| 微机控制的晶闸管开关型低压配电网基波无功分相补偿 |
| 更新时间：2014-10-08 发布：www.1024sj.com |
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摘要 提出了知足分相、分级、快速抵偿要求的实用主电路，能有用地限制合闸涌流，抑制高次谐波。给出了以工业PC机为焦点的控制器的硬件电路、快速检测无功的方式、晶闸管触发旌旗灯号的控制要求,和抵偿装配的闭锁条件，解决了控制器应知足实时检测、快速响应和高靠得住性等现实问题。具体说了然这类新型抵偿装配的主电路、消除合闸时暂态进程的理论和方式，给出了实验成效。成效讲明,这类装配在理论上是准确的，实践上是可行的，已用于研制的抵偿装配。文中所提的方式原则上可用于高电压品级中的抵偿。
要害词 无功抵偿 电容器 晶闸管 工业计较机
今朝，低压并联电容器组年夜多采用三角形接法［1］，无功抵偿均为静态抵偿，以交流接触器作电力电容器的投切执行元件，投进时冲击电流年夜，切除时会发生过电压，自身触头易损甚至熔焊，噪声年夜，而且投切时间长。在控制环节上基本不能知足分相、分级、快速及跟踪抵偿的要求。
基于上述问题，低压配电网应采用动态抵偿。动态抵偿是以晶闸管作为执行元件，用工业PC机进行控制，经由过程跟踪检测负荷的无功电流或无功功率，对多级电容器组进行分相投切。抵偿效果快速、准确、平安、洁净及易于控制。此外，还可以对不服衡的无功功率进行完全抵偿，这是以往的抵偿装配难以胜任的。
1 主电路
主电路设计除知足分相、分级和快速抵偿要求外，还应斟酌限制并联电容器组的合闸涌流和抑制高次谐波等问题。
三相电力电容器接成星形以知足分相抵偿的要求，使电源变压器输出的有功功率年夜。本装配的优点是不单可以抵偿正序性质的无功功率，而且可以抵偿零序回路的无功功率。假设抵偿电容器为三相对称三角形接法，而电源变压器所接的三相负载又不合错误称，当抵偿后三相总功率因数等于1时，就会泛起有的相欠抵偿，有的相过抵偿。欠抵偿时，受电端电压低于送电端电压；过抵偿时，受电端电压高于送电端电压。斟酌到线路电压损失，一般送电端电压要高于额定电压5～10。在过抵偿的情况下，再加上电压升高，则受电端电压跨越额定电压的数值就远远年夜于10。假设电容器并联于变压器的二次侧，变压器的阻抗也要计进线路的阻抗，因而受电端电压将升高得更多。运行电压的升高，对电力电容器及整个系统的平安运行会发生极晦气的影响。另外,三相不合错误称负载采用三相对称三角形接法的电力电容器组进行抵偿，则变压器的容量得不到充实哄骗。星形联接电容器组的每相电容器按二进制1∶2∶4∶8关系分四组进行抵偿，以提高静态抵偿精度。分歧组的电容器容量分歧，晶闸管的额定电流也分歧。主电路如图1所示，图中每相只画出其中的两组。
图1 主电路图
Fig.1 Themaincircuit
晶闸管作为无触点开关，能快速通断，不存在电弧及噪声等现象，平安靠得住，使用寿命长。假设导通角选择合适，则电容器投进时不会发生冲击电流（合闸涌流），电容量分级抵偿可以一步到位。采用晶闸管开关，电容器无需放电即可重投，动态响应时间在1个周期（20ms）之内，能实现快速、准确地跟踪抵偿，从而提高电网的供电质量。
在事故状态下和晶闸管误触发时，并联电容器组合闸，将会发生幅值很年夜、多种频率的合闸涌流。当电源电压波形发生畸变时，由于谐波频率高，电容器的阻抗减小，经由过程电容器的电流会加年夜；另外，电容器组在存在谐波的电网中，可能会碰着谐振，使电容器组中电流增年夜几倍到十几倍。为了限制并联电容器组中的合闸涌流，抑制高次谐波，主电路中应加装串联电抗器。为了抑制3次以上的高次谐波，串联电抗器电抗值选择为电容器组容抗值的13，即XL＝0.13XC。电流过年夜时，带铁芯的电抗器铁芯会饱和，影响限流效果。是以，串联电抗器应选择空芯电抗器，且安装安插在电容器组的电源侧，即母线侧。
