陳 晶，曹 娜，馬 懿，何 迪

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

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基于DSP的SVG與TSC配合的無功補償

陳 晶1，曹 娜1，馬 懿2，何 迪3

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

以瞬時無功功率理論為控制策略基礎,介紹了一種基于DSP的SVG與TSC配合對系統(tǒng)進行補償?shù)姆绞?給出了補償方法的工作原理及裝置設計的構架,分析了 SVG與TSC配合的工作特性。通過仿真實驗得出該設計可以更加快速實現(xiàn)無功的連續(xù)補償,提高經(jīng)濟性。

DSP;SVG;晶閘管投切電容器;無功補償

電力系統(tǒng)中電動機、壓縮機等大功率感性設備的使用,致使無功功率在電網(wǎng)中傳輸,電能利用率大大降低,且嚴重影響供電質量[1]。為了解決這個問題,文獻[2]考慮到補償?shù)膶崟r性及快速性的特點,設計了TSC無功補償裝置,對多組電容器的自動分級投切、無功功率快速檢測及如何觸發(fā)晶閘管等關鍵問題予以解決;文獻[3]用DSP來處理計算信號的采集與算法的運算,用單片機來控制電容器投切,實現(xiàn)顯示、通信、按鍵等基本功能,結合了DSP與單片機的優(yōu)點,提高了補償效率;文獻[4]以某一特定研究對象為前提,用PSCAD軟件建模和仿真分析TSC與TCR配合實現(xiàn)無功補償,具有很好的校正功率因數(shù)的效果;文獻[5]介紹了SVG補償?shù)墓ぷ髟砑捌涔ぷ鬟^程,實現(xiàn)了連續(xù)的無功補償,在補償速度、補償效率上都能滿足要求。但這些文獻都致力于研究一種快速實現(xiàn)無功補償?shù)姆绞?補償速度相對提高的情況下,補償?shù)倪B續(xù)性、設備本身產(chǎn)生諧波或經(jīng)濟性等因素考慮不周到。因此,本文采用基于DSP的SVG和TSC配合的方式進行無功補償。

1 工作原理及總體設計

SVG正常的工作就是通過電力半導體開關的通斷將直流側電壓轉換成交流側同電網(wǎng)同頻的輸出電壓,然后通過變壓器接到電網(wǎng)[6]。改變SVG主電路部分輸出的電流來調節(jié)SVG電路吸收或發(fā)出適量的無功電流,控制SVG吸收無功功率的性質和大小。

TSC通過控制晶閘管來控制電容器的投切,電容器的安裝按分組投切,分組后分配產(chǎn)生的電容值級數(shù)越多越好。TSC不能實現(xiàn)連續(xù)調節(jié)無功功率,但是TSC 具有成本低、運行時不產(chǎn)生諧波、損耗小等優(yōu)點[3]。在投入使用時選用過零投切,使整個投入過程不產(chǎn)生沖擊電流。SVG與TSC配合工作結構如圖1所示。

圖1 SVG與TSC配合工作結構

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

TSC設備補償?shù)臒o功量為mQC,Q>mQC,m為使mQC小于Q的最大正整數(shù),此時SVG設備需要補償?shù)臒o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補償范圍,快速進行無功功率的補償。TSC使SVG從電網(wǎng)吸收的電流幅值減小,也是兩者結合的一個特點,同樣提高補償速度。

補償容量的計算由TMS320F28335處理,芯片主頻高達150 MHz,指令周期為6.67 ns,采用哈佛流水線總線結構和單精度浮點運算單元,A/D擁有80 ns的快速轉換時間。在制板時,連接到引腳ADCINxx的信號線離數(shù)字信號線比較近,而A/D轉換模塊的電源引腳與數(shù)字電源隔開[7],保證數(shù)據(jù)采集/處理的快速性與精確性。

通過互感器、運放電路及濾波電路后將電網(wǎng)電量轉換為3 V,輸入到TMS320F28335(自帶AD)。根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)計算無功參量、TSC與SVG結合的運作程序對無功進行分配。然后根據(jù)無功的分配再來控制TSC電容器的投切以及SVG指令電流生成。

SVG與TSC結合的無功補償控制系統(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、驅動電路、電容器組、主電力電子電路部分。

圖2 SVG與TSC結合的無功補償控制系統(tǒng)

