20Mvar静止无功发生器_SVG_控制器的设计_王强
20Mvar静止无功发生器(SVG)
控制器的设计
Controller Hardware Design and Dynamic Simulation for
20M var Static VAR Generator(SVG)
清华大学电机工程系王强梁旭胡明亮姜齐荣(北京100084)河南电力试验研究所张湘南(河南郑州450052)华中电力集团徐勇(湖北武汉430072)
=摘要>介绍20Mvar静止无功发生器的控制器设计,包括硬件结构、控制策略等。该装置基于DSP 开发,采用瞬时电量定义及精心选择的各类高速数字芯片,加速了数据采集和处理。动模试验证明该控制器的高可靠性、高脉冲精度,具有一定的通用性。
=关键词>灵活交流输电静止无功发生器迭代学习控制
Abstract T he paper int roduces the controller design for 20M var Stat ic VAR Generator(SVG),including hard-ware configurat ion,control strut egy,etc.This device is based on DSP development,T he definat ion of inst anta-neous quantity of elec t ricit y is employed,and various high speed digit al chips are carefally selec t ed which accelerates data acquisition and processing.T he dynamic modelling has proved high reliability,high impulse precision and un-i vesel of t he cont roller.
Key words FACT S st atic VAR generat or iterat ion learning control(ILC)
我国目前自行研制开发的最大容量的FACT S 装置)))20Mvar静止无功发生器,是清华大学电机系与河南电力局联合研制开发的,已经于1999年3月30日在河南洛阳朝阳变电站并网成功。先行研制的300kvar SVG在郑州并网运行[1],得到宝贵的运行经验,对20M var SVG的设计极具参考价值[2~7]。
控制器(包括脉冲发生器)是SVG的重要组成部分,其原理框图如图1所示。它根据用户和系统运行状态确定SVG应输出的无功电流。SVG控制器具有以下特点:控制能力强于以往电力系统控制器,运算速度和响应速度快。它的主要功能是:运行控制算法、策略,产生触发脉冲,保证装置与系统的同步,保护装置运行在安全范围内,冗余热备用。1控制器设计
111简单介绍
SVG的控制根据控制目标确定其逆变器输出电压与系统同步信号间微小的相位差,从而控制SVG向系统发出(或吸收)的无功功率,进而改变电力系统的电压调节,使输电系统提高暂稳极限、增强阻尼等,使配电系统抑制用户端电压闪变、提高功率因数、改善电压调节等。在完成精确的脉冲发生器(执行机构)设计后,控制器的硬件设计主要集中在采集系统有关电压/电流变量,完成与脉冲发生器以及操作人员的接口等。在本系统中,采用TM S320C31作为主处理器构成控制器,其原因在于DSP快速的浮点运算为设计复杂的控制算法提供了保证,而其精确的定时能力则是数字系统的基本要求。控制器的主体为586工业控制机,负责与现场操作面板的接口、与保护电路的接口,基于TM S320C31的控制器电路插板和基于TMS320C30的脉冲发生电路插板都直接插入工控机的总线插槽中。工控机接受操作人员由键盘或操作面板发出的命令,实现相角调节、控制参数设定、波形记录、恒电压/无功控制模式切换及投切等功能。它通过微机的I/O接口与DSP控制器进行数据交换。主DSP 控制器(TM S320C31)根据工控机的指令及测到的系统电流电压信号,确定工作模式并计算当前的控制量D,该控制量通过双口RAM被送到脉冲发生器(TMS320C30)。脉冲发生器根据得到的D信息产生脉冲,脉冲经隔离、整形后驱动主电路的GTO 管,使逆变器输出相应的无功电流。
为提高装置工作的可靠性,控制器应采用冗余设计。从目前国内外通行的设计方法看,有2种冗余方案可供选择,即三置系统方案和双置系统方案。
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1999年第11期中国电力第32卷
图1?20M var SVG控制器原理
三置系统方案的特点是:(1)模块之间不需要通信,输出取决于少数服从多数的表决结果。因此,可靠性较高;(2)由于采用3套完全相同的模块,因此整个装置的造价势必很高。双置系统方案的特点是:(1)正常情况下,输出取决于模块。主模块的设定可以任意。假如选定模块1作为主模块,模块2作为辅助模块并随时处于/热备用0状态。显然,为了保证主模块出了故障后,辅助模块能自动顶上去并输出正确的控制信号,平时辅助模块就必须实时、正确地跟踪主模块的运行状态;(2)由于只采用2套相同的模块,因此,整个装置的造价相对低些。但无论哪种方案都要表决电路或自动切换电路必须作到非常可靠,否则采用的冗余设计将毫无意义。
