低壓動態無功補償裝置的設計

1、 主電路設計 

本裝置的電容器按照8:4:2:1原則分成四組,可實現15級組合,這種不等容分組方式的優點是利用較少的分組可以得到較小的補償級差。控制電容器投切的無觸點開關由兩只單向晶閘管反向并聯構成。當晶閘管施加正向電壓,且門極有脈沖觸發信號時,晶閘管導通,電容器投入電網。當觸發脈沖信號去掉后,電流過零或反壓時,晶閘管截止,電容器從電網上切除。這種兩只晶閘管反向并聯結構與一只晶閘管和一只二極管反并聯結構相比,具有投切速度快,晶閘管承受電壓低的優點。另外晶閘管上并聯有RC吸收電路,用于吸收浪涌電流和抑制過電壓。每一電容支路串聯一定容量的電抗器,配置電抗率<0.5%(有時到0.01%～0.02%)的電抗器,主要目的是限制電容器的合閘涌流;配置電抗率為4.5%或6%的串聯電抗器,可抑制5次以上的諧波電流;配置電抗率為12%～13%的串聯電抗器,可抑制3次以上的諧波電流。 

電容器采用△形接線方式,反向并聯晶閘管采用接在△內部的接法。這種接法的最大優點是流過晶閘管的電流是其它接線方式的,這樣可以有效的降低晶閘管的發熱量。同時這種接法對3次諧波也有抑制作用,對電網不會造成污染[2]。晶閘管的耐壓值一般按計算,其中K1為電壓欲度,一般取1.1～1.2,K2為電網電壓波動系數,一般取1.15,U為電網線電壓。晶閘管的電流一般按,其中C為電容容量,單位為μF。 

現代低壓電網中,感性負荷和沖擊性負荷占相當大的比重,造成電網功率因數降低,電能質量嚴重惡化。究其根本原因是用電負荷工作中無功功率需求量的急劇變化。因此,急需開發一種能快速響應電網無功需求,進行實時跟蹤補償的無功補償裝置。目前無功補償裝置中,采用機械開關(接觸器或斷路器)或復合開關投切電容器的裝置,其響應速度慢,不能實現對無功功率的動態補償;而采用晶閘管投切電容器的裝置,其控制器多為單CPU結構,控制精度和速度難以同時保證。 

2、 控制系統設計 　　2.1 控制系統硬件設計 　　控制器采用DSP+FPGA的雙CPU結構。電網電壓電流信號經信號調理電路調理后送入DSP的模數轉換器(ADC)。DSP對數據進行采集、處理后得到電網的無功功率、功率因數等物理量,然后根據檢測值的大小以及設置值的大小,產生需要補償的電容器組二進制代碼。FPGA接收到此代碼后,根據同步信號產生高頻驅動脈沖。高頻驅動脈沖經光耦隔離送至脈沖變壓器,最后脈沖變壓器驅動相應的晶閘管導通,電容器投入電網。 

在整個系統中DSP采用TI公司的TMS320F2812,其工作頻率可達150MHz,并且內部集成12位ADC,能夠實時跟蹤系統參數的變化,迅速完成投切判斷,發出控制命令;并且DSP實時檢測系統各種保護信號,完成故障判斷并處理缺相、過壓、過流、超溫、晶閘管短路、晶閘管斷路等故障,保障系統安全、穩定、快速地運行。FPGA內部主要設計了五個功能模塊:高頻驅動脈沖發生器、同步信號發生器、鎖相環、51單片機和雙口RAM。鎖相環主要是確保DSP的采樣精度,避免頻率波動時的采樣誤差;51單片機主要完成按鍵處理、液晶顯示和串口通訊等功能;雙口RAM用于實現單片機和DSP間的數據交換。FPGA各功能模塊具有并列運行的特點,能夠迅速響應DSP發來的各種信息。 

2.2 控制策略 　　我國電力行業標準中,按控制物理量不同,低壓無功補償控制器可分為四類:無功功率、無功電流、功率因數、復合型(按兩個及以上物理量組合)[3]。為了能最大限度地利用補償設備提高電網的功率因數,不發生過補償,無投切振蕩,無沖擊,反應靈敏、迅速,保證電壓不超限,本裝置以無功功率、電壓、電流和功率因數綜合判斷作為投切電容器組的主要判據。