CN103986167A - 一种无功补偿装置和无功补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明中的无功补偿装置，包括并接在系统母线和补偿母线之间的第一分支断路器，并联在系统母线上的第一电压互感器，设置在主进线上的第一电流互感器，无功补偿控制器，一条并联在补偿母线上的电抗器支路，至少两条并联在补偿母线上的电容器支路；电抗器支路包括依次串联连接的第二分支断路器，第二电压互感器，第二电流互感器，磁控电抗器，电容器支路包括依次串联连接的分支断路器，电压互感器，电流互感器，电容器。该技术方案通过第一分支断路器控制无功补偿系统与系统母线的自动投切，降低系统损耗，并且所有元器件均接入无功补偿控制器，接线简单，便于安装和使用。

Description

一种无功补偿装置和无功补偿方法

【技术领域】

本发明具体涉及电力系统无功补偿领域，具体涉及一种应用磁控电抗器的无功补偿装置和无功补偿方法。

【背景技术】

无功是电力系统中发配供网络中的一个重要指标，容性无功和感性无功必须维持一定的平衡，否则，将会导致系统电压下降，功率因数降低，损耗增加，电气设备得不到充分利用，更严重的会导致设备损坏。因此，解决好电力网络无功补偿问题，对电力网络降损节能有着极为重要的意义。目前电力系统高压无功补偿主要有同步调相机、FC(投切固定电容器和电抗器) 、TCR(晶闸管控制电抗器)加固定电容器、MCR（磁控电抗器）加固定电容器及全控型电力电子器件的静止无功发生器(SVG)等方式。

同步调相机的基本原理就是让同步发电机发无功，运行成本很高，现在很少使用；FC方式，采用断路器分组投切电容器，有级离散，投切涌流冲击大，易损坏，频繁投切更易导致故障，但是成本低；TSC方式，分组投切，投切涌流冲击很小，可频繁投切，一般用于10kV及以下高压；TCR方式，动态无级平滑调节，响应速度快，但是晶闸管串接在高压回路中，易发生故障，可靠性低，谐波较大；MCR方式动态无级平滑调节，响应速度快，晶闸管两端电压较低，稳定性高，谐波小，占地面积小，成本相对较低；SVG方式动态无级平滑调节，响应速度最快，可发出超前、滞后的无功，技术先进，但是IGBT连接在高压回路中，也易发生故障，可靠性也较低，成本非常高，目前实际应用不是很多。基于上述原因，目前电力系统中使用最多的还是MCR（磁控电抗器）加固定电容器的无功补偿方式。该方式中，为提高补偿精度，电容器往往被分成几个支路，与电抗器一起并联在系统母线上。电容器提供固定的容性无功为QC，磁控电抗器输出感性无功为QI ，系统的无功为QS，一般为感性，控制的基本原理就是让总的无功Q(Q = QS + QI - QC)保持为一个恒定值，可以看出只要改变QI的值就能实现控制目的。 

磁控电抗器采用直流助磁原理，通过连续改变电抗器的次级的直流电流，来改变线圈内部一小段铁芯的饱和程度，进而改变整个铁芯的磁导率，从而实现电抗值连续可调，因此，只要控制电抗器的次级的直流电流，就能控制电抗器发出的感性无功功率。而对直流电流的控制是通过改变可控整流的导通角来实现的。 

现有的应用磁控电抗器实现的无功补偿装置，多采用无功变换器接入控制器，接线复杂并且系统有功很低时，无功补偿装置仍与系统母线连接，存在较大的系统损耗。 

【发明内容】

为了解决上述问题，本发明提供一种实现方式简单的无功补偿装置。

本发明的无功补偿装置采用的技术方案是, 包括并接在系统母线和补偿母线之间的第一分支断路器，并联在系统母线上的第一电压互感器，设置在主进线上的第一电流互感器，无功补偿控制器，一条并联在补偿母线上的电抗器支路，至少两条并联在补偿母线上的电容器支路；补偿母线并接在系统母线上；第一分支断路器、第一电压互感器、第一电流互感器分别接入无功补偿控制器；电抗器支路包括依次串联连接的第二分支断路器，第二电压互感器，第二电流互感器，磁控电抗器，电抗器支路通过第二分支断路器连接补偿母线，第二分支断路器、第二电压互感器、第二电流互感器、磁控电抗器分别接入无功补偿控制器；电容器支路包括依次串联连接的分支断路器，电压互感器，电流互感器，电容器，电容器支路通过分支断路器连接补偿母线，分支断路器、电压互感器、电流互感器分别接入无功补偿控制器。 

