CN1187874C

CN1187874C - 动态无功功率分相补偿方法及装置

Info

Publication number: CN1187874C
Application number: CN 02139174
Authority: CN
Inventors: 陈允平; 刘会金; 彭辉
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2022-10-16
Also published as: CN1404197A

Abstract

本发明公开了一种动态无功功率分相补偿方法及装置。该方法及装置通过测量系统电压和负荷电流，用工业PC机进行控制，计算出负荷的无功功率作为控制量，得到晶闸管开关闭合或断开的判据，并控制相应的晶闸管开关，投入容量适合的电容器组，实现无功动态补偿。本发明电容器投入时，无冲击电流，使补偿效果快速、准确、安全。此外，本发明还可以对不平衡的无功功率进行完全补偿，避免了某些相欠补偿的同时，某些相过补偿。而且本发明装置成本低、可靠性高、相对需要维护工作量小。本发明用于配电网无功补偿时，能提高负荷的功率因数，使安装地点的电能质量大大改善。

Description

动态无功功率分相补偿方法及装置

技术领域

本发明属于电力系统电能质量控制技术领域，特别涉及一种动态无功功率分相补偿方法及装置。

背景技术

在低压配电网中，广泛采用投切并联电容器组进行就地无功补偿，以减少输电中的无功输送，降低线损，改善电压质量，增加有功输送，保证供电系统安全、经济运行。

目前，低压并联电容器组大多采用三角形接法，无功补偿均为静态补偿，以交流接触器作电力电容器的投切执行元件，投入时冲击电流大，切除时产生过电压，自身触头易损，噪声大甚至熔焊，而且投切时间长。在控制环节上基本不能做到分相、分级、快速及跟踪补偿的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足和存在的问题，进而提供一种动态无功功率分相补偿方法及装置，该方法及装置补偿效果快速、准确、安全、洁净及易于控制，此外，由于采用分相补偿，可以对不平衡的无功功率进行完全补偿。

本发明提供的技术方案是：一种动态无功功率分相补偿方法，包括下列步骤：

(1)接入配电网系统母线上的电压互感器和负荷馈线上的电流互感器输出的电压、电流分别经电压变送器、电流变送器转换成电压信号u_ax、u_bx、u_cx，电流信号i_ax、i_bxi_cx，其中，同相的电流和电压信号需要同步采集；

(2)电压信号u_ax、u_bx、u_cx和电流信号i_ax、i_bx、i_cx传送到数据采集卡，由数据采集卡测量并由工业PC机计算出三相有功功率P_A、P_B、P_C，和各相相电压的有效值U_A、U_B、U_C，以及各相相电流有效值I_A、I_B、I_C；

(3)根据无功功率的定义，由工业PC机，计算得出三相无功功率分别为

Q_{A} = \sqrt{S_{A}^{2} - P_{A}^{2}} = \sqrt{{(U_{A} I_{A})}^{2} - P_{A}^{2}}

Q_{B} = \sqrt{S_{B}^{2} - P_{B}^{2}} = \sqrt{{(U_{B} I_{B})}^{2} - P_{B}^{2}}

Q_{C} = \sqrt{S_{C}^{2} - P_{C}^{2}} = \sqrt{{(U_{C} I_{C})}^{2} - P_{C}^{2}}

作为各相电容器组的补偿控制量；

(4)工业PC机根据晶闸管投切电容器组(Thyristor Switching Capacitor TSC)的补偿控制量计算得出各相需要投入的电容器的容量，作为晶闸管开关组中相应的晶闸管开关S_i(i＝1、2、…n)闭合或断开的判据；

(5)当晶闸管断开时，系统电源通过二极管给电容器组中的电容器充电，直至电容器上的电压达到系统电压的正峰值；利用同步电压信号，将晶闸管的触发时刻定在系统电压的正峰值处，此时向晶闸管送出触发脉冲，使晶闸管导通；

(6)工业PC机控制晶闸管触发电路，向晶闸管开关组中相应的晶闸管发出触发脉冲，使这些晶闸管导通，投入容量适合的电容器组，使各相的功率因数在0.95以上；

(7)重复步骤(1)～(6)，可以跟踪负荷的变化，实现无功动态补偿。本发明还提供了一种动态无功功率分相补偿装置，由电压变送器、电流变送器以及实时补偿电路所构成，所述实时补偿电路由数据采集卡、工业PC机、晶闸管触发电路、晶闸管开关组、电容器组、交流接触器所构成，其中，配电网系统母线上的电压互感器和负荷馈线上的电流互感器的输出信号分别经电压变送器和电流变送器送入安装在工业PC机上的数据采集卡，工业PC机与晶闸管触发电路相连，晶闸管触发电路与晶闸管开关组相连，电容器组经晶闸管开关组和交流接触器接入配电网系统母线。

