微机控制的晶闸管开关型低压配电网基波无功分相补偿

北极星电力网技术频道作者:3 2007/12/21 11:31:25

关键词: 配电网晶闸管开关

摘要　提出了满足分相、分级、快速补偿要求的实用主电路，能有效地限制合闸涌流，抑制高次谐波。给出了以工业PC机为核心的控制器的硬件电路、快速检测无功的方法、晶闸管触发信号的控制要求,以及补偿装置的闭锁条件，解决了控制器应满足实时检测、快速响应和高可靠性等实际问题。具体说明了这种新型补偿装置的主电路、消除合闸时暂态过程的理论和方法，给出了实验结果。结果表明,这种装置在理论上是正确的，实践上是可行的，已用于研制的补偿装置。文中所提的方法原则上可用于高电压等级中的补偿。
　　要害词　无功补偿　电容器　晶闸管　工业计算机

目前，低压并联电容器组大多采用三角形接法^［1］，无功补偿均为静态补偿，以交流接触器作电力电容器的投切执行元件，投入时冲击电流大，切除时会产生过电压，自身触头易损甚至熔焊，噪声大，而且投切时间长。在控制环节上基本不能满足分相、分级、快速及跟踪补偿的要求。
　　基于上述问题，低压配电网应采用动态补偿。动态补偿是以晶闸管作为执行元件，用工业PC机进行控制，通过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。补偿效果快速、准确、安全、洁净及易于控制。此外，还可以对不平衡的无功功率进行完全补偿，这是以往的补偿装置难以胜任的。

1　主电路

　　主电路设计除了满足分相、分级和快速补偿要求外，还应考虑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满足分相补偿的要求，使电源变压器输出的有功功率最大。本装置的优点是不但可以补偿正序性质的无功功率，而且可以补偿零序回路的无功功率。假如补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对称，当补偿后三相总功率因数等于1时，就会出现有的相欠补偿，有的相过补偿。欠补偿时，受电端电压低于送电端电压；过补偿时，受电端电压高于送电端电压。考虑到线路电压损失，一般送电端电压要高于额定电压5～10。在过补偿的情况下，再加上电压升高，则受电端电压超过额定电压的数值就远远大于10。假如电容器并联于变压器的二次侧，变压器的阻抗也要计入线路的阻抗，于是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安全运行会产生极不利的影响。另外,三相不对称负载采用三相对称三角形接法的电力电容器组进行补偿，则变压器的容量得不到充分利用。星形联接电容器组的每相电容器按二进制1∶2∶4∶8关系分四组进行补偿，以提高静态补偿精度。不同组的电容器容量不同，晶闸管的额定电流也不同。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，安全可靠，使用寿命长。假如导通角选择合适，则电容器投入时不会产生冲击电流（合闸涌流），电容量分级补偿可以一步到位。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、准确地跟踪补偿，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，将会产生幅值很大、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，通过电容器的电流会加大；另外，电容器组在存在谐波的电网中，可能会碰到谐振，使电容器组中电流增大几倍到十几倍。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X_L＝0.13X_C。电流过大时，带铁芯的电抗器铁芯会饱和，影响限流效果。因此，串联电抗器应选择空芯电抗器，且安装布置在电容器组的电源侧，即母线侧。
　　通常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与保护接地线PE合为一根PEN线，所有设备的外裸可导电部分均与PEN线相连。当三相负荷不平衡时，PEN线上有电流通过。分相补偿时电容器频繁投切引起的三相不平衡合闸涌流，可使PEN线过负荷发热，引起零电位漂移，危及人身安全，影响用电设备的正常工作。例如，影响计算机系统的正常工作等。所以，除了串联电抗器以外，还应尽可能降低星形接法电容器中性点的接地电阻，以保证由三相不平衡合闸涌流引起的零电位漂移较小

^［2］。
　　主电路中还需考虑电力电容器和晶闸管的保护。

2　控制器

　　控制器的设计应考虑检测量的检测方法简单、快速，以满足跟踪补偿的要求；同时还应考虑晶闸管的可靠触发、抗干扰和装置闭锁等问题，以提高装置的可靠性。
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（包括数据采集模块A/D板、光电隔离数字量输入模块IDI板、光电隔离数字量输出模块IDO板、串行通信模块)、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,软硬件丰富，通信功能强，电磁兼容性好，提高了无功补偿装置的可靠性，缩短了研制的周期，并可实现与其他自动控制系统联网，使无功补偿系统化控制。
　　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、单限比较器、采样保持器