优选的，所述无功补偿控制器主板，显示板，电源板，模拟信号板，开入信号板，光纤信号板，开出信号板；显示板，电源板，模拟信号板，开入信号板，光纤信号板，开出信号板分别和主板电连接，模拟信号板，开入信号板，光纤信号板，开出信号板分别和电源板电连接。 

优选的，所述磁控电抗器和所述无功补偿控制器之间采用光纤或双绞线传递信号。 

优选的，所述主板的处理器型号是TMS320F28335PGFA，模数转换芯片型号是AD7658，现场可编程逻辑阵列型号是EP1C6Q240。 

优选的，所述光纤信号板采用NPN型三极管和PNP型三极管的集电极连接构成的推挽电路驱动光纤头。 

优选的，所述主板上设置GRRS模块，串口和/或网络口。 

本发明还提供一种无功补偿方法，包括如下步骤： 

S1，主板A/D采样各电压互感器的电压，各电流互感器的电流等电气量值；

S2，根据第一电流互感器测量的电压U1，第一电流互感器测量的电流I1，计算出系统有功WS。

S3，当计算出的系统有功WS低于设定值WD时，无功补偿控制器会控制第一分支断路器的跳闸，断开整个无功补偿装置，以降低系统的损耗；当系统有功恢复到高于设定值WD时，无功补偿控制器控制相应之路进行无功补偿，补偿系统的无功。 

S4，比较各电压互感器的电压和过压保护值，各电流互感器的电流和过流保护值，如电压值或电流值超出保护值时，断开与电流互感器串联的分支断路器，并将故障信息，分支断路器状态信息在显示板上显示并报警; 

S5，读取各分支断路器的分合闸状态，位置状态，电抗器的状态信息；

S6，根据第一电压互感器测量的电压，第一电流互感器测量的电流，主板计算出系统无功QS;

S7，比较系统无功QS和无功设定值QD；

S8，如计算出的系统无功QS与无功设定值QD不相等，电容器支路提供的容性无功QC 和（QS-QD）比较，得出最接近的容性无功补偿量，控制相应容性无功补偿量对应支路的投切;

S9，根据多余的(QS-QD-QC)容性无功，无功补偿控制器的主板经控制计算后输出一个移相触发信号给磁控电抗器，使其产生相应的感性无功QI，QC是各电容器之路提供的容性无功值的全排列组合的任一无功值。

优选的，本发明的无功补偿方法，在进行感性无功补偿时，主板输出一个移相触发信号给磁控电抗器。 

本发明的有益效果是，通过第一分支断路器实现了无功补偿系统与系统母线之间的灵活投切，降低系统损耗；同时，所有支路直接受无功补偿控制器控制，简化了接线，方便安装和使用。 

【附图说明】

图1 实施例1中的无功补偿装置系统图；

图2 实施例1中的无功补偿控制器组成框图；

图3 实施例1中的主板组成框图；

图4实施例1中高电平有效的光纤驱动电路原理图；

图5实施例1中高电平有效的光纤驱动电路原理图；

说明书附图标记说明：

1-第一分支断路器；2-第一电压互感器；3-第一电流互感器;4-无功补偿控制器；5-电抗器支路； 6-补偿母线；7-第一电容器支路；8-第二电容器支路；

21-第二分支断路器；22-第二电压互感器；23-第二电流互感器；

24-磁控电抗器；

31-第三分支断路器；32-第三电压互感器；33-第三电流互感器；

34-第三电容器；

41-第四分支断路器；42-第四电压互感器；43-第四电流互感器；

44-第四电容器。

【具体实施方式】

为了使本发明的技术方案，技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一： 

本实施例中的无功补偿装置包括并接在系统母线和补偿母线5之间的第一分支断路器1，并联在系统母线上的第一电压互感器2，设置在主进线上的第一电流互感器3，无功补偿控制器4，一条并联在补偿母线5上的电抗器支路6，并联在补偿母线上的第一电容器支路7，第二电容器支路8补偿母线5并接在系统母线上；第一电压互感器2并联在系统母线上，并接入无功补偿装置4。