所述的晶闸管触发电路在系统电压正峰值发出触发脉冲，晶闸管开关由晶闸管和二极管反并联组成，电容器已经预充电，因此无需过零检测电路，电容器投入或切除时没有过渡过程。此外，电容器组每相四组，容量按1∶2∶4∶8成二进制分配，分相投切。

本发明以晶闸管作为执行元件，用工业PC机进行控制，通过跟踪检测负荷的无功电流或无功功率，对多级电容器组进行分相投切，在电容器电压与系统电压相等的时刻投入电容器，完全消除了暂态过程，使补偿效果快速、准确、安全、易于控制。此外，由于采用分相补偿，根据各相所需补偿的无功功率分别投入相应的电容器组，避免了三相负荷不平衡时，某些相过补偿或某些相欠补偿的情况，可以对不平衡的无功功率进行完全补偿。而且本发明的动态无功功率分相补偿装置成本低、可靠性高、相对需要维护工作量小。用于配电网无功补偿时，能提高负荷的功率因数，使安装地点的电能质量大大改善，具有良好的推广应用前景。

本发明具有以下优点和积极效果：

(1)采用晶闸管与二极管反并联组成晶闸管开关，投入或切除电容器时不会产生涌流；

(2)由于晶闸管开关动作快，可在一个周波之内投入或切除电容器，且能频繁投切，实现动态无功补偿；

(3)跟踪检测负荷的无功电流或无功功率，对多级电容器组进行分相投切，能够快速、准确地投入电容器组，而且可以实现三相无功功率的最优补偿；

(4)采用工业PC机进行控制，软件界面友好，全自动运行，不需人工干预，维护工作量小。

附图说明

图1为本发明动态无功功率分相补偿装置与配电网系统母线的连接关系示意图；

图2为本发明动态无功功率分相补偿装置工作原理框图。

图3为晶闸管光电触发系统工作原理框图。

图4为晶闸管光电触发系统电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，母线1电压与负荷馈线上的电流经电压互感器2、电流互感器3转换为标准的100V电压和标准的1A(5A)电流，送入动态无功功率分相补偿装置4。动态无功功率分相补偿装置4对采样数据进行处理，计算出所需补偿的无功功率，并产生相应的补偿策略，投入或切除各相电容器组，对负荷5进行动态无功补偿。

如图2所示，本发明的动态无功功率分相补偿装置工作原理如下：将接入母线1上的电压互感器2和负荷馈线上的电流互感器3输出的电压、电流信号分别经电压变送器4.1、电流变送器4.2转换成弱电压信号u_ax、u_bx、u_cx，弱电流信号i_ax、i_bx、i_cx。电压信号u_ax、u_bx、u_cx和电流信号i_ax、i_bx、i_cx传送到数据采集卡4.3，由数据采集卡4.3测量并由工业PC机4.4计算出三相有功功率P_A、P_B和P_C，各相相电压的有效值U_A、U_B、U_C和各相相电流有效值I_A、I_B、I_C。根据无功功率的定义，由工业PC机4.4，计算得出三相无功功率分别为

Q_{A} = \sqrt{S_{A}^{2} - P_{A}^{2}} = \sqrt{{(U_{A} I_{A})}^{2} - P_{A}^{2}},

Q_{B} = \sqrt{S_{B}^{2} - P_{B}^{2}} = \sqrt{{(U_{B} I_{B})}^{2} - P_{B}^{2}},

Q_{C} = \sqrt{S_{C}^{2} - P_{C}^{2}} = \sqrt{{(U_{C} I_{C})}^{2} - P_{C}^{2}}

作为各相电容器组的补偿控制量。工业PC机4.4根据TSC的补偿控制量计算得出各相需要投入的电容器组的容量，作为晶闸管开关组4.6中相应的晶闸管开关S_i(i＝1、2、…n)闭合或断开的判据。当晶闸管断开时，系统电源通过二极管给电容器充电，直至电容器上的电压达到系统电压的正峰值。利用同步电压信号，将晶闸管的触发时刻定在系统电压的正峰值处，此时向晶闸管送出触发脉冲，使晶闸管导通。由于此时电容器上的电压等于系统电压，因此没有暂态过程，也不会出现冲击电流，可以频繁投切。工业PC机4.4控制晶闸管触发电路4.5，可将低电位侧的触发脉冲经光纤传送至10kV～35kV的高电位侧，向晶闸管开关组4.6中相应的晶闸管发出触发脉冲，使这些晶闸管导通，投入容量适合的电容器组4.7，使各相的功率因数在0.95以上；重复上述步骤，可以跟踪负荷的变化，实现无功动态补偿。交流接触器4.8和刀闸开关4.9用于本装置出现故障或例行检修时，将装置从系统中有效退出。

