陳 晶，曹 娜，馬 懿，何 迪

(1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,山東 青島 266590; 2.國(guó)家電網(wǎng)濱州供電公司,山東 濱州 256600;3.國(guó)家電網(wǎng)平度供電公司,山東 平度 266700)

?

基于DSP的SVG與TSC配合的無(wú)功補(bǔ)償

陳 晶1，曹 娜1，馬 懿2，何 迪3

(1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,山東 青島 266590; 2.國(guó)家電網(wǎng)濱州供電公司,山東 濱州 256600;3.國(guó)家電網(wǎng)平度供電公司,山東 平度 266700)

以瞬時(shí)無(wú)功功率理論為控制策略基礎(chǔ),介紹了一種基于DSP的SVG與TSC配合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?給出了補(bǔ)償方法的工作原理及裝置設(shè)計(jì)的構(gòu)架,分析了 SVG與TSC配合的工作特性。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出該設(shè)計(jì)可以更加快速實(shí)現(xiàn)無(wú)功的連續(xù)補(bǔ)償,提高經(jīng)濟(jì)性。

DSP;SVG;晶閘管投切電容器;無(wú)功補(bǔ)償

電力系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)等大功率感性設(shè)備的使用,致使無(wú)功功率在電網(wǎng)中傳輸,電能利用率大大降低,且嚴(yán)重影響供電質(zhì)量[1]。為了解決這個(gè)問(wèn)題,文獻(xiàn)[2]考慮到補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性及快速性的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置,對(duì)多組電容器的自動(dòng)分級(jí)投切、無(wú)功功率快速檢測(cè)及如何觸發(fā)晶閘管等關(guān)鍵問(wèn)題予以解決;文獻(xiàn)[3]用DSP來(lái)處理計(jì)算信號(hào)的采集與算法的運(yùn)算,用單片機(jī)來(lái)控制電容器投切,實(shí)現(xiàn)顯示、通信、按鍵等基本功能,結(jié)合了DSP與單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn),提高了補(bǔ)償效率;文獻(xiàn)[4]以某一特定研究對(duì)象為前提,用PSCAD軟件建模和仿真分析TSC與TCR配合實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償,具有很好的校正功率因數(shù)的效果;文獻(xiàn)[5]介紹了SVG補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟砑捌涔ぷ鬟^(guò)程,實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的無(wú)功補(bǔ)償,在補(bǔ)償速度、補(bǔ)償效率上都能滿足要求。但這些文獻(xiàn)都致力于研究一種快速實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?補(bǔ)償速度相對(duì)提高的情況下,補(bǔ)償?shù)倪B續(xù)性、設(shè)備本身產(chǎn)生諧波或經(jīng)濟(jì)性等因素考慮不周到。因此,本文采用基于DSP的SVG和TSC配合的方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

1 工作原理及總體設(shè)計(jì)

SVG正常的工作就是通過(guò)電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)同電網(wǎng)同頻的輸出電壓,然后通過(guò)變壓器接到電網(wǎng)[6]。改變SVG主電路部分輸出的電流來(lái)調(diào)節(jié)SVG電路吸收或發(fā)出適量的無(wú)功電流,控制SVG吸收無(wú)功功率的性質(zhì)和大小。

TSC通過(guò)控制晶閘管來(lái)控制電容器的投切,電容器的安裝按分組投切,分組后分配產(chǎn)生的電容值級(jí)數(shù)越多越好。TSC不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率,但是TSC 具有成本低、運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生諧波、損耗小等優(yōu)點(diǎn)[3]。在投入使用時(shí)選用過(guò)零投切,使整個(gè)投入過(guò)程不產(chǎn)生沖擊電流。SVG與TSC配合工作結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SVG與TSC配合工作結(jié)構(gòu)

假設(shè)需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功總量為Q,TSC模塊單個(gè)補(bǔ)償電容器的容量為QC,采用等容量分配方式,在運(yùn)行中可得到N+1種不同補(bǔ)償容量的組合,0、QC、2QC、…、nQC。由于每組的容量都相等,因此運(yùn)行時(shí)可以替換,使每組電容投入運(yùn)行的時(shí)間基本相等,降低了電容器組平均運(yùn)行溫度,減少了投切次數(shù)。實(shí)現(xiàn)循環(huán)投切,即先投先切后投后切,延長(zhǎng)了電容器的使用壽命。