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效值为3.5V的电压信号。单限比较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）的脉冲数字信号。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最大值，将相电压由正到负的过零信号（单限比较器的输出信号）作为采样保持器的采样开关，相电流经i－u转换后接到采样保持器的输入端，采样保持器的输出信号就是对应的无功电流的最大值。设单相负载的无功功率为Q_L，则

Q_L＝U_pI_psinφ＝U_pI_Q(1)

式中U_p和I_p分别为负载的相电压和相电流的无功分量。
　　设并联电容器组的无功功率为Q_C，则

Q_C＝U_pI_C(2)

式中I_C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相同，所以I_Q代表了负载的感性无功功率，也代表了完全补偿时电容的容性无功功率。
　　这种检测方法的优点是简单、快速，每相在一个周期内只需做1次采样，可满足基波动态分相补偿快速测量的要求。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，控制器检测补偿后的无功功率ΔQ，由ΔQ求得负载的全部无功功率Q_L，即完全补偿时所需投入的全部电容的无功功率。这种控制方式可以在每个检测周期后，一次投入应投入的全部电容量，提高了静态补偿的精度^［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保护和外部故障保护输入端口（低电平有效），保护动作后，封锁脉冲以保证系统安全。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平时，无触发脉冲输出，晶闸管关断；当IDO板的某一位输出为高电平时，有触发脉冲输出，晶闸管导通。
　　电容器组投切时的暂态过程是衡量投切控制装置动态特性的重要指标。假如补偿装置的主电路为晶闸管与大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＝U_msin(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_－)＝u_C0,解方程(3)得

式中为LC电路的共振频率，一般远大于ω。
　　晶闸管投切电容器时，要使电流i的暂态过程为零，则必须同时满足电容器的预充电条件和晶闸管的控制角条件。即

实际上，由于ω₀》ω，式(5)又可以进一步推导得u_C0。对于图4(a)所示的电路，只要使电容器在电源正峰值时投入(即控制在电压相位为90^四周时合闸)，则冲击电流很小^［4，5］，从工程观点可以认为等于零。
2.4　控制装置的闭锁
　　为了使晶闸管投切电容器控制装置可靠、安全地运行，除了考虑到它的控制条件外，还应考虑它的闭锁条件。即在某种特定的运行方式下，无功补偿电容器应退出工作。例如，当变电站母线、线路、主变压器发生事故或电容器组内部事故时，假如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，甚至引起爆炸。所以，当主变或线路保护动作时，保护出口去跳开关的同时，应闭锁微机自动控制装置和封锁晶闸管触发脉冲。当事故切除，恢复送电后再投入电容器。

STRONG>3　实验结果及其分析

　　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。当电容器支路分别串联电抗率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信号，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＝U_msin(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_－)＝u_C0,解方程(3)得

3　实验结果及其分析

图5　晶闸管触发信号和同步信号波形图
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/	U₁	U₃	U₅	U₇	U₉	U₁₁	U₁₃	U₁₅	THD_u
0	100	1.93	2.55	1.34	1.31	0.30	0.33	0.23	3.75
6	100	2.14	1.76	1.03	0.92	0.11	0.13	0.19	3.11
13	100	1.39	2.05	1.01	1.00	0.28	0.27	0.11	2.88

，为电压总谐波畸变率。
　　实验结果分析：
　　(1)由于晶闸管在开通前电容器已通过大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时电容器即投入，冲击电流很小，对母线电压不会产生扰动,这于延长电容器寿命有利。表2　电流主要谐波值(相对值)
Tab.2　Thedominantharmoniccurrent
incurrent(relativevalue)

电抗率k/	I₁	I₃	I₅	I₇	I₉	I₁₁	I₁₃	I₁₅	THD_i
0	100	6.89	13.37	9.69	15.18	6.26	8.95	12.22	28.61
6	100	14.51	11.54	3.15	2.41	0.34	0.48	0.60	18.97
13	100	17.23	2.79	0.68	0.56	0.41	0.44	0.51	17.49

　注：，为电流总谐波畸变率。(2)当谐波电流注入系统后，谐波电流通过电网阻抗产生谐波电压，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，总谐波畸变率较大；当串联电抗器后，除了能避免电容器支路与系统产生的并联谐振(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大，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，波形明显改善，总畸变率下降。

4　结论

　电力电容器作为补偿元件，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补偿，从根本上保证了补偿的快速性、准确性和合理性。另外，动态补偿能限制电容器的合闸涌流，提高供电质量，确保配电网的安全、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年毕业于武汉水利电力学院,一直从事微机检测技术及无功补偿等方面的科研和教学工作。
　　　　　彭辉　男，在读硕士生，研究方向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，研究方向为电力系统及其自动化。

来源：互联网

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