抑制電力電容投切消極影響的控制策略

海 濤, 時(shí) 雨, 陳永鑒, 李俊杰, 劉振語

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 南寧 530004)

0 引 言

電容投切是電力無功補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)重要環(huán)節(jié), 若不能合理控制電容投切時(shí)機(jī), 往往會(huì)在投切過程中產(chǎn)生高頻率、 大幅值沖擊電流, 由此可能產(chǎn)生電容器擊穿， 以及其他電力系統(tǒng)設(shè)備損毀等消極負(fù)面影響[1]。因此需確定電容最佳投切時(shí)機(jī)并利用有效策略進(jìn)行投切控制。

目前國內(nèi)對(duì)投切方面已有諸多研究, 為實(shí)現(xiàn)過零投切, 梁青等[2]針對(duì)電容投切設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的晶閘管開關(guān)模塊, 并進(jìn)行仿真驗(yàn)證; 張軍等[3]針對(duì)同步開關(guān)提出一種參數(shù)自動(dòng)調(diào)整方案, 以連續(xù)測(cè)5次動(dòng)作時(shí)間取平均值方法解決動(dòng)作時(shí)間離散性問題; 仲浩等[4]針對(duì)繼電器動(dòng)作不一致的問題, 利用反饋電流結(jié)合PID算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整; 王砼等[5]提出基于電壓零點(diǎn)閉環(huán)控制的自適應(yīng)過零同步控制; 韓宇澤等[6]提出一種基于模糊自適應(yīng)方法的過零控制測(cè)量方法。還有其他研究者對(duì)投切控制方法進(jìn)行大量探討, 但均未考慮電網(wǎng)頻率波動(dòng)對(duì)過零投切的影響。 針對(duì)投切開關(guān)動(dòng)作時(shí)間離散性的問題, 或過于簡單導(dǎo)致時(shí)間誤差較大, 或過于繁雜導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)不易。

針對(duì)以往研究的不足, 本文提出一種控制電容投切的策略, 加入對(duì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)周期的計(jì)算環(huán)節(jié)以預(yù)防電力波動(dòng)對(duì)投切的影響, 采用根據(jù)環(huán)境對(duì)投切開關(guān)動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)動(dòng)作時(shí)間預(yù)測(cè), 以期取得良好的投切控制效果, 實(shí)現(xiàn)無消極影響的過零精準(zhǔn)投切。

1 最佳投切點(diǎn)

1.1 最佳投入點(diǎn)

圖1 單相電容投入原理圖

假設(shè)在投切開關(guān)動(dòng)作時(shí), 電容器兩端的電壓為0, 則電容投入瞬時(shí)回路電流iC(t)為

(1)

據(jù)式(1), 當(dāng)φ∈[0, π/2]時(shí),φ越大, 電容器電流iC(t)越大; 當(dāng)φ∈[π/2, π]時(shí),φ越大, 電容器電流iC(t)越小; 故在電壓過零點(diǎn)投入電容, 沖擊電流最小, 電壓過零點(diǎn)為最佳投入點(diǎn)。

1.2 最佳切除點(diǎn)

在電容切除時(shí), 動(dòng)作開關(guān)接點(diǎn)會(huì)有電弧重燃的現(xiàn)象產(chǎn)生, 導(dǎo)致產(chǎn)生過電壓。而接點(diǎn)斷開時(shí)間點(diǎn)對(duì)過電壓大小有著較大影響。如圖2所示為單相電容切除原理圖[8], 其中CL為電抗器兩端的等效分布電容。

圖2 單相電容切除原理圖

假設(shè)動(dòng)作開關(guān)在t時(shí)刻分離完成, 且此時(shí)iC(t)=Imsinα,UC(t)=-Emcosα, 推導(dǎo)可得補(bǔ)償電路中的過電壓Ubem最大值為

(2)

據(jù)式(2)可知, 當(dāng)動(dòng)作開關(guān)觸點(diǎn)在α=0或者α=π分離, 過電壓最小, 即在電流過零時(shí)刻為最佳切除時(shí)機(jī)。

