基于TMS320LF2407A的低壓動態(tài)無功補償裝置

近年來，隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造的實施和深入，在0.4kV級電網(wǎng)上安裝低壓動態(tài)無功補償裝置，可以提高供電質(zhì)量、挖掘供電設(shè)備的潛力、降低線損等越來越被大家所共識。低壓動態(tài)無功補償裝置一般由微控制器、投切電容器用開關(guān)、電容器組、空氣開關(guān)、熔斷器、不銹鋼殼體等組成。其結(jié)構(gòu)簡單、投切方便靈活、節(jié)能效果顯著，因而全國大約300多家企業(yè)生產(chǎn)無功補償裝置。但其中多數(shù)是技術(shù)水平低，缺乏較齊全的檢測設(shè)備，生產(chǎn)量小，質(zhì)量難以保證。尤其作為無功補償裝置關(guān)鍵單元的控制器和投切電容器的開關(guān)更是差異懸殊。本文就無功補償裝置的一些核心單元進(jìn)行了重點剖析，并記錄了一臺森寶電氣公司生產(chǎn)的無功補償裝置在西安供電局掛網(wǎng)運行情況數(shù)據(jù)。 信息來源:http://www.tede.cn

2、無功補償?shù)囊饬x和原理

配電網(wǎng)中負(fù)荷無論是工業(yè)負(fù)荷還是民用負(fù)荷，大部分是感性負(fù)荷。它們運行時需從電網(wǎng)吸收大量無功功率，致使電網(wǎng)功率因數(shù)、電能質(zhì)量降低，電網(wǎng)"技術(shù)損耗電能"增加。電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器補償裝置后，它可以減少電源向感性負(fù)荷經(jīng)由輸電線路輸送的無功功率。由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動，故可以降低輸電線路和變壓器因輸送無功功率而造成的電能損耗，從而提高電網(wǎng)功率因數(shù)、減少線損、電能質(zhì)量得到明顯改善。

電網(wǎng)中感性負(fù)荷等效電路可看作電阻R和電感L串聯(lián)的電路，功率因數(shù)

式中 XL=WL

將R、L串聯(lián)電路與電容C并聯(lián)之后，電路如圖1-a所示，該電路電流方程為：

圖1 并聯(lián)電容補償無功功率的電路和向量圖

a)補償電路 b)相量圖(欠補償) c)相量圖(過補償)

由圖1-b的相量圖可知，并聯(lián)電容后，電壓 與 的相位差變小，即供電回路的功率因數(shù)提高了。此時供電電流的相位滯后電壓，這種情況稱欠補償;若電容C的容量過大，使供電電流的相位超前于電壓，這種情況稱為過補償，其向量圖如1-c所示。這會引起變壓器二次側(cè)電壓抬升;電容器溫升升高，電容器本身的功率損耗增大，電容器使用壽命縮短;容性無功在線路上傳輸也會增加電能損耗。故此種情況應(yīng)避免。

3、無功補償裝置結(jié)構(gòu)和主電路

補償裝置主要由柜體、控制器、空氣開關(guān)、避雷器、電容器、熔斷器和復(fù)合開關(guān)等組成。其主電路圖如下(方框內(nèi)部是補償裝置主電路;方框外部是低壓配電網(wǎng))：

圖2 無功補償裝置主電路

4、智能控制器

現(xiàn)在多數(shù)廠家的控制器，運算單元多以51系列單片機(jī)為主，其缺點是：①硬件資源有限，指令功能、運算能力弱。要將信號采樣，電量計算，電網(wǎng)諧波分析，電容器投切，RS-485遠(yuǎn)程通訊和近距離RS-232無線通訊功能都由51單片機(jī)來完成，存在很多困難;②其外擴(kuò)芯片多，控制器整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低;③控制策略單一，遙信能力弱：控制器控制策略是以功率因數(shù)為依據(jù)，或以無功控制為依據(jù)，這種簡單控制策略容易導(dǎo)致電網(wǎng)輕載時控制器誤動作，使線路過補;④控制器保護(hù)功能不完善，達(dá)不到電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T597-1996<<低壓無功補償控制器訂貨技術(shù)條件>>中所規(guī)定的功能。(即控制器應(yīng)具有過壓、欠壓、投切延時保護(hù)功能，電容器投入、切除門限功能，循環(huán)投切功能，面板應(yīng)具有硬件或軟件閉鎖功能，防止小負(fù)載時電容器投切振蕩功能，抗干擾功能 。)

鑒于目前無功補償裝置的現(xiàn)狀，本文在比較了多種無功補償裝置的優(yōu)缺點后，研制了一種基于數(shù)字信號處理器為核心的智能低壓無功補償裝置控制器。

控制器采用TMS320LF2407A芯片，該芯片是定點16位控制器中功能最全而又性能最好的。①其內(nèi)部包含硬件乘法器、累加器、算術(shù)邏輯單元、輔助算術(shù)單元等多個處理單元，這些單元可以并列同時在一個指令周期內(nèi)完成計劃任務(wù);②可獨立訪問64K字節(jié)的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器空間;③內(nèi)部總線采用并行體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中設(shè)置了程序讀總線、程序地址總線、數(shù)據(jù)讀總線、數(shù)據(jù)寫總線，由于總線是獨立的，故可以同時訪問程序和數(shù)據(jù)存儲器，同時為處理器提供數(shù)據(jù)和指令，從而提高了數(shù)據(jù)吞吐量;④特殊的DSP指令具有單周期乘、加運算;⑤FFT倒位序變址尋址能力以及單周期指令執(zhí)行時間為25nS和豐富的集成外設(shè)接口，這些豐富的資源可以很好地解決51系列單片機(jī)難以解決的問題。