第一分支断路器1、第一电流互感器2分别接入无功补偿控制器4。第一电压互感器2用来测量系统母线的电压U1，第一电流互感器3用来测量主进线电流I1，无功补偿控制器4从而可计算得出系统有功W，系统无功QS等电气值。当计算出的系统有功WS低于设定值WD时，无功补偿控制器4会控制第一分支断路器1的跳闸，断开整个无功补偿装置，以降低系统的损耗；当系统有功恢复到设定值时，无功补偿控制器4控制相应之路进行无功补偿，补偿系统的无功。 

电抗器支路5包括依次串联连接的第二分支断路器21，第二电压互感器22，第二电流互感器23，磁控电抗器24，电抗器支路5通过第二分支断路器21连接补偿母线6，第二分支断路器21、第二电压互感器22、第二电流互感器23、磁控电抗器24分别接入无功补偿控制器4；第二分支断路器21用来控制电抗器支路5的分合闸，第二电压互感器22，第二电流互感器23分别用来测量磁控电抗器24的电压U2和电流I2,提供给无功补偿控制器判断是否启用该之路保护和报警。 

第一电容器支路7包括依次串联连接的第三分支断路器31，第三电压互感器32，第三电流互感器33，第三电容器34，第一电容器支路7通过第三分支断路器31连接补偿母线6，第三分支断路器31、第三电压互感器32、第三电流互感器33分别接入无功补偿控制器6。第三分支断路器31可控制第一电容器支路7的分合闸，第三电压互感器32，第三电流互感器33分别用来测量第三电容器34的电压U3和电流I3,提供给无功补偿控制器4判断是否启用该之路保护和报警。 

第二电容器支路8包括依次串联连接的第四分支断路器41，第四电压互感器42，第四电流互感器43，第四电容器44，第二电容器支路8通过第四分支断路41器连接补偿母线6，第四分支断路器41、第四电压互感器42、第四电流互感器43分别接入无功补偿控制器4。第二分支断路器41可控制第二电容器组支路的分合闸，第二电压互感器42，第一电流互感器43分别用来测量第四电容器44的电压U4和电流I4,提供给无功补偿控制4器判断是否启用该之路保护和报警； 

系统无功QS大于无功设定值QD,无功补偿控制器可计算出无功需求量（QS-QD），然后分别和第一电容器支路7、第二电容器支路8能提供的容性无功QC1、QC2、（QC1+QC2）比较，控制和无功需求量（QS-QD）最接近的电容器支路的投切，实现系统无功无功需求的粗调；然后再计算出多余的容性无功，无功补偿控制器4的主板输出一个移相触发信号给磁控电抗器24，使其产生相应的感性无功QI，以吸收电容器支路5多余的容性无功，实现系统无功需求的细调，以使系统无功（QS+QI-QC）与无功设定值QD相等,达到系统无功趋于平衡的目的，QC是QC1、QC2、（QC1+QC2）的任一无功值。

通常情况下，各电容器组支路的电容器容量不同，以便分级补偿。在实际应用中，电容器之路不限于两个，可以是多个，电容器之路可提供的容性无功是所有之路分别提供的容性无功全排列组合，以实现更精确更平滑的无功补偿。 

如图2，无功补偿控制器包括主板，显示板，电源板，模拟信号板，开入信号板，光纤信号板，开出信号板。显示板，电源板，模拟信号板，开入信号板，光纤信号板，开出信号板分别和主板电连接，模拟信号板，开入信号板，光纤信号板，开出信号板分别和电源板电连接。 

显示板用来接收用户的命令和无功补偿装置各种信息的显示，如各电压互感器的电压，各电流互感器的电流，各分支断路器，各电容器，电抗器的状态信息。 

电源板分别给主板，模拟信号板，开入信号板，光纤信号板，开出信号板提供电源。 

模拟信号板用来将各电压互感器，各电流互感器测量的电压，电流信号经过小型电压电流互感器后变换成0-10V的交流弱电信号，该信号经过二阶低通滤波器消除1kHz以上的无用信号后送入比例放大电路进行适当的放大或衰减，最后送入主板的A/D电路进行模数转换。 

