基于DSPDSPSP的低压无功补偿装置的研制

2013-06-08朱志杰司玲玲

江西电力 2013年2期

邹进，朱志杰，司玲玲

（1.江西省电力科学研究院，江西南昌 330096；2.江西省电力公司，江西南昌 330077；3.北京四方立德控制设备有限公司，北京 3300077）

0 引言

目前在我国，对于低压电网来说，一般都采用三相四线制配电方式，配电变压器为Y/yn0接线。由于大量的单相负载以及用电不同时性的原因，因此配电变压器的三相不平衡运行是不可避免的。目前在中、低压配电网中，广泛采用手动或自动投切的电容器组进行补偿。但是即使是最先进的晶闸管分相投切电容器组，也只能解决功率因数的补偿问题，而不能有效地平衡三相负荷。

三相电压或电流不对称会对电力系统中的发电、输电、配电设备及用电设备造成一系列的危害：增加了线路损耗；增加了配电变压器的有功损耗；降低了配电变压器出力；影响电动机输出功率，并使绕组温度升高；影响正常通信质量；对一些计量仪表的精度会产生影响。

本文针对低压0.4 kV侧三相负荷不平衡的情况，在文献[1]和[2]提出的低压三相不平衡无功补偿算法的基础上根据现场实际情况进行了改进，此算法运算量小，程序简单，可靠，并根据改进后的算法研制出了一种基于DSP的低压三相不平衡无功补偿装置。

1 三相不平衡无功补偿算法的研究

在进行对配电线路低压0.4 kV侧三相不平衡负荷进行无功补偿时，可以通过Y接线和△接线两种补偿方式的共同作用，对各相及各相间提供不同数量的无功，可以消除不对称负荷产生的负序和零序电流分量，使系统从母线侧看是对称的，且功率因数理论上可以提高到1。而且在实际操作中一般采用的是补偿电容，而不是电感，因为电感又重又大，成本很高，而且损耗也大，所以根据只补偿电容原则，文献[2]提出了如下算法：

设Pa，Pb，Pc，Qa，Qb，Qc，分别是系统的三相总的有功和无功是△接线部分的负荷功率,而则是Y接线部分的负荷功率。总的有功和无功都分别是Y接线部分负荷和△接线部分负荷所产生的有功和无功之和，但各自占多大比例却很难确定。在文献[2]中将负荷的情况看成是一种黑盒子，考虑到配电网三角形接线部分负载多以异步电动机等对称性负荷为主，所以可以假设：

然后通过一系列推导，得出如下公式：

在上述公式中PLa，PLb，PLc,QLa，QLb，QLc分别是各相负载消耗的总的有功和无功分别是三角形部分应投的电容量，而分别是星型部分应投电容量。根据只补偿电容原则，就必须使都大于零。

因此可以确定一个Qx的范围，在这个范围内任取一个Qx都能满足补偿后三相基本平衡的结果。

但是文献[1]提出的算法主要是针对没投电容前的原始纯负荷状态，因为在现场接入补偿装置的电流是从母线侧的电流CT引入的,当各相及相间没投电容的原始情况也即纯负载情况下,此时测得的即为纯负荷的电流。但如果已经投入了电容,这时测得的电流除了纯负荷电流外,还包括了已投电容所产生的一部分电流。所以这时候就要对原算法加以改进。

先以A相为例分析：A相电流

则A相总功率：

上式分为两部分：其中第一部分是纯负载部分的功率SLa，第二部分是纯补偿电容部分的功率SCa。我们要求的就是负载部分的功率SLa，这时就要把补偿部分的功率求出即可。星形接法的补偿部分我们可以直接从补偿电容的容量得出关键是求出三角形补偿部分的功率也即部分。（*表示共轭复数）

前面把A相总功率Sa分为负载部分SLa和补偿电容部分SCa，下面来推导SLa，，为已补偿的三角形接线部分电容量，为已补偿的星形接线部分的电容量。

可得：

选定一个Qx,使得上述式子都大于零，即可得应投的电容量。再把这些应投的电容量减去已投的电容量,即为在原来已投电容量的基础上所应该投切的电容量(下列值如为正即为在原来已投的基础上还需投入的量;如为负则为在原来已投的基础上还需切除的量)。

但有时我们会找不到这样一个满足条件的Qx区间,这时就要采用普通的无功投切算法：以功率因数为基础，无功功率避免投切振荡，电网电压上限值和负载电流下限值作为控制电容器组投切的约束条件，实现电容器组的智能综合控制。据功率因数整定值上限cosΦ1、下限cosΦ2，检测到的运行参数cosΦ，控制所需补偿的电容容量。电容器投入后只有当 cosΦ2

