靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的整體設(shè)計(jì)

摘要:文章介紹了無(wú)功補(bǔ)償控制器的主要功能以及基于雙CPU結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)總體組成,為實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)沖擊的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償,采用零電壓觸發(fā)投切方式,設(shè)計(jì)了晶閘管過(guò)零觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路,配合控制器投切指令,能有效地觸發(fā)晶閘管進(jìn)行電容器投切。

關(guān)鍵詞:無(wú)功補(bǔ)償控制器;整體設(shè)計(jì);電容器;觸發(fā)電路

中圖分類號(hào):TM761文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)20-0033-02

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)于提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和挖掘電網(wǎng)的潛力是十分必要的。其主要作用包括提高負(fù)載和系統(tǒng)的功率因數(shù)、減少設(shè)備容量和功率損耗,穩(wěn)定電壓,提高供電質(zhì)量,提高系統(tǒng)輸電穩(wěn)定性和輸電能力,平衡三相負(fù)載的功率等。因此,無(wú)功功率補(bǔ)償已成為保證電網(wǎng)高質(zhì)量運(yùn)行的重要手段之一,也是電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一個(gè)重大課題。因此在配電網(wǎng)改造中推廣無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)是一個(gè)值得關(guān)注的實(shí)際課題。

一、無(wú)功補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

隨著人們對(duì)配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重視和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展,無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)已在配電系統(tǒng)中普及。但是,在實(shí)踐過(guò)程中也暴露出一些問(wèn)題。

(一)補(bǔ)償方式問(wèn)題

目前很多部門(mén)無(wú)功補(bǔ)償?shù)某霭l(fā)點(diǎn)還放在用戶側(cè),即只注意補(bǔ)償用戶的功率因數(shù),而不是立足于降低電力網(wǎng)的損耗。要實(shí)現(xiàn)最有效的降損,必須通過(guò)計(jì)算無(wú)功潮流,確定各點(diǎn)的最優(yōu)補(bǔ)償量、補(bǔ)償方式,才能使有限的資金發(fā)揮最大的效益。

(二)諧波問(wèn)題

電容器具備一定的抗諧波能力,但諧波含量過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)電容器的壽命產(chǎn)生影響;并且由于電容器對(duì)諧波有放大作用,因而使系統(tǒng)的諧波干擾更嚴(yán)重。另外,動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償柜的控制環(huán)節(jié),容易受諧波干擾影響,造成控制失靈。因而在有較大諧波干擾,又需補(bǔ)償無(wú)功的地點(diǎn),應(yīng)考慮添加濾波裝置。

(三)無(wú)功倒送問(wèn)題

無(wú)功倒送是電力系統(tǒng)所不允許的,因?yàn)樗鼤?huì)增加線路和變壓器的損耗,加重線路負(fù)擔(dān)。一些無(wú)功補(bǔ)償裝置只選擇一相作采樣和無(wú)功分析,于是在三相負(fù)荷不對(duì)稱的情況下,就可能造成無(wú)功倒送。至于采用固定電容器補(bǔ)償方式的用戶,在負(fù)荷低谷時(shí),也可能造成無(wú)功倒送。無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)能根據(jù)系統(tǒng)的無(wú)功變化,及時(shí)地對(duì)其進(jìn)行調(diào)整,選擇合適的補(bǔ)償方式避免無(wú)功倒送。

(四)電容器的投切振蕩問(wèn)題

投切振蕩不僅會(huì)影響電容器及其投切機(jī)構(gòu)的壽命,同時(shí),對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成很大的影響,必須防止其發(fā)生。若無(wú)功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償控制策略不恰當(dāng)或者各級(jí)電容器容量配置不恰當(dāng)都容易引起投切振蕩。不斷完善補(bǔ)償控制策略,并根據(jù)具體情況配置合適的電容器組才能有效地解決投切振蕩問(wèn)題。

