摘要 提出了滿足分相、分級、快速補(bǔ)償要求的實(shí)用主電路，能有效地限制合閘涌流，抑制高次諧波。給出了以工業(yè)PC機(jī)為核心的控制器的硬件電路、快速檢測無功的方法、晶閘管觸發(fā)信號的控制要求,以及補(bǔ)償裝置的閉鎖條件，解決了控制器應(yīng)滿足實(shí)時檢測、快速響應(yīng)和高可靠性等實(shí)際問題。具體說明了這種新型補(bǔ)償裝置的主電路、消除合閘時暫態(tài)過程的理論和方法，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明,這種裝置在理論上是正確的，實(shí)踐上是可行的，已用于研制的補(bǔ)償裝置。文中所提的方法原則上可用于高電壓等級中的補(bǔ)償。
要害詞 無功補(bǔ)償 電容器 晶閘管 工業(yè)計(jì)算機(jī)
目前，低壓并聯(lián)電容器組大多采用三角形接法［1］，無功補(bǔ)償均為靜態(tài)補(bǔ)償，以交流接觸器作電力電容器的投切執(zhí)行元件，投入時沖擊電流大，切除時會產(chǎn)生過電壓，自身觸頭易損甚至熔焊，噪聲大，而且投切時間長。在控制環(huán)節(jié)上基本不能滿足分相、分級、快速及跟蹤補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>
基于上述問題，低壓配電網(wǎng)應(yīng)采用動態(tài)補(bǔ)償。動態(tài)補(bǔ)償是以晶閘管作為執(zhí)行元件，用工業(yè)PC機(jī)進(jìn)行控制，通過跟蹤檢測負(fù)荷的無功電流或無功功率，對多級電容器組進(jìn)行分相投切。補(bǔ)償效果快速、準(zhǔn)確、安全、潔凈及易于控制。此外，還可以對不平衡的無功功率進(jìn)行完全補(bǔ)償，這是以往的補(bǔ)償裝置難以勝任的。
1 主電路
主電路設(shè)計(jì)除了滿足分相、分級和快速補(bǔ)償要求外，還應(yīng)考慮限制并聯(lián)電容器組的合閘涌流和抑制高次諧波等問題。
三相電力電容器接成星形以滿足分相補(bǔ)償?shù)囊螅闺娫醋儔浩鬏敵龅挠泄β首畲?。本裝置的優(yōu)點(diǎn)是不但可以補(bǔ)償正序性質(zhì)的無功功率，而且可以補(bǔ)償零序回路的無功功率。假如補(bǔ)償電容器為三相對稱三角形接法，而電源變壓器所接的三相負(fù)載又不對稱，當(dāng)補(bǔ)償后三相總功率因數(shù)等于1時，就會出現(xiàn)有的相欠補(bǔ)償，有的相過補(bǔ)償。欠補(bǔ)償時，受電端電壓低于送電端電壓；過補(bǔ)償時，受電端電壓高于送電端電壓。考慮到線路電壓損失，一般送電端電壓要高于額定電壓5～10。在過補(bǔ)償?shù)那闆r下，再加上電壓升高，則受電端電壓超過額定電壓的數(shù)值就遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10。假如電容器并聯(lián)于變壓器的二次側(cè)，變壓器的阻抗也要計(jì)入線路的阻抗，于是受電端電壓將升高得更多。運(yùn)行電壓的升高，對電力電容器及整個系統(tǒng)的安全運(yùn)行會產(chǎn)生極不利的影響。另外,三相不對稱負(fù)載采用三相對稱三角形接法的電力電容器組進(jìn)行補(bǔ)償，則變壓器的容量得不到充分利用。星形聯(lián)接電容器組的每相電容器按二進(jìn)制1∶2∶4∶8關(guān)系分四組進(jìn)行補(bǔ)償，以提高靜態(tài)補(bǔ)償精度。不同組的電容器容量不同，晶閘管的額定電流也不同。主電路如圖1所示，圖中每相只畫出其中的兩組。
圖1 主電路圖
Fig.1 Themaincircuit
晶閘管作為無觸點(diǎn)開關(guān)，能快速通斷，不存在電弧及噪聲等現(xiàn)象，安全可靠，使用壽命長。假如導(dǎo)通角選擇合適，則電容器投入時不會產(chǎn)生沖擊電流（合閘涌流），電容量分級補(bǔ)償可以一步到位。采用晶閘管開關(guān)，電容器無需放電即可重投，動態(tài)響應(yīng)時間在1個周期（20ms）之內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地跟蹤補(bǔ)償，從而提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。
