1.引言

現(xiàn)代電網(wǎng)中，電動機等感性負(fù)荷占據(jù)很大比重，它們在做工時需要吸收大量的無功功率，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，帶動設(shè)備做功。

這樣，電源提供的電功率并不完全供給給有功功率，還要一部分轉(zhuǎn)換為無功功率，這無疑增加了電網(wǎng)電源的負(fù)擔(dān)，降低了供電設(shè)備的效率，而且由于線路中無功電流的存在將增大網(wǎng)絡(luò)損耗，降低輸電線的使用壽命，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。為了解決這一問題，我們設(shè)計了低壓終端無功補償裝置，在電路中需要消耗無功功率的地方提供無功功率，即對無功功率進(jìn)行補償。

2.無功補償技術(shù)的有關(guān)理論分析

2.1 TSC型無功補償裝置的工作原理

圖2-1給出了TSC型無功補償裝置的系統(tǒng)模型，其中2個反并聯(lián)晶閘管作為補償電容器的投切開關(guān)。首先，交流電源US經(jīng)變壓器PT和線路電抗XL后對負(fù)載供電，負(fù)載端電壓為U2,負(fù)載電流為I,IP和IQ分別成為正弦電路中的電流有功分量和無功分量。在負(fù)載處經(jīng)晶閘管開關(guān)T接入一個補償電容器C,電容抗為XC若選取C的大小使IC等于負(fù)載感性電流IQ,即：

同時，IC為容性電流，超前電壓U290°，-IC即為感性電流，滯后U290°，與負(fù)載感性電流IQ同相，這樣，按上式選擇電容C,負(fù)載的感性電流IQ的大小和幅值都等于電容器向電網(wǎng)輸出的感性電流-IC,電容器C輸出的無功功率抵消掉了負(fù)載消耗的無功功率，因此，整個電路中只有有功電流在流動，沒有無功電流的損耗，負(fù)載的功率因數(shù)接近于1,這樣就提高了電能的利用率，降低了電能在輸送過程中造成的浪費。

2.2 無功補償控制方式的研究

傳統(tǒng)的無功補償裝置依靠單一的物理量作為參考量，難以實現(xiàn)精確的控制，本設(shè)計中，為了滿足控制的需要，做到精準(zhǔn)無誤的控制，我們選擇性能較好的兩種控制方式相結(jié)合，即以無功功率為主要判據(jù)、電壓為輔助判據(jù)的電壓無功復(fù)合控制方式，利用無功功率校正控制避免投切震蕩、以電網(wǎng)電壓的限定值作為電容投切的約束條件，從而實電容器組的智能綜合投切，在保證電壓在合格的范圍內(nèi)實現(xiàn)無功平衡，既減少了網(wǎng)絡(luò)損耗，又考慮到了電壓質(zhì)量。

圖2-2為控制投切區(qū)域圖，分為11個區(qū)域來進(jìn)行控制。Q是系統(tǒng)的實際無功功率，U是實際電壓值，控制策略中設(shè)置了兩級電壓門限和一級無功門限，分別是：電壓上限U上限和下限U下限;電壓上極限U上極限和下極限U下極限;無功上限Q上限和下限Q下限，當(dāng)電網(wǎng)電壓越上、下極限時，此時不考慮無功功率，投切電容器來改變電壓值，使其回到上、下限之間，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓在合格范圍內(nèi)才根據(jù)無功值來投切電容器，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)無功。

2.3 有關(guān)補償電容器分組方法的研究

本設(shè)計中電容器的分組方式采用不等容分組方式。不等容分組方式是指各組電容器的容量不相等，分組容量比不宜過大，以不超過1:3為宜。例如：可以補償15kvar無功容量的電容，按照1:2:4:8的比例來分，每組補償容量分別為1kvar、2kvar、4kvar、8kvar,就可實現(xiàn)15級組合，分成4組就可以實現(xiàn)0~15kvar補償級差為1kvar的無功補償。這種分組方式補償速度快，精度高，同時也節(jié)省了電容器投切開關(guān)的數(shù)量，降低了成本;缺點是只要最小一組容量能夠進(jìn)行投切，則總是對該組進(jìn)行操作，以此類推，順序操作，結(jié)果最小一組電容器頻繁進(jìn)行投切，使用壽命最短，且其控制也比較復(fù)雜。

本設(shè)計選用四種電容器，電容大小分別為60uf,30uf,15uf,8uf,當(dāng)在220V工作電壓下的容量分別為9043var,4521ar,2260var,1205var,這樣可以補償?shù)臒o功功率最大可達(dá)到17030var.這四種電容器組可以實現(xiàn)0到17Kvar的補償，可以分為15級調(diào)節(jié)控制。雖然軟件控制較復(fù)雜，但可以節(jié)省投切開關(guān)的數(shù)量，減少了補償裝置的成本。

3.無功補償裝置的硬件設(shè)計

本課題設(shè)計的是基于DSP控制的晶閘管投切電容器(TSC)型無功補償裝置，其控制器采用DSP為核心控制器，采用了集中補償方式，裝配在配電變壓器低壓母線上，對配電變壓器所帶的整個區(qū)域負(fù)荷進(jìn)行補償，利用電壓無功復(fù)合投切判據(jù)來判定電容器組的投切，投切開關(guān)選用晶閘管與繼電器結(jié)合使用的復(fù)合開關(guān)。其硬件原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示，主要包括控制器模塊，電壓、電流檢測調(diào)理模塊，脈沖驅(qū)動電路模塊，復(fù)合開關(guān)模塊以及通訊、存儲模塊幾部分組成。

