摘要:文章介紹了無功補償控制器的主要功能以及基于雙CPU結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)總體組成,為實現(xiàn)快速、無沖擊的動態(tài)無功補償,采用零電壓觸發(fā)投切方式,設計了晶閘管過零觸發(fā)驅(qū)動電路,配合控制器投切指令,能有效地觸發(fā)晶閘管進行電容器投切。

關(guān)鍵詞:無功補償控制器;整體設計;電容器;觸發(fā)電路

中圖分類號:TM761文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)20-0033-02

無功補償技術(shù)對于提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和挖掘電網(wǎng)的潛力是十分必要的。其主要作用包括提高負載和系統(tǒng)的功率因數(shù)、減少設備容量和功率損耗,穩(wěn)定電壓,提高供電質(zhì)量,提高系統(tǒng)輸電穩(wěn)定性和輸電能力,平衡三相負載的功率等。因此,無功功率補償已成為保證電網(wǎng)高質(zhì)量運行的重要手段之一,也是電力系統(tǒng)研究領域的一個重大課題。因此在配電網(wǎng)改造中推廣無功補償技術(shù)是一個值得關(guān)注的實際課題。

一、無功補償關(guān)鍵技術(shù)問題

隨著人們對配電系統(tǒng)網(wǎng)絡建設的重視和無功補償技術(shù)的發(fā)展,無功補償技術(shù)已在配電系統(tǒng)中普及。但是,在實踐過程中也暴露出一些問題。

(一)補償方式問題

目前很多部門無功補償?shù)某霭l(fā)點還放在用戶側(cè),即只注意補償用戶的功率因數(shù),而不是立足于降低電力網(wǎng)的損耗。要實現(xiàn)最有效的降損,必須通過計算無功潮流,確定各點的最優(yōu)補償量、補償方式,才能使有限的資金發(fā)揮最大的效益。

(二)諧波問題

電容器具備一定的抗諧波能力,但諧波含量過大時會對電容器的壽命產(chǎn)生影響;并且由于電容器對諧波有放大作用,因而使系統(tǒng)的諧波干擾更嚴重。另外,動態(tài)無功補償柜的控制環(huán)節(jié),容易受諧波干擾影響,造成控制失靈。因而在有較大諧波干擾,又需補償無功的地點,應考慮添加濾波裝置。

(三)無功倒送問題

無功倒送是電力系統(tǒng)所不允許的,因為它會增加線路和變壓器的損耗,加重線路負擔。一些無功補償裝置只選擇一相作采樣和無功分析,于是在三相負荷不對稱的情況下,就可能造成無功倒送。至于采用固定電容器補償方式的用戶,在負荷低谷時,也可能造成無功倒送。無功補償裝置應能根據(jù)系統(tǒng)的無功變化,及時地對其進行調(diào)整,選擇合適的補償方式避免無功倒送。

(四)電容器的投切振蕩問題

投切振蕩不僅會影響電容器及其投切機構(gòu)的壽命,同時,對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成很大的影響,必須防止其發(fā)生。若無功補償裝置的補償控制策略不恰當或者各級電容器容量配置不恰當都容易引起投切振蕩。不斷完善補償控制策略,并根據(jù)具體情況配置合適的電容器組才能有效地解決投切振蕩問題。

二、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與組成

本文設計的無功補償控制裝置采用雙CPU結(jié)構(gòu),應用TI公司的數(shù)字處理器TMS320F2812作為主控CPU,用于數(shù)據(jù)采集、計算、歷史數(shù)據(jù)存儲、狀態(tài)判斷、控制決策確定、驅(qū)動輸出和外部通信等主要功能。采用TI公司生產(chǎn)的AVR單片機ATMEGA64L作為監(jiān)控CPU負責人機接口控制部分,完成液晶顯示和鍵盤響應功能。遵循各插件板功能劃分明確、強弱電系統(tǒng)分離的原則,兩CPU間相對獨立,減少了CPU間的數(shù)據(jù)交換量,有利于控制程序的實時執(zhí)行,提高了運行的可靠性,同時使程序設計思路清晰,簡明。控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示:

