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动态无功补偿复合开关优化探讨

[2017/05/11]

随着国家经济的发展和人民生活水平的提高,大量的居住楼盘、高档商场、宾馆、办公楼等民用建筑在城市中拔地而起,使城市用电量快速增长。但是,在这些民用建筑场所内使用的多为单相电感性负荷,因其自身功率因数较低,在电网中滞后无功功率的比重较大。为保证降低电网中的无功功率,提高功率因数,保证有功功率的充分利用,提高系统的供电效率和电压质量,减少线路损耗,降低配电线路的成本,节约电能,通常在低压供配电系统中装设电容器无功补偿装置。

1 动态无功补偿复合开关的工作原理和主要技术特点

目前电力系统通用的无功补偿方案有接触器投切电容器、复合开关投切电容器、晶闸管投切电容器这三种。复合开关投切电容器无功补偿装置,其投切开关是晶闸管和接触器并联的复合开关,其主要作用是用晶闸管控制电容过零投切,以降低传统接触器投切的电流冲击,电容器投入后再由接触器旁的路晶闸管,使电容运行。

动态无功补偿复合的主要技术特点有:

实现动态补偿 ,可对频率和大小都变化的无功功率进行补偿,对补偿对象有极快的响应。动态补偿不容易和电网阻抗发生谐振,且可以跟踪电网频率的变化,故补偿性能不受电网频率变化的影响。

(1) 过零投切:断口电压为零时,开关接通;电流过零时,开关分断。由于采用了过零触发技术,因此可使射频干扰降低到最低程度。

(2) 功耗小:由于采用了磁保持继电器,控制装置只在投切动作瞬间耗电,平时不耗电且磁保持继电器的接触电阻小,不需要外加散热片或风扇,降低了成本。

(3) 无谐波:磁保持继电器吸合后,没有非线性电阻,不会产生谐波。

(4) 抗干扰:具有低阻抗的特点,可以抑制干扰,消除噪声。

(5) 保护功能:欠压保护,当系统电压低于160V时开关自动分闸;缺相保护,当系统电压缺相时,开关拒合闸(适用于三相△连结的开关);停电保护,系统停电后开关自动分闸,当系统恢复供电后开关不会自动合闸。

开关合闸波形图:

2 动态无功补偿复合开关在实际运行中存在的主要问题

(1)由于国内大多数的动态无功补偿复合开关采用的接触器都是普通的机械触点开关,因此动作速度较慢,在负荷动态变化特别频繁,要求响应速度和投切精度很大的场合,常常不能满足补偿要求。

(2)当用户同时使用大量三相用电设备时,必须投入三相电容补偿,而复合开关的接触器很难达到三相同时投切的质量要求。

(3)由于零点检测出现误差或电网、线路及其他因素的干扰,打乱动态无功补偿控制器及复合开关正常的工作程序甚至导致其失控。

3 影响动态补偿复合开关稳定工作状态的主要因素

3.1 电源因素

由于电子电路通过电源电路接到电网,所以电网的噪声通过电路干扰进入电子线路,这是影响复合开关工作稳定的主要原因之一。电源因素可以从以下三种情况来详细考虑。

(1) 通过电源变压器的耦合。变压器是电源电路中最常见的元件,它的初级接在电网电源,次级则按设计要求得到各种交流电压,然后再经过整流滤波和稳压等电路,得到供线路工作所需要的直流电压。在研究电网高频尖峰脉冲如何穿越变压器而传播时发现,变压器初、级的交流电磁耦合并不是这种噪声的主要传播途径。事实上,这个传播途径是由变压器初次级间分布电容所造成的。由于变压器的初级线圈靠得很近,这两部分间的分布电容通常有数百PF。这种分布电容不仅电容量大,而且有良好的频率特性,对高频噪声的阻抗很低。

(2) 电源本身的过压、欠电压、停电等故障引起的电源噪声。任何电源及输电线都存在内阻,正是这些内阻引起电源的噪声影响了复合开关的稳定工作。如果没有内阻存在,无论如何噪声都会被电源电路吸收,在电路中不会产生干扰电压。

(3) 浪涌、下陷、尖峰电压与其他电源干扰因素。用户本身大功率设备的不断接通和断开,特别是大功率电动机,接通瞬间需要很大的启动电流,并可持续几百毫秒,从而在输电线路内阻上将产生很大的压降,这是电网中产生电压瞬变(浪涌、下陷)的主要原因。这些噪声叠加在正弦交流电压上沿线路传输,在所到之处引起干扰,如果幅度过大,会毁坏系统。

另外,设备接地不良,输电线、汽车打火、无线电发射以及电弧等幅射源、地线过长等等,都会使复合开关无法正常工作。

3.2 线路及其他因素

如果动态无功补偿控制器线路板设计不合理,使元件的排列不合理,或者线路中元件之间的布局不合理,就有可能出现线路本身的干扰源,使单片机系统误动作。

4 动态无功补偿复合开关优化探讨

针对以上存在的问题,我们提出几点优化方案:

