摘要：微機(jī)控制晶閘管投切電容器補(bǔ)償裝置以80c320單片機(jī)為控制核心，采用新穎的快速無功功率檢測(cè)方法和獨(dú)特的晶閘管控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多組電容器快速自動(dòng)分級(jí)投切，可滿足低壓配電網(wǎng)基波無功補(bǔ)償?shù)目焖傩院蛯?shí)時(shí)性要求。介紹了該裝置土回路控制方式和控制電路構(gòu)成，并通過模擬負(fù)荷投切試驗(yàn)中的有關(guān)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其投切的正確性。

　　0引言

　　隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，無論是供電部門還是用戶，對(duì)具有降低線損和提高電能質(zhì)量作用的無功補(bǔ)償措施越來越關(guān)注。無功補(bǔ)償不僅要求有足夠的無功補(bǔ)償容量，而且要求被補(bǔ)償裝置具有靈活性和較高的自動(dòng)化水平，以達(dá)到優(yōu)化補(bǔ)償?shù)哪康?。目前，無功補(bǔ)償大多以交流接觸器作為電力電容器的投切執(zhí)行元件，投入時(shí)沖擊電流大，切除時(shí)產(chǎn)生過電壓，自身觸頭易損甚至熔焊，噪聲大，設(shè)備故障率高，可靠性差。在控制環(huán)節(jié)上基本不能滿足分相、分級(jí)、快速及跟蹤補(bǔ)償?shù)囊?。鑒于此，本文根據(jù)tsc[1]無功補(bǔ)償原理，以晶閘管作為執(zhí)行元件，用80c320單片機(jī)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了一種tsc微機(jī)控制的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。它具有以下新特點(diǎn)：①不需檢測(cè)功率因數(shù)角即可快速檢測(cè)出無功功率;②利用微機(jī)同步相位控制技術(shù)和自適應(yīng)晶閘管觸發(fā)技術(shù)，當(dāng)實(shí)時(shí)檢測(cè)到電容器兩端電壓與電網(wǎng)電壓大小相等、極性一致時(shí)，瞬時(shí)投入電容器，電流過零時(shí)晶閘管自然關(guān)斷。不需加裝限流電抗器、不需專門的放電電阻、不需對(duì)電容器預(yù)充電，可隨時(shí)實(shí)現(xiàn)無沖擊投切電容器。③可以對(duì)不平衡的無功功率進(jìn)行完全補(bǔ)償，這是以往補(bǔ)償裝置難以勝任的。

　　1tsc主電路結(jié)構(gòu)

　　主電路設(shè)計(jì)除了滿足分級(jí)快速補(bǔ)償要求外，還應(yīng)考慮限制并聯(lián)電容器組的合閘涌流和抑制高次諧波等問題。

　　通常我國(guó)低壓配電網(wǎng)采用三相四線制，且以三相不平衡負(fù)荷情況居多，因此本文采用了圖1所示的tsc主電路結(jié)構(gòu)。其中三相電力電容器接成星形，以滿足分相補(bǔ)償?shù)囊?每相電容器按8-4-2-1的比例分成不同容量的4組，通過對(duì)4組電容器組不同組合的控制，以提高靜態(tài)補(bǔ)償精度。不同組的電容器容量不同，晶閘管的額定電流也不同。主電路如圖1所示，圖中每相只畫出其中的兩組。

　　圖1中控制電容器投切的無觸點(diǎn)開關(guān)由晶閘管模塊上的2只晶閘管反并聯(lián)組成。當(dāng)主回路施加正向電壓且晶閘管的控制極有觸發(fā)脈沖信號(hào)時(shí)，晶閘管導(dǎo)通，把電容器投入電網(wǎng);而當(dāng)去掉觸發(fā)脈沖后，電流過零時(shí)晶閘管自然關(guān)斷，從電網(wǎng)上切除電容器。晶閘管上并聯(lián)有rc阻容吸收電路，用于吸收開關(guān)過程中的瞬變電壓和瞬變電流。另外，在主回路上還專門裝有一組氧化鋅避雷器，用以吸收操作過電壓和雷擊過電壓等。在每一相中都串有快速熔斷器作為快速過流保護(hù)。晶閘管電壓值usc。的選擇要考慮電力電容器上的充電電壓，一般按式(1)選擇：公式(1)

　　式中：k1為電壓裕度，這里取1.1;k2為電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，這里取1.1;u1為電網(wǎng)額定電壓。晶閘管電流值iscr一般按式(2)選擇：公式(2)

　　式中f為電網(wǎng)額定頻率;c為電容量(單位為μf)。這里所取的裕度比通常方法要小，這就較大地提高了晶閘管容量的利用率[2]。只要能在投切控制技術(shù)上保證無過電壓、無沖擊電流，按以上原則選擇晶閘管參數(shù)就能保證裝置長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

