对现代化无功补偿装置的设计研究分析

对现代化无功补偿装置的设计研究分析

钱航

钱航

（中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司310012）

摘要:在工业生产和日常生活中，目前，常见的无功补偿装置按取样物理量的不同，可分为功率因数型无功补偿控制器和无功功率型无功补偿控制器2种。由于供电系统一直接以功率因数作为用户用电是否合格的检测指标，以功率因数为控制量的功率因数型控制器是最简单、最传统的控制方案。但实际应用中，轻载时，易出现频繁投切的“投切震荡”现象;重载时，会出现虽功率因数满足条件，但负荷的无功分量依然很大的情况，不能切实做到对无功功率的跟踪调节。以无功功率为控制量的控制器，则较为完善地解决了功率因数型控制器的不足，能将补偿装置的效果发挥到最好。考虑到供电系统的检测指标和直接控制量的不同，本文在首先考虑电压因素的情况下，提出了基于功率因数和无功功率的综合型无功补偿装置。系统结构和功能

关键词:无功补偿;功率因数;ARM;主/从通信

本文提出的智能低压无功补偿装置以LPC2388为控制器，硬件电路主要包括电源模块、LPC2388控制模块、键盘输入和LCD显示模块、电压/电流采集模块、过零投切控制模块、数据存储模块、通信模块和保护告警模块。系统结构如图1所示。

图1中，电压/电流采集模块、过零投切模块和电容器具体由装置的补偿方式决定。若装置为三相共补方式，则采样电压取A、C相的线电压UAC采样电流取B相的相电流lB，投切电容器包含2组三角形接法的电容器。三相共补的装置主要用于三相平衡系统中。若装置为三相分补方式，则采样电压分别取A、B、C三相的相电压UA,U,B,UC.，采样

表1三相分补方式试验结果表3三相共补方式试验结果

相分补的装置主要用于三相不平衡系统中。2种装置也可以组网形成三相混合补偿系统。

交流信号的采样方法包括直流采样和交流采样2种。直流采样方法的软件算法简单，但包括整流滤波电路;硬件复杂，采样结果实时性差，且无法反映被测模拟量的波形。交流采样方法的硬件简单、实时性好，能反映原来电流、电压的实际波形。实际系统中，电压、电流信号并非理想的正弦波形。常用的非正弦函数模型实现交流采样的算法包括积分法、快速傅里叶变换(FastFourierTransform,FFT)算法。积分法实时性强、算法简单，但不能得到基波和各次谐波的参数值;FFT算法运算量大于积分法，但可计算出各次谐波的参数值。本文采用FFT算法实现交流采样，虽然计算量较大，对CPU的运行速度要求较高，但采用LPC2388作为处理器，计算速度能满足要求，能精确地对所测量的结果进行谐波分析，且能根据采样的电压、电流信号计算出有功功率、无功功率和功率因数等参数。

键盘包括4个按键，可以实现各个参数的设置输入。在非设置状态下，LCD可轮流显示各相的功率因数、电压、电流、有功功率、无功功率等参数。

投切电容器的开关选用具有零电压导通和零电流断开功能的复合开关，以减小电容器投入和切除时的浪涌电流叫。另外，系统具有在过谐波、过电流、过电压、过温度等情况下的告警和自动退出运行的保护功能。

本文提出的低压无功补偿装置的主要优势有:①采用改进的控制策略，采取延时投切方式，能够有效防比“投切震荡”，实现快速、准确的投切;②采用RS-485通信方式，能够根据具体负荷，灵活地选择接入系统的装置数量，使各装置之间按主/从通信的方式工作，在低压无功补偿中应用方便。

2电容器投切控制策略

本文结合功率因数型补偿控制器和无功功率型补偿控制器的特点，基于传统的九区图控制策略，考虑功率因数和无功功率2个因素，提出了改进的控制策略。

2.1传统九区图控制策略

传统的九区图控制策略,是根据电压和无功功率的上、下限值，将无功一电压平面分为9个区域，对每个区域分别采取不同的控制方法。

2.2改进的控制策略

本文设计的智能无功补偿装置用于低压用户侧，不设置电压调节装置。结合传统的九区图控制策略的特点，根据本设计的具体情况，提出一种在无功一电压平而上设置防震荡区域的改进九区图控制策略，其中无功功率由2个设定的参数决定。

用户根据实际负载情况，设置目标功率因数和最大允许的无功功率占有功功率的比例值。以供电系统的考核指标—功率因数为首要参数，计算出要达到目标功率因数所需投入或切除的无功容量并进行电容器的投切;当功率因数满足条件时，再计算无功功率是否满足条件，如果不满足条件，根据所需投入或切除的无功容量继续进行电容器的投切，克服了满足功率因数条件但无功功率仍很大的弊端。由于两者归根到底都是以无功功率为控制量，因此避免了“投切震荡”情况的发生。

3通信模块

3.1通信模块功能

通信模块用于多台装置联机工作时传递信息和命令。用户可以在而板上设置装置为主机或从机，根据不同的系统容量选择接入的无功补偿装置的数量。该系统允许接入的最大装置数为32台。系统工作时，从机不再进行逻辑判断，而是接收主机发送来的投切命令，进行电容器的投切。

若系统是混合补偿方式，而主机是共补方式，此时需要从其他分补的从机处实时获取电压、电流等遥测信息，以供主机进行逻辑判断。

图3无功补偿仿真波形

4试验结果分析

为验证低压无功补偿装置的电容器投切规律，分别进行了三相分补无功补偿装置和三相共补无功补偿装置的投切模拟试验，目标功率因数设为0.95，最大允许无功功率占有功功率的比例为20%。部分试验数据如1表、表2所示，电容器投入时的仿真波形如图3所示。

由图3可见，采用“零投切”电容器进行无功功率补偿，不会产生大的浪涌电流。试验结果表明，该低压无功补偿装置能够实现电容器的准确投切，达到提高功率因数的目的。

5结语

本文设计以LPC2388为控制器的无功补偿装置，通过FFT算法实现电压、电流等参数的检采用改进的九区图控制策略，克服了传统九区图控制中容易出现的频繁投切问题;装置中的通信模块能够方便地实现多台装置组网运行，具有成本低、应用灵活，且能实现电容器快速、准确投切的优点，为今后在智能电网中实现无功补偿提供了重要的参考依据。

参考文献

[1]王兴贵，房伟.一种基于16位单片机的三相电参数测量技术及实现J.测控技术，2005,2通(5);55一58.

[2]张洪涛，万红，杨述斌.数字信号处理M.武汉:华中科技大学出版社，2007.