摘要　提出了滿足分相、分級、快速補償要求的實用主電路，能有效地限制合閘涌流，抑制高次諧波。給出了以工業PC機為核心的控制器的硬件電路、快速檢測無功的方法、晶閘管觸發信號的控制要求,以及補償裝置的閉鎖條件，解決了控制器應滿足實時檢測、快速響應和高可靠性等實際問題。具體說明了這種新型補償裝置的主電路、消除合閘時暫態過程的理論和方法，給出了實驗結果。結果表明,這種裝置在理論上是正確的，實踐上是可行的，已用于研制的補償裝置。文中所提的方法原則上可用于高電壓等級中的補償。

要害詞　無功補償　電容器　晶閘管　工業計算機

目前，低壓并聯電容器組大多采用三角形接法［1］，無功補償均為靜態補償，以交流接觸器作電力電容器的投切執行元件，投入時沖擊電流大，切除時會產生過電壓，自身觸頭易損甚至熔焊，噪聲大，而且投切時間長。在控制環節上基本不能滿足分相、分級、快速及跟蹤補償的要求。

基于上述問題，低壓配電網應采用動態補償。動態補償是以晶閘管作為執行元件，用工業PC機進行控制，通過跟蹤檢測負荷的無功電流或無功功率，對多級電容器組進行分相投切。補償效果快速、準確、安全、潔凈及易于控制。此外，還可以對不平衡的無功功率進行完全補償，這是以往的補償裝置難以勝任的。

1　主電路

　　主電路設計除了滿足分相、分級和快速補償要求外，還應考慮限制并聯電容器組的合閘涌流和抑制高次諧波等問題。

　　三相電力電容器接成星形以滿足分相補償的要求，使電源變壓器輸出的有功功率最大。本裝置的優點是不但可以補償正序性質的無功功率，而且可以補償零序回路的無功功率。假如補償電容器為三相對稱三角形接法，而電源變壓器所接的三相負載又不對稱，當補償后三相總功率因數等于1時，就會出現有的相欠補償，有的相過補償。欠補償時，受電端電壓低于送電端電壓；過補償時，受電端電壓高于送電端電壓。考慮到線路電壓損失，一般送電端電壓要高于額定電壓5～10。在過補償的情況下，再加上電壓升高，則受電端電壓超過額定電壓的數值就遠遠大于10。假如電容器并聯于變壓器的二次側，變壓器的阻抗也要計入線路的阻抗，于是受電端電壓將升高得更多。運行電壓的升高，對電力電容器及整個系統的安全運行會產生極不利的影響。另外,三相不對稱負載采用三相對稱三角形接法的電力電容器組進行補償，則變壓器的容量得不到充分利用。星形聯接電容器組的每相電容器按二進制1∶2∶4∶8關系分四組進行補償，以提高靜態補償精度。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。

　晶閘管作為無觸點開關，能快速通斷，不存在電弧及噪聲等現象，安全可靠，使用壽命長。假如導通角選擇合適，則電容器投入時不會產生沖擊電流（合閘涌流），電容量分級補償可以一步到位。采用晶閘管開關，電容器無需放電即可重投，動態響應時間在1個周期（20ms）之內，能實現快速、準確地跟蹤補償，從而提高電網的供電質量。

　　在事故狀態下和晶閘管誤觸發時，并聯電容器組合閘，將會產生幅值很大、多種頻率的合閘涌流。當電源電壓波形發生畸變時，由于諧波頻率高，電容器的阻抗減小，通過電容器的電流會加大；另外，電容器組在存在諧波的電網中，可能會碰到諧振，使電容器組中電流增大幾倍到十幾倍。為了限制并聯電容器組中的合閘涌流，抑制高次諧波，主電路中應加裝串聯電抗器。為了抑制3次以上的高次諧波，串聯電抗器電抗值選擇為電容器組容抗值的13，即XL＝0.13XC。電流過大時，帶鐵芯的電抗器鐵芯會飽和，影響限流效果。因此，串聯電抗器應選擇空芯電抗器，且安裝布置在電容器組的電源側，即母線側。

　　通常我國低壓采用三相四線制TN-C系統供電。其特點是工作中性線N與保護接地線PE合為一根PEN線，所有設備的外裸可導電部分均與PEN線相連。當三相負荷不平衡時，PEN線上有電流通過。分相補償時電容器頻繁投切引起的三相不平衡合閘涌流，可使PEN線過負荷發熱，引起零電位漂移，危及人身安全，影響用電設備的正常工作。例如，影響計算機系統的正常工作等。所以，除了串聯電抗器以外，還應盡可能降低星形接法電容器中性點的接地電阻，以保證由三相不平衡合閘涌流引起的零電位漂移較小