在确定有功功率和补偿前功率因数 cosΦ1和补偿后功率因数cosΦ2情况下：补偿容量：QC=P（tgΦ1-tgΦ2）

其中：

1）补偿前功率因数=当前运行的功率因数cosΦ；

2）补偿后功率因数=功率因数整定cosΦ1；

3）根据各个开出回路的电容器状态计算出各相可投入无功量等级；

4）比较所需补偿容量QC和投入无功量等级，将可投入的无功划分区间，根据QC所在的区间位置决定具体投切的电容器组合方式；

5）当有多组电容器组合满足条件时，选择功率因数较高的组合。

2 硬件结构设计

2.1 硬件核心

该装置的硬件以Motorola公司生产的DSP56F807芯片为核心。它具有丰富的I/O口和多种外围设备，同时具有60 k×16位的程序FLASH存储器、2 k×16位的程序RAM存储器、8 k×16位的数据FLASH存储器、4 k×16位的数据RAM存储器。它具有如下特点：

1）超高速的处理能力，在80 MHz时钟频率下可达到40兆条指令/秒的指令执行速度；

2）关键部分采用双哈佛结构，支持并行处理；3）支持15种不同的寻址方式；

4）单指令周期可以完成16位×16位的并行乘-加运算；

5）支持可由用户灵活定义的多级中断优先级；

6）具有3条内部地址总线、4条内部数据总线和各1条外部地址总线和数据总线；

7）高效的C编译器，支持局部变量；

8）JTAG/OnCE程序调试接口，允许在系统设计工程中随时进行调试，并可对软件进行实时调试等；

9）Motorola公司提供了一个Code warrior的集成开发环境,在此平台上采用C语言编程。

2.2 电子复合开关

2.2.1 电子复合开关简介

在采用新型无功补偿控制技术后，低压电容器组将增加大量投切开关。作为电容器投切过程的操作执行元件，其功耗大小、性能好坏对低压无功补偿装置的可靠性及功耗起了重要的作用。

就目前大量采用的开关元件而言大致可以分为晶闸管、交流接触器、电子复合开关和低涌流真空开关四类，我们采用的是电子复合开关。电子复合开关是晶闸管与交流接触器相结合的产物。它充分利用晶闸管投切时间控制准确的优势，在电容器组投切的瞬间以晶闸管开关为主，而在电容器投入运行期间则退出晶闸管开关，以交流接触器的触点通过电容负载电流。电子复合开关结构见图1所示。

图1 电子复合开关结构

2.2.2 电子复合开关的合闸和分闸的控制逻辑

合闸过程的控制逻辑：

1）需要投入某组电容器时，控制装置可在任一时刻同时对晶闸管和交流接触器发合闸令：晶闸管元件发门极正脉冲，交流接触器则是闭合其合闸线圈的回路。

由于晶闸管交流开关良好的可控性，触发回路自动在下一个电压过零点发门极正向电压保证在5μs内导通，在5 ms的时间内完成对电容器组合闸的暂态过程，因此经过20~30 ms后交流接触器触点闭合必将是一个平稳的合闸过程。

事实上，一旦交流接触器触点闭合，由于触点之间的内阻很小，并联晶闸管开关后：

①晶闸管所流过的电流ic几乎全部被触点分流；

②晶闸管的阳极在触点闭合后被短接，只有几十毫伏的电压，不具备阳极电压的导通条件。

此时，即使门极电压仍保持高电平，晶闸管也会在ic电流过零后全部截止。

2）为了可靠起见，在交流接触器触点闭合后，再延迟15~20 ms，停止晶闸管的门极正向电压，促使正反两个晶闸管都将进入完全的截止状态，退出运行。

经过二次合闸操作，电容器组在50~100 ms内进入正常运行工况。其中晶闸管的运行时间仅为30~50ms。

分闸过程的控制逻辑：

1）控制器根据切掉某电容器组的命令，在任意时刻下达该晶闸管交流开关的合闸命令，此时触发电路检测到的晶闸管阳极电压几乎为零（因为已被触点短接），将立即发门极正向电压。晶闸管开关不导通，但处于与触点并联准备导通的运行状态。

2）延迟5~10 ms后，控制器再发交流接触器的分闸令，随着触点的分断过程，晶闸管阳极电压上升，晶闸管交流开关立即导通，经过20~30 ms交流接触器触点完全分开，晶闸管交流开关也进入作为主开关的过渡运行期。

3）再延迟10 ms，控制器可在任意时刻停止门极正向电压，晶闸管开关将在下一个ic电流过零时刻全部关断电容器组的回路。

经过三次分闸操作，电容器组在50 ms内完成分闸。其中晶闸管交流开关的运行时间仅为10~15ms。

2.3 硬件结构

幅值较大的工频电流、电压信号经过交流插件（AC插件）变为幅值较小的交流信号，然后由DSP进行交流采样，并计算出各项电网参数，然后根据控制规律通过串口输出控制信号给执行机构。执行机构实际上是一块开出电路板,这块板上共有30个继电器,可控制30个单相交流接触器,另外还有24个光耦,可控制24个可控硅,完成电容器的投切。装置硬件结构见图2所示。

