低壓配網(wǎng)中TSC型動態(tài)無功補償裝置的設(shè)計與應(yīng)用

1、應(yīng)用技術(shù) 2006年第3期自動化與信息工程 21低壓配網(wǎng)中TSC 型動態(tài)無功補償裝置的設(shè)計與應(yīng)用吳偉敏(廣東電網(wǎng)公司肇慶供電局摘要:文章根據(jù)廣東省肇慶市端州區(qū)配網(wǎng)的實際情況,對現(xiàn)有配網(wǎng)無功補償裝置的特點進(jìn)行了分析,重點闡述了TSC 型動態(tài)無功補償?shù)脑砗拖到y(tǒng)設(shè)計,并對該裝置的投切方式和保護(hù)進(jìn)行了介紹。最后總結(jié)了TSC 型動態(tài)無功補償裝置在肇慶市的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:低壓配網(wǎng);TSC ;動態(tài)無功補償1 引言在城市10kV 配電系統(tǒng)中,一般的居民住宅、小商業(yè)等用戶隨著電價的降低和物質(zhì)生活水平的提高,其耗電量約占電業(yè)售電量的18%以上,且呈逐年上升的趨勢。無功功率和有功功率一樣,是保證電網(wǎng)電能質(zhì)量和安全供

2、電所必不可少的。無功功率不足將使配網(wǎng)的電壓降低、損壞用電設(shè)備或使電器設(shè)備供率降低,所以保證配網(wǎng)的無功功率是非常重要的1。但在380V 以下低壓用電設(shè)備系統(tǒng)中,因配電變壓器載容比較低,且日負(fù)荷變化比較大,從而吸收了電網(wǎng)大量的無功,造成電網(wǎng)電壓不穩(wěn)、線路損耗增大等,使功率因數(shù)大都處于0.60.8之間,有的甚至低至0.30.5。因此,在低壓配電網(wǎng)和電力用戶中安裝合理的無功補償裝置,對于保證電網(wǎng)安全運行和滿足用戶需求是十分必要的。2 機械投切電容器無功功率自動補償裝置的主要缺點自1983年電力部頒布實施按功率因數(shù)值調(diào)整電費規(guī)定以來,各種機械投切電容器(MSC 在低壓配網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但這些以機械

3、開關(guān)作為切換元件的無功補償裝置越來越不能適應(yīng)配網(wǎng)發(fā)展的需求,主要表現(xiàn)在:(1 可靠性低 由于機械投切電容器在自動投切過程中不能控制電容器回路的合閘角和開斷角,因而不可避免會引起合閘過電流、開斷過電壓,使開關(guān)觸頭燒損嚴(yán)重,檢修頻繁,電力電容器的使用壽命縮短。(2 優(yōu)化電能質(zhì)量功能的欠缺 對波動負(fù)荷和沖擊負(fù)荷用戶,不能抑制電壓波動和電壓閃變。 對不平衡負(fù)荷用戶,不能改善公共聯(lián)絡(luò)點電壓和配電電流的不平衡度。 達(dá)不到最理想的高效節(jié)能效果。3 TSC 型動態(tài)無功補償裝置的設(shè)計3.1 TSC 的基本原理晶閘管投切電容器(TSC 是利用電力電子開關(guān)來投切電容器的。與機械投切電容器相比,晶閘管的開、關(guān)是無觸點

4、的,其操作壽命幾乎是無限的,而且晶閘管的投入時刻可以精確控制,可以快速無沖擊地將電容器接入電網(wǎng),大大減少了投切時的沖擊電流和操作困難。同時,由于晶閘管是在電流過零時自動關(guān)斷的,這就避免了拉弧現(xiàn)象。TSC 能快速跟蹤沖擊負(fù)荷的突變,隨時保持最佳饋電功率因數(shù),實現(xiàn)動態(tài)無功補償,減小電壓波動,提高電能質(zhì)量,節(jié)約電能。為了快速無沖擊的將電容接入電網(wǎng),晶閘管投入的時刻,必須保證電源電壓與電容殘壓幅值和方向相同2。為了對晶閘管的投入時刻進(jìn)行精確的檢測和控制,在低壓系統(tǒng)中采用過零固態(tài)繼電器來投切電容器。晶閘管電壓過零觸發(fā)電路如圖1所示。電源圖1 (a 與電網(wǎng)連接方式圖1 (b 晶閘管電壓過零觸發(fā)電路光電耦合

