O 引 言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展、各種非線性負荷的使用以及大型用電設(shè)備的啟停，將產(chǎn)生大量諧波電流以及無功功率，從而使電網(wǎng)供電質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。作為用電大戶的鋼鐵企業(yè)，電弧爐、軋鋼機等作為非線性及無規(guī)律負荷接人電網(wǎng)，對電網(wǎng)和其他負載產(chǎn)生一系列的不良影響。解決上述問題的主要方法是在干擾負荷接入點接入靜I型動態(tài)無功補償譬鐾即現(xiàn)在的中頻電爐外加中頻電源整流濾波電路(StaticVar Compensator，SVC)，該裝置主要有晶閘管投切電容器(ThyristorSwitchedCapacitor，TSC)、晶閘管控制電抗器(Thyristor
Control Reactor，TCR)、TCR+TSC混合裝置三種結(jié)構(gòu)，對于TCR型結(jié)構(gòu)一般并聯(lián)電容器，構(gòu)成固定電容器+晶閘管控制電抗器(Fixed Capacitor+ThyristoControlled Reactor，F(xiàn)c+TCR)結(jié)構(gòu)[1,21。通過晶閘管控制無功功率動態(tài)補償，調(diào)節(jié)母線電壓和線路無功功率在
所需水平上，從而提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，擴大線路輸送容量。
通過綜合比較上述三種結(jié)構(gòu)的SVC，從動態(tài)響應(yīng)時間短、可分相進行控制以及調(diào)節(jié)的連續(xù)性等方面考慮，TCR+FC型svC能夠起到很好的補償效果。因此，本文選取該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)軋鋼廠無功功率的補償，并重點從硬件實現(xiàn)、軟件算法實現(xiàn)以及控制器的特點等方面進行研究，并實現(xiàn)了軋鋼用靜止無功補償裝置控制器的實現(xiàn)方案。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
1．1 TCR基本結(jié)構(gòu)及原理
TCR的單相基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個電抗器串聯(lián)，而三相多采用三角形聯(lián)結(jié)。這樣的電路并到電網(wǎng)上，相當(dāng)于電感負載的交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)嘲。其中與晶閘管串聯(lián)的電抗器為儲能元件，吸收感性無功，通過調(diào)整觸發(fā)延遲角改變系統(tǒng)等效電納，從而調(diào)節(jié)補償器的等效電抗，達到調(diào)節(jié)感性無功的作用。
1．2 TCR+FC型SVC的組成及原理
TCR+FC型SVC主要由三部分構(gòu)成：FC濾波器、TCR晶閘管控制電抗器和控制保護系統(tǒng)，如圖2所示。FC濾波器用于提供容性無功功率補償及諧波濾波，TCR晶閘管控制電抗器用于平衡系統(tǒng)中由于負載的波動所產(chǎn)生的感性無功功率。
從圖中可以看出，調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角的大小，即可控制流過電抗器的電流，從而達到控制無功功率的目的。根據(jù)負荷無功功率Q 的變化情況，改變電抗器的無功功率9恤憾性無功功率)，即不管負載的無功功率如何變化，使二者之和恒為常數(shù)，這個常數(shù)等于電容器組發(fā)出的容性無功功率Q 的數(shù)值，使取自電網(wǎng)的無功功率為常數(shù)或0，即Q=Qc_(Q Q仰)=常數(shù)(或0)，最終使得電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在設(shè)定值，電壓幾乎不波動，從而達到無功補償?shù)哪康?，以抑制負載波動所造成的系統(tǒng)電壓波動和閃變。
2 控制器的實現(xiàn)
TCR+FC型SVC主要包括主電路和控制器兩大部分，如圖3示。本文重點介紹控制器，其系統(tǒng)框圖如圖4示，控制器通過采集三相電壓、三相電流信號，經(jīng)過瞬時無功理論等算法計算并輸出觸發(fā)角信號來控制TCR的晶閘管導(dǎo)通，實現(xiàn)動態(tài)的無功功率補償。
2．1 硬件實現(xiàn)