TSC設(shè)備補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功量為mQC,Q>mQC,m為使mQC小于Q的最大正整數(shù),此時(shí)SVG設(shè)備需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功量是Q-mQC,此值小于QC。這樣便可方便投切電容器并且縮小SVG補(bǔ)償范圍,快速進(jìn)行無(wú)功功率的補(bǔ)償。TSC使SVG從電網(wǎng)吸收的電流幅值減小,也是兩者結(jié)合的一個(gè)特點(diǎn),同樣提高補(bǔ)償速度。

補(bǔ)償容量的計(jì)算由TMS320F28335處理,芯片主頻高達(dá)150 MHz,指令周期為6.67 ns,采用哈佛流水線總線結(jié)構(gòu)和單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元,A/D擁有80 ns的快速轉(zhuǎn)換時(shí)間。在制板時(shí),連接到引腳ADCINxx的信號(hào)線離數(shù)字信號(hào)線比較近,而A/D轉(zhuǎn)換模塊的電源引腳與數(shù)字電源隔開(kāi)[7],保證數(shù)據(jù)采集/處理的快速性與精確性。

通過(guò)互感器、運(yùn)放電路及濾波電路后將電網(wǎng)電量轉(zhuǎn)換為3 V,輸入到TMS320F28335(自帶AD)。根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算無(wú)功參量、TSC與SVG結(jié)合的運(yùn)作程序?qū)o(wú)功進(jìn)行分配。然后根據(jù)無(wú)功的分配再來(lái)控制TSC電容器的投切以及SVG指令電流生成。

SVG與TSC結(jié)合的無(wú)功補(bǔ)償控制系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)處理部分、控制部分、脈沖發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)電路、電容器組、主電力電子電路部分。

圖2 SVG與TSC結(jié)合的無(wú)功補(bǔ)償控制系統(tǒng)

2 SVG與TSC配合結(jié)構(gòu)的特性分析

2.1 U-I特性

在投入電容器時(shí),TSC的電壓-電流特性就是電容的伏安特性。在運(yùn)用TSC補(bǔ)償無(wú)時(shí),將電容器分成幾組,由晶閘管控制根據(jù)電網(wǎng)需求來(lái)投切。U-I特性曲線如圖3所示。

圖3 TSC的U-I特性曲線

SVG可以調(diào)整變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位使提供的最大無(wú)功電流ICmax和ILmax保持不變,SVG的運(yùn)行范圍為近似矩形的區(qū)域。U-I特性曲線如圖4所示，二者配合時(shí)表現(xiàn)出的特性如圖5所示。

圖4 SVG的U-I特性曲線

圖5 TSC與SVG結(jié)合的U-I特性曲線

從圖5可見(jiàn),二者結(jié)合后補(bǔ)償范圍增大。

2.2 響應(yīng)速度

SVG采用新型電力電子器件IGBT,開(kāi)斷時(shí)間小于10 μs,而TSC采用晶閘管,開(kāi)斷時(shí)間為10 ms,相差1000倍,導(dǎo)致SVG響應(yīng)速度較快。另外,當(dāng)SVG采用閉環(huán)控制時(shí),響應(yīng)速度更快。

SVG動(dòng)作可以快速達(dá)到其閾值。TSC 的響應(yīng)速度較慢,依然會(huì)使SVG持續(xù)工作在極限狀態(tài)。根據(jù)配合原理,應(yīng)使TSC實(shí)際完成響應(yīng)后SVG再運(yùn)行,SVG需有一定余量以保證恢復(fù)其抑制電壓波動(dòng)及閃變的能力。

在接入TSC后,補(bǔ)償系統(tǒng)在電網(wǎng)中吸收的電流可表示為

I=ITSC+ISVG

其中ITSC與ISVG分別為T(mén)SC部分和SVG部分在電網(wǎng)中吸收的電流。

令系統(tǒng)電壓US相位為0,把TSC視為電容器件,投入TSC后,SVG工作原理如圖6所示。

圖6 SVG與TSC配合后SVG工作原理

3 控制策略

根據(jù)以上運(yùn)行特性的分析,制定合理的控制策略。根據(jù)控制策略實(shí)現(xiàn)合理的無(wú)功分配,即對(duì)TSC及SVG分別補(bǔ)償?shù)娜萘康姆峙?進(jìn)而控制TSC和SVG裝置產(chǎn)生相應(yīng)的無(wú)功電流,完成電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償。

