高壓無(wú)功功率自動(dòng)檢測補償系統

圖1　系統原理框圖

　　三相高壓電的AC相高壓經(jīng)電壓互感器B1和降壓變壓器B2加入電壓比較器，得到一頻率為50Hz的矩形波。將該矩形波輸入至單片機，作為對電流信號采樣的啟動(dòng)信號。B相電流經(jīng)電流互感器HL和隔離變壓器B3加至濾波放大和電平轉換電路。其中，濾波放大電路一方面將電流信號放大到合適的幅度，另一方面則對電流信號中可能引起頻率混疊的高次諧波進(jìn)行初步抑制，以利提高后續數字濾波的精度，濾波器的截止頻率應為基波頻率的N/2倍。本系統每周期的采樣點(diǎn)數為64，故濾波放大電路的截止頻率取為1600Hz。這樣既可滿(mǎn)足采樣定理的要求，又使濾波器本身產(chǎn)生的相移相對功率因數角可以忽略，減少系統附加相移造成的影響。
　　經(jīng)上述模擬電路預處理后的電流信號，通過(guò)A/D變換進(jìn)入單片機系統，完成數字濾波和非線(xiàn)性調節運算。處理后的功率因數值由數顯電路直接顯示；無(wú)功補償電容的投切信號則需經(jīng)光電隔離、功率放大和繼電保護等電路控制高壓開(kāi)關(guān)，實(shí)現無(wú)功補償電容器的自動(dòng)投切。同時(shí)，為補償高次諧波引起的無(wú)功損耗，本系統還采用了與補償電容器相串聯(lián)的空心電抗器。
　　另外，為保護高壓電容器組的安全，在系統中還設置了一個(gè)過(guò)壓檢測及延時(shí)電路。當電網(wǎng)電壓超過(guò)額定值的10%時(shí)，該電路使補償電容器斷開(kāi)；而當過(guò)壓消除后，延遲兩分鐘再恢復正常投切。

3　濾波與控制算法

　　為確定合適的濾波與控制算法，首先應對畸變電流的諧波含有率和非正弦電路中無(wú)功功率與功率因數的定義及算法進(jìn)行研究。以在株洲鋼廠(chǎng)110kV/6kV變電站測得的兩臺電弧煉鋼爐不同冶煉期的電流信號為例，采用FFT進(jìn)行頻譜分析，算出電流信號的平均諧波含有率如表1所示。
　　可見(jiàn)，電流信號中諧波(特別是5次以?xún)戎C波)的含有率較高。而對電壓信號采用同樣的測量和計算方法得到的諧波含有率卻較低，其6次以?xún)戎C波含有率的總和小于5.6%。因此，可認為這是個(gè)電壓信號基本為正弦、電流信號為非正弦的電路。此時(shí)電路中有功功率和功率因數的算法如下：

表1　電弧爐的平均諧波含有率(%)

有功功率　　　　　　　　
無(wú)功功率　　　　　　　　
視在功率
　　　　　　　　　　　　　
功率因數
　　　　　　　　　　　　
　　在這里功率因數仍定義為有功功率與視在功率之比，但此時(shí)并沒(méi)有一個(gè)實(shí)際的相角與之對應，cos只是一種習慣的表示方法。當電流的 諧波含有率取表1提供的數據時(shí)

cos≈0.97cos1

　　因此，只要得到電壓、電流的基波分量U1和I1及其夾角的余弦cos1，就可確定該系統的無(wú)功功率Q和功率因數cos。為此，本系統采用離散傅立葉變換(DFT)進(jìn)行電流信號的數字濾波。
　　當電壓信號過(guò)零時(shí)開(kāi)始對電流信號采樣，每個(gè)電壓周波采N個(gè)點(diǎn)(N＝64)，得到一電流序列：｛I(n),　n=0,1,2,…N-1}。
I(n)的DFT為：

