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低压动态无功补偿及装置设计与实现

2023-09-08 23 上传者：管理员

摘要：低压动态无功补偿装置的应用能够降低电力系统负荷，有效补偿电路运行时产生的无功功率，在一定程度上避免电网损耗及受电端电压下降的问题，从而提升功率因数，改善电压质量。该文首先对低压动态无功补偿装置的总体结构与控制器结构进行设计分析，并采用接地抗干扰设计降低设备运行时的外界干扰因素，提升控制器的控制精度，优化装置的实际应用效果。

关键词：
低压动态
抗干扰
控制系统
无功补偿
结构设计
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用电量的提升导致电网中无功功率越来越多，进而影响整个电网的供电质量，在实际设计环节，需要通过提高电力系统中的负载功率因数、降低设备容量、减少功率损耗，从而保证电力系统的稳定性，提高输电能力。

1、低压无功补偿装置的结构设计与实现

针对低压动态无功补偿装置的设计，为了优化设备整体区域的负荷补偿，可以采用晶闸管投切电容器（TSC）型动态无功补偿装置，该装置能够应用集中补偿的方式，装配在配电变压器低压侧母线上，从而实现补偿无功功率的作用。本文进行的低压动态无功补偿装置的主体结构主要包括：柜体、控制器、空气开关、避雷针、三项电容器、熔断器、可控开关、触发板及串联电抗器等部分。

2、低压配电装置无功补偿控制器的结构设计与实现

无功补偿控制器的结构框架设计图如图1所示。

控制器在进行运行时主要针对无功功率进行检测，因此需要先进行无功功率的计算，公式如下

式中:Q表示无功功率，UI表示电网线电压，I表示负载相电流，φ表示功率因数角。本文的控制器设计中包含电压、电流信号采集电路及功率因数测量电路，因此可以得到φ、UI、I三项因素，进一步通过公式（1）计算得出无功功率。为了能够清晰观测到电压值、电流值以及功率因数值，装置结构配置了四位数码显示电路来显示相关数值，并配合使用键盘电路用以切换显示内容。具体的控制过程为：计算得出无功缺额→控制器识别分析→控制电容器组→发出投切指令→控制单片机I/O口输出→脉冲触发装置接收指令→控制晶闸管投切开/关→实现投切开始/关闭操作[1]。以上操作需要对低压配电装置无功补偿控制器的各个部分电路进行详细设计，具体设计环节如下。

2.1信号采集通道及转换电路设计

2.1.1信号采集通道设计

1）信号采集通道需要应用数字控制采集器来实现电流及电压的信号采集，此时无功调节器的互感器负责发出电流及电压信号，由于互感器的初级及次级信号相位差较小，大概在正负几分到几十分之间，因此可以满足无功补偿要求，在采集电流及电压信号时不用再进行额外的校正及补偿。

图1无功补偿装置控制系统结构图

2）无功补偿装置在测量电流电压时，首先需在两极互感器中进行耦合操作，然后再传递至控制器。结合要求可以设计出第二级互感器，具体电路规格如图2所示，此时电流互感器输出最大的电压额定值为7.07 V，峰值电压为10 V；电压互感器输出电压额定值为峰值电压为由此可知电流互感器与电压互感器输出的交流电压上下浮动在±10 V区间内，在进行电流及电压信号处理过程中，可以通过模拟器完成操作。

图2互感器

2.1.2转换电路设计

1）根据图2分析可知，交流电压量流经电压互感器、交流电流量流经电流互感器，完成转换后，能够在微机处理环节变为弱信号，在流经整流滤波电路后，实现交流量到直流量的转变。此时的直流量可以直接进行A/D（采用TLC2543芯片）转换，从而将模拟量转变为数字量，再传输至CPU。

2）针对A/D转换器设计出3个端口，分别为片选端、串行数据输入端、输入/输出时钟端，将3个端口采用3线SPI串联方式分别接入微处理器，实现各个构件之间的通信。

3）为了节省成本，可以选择12位数据采集系统，主要是在11路输入通道中完成对11路模拟信号的采集，A/D转换器的TLC2543芯片由电压直接输入电能，因此信号采集通道也可以实现电压直接输入，而电流输入需要在接口处安装电阻，将其转换为电压后再输入。

4）设定最高电压峰值为当A/D转换器的输入电压超过这个峰值时，会对A/D转换器芯片造成影响，需要在转换器的输入端上连接稳压管，稳压管要求接地，并且电压设置为5.1 V。

5)A/D转换器的3个端口主要由引脚P1.0、P1.1、P1.2提供，并单独设置引脚P1.3来接收芯片转换的转换数据，3线SPI的线路需配置光耦隔离措置，保证模拟部分与数字部分的有效隔离，从而提高电路精度[2]。