图2 装置硬件结构

3 主程序框图

上电后对系统进行初始化，初始化主要包括设置标志位和变量的初值，中断初始化，设置各接口芯片的初始化、电容器组投切状态指示灯的初始状态等。然后程序进入主循环:首先进行数据采集和处理，包括电压电流的采集和处理、计算有功、无功和功率因数;接着程序进入控制算法程序，控制算法程序首先根据计算出的功率因数或负序电流大小进行投切判断：当功率因数低于给定定值或者负序电流大于给定定值时启动不平衡电流补偿算法，如果能找到一个Qx的取值范围【Qxmin，Qxmax】后，把这个范围进行若干等份，先取最小的Qx，由CPU算出各相及相间应投的电容量，然后对各相进行投切电容。投切电容时按照各相电容容量大小，先投容量大的，再投容量小的，过补时不投。如果投切后满足平衡条件,则程序再次进入主循环,如果不满足平衡条件，则寻求下一个Qx，直到满足平衡条件为止；但如果找不到这样一个Qx就采取普通的无功补偿算法。主程序流程见图3。

图3 主程序流程

4 现场试验

4.1 低压无功补偿柜概述

最后成形的装置是一个低压无功控制柜，经过一个Δ/Yn降压变压器，把原边的380 V电压降为84 V的低压，84 V低压经过低压空气开关引入装置PT，作为装置的电压信号。而电流信号通过空开接入变比为50/5 A的电流互感器，然后引入装置内部CT，作为装置的电流信号。控制器本身的电源是经空开引入220 V交流市电。补偿柜共配有四组Y形电容器，四组△形电容器。为了能够实现分相补偿和三相平衡处理，实现单个电容器可以独立投切，分容量控制。其中星型分相部分的倒相开关采用的是单相交流接触器，而电子复合开关则用来接通或切除电容。

本装置使用LDS－522控制器作为主控核心，进行交流信号的采集及有功、无功运算，而后通过串口进行各个信号控制。

无功扩展控制器共有30个光耦输出信号，可控制30个可控硅(即晶闸管)输出；30个继电器输出信号，可控制30个单相交流接触器的输出。其中交流接触器为韩国凯思KACOM公司的KMC系列单相接触器，我们选用的规格是额定电流为30A的KMC－30S型以及50A的KMC－50S型单相交流接触器。

4.2 三相不平衡无功补偿试验

试验一：基本负荷为：三相各相星型部分各接了1.1 kW的灯泡电阻44 Ω，三角形部分接了42 Ω的纯电感。表1是补偿前后各项参数的对比:

从表1可以看出,补偿前三相的电流不平衡度虽然较小,但功率因数仍然很低,所以仍需补偿。经过补偿后三相电流也较补偿前降低了，而且三相功率因数也提高到将近1，不平衡度也满足要求。

表1 补偿前后对照表（试验一）

试验二：在基本负荷的基础上在A相上再并入一个可调电感,此时可调电感调到最大值。

从表2可以看出,在基本负荷的基础上再并入一个A相电感后，A相功率因数由原来的0.52降到了0.31。补偿前三相电流的不平衡度较大,而且功率因数也很低，经过补偿后三相电流也较补偿前降低了，而且三相功率因数也提高到0.90以上，不平衡度也大大降低了。

表2 补偿前后对照表（试验二）

试验三：在基本负荷的基础上在A相和B相上都各并入一可调电感,此时可调电感都调到最大值。

从表3可以看出,在试验二的负荷的基础上再并入一个B相电感后，B相功率因数由原来的0.53降到了0.36。补偿前三相的电流不平衡度较大,而且功率因数也很低，经过补偿后三相电流也较补偿前降低了，而且三相功率因数也提高到0.90以上，不平衡度也大大降低了。

表3 补偿前后对照表（试验三）

试验四：在试验三的基础上再并入一个A相可调电阻。

从表4可以看出,在试验三的负荷的基础上再并入一个A相电阻后，A相功率因数由原来的0.31升到了0.53。补偿前三相的电流不平衡度较大,而且功率因数也很低，经过补偿后三相电流也较补偿前降低了，而且三相功率因数也提高到0.90以上，不平衡度也大大降低了。

表4 补偿前后对照表（试验四）

试验五：在试验四的基础上突然切掉A相的可调电感，系统自动补偿。

从表5可以看出,在试验四负荷已经补偿而且基本平衡的基础上突然切除A相的可调电感后，A相功率因数由原来落后的0.90变成了超前的0.93。这说明A相已经过补了。这时控制器动态补偿电容，我们可以看到补偿后的A相的功率因数又变成了落后的0.91，而且三相的功率因数仍保持在0.90以上。补偿后的三相电流也较补偿前略有降低，不平衡度也保持在较低的水平，这说明动态补偿的效果还是令人满意的。