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文档简介
1、应用技术 2006年第3期自动化与信息工程 21低压配网中TSC 型动态无功补偿装置的设计与应用吴伟敏(广东电网公司肇庆供电局摘要:文章根据广东省肇庆市端州区配网的实际情况,对现有配网无功补偿装置的特点进行了分析,重点阐述了TSC 型动态无功补偿的原理和系统设计,并对该装置的投切方式和保护进行了介绍。最后总结了TSC 型动态无功补偿装置在肇庆市的应用。关键词:低压配网;TSC ;动态无功补偿1 引言在城市10kV 配电系统中,一般的居民住宅、小商业等用户随着电价的降低和物质生活水平的提高,其耗电量约占电业售电量的18%以上,且呈逐年上升的趋势。无功功率和有功功率一样,是保证电网电能质量和安全供
2、电所必不可少的。无功功率不足将使配网的电压降低、损坏用电设备或使电器设备供率降低,所以保证配网的无功功率是非常重要的1。但在380V 以下低压用电设备系统中,因配电变压器载容比较低,且日负荷变化比较大,从而吸收了电网大量的无功,造成电网电压不稳、线路损耗增大等,使功率因数大都处于0.60.8之间,有的甚至低至0.30.5。因此,在低压配电网和电力用户中安装合理的无功补偿装置,对于保证电网安全运行和满足用户需求是十分必要的。2 机械投切电容器无功功率自动补偿装置的主要缺点自1983年电力部颁布实施按功率因数值调整电费规定以来,各种机械投切电容器(MSC 在低压配网中得到了广泛的应用。但这些以机械
3、开关作为切换元件的无功补偿装置越来越不能适应配网发展的需求,主要表现在:(1 可靠性低 由于机械投切电容器在自动投切过程中不能控制电容器回路的合闸角和开断角,因而不可避免会引起合闸过电流、开断过电压,使开关触头烧损严重,检修频繁,电力电容器的使用寿命缩短。(2 优化电能质量功能的欠缺 对波动负荷和冲击负荷用户,不能抑制电压波动和电压闪变。 对不平衡负荷用户,不能改善公共联络点电压和配电电流的不平衡度。 达不到最理想的高效节能效果。3 TSC 型动态无功补偿装置的设计3.1 TSC 的基本原理晶闸管投切电容器(TSC 是利用电力电子开关来投切电容器的。与机械投切电容器相比,晶闸管的开、关是无触点
4、的,其操作寿命几乎是无限的,而且晶闸管的投入时刻可以精确控制,可以快速无冲击地将电容器接入电网,大大减少了投切时的冲击电流和操作困难。同时,由于晶闸管是在电流过零时自动关断的,这就避免了拉弧现象。TSC 能快速跟踪冲击负荷的突变,随时保持最佳馈电功率因数,实现动态无功补偿,减小电压波动,提高电能质量,节约电能。为了快速无冲击的将电容接入电网,晶闸管投入的时刻,必须保证电源电压与电容残压幅值和方向相同2。为了对晶闸管的投入时刻进行精确的检测和控制,在低压系统中采用过零固态继电器来投切电容器。晶闸管电压过零触发电路如图1所示。电源图1 (a 与电网连接方式图1 (b 晶闸管电压过零触发电路光电耦合
5、零电 压检 测器与门投入命令多谐振荡器脉冲隔离放大CL 22U a电压电流输入同步信号产生 信号调理 外扩储存器 保护信号 CAP PWM ADC DSP光耦隔离驱动串口通讯键盘 液晶显示 看门狗CPLD 日历时钟控 制 主 板电源电压与电容器的残压相等时,晶闸管上电压为零,光电耦合器就会输出一个负脉冲,如果此时投入指令存在,就会经过一系列环节,产生脉冲去触发晶闸管,保证晶闸管的平稳导通。晶闸管的投入指令撤销时,晶闸管在电流过零时断开,直到微控制器下次发出投入指令,TSC 才会在零电压时重新投入。 3.2 TSC 的补偿判据和电容器的投切控制方式 根据TSC 系统采样的物理量的不同,我国电力行
6、业标准中,也按控制物理量把低压无功补偿控制器分为四类:无功功率、无功电流、功率因数、复合型(按两个及以上物理量组合3。本文设计的系统充分利用DSP 芯片强大的存储、计算、逻辑判断功能,以无功功率作为主要的控制物理量,辅以功率因数控制。针对不同的电容器的分组形式,本系统对电容按二进制分组和等容量分组分别设计了不同的控制策略。在等容分组时,遵守传统的循环投切原则,即“先投先切,后投后切”4,从而延长整个装置的使用寿命;不等容分组则是按照二进制编码方式,即1248···编码方式,无功补偿的级数多,且补偿级差相等。3.3 控制系统的硬件电路本文设计的TSC 型低压动态无功
