智能低压无功动态补偿装置设计

(广西电网有限责任公司桂林供电局,广西 桂林 541002)

1 引言

随着越来越多的工业用电设备接入电网，造成了供电母线功率因数低下，线损大幅度增加，电压合格率降低，严重影响了电能质量[1-2]。为改善上述状况，必须进行无功功率补偿。在低压配电网络，广泛采用投切电容器的方式进行无功补偿，并取得一定的成效[3-7]。但传统的低压无功补偿装置因考虑电容器的放电时间，电容器的投切间隔较长，降低了补偿效果。为此，需针对上述不足，研究新型的无功动态补偿方案以满足电力系统的需求。

2 无功动态补偿装置的功能要求及实现

2.1 响应速度

低压无功补偿装置是通过控制电力电容器的投/切来进行无功补偿。投切响应时间越短，越能有效地降低线损、提升线路电压。低压无功补偿装置通常分为静态和动态两大类。国家标准GB/T15576-2008《低压成套无功功率补偿装置》中规定：动态响应时间是指从系统的无功变化达到设定值时刻起到装置输出无功时的时间间隔。根据国标定义，要达到动态补偿的指标，运行中“重复投入电容器的时间间隔”应不大于1秒。考虑到运行中的电容器被切除后存在放电过程，若要求电容器切除后能快速投入，为避免涌流，就要保证在电容器电压为任何值时均能投入，而不能象静态补偿装置那样，等到电容器放电完毕、电网电压过零时才能投入。本文设计的过零投切电路用以检测电网电压瞬时值与电容器电压之差值，当其为零时投入电容器。具体电路如图1所示。

工作原理：

初始上电时候，电容C1、C2均没有储能电压。当A相电压高于A相电容器电压时，电压流经C1、D1、R1，此时C1进行储能，储能电压由D3稳压管决定。A相电压低于A相电容器电压时，三极管Q1导通，C1储能电压经过Q1、R5进行放电，光耦导通，光耦输出过零信号。同时，A相电容器电压流经C2、D2、R2，C2进行储能，在A相电压高于A相电容器电压时，三极管Q2导通，如此循环反复。信号输出端接至电容器投切开关芯片，以检测并控制电容器精确过零投入或切除。对上述电路使用proteus软件进行实时仿真，得到的电压波形如图2所示，其中尖波曲线为输出信号。

图1 电容器投切信号发生电路

图2 投切信号电路输出

2.2 补偿精度

补偿装置中，每一相均装设数个电容器，可根据负荷无功欠缺量的多寡适量投入。电容器数量越多，补偿精度越高，但却伴随着控制模式复杂，控制时间偏长，装置造价高等不足；控制电容器容量组合恰当与否，也将直接影响补偿精度，同样不能等闲视之。

2.2.1 电容器容量组合

本文的电容器容量组合方式为：

(1)补偿电容器分成两组——优先分补组和基础共补组。前者可分相、分组投切，应对各相无功负荷的不平衡；后者为三相同时投切，以满足各相日常最起码的无功功率。共补组电容按Δ接法接于线电压，对于相同的补偿容量，其电容量仅为分补组电容量的1/3。

(2)电容器容量按(1:2:4)(分补)+4n(共补)的组合方式配备，即优先分补组设3组，可分7级投切，基础共补组设n组，每组容量为4，可分n级投切。

电容器容量确定方法如下：

①设每相所需的补偿总容量为QΣ，编码组合的权重之和为(1+2+4+4n)，则最小补偿容量Qmin可由下式算出:

(1)

②由下式求出所需最小电容器容量:

(2)

③按1:2:4:4n的比例确定其它电容器的容量(需注意共补组与分补组的电容量关系)。

按上述方法确定的电容器组合，其无功补偿的最大偏差为±Qmin/2，补偿精度较高。例如，当n=2时，最小补偿容量Qmin为QΣ的1/15，补偿偏差小于±3.5%。随着n值增加，补偿精度将更高。

2.2.2 投切模式

本文采用混合补偿模式投切补偿电容器：

(1)各相根据无功缺额分别投入分补组电容；当各相无功缺额均大于共补组的补偿容量时，投入共补组电容，各相再分别调整分补组补偿容量，使补偿总量接近无功缺额；

(2)当系统过补，各相按过补量分别切除分补组电容；若各相过补量均大于已投入的共补组容量时，切除共补组电容，各相再适当切除分补组的补偿电容，消除过补现象。

3 补偿装置的硬件构成

3.1 微处理芯片的选择

无功补偿控制器芯片选用美国NXP公司的LPC1768单片机，它是32位单片机，采用了ARM Cortex-M3内核，工作频率最大可以达到100MHz，内存高达512KB，通配八路200kHz转换速率模拟采样通道，性能能够满足无功补偿控制器数据处理需求。电容投切开关选用价格相对较低的STM32F010C8，它是ST公司推出的基于Cortex-M3内核的低价位32位处理器，工作频率最大可以达到72MHz，具备64KB程序存储控件，20KB RAM，能够满足电容投切处理工作需求。

3.2 无功补偿设备硬件框图

4 控制软件设计

4.1 无功补偿控制方式流程图

图4 无功补偿控制流程图

无功补偿控制器实时对电网三相电压、电流、有功、无功等电参数进行采样计算，当检测到无功欠补时，从开关IO控制端发出投入电容器信号；当无功过补时，则发出切除电容器信号。除了无功补偿控制工作外，控制器还需要执行与上位机数据互传的通讯进程，人机操作的显示存储进程等。

4.2 电容器投切控制流程图

电容器投切开关是整个无功补偿装置的执行单元，投切开关性能的好坏影响到整个无功动态补偿装置的全局性能，因此设计时必须保证其可靠性。本设计中，电容器投切开关使用芯片内部定时器实时捕获电网电压与电容器的电压过零点，通过PID控制实时同步锁相跟踪信号过零时刻。当同步误差进入实时过零脉冲范围内，且误差在设定值允许范围内时，方接收由无功补偿控制器通过开关IO控制端传输的投切信号。处理芯片检测到投切信号时，立即发出投切控制信号到功率执行端，控制可控硅与功率继电器进行电容器投切时序操作，保证电容器能够无浪涌冲击、无电压飞弧工作。

图5 电容器投切控制流程图

该补偿装置已在桂林供电局城南供电分局瓦飞机场线界头新村1号公变低压侧挂网试运行，该变压器容量400kVA、负荷390kW，该补偿装置试运行后，经查询计量自动化系统，未接入补偿装置时功率因数为0.821，接入后为0.997，功率因数提升明显，经投切试验：运行后增减负荷，通讯正常，能自动投切部分电容，末端电压保持215V～227V之间，对线路末端低电压改善明显。

5 结语

(1)无功功率动态补偿装置具有补偿速度快、补偿效果好，能更好地保证电压质量、降低线损的特点。

(2)本文设计的低压无功动态补偿装置，能够在1个周波内完成电参数采样、分析计算，发出控制指令，并能以小于1s的时间间隔带负荷切投电容器，无需等待电容器放电，真正做到无功功率的动态补偿。补偿装置能在电网电压的瞬时值与电容器电压相等的瞬间投入电容器，投切过程中无涌流、无飞弧。

(3)通过优化组合电容器容量，采用混合补偿的投切模式，较大地提高了补偿精度，补偿过程中开关动作次数少，能有效延长控制开关的寿命。