基于DSPDSPSP的低壓無功補償裝置的研制

鄒 進，朱志杰，司玲玲

（1.江西省電力科學研究院，江西 南昌 330096；2.江西省電力公司，江西 南昌 330077；3.北京四方立德控制設備有限公司，北京 3300077）

0 引言

目前在我國，對于低壓電網(wǎng)來說，一般都采用三相四線制配電方式，配電變壓器為Y/yn0接線。由于大量的單相負載以及用電不同時性的原因，因此配電變壓器的三相不平衡運行是不可避免的。目前在中、低壓配電網(wǎng)中，廣泛采用手動或自動投切的電容器組進行補償。但是即使是最先進的晶閘管分相投切電容器組，也只能解決功率因數(shù)的補償問題，而不能有效地平衡三相負荷。

三相電壓或電流不對稱會對電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電、配電設備及用電設備造成一系列的危害：增加了線路損耗；增加了配電變壓器的有功損耗；降低了配電變壓器出力；影響電動機輸出功率，并使繞組溫度升高；影響正常通信質(zhì)量；對一些計量儀表的精度會產(chǎn)生影響。

本文針對低壓0.4 kV側(cè)三相負荷不平衡的情況，在文獻[1]和[2]提出的低壓三相不平衡無功補償算法的基礎上根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行了改進，此算法運算量小，程序簡單，可靠，并根據(jù)改進后的算法研制出了一種基于DSP的低壓三相不平衡無功補償裝置。

1 三相不平衡無功補償算法的研究

在進行對配電線路低壓0.4 kV側(cè)三相不平衡負荷進行無功補償時，可以通過Y接線和△接線兩種補償方式的共同作用，對各相及各相間提供不同數(shù)量的無功，可以消除不對稱負荷產(chǎn)生的負序和零序電流分量，使系統(tǒng)從母線側(cè)看是對稱的，且功率因數(shù)理論上可以提高到1。而且在實際操作中一般采用的是補償電容，而不是電感，因為電感又重又大，成本很高，而且損耗也大，所以根據(jù)只補償電容原則，文獻[2]提出了如下算法：

設Pa，Pb，Pc，Qa，Qb，Qc，分別是系統(tǒng)的三相總的有功和無功是△接線部分的負荷功率,而則是Y接線部分的負荷功率?？偟挠泄蜔o功都分別是Y接線部分負荷和△接線部分負荷所產(chǎn)生的有功和無功之和，但各自占多大比例卻很難確定。在文獻[2]中將負荷的情況看成是一種黑盒子，考慮到配電網(wǎng)三角形接線部分負載多以異步電動機等對稱性負荷為主，所以可以假設：

然后通過一系列推導，得出如下公式：

在上述公式中PLa，PLb，PLc,QLa，QLb，QLc分別是各相負載消耗的總的有功和無功分別是三角形部分應投的電容量，而分別是星型部分應投電容量。根據(jù)只補償電容原則，就必須使都大于零。

因此可以確定一個Qx的范圍，在這個范圍內(nèi)任取一個Qx都能滿足補償后三相基本平衡的結(jié)果。

但是文獻[1]提出的算法主要是針對沒投電容前的原始純負荷狀態(tài)，因為在現(xiàn)場接入補償裝置的電流是從母線側(cè)的電流CT引入的,當各相及相間沒投電容的原始情況也即純負載情況下,此時測得的即為純負荷的電流。但如果已經(jīng)投入了電容,這時測得的電流除了純負荷電流外,還包括了已投電容所產(chǎn)生的一部分電流。所以這時候就要對原算法加以改進。

先以A相為例分析：A相電流

則A相總功率：

上式分為兩部分：其中第一部分是純負載部分的功率SLa，第二部分是純補償電容部分的功率SCa。我們要求的就是負載部分的功率SLa，這時就要把補償部分的功率求出即可。星形接法的補償部分我們可以直接從補償電容的容量得出關鍵是求出三角形補償部分的功率也即部分。（*表示共軛復數(shù)）

前面把A相總功率Sa分為負載部分SLa和補償電容部分SCa，下面來推導SLa，，為已補償?shù)娜切谓泳€部分電容量，為已補償?shù)男切谓泳€部分的電容量。

可得：

選定一個Qx,使得上述式子都大于零，即可得應投的電容量。再把這些應投的電容量減去已投的電容量,即為在原來已投電容量的基礎上所應該投切的電容量(下列值如為正即為在原來已投的基礎上還需投入的量;如為負則為在原來已投的基礎上還需切除的量)。