采用瞬時(shí)無(wú)功功率理論[8]為基礎(chǔ)的ip、iq運(yùn)算方式來(lái)檢測(cè)無(wú)功電流,原理如圖7所示。ea、eb、ec和ia、ib、ic分別為三相電路各相電壓和電流的瞬時(shí)值。

圖7 ip-iq運(yùn)算方式原理圖

圖7中

根據(jù)派克變換定義將三相瞬時(shí)值變換到dq0坐標(biāo)下得

當(dāng)只檢測(cè)無(wú)功電流時(shí),只需對(duì)iq進(jìn)行反變換,由系統(tǒng)電流減去計(jì)算出的基波分量便得到無(wú)功電流。

根據(jù)檢測(cè)出的無(wú)功電流量進(jìn)行無(wú)功分配,并且檢測(cè)晶閘管投切次數(shù),保證SVG設(shè)備在TSC補(bǔ)償相應(yīng)無(wú)功后,能無(wú)延遲投入使用,分別實(shí)現(xiàn)SVG和TSC模塊的有序工作。

4 無(wú)功補(bǔ)償流程

定義參數(shù)IC為T(mén)SC單個(gè)電容器電流,n為電容器總數(shù),m為根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)娜萘看_定的電容器數(shù),m小于等于n。SVG與TSC結(jié)合實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D如圖8所示。

圖8 SVG與TSC結(jié)合實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償流程圖

當(dāng)所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功量超出補(bǔ)償設(shè)備最大限度時(shí),需要考慮調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)。由于SVG能連續(xù)調(diào)節(jié),相比安裝電容器,SVG只需調(diào)節(jié)交流側(cè)輸出電壓幅值及相對(duì)電網(wǎng)電壓的相位便可調(diào)節(jié)吸收無(wú)功的大小。因此,需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功量超出補(bǔ)償設(shè)備最大限度時(shí),只需調(diào)節(jié)SVG參數(shù)即可。

5 仿真研究

視在功率為

S=PQ

補(bǔ)償前無(wú)功功率為

Q1=S·sinθ1=30kvar

補(bǔ)償后無(wú)功功率為

Q2=S·sinθ2≈1.2kvar

則補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償量為

ΔQ=Q1-Q2≈28.8kvar

在Simulink環(huán)境下根據(jù)上述參數(shù),對(duì)SVG與TSC組合系統(tǒng)進(jìn)行仿真。SVG主結(jié)構(gòu)的多電平變流器使用了IGBT構(gòu)成的兩橋臂橋式模塊級(jí)聯(lián)而成。TSC結(jié)構(gòu)主要由雙向晶閘管控制電容器組成。參數(shù)設(shè)置:系統(tǒng)電壓為US=380 V,線路阻抗設(shè)置為X=0.001 H,系統(tǒng)頻率為50 Hz。IGBT驅(qū)動(dòng)電路部分:三角波頻率f=8000 Hz,直流側(cè)連接電容C=800 μF,直流電容電壓參考值Udc=800 V。TSC電容器C=530 μF。

在0.1 s時(shí)投入無(wú)功補(bǔ)償裝置,仿真結(jié)果如圖9～12所示。

圖9 TSC無(wú)功補(bǔ)償單相無(wú)功變化

圖10 SVG與TSC配合無(wú)功補(bǔ)償單相無(wú)功變化

圖11 無(wú)功補(bǔ)償前A相電壓、電流波形

圖12 SVG與TSC配合無(wú)功補(bǔ)償后A相電壓、電流波形

由圖9和圖10可以看出,只投入TSC時(shí),補(bǔ)償裝置補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)時(shí)間為0.02 s,補(bǔ)償后無(wú)功功率降到2000 var;在SVG與TSC配合使用時(shí),SVG補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功量為T(mén)SC補(bǔ)償后剩余的無(wú)功量,使響應(yīng)速度有所提高,在不到0.02 s時(shí)無(wú)功功率就降到最低值,比僅僅使用TSC補(bǔ)償時(shí)補(bǔ)償容量增大400 var,補(bǔ)償速度和補(bǔ)償效果都有所提高。對(duì)比圖11和圖12容易看出,在SVG與TSC配合無(wú)功補(bǔ)償后A相的電壓、電流達(dá)到同相位，補(bǔ)償效果明顯。