　　通常我國(guó)低壓采用三相四線制tn-c系統(tǒng)供電。其特點(diǎn)是工作中性線n與保護(hù)接地線pk合為一根pen線，所有設(shè)備的外裸可導(dǎo)電部分均與pen線相連。當(dāng)三相不平衡時(shí)，pen線上有電流通過。分相補(bǔ)償時(shí)電容器頻繁投切引起的三相不平衡合閘涌流，可使pen線過負(fù)荷發(fā)熱，引起零電位漂移，危及人身安全，影響用電設(shè)備的正常工作。所以應(yīng)盡可能降低星形接法電容器中性點(diǎn)的接地電阻，以保證由三相不平衡合閘涌流引起的零電位漂移較小。

　　2補(bǔ)償裝置工作原理及構(gòu)成

　　本裝置是為低壓用戶研制的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，它由80c320單片機(jī)作為中央控制單元，通過檢測(cè)負(fù)荷的無功功率來控制晶閘管實(shí)現(xiàn)對(duì)多組電容器的動(dòng)態(tài)無觸點(diǎn)分級(jí)快速投切。在本裝置中，核心部分選用80c320單片機(jī)。80c320是一種可與80c31/80c32兼容的高速微控制器，它利用一個(gè)重新設(shè)計(jì)的處理器內(nèi)核，消除空時(shí)鐘和存貯周期，從而使每條8051指令的執(zhí)行速度在相同的晶振頻率下都比原來快1.5～3倍。在典型應(yīng)用中，采用相同的代碼和石英晶體，速度會(huì)改善2.5倍。80c320提供的最大晶振頻率為33mhz，因此運(yùn)行速度就相當(dāng)于8051使用82.5mhz。這種速度能夠很好地滿足無功補(bǔ)償中實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)囊?。而?0c320對(duì)8051用戶來說非常熟悉，指令系統(tǒng)完全與8051相兼容，但卻為用戶提供了16位微處理器的速度。圖2

　　本裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示主要由微機(jī)系統(tǒng)、同步鎖相單元、脈沖編碼與功放單元、專用綜保護(hù)單元等部分組成。

　　負(fù)荷電壓、電流的采樣信號(hào)經(jīng)阻容濾波、增益調(diào)整環(huán)節(jié)送人單片機(jī)的模人通道，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換，再經(jīng)快速運(yùn)算處理，得到負(fù)載所需的無功功率，再快速查表決定應(yīng)投入電容器的級(jí)數(shù)，由晶閘管動(dòng)態(tài)無沖擊地投入電容器，同時(shí)數(shù)碼管隨時(shí)跟蹤顯示投人級(jí)數(shù)，保證達(dá)到用戶要求的功率因數(shù)指標(biāo)。對(duì)不對(duì)稱負(fù)載，可采取分相檢測(cè)、分相補(bǔ)償?shù)拇胧?，以降低?fù)分量，改善三相不對(duì)稱度。

　　3幾個(gè)核心技術(shù)問題

　　3.1晶閘管無沖擊投切電容器

　　目前其它采用晶閘管或固態(tài)繼電器投切電容器的裝置大多都專門加裝了限流電抗器，其缺點(diǎn)是：①容易引發(fā)諧振，降低可靠性;②加大功率損耗;③易造成電容器過電壓;④增加了裝置的制造成本、復(fù)雜程度及故障率等。另外，還有一些同類裝置，需對(duì)電容預(yù)充電或放電才能再投入電容，這樣就影響了電容器投入的快速性。由于電容器是儲(chǔ)能元件，在每次被切除后，會(huì)保持有一定值的殘余電壓(uco)，顯然投切控制的最佳時(shí)機(jī)是當(dāng)網(wǎng)壓等于uco時(shí)，理論上不會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)過程，避免產(chǎn)生較大的"合-閘涌流"，這不僅保證晶閘管的安全，還可減小對(duì)電容器的損傷。所以，控制器必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電容器殘壓uco。而本裝置采用的投切原理如下：當(dāng)檢測(cè)到電容器兩端電壓與電網(wǎng)電壓大小相等、極性一致時(shí)，利用微機(jī)同步相位控制技術(shù)瞬時(shí)投入電容器，電流過零時(shí)晶閘管自然關(guān)斷，不需要專門的放電電阻或?qū)﹄娙蓊A(yù)充電，即可隨時(shí)再投入電容器，從原理上實(shí)現(xiàn)了無過渡過程的投切。長(zhǎng)期的運(yùn)行結(jié)果表明此方法有效地避免了電流沖擊，顯著地延長(zhǎng)了電力電容器的使用壽命，克服了投切電容對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)，提高了電能質(zhì)量。

　　3.2同步鎖相單元

　　此單元由rc阻容濾波環(huán)節(jié)、鎖相環(huán)和分頻器等組成。任取一相電壓作為電網(wǎng)電壓的同步信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過鎖相分頻處理后，其中50hz的方波信號(hào)送人單片機(jī)的extint口作為與電網(wǎng)頻率同步的外部中斷信號(hào)源;另外把由分頻器產(chǎn)生的與電網(wǎng)電壓同步的高倍頻脈沖信號(hào)送人單片機(jī)的hsi.1口作45-為其外部時(shí)鐘源，即使電網(wǎng)頻率在45-55hx范圍內(nèi)變化，也能保證外部時(shí)鐘源與電網(wǎng)頻率完全同步，確保觸發(fā)角度穩(wěn)定而可靠。