2 SVG與TSC配合結構的特性分析

2.1 U-I特性

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

圖3 TSC的U-I特性曲線

SVG可以調整變流器交流側電壓的幅值和相位使提供的最大無功電流ICmax和ILmax保持不變,SVG的運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結合的U-I特性曲線

從圖5可見,二者結合后補償范圍增大。

2.2 響應速度

SVG采用新型電力電子器件IGBT,開斷時間小于10 μs,而TSC采用晶閘管,開斷時間為10 ms,相差1000倍,導致SVG響應速度較快。另外,當SVG采用閉環(huán)控制時,響應速度更快。

SVG動作可以快速達到其閾值。TSC 的響應速度較慢,依然會使SVG持續(xù)工作在極限狀態(tài)。根據(jù)配合原理,應使TSC實際完成響應后SVG再運行,SVG需有一定余量以保證恢復其抑制電壓波動及閃變的能力。

在接入TSC后,補償系統(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TSC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)以上運行特性的分析,制定合理的控制策略。根據(jù)控制策略實現(xiàn)合理的無功分配,即對TSC及SVG分別補償?shù)娜萘康姆峙?進而控制TSC和SVG裝置產(chǎn)生相應的無功電流,完成電網(wǎng)的無功補償。

采用瞬時無功功率理論[8]為基礎的ip、iq運算方式來檢測無功電流,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值。

圖7 ip-iq運算方式原理圖

圖7中

根據(jù)派克變換定義將三相瞬時值變換到dq0坐標下得

當只檢測無功電流時,只需對iq進行反變換,由系統(tǒng)電流減去計算出的基波分量便得到無功電流。

根據(jù)檢測出的無功電流量進行無功分配,并且檢測晶閘管投切次數(shù),保證SVG設備在TSC補償相應無功后,能無延遲投入使用,分別實現(xiàn)SVG和TSC模塊的有序工作。

4 無功補償流程

定義參數(shù)IC為TSC單個電容器電流,n為電容器總數(shù),m為根據(jù)需要補償?shù)娜萘看_定的電容器數(shù),m小于等于n。SVG與TSC結合實現(xiàn)無功補償?shù)牧鞒虉D如圖8所示。

圖8 SVG與TSC結合實現(xiàn)無功補償流程圖

當所需補償?shù)臒o功量超出補償設備最大限度時,需要考慮調節(jié)設備參數(shù)。由于SVG能連續(xù)調節(jié),相比安裝電容器,SVG只需調節(jié)交流側輸出電壓幅值及相對電網(wǎng)電壓的相位便可調節(jié)吸收無功的大小。因此,需補償?shù)臒o功量超出補償設備最大限度時,只需調節(jié)SVG參數(shù)即可。

5 仿真研究

視在功率為

S=PQ

補償前無功功率為

Q1=S·sinθ1=30kvar

補償后無功功率為

Q2=S·sinθ2≈1.2kvar

則補償?shù)臒o功補償量為

ΔQ=Q1-Q2≈28.8kvar

在Simulink環(huán)境下根據(jù)上述參數(shù),對SVG與TSC組合系統(tǒng)進行仿真。SVG主結構的多電平變流器使用了IGBT構成的兩橋臂橋式模塊級聯(lián)而成。TSC結構主要由雙向晶閘管控制電容器組成。參數(shù)設置:系統(tǒng)電壓為US=380 V,線路阻抗設置為X=0.001 H,系統(tǒng)頻率為50 Hz。IGBT驅動電路部分:三角波頻率f=8000 Hz,直流側連接電容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時投入無功補償裝置,仿真結果如圖9～12所示。

圖9 TSC無功補償單相無功變化

圖10 SVG與TSC配合無功補償單相無功變化

圖11 無功補償前A相電壓、電流波形

圖12 SVG與TSC配合無功補償后A相電壓、電流波形

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

6 結 語

以DSP芯片TMS320F28335作為控制器的SVG與TSC配合能實現(xiàn)無功補償功能及提高補償速度。仿真實驗表明, SVG與TSC配合補償無功,實現(xiàn)了連續(xù)平滑補償,補償后結果滿足電力系統(tǒng)需求,其中SVG只需補償2000 var的無功量,大大減小了其補償范圍,降低了對設備的持續(xù)極限狀態(tài)工作時間,節(jié)約了設備設計成本和維護費用。

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(責任編輯 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,主要研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制。

TM761+.12

A

2095-6843(2016)01-0038-05