凡是我国低压采用三相四线制TN-C系统供电。其特点是工作中性线N与庇护接地线PE合为一根PEN线，所有装备的外裸可导电部门均与PEN线相连。当三相负荷不服衡时，PEN线上有电畅通流畅过。分相抵偿时电容器频仍投切引发的三相不服衡合闸涌流，可以使PEN线过负荷发烧，引发零电位漂移，危及人身平安，影响用电装备的正常工作。例如，影响计较机系统的正常工作等。所以，除串联电抗器之外，还应尽量下降星形接法电容器中性点的接地电阻，以保证由三相不服衡合闸涌流引发的零电位漂移较小
［2］。
主电路中还需斟酌电力电容器和晶闸管的庇护。
2 控制器
控制器的设计应斟酌检丈量的检测方式简单、快速，以知足跟踪抵偿的要求；同时还应斟酌晶闸管的靠得住触发、抗干扰和装配闭锁等问题，以提高装配的靠得住性。
2.1 硬件电路图
电容器组的投切控制是由工业PC机、I/O模块（包括数据收集模块A/D板、光电隔离数字量输进模块IDI板、光电隔离数字量输出模块IDO板、串行通讯模块)、取样电路和晶闸管触发电路组成的工业控制系统。由于控制器采用了工业PC机,软硬件丰硕，通讯功能强，电磁兼容性好，提高了无功抵偿装配的靠得住性，缩短了研制的周期，并可实现与其他自动控制系统联网，使无功抵偿系统化控制。
电压、电流取样电路与I/O模块的联接见图2。触发电路与主电路及I/O模块的联接见图3。
图2 电压、电流取样电路与I/O模块的联接图
Fig.2 Theconnectionbetweensamplingcircuit
ofvoltage,currentandI/Omodules
图3 触发电路与主电路及I/O模块的联接图
Fig.3 Theconnectionoftriggercircuit,
maincircuitandI/Omodules
2.2 无功电流检测
无功电流实时检测电路由有源电压隔离传感器、电流隔离传感器、单限比力器、采样连结器
组成。有源电压、电流隔离传感器将母线电压及线路电流经隔离后转换成有用值为3.5V的电压旌旗灯号。单限比力器将正弦波电压的正半周变换为高电平（5V），正弦波电压的负半周变换为低电平（0V）的脉冲数字旌旗灯号。在相电压由正到负的过零瞬间，相电流的瞬时值恰好就是相无功电流的年夜值，将相电压由正到负的过零旌旗灯号（单限比力器的输出旌旗灯号）作为采样连结器的采样开关，相电流经i－u转换后接到采样连结器的输进端，采样连结器的输出旌旗灯号就是对应的无功电流的年夜值。设单相负载的无功功率为QL，则
QL＝UpIpsinφ＝UpIQ (1)
式中Up和Ip划分为负载的相电压和相电流的无功份量。
设并联电容器组的无功功率为QC，则
QC＝UpIC (2)
式中IC为单相电容器组的相电流。
由于负载和电容器组的工作电压不异，所以IQ代表了负载的感性无功功率，也代表了完全抵偿时电容的容性无功功率。
这类检测方式的优点是简单、快速，每相在一个周期内只需做1次采样，可知足基波动态分相抵偿快速丈量的要求。控制器采用闭环控制方式，检测点设置在主变与电容柜之间，控制器检测抵偿后的无功功率ΔQ，由ΔQ求得负载的全数无功功率QL，即完全抵偿时所需投进的全数电容的无功功率。这类控制方式可以在每一个检测周期后，一次投进应投进的全数电容量，提高了静态抵偿的精度［3］。
2.3 晶闸管触发控制