　　3.3精確、快速實(shí)現(xiàn)無功功率檢測(cè)為滿足沖擊性負(fù)荷動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和抑制電壓波動(dòng)、電壓閃變的要求，提出一種只需檢測(cè)電壓、電流波形上任意2個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)值，即可快速檢測(cè)出無功功率的檢測(cè)新方法，大大提高了無功檢測(cè)速度。同時(shí)由于此方法不需檢測(cè)功率因數(shù)角(功率因數(shù)角往往不能準(zhǔn)確快速檢測(cè))，再結(jié)合阻容波和數(shù)字濾波技術(shù)，大大提高了無功的檢測(cè)精度。

　　3.4脈沖編碼與功放單元

　　此單元由脈沖編碼環(huán)節(jié)、高頻調(diào)制環(huán)節(jié)、功率放大環(huán)節(jié)、脈沖變壓器等組成。由單片機(jī)高速輸出口發(fā)出的觸發(fā)脈沖，經(jīng)此單元后形成相應(yīng)組別、相應(yīng)相別的強(qiáng)觸發(fā)脈沖信號(hào)，再經(jīng)脈沖變壓器隔離送到相應(yīng)需觸發(fā)的晶閘管模塊上，控制晶閘管的導(dǎo)通。

　　3.5專用綜合保護(hù)單元

　　此單元由過壓保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路、負(fù)序保護(hù)電路、零序保護(hù)電路、斷相檢測(cè)電路、過流保護(hù)電路及溫度保護(hù)電路等部分組成。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生各種故障或設(shè)備本身出現(xiàn)故障時(shí)，均可靈敏地對(duì)本設(shè)備快速保護(hù)，從而避免損壞器件，保證設(shè)備常年安全運(yùn)行。當(dāng)配電系統(tǒng)出現(xiàn)短路、斷路故障時(shí)，還可通過人機(jī)界面將故障信息提示給運(yùn)行人員。

　　3.6避免投切振蕩和過分頻繁投切的措施

　　本裝置不采用功率因數(shù)而采用無功功率作為控制變量，按負(fù)荷實(shí)際所需無功自動(dòng)分級(jí)投切電容器組，同時(shí)設(shè)置獨(dú)特的自適應(yīng)梯級(jí)死區(qū)，一次調(diào)節(jié)到位，不僅避免了投切振蕩，還避免了電容器組不必要的頻繁投切。

　　4模擬負(fù)荷投切試驗(yàn)

　　本控制器在低壓情況下進(jìn)行了單相模擬負(fù)荷投切實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)條件如下：

　　1)試驗(yàn)中電壓的有效值為230v左右，頻率為50hz。

　　2)采用移相變壓器來模擬感性負(fù)荷。移相變壓器原邊作為電壓輸入信號(hào)，移相變壓器副邊作為電流輸入信號(hào)，調(diào)節(jié)原副邊的相位角差來模擬感性負(fù)荷。

　　3)電容器每相分為3組，容量分別為100μf，200μf，400μf。在條件

　　(1)的情況下，能夠補(bǔ)償?shù)母行詿o功大小分別為1662var，3324var，6648var。

　　4)模擬電壓和電流信號(hào)的采樣均采用wb系列電量隔離傳感器v411q0，輸入電壓有效值最大為400v，對(duì)應(yīng)的輸出電壓有效值為3.5v。為了與補(bǔ)償電容器補(bǔ)償?shù)臒o功值相匹配，在實(shí)際程序中將電流的有效值縮小了8倍，所以最后的電流結(jié)果為電壓的1/8。

　　5)試驗(yàn)中沒有接人晶閘管和電容器，所以在實(shí)際補(bǔ)償中，每執(zhí)行一次程序，顯示出的電容器投入組數(shù)就從開始應(yīng)投入值一直增加到7為止。

　　在以上條件下，計(jì)算出的幾組數(shù)據(jù)如表1所示：

　　表1中，投入電容器的組數(shù)是相對(duì)于最小電容器(在本控制器中指對(duì)于100μf的電容器的組數(shù)，如3組表示總?cè)萘繛?00μf，投入100μf和200μf的電容器各一組)。

　　實(shí)際試驗(yàn)中各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表2所示：

　　由于移相變壓器齒輪傳動(dòng)的機(jī)械偏差導(dǎo)致實(shí)際刻度可能與標(biāo)度盤不符，在本試驗(yàn)中，移相變壓器的相位差是通過示波器看出來的。

　　模擬負(fù)荷投切試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，控制器對(duì)于電壓和電流的采樣，電壓電流有效值、無功功率的計(jì)算以及電容器的投切控制電路均是正確的。

　　5結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)效果說明：本裝置全靜態(tài)運(yùn)行，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能改善電能質(zhì)量且降損節(jié)能效果顯著，適合普通低壓配電網(wǎng)用戶作無功補(bǔ)償。