無功補償控制裝置集電網(wǎng)監(jiān)測與無功補償控制、電容器保護于一體,不但可以補償電網(wǎng)中的無功損耗,提高功率因數(shù),降低線損,從而提高電網(wǎng)的負載能力和供電質(zhì)量;同時還能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)的三相電壓、電流、功率因數(shù)、諧波等運行數(shù)據(jù),完成對配電線路的監(jiān)測、分析處理等綜合管理。通過擴展通信口,利用載波通信,光纖通道或者GPRS無線通信方式,與其他補償點裝置連成完備系統(tǒng),將監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳至后臺計算機中心,進行綜合分析控制,實現(xiàn)配電網(wǎng)無功補償系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)控。為方便用戶從裝置中取出相關(guān)數(shù)據(jù),在裝置前面板上設計了USB接口,可外接USB存儲設備,下載需要的數(shù)據(jù),分析裝置控制行為和補償狀況。這種設計使人機界面更加友好,增強了裝置的可操作性,方便了用戶的使用。

三、無功補償控制裝置的功能

本文設計的無功補償控制裝置具有以下特點:

1.投切機構(gòu)控制方式:晶閘管反并聯(lián)控制,實現(xiàn)動態(tài)跟蹤、快速補償。

2.控制物理量:基于九域圖的模糊控制判斷方式,以電網(wǎng)電壓和無功功率綜合判斷,進行分接頭調(diào)節(jié)和電容器投切。支持功率因數(shù)控制、無功電流控制、電壓控制、時間控制等單參數(shù)控制策略,可按需要選擇控制物理量。

3.補償方式:采用三相共補和分相補償相結(jié)合的混合補償方式,配備循環(huán)投切控制和二進制編碼投切控制方式。

4.保護功能。(1)過壓保護:電網(wǎng)電壓大于高壓保護值(1.0~1.2NU范圍可調(diào))時,自動快速切除全部電容器;欠壓保護:電網(wǎng)電壓小于設定下限值(0.65～0.95NU范圍可調(diào))時,自動快速切除全部電容器;(2)缺相保護:電網(wǎng)發(fā)生斷路缺相時,自動切除全部電容器;(3)失壓保護:裝置斷電后控制開關(guān)自動切除電容,保證再通電時各電容器組處于分斷狀態(tài);(4)諧波保護:電網(wǎng)諧波含量超過設定值時,報警,自動快速切除該相電容器;(5)短路保護:檢測到電網(wǎng)發(fā)生短路故障時,自動快速切除電容器并閉鎖系統(tǒng);(6)投切振蕩閉鎖報警保護:控制器判斷出發(fā)生投切振蕩時,系統(tǒng)報警,同時閉鎖投切。

5.電容器延時功能:靜態(tài)投切時,電容器投切延時10～120s,可設定;動態(tài)投切時,0～30ms;可選投切狀態(tài)。

6.自檢復歸;每次接通電源后,裝置進行自檢,并使輸出回路處于斷開狀態(tài)重新判斷是否投電容器。

7.參數(shù)設置、調(diào)整:可設置投切電壓區(qū)間上下限數(shù)值、投切功率因數(shù)上下限數(shù)值、投切延時、電流互感器變比、投入門限無功電流值、切出門限無功電流值、諧波電壓和電流含量切出門限及控制參數(shù)設置、自動/手動投切設置?？稍O置和修正本機時鐘、通信參數(shù)等。

8.運行數(shù)據(jù)采集及傳送功能:實時監(jiān)測、計算和顯示電網(wǎng)三相電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)、諧波含量等運行數(shù)據(jù),通過擴展通訊口,可實現(xiàn)遠程通信,遠程傳送運行數(shù)據(jù),實現(xiàn)對配電線路的監(jiān)測、統(tǒng)計分析等綜合管理。

四、晶閘管過零觸發(fā)電路

本文采用雙向反并聯(lián)的晶閘管作為電容器的投切機構(gòu),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸器投切,并采用檢測晶閘管兩端電壓的零電壓觸發(fā)方式。為此,需要選擇具有過零觸發(fā)能力的芯片控制晶閘管的通斷。我們選用Motorola公司的過零觸發(fā)控制芯片MOC3083,它由鎵-砷紅外發(fā)射二極管結(jié)合過零電壓硅檢測器組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示:

