一种新型的无功自动补偿控制系统
2021-10-25孔庆香
孔庆香
(江苏江南电力有限公司,南京210028)
0 引言
随着科技的发展、人们生活水平的不断提高,电网中越来越多的电力电子元器件、电机等大功率、非线性负载投入使用,引起电网中的无功含量普遍增加,电能质量严重降低,从而对电网中无功补偿提出了更高的要求[1]。电网中非线性负荷的大量使用,通常目前普遍使用的无功自动补偿装置,存在无功电流检测和算法不精准造成补偿效果不佳,功率因数偏低,影响供电系统的电力能效,导致电能表计量的使用情况与实际的情况不符合[2],造成能源的巨大浪费,同时导致配变过载以及居民用户的低电压[3];过零比较器与运放模块之间不能实现高度匹配,过零比较器的相位以及运放模块的稳定性之间存在一定的误差[4],引起过零点不准确,电力电容器在投切过程中涌流的产生,造成供电系统电压的骤升或骤降,轻则影响其他电气设备的正常工作,重则会引起电气设备的烧毁或整个供电系统的误跳闸[5],产生严重的用电安全事故。
近年来芯片科技迅速发展和普遍应用,该无功自动补偿控制系统在电流、电压等数据的采集、实时数据的模数转换、各功能单元的判断、有效数据的瞬间计算及最终指令的发出等皆由对应的各类芯片在指定时间周期内按逻辑要求的时序完成,从而能很好的实现快速、精准、无污染的无功自动补偿。
该无功自动补偿控制系统如能应用到电网中,将发挥很大的社会效能和经济效能。比如将一台1 000 kVA变压器的功率因数从0.8提高到0.98,补偿前的实际容量为1 000×0.8=800 kW,补偿后的实际容量为1 000×0.98=980 kW,同样一台变压器,补偿后可以多承担180 kW,提高了变压器的利用率,减少了企业增容的投资。同样的设备投入,因系统中功率因数的提高,实际使用容量得到了大大提高[6]。
1 主要指标
1.1 控制系统的外部输入信号
(1)380 V、50 Hz三相四线电压(工作电源、相序检测采样)。
(2)总进线柜的三相5 A电流(无功电流的取样)。
(3)电容柜的三相5 A电流(补偿电流的取样、补偿电流的显示)。
(4)自封锁信号(主开关合闸之前,软件锁死控制器无法发出控制信号)。
(5)合闸信号按钮(给系统提供合闸信号)。
(6)分闸信号按钮(给系统提供分闸信号)。
1.2 控制系统的外部输出信号
(1)预充电触头(合闸信号给出后,第一个接通,控制30C在主开关合闸前给下端所有电容器预充电,延时2~3 s后断开)。
(2)主开关合闸触头(第二个接通,主开关合闸线圈得电,主开关合闸,延时1~2 s后断开)。
(3)主开分闸触头(第三个接通,为分闸准备条件)。
(4)若干常开、常闭辅助触头。
(5)12 V常开触头(给合闸指示灯使用)。
(6)12 V常闭触头(给电源指示灯使用)。
1.3 控制系统的性能参数
(1)补偿精度:功率因数0.98~0.99。
(2)时间精度:50 Hz电网,响应小于或等于4 ms,投切小于或等于20 ms。
(3)输入信号:门限尽可能低,精度有自调节功能,并可手动设置三相的倍率(3 000/1或5 000/1)。
(4)投切性能:过零点投切,无涌流、无电压冲击、不产生高次谐波。
(5)不对称性:三相分别取样,综合计算AB、BC、CA相间实际需要。
(6)相序适应:当相序不是正相序时,仍能自找正后正确工作。
(7)保护功能:①当超出或低于正常电压的上下限时,能发出报警并对未投入的电容禁止投入,已投入的在延时时间到后立即切除,在电压下降或上升到恢复到正常电压时,再正常投切,且过压值、延时值、恢复电压值均可设置;②能分别监控电压谐波和电流谐波,至少监控到25次谐波以上,在谐波含量超限时,控制器应能发出报警并对未投入的电容禁止投入,已投入的立即切除,等谐波降低到设定值以下时再恢复工作,且谐波含量超限可调;③利用特有的外设可对控制器实行人为封锁,封锁后,控制器的功能仅相当于仪表,只有显示和报警功能,手动、自动均无法运行,解封时,则手动、自动均正常运行,人为封锁功能一旦设定,掉电后不丢失。
2 功能框架
无功自动补偿控制系统的电气主要功能模块组成如图1所示。首先,电网总负载的电压、经变压器变比后总负载的电流和经变压器变比后无功补偿柜的电流输入至系统调理电路,经ADC数模转换电路得到其相关的瞬时值。
图1 系统电气功能框架
