基于DSP的低壓終端無功補(bǔ)償裝置的研究

1.引言

現(xiàn)代電網(wǎng)中，電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)荷占據(jù)很大比重，它們?cè)谧龉r(shí)需要吸收大量的無功功率，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，帶動(dòng)設(shè)備做功。

這樣，電源提供的電功率并不完全供給給有功功率，還要一部分轉(zhuǎn)換為無功功率，這無疑增加了電網(wǎng)電源的負(fù)擔(dān)，降低了供電設(shè)備的效率，而且由于線路中無功電流的存在將增大網(wǎng)絡(luò)損耗，降低輸電線的使用壽命，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。為了解決這一問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了低壓終端無功補(bǔ)償裝置，在電路中需要消耗無功功率的地方提供無功功率，即對(duì)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。

2.無功補(bǔ)償技術(shù)的有關(guān)理論分析

2.1 TSC型無功補(bǔ)償裝置的工作原理

圖2-1給出了TSC型無功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)模型，其中2個(gè)反并聯(lián)晶閘管作為補(bǔ)償電容器的投切開關(guān)。首先，交流電源US經(jīng)變壓器PT和線路電抗XL后對(duì)負(fù)載供電，負(fù)載端電壓為U2,負(fù)載電流為I,IP和IQ分別成為正弦電路中的電流有功分量和無功分量。在負(fù)載處經(jīng)晶閘管開關(guān)T接入一個(gè)補(bǔ)償電容器C,電容抗為XC若選取C的大小使IC等于負(fù)載感性電流IQ,即：

同時(shí)，IC為容性電流，超前電壓U290°，-IC即為感性電流，滯后U290°，與負(fù)載感性電流IQ同相，這樣，按上式選擇電容C,負(fù)載的感性電流IQ的大小和幅值都等于電容器向電網(wǎng)輸出的感性電流-IC,電容器C輸出的無功功率抵消掉了負(fù)載消耗的無功功率，因此，整個(gè)電路中只有有功電流在流動(dòng)，沒有無功電流的損耗，負(fù)載的功率因數(shù)接近于1,這樣就提高了電能的利用率，降低了電能在輸送過程中造成的浪費(fèi)。

2.2 無功補(bǔ)償控制方式的研究

傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置依靠單一的物理量作為參考量，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制，本設(shè)計(jì)中，為了滿足控制的需要，做到精準(zhǔn)無誤的控制，我們選擇性能較好的兩種控制方式相結(jié)合，即以無功功率為主要判據(jù)、電壓為輔助判據(jù)的電壓無功復(fù)合控制方式，利用無功功率校正控制避免投切震蕩、以電網(wǎng)電壓的限定值作為電容投切的約束條件，從而實(shí)電容器組的智能綜合投切，在保證電壓在合格的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無功平衡，既減少了網(wǎng)絡(luò)損耗，又考慮到了電壓質(zhì)量。

圖2-2為控制投切區(qū)域圖，分為11個(gè)區(qū)域來進(jìn)行控制。Q是系統(tǒng)的實(shí)際無功功率，U是實(shí)際電壓值，控制策略中設(shè)置了兩級(jí)電壓門限和一級(jí)無功門限，分別是：電壓上限U上限和下限U下限;電壓上極限U上極限和下極限U下極限;無功上限Q上限和下限Q下限，當(dāng)電網(wǎng)電壓越上、下極限時(shí)，此時(shí)不考慮無功功率，投切電容器來改變電壓值，使其回到上、下限之間，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓在合格范圍內(nèi)才根據(jù)無功值來投切電容器，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)無功。

2.3 有關(guān)補(bǔ)償電容器分組方法的研究

本設(shè)計(jì)中電容器的分組方式采用不等容分組方式。不等容分組方式是指各組電容器的容量不相等，分組容量比不宜過大，以不超過1:3為宜。例如：可以補(bǔ)償15kvar無功容量的電容，按照1:2:4:8的比例來分，每組補(bǔ)償容量分別為1kvar、2kvar、4kvar、8kvar,就可實(shí)現(xiàn)15級(jí)組合，分成4組就可以實(shí)現(xiàn)0~15kvar補(bǔ)償級(jí)差為1kvar的無功補(bǔ)償。這種分組方式補(bǔ)償速度快，精度高，同時(shí)也節(jié)省了電容器投切開關(guān)的數(shù)量，降低了成本;缺點(diǎn)是只要最小一組容量能夠進(jìn)行投切，則總是對(duì)該組進(jìn)行操作，以此類推，順序操作，結(jié)果最小一組電容器頻繁進(jìn)行投切，使用壽命最短，且其控制也比較復(fù)雜。

本設(shè)計(jì)選用四種電容器，電容大小分別為60uf,30uf,15uf,8uf,當(dāng)在220V工作電壓下的容量分別為9043var,4521ar,2260var,1205var,這樣可以補(bǔ)償?shù)臒o功功率最大可達(dá)到17030var.這四種電容器組可以實(shí)現(xiàn)0到17Kvar的補(bǔ)償，可以分為15級(jí)調(diào)節(jié)控制。雖然軟件控制較復(fù)雜，但可以節(jié)省投切開關(guān)的數(shù)量，減少了補(bǔ)償裝置的成本。

3.無功補(bǔ)償裝置的硬件設(shè)計(jì)

本課題設(shè)計(jì)的是基于DSP控制的晶閘管投切電容器(TSC)型無功補(bǔ)償裝置，其控制器采用DSP為核心控制器，采用了集中補(bǔ)償方式，裝配在配電變壓器低壓母線上，對(duì)配電變壓器所帶的整個(gè)區(qū)域負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，利用電壓無功復(fù)合投切判據(jù)來判定電容器組的投切，投切開關(guān)選用晶閘管與繼電器結(jié)合使用的復(fù)合開關(guān)。其硬件原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示，主要包括控制器模塊，電壓、電流檢測(cè)調(diào)理模塊，脈沖驅(qū)動(dòng)電路模塊，復(fù)合開關(guān)模塊以及通訊、存儲(chǔ)模塊幾部分組成。