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(shí)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(shí)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(shí)沖擊電流大，切除時(shí)會(huì)產(chǎn)生過電壓，自身觸頭易損甚至熔焊，噪聲大，而且投切時(shí)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償。動(dòng)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首畲蟆１狙b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(shí)，就會(huì)出現(xiàn)有的相欠補(bǔ)償，有的相過補(bǔ)償。欠補(bǔ)償時(shí)，受電端電壓低于送電端電壓；過補(bǔ)償時(shí)，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(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行會(huì)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。

　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(shí)不會(huì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間在1個(gè)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(shí)，并聯(lián)電容器組合閘，將會(huì)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(shí)，由于諧波頻率高，電容器的阻抗減小，通過電容器的電流會(huì)加大；另外，電容器組在存在諧波的電網(wǎng)中，可能會(huì)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(shí)，帶鐵芯的電抗器鐵芯會(huì)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(shí)，PEN線上有電流通過。分相補(bǔ)償時(shí)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

　　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螅煌瑫r(shí)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(dòng)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。

2.2　無功電流檢測

　　無功電流實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)周期內(nèi)只需做1次采樣，可滿足基波動(dòng)態(tài)分相補(bǔ)償快速測量的要求。控制器采用閉環(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(shí)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(gè)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(dòng)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(shí)，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(shí)，有觸發(fā)脈沖輸出，晶閘管導(dǎo)通。

　　電容器組投切時(shí)的暫態(tài)過程是衡量投切控制裝置動(dòng)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

　　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(shí)，要使電流i的暫態(tài)過程為零，則必須同時(shí)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(shí)投入(即控制在電壓相位為90四周時(shí)合閘)，則沖擊電流很小［4，5］，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(shí)，假如不將電容器從母線中切除，則電容器會(huì)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(dòng)作時(shí)，保護(hù)出口去跳開關(guān)的同時(shí)，應(yīng)閉鎖微機(jī)自動(dòng)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(shí)，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(shí)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。

　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(shí)，要使電流i的暫態(tài)過程為零，則必須同時(shí)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(shí)投入(即控制在電壓相位為90四周時(shí)合閘)，則沖擊電流很小［4，5］，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(shí)，假如不將電容器從母線中切除，則電容器會(huì)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(dòng)作時(shí)，保護(hù)出口去跳開關(guān)的同時(shí)，應(yīng)閉鎖微機(jī)自動(dòng)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(shí)，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(shí)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。

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/ U1 U3 U5 U7 U9 U11 U13 U15 THDu

0 100 1.93 2.55 1.34 1.31 0.30 0.33 0.23 3.75

6 100 2.14 1.76 1.03 0.92 0.11 0.13 0.19 3.11

13 100 1.39 2.05 1.01 1.00 0.28 0.27 0.11 2.88

，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(shí)電容器即投入，沖擊電流很小，對母線電壓不會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng),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/ I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 THDi

0 100 6.89 13.37 9.69 15.18 6.26 8.95 12.22 28.61

6 100 14.51 11.54 3.15 2.41 0.34 0.48 0.60 18.97

13 100 17.23 2.79 0.68 0.56 0.41 0.44 0.51 17.49

　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(shí)，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(shí)，能將5次以上的諧波脫諧；k＝13時(shí)，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(dòng)態(tài)分相補(bǔ)償，從根本上保證了補(bǔ)償?shù)目焖傩浴?zhǔn)確性和合理性。另外，動(dòng)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。