如图3所示，晶闸管触发电路由触发脉冲发生器6，电压—电流转换单元7，电—光转换器8，光纤9，光—电转换器10，脉冲功放电路11，多路脉冲分配器12和脉冲功放电源13组成，可将低电位侧的触发脉冲经光纤传送至10kV～35kV的高电位侧。

以下是一台10kV，容量为30MVar动态无功功率分相补偿装置。电压变送器4.1为小电压互感器，电流变送器4.2为霍尔式电流传感器，数据采集卡4.3采用ADVANTECHPCL-818L高速A/D转换卡。晶闸管触发电路4.5向晶闸管开关组发出触发脉冲。晶闸管触发电路4.5的具体电路如图4所示，光电隔离采用的是惠普公司的HFBR-0400系列，发送器采用HFBR-1414，接受器采用HFBR-2412。可在发送器和接受器之间传送模拟信号和数字信号，传送数据速率为5MBd，传送距离为2000m.HFBR-1414正向工作电压V_F＜1.5V，最大正向工作电流I_F为60mA，最大衰减为4dB/km最大时延为50ns。三极管Q1起开关管的作用，KCZ2产生脉冲使Q1导通，HFBR-1414上就有电流流过，电流大小为

I_{F} = (V_{CC} - V_{F}) / R_{1} = (5 V - 1.5 V) / 0.1 KΩ = 35 mA .

HFBR-2412输出端6脚为TTL电平输出，但输出和输入是反向的，所以用三极管Q7作反向器。Q4为大功率三极管，二极管D1和脉冲变压器的原边反并联，D1起续流的作用，迅速释放变压器线圈上的能量，使脉冲变压器上流过的使大功率的高速脉冲。同时注意高压侧电源必须和低压侧电源隔离，才能真正起到高低压隔离作用，高压侧电源从高压端由电流互感器取能得到。晶闸管开关组4.6由12对反并联的晶闸管和二极管及相应的保护电路构成(每相四对)，电容器组每相四组，容量按1∶2∶4∶8成二进制分配，三相共30MVar。工业PC机4.4采用以工业级PIII处理器为核心的ADVANTECH系列工控机，抗干扰能力强，计算速度快。

Claims

1.一种动态无功功率分相补偿方法，包括下列步骤：

(1)将接入母线上的电压互感器和负荷馈线上的电流互感器输出的电压、电流分别经电压变送器、电流变送器转换成电压信号u_ax、u_bx、u_cx，电流信号i_ax、i_bx、i_cx，其中，同相的电流和电压信号需要同步采集；

Q_{A} = \sqrt{S_{A}^{2} - P_{A}^{2}} = \sqrt{{(U_{A} I_{A})}^{2} - P_{A}^{2}}

Q_{B} = \sqrt{S_{B}^{2} - P_{B}^{2}} = \sqrt{{(U_{B} I_{B})}^{2} - P_{B}^{2}}

Q_{C} = \sqrt{S_{C}^{2} - P_{C}^{2}} = \sqrt{{(U_{C} I_{C})}^{2} - P_{C}^{2}}

作为各相电容器组的补偿控制量；

(4)工业PC机根据晶闸管投切电容器组的补偿控制量计算得出各相需要投入的电容器组的容量，作为晶闸管开关组中相应的晶闸管开关闭合或断开的判据；

(7)重复步骤(1)～(6)，可以跟踪负荷的变化，实现无功动态补偿。

2.一种动态无功功率分相补偿装置，包括电压变送器、电流变送器以及实时补偿电路，其特征在于：实时补偿电路由数据采集卡、工业PC机、晶闸管触发电路、晶闸管开关组、电容器组、交流接触器所构成，其中，母线上的电压互感器和负荷馈线上的电流互感器的输出信号分别经电压变送器和电流变送器送入安装在工业PC机上的数据采集卡，工业PC机与晶闸管触发电路相连，晶闸管触发电路与晶闸管开关组相连，电容器组经晶闸管开关组和交流接触器接入系统母线。

3.根据权利要求2所述动态无功功率分相补偿装置，其特征在于：采用反并联的晶闸管和二极管作为电容器组中的电容器的开关。

4.根据权利要求2或3所述的动态无功功率分相补偿装置，其特征在于：电容器组每相四组，容量按1∶2∶4∶8成二进制分配，分相投切。