低壓終端自動無功補償裝置的研制

1.引言

最近幾年來，隨著我國經(jīng)濟水平的發(fā)展以及人民生活水平的提高，家用電器的數(shù)量與品種越來越多，特別是空調(diào)冰箱等大功率電器的使用，這就對我國電網(wǎng)的質(zhì)量提出了更高要求，而過去依靠發(fā)電端進行無功補償?shù)姆绞揭呀?jīng)不能滿足實際情況的需要了，因此，我們設(shè)計了中低壓無功功率補償?shù)姆桨竅1-3]。

2.無功控制策略

本論文介紹的控制策略為共補加分補，TCR與TSC，且TCR部分加一復(fù)合開關(guān)使其具有可投切功能（TCR作為輔助部分）投切原則為先共補，再分補，再共補微調(diào)整。搜索方式為先共補為從大到小(電容器容量)。TCR的控制使用經(jīng)典的PID控制，通過對三個參數(shù)的設(shè)制，達到最優(yōu)控制狀態(tài)。電壓控制方式按電網(wǎng)電壓原則調(diào)節(jié)無功功率大小，目的是為了提高供電電壓質(zhì)量，減少電壓對額定電壓的偏移量，TSC+TCR補償裝置均采用三角形連接，以電容器作為分級粗調(diào)，以電感作相控細調(diào)，三次諧波不會流入電網(wǎng)，大大減小了諧波，圖2-1為基于DSP超負荷運轉(zhuǎn)功率補償器。

2.1 無功控制策略具體步驟

a.三相電壓、三相電流采樣后，利用瞬時無功功率算法，得出三相無功功率Q，從共補電容器組中搜索，看需要投入或切除幾組共補電容器組才能滿足Q。同時TCR投切，進行微調(diào)。

b.采樣一個周期后用FFT算法計算出每相的無功功率QA、QB、QC，分相電容器組去補償(投入或切除)，同時TCR進行微調(diào)。

c.待系統(tǒng)無功功率穩(wěn)定一定周期后，對共補電容器進行逐級切除，同時用TCR電感找平，當(dāng)TCR的控制角α小于0α（可以計算出當(dāng)0α?xí)r，如果切除TCR，無功功率因數(shù)在目標(biāo)區(qū)間以內(nèi)）時，切除TCR。

2.2 無功控制的共分補切換

默認(rèn)情況下是共補。但當(dāng)電路出現(xiàn)三相不平衡時，由測試數(shù)據(jù)自動切換到分補狀態(tài)。切換的步驟是：(1)投入TCR(已投入的保持原狀)，從而用來平衡投切所造成的振蕩。(2)將電容由共補切換到分補上來，將共補狀態(tài)的中性線切換到零線N上來，TCR自動較正誤差。(3)待電路穩(wěn)定后，當(dāng)TCR的控制角α小于0α?xí)r，切除TCR。(4)當(dāng)檢測三相進入平衡區(qū)間時，且長時間穩(wěn)定，切換到共補狀態(tài)，因為共補狀態(tài)能更好的抑制諧波。

分補切共補的步驟：1）投入TCR（已投入的保持原狀），從而用來平衡投切所造成的振蕩。2）將電容由分補切換到共補上來，將共補狀態(tài)的中性線由零線N切換到三相共用上來，TCR自動較正誤差。3）待電路穩(wěn)定后，當(dāng)TCR的控制角α小于0α?xí)r，切除TCR，圖2-2為共分補切換電路示意圖。

表3-1 電容選用個數(shù)列表

表3-2 電容組合列表

圖2-1 基于DSP無功功率補償器

圖2-2 共分補切換電路示意圖

圖4-1 電壓越最高上限保護實驗圖

圖4-2 綜合實驗圖

3.無功補償電容器組的設(shè)計

對于中低壓民用終端線路，盡管電路的負荷波動比較大，但是，在較短時間其波動的絕對值卻并不大，因此，這就對我們的補償精度提出了要求，若要求我們控制的精度要在1KVar以內(nèi)，系統(tǒng)總補償容量在20KVar，我們要合理的選擇電容器組的電容值，以及分配方式。

3.1 無功補償電容器組的選擇

電容器容量與補償精度的關(guān)系為：

其中Qt=p.tanφt，Q為補償器設(shè)計的容量，Qc為補償容量，Qm為檢測的無功功率，cosφt為補償后要達到的目標(biāo)功率因數(shù)。即：

當(dāng)三相均衡電路，電容器組的個數(shù)為N時，相當(dāng)于各分相補償中組數(shù)N/3，若按等容分組時，設(shè)每組電容量為q則有：

當(dāng)達到額定容量及以上時，電容開始投切。當(dāng)負載達到接近q時，此時，電容仍不能投切，若q＜Qm＜2q時，近一半的無功功率得不到補償。當(dāng)?shù)热莘纸M時，一般單個電容的容量比較大，如果選小時就要增加投切的組數(shù)來達到補償效果。若已知容量q，則有N=Q/q。像本控制器精度為在1KVar以內(nèi)，系統(tǒng)總補償容量在20KVar左右，那至少要選擇20組等容電容組。我們選擇的電容器各容量組數(shù)分布如表3-1所示。