2.2功率因数测量电路

功率因数值需要通过三相负载进行提取计算，由于三相负载是不平衡的，因此需要在其中一相中提取相电流信号，在另外两相中提取线电压信号，这里的相电流与线电压之间的夹角设为θ,θ的原理为相电流超前于线电压之间的角度，θ与φ之间存在线性关系。该环节中设计的功率因数测量电路就是运用相电流与线电压之间的相位差（θ）原理。具体设计流程如下。

1）设三相负载电流分别为A、B、C，因此可知A、C两相电路输入之间的线电压为uCA,B相的电流为iB，此时对应的功率因数信息的波信号为u3。

2）在电流互感器的一侧接入1个比较器（LM399），电压互感器采集到线电压信号uCA后，通过比较器的同相输入端，电流互感器将相电流iB信号转化为电压，通过比较器的另一个同相输入端，继而转化为相应的方波信号u1和u2。

3)u1和u2方波信号的变化主要是信号由负变正这一时刻实现的，该时刻设为零时刻，变化后得到方波信号u3，并将u3传输至单片机的外中断INT0引脚，再配合使用定时器T0，此时便可以对方波信号u3的脉冲宽度τ进行检测，而且τ值与φ值存在线性关系。

4）运用τ、φ、θ三个数值计算出功率因数角φ，设计环节不考虑接线方式之间存在的误差，结合B相电流iB及线电压uCA的接线方式，计算得出的出功率因数角φ的绝对值|φ|的公式如下

0≤τ<4，表示为滞后；

T/4<τ≤T/2，表示为超前；

5）当系统中外中断NT0启动时，方波信号u3由负变正，在配合定时器T0启动后，T0开始计时操作，此时u3从正变为负，关闭T0的计数开关，得到计数值T0，该计数值与τ呈正比关系。

6）设电力系统中一段时间内电网运行周期为T，在该周期内T0所得到的计数值为N，代入公式（2）进行计算后，便可以判断出功率因数的超前及滞后情况，继而可以得到θ及φ值为

通过公式（3），进一步得到cosφ。对电路设计结果进行仿真计算，采用Multisim软件，结合仿真结果，该部分设计的电路能够检测电网中的功率因数，而且操作环节简单方便，结果准确，可以进行实际应用[3]。

2.3晶闸管触发驱动电路设计

控制器在完成投切操作后，需要通过高频触发脉冲去触发晶闸管，要实现无冲击的投切动作需要配合使用TSC脉冲触发装置，保证电源电压与电容器预先充电电压是一致的，当触发装置被驱动后，会控制晶闸管的导通及开关，从而控制电容器的投入与切除；在设计环节需要注意电容器电压是一个动态值，因此需要在投切作业开始前监测晶闸管两端的实际电压，如果超出设定电压峰值需要进行降压处理，经过降压后得到三相同步电压；此时电压需流经滤波电路后得到输入信号，同时对脉冲触发板发出指令，单片机控制系统对脉冲触发装置电路进行逻辑判断处理，并输出2路控制信号来控制晶闸管的投切作业，在这个过程中采用隔离放大部分对2路信号功率进行放大处理，从而优化晶闸管触发功能。

2.4显示电路设计

结合低压动态无功补偿装置的功能要求，需要将显示电路设计为2个部分，分别为：工作状态显示电路和电压、电流及功率因数显示电路。工作状态显示电路主要是通过ULN2003显示驱动器来控制8个发光二级管来达到显示要求，其中4个负责系统的过压显示、欠压显示、功率因数超前及滞后显示，另外4个负责实现电容器组投切状态显示，8个二级管代表8组电容器组，某一个电容器执行投切指令时，所对应的指示灯就会亮起。电压、电流及功率因数显示电路是利用MAX7219显示驱动器来控制4个LED显示器，各个显示影像需设置按键来实现屏幕切换。

2.5键盘电路

显示电路设计完成后，需设计键盘实现屏幕切换，针对控制器功能，本文设置了3个按键，一个按键设计出一个对应的输入位线，选择其中1个按键作为预留键，另外2个按键负责显示屏的状态切换。未进行按键操作时，系统界面会显示功率因数，如果按下按键，会相继切换到电压、电流显示界面。

2.6电源电路

针对低压动态无功补偿装置的电源电路设计，采用直流电源即可，需要将交流电通过变压、整流、滤波、稳压后转换为直流电，整流采用的是桥式全波整流、滤波采用的是电容滤波、稳压器采用的是三端固定输出式，稳压器的集成芯片都安装了一定数量的散热片。电源电路设计环节需考虑电源之间的干扰问题，因此需针对模拟电路及数字电路的供电，设计出2路电源电路，采用相互独立的供电方式，其中一路的稳压电源为+5 V，另外一路的稳压电源为+12 V[4]。