但有時我們會找不到這樣一個滿足條件的Qx區(qū)間,這時就要采用普通的無功投切算法：以功率因數(shù)為基礎，無功功率避免投切振蕩，電網(wǎng)電壓上限值和負載電流下限值作為控制電容器組投切的約束條件，實現(xiàn)電容器組的智能綜合控制。據(jù)功率因數(shù)整定值上限cosΦ1、下限cosΦ2，檢測到的運行參數(shù)cosΦ，控制所需補償?shù)碾娙萑萘?。電容器投入后只有?cosΦ2

在確定有功功率和補償前功率因數(shù) cosΦ1和補償后功率因數(shù)cosΦ2情況下：補償容量：QC=P（tgΦ1-tgΦ2）

其中：

1）補償前功率因數(shù)=當前運行的功率因數(shù)cosΦ；

2）補償后功率因數(shù)=功率因數(shù)整定cosΦ1；

3）根據(jù)各個開出回路的電容器狀態(tài)計算出各相可投入無功量等級；

4）比較所需補償容量QC和投入無功量等級，將可投入的無功劃分區(qū)間，根據(jù)QC所在的區(qū)間位置決定具體投切的電容器組合方式；

5）當有多組電容器組合滿足條件時，選擇功率因數(shù)較高的組合。

2 硬件結(jié)構(gòu)設計

2.1 硬件核心

該裝置的硬件以Motorola公司生產(chǎn)的DSP56F807芯片為核心。它具有豐富的I/O口和多種外圍設備，同時具有60 k×16位的程序FLASH存儲器、2 k×16位的程序RAM存儲器、8 k×16位的數(shù)據(jù)FLASH存儲器、4 k×16位的數(shù)據(jù)RAM存儲器。它具有如下特點：

1）超高速的處理能力，在80 MHz時鐘頻率下可達到40兆條指令/秒的指令執(zhí)行速度；

2）關鍵部分采用雙哈佛結(jié)構(gòu)，支持并行處理；3）支持15種不同的尋址方式；

4）單指令周期可以完成16位×16位的并行乘-加運算；

5）支持可由用戶靈活定義的多級中斷優(yōu)先級；

6）具有3條內(nèi)部地址總線、4條內(nèi)部數(shù)據(jù)總線和各1條外部地址總線和數(shù)據(jù)總線；

7）高效的C編譯器，支持局部變量；

8）JTAG/OnCE程序調(diào)試接口，允許在系統(tǒng)設計工程中隨時進行調(diào)試，并可對軟件進行實時調(diào)試等；

9）Motorola公司提供了一個Code warrior的集成開發(fā)環(huán)境,在此平臺上采用C語言編程。

2.2 電子復合開關

2.2.1 電子復合開關簡介

在采用新型無功補償控制技術后，低壓電容器組將增加大量投切開關。作為電容器投切過程的操作執(zhí)行元件，其功耗大小、性能好壞對低壓無功補償裝置的可靠性及功耗起了重要的作用。

就目前大量采用的開關元件而言大致可以分為晶閘管、交流接觸器、電子復合開關和低涌流真空開關四類，我們采用的是電子復合開關。電子復合開關是晶閘管與交流接觸器相結(jié)合的產(chǎn)物。它充分利用晶閘管投切時間控制準確的優(yōu)勢，在電容器組投切的瞬間以晶閘管開關為主，而在電容器投入運行期間則退出晶閘管開關，以交流接觸器的觸點通過電容負載電流。電子復合開關結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 電子復合開關結(jié)構(gòu)

2.2.2 電子復合開關的合閘和分閘的控制邏輯

合閘過程的控制邏輯：

1）需要投入某組電容器時，控制裝置可在任一時刻同時對晶閘管和交流接觸器發(fā)合閘令：晶閘管元件發(fā)門極正脈沖，交流接觸器則是閉合其合閘線圈的回路。

由于晶閘管交流開關良好的可控性，觸發(fā)回路自動在下一個電壓過零點發(fā)門極正向電壓保證在5μs內(nèi)導通，在5 ms的時間內(nèi)完成對電容器組合閘的暫態(tài)過程，因此經(jīng)過20~30 ms后交流接觸器觸點閉合必將是一個平穩(wěn)的合閘過程。