2 同步投切原理

同步開關(guān)技術(shù)中所采用的機(jī)械開關(guān)多為交流接觸器或者繼電器, 其中繼電器在低壓投切領(lǐng)域有較多應(yīng)用。由于機(jī)械開關(guān)需要一定的動(dòng)作時(shí)間來完成吸合及分離過程, 故為實(shí)現(xiàn)同步投切, 控制器除了要對(duì)電壓電流的相位進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)外, 還須根據(jù)繼電器的開斷動(dòng)作時(shí)間來確定提前發(fā)出控制指令的時(shí)間點(diǎn), 從而保證投切電容在過零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)可靠投切。

國內(nèi)電網(wǎng)工頻為50 Hz, 周期為20 ms, 投切時(shí)刻示意圖如圖3所示[9]。假設(shè)繼電器的閉合或關(guān)斷的動(dòng)作時(shí)間為ΔT, 若在t0時(shí)刻檢測(cè)到過零點(diǎn), 為保證投切電容在之后最近周期的過零點(diǎn)t1時(shí)刻準(zhǔn)確投入或切除, 應(yīng)在t0+20-ΔT時(shí)刻, 即t″時(shí)刻向繼電器發(fā)出動(dòng)作指令, 則經(jīng)過ΔT的動(dòng)作時(shí)間后, 可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電容的準(zhǔn)確投切。

圖3 投切時(shí)刻示意圖

通過過零檢測(cè)電路可檢測(cè)電力波形過零點(diǎn)。以電壓過零檢測(cè)為例, 本文采用如圖4所示電壓過零檢測(cè)電路[10], 利用Multisim 14.0對(duì)該電路進(jìn)行仿真測(cè)試, 得仿真圖像如圖5所示。通過該電路, 可根據(jù)電壓波形輸出同步信號(hào)。投切過程中, 利用單片機(jī)控制器檢測(cè)同步信號(hào)跳變沿, 即可計(jì)算過零時(shí)間, 準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電壓過零檢測(cè), 從而確定電壓過零點(diǎn)。

圖4 電壓過零檢測(cè)電路

圖5 電壓過零檢測(cè)仿真圖像

3 投切控制分析

現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中, 在硬件本身狀態(tài)及外部環(huán)境因素影響下, 電容投切無法在過零點(diǎn)精準(zhǔn)投切, 但通過尋求安全投切區(qū)間, 考慮電力系統(tǒng)頻率的波動(dòng)性, 分析選擇可靠的投切開關(guān), 尋求對(duì)投切開關(guān)動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法, 可最大限度抑制電容投切過程的不利影響, 保證投切的安全性。

3.1 仿真分析

通常認(rèn)為電容投切涌流在2.5倍以下是安全的, 且過零投切偏移角度不應(yīng)超過2.5°, 據(jù)此計(jì)算投切安全偏差時(shí)間值ΔTe應(yīng)低于0.28 ms, 其計(jì)算公式如下, 其中T為電網(wǎng)周期。

(3)

利用Matlab/Simulink, 根據(jù)圖1所示原理圖建立如圖6所示投切仿真模型[11], 模型中電源為220 V交流電源, 線路電阻設(shè)為0.2 Ω, 線路電感為1.5 mH, 補(bǔ)償電容值為330 μF。

圖6 暫態(tài)投切仿真模型

通過調(diào)節(jié)信號(hào)階躍時(shí)間來控制投切開關(guān), 在過零點(diǎn)安全投切偏差時(shí)間范圍內(nèi), 每隔0.02 ms進(jìn)行投切仿真, 根據(jù)仿真數(shù)據(jù)繪圖, 可得趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 安全偏差區(qū)間內(nèi)偏差與涌流關(guān)系趨勢(shì)

可知, 該仿真條件下, 過零點(diǎn)±0.28 ms區(qū)間內(nèi)為投切安全偏差范圍, 且偏差值越小, 涌流越小。若在過零點(diǎn)偏差值小于0.2 ms時(shí)完成投切, 投切涌流將低于2倍, 投切安全性將更為可靠。

3.2 實(shí)時(shí)周期計(jì)算方法

以往投切控制研究中, 少有考慮電網(wǎng)工頻波動(dòng)變化, 但在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中, 會(huì)受到如沖擊電荷等因素的影響, 導(dǎo)致電網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行情況下出現(xiàn)偏差。據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》(GB/T 15945—2008)規(guī)定, 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下的偏差限值為±0.2 Hz?？紤]在最壞情形下進(jìn)行投切, 則波動(dòng)時(shí)電力系統(tǒng)實(shí)際周期與理想電力系統(tǒng)工頻周期相差0.08 ms, 對(duì)實(shí)際投切存在不利影響。

