基于電容器跟蹤投切的無功補(bǔ)償裝置控制分析
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電力系統(tǒng)中，電能質(zhì)量是評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)運(yùn)行性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，而電壓又是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，電壓的穩(wěn)定性對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行性能來說顯得尤為重要。無功功率補(bǔ)償是涉及電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、電氣自動(dòng)化技術(shù)、理論電工等領(lǐng)域的重大課題。據(jù)科學(xué)統(tǒng)計(jì)，如果全國都通過優(yōu)化配置計(jì)算來安裝無功補(bǔ)償裝置，在總投資不變的條件下，估計(jì)每年可以節(jié)省電量大約3億千瓦時(shí)?？梢?，無功補(bǔ)償裝置的引入，能極大程度的提高電力系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。表1對(duì)各種無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行簡要對(duì)比，鑒于晶閘管投切電容器的實(shí)際運(yùn)行效果，其發(fā)展前景依然廣闊，本文旨在分析電容器組的投切方式和控制機(jī)理。
1 跟蹤投切電容器組的幾種方式
工程運(yùn)用中，可根據(jù)電網(wǎng)的無功需求投切電容器，在決定哪組電容的投入或切除的邏輯功能中，選擇不同投切方式，其效果也不盡相同。
1.1 采用機(jī)械方式投切電容器（MSC）
早期通常采用機(jī)械斷路器實(shí)現(xiàn)電容器的分組投切，這就是所謂的機(jī)械投切電容器（MSC）。工程運(yùn)用中，老式的機(jī)械投切有諸多困難（見表2），已經(jīng)逐漸退出歷史舞臺(tái)。
1.2 采用晶閘管反并聯(lián)方式投切電容器（TSC）
TSC實(shí)際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無功功率的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。和機(jī)械斷路器相比，晶閘管具有很強(qiáng)的操作壽命，而且晶閘管的投切時(shí)刻可以精確控制，以減少投切時(shí)的沖擊電流和操作困難，單相機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)原理見圖1。
TSC的控制系統(tǒng)能夠檢測系統(tǒng)的有關(guān)變量，并比較檢測量和給定（參考）輸入量的大小，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無功自動(dòng)補(bǔ)償。控制系統(tǒng)包括以下三部分電路：
①檢測電路：檢測控制所需要的系統(tǒng)變量和補(bǔ)償器變量。
②控制電路：為獲得所需要的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性對(duì)檢測信號(hào)和給定（參考）輸入量進(jìn)行處理。
③觸發(fā)電路：根據(jù)控制電路輸出的控制信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)觸發(fā)晶閘管的脈沖序列。
由于電容器兩端電壓不能突變，系統(tǒng)電壓和電容殘壓差值較大時(shí)觸發(fā)SCR會(huì)產(chǎn)生很大沖擊電流，其最大值達(dá)到正常工作電流的幾十倍，SCR難以承受這樣的大電流，可能直接燒毀器件。通常通過①增大串聯(lián)電抗器；②改善控制系統(tǒng)解決此類問題。從經(jīng)濟(jì)角度看，第一種方法容易造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，顯然不合適。本文主要是從控制角度加以分析，引入SCR電壓過零即觸發(fā)的策略（見圖2）。
控制原理：圖2中，SCR兩端電壓經(jīng)電阻降壓送到光電耦合器，當(dāng)交流電壓瞬時(shí)值與電容器的殘壓相等時(shí)晶閘管上的電壓為零，這時(shí)光電耦合器上輸出一個(gè)負(fù)脈沖。此脈沖寬度大約150us，脈沖反向后與TSC投入指令相與后啟動(dòng)多諧振蕩器輸出脈沖串，然后經(jīng)過功率放大和隔離電路去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。晶閘管一經(jīng)觸發(fā)就保持導(dǎo)通，相應(yīng)的電容器便投入運(yùn)行。
應(yīng)當(dāng)注意，在TSC控制系統(tǒng)中引入一定的滯環(huán)非線性環(huán)節(jié)（如圖3所示）是必要的，這可以避免在切換點(diǎn)處電容器組在短時(shí)間內(nèi)來回地投入與切除。當(dāng)補(bǔ)償器以穩(wěn)定電壓為目標(biāo)時(shí)，在控制系統(tǒng)中引入滯環(huán)非線性環(huán)節(jié)可使得TSC的電容器在系統(tǒng)電壓低于或高于某一閥值時(shí)投入或切除，而不是在相等的閥值下投入或切除，以防止在切換電壓附近振蕩不定。
下面介紹一組單片機(jī)控制的觸發(fā)電路：
制器主要有單片機(jī)、鍵盤接口電路、液晶顯示接口電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、同步電壓檢測電路，電壓電流和頻率檢測電流，還有觸發(fā)電路等部分組成。采用80C196KB單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，6264ROM存在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和程序，8279作為鍵盤顯示接口電路，連接了6位液晶顯示和7只按鍵，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。在單片機(jī)HSO.5發(fā)出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無功自動(dòng)補(bǔ)償。控制器硬件的原理見圖4。
1.3 采用晶閘管和二極管反并聯(lián)方式投切電容器
采用晶閘管和二極管反并聯(lián)方式對(duì)電容器進(jìn)行投切，代替兩個(gè)晶閘管的并聯(lián)情況，使導(dǎo)通前電容充電電壓維持在電源電壓的峰值。一旦電容電壓比電源電壓峰值有所降低，二極管都會(huì)將其充電至峰值電壓，因此，不會(huì)發(fā)生電容器充電電壓下降的現(xiàn)象，但是二極管是不控的，當(dāng)要切除此電容支路時(shí)，響應(yīng)時(shí)間稍慢。優(yōu)點(diǎn)：成本降低；缺點(diǎn)：響應(yīng)速度比兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)方式稍慢。
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