海 濤, 時 雨, 陳永鑒, 李俊杰, 劉振語

(廣西大學 電氣工程學院, 南寧 530004)

0 引 言

電容投切是電力無功補償的一個重要環(huán)節(jié), 若不能合理控制電容投切時機, 往往會在投切過程中產生高頻率、 大幅值沖擊電流, 由此可能產生電容器擊穿， 以及其他電力系統(tǒng)設備損毀等消極負面影響[1]。因此需確定電容最佳投切時機并利用有效策略進行投切控制。

目前國內對投切方面已有諸多研究, 為實現過零投切, 梁青等[2]針對電容投切設計了一種基于單片機控制的晶閘管開關模塊, 并進行仿真驗證; 張軍等[3]針對同步開關提出一種參數自動調整方案, 以連續(xù)測5次動作時間取平均值方法解決動作時間離散性問題; 仲浩等[4]針對繼電器動作不一致的問題, 利用反饋電流結合PID算法實現動態(tài)調整; 王砼等[5]提出基于電壓零點閉環(huán)控制的自適應過零同步控制; 韓宇澤等[6]提出一種基于模糊自適應方法的過零控制測量方法。還有其他研究者對投切控制方法進行大量探討, 但均未考慮電網頻率波動對過零投切的影響。 針對投切開關動作時間離散性的問題, 或過于簡單導致時間誤差較大, 或過于繁雜導致實現不易。

針對以往研究的不足, 本文提出一種控制電容投切的策略, 加入對電網實時周期的計算環(huán)節(jié)以預防電力波動對投切的影響, 采用根據環(huán)境對投切開關動作時間進行補償的方法實現動作時間預測, 以期取得良好的投切控制效果, 實現無消極影響的過零精準投切。

1 最佳投切點

1.1 最佳投入點

圖1 單相電容投入原理圖

假設在投切開關動作時, 電容器兩端的電壓為0, 則電容投入瞬時回路電流iC(t)為

(1)

據式(1), 當φ∈[0, π/2]時,φ越大, 電容器電流iC(t)越大; 當φ∈[π/2, π]時,φ越大, 電容器電流iC(t)越小; 故在電壓過零點投入電容, 沖擊電流最小, 電壓過零點為最佳投入點。

1.2 最佳切除點

在電容切除時, 動作開關接點會有電弧重燃的現象產生, 導致產生過電壓。而接點斷開時間點對過電壓大小有著較大影響。如圖2所示為單相電容切除原理圖[8], 其中CL為電抗器兩端的等效分布電容。

圖2 單相電容切除原理圖

假設動作開關在t時刻分離完成, 且此時iC(t)=Imsinα,UC(t)=-Emcosα, 推導可得補償電路中的過電壓Ubem最大值為

(2)

據式(2)可知, 當動作開關觸點在α=0或者α=π分離, 過電壓最小, 即在電流過零時刻為最佳切除時機。

2 同步投切原理

同步開關技術中所采用的機械開關多為交流接觸器或者繼電器, 其中繼電器在低壓投切領域有較多應用。由于機械開關需要一定的動作時間來完成吸合及分離過程, 故為實現同步投切, 控制器除了要對電壓電流的相位進行準確檢測外, 還須根據繼電器的開斷動作時間來確定提前發(fā)出控制指令的時間點, 從而保證投切電容在過零點實現可靠投切。

國內電網工頻為50 Hz, 周期為20 ms, 投切時刻示意圖如圖3所示[9]。假設繼電器的閉合或關斷的動作時間為ΔT, 若在t0時刻檢測到過零點, 為保證投切電容在之后最近周期的過零點t1時刻準確投入或切除, 應在t0+20-ΔT時刻, 即t″時刻向繼電器發(fā)出動作指令, 則經過ΔT的動作時間后, 可實現補償電容的準確投切。

圖3 投切時刻示意圖

通過過零檢測電路可檢測電力波形過零點。以電壓過零檢測為例, 本文采用如圖4所示電壓過零檢測電路[10], 利用Multisim 14.0對該電路進行仿真測試, 得仿真圖像如圖5所示。通過該電路, 可根據電壓波形輸出同步信號。投切過程中, 利用單片機控制器檢測同步信號跳變沿, 即可計算過零時間, 準確實現電壓過零檢測, 從而確定電壓過零點。

