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基于FPGA的综合潮流控制器的设计与实现

更新时间：2019-12-26 14:23:35 大小：466K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：fpga 潮流控制器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

分析了同相牵引供电系统的结构与原理,并提出了综合潮流控制器的一种设计与实现方案.该方案通过采用改进的瞬时无功功率检测方法,计算出补偿电流并通过控制背靠背的SVG系统实现同相牵引供电和电能质量综合治理.详细介绍了以FPGA为核心的综合潮流控制器的设计和实现方法,该控制器由先进的FPGA、A/D转换和IGBT等电路构成,通过对多路电压、电流实时输入信号进行采集和处理,由FPGA快速计算生成指令电流,最后再通过滞环调制方式控制背靠背的SVG系统从而实现同相牵引供电.仿真和实验验证了方案的正确性和有效性.

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第38卷第24期

V01．38No．24

旦曼!：!鱼：!Q!Q

电力系统保护与控制

；Q!Q竺!!旦!垒目

￡竺!!!墨z!堡翌￡!竺!!!!12翌璺璺璺竺旦里!!旦!

基于FPGA的综合潮流控制器的设计与实现

邱大强，李群湛，舒泽亮，周福林，余俊祥

(西南交通大学电气工程学院，四川成都610031)

摘要：分析了同相牵引供电系统的结构与原理，并提出了综合潮流控制器的一种设计与实现方案。该方案通过采用改进的瞬

时无功功率检测方法，计算出补偿电流并通过控制背靠背的SVG系统实现同相牵引供电和电能质量综合治理。详细介绍了以

FPGA为核心的综合潮流控制器的设计和实现方法，该控制器由先进的FPGA、A／D转换和IGBT等电路构成，通过对多路电压．

电流实时输入信号进行采集和处理，由FPGA快速计算生成指令电流，最后再通过滞环调制方式控制背靠背的SVG系统从而

实现同相牵引供电．仿真和实验验证了方案的正确性和有效性．

关键词：同相牵引供电系统；综合潮流控制器；瞬时无功功率；协调控制器；FPGA

flow

and realization of

controllerbased on FPGA

Fu-lin，YU

integrated power

Design

QIUDa-qiang，LI Qun· zhan，SHU Ze-liang· ZHOU

Jun-xiang

(School ofElectrical

61 003 1· China)

Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu

Abstract,The structure and

realizationscheme of

ofnovel

traction

and the

and

design

theory

co-phase

power supply syrstem(TPSS)are developed

flow controller(IPFC)are

modified jnstantaneous reactive

detection

power

back to back SVG could

system

jntegrated power

proposed．The

method whichcould calculatethe

current

in the

system．The

compensation

immediately

applied

achieve

TPSS and

based

current． 111e

and

design

co-phase

comprehensive management

detail．The

on FPGA is introduced in

power quality

controller is

compensation

according

composed

and

realizationof

IPFC

and so on，and

ofFPGA。A／D conversion and IGBT circuits

instructioncurrent could

processing。the

the

and current real-time

through

multiple voltages

signal acquisition

calculated

the FPGA

quickly

and after hvsteresis modulation，the

and

TPSS could be realized．11圮correcme豁and

co-phase

effectivenessofthe scheme ale

authenticated bysimulation

experiment．

This work is

supportedby

National NaturalScience Foundationof

instantaneousreactive

China(No．5 007075)．

wordsl

coordination

FPGA

Key

co—phaseTPSS；

IPFC；

power；

controller；

中图分类号：TM761：U223

文献标识码：A

文章编号：

1674-3415(2010)24-0163-05

制了列车的行驶速度。新型的同相供电系统从根本

上解决了电能质量和“过分相”问题，为电气化铁

路的发展提供了良好选择。该系统能够将公用电网

的三相电转换成适合于电气化铁路的单相电，在解

决电能质量问题的同时并在适当条件下能够实现牵

引网的多边供电。

0引言

电气化铁路具有运载能力强、速度快、能耗低、

对环境污染小等优点而得到快速发展。目前我国采

用的是异相的牵引供电方式，随着地高速藿载铁路

的运行，牵引负荷引起的电能质量问题引起广泛的

关注。由于异相供电牵引网上有“电分相”的存在，

列车在过分相时经常会引起过电压现象，极大地降

低了既有牵引系统的可靠性。同时列车在“过分相”

目前同相牵引供电系统是研究的热点问题：文

献【2．5】针对牵引变压器的不同接线形式，提出了不

同结构的基于综合潮流控制器的同相供电系统方

km／h加

时会有减速现象，相关数据表明机车从250

案：文献【7．9】主要研究了潮流控制器的控制方案以

及调制方法。以上的研究主要是通过Matlab和

PSCAD仿真软件实现并没有进行相关硬件设计和

研究。

速到300 km／h需要约4min的加速时间，严重地限

基金项目：铁道部重大科技项目(Z2006-047)；固家科技支

撑计划(2007BAAl2805)；国家自然科学基金项目(51007075)；

高等学校博士学科点专项科研基金(20090184120010)