5、零電 壓檢 測器與門投入命令多諧振蕩器脈沖隔離放大CL 22U a電壓電流輸入同步信號產(chǎn)生 信號調(diào)理 外擴儲存器 保護(hù)信號 CAP PWM ADC DSP光耦隔離驅(qū)動串口通訊鍵盤 液晶顯示 看門狗CPLD 日歷時鐘控 制 主 板電源電壓與電容器的殘壓相等時,晶閘管上電壓為零,光電耦合器就會輸出一個負(fù)脈沖,如果此時投入指令存在,就會經(jīng)過一系列環(huán)節(jié),產(chǎn)生脈沖去觸發(fā)晶閘管,保證晶閘管的平穩(wěn)導(dǎo)通。晶閘管的投入指令撤銷時,晶閘管在電流過零時斷開,直到微控制器下次發(fā)出投入指令,TSC 才會在零電壓時重新投入。 3.2 TSC 的補償判據(jù)和電容器的投切控制方式 根據(jù)TSC 系統(tǒng)采樣的物理量的不同,我國電力行

6、業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,也按控制物理量把低壓無功補償控制器分為四類:無功功率、無功電流、功率因數(shù)、復(fù)合型(按兩個及以上物理量組合3。本文設(shè)計的系統(tǒng)充分利用DSP 芯片強大的存儲、計算、邏輯判斷功能,以無功功率作為主要的控制物理量,輔以功率因數(shù)控制。針對不同的電容器的分組形式,本系統(tǒng)對電容按二進(jìn)制分組和等容量分組分別設(shè)計了不同的控制策略。在等容分組時,遵守傳統(tǒng)的循環(huán)投切原則,即“先投先切,后投后切”4,從而延長整個裝置的使用壽命;不等容分組則是按照二進(jìn)制編碼方式,即1248···編碼方式,無功補償?shù)募墧?shù)多,且補償級差相等。3.3 控制系統(tǒng)的硬件電路本文設(shè)計的TSC 型低壓動態(tài)無功

7、補償裝置控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示,控制器采用單CPU 結(jié)構(gòu)。圖2控制系統(tǒng)硬件框圖控制系統(tǒng)由信號調(diào)理電路和控制主板兩部分構(gòu)成。信號調(diào)理電路將電壓電流信號及相位信號經(jīng)過調(diào)理后傳給控制主板。而控制主板則負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實時處理、數(shù)據(jù)顯示、與上位機通訊以及對晶閘管進(jìn)行控制。檢測到的負(fù)載信號(三相電壓和電流首先經(jīng)過信號調(diào)理模塊變換成符合DSP 要求的電平信號。信號經(jīng)過DSP 內(nèi)部AD 模塊轉(zhuǎn)換后,由DSP 進(jìn)行運算、處理,求出所需的控制物理量,然后根據(jù)控制規(guī)則,發(fā)出投切電容器的控制信號,經(jīng)過隔離驅(qū)動后控制晶閘管的導(dǎo)通或關(guān)閉。一片CPLD 用來實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的譯碼和邏輯控制。在系統(tǒng)發(fā)生意外或掉電

8、時,一些重要的設(shè)置參數(shù)必須及時保存,這通過一片串行的外擴存儲器來實現(xiàn)。日歷時鐘用來產(chǎn)生系統(tǒng)時間,當(dāng)作整個系統(tǒng)的日歷時鐘。3.4 系統(tǒng)程序控制流程及算法控制系統(tǒng)采用C 語言編程,主程序流程圖如圖3所示。首先完成系統(tǒng)的初始化,初始化完后,開放所有中斷,然后進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài),等待中斷的發(fā)生。同時在循環(huán)等待過程中,判斷AD 采樣點數(shù),采完一個周期則進(jìn)入計算及電容器投切控制子程序。圖3 控制系統(tǒng)主程序流程圖吳偉敏:低壓配網(wǎng)中TSC 型動態(tài)無功補償裝置的設(shè)計與應(yīng)用2006年第3期自動化與信息工程 233.5 電容器的保護(hù)傳統(tǒng)的機械投切電容器(MSC 在運行的過程中出現(xiàn)較多的內(nèi)部故障和電容器組回路中相間短路

