基于空间矢量变换的TCR控制装置的仿真与设计

李铭，胡桂明，王威，杨丽

(广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004)



基于空间矢量变换的TCR控制装置的仿真与设计

李铭，胡桂明，王威，杨丽

(广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004)

对负载侧进行无功补偿是改善电能质量问题的有效手段。TCR+FC型SVC凭借其稳定的性能，相对低廉的造价成为用户的首选。通过MATLAB中的SIMULINk对基于空间矢量变换的补偿算法进行仿真，在此基础上，设计一种以DSP芯片和CPLD芯片为核心的TCR控制装置，以解决现有SVC存在的响应速度较慢、晶闸管触发脉冲抗干扰性弱等问题。

晶闸管控制电抗器；静止无功补偿；复杂可编程逻辑器件；矢量变换

1 引言

随着我国工业和科技的飞速发展，诸如电气化铁路、轧钢机、电弧炉等具有非线性、不平衡性等特性的冲击性负荷，在电网中的比例逐年升高。在负载侧进行无功补偿以成为改善电能质量问题的有效手段。TCR(Thyristor Controlled Reactor，晶闸管控制电抗器)型SVC(Static Var Compensator，静止无功补偿装置)具有结构简单、技术成熟、实用便利等优点，所以目前乃至今后一定时间它仍将是用户进行无功补偿时的首选[1,2]。

针对TCR的补偿算法现在有很多，例如特定时刻采样法、平均功率法等，但都有各自的局限性和缺点。本文采用基于空间矢量变化的补偿算法，以DSP芯片和CPLD芯片为核心，设计一种TCR控制装置，用以解决现有算法和装置存在的响应速度较慢、晶闸管触发脉冲抗干扰性弱等问题。

2 基于空间矢量变换的补偿算法

2.1 与对称分量法

斯坦门茨(C.P.Steinmetz)平衡化原理主要用于对三相不对称负荷进行补偿，并且可以实现分相补偿。通过向负荷加载补偿电感或电容实现三相平衡。图1为平衡化原理图。

图1 平衡化原理图

通过推导可以得出理想补偿器补偿电纳为：

(1)

对称分量法用于不对称电路的研究，它将电量分解为对称的零序、正序、负序电量。当满足充要条件：负序电流补偿为零、正序电流分量虚部补偿为0时。可以保证负荷平衡化补偿的实现。得到的平衡化补偿公式[4]为：

(2)

2.2 基于的补偿算法

针对包含正序，负序分量及各次谐波的负荷线电流，假设其瞬时值为：

(3)

式(4)中n为谐波谐波次数，对负荷三相电流进行dq变换得，In1、In2分别为正、负序n次谐波的幅值，θn1、θn2分别为n次谐波初相。

(4)

变换后得到式(5)，

(5)

(6)

(7)

将式(6)代入式(7)可得

(8)

(9)

(11)

3 MATLAB仿真模型

利用MATLAB中内嵌的SIMULINK，进行补偿算法及SVC控制装置的建模仿真，其工作原理如下：首先由电源侧电流和电压计算出补偿电纳，然后通过查表模块将补偿电纳换算为触发角。最后将触发角变成与电网同步的触发脉冲用以触发TCR。模型主要包括电源模块、补偿电纳计算模块、触发角转换模块以及脉冲触发模块等。

图2 SVC投入前后母线相电流瞬时值(电阻性负载)

图3 SVC投入前后TCR三相电流波形(电阻性负载)

图4 SVC投入前后母线相电流瞬时值(阻感性负载)

图5 SVC投入前后TCR三相电流波形(阻感性负载)

仿真结果分析：分别对负载为电阻性不平衡和阻感性不平衡的情况进行仿真，在0.06s投入SVC。针对电阻性不平衡负载补偿时，由图2可以看到补偿后母线三相电流幅值基本相等，不平衡度δ由补偿前100%降到1.8%。针对阻感性不平衡负载补偿时，补偿前电流电压明显纯在相位差，补偿后母线三相电流幅值基本相等，电流电压相位基本一致。二种情况下，SVC投入后短时间内各项波形达到稳定、功率因数都提高到0.95以上。可以得到采用基于空间矢量变换的补偿算法的仿真模型能快速，准确的达到补偿目的。

4 SVC硬件电路设计

硬件装置主要包括前端模拟信号处理模块、DSP算法处理模块、CPLD晶闸管触发和监控模块、上位机显示模块等，如图6所示。

图6 硬件电路设计

模拟信号处理模块包括电压电流互感器、信号调理电路、过零比较电路和A/D转换电路等。用来提供控制所需数字量和同步电压信号过零点。

4.1 DSP算法处理模块

采用TI公司最新信号处理器TMS320F2812。算法处理模块对模拟信号处理模块采集的数字量进行计算得到补偿电纳，通过将其转化为触发角并传递给晶闸管触发和监控模块。在这里DSP只负责补偿电纳的计算和触发角的转化，大大提升了运算速度。

4.2 CPLD晶闸管触发和监控模块

该模块由CPLD芯片和光电收发装置组成。CPLD的主要功能为：对DSP计算的数据进行分析后，通过光纤发送同步触发脉冲信号；对回报板接受的工况监测信号进行编码处理，再传送给DSP。CPLD具有很好的I/O口扩展功能，能够提供的高精度的触发脉冲信号，同时采用光纤传输技术，进一步提高了触发脉冲的抗干扰能力。

4.3 上位机显示模块

上位机显示模块采用NI公司的LABVIEW软件对人机交互界面进行设计，具有良好的操作性和可视性。能够对三相电压、电流、有功、无功、功率因数、触发角度等进行显示。

图7 上位机显示模块

5 结束语

本文利用SIMULINK对基于空间矢量变换的补偿算法进行仿真分析，并设计了以DSP和CPLD为核心的SVC控制装置，能够快速准确计算出补偿电纳，并进行快速补偿。采用CPLD和光纤传输技术可以提高触发脉冲的精度和抗干扰能力，用LABVIEW设计的人机交互界面具有良好的操作性，具有一定的实际工程应用价值。

[1] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2]王兆安,张明勋主编.电力电子设备设计和应用手册[M].2版.北京:机械工业出版社,2002.

[3]AKAGI H,KANAZAWA Y,NABAE A.Generalised Theory of the Instan-taneous Reactive Power in Three-phase Circuits[J].In:IEEE&JIEE.Pro-ceedings IPEC.Tokyo:IEEE,1983.

[4]纪飞峰,周荔丹,姚钢,等.基于同步对称分量法的静止无功补偿装置[J].中国电机工程学报,2005.

[5]SCHAUDER C,GERNHARDT M,STACEY E,et al.Development of a ±100 Mvar Static Condenser for Voltage Control of Transmission Systems[J].IEEE Trans Power Delivery,1995.

Simulation and Design of TCR Controller Based on Space Vector Transformation

LIMing,HUGui-ming,WANGWei,YANGLi

(College of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

Dynamic var compensation at load end can improve the power quality problems effectively.With the advantage of stable performance and low cost,(TCR+FC)SVC become the user′s preferred.Simulating compensation algorithm based on space vector transformation through the MATLAB in SIMULINk,on the basis of this,design an DSP chip TMS320F28335 and CPLD chip as the core of the TCR control device,in order to solve the problem that existing SVC response speed slower,and thyristor trigger pulse anti-interference is weak.

thyristor controlled reactor;static var compensator;vector transform;complex programmable logic device

1004-289X(2015)04-0081-04

TM71

B

2014-06-13