二、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與組成

本文設(shè)計(jì)的無(wú)功補(bǔ)償控制裝置采用雙CPU結(jié)構(gòu),應(yīng)用TI公司的數(shù)字處理器TMS320F2812作為主控CPU,用于數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、狀態(tài)判斷、控制決策確定、驅(qū)動(dòng)輸出和外部通信等主要功能。采用TI公司生產(chǎn)的AVR單片機(jī)ATMEGA64L作為監(jiān)控CPU負(fù)責(zé)人機(jī)接口控制部分,完成液晶顯示和鍵盤(pán)響應(yīng)功能。遵循各插件板功能劃分明確、強(qiáng)弱電系統(tǒng)分離的原則,兩CPU間相對(duì)獨(dú)立,減少了CPU間的數(shù)據(jù)交換量,有利于控制程序的實(shí)時(shí)執(zhí)行,提高了運(yùn)行的可靠性,同時(shí)使程序設(shè)計(jì)思路清晰,簡(jiǎn)明。控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示:

無(wú)功補(bǔ)償控制裝置集電網(wǎng)監(jiān)測(cè)與無(wú)功補(bǔ)償控制、電容器保護(hù)于一體,不但可以補(bǔ)償電網(wǎng)中的無(wú)功損耗,提高功率因數(shù),降低線損,從而提高電網(wǎng)的負(fù)載能力和供電質(zhì)量;同時(shí)還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的三相電壓、電流、功率因數(shù)、諧波等運(yùn)行數(shù)據(jù),完成對(duì)配電線路的監(jiān)測(cè)、分析處理等綜合管理。通過(guò)擴(kuò)展通信口,利用載波通信,光纖通道或者GPRS無(wú)線通信方式,與其他補(bǔ)償點(diǎn)裝置連成完備系統(tǒng),將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至后臺(tái)計(jì)算機(jī)中心,進(jìn)行綜合分析控制,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)控。為方便用戶從裝置中取出相關(guān)數(shù)據(jù),在裝置前面板上設(shè)計(jì)了USB接口,可外接USB存儲(chǔ)設(shè)備,下載需要的數(shù)據(jù),分析裝置控制行為和補(bǔ)償狀況。這種設(shè)計(jì)使人機(jī)界面更加友好,增強(qiáng)了裝置的可操作性,方便了用戶的使用。

三、無(wú)功補(bǔ)償控制裝置的功能

本文設(shè)計(jì)的無(wú)功補(bǔ)償控制裝置具有以下特點(diǎn):

1.投切機(jī)構(gòu)控制方式:晶閘管反并聯(lián)控制,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤、快速補(bǔ)償。

2.控制物理量:基于九域圖的模糊控制判斷方式,以電網(wǎng)電壓和無(wú)功功率綜合判斷,進(jìn)行分接頭調(diào)節(jié)和電容器投切。支持功率因數(shù)控制、無(wú)功電流控制、電壓控制、時(shí)間控制等單參數(shù)控制策略,可按需要選擇控制物理量。

3.補(bǔ)償方式:采用三相共補(bǔ)和分相補(bǔ)償相結(jié)合的混合補(bǔ)償方式,配備循環(huán)投切控制和二進(jìn)制編碼投切控制方式。

4.保護(hù)功能。(1)過(guò)壓保護(hù):電網(wǎng)電壓大于高壓保護(hù)值(1.0~1.2NU范圍可調(diào))時(shí),自動(dòng)快速切除全部電容器;欠壓保護(hù):電網(wǎng)電壓小于設(shè)定下限值(0.65～0.95NU范圍可調(diào))時(shí),自動(dòng)快速切除全部電容器;(2)缺相保護(hù):電網(wǎng)發(fā)生斷路缺相時(shí),自動(dòng)切除全部電容器;(3)失壓保護(hù):裝置斷電后控制開(kāi)關(guān)自動(dòng)切除電容,保證再通電時(shí)各電容器組處于分?jǐn)酄顟B(tài);(4)諧波保護(hù):電網(wǎng)諧波含量超過(guò)設(shè)定值時(shí),報(bào)警,自動(dòng)快速切除該相電容器;(5)短路保護(hù):檢測(cè)到電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí),自動(dòng)快速切除電容器并閉鎖系統(tǒng);(6)投切振蕩閉鎖報(bào)警保護(hù):控制器判斷出發(fā)生投切振蕩時(shí),系統(tǒng)報(bào)警,同時(shí)閉鎖投切。

