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MSVC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陶 勇，謝青松，陳方亮

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

本文介紹了MSVC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)的研制方案，分析了該控制系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)及其工作原理。由于采用了CAN總線通訊、光纖傳輸技術(shù)及模塊化設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)不但降低了成本，還提高了實(shí)時(shí)性、可靠性和互換性。

磁控電抗器(MCR) 靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC) 無(wú)功功率補(bǔ)償

0 引言

近年來(lái)，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，大功率電力電子設(shè)備、變頻調(diào)速設(shè)備、電氣化鐵路、冶金、化工設(shè)備等非線性、不對(duì)稱和沖擊負(fù)荷的大量投入給電網(wǎng)造成極大的有功和無(wú)功沖擊，使電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，產(chǎn)生的無(wú)功和諧波危害電網(wǎng)的安全及可靠運(yùn)行。所以，必須使用各類(lèi)裝置來(lái)補(bǔ)償無(wú)功、抑制諧波并調(diào)節(jié)穩(wěn)定電壓，從以前僅需補(bǔ)償容性無(wú)功發(fā)展到如今需要補(bǔ)償容性和感性無(wú)功，且要求能夠連續(xù)調(diào)節(jié)[1]。因此，基于磁控電抗器(MCR)的靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（MSVC），具有可靠性高，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能好，安裝與維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外專家的高度重視并得到了廣泛的應(yīng)用。而MSVC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置中又以控制系統(tǒng)為主要核心控制設(shè)備，它通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角來(lái)控制磁控電抗器(MCR)鐵芯繞組電流的大小，從而改變電抗器鐵心的飽和度，控制其感抗值和注入電網(wǎng)的電抗電流大小，達(dá)到平滑調(diào)節(jié)電網(wǎng)無(wú)功功率的目的[2]。

1 功能

基于磁控電抗器(MCR)的靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（MSVC）控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱MSVC控制系統(tǒng)）通過(guò)監(jiān)控單元接收用戶的操作信息，顯示電壓、電流、功率、頻譜及THD等過(guò)程數(shù)據(jù)、故障報(bào)警信息及參數(shù)值。并通過(guò)總線或模擬量接口將用戶設(shè)置參數(shù)下傳到控制單元?？刂茊卧獧z測(cè)電網(wǎng)電壓、電流相位，按照算法得到晶閘管的控制角α生成觸發(fā)脈沖信號(hào)并驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁單元中的晶閘管導(dǎo)通，從而調(diào)節(jié)電抗器鐵心的勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流改變了電抗器鐵心的飽和程度并可連續(xù)地調(diào)節(jié)電抗器的感抗。

2 控制系統(tǒng)的組成

MSVC控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要由控制箱和勵(lì)磁箱組成?？刂葡溆煽刂茊卧捅O(jiān)控單元組成，勵(lì)磁箱有三個(gè)分別為A相勵(lì)磁箱，B相勵(lì)磁箱，C相勵(lì)磁箱。

2.1控制箱

控制箱由控制單元和監(jiān)控單元組成。

2.1.1控制單元

控制單元的核心芯片使用的是TI公司數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）TMS320F2812PGFA，該芯片專門(mén)為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)．集高速運(yùn)算處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)于一身．特別適用于高性能數(shù)字控制系統(tǒng)．能夠滿足動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制的實(shí)時(shí)檢測(cè)和處理的要求。使控制器具有高精度、高可靠性、功能結(jié)構(gòu)模塊化和低成本等優(yōu)點(diǎn)[3]。控制單元的作用是根據(jù)用戶的設(shè)定和檢測(cè)到的實(shí)際無(wú)功，按照一定的算法控制MCR的無(wú)功容量?？刂茊卧捎媚K化設(shè)計(jì)，原理框圖如圖2所示，主要分為電源模塊、主控模塊、觸發(fā)模塊。

主控模塊采用Modbus協(xié)議通信與觸摸顯示屏相連接，并接收觸摸顯示屏給定的功率因數(shù)或無(wú)功功率信號(hào)，通過(guò)觸發(fā)模塊計(jì)算出的實(shí)際功率因數(shù)或無(wú)功功率，按照算法得到晶閘管的控制角α，由CAN通信總線傳給觸發(fā)模塊并生成觸發(fā)脈沖信號(hào)并驅(qū)動(dòng)晶閘管導(dǎo)通。觸發(fā)模塊中的模擬信號(hào)調(diào)理電路把PT電壓信號(hào)調(diào)理成DSP控制器能夠處理的信號(hào)，與模擬信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后的CT電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，計(jì)算出的無(wú)功功率和其他參數(shù)通過(guò)CAN總線接口傳給主控模塊；同步信號(hào)電路采交流電壓信號(hào)負(fù)半周到正半周過(guò)零點(diǎn)，控制角α通過(guò)觸發(fā)電路接口電路進(jìn)行功率放大，放大脈沖信號(hào)由光發(fā)送模塊轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，經(jīng)光纖把信號(hào)傳輸?shù)絼?lì)磁單元；光接收模塊把接收到勵(lì)磁單元的故障信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，DSP控制器對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行處理。

2.1.2監(jiān)控單元

監(jiān)控單元采用的是一個(gè)液晶觸摸顯示屏，中文顯示，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面，主要用于用戶的參數(shù)設(shè)置，顯示電壓、電流等過(guò)程數(shù)據(jù)、故障報(bào)警信息及參數(shù)設(shè)置值。另外還有可選的總線接口，根據(jù)用戶控制室監(jiān)控設(shè)備情況，可通過(guò)總線或模擬量接口將用戶設(shè)置參數(shù)下傳到控制單元，也可以將運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳給控制室的監(jiān)控設(shè)備。