开入信号板将分支断路器的交流220V强电信号及磁控电抗器24的状态信号经电阻分压后接入光电耦合器而得到“0”、“1”两种数字信号。 

开出信号板用主板输出的数字信号控制其上面的小型中间继电器结点的断开和闭合，从而控制各分支断路器的分合闸。输出数字信号经电阻限流后施加到光电耦合器的初级，经光电耦合器的次级再施加到小型中间继电器的两端，当输出数字信号“1”时，光电耦合器导通，小型中间继电器动作，其转换接点发生转换，相反，如果输出数字信号“0”时，光电耦合器截止，小型中间继电器则不会动作。 

光纤信号板的具有两个功能，一是将主板输出的触发数字信号放大，以驱动光纤， 二是将光纤接收的磁控电抗器24的状态信号接收并放大整形，再送给主板处理。如图4或图5，光纤信号板上的光纤驱动电路采用NPN型三极管和PNP型三极管的集电极连接构成的推挽电路驱动光纤头。图4中，输入电平高电平“1”有效，Q2截止，Q1导通，光纤头发光；图5中，输入低电平“0”有效，Q2导通，Q1截止，光纤头发光。该驱动电路不仅减少了能耗，而且驱动电流大，光信号传输的距离远。 

主板是控制器的核心。主板的主要功能是将开入信号板输入的数字量、模拟信号板输入的模拟信号进行分析计算，输出控制量给开出信号板或执行相应的逻辑动作。图4中，主板上的核心处理器型号是TMS320F28335PGFA，现场可编程逻辑阵列型号是EP1C6Q240，模数转换芯片型号是AD7658。模数转换芯片将模拟信号转换成数字信号并通过FPGA芯片送给DSP信号处理器读取，开出量也通过FPGA芯片送给DSP信号处理器读取，而通过DSP信号处理器分析计算后的控制量则通过FPGA芯片变换成光纤信号，程序执行逻辑动作则通过FPGA芯片变换为开出信号。主板上设置多个串口、网络通讯口，方便与外部通讯，也方便进行远程控制。同时主板上设置一个GPRS模块，方便工作人员调试维护。 

参照图4，利用该实施例中的无功补偿装置的无功补偿方法包括如下步骤： 

S1，主板A/D采样各电压互感器的电压，各电流互感器的电流等电气量值；

S2，根据第一电流互感器测量的电压U1，第一电流互感器测量的电流I1，计算出系统有功WS。

S3，当计算出的系统有功WS低于设定值WD时，无功补偿控制器4会控制第一分支断路器1的跳闸，断开整个无功补偿装置，以降低系统的损耗；当系统有功恢复到高于设定值WD时，无功补偿控制器4控制相应之路进行无功补偿，补偿系统的无功。 

S4，比较各电压互感器的电压和过压保护值，各电流互感器的电流和过流保护值，如电压值或电流值超出保护值时，断开与电流互感器串联的分支断路器，并将故障信息，分支断路器状态信息在显示板上显示并报警; 

S5，读取各分支断路器的分合闸状态，位置状态，电抗器的状态信息；

S6，根据第一电压互感器2测量的电压，第一电流互感器3测量的电流，主板执行PID计算，计算出系统无功QS;

S7，比较系统无功QS和无功设定值QD；

S8，如计算出的系统无功QS与无功设定值QD不相等，电容器支路提供的容性无功QC1，QC2，(QC1+QC2)分别和（QS-QD）比较，得出最接近的容性无功补偿量，控制相应容性无功补偿量对应支路的投切;

S9，根据多余的(QS-QD-QC)容性无功，无功补偿控制器的主板输出一个移相触发信号给磁控电抗器，使其产生相应的感性无功QI，QC是QC1、QC2、（QC1+QC2）的任一无功值。