事實上，一旦交流接觸器觸點閉合，由于觸點之間的內(nèi)阻很小，并聯(lián)晶閘管開關后：

①晶閘管所流過的電流ic幾乎全部被觸點分流；

②晶閘管的陽極在觸點閉合后被短接，只有幾十毫伏的電壓，不具備陽極電壓的導通條件。

此時，即使門極電壓仍保持高電平，晶閘管也會在ic電流過零后全部截止。

2）為了可靠起見，在交流接觸器觸點閉合后，再延遲15~20 ms，停止晶閘管的門極正向電壓，促使正反兩個晶閘管都將進入完全的截止狀態(tài)，退出運行。

經(jīng)過二次合閘操作，電容器組在50~100 ms內(nèi)進入正常運行工況。其中晶閘管的運行時間僅為30~50ms。

分閘過程的控制邏輯：

1）控制器根據(jù)切掉某電容器組的命令，在任意時刻下達該晶閘管交流開關的合閘命令，此時觸發(fā)電路檢測到的晶閘管陽極電壓幾乎為零（因為已被觸點短接），將立即發(fā)門極正向電壓。晶閘管開關不導通，但處于與觸點并聯(lián)準備導通的運行狀態(tài)。

2）延遲5~10 ms后，控制器再發(fā)交流接觸器的分閘令，隨著觸點的分斷過程，晶閘管陽極電壓上升，晶閘管交流開關立即導通，經(jīng)過20~30 ms交流接觸器觸點完全分開，晶閘管交流開關也進入作為主開關的過渡運行期。

3）再延遲10 ms，控制器可在任意時刻停止門極正向電壓，晶閘管開關將在下一個ic電流過零時刻全部關斷電容器組的回路。

經(jīng)過三次分閘操作，電容器組在50 ms內(nèi)完成分閘。其中晶閘管交流開關的運行時間僅為10~15ms。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)

幅值較大的工頻電流、電壓信號經(jīng)過交流插件（AC插件）變?yōu)榉递^小的交流信號，然后由DSP進行交流采樣，并計算出各項電網(wǎng)參數(shù)，然后根據(jù)控制規(guī)律通過串口輸出控制信號給執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)實際上是一塊開出電路板,這塊板上共有30個繼電器,可控制30個單相交流接觸器,另外還有24個光耦,可控制24個可控硅,完成電容器的投切。裝置硬件結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 裝置硬件結(jié)構(gòu)

3 主程序框圖

上電后對系統(tǒng)進行初始化，初始化主要包括設置標志位和變量的初值，中斷初始化，設置各接口芯片的初始化、電容器組投切狀態(tài)指示燈的初始狀態(tài)等。然后程序進入主循環(huán):首先進行數(shù)據(jù)采集和處理，包括電壓電流的采集和處理、計算有功、無功和功率因數(shù);接著程序進入控制算法程序，控制算法程序首先根據(jù)計算出的功率因數(shù)或負序電流大小進行投切判斷：當功率因數(shù)低于給定定值或者負序電流大于給定定值時啟動不平衡電流補償算法，如果能找到一個Qx的取值范圍【Qxmin，Qxmax】后，把這個范圍進行若干等份，先取最小的Qx，由CPU算出各相及相間應投的電容量，然后對各相進行投切電容。投切電容時按照各相電容容量大小，先投容量大的，再投容量小的，過補時不投。如果投切后滿足平衡條件,則程序再次進入主循環(huán),如果不滿足平衡條件，則尋求下一個Qx，直到滿足平衡條件為止；但如果找不到這樣一個Qx就采取普通的無功補償算法。主程序流程見圖3。

圖3 主程序流程

4 現(xiàn)場試驗

4.1 低壓無功補償柜概述

最后成形的裝置是一個低壓無功控制柜，經(jīng)過一個Δ/Yn降壓變壓器，把原邊的380 V電壓降為84 V的低壓，84 V低壓經(jīng)過低壓空氣開關引入裝置PT，作為裝置的電壓信號。而電流信號通過空開接入變比為50/5 A的電流互感器，然后引入裝置內(nèi)部CT，作為裝置的電流信號?？刂破鞅旧淼碾娫词墙?jīng)空開引入220 V交流市電。補償柜共配有四組Y形電容器，四組△形電容器。為了能夠?qū)崿F(xiàn)分相補償和三相平衡處理，實現(xiàn)單個電容器可以獨立投切，分容量控制。其中星型分相部分的倒相開關采用的是單相交流接觸器，而電子復合開關則用來接通或切除電容。

本裝置使用LDS－522控制器作為主控核心，進行交流信號的采集及有功、無功運算，而后通過串口進行各個信號控制。

無功擴展控制器共有30個光耦輸出信號，可控制30個可控硅(即晶閘管)輸出；30個繼電器輸出信號，可控制30個單相交流接觸器的輸出。其中交流接觸器為韓國凱思KACOM公司的KMC系列單相接觸器，我們選用的規(guī)格是額定電流為30A的KMC－30S型以及50A的KMC－50S型單相交流接觸器。

