静止无功补偿装置的整体设计

摘要:文章介绍了无功补偿控制器的主要功能以及基于双CPU结构的系统总体组成,为实现快速、无冲击的动态无功补偿,采用零电压触发投切方式,设计了晶闸管过零触发驱动电路,配合控制器投切指令,能有效地触发晶闸管进行电容器投切。

关键词:无功补偿控制器;整体设计;电容器;触发电路

中图分类号:TM761文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0033-02

无功补偿技术对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的潜力是十分必要的。其主要作用包括提高负载和系统的功率因数、减少设备容量和功率损耗,稳定电压,提高供电质量,提高系统输电稳定性和输电能力,平衡三相负载的功率等。因此,无功功率补偿已成为保证电网高质量运行的重要手段之一,也是电力系统研究领域的一个重大课题。因此在配电网改造中推广无功补偿技术是一个值得关注的实际课题。

一、无功补偿关键技术问题

随着人们对配电系统网络建设的重视和无功补偿技术的发展,无功补偿技术已在配电系统中普及。但是,在实践过程中也暴露出一些问题。

(一)补偿方式问题

目前很多部门无功补偿的出发点还放在用户侧,即只注意补偿用户的功率因数,而不是立足于降低电力网的损耗。要实现最有效的降损,必须通过计算无功潮流,确定各点的最优补偿量、补偿方式,才能使有限的资金发挥最大的效益。

(二)谐波问题

电容器具备一定的抗谐波能力,但谐波含量过大时会对电容器的寿命产生影响;并且由于电容器对谐波有放大作用,因而使系统的谐波干扰更严重。另外,动态无功补偿柜的控制环节,容易受谐波干扰影响,造成控制失灵。因而在有较大谐波干扰,又需补偿无功的地点,应考虑添加滤波装置。

(三)无功倒送问题

无功倒送是电力系统所不允许的,因为它会增加线路和变压器的损耗,加重线路负担。一些无功补偿装置只选择一相作采样和无功分析,于是在三相负荷不对称的情况下,就可能造成无功倒送。至于采用固定电容器补偿方式的用户,在负荷低谷时,也可能造成无功倒送。无功补偿装置应能根据系统的无功变化,及时地对其进行调整,选择合适的补偿方式避免无功倒送。

(四)电容器的投切振荡问题

投切振荡不仅会影响电容器及其投切机构的寿命,同时,对系统稳定性造成很大的影响,必须防止其发生。若无功补偿装置的补偿控制策略不恰当或者各级电容器容量配置不恰当都容易引起投切振荡。不断完善补偿控制策略,并根据具体情况配置合适的电容器组才能有效地解决投切振荡问题。

二、系统总体结构与组成

本文设计的无功补偿控制装置采用双CPU结构,应用TI公司的数字处理器TMS320F2812作为主控CPU,用于数据采集、计算、历史数据存储、状态判断、控制决策确定、驱动输出和外部通信等主要功能。采用TI公司生产的AVR单片机ATMEGA64L作为监控CPU负责人机接口控制部分,完成液晶显示和键盘响应功能。遵循各插件板功能划分明确、强弱电系统分离的原则,两CPU间相对独立,减少了CPU间的数据交换量,有利于控制程序的实时执行,提高了运行的可靠性,同时使程序设计思路清晰,简明。控制器硬件结构如图1所示:

无功补偿控制装置集电网监测与无功补偿控制、电容器保护于一体,不但可以补偿电网中的无功损耗,提高功率因数,降低线损,从而提高电网的负载能力和供电质量;同时还能够实时监测电网的三相电压、电流、功率因数、谐波等运行数据,完成对配电线路的监测、分析处理等综合管理。通过扩展通信口,利用载波通信,光纤通道或者GPRS无线通信方式,与其他补偿点装置连成完备系统,将监控数据上传至后台计算机中心,进行综合分析控制,实现配电网无功补偿系统的最优调控。为方便用户从装置中取出相关数据,在装置前面板上设计了USB接口,可外接USB存储设备,下载需要的数据,分析装置控制行为和补偿状况。这种设计使人机界面更加友好,增强了装置的可操作性,方便了用户的使用。

三、无功补偿控制装置的功能

本文设计的无功补偿控制装置具有以下特点:

1.投切机构控制方式:晶闸管反并联控制,实现动态跟踪、快速补偿。

2.控制物理量:基于九域图的模糊控制判断方式,以电网电压和无功功率综合判断,进行分接头调节和电容器投切。支持功率因数控制、无功电流控制、电压控制、时间控制等单参数控制策略,可按需要选择控制物理量。

3.补偿方式:采用三相共补和分相补偿相结合的混合补偿方式,配备循环投切控制和二进制编码投切控制方式。

4.保护功能。(1)过压保护:电网电压大于高压保护值(1.0~1.2NU范围可调)时,自动快速切除全部电容器;欠压保护:电网电压小于设定下限值(0.65～0.95NU范围可调)时,自动快速切除全部电容器;(2)缺相保护:电网发生断路缺相时,自动切除全部电容器;(3)失压保护:装置断电后控制开关自动切除电容,保证再通电时各电容器组处于分断状态;(4)谐波保护:电网谐波含量超过设定值时,报警,自动快速切除该相电容器;(5)短路保护:检测到电网发生短路故障时,自动快速切除电容器并闭锁系统;(6)投切振荡闭锁报警保护:控制器判断出发生投切振荡时,系统报警,同时闭锁投切。

