基于DSP的SVG与TSC配合的无功补偿

陈 晶，曹 娜，马 懿，何 迪

(1.山东科技大学 电气与自动化工程学院,山东 青岛 266590; 2.国家电网滨州供电公司,山东 滨州 256600;3.国家电网平度供电公司,山东 平度 266700)



基于DSP的SVG与TSC配合的无功补偿

陈 晶1，曹 娜1，马 懿2，何 迪3

(1.山东科技大学 电气与自动化工程学院,山东 青岛 266590; 2.国家电网滨州供电公司,山东 滨州 256600;3.国家电网平度供电公司,山东 平度 266700)

以瞬时无功功率理论为控制策略基础,介绍了一种基于DSP的SVG与TSC配合对系统进行补偿的方式,给出了补偿方法的工作原理及装置设计的构架,分析了 SVG与TSC配合的工作特性。通过仿真实验得出该设计可以更加快速实现无功的连续补偿,提高经济性。

DSP;SVG;晶闸管投切电容器;无功补偿

电力系统中电动机、压缩机等大功率感性设备的使用,致使无功功率在电网中传输,电能利用率大大降低,且严重影响供电质量[1]。为了解决这个问题,文献[2]考虑到补偿的实时性及快速性的特点,设计了TSC无功补偿装置,对多组电容器的自动分级投切、无功功率快速检测及如何触发晶闸管等关键问题予以解决;文献[3]用DSP来处理计算信号的采集与算法的运算,用单片机来控制电容器投切,实现显示、通信、按键等基本功能,结合了DSP与单片机的优点,提高了补偿效率;文献[4]以某一特定研究对象为前提,用PSCAD软件建模和仿真分析TSC与TCR配合实现无功补偿,具有很好的校正功率因数的效果;文献[5]介绍了SVG补偿的工作原理及其工作过程,实现了连续的无功补偿,在补偿速度、补偿效率上都能满足要求。但这些文献都致力于研究一种快速实现无功补偿的方式,补偿速度相对提高的情况下,补偿的连续性、设备本身产生谐波或经济性等因素考虑不周到。因此,本文采用基于DSP的SVG和TSC配合的方式进行无功补偿。

1 工作原理及总体设计

SVG正常的工作就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧同电网同频的输出电压,然后通过变压器接到电网[6]。改变SVG主电路部分输出的电流来调节SVG电路吸收或发出适量的无功电流,控制SVG吸收无功功率的性质和大小。

TSC通过控制晶闸管来控制电容器的投切,电容器的安装按分组投切,分组后分配产生的电容值级数越多越好。TSC不能实现连续调节无功功率,但是TSC 具有成本低、运行时不产生谐波、损耗小等优点[3]。在投入使用时选用过零投切,使整个投入过程不产生冲击电流。SVG与TSC配合工作结构如图1所示。

图1 SVG与TSC配合工作结构

假设需要补偿的无功总量为Q,TSC模块单个补偿电容器的容量为QC,采用等容量分配方式,在运行中可得到N+1种不同补偿容量的组合,0、QC、2QC、…、nQC。由于每组的容量都相等,因此运行时可以替换,使每组电容投入运行的时间基本相等,降低了电容器组平均运行温度,减少了投切次数。实现循环投切,即先投先切后投后切,延长了电容器的使用寿命。

TSC设备补偿的无功量为mQC,Q>mQC,m为使mQC小于Q的最大正整数,此时SVG设备需要补偿的无功量是Q-mQC,此值小于QC。这样便可方便投切电容器并且缩小SVG补偿范围,快速进行无功功率的补偿。TSC使SVG从电网吸收的电流幅值减小,也是两者结合的一个特点,同样提高补偿速度。

补偿容量的计算由TMS320F28335处理,芯片主频高达150 MHz,指令周期为6.67 ns,采用哈佛流水线总线结构和单精度浮点运算单元,A/D拥有80 ns的快速转换时间。在制板时,连接到引脚ADCINxx的信号线离数字信号线比较近,而A/D转换模块的电源引脚与数字电源隔开[7],保证数据采集/处理的快速性与精确性。

通过互感器、运放电路及滤波电路后将电网电量转换为3 V,输入到TMS320F28335(自带AD)。根据电网参数计算无功参量、TSC与SVG结合的运作程序对无功进行分配。然后根据无功的分配再来控制TSC电容器的投切以及SVG指令电流生成。

SVG与TSC结合的无功补偿控制系统如图2所示。系统主要包括数据处理部分、控制部分、脉冲发生器、驱动电路、电容器组、主电力电子电路部分。

图2 SVG与TSC结合的无功补偿控制系统

2 SVG与TSC配合结构的特性分析

2.1 U-I特性

在投入电容器时,TSC的电压-电流特性就是电容的伏安特性。在运用TSC补偿无时,将电容器分成几组,由晶闸管控制根据电网需求来投切。U-I特性曲线如图3所示。

图3 TSC的U-I特性曲线

SVG可以调整变流器交流侧电压的幅值和相位使提供的最大无功电流ICmax和ILmax保持不变,SVG的运行范围为近似矩形的区域。U-I特性曲线如图4所示，二者配合时表现出的特性如图5所示。