4.2 三相不平衡無功補償試驗

試驗一：基本負荷為：三相各相星型部分各接了1.1 kW的燈泡電阻44 Ω，三角形部分接了42 Ω的純電感。表1是補償前后各項參數(shù)的對比:

從表1可以看出,補償前三相的電流不平衡度雖然較小,但功率因數(shù)仍然很低,所以仍需補償。經(jīng)過補償后三相電流也較補償前降低了，而且三相功率因數(shù)也提高到將近1，不平衡度也滿足要求。

表1 補償前后對照表（試驗一）

試驗二：在基本負荷的基礎上在A相上再并入一個可調(diào)電感,此時可調(diào)電感調(diào)到最大值。

從表2可以看出,在基本負荷的基礎上再并入一個A相電感后，A相功率因數(shù)由原來的0.52降到了0.31。補償前三相電流的不平衡度較大,而且功率因數(shù)也很低，經(jīng)過補償后三相電流也較補償前降低了，而且三相功率因數(shù)也提高到0.90以上，不平衡度也大大降低了。

表2 補償前后對照表（試驗二）

試驗三：在基本負荷的基礎上在A相和B相上都各并入一可調(diào)電感,此時可調(diào)電感都調(diào)到最大值。

從表3可以看出,在試驗二的負荷的基礎上再并入一個B相電感后，B相功率因數(shù)由原來的0.53降到了0.36。補償前三相的電流不平衡度較大,而且功率因數(shù)也很低，經(jīng)過補償后三相電流也較補償前降低了，而且三相功率因數(shù)也提高到0.90以上，不平衡度也大大降低了。

表3 補償前后對照表（試驗三）

試驗四：在試驗三的基礎上再并入一個A相可調(diào)電阻。

從表4可以看出,在試驗三的負荷的基礎上再并入一個A相電阻后，A相功率因數(shù)由原來的0.31升到了0.53。補償前三相的電流不平衡度較大,而且功率因數(shù)也很低，經(jīng)過補償后三相電流也較補償前降低了，而且三相功率因數(shù)也提高到0.90以上，不平衡度也大大降低了。

表4 補償前后對照表（試驗四）

試驗五：在試驗四的基礎上突然切掉A相的可調(diào)電感，系統(tǒng)自動補償。

從表5可以看出,在試驗四負荷已經(jīng)補償而且基本平衡的基礎上突然切除A相的可調(diào)電感后，A相功率因數(shù)由原來落后的0.90變成了超前的0.93。這說明A相已經(jīng)過補了。這時控制器動態(tài)補償電容，我們可以看到補償后的A相的功率因數(shù)又變成了落后的0.91，而且三相的功率因數(shù)仍保持在0.90以上。補償后的三相電流也較補償前略有降低，不平衡度也保持在較低的水平，這說明動態(tài)補償?shù)男Ч€是令人滿意的。

表5 補償前后對照表（試驗五）

5 結(jié)論

1）隨著電力負荷多樣化的發(fā)展,不對稱負荷三相平衡補償裝置的開發(fā),對節(jié)能和提高電能質(zhì)量,有很大的現(xiàn)實意義。

2）本裝置控制器是基于16位的DSP設計，響應速度快，能對低壓配電網(wǎng)無功進行動態(tài)跟蹤補償。而且控制簡單，性能可靠，人機界面友好，操作方便。

3）動模試驗結(jié)果表明,在補償范圍內(nèi)的負荷,能實現(xiàn)完全補償?shù)哪康?。在補償范圍外的負荷,也能起到一定的補償作用,使不對稱程度大為降低，有效降低網(wǎng)損。

[1]單鐵銘,楊仁剛.不平衡電流無功補償方法研究[J].電力自動化設備,2004,24(12):26-29.

[2]單鐵銘,謝連富.不平衡電流無功補償方法的研究[J].繼電器,2006,34(9):76-79.

[3]單鐵銘.磁飽和可控電抗器及不平衡無功補償?shù)难芯縖D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學2005.

[4]吳迪.多功能低壓無功補償裝置的研究與實現(xiàn)[D].北京:華北電力大學2005.

[5]林海雪.電力系統(tǒng)的三相不平衡[M].北京:中國電力出版社，1998.

[6]景翔,陳飮技,吳杰.三相不平衡系統(tǒng)的無功補償控制[J].電力自動化設備,2003,23(1):1-3.

[7]張永軍,孟文博,趙積春,等.三相不平衡與無功功率綜合補償系統(tǒng)的研究[J].電工技術雜志,2004(12).

[8]彭輝,黃亦農(nóng),王茂海.配電網(wǎng)中三相不平衡負荷補償[J].電力自動化設備,2002,22(1):32-34.