2.7复位电路

结合转换电路设计中应用的TLC2543芯片，复位电路在应用过程中要相防止电磁干扰、电网波动、停电等因素造成的死机、数据丢失及程序跑飞问题，因此单片机控制系统中安装了“看门狗”定时器、串行E2PROM及电压检测电流，并统一封装，以便减小电路板面积，降低系统运行空间。复位电路的线路采用3线SPI接口，编程及读写环节采用了软件协议，进一步降低I/O接口处的信息流量。系统在进行复位操作时，使用复位信号输出引脚RESET，此时TLC2543芯片在进行电源检测及电路检测时，如发现实际电源低于工作额定电压时，RESET转换至高电平状态，等待电源恢复后转换至初始状态，使系统复位，从而实现了单片机的独立保护模式。

2.8通信接口

控制器要设计出串联通信口，实现与上机位之间的通讯，结合系统运行要求选择RS-323标准接口能够传输多种设备的接口信息，本设计主要将串联通信口与串行传输数据终端设备、数据通信设备进行连接，由于三者的逻辑电平不同，因此需要设置出逻辑零电平数值，其区间为+5～+15 V,RS-323驱动器要想连接到电平，需将电平转换至RS-323电平，同时进一步转换至逻辑零电平。此时将通信接口线路连接至9芯RS-323插座，并设置三线接线方式，其中一线进行接地操作。实际通信环节，上机位发送指令至单片机，单片机相应串行接口根据通信协议要求将数据传输至上机位，从而实现控制器与上机位之间的通信[5]。

2.9开关量输入/输出模块设计

开关量输入通道会存在干扰现象，因此需要切断通道之间的共地线，避免干扰脉冲。此部分隔离采用的是光电耦合器，该器件将开关量输入与单片机控制器之间的通道进行隔离，因此保证开关量稳定地进行转换。

开关量输出通道设计需要在输入指令完成后，通过电流信号亮起二极管指示灯，此时光敏三极管接受指令后输出电流，待三极管完全导通后会在集电极处输出低电平，等到三极管停止操作时，输出的高电平会超过电源的额定电平值，此时会在输出侧产生压降，电流会转换为电压信号，单片控制器接收信号后实现输出操作。

3、低压无功补偿装置设计中的抗干扰设计

无功补偿装置需常年连续运行，控制器在工作环节会受到外界的信号干扰，这些干扰因素会影响补偿装置的控制精度，降低无功补偿效果。针对上文设计的装置可以采用接地抗干扰措施，具体设计流程如下。

在控制器设计环节，将电路板上的数字地与模拟地独立连接，此操作可以增加线性电路的接地面积，针对低频电路的地应选择单点并联的接地方式，针对高频电力的地，需要应用多点串联的接地方式，地线的选择要比其他接线粗，而且设置在高频元件的周围，应用栅格围护，能够扩大接地面积。

在实际安装时还需要考虑部件之间的相互干扰问题，因此在以上操作外，可以应用PCB板将集中并联一点接地进行分区设置，如图3(a）所示，让每一个分区的元件都集中在一点接地，从而相互之间实现独立的回路设计，此时接地线中流经的电流就不会逃窜到其他模块，降低了干扰程度。再将其他模块的接地块与输入电源地相连接，具体接地方式如图3(b），同时地原线采用大面积汇流排，进一步降低了线路阻抗。

图3 PCB板的接地设计

4、结束语

为了保持无功功率达到平衡状态，需要结合无功补偿装置的原理、安装方式、接线方式及自动投切控制方法等问题，采用单片机及模糊控制技术来优化无功补偿控制器，对其电路模块及接线方式进行设计，能够提升装置的可靠性及稳定性，满足实际应用要求。

参考文献:

[1] 杨招虎.低压动态无功补偿装置SVG在工厂低压配电系统的应用[J].今日自动化,2021(2):79-80.

[2] 龚亮.瞬时无功理论在快速动态无功补偿装置中的应用研究[J].工程技术研究,2020,5(1):7-8.

[3]叶頉,刘长志,康晓月,等.一种用于低压配电系统的混合型动态无功补偿装置:CN110858717A[P].2020.

[4]田旭,温生毅,张海宁,等.一种用于换流站的动态无功补偿装置的控制方法:CN110854865A[P].2020.

[5]同聪维,胡治龙,张长春,等.高压动态无功补偿装置运行试验系统的研究[U].电力电容器与无功补偿,2021,42(5):1-6.

文章来源:沈星辰,陆逸铭.低压动态无功补偿装置设计与实现[J].科技创新与应用,2023,13(25):111-114.