低压终端自动无功补偿装置的研制

1.引言

最近几年来，随着我国经济水平的发展以及人民生活水平的提高，家用电器的数量与品种越来越多，特别是空调冰箱等大功率电器的使用，这就对我国电网的质量提出了更高要求，而过去依靠发电端进行无功补偿的方式已经不能满足实际情况的需要了，因此，我们设计了中低压无功功率补偿的方案[1-3]。

2.无功控制策略

本论文介绍的控制策略为共补加分补，TCR与TSC，且TCR部分加一复合开关使其具有可投切功能（TCR作为辅助部分）投切原则为先共补，再分补，再共补微调整。搜索方式为先共补为从大到小(电容器容量)。TCR的控制使用经典的PID控制，通过对三个参数的设制，达到最优控制状态。电压控制方式按电网电压原则调节无功功率大小，目的是为了提高供电电压质量，减少电压对额定电压的偏移量，TSC+TCR补偿装置均采用三角形连接，以电容器作为分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不会流入电网，大大减小了谐波，图2-1为基于DSP超负荷运转功率补偿器。

2.1 无功控制策略具体步骤

a.三相电压、三相电流采样后，利用瞬时无功功率算法，得出三相无功功率Q，从共补电容器组中搜索，看需要投入或切除几组共补电容器组才能满足Q。同时TCR投切，进行微调。

b.采样一个周期后用FFT算法计算出每相的无功功率QA、QB、QC，分相电容器组去补偿(投入或切除)，同时TCR进行微调。

c.待系统无功功率稳定一定周期后，对共补电容器进行逐级切除，同时用TCR电感找平，当TCR的控制角α小于0α（可以计算出当0α时，如果切除TCR，无功功率因数在目标区间以内）时，切除TCR。

2.2 无功控制的共分补切换

默认情况下是共补。但当电路出现三相不平衡时，由测试数据自动切换到分补状态。切换的步骤是：(1)投入TCR(已投入的保持原状)，从而用来平衡投切所造成的振荡。(2)将电容由共补切换到分补上来，将共补状态的中性线切换到零线N上来，TCR自动较正误差。(3)待电路稳定后，当TCR的控制角α小于0α时，切除TCR。(4)当检测三相进入平衡区间时，且长时间稳定，切换到共补状态，因为共补状态能更好的抑制谐波。

分补切共补的步骤：1）投入TCR（已投入的保持原状），从而用来平衡投切所造成的振荡。2）将电容由分补切换到共补上来，将共补状态的中性线由零线N切换到三相共用上来，TCR自动较正误差。3）待电路稳定后，当TCR的控制角α小于0α时，切除TCR，图2-2为共分补切换电路示意图。

表3-1 电容选用个数列表

表3-2 电容组合列表

图2-1 基于DSP无功功率补偿器

图2-2 共分补切换电路示意图

图4-1 电压越最高上限保护实验图

图4-2 综合实验图

3.无功补偿电容器组的设计

对于中低压民用终端线路，尽管电路的负荷波动比较大，但是，在较短时间其波动的绝对值却并不大，因此，这就对我们的补偿精度提出了要求，若要求我们控制的精度要在1KVar以内，系统总补偿容量在20KVar，我们要合理的选择电容器组的电容值，以及分配方式。

3.1 无功补偿电容器组的选择

电容器容量与补偿精度的关系为：

其中Qt=p.tanφt，Q为补偿器设计的容量，Qc为补偿容量，Qm为检测的无功功率，cosφt为补偿后要达到的目标功率因数。即：

当三相均衡电路，电容器组的个数为N时，相当于各分相补偿中组数N/3，若按等容分组时，设每组电容量为q则有：

当达到额定容量及以上时，电容开始投切。当负载达到接近q时，此时，电容仍不能投切，若q＜Qm＜2q时，近一半的无功功率得不到补偿。当等容分组时，一般单个电容的容量比较大，如果选小时就要增加投切的组数来达到补偿效果。若已知容量q，则有N=Q/q。像本控制器精度为在1KVar以内，系统总补偿容量在20KVar左右，那至少要选择20组等容电容组。我们选择的电容器各容量组数分布如表3-1所示。