3.1 復(fù)合開關(guān)電路設(shè)計

復(fù)合開關(guān)是電容器組的投切開關(guān)，本設(shè)計采用晶閘管與繼電器相結(jié)合的方式來執(zhí)行電容器組的投切，如圖3-2所示，晶閘管與繼電器并聯(lián)，L1的作用是抑制電容投切時對晶閘管產(chǎn)生的沖擊影響。當(dāng)需要補償無功時，應(yīng)當(dāng)將電容器并入電網(wǎng)，此時控制器發(fā)出該控制信號，并給晶閘管和繼電器同時發(fā)送一個閉合驅(qū)動信號，由于晶閘管的響應(yīng)速度比繼電器快，故上半回路先導(dǎo)通，電容器立即投入電網(wǎng)補償無功，延遲一段時間后，繼電器閉合，此時，上、下回路都導(dǎo)通，只需要給晶閘管發(fā)送一個關(guān)斷信號切斷上回路即可;當(dāng)需要將電容器從電網(wǎng)去除時，控制器發(fā)出該控制信號后，此時，只有繼電器下回路導(dǎo)通運行，只對晶閘管發(fā)送接通脈沖信號，上下回路同時導(dǎo)通，然后對繼電器發(fā)送關(guān)斷信號，延遲一段時間后下回路斷開，此時只有上回路導(dǎo)通，最后對晶閘管發(fā)送關(guān)斷信號，兩回路都關(guān)斷，電容器組切除。[!--empirenews.page--]

3.2 復(fù)合開關(guān)驅(qū)動電路設(shè)計

由于控制電路輸出的PWM控制信號驅(qū)動能力有限，不足以直接驅(qū)動復(fù)合開關(guān)的開通或者關(guān)斷，因此在主電路和控制電路之間還需要加入驅(qū)動電路。驅(qū)動電路作為整個硬件電路的重要一環(huán)，其良好的性能可以加快復(fù)合開關(guān)開斷的速度，減少開關(guān)過程中產(chǎn)生的損耗，提高整個裝置的工作效率，保障設(shè)備安全可靠運行。

本設(shè)計所選用的復(fù)合開關(guān)屬于電壓驅(qū)動型器件，既需要為其提供開通控制信號，也要提供關(guān)斷控制信號，以保證它能按照要求可靠地開通或關(guān)斷，所以我們選擇6N173光耦合器來驅(qū)動復(fù)合開關(guān)的開通或關(guān)斷，電路如圖3-3所示。

DSP控制器將調(diào)理后的電流、電壓等信號進(jìn)行運算處理，得到三相投切控制信號并進(jìn)行各相同步，然后發(fā)出控制脈沖控制驅(qū)動電路來驅(qū)動繼電器與晶閘管進(jìn)行開斷，從而達(dá)到投切電容器組的目的。5V電壓驅(qū)動晶閘管輸入，15V電壓驅(qū)動繼電器輸入。

4.無功補償裝置的建模仿真

根據(jù)無功補償裝置的硬件設(shè)計，我們對其設(shè)計電路進(jìn)行仿真驗證，模擬硬件電路的運行結(jié)果，根據(jù)仿真結(jié)果來分析硬件電路是否滿足要求，若不滿足則對硬件電路進(jìn)行修改，重新設(shè)計并更改參數(shù)然后再進(jìn)行軟件仿真，如此反復(fù)直至達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

本課題的主要目的是設(shè)計一種無功補償裝置能夠補償電網(wǎng)中的無功功率，使得電源的電功率盡可能全部地提供有功功率，這就要求網(wǎng)絡(luò)中沒有無功電流的流動，功率因數(shù)趨近于1.圖4-10為補償前后無功、有功功率的變化波形圖，上方波形為有功功率補償前后的變化波形，單位為(Kw)，下方波形無功功率補償前后的變化波形，單位為(Kvar)。為了觀察對比補償效果，我們在0.1秒后投入補償裝置，可以發(fā)現(xiàn)在0.1秒前，有功、無功功率波動頻繁，投入補償裝置后，有功功率逐漸趨于穩(wěn)定，無功功率也逐漸趨近于0值，說明該補償裝置補償效果明顯，能夠達(dá)到理想的補償效果，但是觀察到網(wǎng)絡(luò)中的無功功率明顯提高，而有功功率提升效果不明顯，說明該裝置能夠補償網(wǎng)絡(luò)中的無功，但不能有效的提高有功功率，提升電壓的利用率，所以該裝置還有待改進(jìn)。

5.結(jié)論

本文設(shè)計的無功補償裝置是基于TSC型的低壓終端無功補償器，利用DSP控制器來完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與計算、控制信號發(fā)出、與外界通訊等功能，根據(jù)檢測的三相電路中的電壓、電流等信號進(jìn)行數(shù)據(jù)運算與處理，計算出網(wǎng)絡(luò)中需要補償?shù)臒o功功率，再由控制器發(fā)出控制信號來執(zhí)行電容器組的投切，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)無功。

該補償器能快速跟蹤電網(wǎng)負(fù)荷的突變，根據(jù)電網(wǎng)無功的需求適當(dāng)補償電容器，隨時保持最佳饋電功率因數(shù)，實現(xiàn)動態(tài)無功補償，同時，投切過程不產(chǎn)生諧波，對原電網(wǎng)的干擾小，成本低，自身能耗小。但是，由于TSC型補償裝置是分級式補償，可能產(chǎn)生補償死角，不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，在電網(wǎng)不穩(wěn)定時還可能出現(xiàn)投切震蕩，所以，TSC裝置一般與TCR補償裝置組合，這樣即可以實現(xiàn)連續(xù)的無功調(diào)節(jié)，同時大大減小了諧波，因此，該設(shè)計還需要一定的改進(jìn)和完善。