5.电容器延时功能:静态投切时,电容器投切延时10～120s,可设定;动态投切时,0～30ms;可选投切状态。

6.自检复归;每次接通电源后,装置进行自检,并使输出回路处于断开状态重新判断是否投电容器。

7.参数设置、调整:可设置投切电压区间上下限数值、投切功率因数上下限数值、投切延时、电流互感器变比、投入门限无功电流值、切出门限无功电流值、谐波电压和电流含量切出门限及控制参数设置、自动/手动投切设置。可设置和修正本机时钟、通信参数等。

8.运行数据采集及传送功能:实时监测、计算和显示电网三相电压、电流、有功、无功、功率因数、谐波含量等运行数据,通过扩展通讯口,可实现远程通信,远程传送运行数据,实现对配电线路的监测、统计分析等综合管理。

四、晶闸管过零触发电路

本文采用双向反并联的晶闸管作为电容器的投切机构,代替传统的接触器投切,并采用检测晶闸管两端电压的零电压触发方式。为此,需要选择具有过零触发能力的芯片控制晶闸管的通断。我们选用Motorola公司的过零触发控制芯片MOC3083,它由镓-砷红外发射二极管结合过零电压硅检测器组成。其内部结构如图2所示:

当1脚和2脚间电流超过5mA时,内部的红外二极管将发出红外射线,4脚和6脚分别接于触发相电网电压和电容端电压,当电网电压和电容器电压幅值相等、相位相同时,过零芯片将在4脚和6脚产生5v左右的电压,在两个可控硅的触发端产生一定的触发电压,在主回路的正向或负向电压驱动下,晶闸管导通,实现电压过零导通。本设计中,晶闸管投切用的是IXYS公司的MCC56-16io8B双晶闸管模块,其门极最小触发电压为1.5v,门极触发电流为100～200mA。为确保触发信号满足晶闸管开通的电压、电流要求,故将过零检测电路的输出电压送至触发电路,经电压调整后,将电压过零时调整输出的高电平经非门后,送至由光隔和三极管组成的晶闸管触发驱动电路,触发晶闸管导通,加强触发信号的可靠性。触发信号的驱动电路如图3所示,过零检测电路外部接线图如图4所示:

电容器接入系统后,两反并联的晶闸管在交流电压的作用下轮流导通以保证电容器的投入,任一时刻都有一个晶闸管承受正向电压,另一个晶闸管承受反向电压。晶闸管在承受正向电压的正半周被触发导通后,在负半周时由于承受反压的作用,在电流过零点自动关断,而此时反并联的另一个晶闸管承受的是正向电压,触发其导通,接替前一晶闸管承担连接电容的工作。译码输出的投入信号使过零检测电路在电容器投入期间一直处于工作状态,在晶闸管两端电压的每个过零点触发晶闸管,使其顺利导通。晶闸管导通后或承受反压时,触发极信号不会影响晶闸管的正常工作,因此,在每个电压过零点均触发两反并联的晶闸管,对于从承受反向电压向承受正压过渡的晶闸管将自然导通,而另一晶闸管则不受触发信号的影响,电流过零时自然关断。这样两反并联的晶闸管可用同一触发信号,简化了设计。需要切除电容器时,译码输出的切除电容信号经非门把MOC3803的2脚电位至高,这样,过零检测电路停止工作,停止向晶闸管发送触发信号,晶闸管在电流过零关断后不再导通。

在设计过程中,对触发驱动电路进行了实验,用电灯负载代替电容器通过反并联的晶闸管模块MCC56-16io8B接至周期交流电源,通过观察电灯的导通情况来判断晶闸管的工作情况。实验中,电灯在晶闸管首次过零导通后一直保持导通状态,没有出现断流熄灭情况,由此证明反并联的晶闸管组轮流导通工作正常。

由于MOC3083的耐压水平为800V,隔离电压水平为7500V,考虑晶闸管在关断期间两端承受电压的最大值为电网交流线电压的峰-峰值,因此若用在380V以上的电网进行过零检测时,需要用多个MOC3083串联形式,以提高其耐压水平,并用均压电阻平均分配降落在每个器件上的电压。

五、结语

随着人们对电能质量要求的提高,实现配电网的整体综合无功优化具有深远的意义。对配电网无功补偿进行整体规划,通过无功潮流计算,确定最优补偿点、补偿容量和补偿方式,实行整体综合无功优化。随着电力载波技术在配电网的应用和发展,利用配电网自身网络通道完善优势,运用载波通讯技术,实现各无功补偿控制装置与远程计算机系统的通信,计算机系统通过对整网的实时无功功率进行综合分析后,得出最优控制策略并向各控制装置终端发出控制指令,最终实现配电网无功补偿整体优化。

参考文献

[1]王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]苑舜,韩水.配电网无功优化及无功补偿装置[M].北京:中国电力出版社,2003.

[3]靳龙章,丁毓山.电网无功补偿实用技术[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

作者简介:张维俊(1967-),男,吉林集安人,长春工程学院电气与信息学院讲师,研究方向:电力系统及其自动化、配电系统自动化。