行業(yè)：電力能源
應(yīng)用需求：電弧爐、軋鋼機(jī)等大型工業(yè)設(shè)備在為企業(yè)創(chuàng)造產(chǎn)值的同時(shí)也帶來了無功分量和高次諧波等危害，他們直接導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的波動(dòng)和閃變，給電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的“污染”。迄今為止，安裝靜止無功補(bǔ)償裝置(Static VAR Compensator簡稱SVC)是解決上述問題最有效的方法SVC在電力系統(tǒng)中能起到調(diào)相、調(diào)壓、抑制振蕩等作用；在工業(yè)企業(yè)中則可以消除高次諧波、平穩(wěn)母線電壓、提升功率因數(shù)。
面臨的挑戰(zhàn)：輸電系統(tǒng)的SVC對可靠性要求極高，需要采用全數(shù)字控制，此系統(tǒng)要求逐點(diǎn)計(jì)算，以一個(gè)工頻周期采樣100個(gè)點(diǎn)來算，逐點(diǎn)控制循環(huán)的速率也在200µs，如果要計(jì)算高階諧波，控制循環(huán)速率會(huì)更高。
SVC研發(fā)背景我國研究和應(yīng)用SVC已有20多年歷史，研制出不少產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品大多集中在工業(yè)和配電領(lǐng)域，容量一般為10～55 Mvar。20世紀(jì)八、九十年代，我國輸電系統(tǒng)5個(gè)500 kV變電站安裝了6套容量為105～170 Mvar 的SVC，均為進(jìn)口設(shè)備，國內(nèi)第一套應(yīng)用于輸電網(wǎng)的SVC于2004年9月投運(yùn)，為電力系統(tǒng)中SVC的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化打下了基礎(chǔ)。
TSC+TCR型SVC
SVC有三種基本配置：1.固定電容器+晶閘管控制的電抗器(FC+CR)。2.晶閘管切換的電容器(TSC)。3.晶閘管切換的電容器+晶閘管控制電抗器(TSC+TCR)。其中，TSC+TCR的組合在通常情況下都是最優(yōu)解決方案，用TSC+TCR補(bǔ)償器可以獲得連續(xù)變化的無功功率并做到對補(bǔ)償器的電感和電容部分的完全控制。
基于NI CompactRIO的全數(shù)字控制器
TSC+TCR型SVC主要由全數(shù)字控制系統(tǒng)和TCR、TSC閥組構(gòu)成，全數(shù)字控制系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度直接影響到SVC能否有效解決負(fù)載帶來的電能質(zhì)量問題，是SVC的心腹要塞。傳統(tǒng)的控制算法是基于DSP實(shí)現(xiàn)的，我們的客戶之一某SVC設(shè)備供應(yīng)商之所以選用NI CompactRIO，主要因?yàn)镈SP板級的開發(fā)和調(diào)試周期都比較長，自己開發(fā)的DSP板可靠性和穩(wěn)定性又無法保證，為了產(chǎn)品能盡快交貨又保證質(zhì)量，工程師最終選擇了集成FPGA技術(shù)的CompactRIO平臺(tái)，在一個(gè)月內(nèi)完成了全數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)布。 如圖1所示，“電壓測量”環(huán)節(jié)由NI9215模塊測量被控的正序電壓，包括3相母線電壓、3相負(fù)載電流和3相源電流，Vref是根據(jù)要求設(shè)定的電壓參考值， “電壓調(diào)節(jié)器”會(huì)根據(jù)測量電壓Vm和參考電壓之間的差值，計(jì)算出要保持母線電壓恒定所需要的并聯(lián)電納值B，“分配環(huán)節(jié)”決定了TSC（晶閘管投切的電容器）是否需要投切、計(jì)算出TCR(晶閘管控制的電感器)需要并入的“點(diǎn)火角”α，最后由同步單元利用鎖相環(huán)（PLL）跟蹤次級電壓，嚴(yán)格與工頻同步并根據(jù)“點(diǎn)火角”在不同的相位給晶閘管發(fā)出控制脈沖。 整個(gè)過程都在CompactRIO上完成，客戶采用cRIO-9114機(jī)箱配合cRIO-9012控制器輕松實(shí)現(xiàn)了對TCR+TSC型SVC高達(dá)μS級的控制。高可靠的FPGA技術(shù)和簡單易用的labVIEW軟件平臺(tái)為客戶節(jié)省了大量開發(fā)時(shí)間，模擬輸入模塊NI9205、NI9215和5V/TTL高速雙向數(shù)字I/O模塊NI9401、NI9403出色地完成了從數(shù)據(jù)采集到脈沖控制的全過程，使這套基于FPGA的SVC迅速有效地完成了對輸電網(wǎng)的優(yōu)化。
用戶感言
“我們原來使用DSP開發(fā)板開發(fā)核心控制算法，再進(jìn)行外圍硬件電路及外殼設(shè)計(jì)和封裝。現(xiàn)場運(yùn)行的反饋是穩(wěn)定性差，調(diào)試排錯(cuò)困難，導(dǎo)致整個(gè)控制器的上市時(shí)間延長。在上海聚星儀器的協(xié)助下我們嘗試在NI CompactRIO平臺(tái)上開發(fā)控制算法，硬件接口邏輯設(shè)計(jì)，上下位機(jī)通信等功能，算法開發(fā)時(shí)間得到有效縮短，最終控制器發(fā)布并安裝到現(xiàn)場后系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高。目前已銷售了多套在NI CompactRIO上實(shí)現(xiàn)控制器的靜止無功補(bǔ)償器。”
