智能低壓無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司桂林供電局,廣西 桂林 541002)

1 引言

隨著越來越多的工業(yè)用電設(shè)備接入電網(wǎng)，造成了供電母線功率因數(shù)低下，線損大幅度增加，電壓合格率降低，嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量[1-2]。為改善上述狀況，必須進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。在低壓配電網(wǎng)絡(luò)，廣泛采用投切電容器的方式進(jìn)行無功補(bǔ)償，并取得一定的成效[3-7]。但傳統(tǒng)的低壓無功補(bǔ)償裝置因考慮電容器的放電時(shí)間，電容器的投切間隔較長，降低了補(bǔ)償效果。為此，需針對上述不足，研究新型的無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案以滿足電力系統(tǒng)的需求。

2 無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的功能要求及實(shí)現(xiàn)

2.1 響應(yīng)速度

低壓無功補(bǔ)償裝置是通過控制電力電容器的投/切來進(jìn)行無功補(bǔ)償。投切響應(yīng)時(shí)間越短，越能有效地降低線損、提升線路電壓。低壓無功補(bǔ)償裝置通常分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩大類。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15576-2008《低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置》中規(guī)定：動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間是指從系統(tǒng)的無功變化達(dá)到設(shè)定值時(shí)刻起到裝置輸出無功時(shí)的時(shí)間間隔。根據(jù)國標(biāo)定義，要達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)闹笜?biāo)，運(yùn)行中“重復(fù)投入電容器的時(shí)間間隔”應(yīng)不大于1秒?？紤]到運(yùn)行中的電容器被切除后存在放電過程，若要求電容器切除后能快速投入，為避免涌流，就要保證在電容器電壓為任何值時(shí)均能投入，而不能象靜態(tài)補(bǔ)償裝置那樣，等到電容器放電完畢、電網(wǎng)電壓過零時(shí)才能投入。本文設(shè)計(jì)的過零投切電路用以檢測電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值與電容器電壓之差值，當(dāng)其為零時(shí)投入電容器。具體電路如圖1所示。

工作原理：

初始上電時(shí)候，電容C1、C2均沒有儲(chǔ)能電壓。當(dāng)A相電壓高于A相電容器電壓時(shí)，電壓流經(jīng)C1、D1、R1，此時(shí)C1進(jìn)行儲(chǔ)能，儲(chǔ)能電壓由D3穩(wěn)壓管決定。A相電壓低于A相電容器電壓時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，C1儲(chǔ)能電壓經(jīng)過Q1、R5進(jìn)行放電，光耦導(dǎo)通，光耦輸出過零信號。同時(shí)，A相電容器電壓流經(jīng)C2、D2、R2，C2進(jìn)行儲(chǔ)能，在A相電壓高于A相電容器電壓時(shí)，三極管Q2導(dǎo)通，如此循環(huán)反復(fù)。信號輸出端接至電容器投切開關(guān)芯片，以檢測并控制電容器精確過零投入或切除。對上述電路使用proteus軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，得到的電壓波形如圖2所示，其中尖波曲線為輸出信號。

圖1 電容器投切信號發(fā)生電路

圖2 投切信號電路輸出

2.2 補(bǔ)償精度

補(bǔ)償裝置中，每一相均裝設(shè)數(shù)個(gè)電容器，可根據(jù)負(fù)荷無功欠缺量的多寡適量投入。電容器數(shù)量越多，補(bǔ)償精度越高，但卻伴隨著控制模式復(fù)雜，控制時(shí)間偏長，裝置造價(jià)高等不足；控制電容器容量組合恰當(dāng)與否，也將直接影響補(bǔ)償精度，同樣不能等閑視之。

2.2.1 電容器容量組合

本文的電容器容量組合方式為：

(1)補(bǔ)償電容器分成兩組——優(yōu)先分補(bǔ)組和基礎(chǔ)共補(bǔ)組。前者可分相、分組投切，應(yīng)對各相無功負(fù)荷的不平衡；后者為三相同時(shí)投切，以滿足各相日常最起碼的無功功率。共補(bǔ)組電容按Δ接法接于線電壓，對于相同的補(bǔ)償容量，其電容量僅為分補(bǔ)組電容量的1/3。

(2)電容器容量按(1:2:4)(分補(bǔ))+4n(共補(bǔ))的組合方式配備，即優(yōu)先分補(bǔ)組設(shè)3組，可分7級投切，基礎(chǔ)共補(bǔ)組設(shè)n組，每組容量為4，可分n級投切。

電容器容量確定方法如下：

①設(shè)每相所需的補(bǔ)償總?cè)萘繛镼Σ，編碼組合的權(quán)重之和為(1+2+4+4n)，則最小補(bǔ)償容量Qmin可由下式算出:

(1)

②由下式求出所需最小電容器容量:

(2)

③按1:2:4:4n的比例確定其它電容器的容量(需注意共補(bǔ)組與分補(bǔ)組的電容量關(guān)系)。

按上述方法確定的電容器組合，其無功補(bǔ)償?shù)淖畲笃顬椤繯min/2，補(bǔ)償精度較高。例如，當(dāng)n=2時(shí)，最小補(bǔ)償容量Qmin為QΣ的1/15，補(bǔ)償偏差小于±3.5%。隨著n值增加，補(bǔ)償精度將更高。