晶闸管触发控制板采用KCZ2单相触发板。触发板输出的脉冲序列经脉冲变压器送到晶闸管的控制端，板内含有内部过电流庇护和外部故障庇护输进端口（低电平有用），庇护动作后，封锁脉冲以保证系统平安。用工业PC机IDO板的某一位来控制触发板的脉冲封锁端。当IDO板的某一位输出为低电日常平凡，无触发脉冲输出，晶闸管关断；当IDO板的某一位输出为高电日常平凡，有触发脉冲输出，晶闸管导通。
电容器组投切时的暂态进程是衡量投切控制装配动态特征的重要指标。假设抵偿装配的主电路为晶闸管与年夜功率二极管反并联方式（见图4（a）），单相等效电路见图4（b），则其电路方程为
图4 晶闸管投切电容器
Fig.4 Capacitorswitchedbythyristor
设电源电压u＝Umsin(ωt＋φ),电感元件的初始电流i(0＋)＝i(0－)＝0,电容元件的初始电压u(0＋)＝u(0－)＝uC0,解方程(3)得
式中为LC电路的共振频率，一般远年夜于ω。
晶闸管投切电容器时，要使电流i的暂态进程为零，则必需同时知足电容器的预充电条件和晶闸管的控制角条件。即
现实上，由于ω0》ω，式(5)又可以进一步推导得uC0。对于图4(a)所示的电路，只要使电容器在电源正峰值时投进(即控制在电压相位为90四周时合闸)，则冲击电流很小［4，5］，从工程概念可以认为等于零。
2.4 控制装配的闭锁
为了使晶闸管投切电容器控制装配靠得住、平安地运行，除斟酌到它的控制条件外，还应斟酌它的闭锁条件。即在某种特定的运行方式下，无功抵偿电容器应退出工作。例如，当变电站母线、线路、主变压器发闹事故或电容器组内部事故时，假设不将电容器从母线中切除，则电容器会因过电流或过电压而损坏，甚至引发爆炸。所以，当主变或线路庇护动作时，庇护出口往跳开关的同时，应闭锁微机自动控制装配和封锁晶闸管触发脉冲。当事故切除，恢复送电后再投进电容器。
STRONG>3 实验成效及其分析
实验电路如图4(a)所示。电容器为自愈式低压并联电容器BZMJ0.4-5-1(C＝99.5μF，tgδ＝
0.0012),电源电压为220V，频率50Hz，晶闸管的控制角为90，电源电压和晶闸管触发脉冲用数字式双踪示波器观测的波形如图5所示。当电容器支路划分串联电抗率k＝0、k＝6和k＝13的空芯电抗器时，用数字式双踪示波器观测电源电压u和电容器电流i经变送器变换后的交流旌旗灯号，同时对u和i进行同步采样。u和i的波形图见图6。主要谐波(相对值)和总谐波畸变率见表1和表2。
图4 晶闸管投切电容器
Fig.4 Capacitorswitchedbythyristor
设电源电压u＝Umsin(ωt＋φ),电感元件的初始电流i(0＋)＝i(0－)＝0,电容元件的初始电压u(0＋)＝u(0－)＝uC0,解方程(3)得
式中为LC电路的共振频率，一般远年夜于ω。
晶闸管投切电容器时，要使电流i的暂态进程为零，则必需同时知足电容器的预充电条件和晶闸管的控制角条件。即
现实上，由于ω0》ω，式(5)又可以进一步推导得uC0。对于图4(a)所示的电路，只要使电容器在电源正峰值时投进(即控制在电压相位为90四周时合闸)，则冲击电流很小［4，5］，从工程概念可以认为等于零。
2.4 控制装配的闭锁
为了使晶闸管投切电容器控制装配靠得住、平安地运行，除斟酌到它的控制条件外，还应斟酌它的闭锁条件。即在某种特定的运行方式下，无功抵偿电容器应退出工作。例如，当变电站母线、线路、主变压器发闹事故或电容器组内部事故时，假设不将电容器从母线中切除，则电容器会因过电流或过电压而损坏，甚至引发爆炸。所以，当主变或线路庇护动作时，庇护出口往跳开关的同时，应闭锁微机自动控制装配和封锁晶闸管触发脉冲。当事故切除，恢复送电后再投进电容器。
