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、電容器組、空氣開關、熔斷器、不銹鋼殼體等組成。其結構簡單、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)是技術水平低，缺乏較齊全的檢測設備，生產(chǎn)量小，質(zhì)量難以保證。尤其作為無功補償裝置關鍵單元的控制器和投切電容器的開關更是差異懸殊。本文就無功補償裝置的一些核心單元進行了重點剖析，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)中負荷無論是工業(yè)負荷還是民用負荷，大部分是感性負荷。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。故此種情況應避免。

3、無功補償裝置結構和主電路

補償裝置主要由柜體、控制器、空氣開關、避雷器、電容器、熔斷器和復合開關等組成。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遠程通訊和近距離RS-232無線通訊功能都由51單片機來完成，存在很多困難;②其外擴芯片多，控制器整體結構復雜，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致電網(wǎng)輕載時控制器誤動作，使線路過補;④控制器保護功能不完善，達不到電力行業(yè)標準DL/T597-1996<<低壓無功補償控制器訂貨技術條件>>中所規(guī)定的功能。(即控制器應具有過壓、欠壓、投切延時保護功能，電容器投入、切除門限功能，循環(huán)投切功能，面板應具有硬件或軟件閉鎖功能，防止小負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、算術邏輯單元、輔助算術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;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構，系統(tǒng)中設置了程序讀總線、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和豐富的集成外設接口，這些豐富的資源可以很好地解決51系列單片機難以解決的問題。

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、遠程通訊、無人值守等奠定了軟、硬件基礎。 控制器硬件結構框圖如圖：

圖3 控制器硬件結構原理圖

軟件編制總體結構框圖和部分模塊流程圖如下

圖4 軟件總體結構框圖

圖5 底層驅動模塊流程圖

5、并聯(lián)電容器用的投切開關

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)導通主回路、無拉弧、動作響應快、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-復合開 。復合開關主要有控制板，晶閘管與磁保持繼電器組成，原理框圖如圖3-1所示：

圖6 復合開關模塊原理框圖

復合開關投入電容器過程：配電綜合控制器發(fā)出觸發(fā)信號給復合開關，復合開關控制板接到信號后，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，且零電位投入，正常工作后，由于繼電器觸點電阻遠小于晶閘管電阻，電容電流經(jīng)過磁保持繼電器觸頭進入電網(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:輸配電設備網(wǎng)

復合開關切除電容器過程：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。

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

6、運行情況

利用以上相關技術，西安森寶公司先后設計并生產(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