6 結(jié) 語(yǔ)

以DSP芯片TMS320F28335作為控制器的SVG與TSC配合能實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償功能及提高補(bǔ)償速度。仿真實(shí)驗(yàn)表明, SVG與TSC配合補(bǔ)償無(wú)功,實(shí)現(xiàn)了連續(xù)平滑補(bǔ)償,補(bǔ)償后結(jié)果滿足電力系統(tǒng)需求,其中SVG只需補(bǔ)償2000 var的無(wú)功量,大大減小了其補(bǔ)償范圍,降低了對(duì)設(shè)備的持續(xù)極限狀態(tài)工作時(shí)間,節(jié)約了設(shè)備設(shè)計(jì)成本和維護(hù)費(fèi)用。

[1] 牛軼男,馮婷,汪揚(yáng),等.電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].信息通信,2011(1):48-51.

NIU Yinan, FENG Ting, WANG Yang, et al. Review on the reactive power compensation of power system [J]. Information and

Communications, 2011(1):48-51.

[2] 樓曉春,陳歲生.TSC低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2008(7):168-169.

LOU Xiaochun, CHEN Suisheng. Design and application of TSC low-voltage dynamic reactive power compensation device [J]. Coal Mine Machinery, 2008(7):168-169.

[3] 鄭秀聰.基于DSP的TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功與諧波綜合補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)[D].廣州:華南理工大學(xué),2011.

ZHENG Xiucong. Design of TSC dynamic reactive power and harmonic wave comprehensive compensation device based on DSP[D]. Guangzhou:South China University of Technology, 2011.

[4] 王喜元.基于無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)提升電網(wǎng)電能質(zhì)量應(yīng)用研究[J].電氣應(yīng)用,2014(4):60-64.

WANG Xiyuan. Research on enhancing network power quality based on reactive power compensation technology [J]. Electrotechnical Application, 2014(4):60-64.

[5] 孫紅星,何德剛,吳文波.基于鏈?zhǔn)?SVG三相不平衡負(fù)荷的平衡補(bǔ)償方法的仿真分析[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2014(6):

60-64.SUN Hongxing, HE Degang, WU Wenbo. Balancing compensation of three-phase unbalanced load based on chain SVG[J]. Techniques of Automation and Applications, 2014(6):60-64.

[6] 孫巧利,章國(guó)寶.鏈?zhǔn)蕉嚯娖届o止無(wú)功發(fā)生器的研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011(2):107-109.

SUN Qiaoli, ZHANG Guobao. Research on cascade multi-level static var generation [J]. Electronic Design Engineering, 2011(2):107-109.

[7] 劉陵順,高艷麗,張樹(shù)團(tuán),等.TMS320F28335DSP 原理及開(kāi)發(fā)編程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2013.LIU Lingshun, GAO Yanli, ZHANG Shutuan, et al. TMS320

F28335DSP principle and development programmi-ng[M]. Beijing: Beihang University Press, 2013.

[8] 王兆安,楊君,劉進(jìn)軍,等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

WANG Zhaoan, YANG Jun, LIU Jinjun, et al. Harmonic wave suppression and reactive power compensation [M]. Beijing: China Machine Press, 2005.

(責(zé)任編輯 郭金光)

Reactive power compensation combining SVG and TSC based on DSP

CHEN Jing1, CAO Na1, MA Yi2, HE Di3

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. State Grid Binzhou Power Supply Company, Binzhou 256600, China; 3. State Grid Pingdu Power Supply Company, Pingdu 266700, China)

This paper introduced a method combining SVG with TSC based on DSP to compensate the system taking transient reactive power theory as control strategy. In this paper, the working principle and the structure of the device were described; the working characteristics of SVG and TSC were analyzed. Through the simulation experiment, it is proved that the design is able to accelerate continuous compensation of reactive power and to improve the economy.

DSP; SVG; thyristor-switched capacitor; reactive power compensation

2015-05-20。

陳 晶(1990—),男,碩士,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制。

TM761+.12

A

2095-6843(2016)01-0038-05