3 实验成效及其分析
实验电路如图4(a)所示。电容器为自愈式低压并联电容器BZMJ0.4-5-1(C＝99.5μF，tgδ＝
0.0012),电源电压为220V，频率50Hz，晶闸管的控制角为90，电源电压和晶闸管触发脉冲用数字式双踪示波器观测的波形如图5所示。当电容器支路划分串联电抗率k＝0、k＝6和k＝13的空芯电抗器时，用数字式双踪示波器观测电源电压u和电容器电流i经变送器变换后的交流旌旗灯号，同时对u和i进行同步采样。u和i的波形图见图6。主要谐波(相对值)和总谐波畸变率见表1和表2。
图5 晶闸管触发旌旗灯号和同步旌旗灯号波形图
Fig.5 Thewaveformoftriggersignalandsynchronoussignal
图6电压U和电流i波形图
Fig.6Thewaveformofvoltageandcurrent
表1 电网电压主要谐波电压值(相对值)
Tab.1 Thedominantharmonicvoltagein
powernetwork(relativevalue)
电抗率k/U1U3U5U7U9U11U13U15THDu
01001.932.551.341.310.300.330.233.75
61002.141.761.030.920.110.130.193.11
131001.392.051.011.000.280.270.112.88
，为电压总谐波畸变率。
实验成效分析：
(1)由于晶闸管在开通前电容器已经由过程年夜功率二极管预充电到电源电压的正峰值，只要当晶闸管控制角在90时电容器即投进，冲击电流很小，对母线电压不会发生扰动,这于延长电容器寿命有益。表2 电流主要谐波值(相对值)
Tab.2 Thedominantharmoniccurrent
incurrent(relativevalue)
电抗率k/I1I3I5I7I9I11I13I15THDi
01006.8913.379.6915.186.268.9512.2228.61
610014.5111.543.152.410.340.480.6018.97
1310017.232.790.680.560.410.440.5117.49
注：，为电流总谐波畸变率。(2)当谐波电流注进系统后，谐波电畅通流畅过电网阻抗发生谐波电压，使电源电压发生畸变。当电容器支路串联电抗率k＝0时，电流波形严重畸变，总谐波畸变率较年夜；当串联电抗器后，除能避免电容器支路与系统发生的并联谐振(k＝6时，能将5次以上的谐波脱谐；k＝13时，能将3次以上的谐波脱谐)外，由于电抗器的感抗随频率的升高而增年夜，从而具有抑制谐波电流的作用，使电容器支路的高次谐波电流减小，波形较着改善，总畸变率下降。
4 结论
电力电容器作为抵偿元件，晶闸管作为执行元件，用工业PC机进行控制，可实现低压配电网的动态分相抵偿，从基本上保证了抵偿的快速性、准确性和合理性。另外，动态抵偿能限制电容器的合闸涌流，提高供电质量，确保配电网的平安、经济运行。
作者简介：陈允平 男，教授，博士生导师，国务院学位委员会学科评议组成员，从事电力系统及电力电子学等方面的研究。
刘会金 男，副教授，1975年结业于武汉水利电力学院,一直从事微机检测技术及无功抵偿等方面的科研和教授教养工作。
彭辉 男，在读硕士生，研究标的目的为电力系统及其自动化。
付立军 男，在读博士生，从事电力系统仿真等方面的研究。
陈琼琼 女，在读硕士生，研究标的目的为电力系统及其自动化。 |
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