令k=1可得電流信號的基波分量：

其中，實(shí)部

虛部

則基波功率因數為：

　　由此不僅可以得到系統的功率因數cos和無(wú)功功率Q，而且可以算出系統相應的補償電容容量：

實(shí)際中，當電流波形畸變且沖擊性較大時(shí)，補償電容的容量還不能簡(jiǎn)單地按上式計算。因為，幅值和相位經(jīng)常變化的電流信號會(huì )造成補償電容器的頻繁投切，從而影響高壓真空開(kāi)關(guān)的壽命。為此，本系統設計了相應的非線(xiàn)性數字PI調節器，其非線(xiàn)性特性如圖2所示。

圖2　調節器非線(xiàn)性特性

圖中ΔQ為本次采樣檢測所得的無(wú)功功率與前次無(wú)功功率之差值，ΔC則是應增加或減少的補償電容容量。

　　其中，Δq1和k1分別是無(wú)功功率為正，即無(wú)功是感性時(shí)的投切門(mén)限和調節器比例系數；Δq2和k2則是無(wú)功功率為負，即無(wú)功是容性時(shí)的投切門(mén)限和調節器比例系數。由于電業(yè)部門(mén)對無(wú)功為負控制很?chē)?，故必須要求：Δq2Δq1,k2>k1。
　　因此，第n個(gè)檢測控制周期中補償電容的投切量為：

C(n)=C(n-1)+ΔC(n)

　　總之，系統在硬件復位后即開(kāi)始運行數字濾波和非線(xiàn)性控制算法。首先對電流信號做DFT處理，算出系統的功率因數和無(wú)功功率。然后，針對無(wú)功功率的大小和符號進(jìn)行非線(xiàn)性PI調節運算。當無(wú)功大于投切門(mén)限［-Δq2,Δq1］時(shí)，分別按感性無(wú)功或容性無(wú)功的比例系數(k1、k2)做PI調節運算，輸出相應的投切控制量；而當無(wú)功小于投切門(mén)限時(shí)，則保持原輸出投切量不變。在這里Δq1、Δq2、k1和k2的設置不僅可憑經(jīng)驗由程序給定，而且可根據實(shí)際情況通過(guò)一個(gè)4×4小控制鍵盤(pán)改變。這大大增加了系統的適應性，為用戶(hù)提供了更多的方便。

4　試驗與結論

　　本系統研制成功后，分別在實(shí)驗室和現場(chǎng)環(huán)境對不同相位的工頻信號進(jìn)行了功率因數的檢測精度試驗。結果表明，系統功率因數檢測的平均誤差小于2%。之后，全系統在株洲鋼廠(chǎng)110kV/6kV變電站投入實(shí)際運行，表2給出了系統運行前后變電站功率因數的變化情況。
　　可見(jiàn)，系統投入運行后變電站的功率因數得到明顯改善，日平均功率因數可保持在0.95以上。這不僅減少了企業(yè)的電費支出，提高了經(jīng)濟效益，而且對電網(wǎng)穩定運行和節約能源都起到了積極的作用。由此，可以得出如下幾點(diǎn)結論：
　　1.離散傅立葉變換應用于高壓無(wú)功功率的自動(dòng)檢測補償系統是有效的，它成功地解決了電流含大量高次諧波情況下功率因數的檢測問(wèn)題，達到了較高的檢測精度。
　　2.當電流的沖擊性較強時(shí)，采用非線(xiàn)性數字PI調節器控制補償電容器的自動(dòng)投切，不僅能獲得較高的補償精度，而且可降低投切頻度，保證高壓真空開(kāi)關(guān)的使用壽命。
　　3.本系統具有較強的抗干擾性能，工作穩定可靠，節能效果顯著(zhù)，特別適用于大型電力電子裝置的供電系統。

表2　系統運行前后變電站功率因數變化情況

作者單位：國防科技大學(xué)，長(cháng)沙　410073

參考文獻

　1　宋文南等.電力系統諧波分析.北京：水利電力出版社，1995
　2　Arrillaga J et al.Power System Harmonics.唐統一等譯，電力系統諧波，北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991
　3　IEEE Power System Harmonics Working Group Report,Bipliograply of power system Harmonics.IEEEtrans,Vol,PAS-103,No.9,1984
　4　雷炳華.大型煉鋼電弧爐的無(wú)功補償.電力電容器，1986，3：12
　5　許克明等.電力系統高次諧波.重慶：重慶大學(xué)出版社，1991