　　主電路中還需考慮電力電容器和晶閘管的保護。

2　控制器

　　控制器的設計應考慮檢測量的檢測方法簡單、快速，以滿足跟蹤補償的要求；同時還應考慮晶閘管的可靠觸發、抗干擾和裝置閉鎖等問題，以提高裝置的可靠性。

2.1　硬件電路圖

　　電容器組的投切控制是由工業PC機、I/O模塊（包括數據采集模塊A/D板、光電隔離數字量輸入模塊IDI板、光電隔離數字量輸出模塊IDO板、串行通信模塊)、取樣電路和晶閘管觸發電路組成的工業控制系統。由于控制器采用了工業PC機,軟硬件豐富，通信功能強，電磁兼容性好，提高了無功補償裝置的可靠性，縮短了研制的周期，并可實現與其他自動控制系統聯網，使無功補償系統化控制。

　　電壓、電流取樣電路與I/O模塊的聯接見圖2。觸發電路與主電路及I/O模塊的聯接見圖3。

2.2　無功電流檢測

　　無功電流實時檢測電路由有源電壓隔離傳感器、電流隔離傳感器、單限比較器、采樣保持器

組成。有源電壓、電流隔離傳感器將母線電壓及線路電流經隔離后轉換成有效值為3.5V的電壓信號。單限比較器將正弦波電壓的正半周變換為高電平（5V），正弦波電壓的負半周變換為低電平（0V）的脈沖數字信號。在相電壓由正到負的過零瞬間，相電流的瞬時值恰好就是相無功電流的最大值，將相電壓由正到負的過零信號（單限比較器的輸出信號）作為采樣保持器的采樣開關，相電流經i－u轉換后接到采樣保持器的輸入端，采樣保持器的輸出信號就是對應的無功電流的最大值。設單相負載的無功功率為QL，則

QL＝UpIpsinφ＝UpIQ　　　　　　(1)

式中Up和Ip分別為負載的相電壓和相電流的無功分量。

　　設并聯電容器組的無功功率為QC，則

QC＝UpIC　　　　　　(2)

式中IC為單相電容器組的相電流。

　　由于負載和電容器組的工作電壓相同，所以IQ代表了負載的感性無功功率，也代表了完全補償時電容的容性無功功率。

　　這種檢測方法的優點是簡單、快速，每相在一個周期內只需做1次采樣，可滿足基波動態分相補償快速測量的要求。控制器采用閉環控制方式，檢測點設置在主變與電容柜之間，控制器檢測補償后的無功功率ΔQ，由ΔQ求得負載的全部無功功率QL，即完全補償時所需投入的全部電容的無功功率。這種控制方式可以在每個檢測周期后，一次投入應投入的全部電容量，提高了靜態補償的精度［3］。

2.3　晶閘管觸發控制

　　晶閘管觸發控制板采用KCZ2單相觸發板。觸發板輸出的脈沖序列經脈沖變壓器送到晶閘管的控制端，板內含有內部過電流保護和外部故障保護輸入端口（低電平有效），保護動作后，封鎖脈沖以保證系統安全。用工業PC機IDO板的某一位來控制觸發板的脈沖封鎖端。當IDO板的某一位輸出為低電平時，無觸發脈沖輸出，晶閘管關斷；當IDO板的某一位輸出為高電平時，有觸發脈沖輸出，晶閘管導通。

　　電容器組投切時的暫態過程是衡量投切控制裝置動態特性的重要指標。假如補償裝置的主電路為晶閘管與大功率二極管反并聯方式（見圖4（a）），單相等效電路見圖4（b），則其電路方程為

　　設電源電壓u＝Umsin(ωt＋φ),電感元件的初始電流i(0＋)＝i(0－)＝0,電容元件的初始電壓u(0＋)＝u(0－)＝uC0,解方程(3)得

式中為LC電路的共振頻率，一般遠大于ω。

　　晶閘管投切電容器時，要使電流i的暫態過程為零，則必須同時滿足電容器的預充電條件和晶閘管的控制角條件。即

實際上，由于ω0》ω，式(5)又可以進一步推導得uC0。對于圖4(a)所示的電路，只要使電容器在電源正峰值時投入(即控制在電壓相位為90四周時合閘)，則沖擊電流很小［4，5］，從工程觀點可以認為等于零。

2.4　控制裝置的閉鎖

　　為了使晶閘管投切電容器控制裝置可靠、安全地運行，除了考慮到它的控制條件外，還應考慮它的閉鎖條件。即在某種特定的運行方式下，無功補償電容器應退出工作。例如，當變電站母線、線路、主變壓器發生事故或電容器組內部事故時，假如不將電容器從母線中切除，則電容器會因過電流或過電壓而損壞，甚至引起爆炸。所以，當主變或線路保護動作時，保護出口去跳開關的同時，應閉鎖微機自動控制裝置和封鎖晶閘管觸發脈沖。當事故切除，恢復送電后再投入電容器。