图4 SVG的U-I特性曲线

图5 TSC与SVG结合的U-I特性曲线

从图5可见,二者结合后补偿范围增大。

2.2 响应速度

SVG采用新型电力电子器件IGBT,开断时间小于10 μs,而TSC采用晶闸管,开断时间为10 ms,相差1000倍,导致SVG响应速度较快。另外,当SVG采用闭环控制时,响应速度更快。

SVG动作可以快速达到其阈值。TSC 的响应速度较慢,依然会使SVG持续工作在极限状态。根据配合原理,应使TSC实际完成响应后SVG再运行,SVG需有一定余量以保证恢复其抑制电压波动及闪变的能力。

在接入TSC后,补偿系统在电网中吸收的电流可表示为

I=ITSC+ISVG

其中ITSC与ISVG分别为TSC部分和SVG部分在电网中吸收的电流。

令系统电压US相位为0,把TSC视为电容器件,投入TSC后,SVG工作原理如图6所示。

图6 SVG与TSC配合后SVG工作原理

3 控制策略

根据以上运行特性的分析,制定合理的控制策略。根据控制策略实现合理的无功分配,即对TSC及SVG分别补偿的容量的分配,进而控制TSC和SVG装置产生相应的无功电流,完成电网的无功补偿。

采用瞬时无功功率理论[8]为基础的ip、iq运算方式来检测无功电流,原理如图7所示。ea、eb、ec和ia、ib、ic分别为三相电路各相电压和电流的瞬时值。

图7 ip-iq运算方式原理图

图7中

根据派克变换定义将三相瞬时值变换到dq0坐标下得

当只检测无功电流时,只需对iq进行反变换,由系统电流减去计算出的基波分量便得到无功电流。

根据检测出的无功电流量进行无功分配,并且检测晶闸管投切次数,保证SVG设备在TSC补偿相应无功后,能无延迟投入使用,分别实现SVG和TSC模块的有序工作。

4 无功补偿流程

定义参数IC为TSC单个电容器电流,n为电容器总数,m为根据需要补偿的容量确定的电容器数,m小于等于n。SVG与TSC结合实现无功补偿的流程图如图8所示。

图8 SVG与TSC结合实现无功补偿流程图

当所需补偿的无功量超出补偿设备最大限度时,需要考虑调节设备参数。由于SVG能连续调节,相比安装电容器,SVG只需调节交流侧输出电压幅值及相对电网电压的相位便可调节吸收无功的大小。因此,需补偿的无功量超出补偿设备最大限度时,只需调节SVG参数即可。

5 仿真研究

视在功率为

S=PQ

补偿前无功功率为

Q1=S·sinθ1=30kvar

补偿后无功功率为

Q2=S·sinθ2≈1.2kvar

则补偿的无功补偿量为

ΔQ=Q1-Q2≈28.8kvar

在Simulink环境下根据上述参数,对SVG与TSC组合系统进行仿真。SVG主结构的多电平变流器使用了IGBT构成的两桥臂桥式模块级联而成。TSC结构主要由双向晶闸管控制电容器组成。参数设置:系统电压为US=380 V,线路阻抗设置为X=0.001 H,系统频率为50 Hz。IGBT驱动电路部分:三角波频率f=8000 Hz,直流侧连接电容C=800 μF,直流电容电压参考值Udc=800 V。TSC电容器C=530 μF。

在0.1 s时投入无功补偿装置,仿真结果如图9～12所示。

图9 TSC无功补偿单相无功变化

图10 SVG与TSC配合无功补偿单相无功变化

图11 无功补偿前A相电压、电流波形

图12 SVG与TSC配合无功补偿后A相电压、电流波形

由图9和图10可以看出,只投入TSC时,补偿装置补偿的响应时间为0.02 s,补偿后无功功率降到2000 var;在SVG与TSC配合使用时,SVG补偿的无功量为TSC补偿后剩余的无功量,使响应速度有所提高,在不到0.02 s时无功功率就降到最低值,比仅仅使用TSC补偿时补偿容量增大400 var,补偿速度和补偿效果都有所提高。对比图11和图12容易看出,在SVG与TSC配合无功补偿后A相的电压、电流达到同相位，补偿效果明显。

6 结 语

以DSP芯片TMS320F28335作为控制器的SVG与TSC配合能实现无功补偿功能及提高补偿速度。仿真实验表明, SVG与TSC配合补偿无功,实现了连续平滑补偿,补偿后结果满足电力系统需求,其中SVG只需补偿2000 var的无功量,大大减小了其补偿范围,降低了对设备的持续极限状态工作时间,节约了设备设计成本和维护费用。

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(责任编辑 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。

陈 晶(1990—),男,硕士,主要研究方向为电力系统运行与控制。

TM761+.12

A

2095-6843(2016)01-0038-05