靜止無功補(bǔ)償裝置的整體設(shè)計(jì)

1、    摘  要：介紹了無功補(bǔ)償控制器的主要功能以及基于雙CPU結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)總體組成，為實(shí)現(xiàn)快速、無沖擊的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，采用零電壓觸發(fā)投切方式，設(shè)計(jì)了晶閘管過零觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，配合控制器投切指令，能有效地觸發(fā)晶閘管進(jìn)行電容器投切。關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償控制器、整體設(shè)計(jì)、電容器無功補(bǔ)償技術(shù)對于提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和挖掘電網(wǎng)的潛力是十分必要的。其主要作用包括提高負(fù)載和系統(tǒng)的功率因數(shù)、減少設(shè)備容量和功率損耗，穩(wěn)定電壓，提高供電質(zhì)量，提高系統(tǒng)輸電穩(wěn)定性和輸電能力，平衡三相負(fù)載的功率等。因此，無功功率補(bǔ)償已成為保證電網(wǎng)高質(zhì)量運(yùn)行的重要手段之一，也是電力系統(tǒng)研究領(lǐng)

2、域的一個(gè)重大課題。因此在配電網(wǎng)改造中推廣無功補(bǔ)償技術(shù)是一個(gè)值得關(guān)注的實(shí)際課題。1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與組成本文設(shè)計(jì)的無功補(bǔ)償控制裝置采用雙CPU結(jié)構(gòu)，應(yīng)用TI公司的數(shù)字處理器TMS320F2812作為主控CPU，用于數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、狀態(tài)判斷、控制決策確定、驅(qū)動(dòng)輸出和外部通信等主要功能。采用TI公司生產(chǎn)的AVR單片機(jī)ATMEGA64L作為監(jiān)控CPU負(fù)責(zé)人機(jī)接口控制部分，完成液晶顯示和鍵盤響應(yīng)功能。遵循各插件板功能劃分明確、強(qiáng)弱電系統(tǒng)分離的原則，兩CPU間相對獨(dú)立，減少了CPU間的數(shù)據(jù)交換量，有利于控制程序的實(shí)時(shí)執(zhí)行，提高了運(yùn)行的可靠性，同時(shí)使程序設(shè)計(jì)思路清晰，簡明?？刂破饔布Y(jié)構(gòu)如圖1所

3、示。圖1控制器硬件組成框圖無功補(bǔ)償控制裝置集電網(wǎng)監(jiān)測與無功補(bǔ)償控制、電容器保護(hù)于一體，不但可以補(bǔ)償電網(wǎng)中的無功損耗，提高功率因數(shù)，降低線損，從而提高電網(wǎng)的負(fù)載能力和供電質(zhì)量；同時(shí)還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電網(wǎng)的三相電壓、電流、功率因數(shù)、諧波等運(yùn)行數(shù)據(jù)，完成對配電線路的監(jiān)測、分析處理等綜合管理。通過擴(kuò)展通信口，利用載波通信，光纖通道或者GPRS無線通信方式，與其他補(bǔ)償點(diǎn)裝置連成完備系統(tǒng)，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至后臺(tái)計(jì)算機(jī)中心，進(jìn)行綜合分析控制，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)無功補(bǔ)償系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)控。為方便用戶從裝置中取出相關(guān)數(shù)據(jù)，在裝置前面板上設(shè)計(jì)了USB接口，可外接USB存儲(chǔ)設(shè)備，下載需要的數(shù)據(jù)，分析裝置控制行為和補(bǔ)償狀況。這種設(shè)計(jì)使

4、人機(jī)界面更加友好，增強(qiáng)了裝置的可操作性，方便了用戶的使用。2 無功補(bǔ)償控制裝置的功能本文設(shè)計(jì)的無功補(bǔ)償控制裝置具有以下特點(diǎn)：1)投切機(jī)構(gòu)控制方式：晶閘管反并聯(lián)控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤、快速補(bǔ)償。2)控制物理量：基于九域圖的模糊控制判斷方式，以電網(wǎng)電壓和無功功率綜合判斷，進(jìn)行分接頭調(diào)節(jié)和電容器投切。支持功率因數(shù)控制，無功電流控制，電壓控制，時(shí)間控制等單參數(shù)控制策略，可按需要選擇控制物理量。3)補(bǔ)償方式：采用三相共補(bǔ)和分相補(bǔ)償相結(jié)合的混合補(bǔ)償方式，配備循環(huán)投切控制和二進(jìn)制編碼投切控制方式。4)保護(hù)功能過壓保護(hù)：電網(wǎng)電壓大于高壓保護(hù)值（1.01.2NU范圍可調(diào)）時(shí)，自動(dòng)快速切除全部電容器；欠壓保護(hù)：電網(wǎng)電

5、壓小于設(shè)定下限值（0.650.95NU范圍可調(diào)）時(shí)，自動(dòng)快速切除全部電容器；缺相保護(hù)：電網(wǎng)發(fā)生斷路缺相時(shí)，自動(dòng)切除全部電容器；失壓保護(hù)：裝置斷電后控制開關(guān)自動(dòng)切除電容，保證再通電時(shí)各電容器組處于分?jǐn)酄顟B(tài)；諧波保護(hù)：電網(wǎng)諧波含量超過設(shè)定值時(shí)，報(bào)警，自動(dòng)快速切除該相電容器；短路保護(hù)：檢測到電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，自動(dòng)快速切除電容器并閉鎖系統(tǒng)；投切振蕩閉鎖報(bào)警保護(hù)：控制器判斷出發(fā)生投切振蕩時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，同時(shí)閉鎖投切。5)電容器延時(shí)功能：靜態(tài)投切時(shí)，電容器投切延時(shí)10120s，可設(shè)定；動(dòng)態(tài)投切時(shí)，030ms；可選投切狀態(tài)。6)自檢復(fù)歸；每次接通電源后，裝置進(jìn)行自檢，并使輸出回路處于斷開狀態(tài)重新判斷是否投電

