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精彩案例
轧钢用静止无功补偿装置控制器的研制
O 引 言
随着电力电子技术的发展、各种非线性负荷的使用以及大型用电设备的启停，将产生大量谐波电流以及无功功率，从而使电网供电质量受到严重影响。作为用电大户的钢铁企业，电弧炉、轧钢机等作为非线性及无规律负荷接人电网，对电网和其他负载产生一系列的不良影响。解决上述问题的主要方法是在干扰负荷接入点接入静I型动态无功补偿譬鐾即现在的中频电炉外加中频电源整流滤波电路(StaticVar Compensator，SVC)，该装置主要有晶闸管投切电容器(ThyristorSwitchedCapacitor，TSC)、晶闸管控制电抗器(Thyristor
Control Reactor，TCR)、TCR+TSC混合装置三种结构，对于TCR型结构一般并联电容器，构成固定电容器+晶闸管控制电抗器(Fixed Capacitor+ThyristoControlled Reactor，Fc+TCR)结构[1,21。通过晶闸管控制无功功率动态补偿，调节母线电压和线路无功功率在
所需水平上，从而提高电力系统稳定性，扩大线路输送容量。
通过综合比较上述三种结构的SVC，从动态响应时间短、可分相进行控制以及调节的连续性等方面考虑，TCR+FC型svC能够起到很好的补偿效果。因此，本文选取该结构实现轧钢厂无功功率的补偿，并重点从硬件实现、软件算法实现以及控制器的特点等方面进行研究，并实现了轧钢用静止无功补偿装置控制器的实现方案。
1 系统组成及工作原理
1．1 TCR基本结构及原理
TCR的单相基本结构如图1所示，两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联，而三相多采用三角形联结。这样的电路并到电网上，相当于电感负载的交流调压电路结构嘲。其中与晶闸管串联的电抗器为储能元件，吸收感性无功，通过调整触发延迟角改变系统等效电纳，从而调节补偿器的等效电抗，达到调节感性无功的作用。
1．2 TCR+FC型SVC的组成及原理
TCR+FC型SVC主要由三部分构成：FC滤波器、TCR晶闸管控制电抗器和控制保护系统，如图2所示。FC滤波器用于提供容性无功功率补偿及谐波滤波，TCR晶闸管控制电抗器用于平衡系统中由于负载的波动所产生的感性无功功率。
从图中可以看出，调节晶闸管触发角的大小，即可控制流过电抗器的电流，从而达到控制无功功率的目的。根据负荷无功功率Q 的变化情况，改变电抗器的无功功率9恤憾性无功功率)，即不管负载的无功功率如何变化，使二者之和恒为常数，这个常数等于电容器组发出的容性无功功率Q 的数值，使取自电网的无功功率为常数或0，即Q=Qc_(Q Q仰)=常数(或0)，最终使得电网的功率因数保持在设定值，电压几乎不波动，从而达到无功补偿的目的，以抑制负载波动所造成的系统电压波动和闪变。
2 控制器的实现
TCR+FC型SVC主要包括主电路和控制器两大部分，如图3示。本文重点介绍控制器，其系统框图如图4示，控制器通过采集三相电压、三相电流信号，经过瞬时无功理论等算法计算并输出触发角信号来控制TCR的晶闸管导通，实现动态的无功功率补偿。
2．1 硬件实现
控制器的硬件按照模块化的设计思路设计，如图5示，主要由电源模块、电压信号调理模块、电流信号调理模块、DSP模块、CPLD模块构成。电源模块为整个控制器供电，电压信号调理模块、电流信号调理模块分别实现对三相电压信号、三相电流信号的调理、采样、滤波。DsP模块除了包含其最小系统之外，还包含外部AD采样电路等。CPLD模块除了包含其最小系统之外，还包含触发脉冲发送电路、回报信号接收电路、锁相倍频电路等。
2．2 软件实现
控制器的软件流程如图6示，软件实现主要包括对调理后的三相电压、电流信号进行AD采样，计算电压的有效值、频率值，DsP模块根据算法计算触发角，CPLD模块实现产生触发脉冲信号等。本文重点介绍根据瞬时无功理论由三相电压、三相电流计算补偿角的算法实现，如图7所示，具体的算法包括：
(1)根据瞬时无功理论[41由采集到的三相电压信号、三相电流信号提取基波正序有功分量、基波正序无功分量、基波负序有功分量和基波负序无功分量；正负序电流的检测采用的是瞬时无功理论中的一算法翻，其检测正序电流的原理如图8所示。该方法中，需要用到与电压同相位的正弦信号sintot和余弦信号一eostot，它们由一个锁相环(PLL)和一个正、余弦信号发生电路得到。根据定义可以计算出 、iq ，经IJPF滤波得出它们的直流分量。
3 总结
针对轧钢机等非线性负荷接人电网，严重影响电网供电质量的问题，提出了采用TCR+FC型的静止无功补偿装置进行补偿，提高了电网供电质量。本文重点研制了基于DSP和CPLD器件实现的轧钢用静止无功补偿装置控制器，介绍了控制器的硬件实现、软件算法实现，并对控制器的特点进行了深入分析。最后对研制的轧钢用静止无功补偿装置控制器进行了实验，实验证明，该控制器能够根据三相电压、三相电流的变化，实时、分相控制晶闸管的导通，进行无功补偿。