考慮到電容組電容的使用壽命，為了延長電容的使用壽命，我們要盡量使每組電容的使用時間相近，而且還要減少電容的投切次數(shù)，以免頻繁投切所造成的投切傷害，因此我們對于較頻繁的小電容上各增加了一組。

3.2 無功控制器電容器組的分組

本控制器所選用電容的大小分別為60μf，30μf，15μf，8μf四種。當(dāng)在220V工作電壓下的容量9043var，4521var，2260var，1205var最大可補償20490var的無功功率。

這6組電容組可以實現(xiàn)0到20KVar的補償，可以分為19級調(diào)節(jié)控制，我們根據(jù)二進制分組編碼的思想，在電容投切時，單組電容器的容量按二進制法則進行遞增，從而在組合上形成一系列連續(xù)遞增的整數(shù)序列。如表3-2。

4.無功功率補償器的實驗仿真驗正

中低壓無功功率補償器主要目的是補償終端感性負載所發(fā)出的負的無功功率，然而有時在電壓出現(xiàn)較大波動時，要優(yōu)先補償電網(wǎng)電壓，只有穩(wěn)定了電壓系統(tǒng)才有可能正常運行，才有必要進行無功補償。所以本實驗過程，首先進行了高壓保護及電壓越限的仿真模擬。然后對電壓穩(wěn)定后的，負載感擾進行模擬[4-5]。

4.1 電壓不穩(wěn)定時的實驗仿真

1)當(dāng)電壓高于最高上限時，TCR，TSC全部切除保護電路，保護補償器的安全。

2)當(dāng)開始時，0.3s到0.5s電壓受到強烈的干擾達到1.5pu以上，即達到電壓最高上限，此時保護電路啟動，切除電容組與電抗器，如圖4-1。

4.2 無功功率綜合補償實驗

綜合性實驗：分別在0.2s，0.4s，0.6s，0.8s，1.0s時加入不同的無功小干擾，來模擬實際小區(qū)各用戶對家用電器的不同步的啟停對電網(wǎng)造成的影響。由圖示可以看出：當(dāng)持續(xù)的給予干擾的情況下，無功功率因數(shù)保持在0.9以上穩(wěn)定在0.95以內(nèi)，電壓穩(wěn)定在0.95pu到1.05pu之間。起到了我們所要求的補償終端無功功率的目的，如圖4-2。

5.結(jié)論

該控制器以TSC為主，TCR為輔，實時檢測各相的電壓電流值，利用DSP進行快速計算瞬時無功功率，并由檢測參數(shù)進行控制策略的選擇，發(fā)出控制信號通過隔離電路進行電氣驅(qū)動，達到低壓控制高壓的目地。即具有傳統(tǒng)TSC簡單有效成本低廉的優(yōu)點，又通過TCR的輔助作用，避免了當(dāng)無功負荷小于一組電容器的容量時，可能會產(chǎn)生反復(fù)投切振蕩。同時減少了投切的總次數(shù)，增加了晶閘管和電容的使用壽命[6]。另外一個很顯著的優(yōu)點就是當(dāng)無功功率快速波動時，控制器可以迅速進行反應(yīng)進行補償，通過大電容及TCR的輔助作用，快速準(zhǔn)確的補償無功功率，而不會產(chǎn)生大的波動；當(dāng)無功功率緩慢有序的變化是可以穩(wěn)定的進行補償。也就是說當(dāng)擾動快速較大時，迅速反應(yīng)最短時間內(nèi)控制電路的穩(wěn)定的運行。有持續(xù)時間長的擾動時，能用成本最低，引進干擾最少的方式，穩(wěn)定補償。達到“急則治標(biāo)，快則治本”的效果。

[1]練志峰等.瞬時無功理論在SVC無功功率檢測中的應(yīng)用[J].電源世界,2007:13-26.

[2]黃振華等.基于瞬時無功理論的SVC無功功率算法及其LabVIEW實現(xiàn)[J].變流技術(shù)與電力牽引,2007(3):107-112.

[3]肖洪杰.試析電力系統(tǒng)的無功補償技術(shù)學(xué)術(shù)期刊[J].科技信息,2007(15):10-19.

[4]陳斗.靜止無功補償技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].安徽電力科技信息,2007(6):56-74.

[5]劉宇懷,葉毅.三相無功測量方法的誤差[J].電測與儀表,2009,40(453):28-31.

[6]程浩忠.電能質(zhì)量無功補償及其裝置學(xué)術(shù)[J].低壓電器,2007(6):38-52.