(1)采用晶闸管和交流低压真空接触器并联组成动态无功补偿复合开关的主体,以取代普通的机械型接触器。

因为真空接触器具有接通、分断能力大、电气和机械寿命长、在恶劣条件下工作可靠性高等优点,适合于电力系统中,供远、近距离接通和分断电路以及在重任务条件下的频繁启动和控制。

CKJ12型(EVS)系列交流低压真空接触性能参数:

(2)对接触器的触头系统进行改进,通过控制中间相触头的分断时刻,可达到三相触头均在电流过零点前分断电路,实现三相电路的同步分断。实现同步分断的关健是要有性能良好的电流传感器,用来检测主电路的电流。这种电流传感器与传统的电流传感器相比具有更强的抗干扰性能,在强大的电磁干扰(包括电弧干扰和电动力干扰)的影响下,要能够准确的反映主电路的电流变化情况,尤其能够检测到准确的电流零点。

(3)复合开关硬件部分。

①改良动态无功补偿控制器的单片机系统复位电路设计。通常单片机都有一个复位引角,用于系统的复位。但复位电路易受电源波动的影响,当单片机电源受到干扰后,电压下降至低电平时,复位端电位也随之下降至低电平,使单片机无法正常工作。

②动态无功补偿复合开关采用光电隔离的电路。光电隔离的目的是割断两个电路之间的联系。复合开关的控制回路采用美国摩托罗拉公司最新推出的光电新器件――光电双向可控硅驱动器,作为其主要控制元件。

此元件由输入、输出两部分组成。输入级是一个砷化镓红外线发光二极管(LED),该二极管在5-15mA正向电流作用下,发出足够的红外光,触发输出部分。输出级为具有过零检测的光控双向可控硅。当红外发光二极管发射红外光时,光控双向可控硅导通,发出控制信号触发主控零件。由于采用了光电隔离,并且能用TTL电平驱动,它很容易与单片机接口进行自动工控设备的适时控制。提高了线路的稳定性。

③接地技术。一种是为了保证人身或设备安全,而把设备的外壳接地,这种接地称之为外壳接地或安全接地;另一种是为电路工作提供一个公共的电位参考点,这种接地称之为工作接地。

复合开关电路采用工作接地,电流传感器则采用外壳接地系统。为了减少电流信号回路的电磁干扰,送入单片机的信号采用了带屏蔽的双绞线,双绞线的屏蔽层连接到机壳上。

④屏蔽技术。电源变压器采用初级间加屏蔽层接地以解决电网干扰问题。以金属板、金属网或金属盒构成的屏蔽体能有效对付电磁波幅射的影响。

(4)控制器软件部分。

除了在硬件采取必要的抗干扰措施外,在单片机程序设计中,充分挖掘软件的抗干扰能力,采取一定的措施,将干扰的影响抑制到最小程度。

①使用监视定时器。程序在运行过程中,有时由于某种噪声干扰的影响,会出现程序“乱飞”现象,影响系统正常工作。这种情况可采用PLC单片机内部具有的监视定时器WDT来监视系统。因为在系统正常工作时,程序每隔一定的时间清除计数器,而计数器按时针脉冲加法计数。当这一时间短于监视定时器的溢出时间时,计数器永远不会溢出。但如果系统受到干扰时,程序的正常执行顺序被破坏,便不能在计数器溢出之前清除计数器,从而不会发生计数器溢出的情况。所以可把计数器溢出作为系统受到干扰的标志。

动态无功补偿控制器通过设置状态寄存器可设置定时器溢出时间,在程序执行期间利用CLRWDT指令清除定时器,从而防止程序正常执行时的定时器溢出,并使系统复位,可有效地消除干扰的影响。

②软件陷阱。通常CPU的ROM存储区存在着大量的未用空间,而当程序受到干扰后,经常会跳到这些地址上。为了捕捉到这种干扰,可在这些区域设置陷阱――引导程序片段,一但程序落入这片区域时,就将其引导到特定的处理程序上而恢复正●!U庵执胧┑挠诺闶强垢扇拧⒋砑虻ィ钡闶瞧溆隒PU未用的存储数量有关,未用的空间越多,则捕捉到干扰的概率越大,故具有一定的局限性。

③软件抑制电源干扰。实际运行中会有一部分电源噪声窜入系统,造成软件复位,扰乱程序的正常执行顺序。为了抵御这种干扰,在程序的开始位置安排了一段程序,此程序可以决定复合开关的投切动作。

系统在初始化后,进入条年审查状态,根据电压、电流检测单元所测的电压、电流信号决定系统当前的工作状态,保证系统的可靠运行。

④数字滤波?刂破鞯テ扑阄系缪埂⑹头诺缪故辈捎檬致瞬ǖ姆椒ǎ梢韵捎诘缱印⒌绱鸥扇旁斐傻牟裳藕挪蛔既返贾挛蠖鞯奈侍狻

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