控制器的硬件按照模塊化的設(shè)計思路設(shè)計，如圖5示，主要由電源模塊、電壓信號調(diào)理模塊、電流信號調(diào)理模塊、DSP模塊、CPLD模塊構(gòu)成。電源模塊為整個控制器供電，電壓信號調(diào)理模塊、電流信號調(diào)理模塊分別實現(xiàn)對三相電壓信號、三相電流信號的調(diào)理、采樣、濾波。DsP模塊除了包含其最小系統(tǒng)之外，還包含外部AD采樣電路等。CPLD模塊除了包含其最小系統(tǒng)之外，還包含觸發(fā)脈沖發(fā)送電路、回報信號接收電路、鎖相倍頻電路等。
2．2 軟件實現(xiàn)
控制器的軟件流程如圖6示，軟件實現(xiàn)主要包括對調(diào)理后的三相電壓、電流信號進行AD采樣，計算電壓的有效值、頻率值，DsP模塊根據(jù)算法計算觸發(fā)角，CPLD模塊實現(xiàn)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號等。本文重點介紹根據(jù)瞬時無功理論由三相電壓、三相電流計算補償角的算法實現(xiàn)，如圖7所示，具體的算法包括：
(1)根據(jù)瞬時無功理論[41由采集到的三相電壓信號、三相電流信號提取基波正序有功分量、基波正序無功分量、基波負序有功分量和基波負序無功分量；正負序電流的檢測采用的是瞬時無功理論中的一算法翻，其檢測正序電流的原理如圖8所示。該方法中，需要用到與電壓同相位的正弦信號sintot和余弦信號一eostot，它們由一個鎖相環(huán)(PLL)和一個正、余弦信號發(fā)生電路得到。根據(jù)定義可以計算出 、iq ，經(jīng)IJPF濾波得出它們的直流分量。
3 總結(jié)
針對軋鋼機等非線性負荷接人電網(wǎng)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)供電質(zhì)量的問題，提出了采用TCR+FC型的靜止無功補償裝置進行補償，提高了電網(wǎng)供電質(zhì)量。本文重點研制了基于DSP和CPLD器件實現(xiàn)的軋鋼用靜止無功補償裝置控制器，介紹了控制器的硬件實現(xiàn)、軟件算法實現(xiàn)，并對控制器的特點進行了深入分析。最后對研制的軋鋼用靜止無功補償裝置控制器進行了實驗，實驗證明，該控制器能夠根據(jù)三相電壓、三相電流的變化，實時、分相控制晶閘管的導(dǎo)通，進行無功補償。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展、各種非線性負荷的使用以及大型用電設(shè)備的啟停，將產(chǎn)生大量諧波電流以及無功功率，從而使電網(wǎng)供電質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。作為用電大戶的鋼鐵企業(yè)，電弧爐、軋鋼機等作為非線性及無規(guī)律負荷接人電網(wǎng)，對電網(wǎng)和其他負載產(chǎn)生一系列的不良影響。解決上述問題的主要方法是在干擾負荷接入點接入靜I型動態(tài)無功補償譬鐾即現(xiàn)在的中頻電爐外加中頻電源整流濾波電路(StaticVar Compensator，SVC)，該裝置主要有晶閘管投切電容器(ThyristorSwitchedCapacitor，TSC)、晶閘管控制電抗器(Thyristor
Control Reactor，TCR)、TCR+TSC混合裝置三種結(jié)構(gòu)，對于TCR型結(jié)構(gòu)一般并聯(lián)電容器，構(gòu)成固定電容器+晶閘管控制電抗器(Fixed Capacitor+ThyristoControlled Reactor，F(xiàn)c+TCR)結(jié)構(gòu)[1,21。通過晶閘管控制無功功率動態(tài)補償，調(diào)節(jié)母線電壓和線路無功功率在
所需水平上，從而提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，擴大線路輸送容量。
通過綜合比較上述三種結(jié)構(gòu)的SVC，從動態(tài)響應(yīng)時間短、可分相進行控制以及調(diào)節(jié)的連續(xù)性等方面考慮，TCR+FC型svC能夠起到很好的補償效果。因此，本文選取該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)軋鋼廠無功功率的補償，并重點從硬件實現(xiàn)、軟件算法實現(xiàn)以及控制器的特點等方面進行研究，并實現(xiàn)了軋鋼用靜止無功補償裝置控制器的實現(xiàn)方案。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
1．1 TCR基本結(jié)構(gòu)及原理