6、容器。7)參數(shù)設(shè)置、調(diào)整：可設(shè)置投切電壓區(qū)間上下限數(shù)值、投切功率因數(shù)上下限數(shù)值、投切延時(shí)、電流互感器變比、投入門限無功電流值、切出門限無功電流值、諧波電壓和電流含量切出門限及控制參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)/手動(dòng)投切設(shè)置。可設(shè)置和修正本機(jī)時(shí)鐘，通信參數(shù)等。8)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集及傳送功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測、計(jì)算和顯示電網(wǎng)三相電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)、諧波含量等運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過擴(kuò)展通訊口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，遠(yuǎn)程傳送運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對配電線路的監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)分析等綜合管理。3晶閘管過零觸發(fā)電路本文采用雙向反并聯(lián)的晶閘管作為電容器的投切機(jī)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸器投切，并采用檢測晶閘管兩端電壓的零電壓觸發(fā)方式。為此，需要選擇具有過零觸

7、發(fā)能力的芯片控制晶閘管的通斷。我們選用Motorola公司的過零觸發(fā)控制芯片MOC3083，它由鎵-砷紅外發(fā)射二極管結(jié)合過零電壓硅檢測器組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)1腳和2腳間電流超過5mA時(shí)，內(nèi)部的紅外二極管將發(fā)出紅外射線，4腳和6腳分別接于觸發(fā)相電網(wǎng)電壓和電容端電壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓和電容器電壓幅值相等、相位相同時(shí)，過零芯片將在4腳和6腳產(chǎn)生5v左右的電壓，在兩個(gè)可控硅的觸發(fā)端產(chǎn)生一定的觸發(fā)電壓，在主回路的正向或負(fù)向電壓驅(qū)動(dòng)下，晶閘管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電壓過零導(dǎo)通。本設(shè)計(jì)中，晶閘管投切用的是IXYS公司的MCC56-16io8B雙晶閘管模塊，其門極最小觸發(fā)電壓為1.5v,門極觸發(fā)電流為100mA200

8、mA。為確保觸發(fā)信號滿足晶閘管開通的電壓、電流要求，故將過零檢測電路的輸出電壓送至觸發(fā)電路，經(jīng)電壓調(diào)整后，將電壓過零時(shí)調(diào)整輸出的高電平經(jīng)非門后，送至由光隔和三極管組成的晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，加強(qiáng)觸發(fā)信號的可靠性。觸發(fā)信號的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。過零檢測電路外部接線圖如圖4所示。      圖2 MOC3083內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖                  

9、圖3 觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路圖4 過零檢測電路外部接線圖電容器接入系統(tǒng)后，兩反并聯(lián)的晶閘管在交流電壓的作用下輪流導(dǎo)通以保證電容器的投入，任一時(shí)刻都有一晶閘管承受正向電壓，另一晶閘管承受反向電壓。晶閘管在承受正向電壓的正半周被觸發(fā)導(dǎo)通后，在負(fù)半周時(shí)由于承受反壓的作用，在電流過零點(diǎn)自動(dòng)關(guān)斷，而此時(shí)反并聯(lián)的另一晶閘管承受的是正向電壓，觸發(fā)其導(dǎo)通，接替前一晶閘管承擔(dān)連接電容的工作。譯碼輸出的投入信號使過零檢測電路在電容器投入期間一直處于工作狀態(tài)，在晶閘管兩端電壓的每個(gè)過零點(diǎn)觸發(fā)晶閘管，使其順利導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后或承受反壓時(shí)，觸發(fā)極信號不會(huì)影響晶閘管的正常工作，因此，在每個(gè)電壓過零點(diǎn)均觸發(fā)兩反并聯(lián)的晶閘管，對于從承受反向電壓向承受正壓過渡的晶閘管將自然導(dǎo)通，而另一晶閘管則不受觸發(fā)信號的影響，電流過零時(shí)自然關(guān)斷。這樣兩反并聯(lián)的晶閘管可用同一觸發(fā)信號，簡化了設(shè)計(jì)。需要切除電容器時(shí)，譯碼輸出的切除電容信號經(jīng)非門把MOC3803的2腳電位至高，這樣，過零檢測電路停止工作，停止向晶閘管發(fā)送觸發(fā)信號，晶閘管在電流過零關(guān)斷后不再導(dǎo)通。在設(shè)計(jì)過程中，對觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，用電燈負(fù)載代替電容器通過反并聯(lián)的晶閘管模塊MCC56-16io8B接至周期交流電源，通過觀察電燈的導(dǎo)通情況來判斷晶閘管的工作情況。實(shí)驗(yàn)中，電燈在晶閘管首次過零導(dǎo)通后一直保持導(dǎo)通狀態(tài)，沒有出現(xiàn)斷流熄滅情況，由此證明反并