本装置选用双置系统的结构,即采用2套相同的控制系统,其中1套处于工作状态,另一套处于热备用状态,判断故障的判据主要是模块电源工作是否正常(2个模块分别单独供电)和脉冲发生器工作是否正常。而脉冲工作是否正常的判据是有无丢失脉冲、脉冲的宽度是否在正常范围内。一般脉冲发生器输出脉冲的正常宽度在10ms左右,即使系统频率在45~55Hz之间变化,脉冲的宽度也应在9~ 11ms之间。当然,SVG的控制角D发生突变时,也会使脉冲宽度发生变化,从感性额定工况变化至容性额定工况时,?20Mvar SVG的D变化不过为6b,而1ms的脉冲宽对应18b电角度的变化。其具体实现:如果脉冲序列高电平或低电平持续的时间小于9ms或者大于11ms,则表明主模块脉冲发生器工作异常,自动切换电路将辅助模块的脉冲切换为脉冲输出。112主控制器的DSP中断资源分配
外部中断0(INT0)用于与微机通信,当微机向DSP发出命令后,/指令寄存器满0信号触发该中断,通信建立。中断服务程序读走指令和相应参数,通信开始。
外部中断1(INT1)用于上电装载,与前面脉冲发生器中INT1的使用方法相同。相应EPROM地址也为400000H。
定时器0(T IM ER0)控制器时钟,决定系统采样周期,现采样周期400L s,即每工频周期采50点。该定时器引发中断。
113其它外围电路
AD转换单元最多可实现16路转换。信号经前级运放预处理后送入采样保持AD684(该芯片可以在1L s内完成12位精度的采样),AD684的保持信号由74273的输出HOLD提供,其地址为420000H,写入/00为保持状态,ADC可以开始启动转换;写入/10为采样状态。ADC型号为AD7891AP, 8通道12位采集芯片(转换速度为017L s)。配置2芯片地址分别为430000H和440000H。向芯片地址写入XXX100B为启动XXX通道转换,XXX从0到7为通道号。读该芯片地址得到AD转换结果。该ADC转换速度为116L s,故启动后一般要等待一会再读取转换结果,否则得不到正确结果。
与脉冲发生器的接口是由2片双口RAM IDT7132(低8位)和IDT7142(高8位)组成,共2K16位(D0-D15)。地址45XXXXH,由于双口RAM忙信号出现有一定延迟,故访问该芯片用1等待,并且/BU SY信号优先决定/RDY的电平。
上电装载电路与内存的EPROM地址为40XXXXH,由外部中断1引导。虽然TMS320C31有2K*32位内部RAM,但当运行复杂控制算法时,可能还不能满足需要。为此在电路中设计了一定容量的CPU外部RAM,内存地址为从500000H开始的32K,32位,由4片CY7C199(Cy press公司制造的高速静态存储芯片,读写周期在15~45ns之间)构成。
114软件结构
TM S320C31为控制器的核心部分,接受工控机的指令并完成计算得出控制量,计算结果送脉冲发生器。负责开放外部中断0和定时器0中断。
主程序完成变量初始化,开放中断后就踏步等待微机指令的到来,若PC机有指令送达,则处理相应的指令。定时器0每400L s发生一次中断,在中
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第32卷20Mv ar静止无功发生器(SVG)控制器的设计1999年第11期
断服务程序中采集当前电压、电流并计算瞬时无功、瞬时电压等量。根据控制器是否投入以及当前为何种控制模式计算控制量D 并将结果通过双口RAM 送到脉冲发生器。目前这部分程序运行112L s 左右,故还有近300L s 供运行控制算法,完全有可能实现更复杂的控制算法。外部中断由微机发送命令缓冲器满触发,中断服务程序读走命令和参数并置相应标志,主程序根据此标志完成命令处理。
由于SVG 的快速无功响应特性,其时间常数比工频周期短得多。故传统的基于周期信号的无功功率的定义在SVG 的控制中已不再适用。为此,本文采用瞬时功率概念。
2 控制策略
为实现多目标控制的要求(提高暂稳、稳定电压、阻尼振荡等),适应不同电力系统参数与运行状态对控制器的要求,20Mvar SVG 控制器的控制策略设计采取多目标协调控制,对几种可能相互矛盾
的控制目标分别设计控制规律,运行中再采用目标辨识器根据系统运行的状态辨识当前系统对控制的目标要求,然后根据该目标去选择对应的控制规律。所用到的控制规律主要包括:大增益开关控制(P 控制),迭代学习控制(ILC),PI 控制(如图2)。可以比SVG 的常规PSS 控制对于系统的各种不同运行
情况具有更快的响应速度与更强的适应性。
图2 ?20M var SVG 控制器算法
在电力系统故障切除瞬间(第1摆或头几摆),最主要的控制目标应该是保证系统不失稳(即不发生单摆失步或第2、3摆失步),而电压只要不超过112p 1u 1左右(各国具体规定不同)即可。而在以后的过渡过程中,则要求系统具有良好的动态品质,快速平息振荡。最后则要求电压严格保持在110p 1u 1。