STRONG>3　實驗結果及其分析

　　實驗電路如圖4(a)所示。電容器為自愈式低壓并聯電容器BZMJ0.4-5-1(C＝99.5μF，tgδ＝

0.0012),電源電壓為220V，頻率50Hz，晶閘管的控制角為90，電源電壓和晶閘管觸發脈沖用數字式雙蹤示波器觀測的波形如圖5所示。當電容器支路分別串聯電抗率k＝0、k＝6和k＝13的空芯電抗器時，用數字式雙蹤示波器觀測電源電壓u和電容器電流i經變送器變換后的交流信號，同時對u和i進行同步采樣。u和i的波形圖見圖6。主要諧波(相對值)和總諧波畸變率見表1和表2。

　設電源電壓u＝Umsin(ωt＋φ),電感元件的初始電流i(0＋)＝i(0－)＝0,電容元件的初始電壓u(0＋)＝u(0－)＝uC0,解方程(3)得

式中為LC電路的共振頻率，一般遠大于ω。

　　晶閘管投切電容器時，要使電流i的暫態過程為零，則必須同時滿足電容器的預充電條件和晶閘管的控制角條件。即　　　

實際上，由于ω0》ω，式(5)又可以進一步推導得uC0。對于圖4(a)所示的電路，只要使電容器在電源正峰值時投入(即控制在電壓相位為90四周時合閘)，則沖擊電流很小［4，5］，從工程觀點可以認為等于零。

2.4　控制裝置的閉鎖

　　為了使晶閘管投切電容器控制裝置可靠、安全地運行，除了考慮到它的控制條件外，還應考慮它的閉鎖條件。即在某種特定的運行方式下，無功補償電容器應退出工作。例如，當變電站母線、線路、主變壓器發生事故或電容器組內部事故時，假如不將電容器從母線中切除，則電容器會因過電流或過電壓而損壞，甚至引起爆炸。所以，當主變或線路保護動作時，保護出口去跳開關的同時，應閉鎖微機自動控制裝置和封鎖晶閘管觸發脈沖。當事故切除，恢復送電后再投入電容器。

3　實驗結果及其分析

　　實驗電路如圖4(a)所示。電容器為自愈式低壓并聯電容器BZMJ0.4-5-1(C＝99.5μF，tgδ＝

0.0012),電源電壓為220V，頻率50Hz，晶閘管的控制角為90，電源電壓和晶閘管觸發脈沖用數字式雙蹤示波器觀測的波形如圖5所示。當電容器支路分別串聯電抗率k＝0、k＝6和k＝13的空芯電抗器時，用數字式雙蹤示波器觀測電源電壓u和電容器電流i經變送器變換后的交流信號，同時對u和i進行同步采樣。u和i的波形圖見圖6。主要諧波(相對值)和總諧波畸變率見表1和表2。

表1　電網電壓主要諧波電壓值(相對值)

Tab.1　Thedominantharmonicvoltagein

powernetwork(relativevalue)

電抗率k/ U1 U3 U5 U7 U9 U11 U13 U15 THDu

0 100 1.93 2.55 1.34 1.31 0.30 0.33 0.23 3.75

6 100 2.14 1.76 1.03 0.92 0.11 0.13 0.19 3.11

13 100 1.39 2.05 1.01 1.00 0.28 0.27 0.11 2.88

，為電壓總諧波畸變率。

　　實驗結果分析：

　　(1)由于晶閘管在開通前電容器已通過大功率二極管預充電到電源電壓的正峰值，只要當晶閘管控制角在90時電容器即投入，沖擊電流很小，對母線電壓不會產生擾動,這于延長電容器壽命有利。表2　電流主要諧波值(相對值)

Tab.2　Thedominantharmoniccurrent

incurrent(relativevalue)

電抗率k/ I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 THDi

0 100 6.89 13.37 9.69 15.18 6.26 8.95 12.22 28.61

6 100 14.51 11.54 3.15 2.41 0.34 0.48 0.60 18.97

13 100 17.23 2.79 0.68 0.56 0.41 0.44 0.51 17.49

　注：，為電流總諧波畸變率。(2)當諧波電流注入系統后，諧波電流通過電網阻抗產生諧波電壓，使電源電壓發生畸變。當電容器支路串聯電抗率k＝0時，電流波形嚴重畸變，總諧波畸變率較大；當串聯電抗器后，除了能避免電容器支路與系統產生的并聯諧振(k＝6時，能將5次以上的諧波脫諧；k＝13時，能將3次以上的諧波脫諧)外，由于電抗器的感抗隨頻率的升高而增大，從而具有抑制諧波電流的作用，使電容器支路的高次諧波電流減小，波形明顯改善，總畸變率下降。

4　結論

　電力電容器作為補償元件，晶閘管作為執行元件，用工業PC機進行控制，可實現低壓配電網的動態分相補償，從根本上保證了補償的快速性、準確性和合理性。另外，動態補償能限制電容器的合閘涌流，提高供電質量，確保配電網的安全、經濟運行。