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随着电力电子技术的发展、各种非线性负荷的使用以及大型用电设备的启停，将产生大量谐波电流以及无功功率，从而使电网供电质量受到严重影响。作为用电大户的钢铁企业，电弧炉、轧钢机等作为非线性及无规律负荷接人电网，对电网和其他负载产生一系列的不良影响。解决上述问题的主要方法是在干扰负荷接入点接入静I型动态无功补偿譬鐾即现在的中频电炉外加中频电源整流滤波电路(StaticVar Compensator，SVC)，该装置主要有晶闸管投切电容器(ThyristorSwitchedCapacitor，TSC)、晶闸管控制电抗器(Thyristor
Control Reactor，TCR)、TCR+TSC混合装置三种结构，对于TCR型结构一般并联电容器，构成固定电容器+晶闸管控制电抗器(Fixed Capacitor+ThyristoControlled Reactor，Fc+TCR)结构[1,21。通过晶闸管控制无功功率动态补偿，调节母线电压和线路无功功率在
所需水平上，从而提高电力系统稳定性，扩大线路输送容量。
通过综合比较上述三种结构的SVC，从动态响应时间短、可分相进行控制以及调节的连续性等方面考虑，TCR+FC型svC能够起到很好的补偿效果。因此，本文选取该结构实现轧钢厂无功功率的补偿，并重点从硬件实现、软件算法实现以及控制器的特点等方面进行研究，并实现了轧钢用静止无功补偿装置控制器的实现方案。
1 系统组成及工作原理
1．1 TCR基本结构及原理
TCR的单相基本结构如图1所示，两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联，而三相多采用三角形联结。这样的电路并到电网上，相当于电感负载的交流调压电路结构嘲。其中与晶闸管串联的电抗器为储能元件，吸收感性无功，通过调整触发延迟角改变系统等效电纳，从而调节补偿器的等效电抗，达到调节感性无功的作用。
1．2 TCR+FC型SVC的组成及原理
TCR+FC型SVC主要由三部分构成：FC滤波器、TCR晶闸管控制电抗器和控制保护系统，如图2所示。FC滤波器用于提供容性无功功率补偿及谐波滤波，TCR晶闸管控制电抗器用于平衡系统中由于负载的波动所产生的感性无功功率。
从图中可以看出，调节晶闸管触发角的大小，即可控制流过电抗器的电流，从而达到控制无功功率的目的。根据负荷无功功率Q 的变化情况，改变电抗器的无功功率9恤憾性无功功率)，即不管负载的无功功率如何变化，使二者之和恒为常数，这个常数等于电容器组发出的容性无功功率Q 的数值，使取自电网的无功功率为常数或0，即Q=Qc_(Q Q仰)=常数(或0)，最终使得电网的功率因数保持在设定值，电压几乎不波动，从而达到无功补偿的目的，以抑制负载波动所造成的系统电压波动和闪变。
2 控制器的实现
TCR+FC型SVC主要包括主电路和控制器两大部分，如图3示。本文重点介绍控制器，其系统框图如图4示，控制器通过采集三相电压、三相电流信号，经过瞬时无功理论等算法计算并输出触发角信号来控制TCR的晶闸管导通，实现动态的无功功率补偿。
2．1 硬件实现
控制器的硬件按照模块化的设计思路设计，如图5示，主要由电源模块、电压信号调理模块、电流信号调理模块、DSP模块、CPLD模块构成。电源模块为整个控制器供电，电压信号调理模块、电流信号调理模块分别实现对三相电压信号、三相电流信号的调理、采样、滤波。DsP模块除了包含其最小系统之外，还包含外部AD采样电路等。CPLD模块除了包含其最小系统之外，还包含触发脉冲发送电路、回报信号接收电路、锁相倍频电路等。
2．2 软件实现
控制器的软件流程如图6示，软件实现主要包括对调理后的三相电压、电流信号进行AD采样，计算电压的有效值、频率值，DsP模块根据算法计算触发角，CPLD模块实现产生触发脉冲信号等。本文重点介绍根据瞬时无功理论由三相电压、三相电流计算补偿角的算法实现，如图7所示，具体的算法包括：
(1)根据瞬时无功理论[41由采集到的三相电压信号、三相电流信号提取基波正序有功分量、基波正序无功分量、基波负序有功分量和基波负序无功分量；正负序电流的检测采用的是瞬时无功理论中的一算法翻，其检测正序电流的原理如图8所示。该方法中，需要用到与电压同相位的正弦信号sintot和余弦信号一eostot，它们由一个锁相环(PLL)和一个正、余弦信号发生电路得到。根据定义可以计算出 、iq ，经IJPF滤波得出它们的直流分量。
3 总结
针对轧钢机等非线性负荷接人电网，严重影响电网供电质量的问题，提出了采用TCR+FC型的静止无功补偿装置进行补偿，提高了电网供电质量。本文重点研制了基于DSP和CPLD器件实现的轧钢用静止无功补偿装置控制器，介绍了控制器的硬件实现、软件算法实现，并对控制器的特点进行了深入分析。最后对研制的轧钢用静止无功补偿装置控制器进行了实验，实验证明，该控制器能够根据三相电压、三相电流的变化，实时、分相控制晶闸管的导通，进行无功补偿。
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