电容器之路是多个时，QC是多个电容器之路所提供的容性无功的全排列组合之间的任一值。例如，3条电容器之路分别提供容性无功值为QC1，QC2，QC3，那么QC可以是QC1，QC2，QC3，（QC1+QC2）,(QC2+QC3),(QC1+QC3),(QC1+QC2+QC3)中的任一值。 

Claims (10)

1.一种无功补偿装置，包括并接在系统母线和补偿母线之间的第一分支断路器，并联在系统母线上的第一电压互感器，设置在主进线上的第一电流互感器，无功补偿控制器，一条并联在补偿母线上的电抗器支路，至少两条并联在补偿母线上的电容器支路；

补偿母线并接在系统母线上；

第一分支断路器、第一电压互感器、第一电流互感器分别接入无功补偿控制器；

电抗器支路包括依次串联连接的第二分支断路器，第二电压互感器，第二电流互感器，磁控电抗器，电抗器支路通过第二分支断路器连接补偿母线，第二分支断路器、第二电压互感器、第二电流互感器、磁控电抗器分别接入无功补偿控制器；

电容器支路包括依次串联连接的分支断路器，电压互感器，电流互感器，电容器，电容器支路通过分支断路器连接补偿母线，分支断路器、电压互感器、电流互感器分别接入无功补偿控制器。

2. 根据权利要求1中的的无功补偿装置，其特征是所述无功补偿控制器主板，显示板，电源板，模拟信号板，开入信号板，光纤信号板，开出信号板；显示板，电源板，模拟信号板，开入信号板，光纤信号板，开出信号板分别和主板电连接，模拟信号板，开入信号板，光纤信号板，开出信号板分别和电源板电连接。

3.根据权利要求1中的无功补偿装置，其特征是所述磁控电抗器和所述无功补偿控制器之间采用光纤或双绞线传递信号。

4. 根据权利要求2中的无功补偿装置，其特征是所述主板的处理器型号是TMS320F28335PGFA。

5. 根据权利要求2中的无功补偿控制器，其特征是所述主板的模数转换芯片型号是AD7658。

6.根据权利要求2中的无功补偿控制器，其特征是所述主板的现场可编程逻辑阵列芯片型号是EP1C6Q240。

7.根据权利要求2中的无功补偿控制装置，其特征是所述光纤信号板采用NPN型三极管和PNP型三极管的集电极连接构成的推挽电路驱动光纤头。

8. 根据权利要求2中的无功补偿控制器，其特征是所述主板上设置GRRS模块，串口和/或网络口。

9.利用权利要求1中的无功补偿装置的无功补偿方法，其特征是包括

如下步骤：

S1，主板A/D采样各电压互感器的电压，各电流互感器的电流等电气量值；

S2，根据第一电流互感器测量的电压U1，第一电流互感器测量的电流I1，计算出系统有功WS；

S3，当计算出的系统有功WS低于设定值WD时，无功补偿控制器会控制第一分支断路器的跳闸，断开整个无功补偿装置，以降低系统的损耗；当系统有功恢复到高于设定值WD时，无功补偿控制器控制相应之路进行无功补偿，补偿系统的无功；

S4，比较各电压互感器的电压和过压保护值，各电流互感器的电流和过流保护值，如电压值或电流值超出保护值时，断开与电流互感器串联的分支断路器，并将故障信息，分支断路器状态信息在显示板上显示并报警；

S5，读取各分支断路器的分合闸状态，位置状态，电抗器的状态信息；

S6，根据第一电压互感器测量的电压，第一电流互感器测量的电流，主板计算出系统无功QS；

S7，比较系统无功QS和无功设定值QD；

S8，如计算出的系统无功QS与无功设定值QD不相等，电容器支路提供的容性无功QC 和（QS-QD）比较，得出最接近的容性无功补偿量，控制相应容性无功补偿量对应支路的投切；

S9，根据多余的(QS-QD-QC)容性无功，无功补偿控制器的主板经控制计算后输出一个移相触发信号给磁控电抗器，使其产生相应的感性无功QI，QC是各电容器之路提供的容性无功值的全排列组合的任一无功值。

10.根据权利要求3中的无功补偿方法，其特征是进行感性无功补偿时，主板输出一个移相触发信号给磁控电抗器。