在事故狀態(tài)下和晶閘管誤觸發(fā)時，并聯(lián)電容器組合閘，將會產(chǎn)生幅值很大、多種頻率的合閘涌流。當(dāng)電源電壓波形發(fā)生畸變時，由于諧波頻率高，電容器的阻抗減小，通過電容器的電流會加大；另外，電容器組在存在諧波的電網(wǎng)中，可能會碰到諧振，使電容器組中電流增大幾倍到十幾倍。為了限制并聯(lián)電容器組中的合閘涌流，抑制高次諧波，主電路中應(yīng)加裝串聯(lián)電抗器。為了抑制3次以上的高次諧波，串聯(lián)電抗器電抗值選擇為電容器組容抗值的13，即XL＝0.13XC。電流過大時，帶鐵芯的電抗器鐵芯會飽和，影響限流效果。因此，串聯(lián)電抗器應(yīng)選擇空芯電抗器，且安裝布置在電容器組的電源側(cè)，即母線側(cè)。
通常我國低壓采用三相四線制TN-C系統(tǒng)供電。其特點(diǎn)是工作中性線N與保護(hù)接地線PE合為一根PEN線，所有設(shè)備的外裸可導(dǎo)電部分均與PEN線相連。當(dāng)三相負(fù)荷不平衡時，PEN線上有電流通過。分相補(bǔ)償時電容器頻繁投切引起的三相不平衡合閘涌流，可使PEN線過負(fù)荷發(fā)熱，引起零電位漂移，危及人身安全，影響用電設(shè)備的正常工作。例如，影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常工作等。所以，除了串聯(lián)電抗器以外，還應(yīng)盡可能降低星形接法電容器中性點(diǎn)的接地電阻，以保證由三相不平衡合閘涌流引起的零電位漂移較小
［2］。
主電路中還需考慮電力電容器和晶閘管的保護(hù)。
2 控制器
控制器的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮檢測量的檢測方法簡單、快速，以滿足跟蹤補(bǔ)償?shù)囊?；同時還應(yīng)考慮晶閘管的可靠觸發(fā)、抗干擾和裝置閉鎖等問題，以提高裝置的可靠性。
2.1 硬件電路圖
電容器組的投切控制是由工業(yè)PC機(jī)、I/O模塊（包括數(shù)據(jù)采集模塊A/D板、光電隔離數(shù)字量輸入模塊IDI板、光電隔離數(shù)字量輸出模塊IDO板、串行通信模塊)、取樣電路和晶閘管觸發(fā)電路組成的工業(yè)控制系統(tǒng)。由于控制器采用了工業(yè)PC機(jī),軟硬件豐富，通信功能強(qiáng)，電磁兼容性好，提高了無功補(bǔ)償裝置的可靠性，縮短了研制的周期，并可實(shí)現(xiàn)與其他自動控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，使無功補(bǔ)償系統(tǒng)化控制。
電壓、電流取樣電路與I/O模塊的聯(lián)接見圖2。觸發(fā)電路與主電路及I/O模塊的聯(lián)接見圖3。
圖2 電壓、電流取樣電路與I/O模塊的聯(lián)接圖
Fig.2 Theconnectionbetweensamplingcircuit
ofvoltage,currentandI/Omodules
圖3 觸發(fā)電路與主電路及I/O模塊的聯(lián)接圖
Fig.3 Theconnectionoftriggercircuit,
maincircuitandI/Omodules
2.2 無功電流檢測
無功電流實(shí)時檢測電路由有源電壓隔離傳感器、電流隔離傳感器、單限比較器、采樣保持器
組成。有源電壓、電流隔離傳感器將母線電壓及線路電流經(jīng)隔離后轉(zhuǎn)換成有效值為3.5V的電壓信號。單限比較器將正弦波電壓的正半周變換為高電平（5V），正弦波電壓的負(fù)半周變換為低電平（0V）的脈沖數(shù)字信號。在相電壓由正到負(fù)的過零瞬間，相電流的瞬時值恰好就是相無功電流的最大值，將相電壓由正到負(fù)的過零信號（單限比較器的輸出信號）作為采樣保持器的采樣開關(guān)，相電流經(jīng)i－u轉(zhuǎn)換后接到采樣保持器的輸入端，采樣保持器的輸出信號就是對應(yīng)的無功電流的最大值。設(shè)單相負(fù)載的無功功率為QL，則
QL＝UpIpsinφ＝UpIQ (1)
式中Up和Ip分別為負(fù)載的相電壓和相電流的無功分量。
設(shè)并聯(lián)電容器組的無功功率為QC，則
QC＝UpIC (2)
式中IC為單相電容器組的相電流。
由于負(fù)載和電容器組的工作電壓相同，所以IQ代表了負(fù)載的感性無功功率，也代表了完全補(bǔ)償時電容的容性無功功率。
