TSC无功补偿的控制电路设计
[摘要] 选择合适的TSC无功补偿装置的控制方式,可以使补偿达到更准确的目的。
通过分析功率因素控制和无功功率(无功电流)两种控制方式的特点,在TSC 控制电路设计过程中,采用无功功率(无功电流)控制的方式。
[关键词] TSC装置功率因素无功功率(无功电流)
0 引言
在设计完整的TSC无功补偿装置时,可以考虑采用固体继电器来作为TSC无功补偿装置的开关元件,从而达到TSC 投切电容器所应具有的电压过零触发功能。
同时,TSC控制器在控制方式上的选择也非常重要。
在此,分析功率因素控制和无功功率(无功电流)两种控制方式的特点,以及具体到固体继电器工作时的控制要求[1]。
1 常用无功功率补偿措施
(1) 功率因素控制
功率因素控制就是以功率因素满足要求为控制目标。
用无功补偿装置进行补偿,使供电电网的功率因素满足要求。
功率因素式控制器通过对电网的电压、电流进行采样检测,分析计算出当前的功率因素值。
用当前的功率因素值与设定的投切门限值进行比较,以确定是投入、切除,还是保持不变,功率因素式控制器当检测到当前的功率因素值介于0.9和1.0之间时,则不论实际的无功功率因素值是多少,都保持与当前的补偿状态不变。
功率因素值是一个比例值,所以在重负荷时,虽然功率因素满足了要求,但电网中的无功功率仍很大。
由于负载很轻,这时的功率因素很低。
按照补偿原理投入一个电容器组,用该组电容器的超前电流去进行补偿,补偿的结果是得到了超前的功率因素。
功率因素只要超前,就要立即切除一电容器组,而切除一组功率因素又不够,因此形成振荡。
(2) 无功功率(无功电流)控制
针对无功因素控制的问题,出现了以系统中的无功功率(无功电流)为被控制对象,即无功功率(无功电流)控制方式。
控制器对电网的电压、电流进行采样检测,计算出当前的无功功率(无功电流)值。
若当前值大于一个电容器组的补偿值,则投入一个电容器组;若当前值超前,则切除一个电容器组。
本方法的控制对象是无功功率(无功电流),而无功功率(无功电流)又始终保持在一个较低的水平上。
因此,不会出现功率因素控制方式所出现的重载时功率因素满足要求,但无功电流很大,而轻载时又容易产生投切振荡的问题。
(3) 控制方式的比较
两种控制方式控制的无功补偿器性能比较见表1。
用无功补偿装置进行补偿,使供电电网的功率因素满足要求,这是人们最先想到和做到的。
但从上面所列出的表格中可以看出,它在轻载时易发生投切振荡;在重负荷时,虽然功率因素满足了要求,但电网中的无功功率仍很大。
因此,在设计TSC无功补偿装置时,宜采用无功功率(无功电流)控制的方式。
2 投切判据与信号检测
(1) 无功电流幅值检测原理
TSC无功补偿装置通过检测负荷侧无功电流幅值作为电力电容器的投切判据。
进行无功补偿幅值检测原理电路框图如图1所示。
图1中,电压信号为电源经电压互感器后得到的;电流信号为负载电流经电流互感器后得到的;采样保持器的输出就是无功电流幅值Iqm。
由此得到全补偿所需的电容量:
其中,为交流电压的有效值。
若为负,则切除相应容量的电容器;反之,则应投入相应容量的电容器。
(2) 固体继电器(Solid State Relay,SSR)
固体继电器是利用现代微电子技术与电力电子技术相结合而发展起来的一种新型无触点电子开关器件。
它可以实现用微弱的控制信号(几毫安到几十毫安)控制0.1A直至几百安电流负载,进行无触点接通或分断。
交流过零型固体继电器采用了过零触发技术,具有电压过零时开启,负载电流过零时关断的特性[2]。
固体继电器多为四端接线,两个输入端,两个输出端,如图2所示。
输入端接控制信号,输出端与负载、电源串联,SSR实际是一个受控的电力电子开关;输入输出间为光隔离,输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后,输出端就能从断态转变成通态。
将TSC所要求的开关具有过零触发功能和过零型固体继电器所具有的过零
触发技术相比较,可采用过零型固体继电器作为TSC的投切开关,如图4所示为电网单相施行TSC无功补偿时的连接图。
其中的AC-SSR表示为交流过零型固体继电器;C表示为电网所需补偿的电容;表示为触发脉冲,+、-两端加上直流或脉冲信号到一定电流值后,继电器就能从断态转变成通态。
同时,也可以考虑用单片机为核心的微机系统来准确控制触发脉冲;在治理配电网时,为了使TSC的补偿更加准确,通常采用电容的分级投切形式,此时,结合微机系统来操作,将使系统能达到实时准确补偿的目的[3]。
3 以Intel 80C196KB单片机为核心的微机控制系统
在使用TSC方式对系统进行无功补偿时,为了确保补偿的精确性,通常采用电容器的分级投切方式[4]。
在此,需要考虑如何更好地实时控制电容器的投入或切除[3]。
用以Intel 80C196KB单片机为核心的微机系统来控制TSC电路中电容的投切,单片机兼有CPU,A/D,RAM等功能。
如图4所示。
电压、电流的采样信号先经单片机内部的A/D把模拟量变成数字量,以便计算负荷无功功率Q和作为保护等所用。
在无功功率的检测方法上,采用独特的只检测负荷电压、电流任意两时刻的瞬时值即可快速检测出负荷无功功率Q的新方法。
为了减少随机误差,实际上进行了多点采样以计算出若干Q,同时结合数字滤波技术,由单片机快速准确地把Q检测出来。
快速检测出无功Q以后,即可实时决定应投入的电容器级数,并由单片机的高速输出口HSO.0～HSO.5发出相应的触发脉冲信号;同时单片机还实时查询各种保护状态,决定是否采取保护措施,以保证整机的安全运行[5]。
参考文献:
[1] 黄绍平,彭晓,浣喜明.TSC无功补偿装置的设计[J].高压电器,2003,39(6):33-35.
[2] 罗永昌,谷永刚,肖国春,王兆安.SSR 在TSC 中应用的实验研究[J].电力电子技术.2004,8(4).
[3] Zhang Jianhua; Dai Guanping; Xiao Gang; Zhao Jie; Zhang Hui; Wang Shuying.Design of the control system for thyristor switched capacitor devices[J].Transmission and Distribution Conference and Exposition,2003 IEEE PES V olume 2, 7-12 Sept. 2003 Page(s):606 - 610.
[4] 电能质量·电压允许波动和闪变(GB-2000).
[5] 陈小华,黎有勇.现代控制继电器实用技术手册[M].人民邮电出版社.1998.。