故需在前述過零檢測(cè)的基礎(chǔ)上, 對(duì)電力運(yùn)行周期進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算, 并據(jù)此確定控制投切點(diǎn)。如圖8所示為實(shí)時(shí)周期計(jì)算示意圖。

圖8 實(shí)時(shí)周期計(jì)算示意圖

在tn時(shí)刻檢測(cè)到同步信號(hào), 待檢測(cè)到tn+1處同步信號(hào)時(shí)繼續(xù)等待, 檢測(cè)tn+2處同步信號(hào)后, 計(jì)算tn與tn+2處同步信號(hào)的時(shí)間差, 即可得到電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)周期(T)

(4)

根據(jù)實(shí)際電力系統(tǒng)周期, 同時(shí)考慮投切開關(guān)動(dòng)作時(shí)間、 控制電路延時(shí)等因素, 便可推算投切時(shí)序。

3.3 投切開關(guān)動(dòng)作時(shí)間預(yù)測(cè)方法

電容投切過程需要穩(wěn)定可靠的投切開關(guān)。投切開關(guān)多次動(dòng)作的時(shí)間離散性要小, 避免離散性過大導(dǎo)致實(shí)際投切點(diǎn)在投切安全偏差區(qū)間外, 增大安全隱患。通過測(cè)定開關(guān)動(dòng)作時(shí)間可確定開關(guān)是否符合投切要求, 并可利用事先所測(cè)定經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫, 確定正常條件下的平均動(dòng)作時(shí)間Tnorm及不同溫度下的補(bǔ)償時(shí)間ΔTx, 以求出實(shí)時(shí)溫度下的預(yù)測(cè)動(dòng)作時(shí)間Treal

Treal=Tnorm+ΔTx。

(5)

投切開關(guān)動(dòng)作時(shí)間測(cè)量原理如圖9所示[12]。單片機(jī)控制器在t1時(shí)刻發(fā)出控制命令到MCU_OUT輸入接口, 開關(guān)開始動(dòng)作, 動(dòng)作完成后MCU_IN輸出電平跳變, 記錄此時(shí)為t2, 計(jì)算二者時(shí)間差t2-t1, 即可得開關(guān)動(dòng)作時(shí)間。其中, 若測(cè)量吸合時(shí)間, MCU_IN處電平由高變低; 測(cè)量關(guān)斷時(shí)間, MCU_IN處電平由低變高。

圖9 動(dòng)作時(shí)間測(cè)量原理圖

以25 ℃條件下平均動(dòng)作時(shí)間Tavg-25作為正常條件下平均動(dòng)作時(shí)間Tnorm, 得其經(jīng)驗(yàn)吸合時(shí)間為Tnorm-on=Tavg-25, 經(jīng)驗(yàn)關(guān)斷時(shí)間為Tnorm-off=Tavgoff-25(25 ℃下平均關(guān)斷時(shí)間)。同時(shí)可求得各溫度x下吸合補(bǔ)償時(shí)間ΔTx-on

ΔTx-on=Tavgon-x-Tnorm-on,

(6)

分離補(bǔ)償時(shí)間ΔTx-off:

ΔTx-off=Tavgoff-x-Tnorm-off。

(7)

根據(jù)所得補(bǔ)償時(shí)間制作補(bǔ)償表, 利用線性插值即可對(duì)繼電器動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)接收到投切控制命令后, 控制器實(shí)時(shí)讀取所采集溫度參數(shù), 依據(jù)實(shí)時(shí)投切環(huán)境溫度參數(shù)x, 在補(bǔ)償表中找到與實(shí)時(shí)溫度相近的溫度參數(shù)x1與x2, 且滿足x1

(8)

根據(jù)正常條件下平均動(dòng)作時(shí)間, 即可得繼電器預(yù)測(cè)動(dòng)作時(shí)間。

3.4 總體控制策略

基于以上分析, 可確定總體控制策略, 投切時(shí)序圖如圖10所示。其中T為實(shí)時(shí)測(cè)算周期,Twait為過零點(diǎn)到控制命令發(fā)送前的延時(shí)時(shí)間,Tdelay為控制電路自身延時(shí)時(shí)間, 可取0.01 ms,Taction為式(5)所預(yù)測(cè)投切開關(guān)動(dòng)作時(shí)間。