针对以上问题，本文对综合潮流控制器的硬件

设计与实现进行了研究，提出以FPGA芯片为核心

万方数据

．164．

电力系统保护与控羽

臂电压、电流等相关控制信号，通过FPGA实时计

算出系统需要补偿的输入和输出有功、无功、谐波，

生成指令电流，然后在滞环调制后产生相应的IGBT

的脉冲信号，控制背靠背SVG系统生成相应电流，

从而实现补偿牵引负荷所引起的无功和谐波，达到

电能质量的综合治理。从系统结构可以看出，该系

统取消了牵引变电所出口处的“过分相”，系统一次

侧不需要换相连接，在情况允许时可闭合变电所之

间的分区所，在实现多边供电的同时也增强了系统

的可靠性。当综合潮流控制器出现故障时可退出运

行，在短时间内YNvd等效为单相变压器，并不影

响系统正常运行。

的综合潮流控制器的设计与实现方案。该方案能够

对多路电压、电流信号进行实时采集和处理，结合

改进的瞬时无功功率检测方法，通过FPGA快速地

计算出指令电流，最后再通过滞环比较的方法，产

生控制IGBT导通的指令脉冲，经过驱动电路放大

后控制背靠背的SVG系统。本文首先从理论及仿真

的角度分析和验证了该系统的可行性，最后完成了

实验室的系统模型，测试结果分析表明该系统切实

可行。

同相牵引供电系统结构及原理

同相牵引供电系统主要由一次侧的公用电网、

综合潮流控制器的补偿效果很大程度上取决于

牵引变压器和综合潮流控制器组成，其结构如图l

补偿电流的实时性，特别是对于牵引负荷的谐波补

偿。在系统的控制过程中，对于指令电流的检测尤

为重要，一般的检测算法均有半个或一个周波以上

的检测延时而成为系统的薄弱环节。本文通过对原

有的瞬时无功功率检测算法进行改进，使得其电流

检测延时在1／6周波内，能够极大地提高系统的补

偿效果。同时结合高性能的FPGA芯片，能够快速

实时地计算出补偿电流，提高了整个系统的反应速

度。

所示。

110 kV

：

一

，c

，B

，^I

’

；

YNvd

．^一

变雎器

一

／＼、j

2补偿电流检测算法

；．

，r

●

‘t叫B靠BSVG

I。。。。。。。。。一

综合潮流控制器采用电力电子技术，首先将单

相交流电整流成直流，然后在根据指令电流逆变成

负荷需要的单相交流电。通过对B臂输出电压和电

更

气产

协调控

综合潮流

控制器

制：i|}

流的实时检测与控制，从而保证功率因素为l以及

直流电容电压的稳定。通过对牵引变电所馈线、补

偿电流以及0c臂的电压检测，实现对综合潮流控制

器输出电流的控制。由于牵引负荷波动较大，对系

统实时性较高，指令电流的检测和计算的实时性非

常重要，因此对于补偿电流的检测变得尤为重要。

设YNvd牵引变压器副边电压分别为：

图1同相牵引供电系统结构图

TPSS

The structure

Fig．1

ofco-phase

电气化铁路一般通过l

kV的PCC节点接入

公用电网，图l所示系统采用三相变两相的YNvd

牵引变压器，该变压器原边采用星形接线，次边采

用三角形和V形连接。当变压器阻抗匹配的时候，

能够实现三相到两相的转化并能够有效地抑制三次

(1)

“。=,f2-UsinoJt

谐波和零序电流。变压器的输出端电压“。，U6相位

相差900。由于电气化铁路是属于单相负荷，现有

的异相牵引供电系统很难保证变压器二次侧负荷相

等，由于二次侧的负荷不平衡会使得一次侧的三相

电力系统的负荷不平衡并产生负序电流，会引起许

多的电力系统故障。传统变压器无法实现三相到单

相的平衡转换，而同相牵引供电系统通过综合潮流

控制器将使U。端输出负荷的一半有功功率转移到

(2)

‰ =,J2Usin(rat+90。)

牵引变电所馈线电流：

屯脚=42／Isin(tot+织)+

(3)

旭sin(nat+谚．)

n=-2

其中：u为输出电压的幅值：，．为基波电流幅值：钨

为基波功率因素角；I．为刀次谐波电流幅值；纯为

刀次谐波功率因数角。

Ⅳ。端口，从而实现单相牵引供电并且确保牵引变压

器二次侧负荷相等，彻底解决负荷不平衡问题。综

合潮流控制器主要由协调控制器和背靠背的SVG

系统组成。协调控制器采集馈线电流、电压、a、p

将馈线电流对应的基波电流分解成有功电流

和基波无功电流，分别为，P=，Icos奔，厶：lfsin舜，可

万方数据

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