2.2勵(lì)磁箱

勵(lì)磁箱有三個(gè)分別為A相勵(lì)磁箱，B相勵(lì)磁箱，C相勵(lì)磁箱。每個(gè)勵(lì)磁箱由驅(qū)動(dòng)模塊、晶閘管模塊及散熱模塊組成。

2.2.1驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊由取能電路、光接收模塊、光發(fā)送模塊、功率放大電路及故障檢測(cè)邏輯電路組成。驅(qū)動(dòng)模塊用于隔離、接收來(lái)自控制單元觸發(fā)信號(hào)并放大到一定強(qiáng)度以驅(qū)動(dòng)晶閘管導(dǎo)通，同時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊還可以通過(guò)一定的硬件邏輯電路判斷主回路的故障并通過(guò)光纖上傳到控制單元。驅(qū)動(dòng)模塊取能電路用于為驅(qū)動(dòng)板提供電源，光接收模塊用于接收來(lái)自控制單元的觸發(fā)信號(hào)并變換成電信號(hào)；

光發(fā)送模塊用于發(fā)送主回路故障信息。故障信息主要有過(guò)流和溫度高兩種。

為明確市場(chǎng)定位采取了問(wèn)卷調(diào)查的方式。本次調(diào)查中，我們共發(fā)放問(wèn)卷250份，收回235份，其中有效問(wèn)卷200份，有效率88.1%。

2.2.2晶閘管模塊

晶閘管接收驅(qū)動(dòng)模塊的觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通，當(dāng)晶閘管的控制角α發(fā)生變化時(shí)，直流控制電流發(fā)生變化，鐵芯的飽和也發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了可控電抗器電感量的調(diào)節(jié)和交流工作電流的調(diào)節(jié)，因此，只要改變?chǔ)恋拇笮【涂梢赃_(dá)到平滑調(diào)節(jié)可控電抗器容量的目標(biāo)。二極管在晶閘管導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)起續(xù)流作用。為防止晶閘管及續(xù)流二極管反相恢復(fù)電流造成的電壓沖擊，在晶閘管的陰極和陽(yáng)極之間并聯(lián)有RC阻容模塊。

2.2.3散熱模塊

散熱模塊主要由散熱器、風(fēng)扇、溫度開(kāi)關(guān)組成。當(dāng)散熱器溫度超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定值時(shí),溫度開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)閉合啟動(dòng)風(fēng)扇散熱并向驅(qū)動(dòng)模塊提供溫度報(bào)警信號(hào)。

3 控制系統(tǒng)的軟件

MSVC控制系統(tǒng)軟件包括監(jiān)控單元人機(jī)界面程序和控制單元控制程序。監(jiān)控單元人機(jī)界面程序采用EB8000編程軟件編制，人機(jī)界面程序主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)及用戶給定值設(shè)置?？刂茊卧刂瞥绦蛴职ㄖ骺啬K程序及觸發(fā)模塊程序兩部分，控制程序采用TI公司的CCS3.3編程軟件編制，其中主控模塊程序包括外部I/O控制子程序，ModBbus通信控制子程序及CAN總線通信子程序。外部I/O控制程序主要實(shí)現(xiàn)用戶啟動(dòng)、停機(jī)信號(hào)檢測(cè)及運(yùn)行、故障指示燈的控制；ModBbus通信控制子程序用于與監(jiān)控單元觸摸屏通信，傳輸電壓、電流有效值、有功電流、無(wú)功電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)及THD等過(guò)程數(shù)據(jù)，接收用戶的參數(shù)設(shè)置；CAN總線通信子程序用于與觸發(fā)模塊通信，傳輸用戶的參數(shù)設(shè)置及啟動(dòng)、停機(jī)命令，接收來(lái)自觸發(fā)模塊的運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)。觸發(fā)模塊程序包括三相電壓、電流采集子程序、電壓、電流有效值、有功電流、無(wú)功電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)及THD的計(jì)算子程序、無(wú)功功率PI控制子程序、CAN總線的數(shù)據(jù)交換程序及晶閘管觸發(fā)脈沖控制程序。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前基于磁控電抗器(MCR)的靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（MSVC）控制系統(tǒng)已批量生產(chǎn)，并廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石化、采礦等多種行業(yè)，對(duì)于節(jié)能、降耗、減排和環(huán)保等方面發(fā)揮了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] 陳振虎, 梁繼勇,黃祥偉. 基于磁控電抗器的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(7)：82-84.

[2] 陳柏超. 新型可控飽和電抗器理論及應(yīng)用[M]. 武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，1999.

[3] 張 立，丘東元，張波. 基于DSP的高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30(3)：121-125.

Design of Control System for MSVC Dynamic Reactive Power Compensation Device

Tao Yong, Xie Qingsong, Chen Fangliang

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064 , China）

This paper introduces the research method of MSVC dynamic reactive power compensation device control system, and analyzes its software and hardware structure and work principle. Due to CAN bus communication and optical fiber transmission technology and modularized design, the system lowers the costs and improves real-time function, reliability and interchangeability.

magnetically controlled reactor(MCR); static var compensator(SVC); reactive power compensation

TN713

A

1003-4862（2015）03-0056-03

2014-12-18

陶勇（1973-），男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶電力推進(jìn)控制系統(tǒng)。