5.電容器延時(shí)功能:靜態(tài)投切時(shí),電容器投切延時(shí)10～120s,可設(shè)定;動(dòng)態(tài)投切時(shí),0～30ms;可選投切狀態(tài)。

6.自檢復(fù)歸;每次接通電源后,裝置進(jìn)行自檢,并使輸出回路處于斷開(kāi)狀態(tài)重新判斷是否投電容器。

7.參數(shù)設(shè)置、調(diào)整:可設(shè)置投切電壓區(qū)間上下限數(shù)值、投切功率因數(shù)上下限數(shù)值、投切延時(shí)、電流互感器變比、投入門(mén)限無(wú)功電流值、切出門(mén)限無(wú)功電流值、諧波電壓和電流含量切出門(mén)限及控制參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)/手動(dòng)投切設(shè)置?？稍O(shè)置和修正本機(jī)時(shí)鐘、通信參數(shù)等。

8.運(yùn)行數(shù)據(jù)采集及傳送功能:實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、計(jì)算和顯示電網(wǎng)三相電壓、電流、有功、無(wú)功、功率因數(shù)、諧波含量等運(yùn)行數(shù)據(jù),通過(guò)擴(kuò)展通訊口,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信,遠(yuǎn)程傳送運(yùn)行數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路的監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析等綜合管理。

四、晶閘管過(guò)零觸發(fā)電路

本文采用雙向反并聯(lián)的晶閘管作為電容器的投切機(jī)構(gòu),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸器投切,并采用檢測(cè)晶閘管兩端電壓的零電壓觸發(fā)方式。為此,需要選擇具有過(guò)零觸發(fā)能力的芯片控制晶閘管的通斷。我們選用Motorola公司的過(guò)零觸發(fā)控制芯片MOC3083,它由鎵-砷紅外發(fā)射二極管結(jié)合過(guò)零電壓硅檢測(cè)器組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示:

當(dāng)1腳和2腳間電流超過(guò)5mA時(shí),內(nèi)部的紅外二極管將發(fā)出紅外射線,4腳和6腳分別接于觸發(fā)相電網(wǎng)電壓和電容端電壓,當(dāng)電網(wǎng)電壓和電容器電壓幅值相等、相位相同時(shí),過(guò)零芯片將在4腳和6腳產(chǎn)生5v左右的電壓,在兩個(gè)可控硅的觸發(fā)端產(chǎn)生一定的觸發(fā)電壓,在主回路的正向或負(fù)向電壓驅(qū)動(dòng)下,晶閘管導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)電壓過(guò)零導(dǎo)通。本設(shè)計(jì)中,晶閘管投切用的是IXYS公司的MCC56-16io8B雙晶閘管模塊,其門(mén)極最小觸發(fā)電壓為1.5v,門(mén)極觸發(fā)電流為100～200mA。為確保觸發(fā)信號(hào)滿足晶閘管開(kāi)通的電壓、電流要求,故將過(guò)零檢測(cè)電路的輸出電壓送至觸發(fā)電路,經(jīng)電壓調(diào)整后,將電壓過(guò)零時(shí)調(diào)整輸出的高電平經(jīng)非門(mén)后,送至由光隔和三極管組成的晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路,觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,加強(qiáng)觸發(fā)信號(hào)的可靠性。觸發(fā)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示,過(guò)零檢測(cè)電路外部接線圖如圖4所示:

