智能低壓無功動態補償裝置設計

(廣西電網有限責任公司桂林供電局,廣西 桂林 541002)

1 引言

隨著越來越多的工業用電設備接入電網，造成了供電母線功率因數低下，線損大幅度增加，電壓合格率降低，嚴重影響了電能質量[1-2]。為改善上述狀況，必須進行無功功率補償。在低壓配電網絡，廣泛采用投切電容器的方式進行無功補償，并取得一定的成效[3-7]。但傳統的低壓無功補償裝置因考慮電容器的放電時間，電容器的投切間隔較長，降低了補償效果。為此，需針對上述不足，研究新型的無功動態補償方案以滿足電力系統的需求。

2 無功動態補償裝置的功能要求及實現

2.1 響應速度

低壓無功補償裝置是通過控制電力電容器的投/切來進行無功補償。投切響應時間越短，越能有效地降低線損、提升線路電壓。低壓無功補償裝置通常分為靜態和動態兩大類。國家標準GB/T15576-2008《低壓成套無功功率補償裝置》中規定：動態響應時間是指從系統的無功變化達到設定值時刻起到裝置輸出無功時的時間間隔。根據國標定義，要達到動態補償的指標，運行中“重復投入電容器的時間間隔”應不大于1秒?？紤]到運行中的電容器被切除后存在放電過程，若要求電容器切除后能快速投入，為避免涌流，就要保證在電容器電壓為任何值時均能投入，而不能象靜態補償裝置那樣，等到電容器放電完畢、電網電壓過零時才能投入。本文設計的過零投切電路用以檢測電網電壓瞬時值與電容器電壓之差值，當其為零時投入電容器。具體電路如圖1所示。

工作原理：

初始上電時候，電容C1、C2均沒有儲能電壓。當A相電壓高于A相電容器電壓時，電壓流經C1、D1、R1，此時C1進行儲能，儲能電壓由D3穩壓管決定。A相電壓低于A相電容器電壓時，三極管Q1導通，C1儲能電壓經過Q1、R5進行放電，光耦導通，光耦輸出過零信號。同時，A相電容器電壓流經C2、D2、R2，C2進行儲能，在A相電壓高于A相電容器電壓時，三極管Q2導通，如此循環反復。信號輸出端接至電容器投切開關芯片，以檢測并控制電容器精確過零投入或切除。對上述電路使用proteus軟件進行實時仿真，得到的電壓波形如圖2所示，其中尖波曲線為輸出信號。

圖1 電容器投切信號發生電路

圖2 投切信號電路輸出

2.2 補償精度

補償裝置中，每一相均裝設數個電容器，可根據負荷無功欠缺量的多寡適量投入。電容器數量越多，補償精度越高，但卻伴隨著控制模式復雜，控制時間偏長，裝置造價高等不足；控制電容器容量組合恰當與否，也將直接影響補償精度，同樣不能等閑視之。

2.2.1 電容器容量組合

本文的電容器容量組合方式為：

(1)補償電容器分成兩組——優先分補組和基礎共補組。前者可分相、分組投切，應對各相無功負荷的不平衡；后者為三相同時投切，以滿足各相日常最起碼的無功功率。共補組電容按Δ接法接于線電壓，對于相同的補償容量，其電容量僅為分補組電容量的1/3。

(2)電容器容量按(1:2:4)(分補)+4n(共補)的組合方式配備，即優先分補組設3組，可分7級投切，基礎共補組設n組，每組容量為4，可分n級投切。

電容器容量確定方法如下：

①設每相所需的補償總容量為QΣ，編碼組合的權重之和為(1+2+4+4n)，則最小補償容量Qmin可由下式算出:

(1)

②由下式求出所需最小電容器容量:

(2)

③按1:2:4:4n的比例確定其它電容器的容量(需注意共補組與分補組的電容量關系)。

按上述方法確定的電容器組合，其無功補償的最大偏差為±Qmin/2，補償精度較高。例如，當n=2時，最小補償容量Qmin為QΣ的1/15，補償偏差小于±3.5%。隨著n值增加，補償精度將更高。

2.2.2 投切模式

本文采用混合補償模式投切補償電容器：

(1)各相根據無功缺額分別投入分補組電容；當各相無功缺額均大于共補組的補償容量時，投入共補組電容，各相再分別調整分補組補償容量，使補償總量接近無功缺額；

(2)當系統過補，各相按過補量分別切除分補組電容；若各相過補量均大于已投入的共補組容量時，切除共補組電容，各相再適當切除分補組的補償電容，消除過補現象。

3 補償裝置的硬件構成

3.1 微處理芯片的選擇

無功補償控制器芯片選用美國NXP公司的LPC1768單片機，它是32位單片機，采用了ARM Cortex-M3內核，工作頻率最大可以達到100MHz，內存高達512KB，通配八路200kHz轉換速率模擬采樣通道，性能能夠滿足無功補償控制器數據處理需求。電容投切開關選用價格相對較低的STM32F010C8，它是ST公司推出的基于Cortex-M3內核的低價位32位處理器，工作頻率最大可以達到72MHz，具備64KB程序存儲控件，20KB RAM，能夠滿足電容投切處理工作需求。

3.2 無功補償設備硬件框圖

4 控制軟件設計

4.1 無功補償控制方式流程圖

圖4 無功補償控制流程圖

無功補償控制器實時對電網三相電壓、電流、有功、無功等電參數進行采樣計算，當檢測到無功欠補時，從開關IO控制端發出投入電容器信號；當無功過補時，則發出切除電容器信號。除了無功補償控制工作外，控制器還需要執行與上位機數據互傳的通訊進程，人機操作的顯示存儲進程等。

4.2 電容器投切控制流程圖

電容器投切開關是整個無功補償裝置的執行單元，投切開關性能的好壞影響到整個無功動態補償裝置的全局性能，因此設計時必須保證其可靠性。本設計中，電容器投切開關使用芯片內部定時器實時捕獲電網電壓與電容器的電壓過零點，通過PID控制實時同步鎖相跟蹤信號過零時刻。當同步誤差進入實時過零脈沖范圍內，且誤差在設定值允許范圍內時，方接收由無功補償控制器通過開關IO控制端傳輸的投切信號。處理芯片檢測到投切信號時，立即發出投切控制信號到功率執行端，控制可控硅與功率繼電器進行電容器投切時序操作，保證電容器能夠無浪涌沖擊、無電壓飛弧工作。

圖5 電容器投切控制流程圖

該補償裝置已在桂林供電局城南供電分局瓦飛機場線界頭新村1號公變低壓側掛網試運行，該變壓器容量400kVA、負荷390kW，該補償裝置試運行后，經查詢計量自動化系統，未接入補償裝置時功率因數為0.821，接入后為0.997，功率因數提升明顯，經投切試驗：運行后增減負荷，通訊正常，能自動投切部分電容，末端電壓保持215V～227V之間，對線路末端低電壓改善明顯。

5 結語

(1)無功功率動態補償裝置具有補償速度快、補償效果好，能更好地保證電壓質量、降低線損的特點。

(2)本文設計的低壓無功動態補償裝置，能夠在1個周波內完成電參數采樣、分析計算，發出控制指令，并能以小于1s的時間間隔帶負荷切投電容器，無需等待電容器放電，真正做到無功功率的動態補償。補償裝置能在電網電壓的瞬時值與電容器電壓相等的瞬間投入電容器，投切過程中無涌流、無飛弧。

(3)通過優化組合電容器容量，采用混合補償的投切模式，較大地提高了補償精度，補償過程中開關動作次數少，能有效延長控制開關的壽命。