這種檢測方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單、快速，每相在一個周期內(nèi)只需做1次采樣，可滿足基波動態(tài)分相補(bǔ)償快速測量的要求?？刂破鞑捎瞄]環(huán)控制方式，檢測點(diǎn)設(shè)置在主變與電容柜之間，控制器檢測補(bǔ)償后的無功功率ΔQ，由ΔQ求得負(fù)載的全部無功功率QL，即完全補(bǔ)償時所需投入的全部電容的無功功率。這種控制方式可以在每個檢測周期后，一次投入應(yīng)投入的全部電容量，提高了靜態(tài)補(bǔ)償?shù)木龋?］。
2.3 晶閘管觸發(fā)控制
晶閘管觸發(fā)控制板采用KCZ2單相觸發(fā)板。觸發(fā)板輸出的脈沖序列經(jīng)脈沖變壓器送到晶閘管的控制端，板內(nèi)含有內(nèi)部過電流保護(hù)和外部故障保護(hù)輸入端口（低電平有效），保護(hù)動作后，封鎖脈沖以保證系統(tǒng)安全。用工業(yè)PC機(jī)IDO板的某一位來控制觸發(fā)板的脈沖封鎖端。當(dāng)IDO板的某一位輸出為低電平時，無觸發(fā)脈沖輸出，晶閘管關(guān)斷；當(dāng)IDO板的某一位輸出為高電平時，有觸發(fā)脈沖輸出，晶閘管導(dǎo)通。
電容器組投切時的暫態(tài)過程是衡量投切控制裝置動態(tài)特性的重要指標(biāo)。假如補(bǔ)償裝置的主電路為晶閘管與大功率二極管反并聯(lián)方式（見圖4（a）），單相等效電路見圖4（b），則其電路方程為
圖4 晶閘管投切電容器
Fig.4 Capacitorswitchedbythyristor
設(shè)電源電壓u＝Umsin(ωt＋φ),電感元件的初始電流i(0＋)＝i(0－)＝0,電容元件的初始電壓u(0＋)＝u(0－)＝uC0,解方程(3)得
式中為LC電路的共振頻率，一般遠(yuǎn)大于ω。
晶閘管投切電容器時，要使電流i的暫態(tài)過程為零，則必須同時滿足電容器的預(yù)充電條件和晶閘管的控制角條件。即
實(shí)際上，由于ω0》ω，式(5)又可以進(jìn)一步推導(dǎo)得uC0。對于圖4(a)所示的電路，只要使電容器在電源正峰值時投入(即控制在電壓相位為90四周時合閘)，則沖擊電流很?。?，5］，從工程觀點(diǎn)可以認(rèn)為等于零。
2.4 控制裝置的閉鎖
為了使晶閘管投切電容器控制裝置可靠、安全地運(yùn)行，除了考慮到它的控制條件外，還應(yīng)考慮它的閉鎖條件。即在某種特定的運(yùn)行方式下，無功補(bǔ)償電容器應(yīng)退出工作。例如，當(dāng)變電站母線、線路、主變壓器發(fā)生事故或電容器組內(nèi)部事故時，假如不將電容器從母線中切除，則電容器會因過電流或過電壓而損壞，甚至引起爆炸。所以，當(dāng)主變或線路保護(hù)動作時，保護(hù)出口去跳開關(guān)的同時，應(yīng)閉鎖微機(jī)自動控制裝置和封鎖晶閘管觸發(fā)脈沖。當(dāng)事故切除，恢復(fù)送電后再投入電容器。
STRONG>3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
實(shí)驗(yàn)電路如圖4(a)所示。電容器為自愈式低壓并聯(lián)電容器BZMJ0.4-5-1(C＝99.5μF，tgδ＝
0.0012),電源電壓為220V，頻率50Hz，晶閘管的控制角為90，電源電壓和晶閘管觸發(fā)脈沖用數(shù)字式雙蹤示波器觀測的波形如圖5所示。當(dāng)電容器支路分別串聯(lián)電抗率k＝0、k＝6和k＝13的空芯電抗器時，用數(shù)字式雙蹤示波器觀測電源電壓u和電容器電流i經(jīng)變送器變換后的交流信號，同時對u和i進(jìn)行同步采樣。u和i的波形圖見圖6。主要諧波(相對值)和總諧波畸變率見表1和表2。
圖4 晶閘管投切電容器
Fig.4 Capacitorswitchedbythyristor
設(shè)電源電壓u＝Umsin(ωt＋φ),電感元件的初始電流i(0＋)＝i(0－)＝0,電容元件的初始電壓u(0＋)＝u(0－)＝uC0,解方程(3)得
式中為LC電路的共振頻率，一般遠(yuǎn)大于ω。
晶閘管投切電容器時，要使電流i的暫態(tài)過程為零，則必須同時滿足電容器的預(yù)充電條件和晶閘管的控制角條件。即
實(shí)際上，由于ω0》ω，式(5)又可以進(jìn)一步推導(dǎo)得uC0。對于圖4(a)所示的電路，只要使電容器在電源正峰值時投入(即控制在電壓相位為90四周時合閘)，則沖擊電流很?。?，5］，從工程觀點(diǎn)可以認(rèn)為等于零。
2.4 控制裝置的閉鎖