圖10 電容投切時(shí)序圖

總體控制策略為: 在T0時(shí)刻之前產(chǎn)生投切需求, 則據(jù)同步過零點(diǎn)計(jì)算實(shí)時(shí)周期T, 計(jì)算方法如式(4), 得實(shí)時(shí)周期T后, 控制器讀取環(huán)境溫度數(shù)據(jù), 并根據(jù)溫度數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)繼電器動(dòng)作時(shí)間, 再計(jì)算等待延時(shí)時(shí)間Twait, 在下一過零點(diǎn)開始延時(shí), 等待延時(shí)到tcmd時(shí)刻發(fā)送投切命令, 經(jīng)電路延時(shí)及投切開關(guān)動(dòng)作時(shí)間延時(shí)后, 在下一過零點(diǎn)t時(shí)刻即可準(zhǔn)確投切。動(dòng)作時(shí)間為基準(zhǔn)動(dòng)作時(shí)間加上溫度補(bǔ)償時(shí)間, 即

Taction=Taction-25+ΔTx,

(9)

則可計(jì)算得投切點(diǎn)之前過零點(diǎn)開始的延時(shí)時(shí)間Twait為

(10)

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

以MGR-1 D4840繼電器為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試, 在-10～50 ℃環(huán)境下測(cè)試?yán)^電器吸合時(shí)間及分離時(shí)間, 并以25 ℃下所測(cè)平均時(shí)間作為正常條件下的平均動(dòng)作時(shí)間Tnorm。

25 ℃環(huán)境下所測(cè)吸合時(shí)間數(shù)據(jù)如圖11a所示, 分離時(shí)間如圖11b所示。根據(jù)圖11，可得吸合、 分離時(shí)間頻數(shù)分布圖(圖12)。

圖11 25 ℃環(huán)境下繼電器吸合(a)、 分離時(shí)間(b)

圖12 25 ℃環(huán)境下吸合(a)、 分離(b)時(shí)間分布

可見, 該型號(hào)繼電器在25 ℃下吸合時(shí)間集中于(8.41±0.12) ms, 分離時(shí)間集中于(5.32±0.1) ms,離散性較小, 符合本文安全精度要求, 對(duì)其他溫度下數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 亦符合安全精度要求。其補(bǔ)償時(shí)間曲線如圖13所示?？芍?， 補(bǔ)償時(shí)間隨著溫度升高逐漸減小。

圖13 補(bǔ)償時(shí)間曲線

在25 ℃環(huán)境下對(duì)電容進(jìn)行投切測(cè)試, 得投切波形如圖14所示。由圖14a可見控制信號(hào)變化到電容投入時(shí)間相差8.37 ms, 由圖14b可見控制信號(hào)變化到電容切除時(shí)間相差5.28 ms, 均在合理范圍內(nèi)。 補(bǔ)償電容在電壓過零點(diǎn)附近安全投入, 電流過零點(diǎn)附近安全切除, 誤差極小, 無明顯消極影響。故基于本文控制策略, 可明顯消除投切負(fù)面效應(yīng), 抑制消極影響, 實(shí)現(xiàn)安全可靠的投切過程。

圖14 電容投入(a)、 切除(b)波形

5 結(jié) 論

從投切實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知, 采用加入電力實(shí)時(shí)周期測(cè)量環(huán)節(jié)且據(jù)環(huán)境進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作時(shí)間補(bǔ)償?shù)目刂撇呗阅馨踩珜?shí)現(xiàn)電容投切, 控制策略行之有效, 可進(jìn)一步預(yù)防電力波動(dòng)對(duì)投切控制的影響。本論文策略不足之處在于只考慮了溫度環(huán)境對(duì)投切開關(guān)動(dòng)作時(shí)間的影響, 將來可更深入研究投切開關(guān)動(dòng)作機(jī)理, 加入額外的動(dòng)作時(shí)間干擾變量, 進(jìn)一步提高動(dòng)作時(shí)間預(yù)測(cè)精度以完善控制策略。