基于电容器跟踪投切的无功补偿装置控制分析

0　引言

　　电力系统中，电能质量是评价电力系统运行性能优劣的重要指标，而电压又是衡量电能质量的一个重要指标，因此，电压的稳定性对电力系统运行性能来说显得尤为重要。无功功率补偿是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电工等领域的重大课题。据科学统计，如果全国都通过优化配置计算来安装无功补偿装置，在总投资不变的条件下，估计每年可以节省电量大约3亿千瓦时。可见，无功补偿装置的引入，能极大程度的提高电力系统的安全、优质运行。表1对各种无功补偿装置进行简要对比，鉴于晶闸管投切电容器的实际运行效果，其发展前景依然广阔，本文旨在分析电容器组的投切方式和控制机理。

表1　各种无功功率动态补偿装置简要对比表

1　跟踪投切电容器组的几种方式

　　工程运用中，可根据电网的无功需求投切电容器，在决定哪组电容的投入或切除的逻辑功能中，选择不同投切方式，其效果也不尽相同。

1.1　采用机械方式投切电容器（MSC）

　　早期通常采用机械断路器实现电容器的分组投切，这就是所谓的机械投切电容器（MSC）。工程运用中，老式的机械投切有诸多困难（见表2），已经逐渐退出历史舞台。

表2　新式、老式无功功率补偿设备比较

1.2　采用晶闸管反并联方式投切电容器（TSC）

　　TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿装置。和机械断路器相比，晶闸管具有很强的操作寿命，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，以减少投切时的冲击电流和操作困难，单相机构及其控制系统原理见图1。

　　TSC的控制系统能够检测系统的有关变量，并比较检测量和给定（参考）输入量的大小，产生触发脉冲信号，实现无功自动补偿。控制系统包括以下三部分电路：
①检测电路：检测控制所需要的系统变量和补偿器变量。
②控制电路：为获得所需要的稳态和动态特性对检测信号和给定（参考）输入量进行处理。
③触发电路：根据控制电路输出的控制信号产生相应触发晶闸管的脉冲序列。

　　由于电容器两端电压不能突变，系统电压和电容残压差值较大时触发SCR会产生很大冲击电流，其最大值达到正常工作电流的几十倍，SCR难以承受这样的大电流，可能直接烧毁器件。通常通过①增大串联电抗器；②改善控制系统解决此类问题。从经济角度看，第一种方法容易造成经济浪费，显然不合适。本文主要是从控制角度加以分析，引入SCR电压过零即触发的策略（见图2）。

　　控制原理：图2中，SCR两端电压经电阻降压送到光电耦合器，当交流电压瞬时值与电容器的残压相等时晶闸管上的电压为零，这时光电耦合器上输出一个负脉冲。此脉冲宽度大约150us，脉冲反向后与TSC投入指令相与后启动多谐振荡器输出脉冲串，然后经过功率放大和隔离电路去触发相应的晶闸管。晶闸管一经触发就保持导通，相应的电容器便投入运行。

　　应当注意，在TSC控制系统中引入一定的滞环非线性环节（如图3所示）是必要的，这可以避免在切换点处电容器组在短时间内来回地投入与切除。当补偿器以稳定电压为目标时，在控制系统中引入滞环非线性环节可使得TSC的电容器在系统电压低于或高于某一阀值时投入或切除，而不是在相等的阀值下投入或切除，以防止在切换电压附近振荡不定。

下面介绍一组单片机控制的触发电路：

　　制器主要有单片机、键盘接口电路、液晶显示接口电路、数据存储器、同步电压检测电路，电压电流和频率检测电流，还有触发电路等部分组成。采用80C196KB单片机作为系统的控制核心，6264ROM存在系统的数据和程序，8279作为键盘显示接口电路，连接了6位液晶显示和7只按键，实现人机对话。在单片机HSO.5发出相应的触发脉冲信号，实现无功自动补偿。控制器硬件的原理见图4。

1.3　采用晶闸管和二极管反并联方式投切电容器

　　采用晶闸管和二极管反并联方式对电容器进行投切，代替两个晶闸管的并联情况，使导通前电容充电电压维持在电源电压的峰值。一旦电容电压比电源电压峰值有所降低，二极管都会将其充电至峰值电压，因此，不会发生电容器充电电压下降的现象，但是二极管是不控的，当要切除此电容支路时，响应时间稍慢。优点：成本降低；缺点：响应速度比两个晶闸管反并联方式稍慢。

1.4　采用智能投切开关方式投切电容器

　　在低压无功补偿装置的投切开关方面，采用接触器投切电容器所引起的涌流及故障较高，而无触点开关投切电容器又会引起谐波，并且无触点投切电容器散热比较困难，可控硅的功率损耗大。而电容器智能投切开关具有接触器导通内阻小，不发热及可控硅零电压投入、零电流切除的优点，具有比较好的投切效果。

　　KH-ZK电容器智能投切开关是目前市场比较理想的产品：（1）功耗接近于零，不足交流接触器和无触点开关的百分之一；（2）彻底消除了合闸涌流。交流接触器在电容投入时会产生几倍甚至几十倍的合闸涌流，晶闸管也会产生1.5倍的合闸涌流，而在电网存在谐波的场合，晶闸管的合闸涌流甚至会超过接触器极限值。

主要特点：
（1）内含微处理器，智能控制电容器投切。
（2）以可控硅通断电容器组，无电弧、无涌流、响应快。
（3）导通内阻为零，不产生谐波。
（4）不产生合闸涌流，不需要选用限流电抗器，降低了成套装置的成本。
（5）不发热，可安装于封闭式箱体内。
（6）微功耗，真正的节电开关。
（7）结构简单，安装方便。
（8）故障率低，使用寿命长于可控硅及接触器。
（9）温度范围宽。
（10）控制方式可为5--12VDC电平控制或485通讯控制。
（11）既可控制三相“△”形接法的电容器，又可控制三组单相电容器。
控制方式（见图5）：
a)电平控制方式：
电平控制方式：A、B、C端子接不同的控制信号
三相控制方式：A、B、C端子接同一个控制信号
b)通讯控制方式（选配）：控制信号从485+，485-引入；每只电容器智能投切开关应设成不同的地址，以控制投切对应的电容器组。