7、补偿装置控制系统硬件框图如图2所示,控制器采用单CPU 结构。图2控制系统硬件框图控制系统由信号调理电路和控制主板两部分构成。信号调理电路将电压电流信号及相位信号经过调理后传给控制主板。而控制主板则负责进行数据采集、数据实时处理、数据显示、与上位机通讯以及对晶闸管进行控制。检测到的负载信号(三相电压和电流首先经过信号调理模块变换成符合DSP 要求的电平信号。信号经过DSP 内部AD 模块转换后,由DSP 进行运算、处理,求出所需的控制物理量,然后根据控制规则,发出投切电容器的控制信号,经过隔离驱动后控制晶闸管的导通或关闭。一片CPLD 用来实现整个控制系统的译码和逻辑控制。在系统发生意外或掉电
8、时,一些重要的设置参数必须及时保存,这通过一片串行的外扩存储器来实现。日历时钟用来产生系统时间,当作整个系统的日历时钟。3.4 系统程序控制流程及算法控制系统采用C 语言编程,主程序流程图如图3所示。首先完成系统的初始化,初始化完后,开放所有中断,然后进入循环等待状态,等待中断的发生。同时在循环等待过程中,判断AD 采样点数,采完一个周期则进入计算及电容器投切控制子程序。图3 控制系统主程序流程图吴伟敏:低压配网中TSC 型动态无功补偿装置的设计与应用2006年第3期自动化与信息工程 233.5 电容器的保护传统的机械投切电容器(MSC 在运行的过程中出现较多的内部故障和电容器组回路中相间短路
9、等。本装置对电容器组的保护主要采用过压、欠压、过流保护5。根据电容器运行的规程,补偿电容器允许在105%Ua 电压下长期运行;在110%Ua 下运行时间不得超过6小时。本文根据过压判断的出口逻辑: Ux UhT Tuh式中Ux 为任意一项线电压,Uh 为电压上限设定值。在过压保护子程序中,本文设定电压上限为500V ,而Tuh 为延时设定值,当过压时间超过延时设定值时,迅速切断电容器。另外,为了减少电压波动带来的影响,在过压保护的算法里面定义了回差,当过压波动在回差范围内,补偿装置仍认为电压处于过压状态。根据实际情况一般定义过压回差为10V 。4 TSC 型动态无功补偿装置的应用为了充分利用现
10、有配电设备的容量潜力,我局选取了十个不同地点安装了本文介绍的TSC 型动态无功补偿装置,并对动态补偿装置进行在线运行数据记录,由专人负责定期进行外观检查和数据抄录。经试运行,证实已取得明显的效果。在三相负荷平衡处,可使电网功率因素达到0.95以上,且不会产生无功倒送。由于功率因数的提高可以增加变压器的负载能力而为用户节约扩容费用、电费及低功率因数罚款等费用,在优化了电能质量的同时提高了配电设备容量的利用率。在冲击性负荷和波动性负荷处,可减少电压波动,并抑制电压闪变,提高电压稳定性。TSC 动态无功补偿装置可以对电容器组进行频繁的投切,在投切的时刻不会对电网产生过大的涌流,提高了居民用电的质量。
11、5 结语晶闸管投切电容器装置具有优良的动态无功功率补偿功能,在功率因数偏低,负载波动较大的低压配网中具有良好的应用前景。同时也对改善系统功率因数,抑制谐波,稳定系统电压,改善电能质量具有重要的作用。伴随着控制元件性能的提高和电力电子技术的飞速发展,晶闸管投切电容器将会得到进一步的推广和应用。参考文献1 孙成宝. 配电技术手册(低压部分. 北京: 中国电力出版社, 2000:4264512 何一浩,王树民. TSC 动态无功补偿技术述评J. 中国电力,2004, 37(10: 22263 中华人民共和国电力部. DL/T597-1996, 低压无功补偿控制器订货技术条件. 北京: 中国电力出版社
12、, 1996 4 袁光明,张波,王丹,等. 晶闸管投切电容的最佳编码方式与最优投切阈值的数学分析和应用J. 电网技术, 2004, 28(23:43465 王见乐,王林虎. 基于DSP 的低压动态无功补偿装置的研制J. 华北电力技术, 2005,12(1: 4346Design and Application of TSC in Low Voltage Distributing NetworkWu Weimin(Zhaoqing Power Supply BureauAbstract : This paper analyzes existing reactive compensation equipment of the low-voltage distributing network ofDuanzhou, Zhaoqing, introduces design of the TSC and its mode of control capacitors and protection. An application of TSC rea
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