TCR的單相基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個電抗器串聯(lián)，而三相多采用三角形聯(lián)結(jié)。這樣的電路并到電網(wǎng)上，相當(dāng)于電感負載的交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)嘲。其中與晶閘管串聯(lián)的電抗器為儲能元件，吸收感性無功，通過調(diào)整觸發(fā)延遲角改變系統(tǒng)等效電納，從而調(diào)節(jié)補償器的等效電抗，達到調(diào)節(jié)感性無功的作用。
1．2 TCR+FC型SVC的組成及原理
TCR+FC型SVC主要由三部分構(gòu)成：FC濾波器、TCR晶閘管控制電抗器和控制保護系統(tǒng)，如圖2所示。FC濾波器用于提供容性無功功率補償及諧波濾波，TCR晶閘管控制電抗器用于平衡系統(tǒng)中由于負載的波動所產(chǎn)生的感性無功功率。
從圖中可以看出，調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角的大小，即可控制流過電抗器的電流，從而達到控制無功功率的目的。根據(jù)負荷無功功率Q 的變化情況，改變電抗器的無功功率9恤憾性無功功率)，即不管負載的無功功率如何變化，使二者之和恒為常數(shù)，這個常數(shù)等于電容器組發(fā)出的容性無功功率Q 的數(shù)值，使取自電網(wǎng)的無功功率為常數(shù)或0，即Q=Qc_(Q Q仰)=常數(shù)(或0)，最終使得電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在設(shè)定值，電壓幾乎不波動，從而達到無功補償?shù)哪康?，以抑制負載波動所造成的系統(tǒng)電壓波動和閃變。
2 控制器的實現(xiàn)
TCR+FC型SVC主要包括主電路和控制器兩大部分，如圖3示。本文重點介紹控制器，其系統(tǒng)框圖如圖4示，控制器通過采集三相電壓、三相電流信號，經(jīng)過瞬時無功理論等算法計算并輸出觸發(fā)角信號來控制TCR的晶閘管導(dǎo)通，實現(xiàn)動態(tài)的無功功率補償。
2．1 硬件實現(xiàn)
控制器的硬件按照模塊化的設(shè)計思路設(shè)計，如圖5示，主要由電源模塊、電壓信號調(diào)理模塊、電流信號調(diào)理模塊、DSP模塊、CPLD模塊構(gòu)成。電源模塊為整個控制器供電，電壓信號調(diào)理模塊、電流信號調(diào)理模塊分別實現(xiàn)對三相電壓信號、三相電流信號的調(diào)理、采樣、濾波。DsP模塊除了包含其最小系統(tǒng)之外，還包含外部AD采樣電路等。CPLD模塊除了包含其最小系統(tǒng)之外，還包含觸發(fā)脈沖發(fā)送電路、回報信號接收電路、鎖相倍頻電路等。
2．2 軟件實現(xiàn)
控制器的軟件流程如圖6示，軟件實現(xiàn)主要包括對調(diào)理后的三相電壓、電流信號進行AD采樣，計算電壓的有效值、頻率值，DsP模塊根據(jù)算法計算觸發(fā)角，CPLD模塊實現(xiàn)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號等。本文重點介紹根據(jù)瞬時無功理論由三相電壓、三相電流計算補償角的算法實現(xiàn)，如圖7所示，具體的算法包括：
(1)根據(jù)瞬時無功理論[41由采集到的三相電壓信號、三相電流信號提取基波正序有功分量、基波正序無功分量、基波負序有功分量和基波負序無功分量；正負序電流的檢測采用的是瞬時無功理論中的一算法翻，其檢測正序電流的原理如圖8所示。該方法中，需要用到與電壓同相位的正弦信號sintot和余弦信號一eostot，它們由一個鎖相環(huán)(PLL)和一個正、余弦信號發(fā)生電路得到。根據(jù)定義可以計算出 、iq ，經(jīng)IJPF濾波得出它們的直流分量。
3 總結(jié)
針對軋鋼機等非線性負荷接人電網(wǎng)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)供電質(zhì)量的問題，提出了采用TCR+FC型的靜止無功補償裝置進行補償，提高了電網(wǎng)供電質(zhì)量。本文重點研制了基于DSP和CPLD器件實現(xiàn)的軋鋼用靜止無功補償裝置控制器，介紹了控制器的硬件實現(xiàn)、軟件算法實現(xiàn)，并對控制器的特點進行了深入分析。最后對研制的軋鋼用靜止無功補償裝置控制器進行了實驗，實驗證明，該控制器能夠根據(jù)三相電壓、三相電流的變化，實時、分相控制晶閘管的導(dǎo)通，進行無功補償。