為了使晶閘管投切電容器控制裝置可靠、安全地運(yùn)行，除了考慮到它的控制條件外，還應(yīng)考慮它的閉鎖條件。即在某種特定的運(yùn)行方式下，無功補(bǔ)償電容器應(yīng)退出工作。例如，當(dāng)變電站母線、線路、主變壓器發(fā)生事故或電容器組內(nèi)部事故時，假如不將電容器從母線中切除，則電容器會因過電流或過電壓而損壞，甚至引起爆炸。所以，當(dāng)主變或線路保護(hù)動作時，保護(hù)出口去跳開關(guān)的同時，應(yīng)閉鎖微機(jī)自動控制裝置和封鎖晶閘管觸發(fā)脈沖。當(dāng)事故切除，恢復(fù)送電后再投入電容器。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
實(shí)驗(yàn)電路如圖4(a)所示。電容器為自愈式低壓并聯(lián)電容器BZMJ0.4-5-1(C＝99.5μF，tgδ＝
0.0012),電源電壓為220V，頻率50Hz，晶閘管的控制角為90，電源電壓和晶閘管觸發(fā)脈沖用數(shù)字式雙蹤示波器觀測的波形如圖5所示。當(dāng)電容器支路分別串聯(lián)電抗率k＝0、k＝6和k＝13的空芯電抗器時，用數(shù)字式雙蹤示波器觀測電源電壓u和電容器電流i經(jīng)變送器變換后的交流信號，同時對u和i進(jìn)行同步采樣。u和i的波形圖見圖6。主要諧波(相對值)和總諧波畸變率見表1和表2。
圖5 晶閘管觸發(fā)信號和同步信號波形圖
Fig.5 Thewaveformoftriggersignalandsynchronoussignal
圖6電壓U和電流i波形圖
Fig.6Thewaveformofvoltageandcurrent
表1 電網(wǎng)電壓主要諧波電壓值(相對值)
Tab.1 Thedominantharmonicvoltagein
powernetwork(relativevalue)
電抗率k/U1U3U5U7U9U11U13U15THDu
01001.932.551.341.310.300.330.233.75
61002.141.761.030.920.110.130.193.11
131001.392.051.011.000.280.270.112.88
，為電壓總諧波畸變率。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：
(1)由于晶閘管在開通前電容器已通過大功率二極管預(yù)充電到電源電壓的正峰值，只要當(dāng)晶閘管控制角在90時電容器即投入，沖擊電流很小，對母線電壓不會產(chǎn)生擾動,這于延長電容器壽命有利。表2 電流主要諧波值(相對值)
Tab.2 Thedominantharmoniccurrent
incurrent(relativevalue)
電抗率k/I1I3I5I7I9I11I13I15THDi
01006.8913.379.6915.186.268.9512.2228.61
610014.5111.543.152.410.340.480.6018.97
1310017.232.790.680.560.410.440.5117.49
注：，為電流總諧波畸變率。(2)當(dāng)諧波電流注入系統(tǒng)后，諧波電流通過電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波電壓，使電源電壓發(fā)生畸變。當(dāng)電容器支路串聯(lián)電抗率k＝0時，電流波形嚴(yán)重畸變，總諧波畸變率較大；當(dāng)串聯(lián)電抗器后，除了能避免電容器支路與系統(tǒng)產(chǎn)生的并聯(lián)諧振(k＝6時，能將5次以上的諧波脫諧；k＝13時，能將3次以上的諧波脫諧)外，由于電抗器的感抗隨頻率的升高而增大，從而具有抑制諧波電流的作用，使電容器支路的高次諧波電流減小，波形明顯改善，總畸變率下降。
4 結(jié)論
電力電容器作為補(bǔ)償元件，晶閘管作為執(zhí)行元件，用工業(yè)PC機(jī)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)的動態(tài)分相補(bǔ)償，從根本上保證了補(bǔ)償?shù)目焖傩?、?zhǔn)確性和合理性。另外，動態(tài)補(bǔ)償能限制電容器的合閘涌流，提高供電質(zhì)量，確保配電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
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