當1腳和2腳間電流超過5mA時,內(nèi)部的紅外二極管將發(fā)出紅外射線,4腳和6腳分別接于觸發(fā)相電網(wǎng)電壓和電容端電壓,當電網(wǎng)電壓和電容器電壓幅值相等、相位相同時,過零芯片將在4腳和6腳產(chǎn)生5v左右的電壓,在兩個可控硅的觸發(fā)端產(chǎn)生一定的觸發(fā)電壓,在主回路的正向或負向電壓驅(qū)動下,晶閘管導通,實現(xiàn)電壓過零導通。本設計中,晶閘管投切用的是IXYS公司的MCC56-16io8B雙晶閘管模塊,其門極最小觸發(fā)電壓為1.5v,門極觸發(fā)電流為100～200mA。為確保觸發(fā)信號滿足晶閘管開通的電壓、電流要求,故將過零檢測電路的輸出電壓送至觸發(fā)電路,經(jīng)電壓調(diào)整后,將電壓過零時調(diào)整輸出的高電平經(jīng)非門后,送至由光隔和三極管組成的晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路,觸發(fā)晶閘管導通,加強觸發(fā)信號的可靠性。觸發(fā)信號的驅(qū)動電路如圖3所示,過零檢測電路外部接線圖如圖4所示:

電容器接入系統(tǒng)后,兩反并聯(lián)的晶閘管在交流電壓的作用下輪流導通以保證電容器的投入,任一時刻都有一個晶閘管承受正向電壓,另一個晶閘管承受反向電壓。晶閘管在承受正向電壓的正半周被觸發(fā)導通后,在負半周時由于承受反壓的作用,在電流過零點自動關(guān)斷,而此時反并聯(lián)的另一個晶閘管承受的是正向電壓,觸發(fā)其導通,接替前一晶閘管承擔連接電容的工作。譯碼輸出的投入信號使過零檢測電路在電容器投入期間一直處于工作狀態(tài),在晶閘管兩端電壓的每個過零點觸發(fā)晶閘管,使其順利導通。晶閘管導通后或承受反壓時,觸發(fā)極信號不會影響晶閘管的正常工作,因此,在每個電壓過零點均觸發(fā)兩反并聯(lián)的晶閘管,對于從承受反向電壓向承受正壓過渡的晶閘管將自然導通,而另一晶閘管則不受觸發(fā)信號的影響,電流過零時自然關(guān)斷。這樣兩反并聯(lián)的晶閘管可用同一觸發(fā)信號,簡化了設計。需要切除電容器時,譯碼輸出的切除電容信號經(jīng)非門把MOC3803的2腳電位至高,這樣,過零檢測電路停止工作,停止向晶閘管發(fā)送觸發(fā)信號,晶閘管在電流過零關(guān)斷后不再導通。

在設計過程中,對觸發(fā)驅(qū)動電路進行了實驗,用電燈負載代替電容器通過反并聯(lián)的晶閘管模塊MCC56-16io8B接至周期交流電源,通過觀察電燈的導通情況來判斷晶閘管的工作情況。實驗中,電燈在晶閘管首次過零導通后一直保持導通狀態(tài),沒有出現(xiàn)斷流熄滅情況,由此證明反并聯(lián)的晶閘管組輪流導通工作正常。

由于MOC3083的耐壓水平為800V,隔離電壓水平為7500V,考慮晶閘管在關(guān)斷期間兩端承受電壓的最大值為電網(wǎng)交流線電壓的峰-峰值,因此若用在380V以上的電網(wǎng)進行過零檢測時,需要用多個MOC3083串聯(lián)形式,以提高其耐壓水平,并用均壓電阻平均分配降落在每個器件上的電壓。

五、結(jié)語

隨著人們對電能質(zhì)量要求的提高,實現(xiàn)配電網(wǎng)的整體綜合無功優(yōu)化具有深遠的意義。對配電網(wǎng)無功補償進行整體規(guī)劃,通過無功潮流計算,確定最優(yōu)補償點、補償容量和補償方式,實行整體綜合無功優(yōu)化。隨著電力載波技術(shù)在配電網(wǎng)的應用和發(fā)展,利用配電網(wǎng)自身網(wǎng)絡通道完善優(yōu)勢,運用載波通訊技術(shù),實現(xiàn)各無功補償控制裝置與遠程計算機系統(tǒng)的通信,計算機系統(tǒng)通過對整網(wǎng)的實時無功功率進行綜合分析后,得出最優(yōu)控制策略并向各控制裝置終端發(fā)出控制指令,最終實現(xiàn)配電網(wǎng)無功補償整體優(yōu)化。

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作者簡介:張維俊(1967-),男,吉林集安人,長春工程學院電氣與信息學院講師,研究方向:電力系統(tǒng)及其自動化、配電系統(tǒng)自動化。