对于正常工作的小扰动,则要求电压严格保持在110p 1u 1左右,动态品质好,稳定问题不存在,当系统出现振荡时,则要求增加系统阻尼,快速平息振荡。
在设计多目标控制器时,需要考虑到电力系统的强非线性。特别是,当SVG 处于顶值限幅输出时,其非线性特性更是无法应用线性化的设计方法。但实际上,对于安装在线路中部的SVG 来说,运行区域变化时并没有使控制规律所要求的系统性质发生根本变化,也即SVG 发出无功可以抬高接入点的电压、吸收无功可以降低接入点的电压。
对于提高系统的暂态稳定极限而言,在$X >0期间应让SVG 尽量发出无功(感性),增加发电机的减速面积,在$X <0期间应让SVG 尽量吸收无功(感性),减小发电机的减速面积,也即达到bang -bang 控制的效果。为了简化算法,便于工程实现,本文采用大增益P 控制来逼近bang -bang 控制所达到的控制效果。
为阻尼系统振荡采用迭代学习控制,为稳定SVG 接入点的系统电压采用PI 控制就可以。
图2所示的多目标控制器中切换不同种类控制器以及调节权值K u 、K X 是根据2个系统状况判据:系统振荡严重程度判据K X ,电压偏离给定程度K u 。分别定义为:
K X =($X )2
+(A $?X )
2
K u =($u)
2
式中,A 是根据需要整定的系数。
对于一个具体的实际电力系统,可以通过仿真计算把K X 分为3个区间,把K L 分为2个区间,如表1。
表1 K u 、K X 对系统控制规律切换及调节权值影响
K u 区间K X 区间
大中
小
大P 控制,K X X 0,
K u X 0ILC 控制,K X X 0,K u X 0PI 控制,K X =0,
K u 大小
P 控制,K X 大,
K u =0
ILC 控制,K X X 0,K u =0PI 控制,K X =0,K u 小
这样相当于把电力系统当前状态分为几类,相
应采用不同的控制规律及不同控制之间的权重。
为验证所提出SVG 多目标控制器的性能,在电力系统仿真软件包NETOMAC 上进行了仿真。
3 动模实验结果
由于?20M var SVG 刚于1999年3月30日试
并网,尚未进行有关控制效果现场实验。
为考查?20Mvar SVG 装置的性能,了解其在电力系统中运行可能遇到的问题,并评价其对电力系统的贡献,研制了?10kvar SVG 模拟装置。该
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装置主电路的拓扑结构与?20Mvar SVG 完全相同,并且所使用的控制器也完全相同。其额定电流15A,额定电压380V,过载能力100%。
控制器具有一定的保护功能,在电力系统发生故障或扰动时,首先考虑保护SVG 装置自身的安全,然后在这个前提下,给系统提供无功支持。主要通过脉冲封锁检测和解除功能体现。保护系统对接入点的电压进行监测,如果发现系统电压在安全运行区之外,也即电力系统发生了近距离短路故障,发出封锁脉冲命令。而控制系统一直对系统电压进行监测,当发现电压恢复到一定的阈值之上后,向保护系统发出解除脉冲封锁指令。具体逻辑为:上位机读端口2A0H,若其D5为低则为封锁状态,此时发送命令到下位机,接收并解释此命令后下位机将D 置为零电流对应的角度。并且时刻等待保护系统传来的信号,当系统故障消失,上位机向端口发出命令解除封锁。
在清华大学动态模拟实验室进行了包括单相接地、二相相间、二相对地和三相对地短路实验,并变化短路地点,从离ASVG 远到近逐项进行实验,考察了控制器的/保护型控制0的效果及装置在SVG 不同运行情况下的效果。从动模录波曲线可以看出,除了发生最为严重的三相短路故障SVG 需要退出运行以外,对于其它故障,控制器都正确地执行了所承担的保护功能。单相接地故障(如图3)时,不需要封锁脉冲,SVG 可以正常连续运行。BC 相间短路(如图4)则正确执行了先封锁脉冲、故障消失后解除封锁的保护性控制操作。二相短路故障时SVG 电流小于单相短路故障,这主要是由于二相短路故障时,
电容电压的幅值低于单相短路故障情况。
图3 开环控制方式下B 相对地短路012s 4 结论
根据河南电网对?20Mvar SVG 的要求,
本文
图4 恒电压控制时,BC 相间发生011s 短路
研制成功了基于双DSP 芯片的SVG 控制器。在?300kvar SVG 长期连续运行中经受了考验,为?20Mvar SVG 在洛阳朝阳变电站并网成功作出贡献。通过在清华大学动模实验室的各种故障实验,证明该控制器可靠性高,脉冲精度高,可为平台完成不对称控制和直流偏磁控制。
该控制器在设计时考虑了性能价格比问题,其硬件技术不仅适用于FACTS 装置控制,而且可以移植到变电站综合自动化中的控制、保护中,具有广阔的推广、应用前景。它作为通用的硬件平台,可以运行各种高级控制算法。
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收稿日期:1999-06-26
(责任编辑 紫 君)
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