2.2.2 投切模式

本文采用混合補(bǔ)償模式投切補(bǔ)償電容器：

(1)各相根據(jù)無功缺額分別投入分補(bǔ)組電容；當(dāng)各相無功缺額均大于共補(bǔ)組的補(bǔ)償容量時(shí)，投入共補(bǔ)組電容，各相再分別調(diào)整分補(bǔ)組補(bǔ)償容量，使補(bǔ)償總量接近無功缺額；

(2)當(dāng)系統(tǒng)過補(bǔ)，各相按過補(bǔ)量分別切除分補(bǔ)組電容；若各相過補(bǔ)量均大于已投入的共補(bǔ)組容量時(shí)，切除共補(bǔ)組電容，各相再適當(dāng)切除分補(bǔ)組的補(bǔ)償電容，消除過補(bǔ)現(xiàn)象。

3 補(bǔ)償裝置的硬件構(gòu)成

3.1 微處理芯片的選擇

無功補(bǔ)償控制器芯片選用美國NXP公司的LPC1768單片機(jī)，它是32位單片機(jī)，采用了ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率最大可以達(dá)到100MHz，內(nèi)存高達(dá)512KB，通配八路200kHz轉(zhuǎn)換速率模擬采樣通道，性能能夠滿足無功補(bǔ)償控制器數(shù)據(jù)處理需求。電容投切開關(guān)選用價(jià)格相對較低的STM32F010C8，它是ST公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的低價(jià)位32位處理器，工作頻率最大可以達(dá)到72MHz，具備64KB程序存儲(chǔ)控件，20KB RAM，能夠滿足電容投切處理工作需求。

3.2 無功補(bǔ)償設(shè)備硬件框圖

4 控制軟件設(shè)計(jì)

4.1 無功補(bǔ)償控制方式流程圖

圖4 無功補(bǔ)償控制流程圖

無功補(bǔ)償控制器實(shí)時(shí)對電網(wǎng)三相電壓、電流、有功、無功等電參數(shù)進(jìn)行采樣計(jì)算，當(dāng)檢測到無功欠補(bǔ)時(shí)，從開關(guān)IO控制端發(fā)出投入電容器信號；當(dāng)無功過補(bǔ)時(shí)，則發(fā)出切除電容器信號。除了無功補(bǔ)償控制工作外，控制器還需要執(zhí)行與上位機(jī)數(shù)據(jù)互傳的通訊進(jìn)程，人機(jī)操作的顯示存儲(chǔ)進(jìn)程等。

4.2 電容器投切控制流程圖

電容器投切開關(guān)是整個(gè)無功補(bǔ)償裝置的執(zhí)行單元，投切開關(guān)性能的好壞影響到整個(gè)無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的全局性能，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須保證其可靠性。本設(shè)計(jì)中，電容器投切開關(guān)使用芯片內(nèi)部定時(shí)器實(shí)時(shí)捕獲電網(wǎng)電壓與電容器的電壓過零點(diǎn)，通過PID控制實(shí)時(shí)同步鎖相跟蹤信號過零時(shí)刻。當(dāng)同步誤差進(jìn)入實(shí)時(shí)過零脈沖范圍內(nèi)，且誤差在設(shè)定值允許范圍內(nèi)時(shí)，方接收由無功補(bǔ)償控制器通過開關(guān)IO控制端傳輸?shù)耐肚行盘枴Ｌ幚硇酒瑱z測到投切信號時(shí)，立即發(fā)出投切控制信號到功率執(zhí)行端，控制可控硅與功率繼電器進(jìn)行電容器投切時(shí)序操作，保證電容器能夠無浪涌沖擊、無電壓飛弧工作。

圖5 電容器投切控制流程圖

該補(bǔ)償裝置已在桂林供電局城南供電分局瓦飛機(jī)場線界頭新村1號公變低壓側(cè)掛網(wǎng)試運(yùn)行，該變壓器容量400kVA、負(fù)荷390kW，該補(bǔ)償裝置試運(yùn)行后，經(jīng)查詢計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)，未接入補(bǔ)償裝置時(shí)功率因數(shù)為0.821，接入后為0.997，功率因數(shù)提升明顯，經(jīng)投切試驗(yàn)：運(yùn)行后增減負(fù)荷，通訊正常，能自動(dòng)投切部分電容，末端電壓保持215V～227V之間，對線路末端低電壓改善明顯。

5 結(jié)語

(1)無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置具有補(bǔ)償速度快、補(bǔ)償效果好，能更好地保證電壓質(zhì)量、降低線損的特點(diǎn)。

(2)本文設(shè)計(jì)的低壓無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，能夠在1個(gè)周波內(nèi)完成電參數(shù)采樣、分析計(jì)算，發(fā)出控制指令，并能以小于1s的時(shí)間間隔帶負(fù)荷切投電容器，無需等待電容器放電，真正做到無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。補(bǔ)償裝置能在電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)值與電容器電壓相等的瞬間投入電容器，投切過程中無涌流、無飛弧。

(3)通過優(yōu)化組合電容器容量，采用混合補(bǔ)償?shù)耐肚心Ｊ剑^大地提高了補(bǔ)償精度，補(bǔ)償過程中開關(guān)動(dòng)作次數(shù)少，能有效延長控制開關(guān)的壽命。