采样得到的数值经电流方向模块后依次传递给电压过零模块、相序判断模块、电压电流计算单元、电网谐波计算单元,进行相应的运算处理。根据运算得到的电网电压、电流值计算得到电网当前的无功功率,并根据当前设置的电压、电流变比,电容屏蔽等参数找到相应需要投切的电容组,将相应信息传入晶闸管驱动波形发生单元。晶闸管驱动波形发生单元根据获得的信息以及从相序判断模块、电压过零触发模块的信号来产生相应的晶闸管驱动波形,传至晶闸管驱动板。同时主控板上还兼有接触器作动控制单元,控制交流接触器组来实现系统的启作、停止动作序列;LED驱动单元,控制电气柜上的LED显示;按键输入检测单元,实时检测电气柜门上的按键输入,实现对系统启动、停止的操控;显示模块、485通讯模块,将相关信息在触摸屏上进行显示,并接收触摸屏上传来的设置参数。
3 主控模块软件
在系统正常得电情况下,硬件初始化,并使能中断、加载Flash中存储的相关设置参数后就开始循环工作。循环检测按钮的输入状态,等待启动命令。当接收到启动信号后开始执行启动动作序列,并检测相关标志位判断系统处于自动还是手动状态。如在手动状态下则继续等手动控制命令。如在自动模式下则循环进行如下操作:电网电压电流进行采样计算,计算电网总无功功率,查找需要投入的电容表,查看相应电容是否被屏蔽,如没有屏蔽则发出投入信号,如果屏蔽则重新检索电容表。主控模块软件功能框图如图2所示。
图2 主控模块软件功能框图
4 主控芯片选型
主控芯片采用DSP主控芯片,具体型号为TMS320F28335,DSP是数字信号处理器Digital Signal Pro⁃cessor的英文缩写,其是一种进行数字信号处理的微型处理器,主要应用于快速实现不同数字信号处理算法。如表1所示。TMS320F28335是TI公司推出的一款浮点型数字信号处理器,该芯片采用先进的哈佛总线,处理器主频可达150 MHz,外设接口电路丰富,含SCI总线、SPI总线、IIC总线、CACAN总线以及多串口缓冲接口等。其不仅具有数字信号快速处理能力,还具有强大的事件管理能力和嵌入式控制能力,各项资源参数满足控制需要。在系统设计中,使用的资源主要有:SCI串口3个,一个用于与触摸屏通信,一个用于与接线板连接,一个用于系统功能扩展;IO若干,用于功能状态指示,人机按键交互等[7-8]。
表1 TMS320F28335芯片资源表(部分)
5 控制系统测试
用此控制系统实际生产了一台补偿容量为675 kVar的无功自动补偿装置,此补偿装置投切元器件采用二极管和晶闸管双向反并联模块,每相分4个回路,共12个回路,每个相间电力电容器的按1:2:4:8的比例装配,容量分别为:第一级15 kVar、第二级30 kVar、第三级60 kVar、第四级120 kVar,在某配电房内实际运行,实测情况如下。
(1)补偿精度:投入后三相功率因数分别是A相0.996、B相0.998、C相0.992。
(2)时间精度:通过双踪示波器观测,50 Hz电网,投切脉冲为20 ms。
(3)投切性能:过零点误差小于或等于136 μs,过零点漂移可修正。
(4)不对称性:某时间点,AB间实际投入30 kVar、BC间实际投入30 kVar、CA间实际投入15 kVar。
(5)相序适应:故意颠倒电压采样回路相序,系统自找正后正确工作。
(6)电压保护:分别将过/欠压值、延时值、下/上限恢复电压值设置为440 V/350 V、30 s、420 V/365 V,用三相调压器把控制系统电压上调到440 V时,发出报警,系统自动封锁,并将电容器切除;下调到420 V时,系统自动解封,电容器可正常投入。继续下调到350 V时,发出报警,系统自动封锁,并将电容器切除;电压上调到365 V时,系统自动解封,电容器可正常投入。
(7)监控功能:可实测电压谐波和电流谐波,因无谐波源发生器,谐波含量超限无校验。系统人为封锁,手动、自动均无法运行,可正常显示回路电流、电压等参数。
6 结束语
本文对一种新型的无功自动补偿控制系统作了初步的探讨,简要论述了能自动检测、转换、计算、发出指令的控制系统的设计和测试过程,该控制系统实现了各功能单元协同配合,精准、无污染地完成最终指令,很好地解决了因无功电流检测和算法不合理造成的补偿精度不高和晶闸管在投切交流负载,开关过程中因过零点位置的漂移而产生的涌流问题,以及电网相序不正确时,控制系统能够通过软件判断自找正后正确的开展工作。设计基本达到要求,用此控制系统生产的无功自动补偿装置在实际运行中,检测出的各项性能指标数据符合给出的范围要求。