一種新型的無功自動補償控制系統

孔慶香

（江蘇江南電力有限公司，南京210028）

0 引言

隨著科技的發展、人們生活水平的不斷提高，電網中越來越多的電力電子元器件、電機等大功率、非線性負載投入使用，引起電網中的無功含量普遍增加，電能質量嚴重降低，從而對電網中無功補償提出了更高的要求[1]。電網中非線性負荷的大量使用，通常目前普遍使用的無功自動補償裝置，存在無功電流檢測和算法不精準造成補償效果不佳，功率因數偏低，影響供電系統的電力能效，導致電能表計量的使用情況與實際的情況不符合[2]，造成能源的巨大浪費，同時導致配變過載以及居民用戶的低電壓[3]；過零比較器與運放模塊之間不能實現高度匹配，過零比較器的相位以及運放模塊的穩定性之間存在一定的誤差[4]，引起過零點不準確，電力電容器在投切過程中涌流的產生，造成供電系統電壓的驟升或驟降，輕則影響其他電氣設備的正常工作，重則會引起電氣設備的燒毀或整個供電系統的誤跳閘[5]，產生嚴重的用電安全事故。

近年來芯片科技迅速發展和普遍應用，該無功自動補償控制系統在電流、電壓等數據的采集、實時數據的模數轉換、各功能單元的判斷、有效數據的瞬間計算及最終指令的發出等皆由對應的各類芯片在指定時間周期內按邏輯要求的時序完成，從而能很好的實現快速、精準、無污染的無功自動補償。

該無功自動補償控制系統如能應用到電網中，將發揮很大的社會效能和經濟效能。比如將一臺1 000 kVA變壓器的功率因數從0.8提高到0.98，補償前的實際容量為1 000×0.8=800 kW，補償后的實際容量為1 000×0.98=980 kW，同樣一臺變壓器，補償后可以多承擔180 kW，提高了變壓器的利用率，減少了企業增容的投資。同樣的設備投入，因系統中功率因數的提高，實際使用容量得到了大大提高[6]。

1 主要指標

1.1 控制系統的外部輸入信號

（1）380 V、50 Hz三相四線電壓（工作電源、相序檢測采樣）。

（2）總進線柜的三相5 A電流（無功電流的取樣）。

（3）電容柜的三相5 A電流（補償電流的取樣、補償電流的顯示）。

（4）自封鎖信號（主開關合閘之前，軟件鎖死控制器無法發出控制信號）。

（5）合閘信號按鈕（給系統提供合閘信號）。

（6）分閘信號按鈕（給系統提供分閘信號）。

1.2 控制系統的外部輸出信號

（1）預充電觸頭（合閘信號給出后，第一個接通，控制30C在主開關合閘前給下端所有電容器預充電，延時2~3 s后斷開）。

（2）主開關合閘觸頭（第二個接通，主開關合閘線圈得電，主開關合閘，延時1~2 s后斷開）。

（3）主開分閘觸頭（第三個接通，為分閘準備條件）。

（4）若干常開、常閉輔助觸頭。

（5）12 V常開觸頭（給合閘指示燈使用）。

（6）12 V常閉觸頭（給電源指示燈使用）。

1.3 控制系統的性能參數

（1）補償精度：功率因數0.98~0.99。

（2）時間精度：50 Hz電網，響應小于或等于4 ms，投切小于或等于20 ms。

（3）輸入信號：門限盡可能低，精度有自調節功能，并可手動設置三相的倍率（3 000/1或5 000/1）。

（4）投切性能：過零點投切，無涌流、無電壓沖擊、不產生高次諧波。

（5）不對稱性：三相分別取樣，綜合計算AB、BC、CA相間實際需要。

（6）相序適應：當相序不是正相序時，仍能自找正后正確工作。

（7）保護功能：①當超出或低于正常電壓的上下限時，能發出報警并對未投入的電容禁止投入，已投入的在延時時間到后立即切除，在電壓下降或上升到恢復到正常電壓時，再正常投切，且過壓值、延時值、恢復電壓值均可設置；②能分別監控電壓諧波和電流諧波，至少監控到25次諧波以上，在諧波含量超限時，控制器應能發出報警并對未投入的電容禁止投入，已投入的立即切除，等諧波降低到設定值以下時再恢復工作，且諧波含量超限可調；③利用特有的外設可對控制器實行人為封鎖，封鎖后，控制器的功能僅相當于儀表，只有顯示和報警功能，手動、自動均無法運行，解封時，則手動、自動均正常運行，人為封鎖功能一旦設定，掉電后不丟失。

2 功能框架

無功自動補償控制系統的電氣主要功能模塊組成如圖1所示。首先，電網總負載的電壓、經變壓器變比后總負載的電流和經變壓器變比后無功補償柜的電流輸入至系統調理電路，經ADC數模轉換電路得到其相關的瞬時值。