控制器通過采集三相電壓、電流，利用FFT變換算法，得到電網(wǎng)三相功率因數(shù)、電壓、電流、有功功率、無功功率、2到13次諧波含量、有功電度、無功電度、電壓，電流畸變率;具有存儲每日整點功率因數(shù)、電壓，電流最大值、停電，來電時刻及累計停電時間功能;整點指定日諧波數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)存儲期為2個月;128X64大屏幕液晶顯示全中文操作界面、數(shù)據(jù)，便于用戶操作;具有RS-232、RS-485通訊物理接口，可實現(xiàn)遙信或近距離無線通訊，真正做到了無功補償自動控制與配電參數(shù)綜合測控一體化，為城網(wǎng)改造提出的配網(wǎng)自動化、遠(yuǎn)程通訊、無人值守等奠定了軟、硬件基礎(chǔ)。 控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖：

圖3 控制器硬件結(jié)構(gòu)原理圖

軟件編制總體結(jié)構(gòu)框圖和部分模塊流程圖如下

圖4 軟件總體結(jié)構(gòu)框圖

圖5 底層驅(qū)動模塊流程圖

5、并聯(lián)電容器用的投切開關(guān)

在0.4kV級的配電網(wǎng)中，目前無功補償裝置投切電容器開關(guān)是用接觸器或晶閘管實現(xiàn)的。若用接觸器投切電容器，缺點是：①投入電容時，由于很難控制在電壓過零時投入，因此易產(chǎn)生涌流、觸點間打火、燒損觸頭;②切除電容器時又不易控制在電流過零切除，使觸頭粘聯(lián)、拉弧;③過大的涌流還會對電容器造成損害，縮短電容器使用壽命。若采用晶閘管(又稱固態(tài)繼電器)來投切電容器，其優(yōu)點是電壓過零觸發(fā)導(dǎo)通主回路、無拉弧、動作響應(yīng)快、可大幅度限制投切涌流，特別適合頻繁投切。其缺點是：①功耗大，且隨電容電流的增大而增大;②晶閘管電路本身是諧波源，大量使用對低壓電網(wǎng)易造成諧波污染。

基于以上情況，西安森寶公司研制出了一種新型開關(guān)-復(fù)合開 。復(fù)合開關(guān)主要有控制板，晶閘管與磁保持繼電器組成，原理框圖如圖3-1所示：

圖6 復(fù)合開關(guān)模塊原理框圖

復(fù)合開關(guān)投入電容器過程：配電綜合控制器發(fā)出觸發(fā)信號給復(fù)合開關(guān)，復(fù)合開關(guān)控制板接到信號后，開始檢測電壓過零點，并在電壓過零時使晶閘管接通主回路，磁保持繼電器經(jīng)一定延時后，在等電勢情況下吸合。由于晶閘管是無觸點開關(guān)，且零電位投入，正常工作后，由于繼電器觸點電阻遠(yuǎn)小于晶閘管電阻，電容電流經(jīng)過磁保持繼電器觸頭進(jìn)入電網(wǎng)。因而，避免了投電容器時的涌流、拉弧、打火，減小了晶閘管工作損耗。 信息來自:輸配電設(shè)備網(wǎng)

復(fù)合開關(guān)切除電容器過程：控制器輸出的觸發(fā)信號消失后，磁保持繼電器在等電位情況下先斷開，晶閘管經(jīng)延時后，在電流過零時斷開。

這種投切開關(guān)是充分吸收了無觸點開關(guān)晶閘管和繼電器各自的優(yōu)點，因而開關(guān)使用壽命長，功耗低。是投切電容器的理想開關(guān)。

6、運行情況

利用以上相關(guān)技術(shù)，西安森寶公司先后設(shè)計并生產(chǎn)了四百多臺低壓動態(tài)無功補償裝置，產(chǎn)品分別在西安、新疆、青海、河南、東北等地掛網(wǎng)運行。產(chǎn)品投入市場2年來，現(xiàn)場運行情況一切正常，受到了用戶一至好評。下面是西安市供電局在幸福路10#桿掛網(wǎng)的一臺無功補償裝置運行情況記錄。

表1：幸福路10#桿無功補償裝置運行情況

時間

補償裝置投運狀態(tài)

信息來源:http://www.tede.cn

A 相電壓（V）

A相電流（A）

補償電流（A）

功率因數(shù)COS￠

線損減低（%）

08：30

未投

投運

2252

30

195

150

0

45

0.90

0.98

0.408

11：00

未投

投運

218

230

240

190

0

50

0.88

0.99

0.373

13：00

未投

投運

228

236

176

140

0

36

0.93

0.97

0.367

16：30

未投

投運

221

232

240

200

0

40

0.91

0.99

0.305

18：30

未投

投運

219

228

290

225

0

0.88

0.96

0.398

20：30

未投

投運

214

229

300

210

0

90

0.84

0.95

0.51