電容器接入系統(tǒng)后,兩反并聯(lián)的晶閘管在交流電壓的作用下輪流導(dǎo)通以保證電容器的投入,任一時(shí)刻都有一個(gè)晶閘管承受正向電壓,另一個(gè)晶閘管承受反向電壓。晶閘管在承受正向電壓的正半周被觸發(fā)導(dǎo)通后,在負(fù)半周時(shí)由于承受反壓的作用,在電流過(guò)零點(diǎn)自動(dòng)關(guān)斷,而此時(shí)反并聯(lián)的另一個(gè)晶閘管承受的是正向電壓,觸發(fā)其導(dǎo)通,接替前一晶閘管承擔(dān)連接電容的工作。譯碼輸出的投入信號(hào)使過(guò)零檢測(cè)電路在電容器投入期間一直處于工作狀態(tài),在晶閘管兩端電壓的每個(gè)過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)晶閘管,使其順利導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后或承受反壓時(shí),觸發(fā)極信號(hào)不會(huì)影響晶閘管的正常工作,因此,在每個(gè)電壓過(guò)零點(diǎn)均觸發(fā)兩反并聯(lián)的晶閘管,對(duì)于從承受反向電壓向承受正壓過(guò)渡的晶閘管將自然導(dǎo)通,而另一晶閘管則不受觸發(fā)信號(hào)的影響,電流過(guò)零時(shí)自然關(guān)斷。這樣兩反并聯(lián)的晶閘管可用同一觸發(fā)信號(hào),簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。需要切除電容器時(shí),譯碼輸出的切除電容信號(hào)經(jīng)非門(mén)把MOC3803的2腳電位至高,這樣,過(guò)零檢測(cè)電路停止工作,停止向晶閘管發(fā)送觸發(fā)信號(hào),晶閘管在電流過(guò)零關(guān)斷后不再導(dǎo)通。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),用電燈負(fù)載代替電容器通過(guò)反并聯(lián)的晶閘管模塊MCC56-16io8B接至周期交流電源,通過(guò)觀察電燈的導(dǎo)通情況來(lái)判斷晶閘管的工作情況。實(shí)驗(yàn)中,電燈在晶閘管首次過(guò)零導(dǎo)通后一直保持導(dǎo)通狀態(tài),沒(méi)有出現(xiàn)斷流熄滅情況,由此證明反并聯(lián)的晶閘管組輪流導(dǎo)通工作正常。

由于MOC3083的耐壓水平為800V,隔離電壓水平為7500V,考慮晶閘管在關(guān)斷期間兩端承受電壓的最大值為電網(wǎng)交流線電壓的峰-峰值,因此若用在380V以上的電網(wǎng)進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)時(shí),需要用多個(gè)MOC3083串聯(lián)形式,以提高其耐壓水平,并用均壓電阻平均分配降落在每個(gè)器件上的電壓。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)電能質(zhì)量要求的提高,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的整體綜合無(wú)功優(yōu)化具有深遠(yuǎn)的意義。對(duì)配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行整體規(guī)劃,通過(guò)無(wú)功潮流計(jì)算,確定最優(yōu)補(bǔ)償點(diǎn)、補(bǔ)償容量和補(bǔ)償方式,實(shí)行整體綜合無(wú)功優(yōu)化。隨著電力載波技術(shù)在配電網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展,利用配電網(wǎng)自身網(wǎng)絡(luò)通道完善優(yōu)勢(shì),運(yùn)用載波通訊技術(shù),實(shí)現(xiàn)各無(wú)功補(bǔ)償控制裝置與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)整網(wǎng)的實(shí)時(shí)無(wú)功功率進(jìn)行綜合分析后,得出最優(yōu)控制策略并向各控制裝置終端發(fā)出控制指令,最終實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償整體優(yōu)化。

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作者簡(jiǎn)介:張維俊(1967-),男,吉林集安人,長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息學(xué)院講師,研究方向:電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、配電系統(tǒng)自動(dòng)化。