圖1 系統電氣功能框架

采樣得到的數值經電流方向模塊后依次傳遞給電壓過零模塊、相序判斷模塊、電壓電流計算單元、電網諧波計算單元，進行相應的運算處理。根據運算得到的電網電壓、電流值計算得到電網當前的無功功率，并根據當前設置的電壓、電流變比，電容屏蔽等參數找到相應需要投切的電容組，將相應信息傳入晶閘管驅動波形發生單元。晶閘管驅動波形發生單元根據獲得的信息以及從相序判斷模塊、電壓過零觸發模塊的信號來產生相應的晶閘管驅動波形，傳至晶閘管驅動板。同時主控板上還兼有接觸器作動控制單元，控制交流接觸器組來實現系統的啟作、停止動作序列；LED驅動單元，控制電氣柜上的LED顯示；按鍵輸入檢測單元，實時檢測電氣柜門上的按鍵輸入，實現對系統啟動、停止的操控；顯示模塊、485通訊模塊，將相關信息在觸摸屏上進行顯示，并接收觸摸屏上傳來的設置參數。

3 主控模塊軟件

在系統正常得電情況下，硬件初始化，并使能中斷、加載Flash中存儲的相關設置參數后就開始循環工作。循環檢測按鈕的輸入狀態，等待啟動命令。當接收到啟動信號后開始執行啟動動作序列，并檢測相關標志位判斷系統處于自動還是手動狀態。如在手動狀態下則繼續等手動控制命令。如在自動模式下則循環進行如下操作：電網電壓電流進行采樣計算，計算電網總無功功率，查找需要投入的電容表，查看相應電容是否被屏蔽，如沒有屏蔽則發出投入信號，如果屏蔽則重新檢索電容表。主控模塊軟件功能框圖如圖2所示。

圖2 主控模塊軟件功能框圖

4 主控芯片選型

主控芯片采用DSP主控芯片，具體型號為TMS320F28335，DSP是數字信號處理器Digital Signal Pro?cessor的英文縮寫，其是一種進行數字信號處理的微型處理器，主要應用于快速實現不同數字信號處理算法。如表1所示。TMS320F28335是TI公司推出的一款浮點型數字信號處理器，該芯片采用先進的哈佛總線，處理器主頻可達150 MHz，外設接口電路豐富，含SCI總線、SPI總線、IIC總線、CACAN總線以及多串口緩沖接口等。其不僅具有數字信號快速處理能力，還具有強大的事件管理能力和嵌入式控制能力，各項資源參數滿足控制需要。在系統設計中，使用的資源主要有：SCI串口3個，一個用于與觸摸屏通信，一個用于與接線板連接，一個用于系統功能擴展；IO若干，用于功能狀態指示，人機按鍵交互等[7-8]。

表1 TMS320F28335芯片資源表（部分）

5 控制系統測試

用此控制系統實際生產了一臺補償容量為675 kVar的無功自動補償裝置，此補償裝置投切元器件采用二極管和晶閘管雙向反并聯模塊，每相分4個回路，共12個回路，每個相間電力電容器的按1:2:4:8的比例裝配，容量分別為：第一級15 kVar、第二級30 kVar、第三級60 kVar、第四級120 kVar，在某配電房內實際運行，實測情況如下。

（1）補償精度：投入后三相功率因數分別是A相0.996、B相0.998、C相0.992。

（2）時間精度：通過雙蹤示波器觀測，50 Hz電網，投切脈沖為20 ms。

（3）投切性能：過零點誤差小于或等于136 μs，過零點漂移可修正。

（4）不對稱性：某時間點，AB間實際投入30 kVar、BC間實際投入30 kVar、CA間實際投入15 kVar。

（5）相序適應：故意顛倒電壓采樣回路相序，系統自找正后正確工作。

（6）電壓保護：分別將過/欠壓值、延時值、下/上限恢復電壓值設置為440 V/350 V、30 s、420 V/365 V，用三相調壓器把控制系統電壓上調到440 V時，發出報警，系統自動封鎖，并將電容器切除；下調到420 V時，系統自動解封，電容器可正常投入。繼續下調到350 V時，發出報警，系統自動封鎖，并將電容器切除；電壓上調到365 V時，系統自動解封，電容器可正常投入。

（7）監控功能：可實測電壓諧波和電流諧波，因無諧波源發生器，諧波含量超限無校驗。系統人為封鎖，手動、自動均無法運行，可正常顯示回路電流、電壓等參數。

6 結束語

本文對一種新型的無功自動補償控制系統作了初步的探討，簡要論述了能自動檢測、轉換、計算、發出指令的控制系統的設計和測試過程，該控制系統實現了各功能單元協同配合，精準、無污染地完成最終指令，很好地解決了因無功電流檢測和算法不合理造成的補償精度不高和晶閘管在投切交流負載，開關過程中因過零點位置的漂移而產生的涌流問題，以及電網相序不正確時，控制系統能夠通過軟件判斷自找正后正確的開展工作。設計基本達到要求，用此控制系統生產的無功自動補償裝置在實際運行中，檢測出的各項性能指標數據符合給出的范圍要求。