考虑到电容组电容的使用寿命，为了延长电容的使用寿命，我们要尽量使每组电容的使用时间相近，而且还要减少电容的投切次数，以免频繁投切所造成的投切伤害，因此我们对于较频繁的小电容上各增加了一组。

3.2 无功控制器电容器组的分组

本控制器所选用电容的大小分别为60μf，30μf，15μf，8μf四种。当在220V工作电压下的容量9043var，4521var，2260var，1205var最大可补偿20490var的无功功率。

这6组电容组可以实现0到20KVar的补偿，可以分为19级调节控制，我们根据二进制分组编码的思想，在电容投切时，单组电容器的容量按二进制法则进行递增，从而在组合上形成一系列连续递增的整数序列。如表3-2。

4.无功功率补偿器的实验仿真验正

中低压无功功率补偿器主要目的是补偿终端感性负载所发出的负的无功功率，然而有时在电压出现较大波动时，要优先补偿电网电压，只有稳定了电压系统才有可能正常运行，才有必要进行无功补偿。所以本实验过程，首先进行了高压保护及电压越限的仿真模拟。然后对电压稳定后的，负载感扰进行模拟[4-5]。

4.1 电压不稳定时的实验仿真

1)当电压高于最高上限时，TCR，TSC全部切除保护电路，保护补偿器的安全。

2)当开始时，0.3s到0.5s电压受到强烈的干扰达到1.5pu以上，即达到电压最高上限，此时保护电路启动，切除电容组与电抗器，如图4-1。

4.2 无功功率综合补偿实验

综合性实验：分别在0.2s，0.4s，0.6s，0.8s，1.0s时加入不同的无功小干扰，来模拟实际小区各用户对家用电器的不同步的启停对电网造成的影响。由图示可以看出：当持续的给予干扰的情况下，无功功率因数保持在0.9以上稳定在0.95以内，电压稳定在0.95pu到1.05pu之间。起到了我们所要求的补偿终端无功功率的目的，如图4-2。

5.结论

该控制器以TSC为主，TCR为辅，实时检测各相的电压电流值，利用DSP进行快速计算瞬时无功功率，并由检测参数进行控制策略的选择，发出控制信号通过隔离电路进行电气驱动，达到低压控制高压的目地。即具有传统TSC简单有效成本低廉的优点，又通过TCR的辅助作用，避免了当无功负荷小于一组电容器的容量时，可能会产生反复投切振荡。同时减少了投切的总次数，增加了晶闸管和电容的使用寿命[6]。另外一个很显著的优点就是当无功功率快速波动时，控制器可以迅速进行反应进行补偿，通过大电容及TCR的辅助作用，快速准确的补偿无功功率，而不会产生大的波动；当无功功率缓慢有序的变化是可以稳定的进行补偿。也就是说当扰动快速较大时，迅速反应最短时间内控制电路的稳定的运行。有持续时间长的扰动时，能用成本最低，引进干扰最少的方式，稳定补偿。达到“急则治标，快则治本”的效果。

[1]练志峰等.瞬时无功理论在SVC无功功率检测中的应用[J].电源世界,2007:13-26.

[2]黄振华等.基于瞬时无功理论的SVC无功功率算法及其LabVIEW实现[J].变流技术与电力牵引,2007(3):107-112.

[3]肖洪杰.试析电力系统的无功补偿技术学术期刊[J].科技信息,2007(15):10-19.

[4]陈斗.静止无功补偿技术的现状及发展[J].安徽电力科技信息,2007(6):56-74.

[5]刘宇怀,叶毅.三相无功测量方法的误差[J].电测与仪表,2009,40(453):28-31.

[6]程浩忠.电能质量无功补偿及其装置学术[J].低压电器,2007(6):38-52.