9、等。本裝置對電容器組的保護(hù)主要采用過壓、欠壓、過流保護(hù)5。根據(jù)電容器運行的規(guī)程,補償電容器允許在105%Ua 電壓下長期運行;在110%Ua 下運行時間不得超過6小時。本文根據(jù)過壓判斷的出口邏輯: Ux UhT Tuh式中Ux 為任意一項線電壓,Uh 為電壓上限設(shè)定值。在過壓保護(hù)子程序中,本文設(shè)定電壓上限為500V ,而Tuh 為延時設(shè)定值,當(dāng)過壓時間超過延時設(shè)定值時,迅速切斷電容器。另外,為了減少電壓波動帶來的影響,在過壓保護(hù)的算法里面定義了回差,當(dāng)過壓波動在回差范圍內(nèi),補償裝置仍認(rèn)為電壓處于過壓狀態(tài)。根據(jù)實際情況一般定義過壓回差為10V 。4 TSC 型動態(tài)無功補償裝置的應(yīng)用為了充分利用現(xiàn)

10、有配電設(shè)備的容量潛力,我局選取了十個不同地點安裝了本文介紹的TSC 型動態(tài)無功補償裝置,并對動態(tài)補償裝置進(jìn)行在線運行數(shù)據(jù)記錄,由專人負(fù)責(zé)定期進(jìn)行外觀檢查和數(shù)據(jù)抄錄。經(jīng)試運行,證實已取得明顯的效果。在三相負(fù)荷平衡處,可使電網(wǎng)功率因素達(dá)到0.95以上,且不會產(chǎn)生無功倒送。由于功率因數(shù)的提高可以增加變壓器的負(fù)載能力而為用戶節(jié)約擴容費用、電費及低功率因數(shù)罰款等費用,在優(yōu)化了電能質(zhì)量的同時提高了配電設(shè)備容量的利用率。在沖擊性負(fù)荷和波動性負(fù)荷處,可減少電壓波動,并抑制電壓閃變,提高電壓穩(wěn)定性。TSC 動態(tài)無功補償裝置可以對電容器組進(jìn)行頻繁的投切,在投切的時刻不會對電網(wǎng)產(chǎn)生過大的涌流,提高了居民用電的質(zhì)量。

11、5 結(jié)語晶閘管投切電容器裝置具有優(yōu)良的動態(tài)無功功率補償功能,在功率因數(shù)偏低,負(fù)載波動較大的低壓配網(wǎng)中具有良好的應(yīng)用前景。同時也對改善系統(tǒng)功率因數(shù),抑制諧波,穩(wěn)定系統(tǒng)電壓,改善電能質(zhì)量具有重要的作用。伴隨著控制元件性能的提高和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,晶閘管投切電容器將會得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 孫成寶. 配電技術(shù)手冊(低壓部分. 北京: 中國電力出版社, 2000:4264512 何一浩,王樹民. TSC 動態(tài)無功補償技術(shù)述評J. 中國電力,2004, 37(10: 22263 中華人民共和國電力部. DL/T597-1996, 低壓無功補償控制器訂貨技術(shù)條件. 北京: 中國電力出版社

12、, 1996 4 袁光明,張波,王丹,等. 晶閘管投切電容的最佳編碼方式與最優(yōu)投切閾值的數(shù)學(xué)分析和應(yīng)用J. 電網(wǎng)技術(shù), 2004, 28(23:43465 王見樂,王林虎. 基于DSP 的低壓動態(tài)無功補償裝置的研制J. 華北電力技術(shù), 2005,12(1: 4346Design and Application of TSC in Low Voltage Distributing NetworkWu Weimin(Zhaoqing Power Supply BureauAbstract : This paper analyzes existing reactive compensation equipment of the low-voltage distributing network ofDuanzhou, Zhaoqing, introduces design of the TSC and its mode of control capacitors and protection. An application of TSC rea