圖4 電壓過零檢測電路

圖5 電壓過零檢測仿真圖像

3 投切控制分析

現實應用中, 在硬件本身狀態(tài)及外部環(huán)境因素影響下, 電容投切無法在過零點精準投切, 但通過尋求安全投切區(qū)間, 考慮電力系統(tǒng)頻率的波動性, 分析選擇可靠的投切開關, 尋求對投切開關動作時間進行預測的方法, 可最大限度抑制電容投切過程的不利影響, 保證投切的安全性。

3.1 仿真分析

通常認為電容投切涌流在2.5倍以下是安全的, 且過零投切偏移角度不應超過2.5°, 據此計算投切安全偏差時間值ΔTe應低于0.28 ms, 其計算公式如下, 其中T為電網周期。

(3)

利用Matlab/Simulink, 根據圖1所示原理圖建立如圖6所示投切仿真模型[11], 模型中電源為220 V交流電源, 線路電阻設為0.2 Ω, 線路電感為1.5 mH, 補償電容值為330 μF。

圖6 暫態(tài)投切仿真模型

通過調節(jié)信號階躍時間來控制投切開關, 在過零點安全投切偏差時間范圍內, 每隔0.02 ms進行投切仿真, 根據仿真數據繪圖, 可得趨勢如圖7所示。

圖7 安全偏差區(qū)間內偏差與涌流關系趨勢

可知, 該仿真條件下, 過零點±0.28 ms區(qū)間內為投切安全偏差范圍, 且偏差值越小, 涌流越小。若在過零點偏差值小于0.2 ms時完成投切, 投切涌流將低于2倍, 投切安全性將更為可靠。

3.2 實時周期計算方法

以往投切控制研究中, 少有考慮電網工頻波動變化, 但在電力系統(tǒng)運行過程中, 會受到如沖擊電荷等因素的影響, 導致電網在實際運行情況下出現偏差。據國家標準《電能質量 電力系統(tǒng)頻率偏差》(GB/T 15945—2008)規(guī)定, 電力系統(tǒng)正常運行條件下的偏差限值為±0.2 Hz?？紤]在最壞情形下進行投切, 則波動時電力系統(tǒng)實際周期與理想電力系統(tǒng)工頻周期相差0.08 ms, 對實際投切存在不利影響。

故需在前述過零檢測的基礎上, 對電力運行周期進行實時計算, 并據此確定控制投切點。如圖8所示為實時周期計算示意圖。

圖8 實時周期計算示意圖

在tn時刻檢測到同步信號, 待檢測到tn+1處同步信號時繼續(xù)等待, 檢測tn+2處同步信號后, 計算tn與tn+2處同步信號的時間差, 即可得到電力系統(tǒng)實時周期(T)

(4)

根據實際電力系統(tǒng)周期, 同時考慮投切開關動作時間、 控制電路延時等因素, 便可推算投切時序。

3.3 投切開關動作時間預測方法

電容投切過程需要穩(wěn)定可靠的投切開關。投切開關多次動作的時間離散性要小, 避免離散性過大導致實際投切點在投切安全偏差區(qū)間外, 增大安全隱患。通過測定開關動作時間可確定開關是否符合投切要求, 并可利用事先所測定經驗數據建立數據庫, 確定正常條件下的平均動作時間Tnorm及不同溫度下的補償時間ΔTx, 以求出實時溫度下的預測動作時間Treal

Treal=Tnorm+ΔTx。

(5)

投切開關動作時間測量原理如圖9所示[12]。單片機控制器在t1時刻發(fā)出控制命令到MCU_OUT輸入接口, 開關開始動作, 動作完成后MCU_IN輸出電平跳變, 記錄此時為t2, 計算二者時間差t2-t1, 即可得開關動作時間。其中, 若測量吸合時間, MCU_IN處電平由高變低; 測量關斷時間, MCU_IN處電平由低變高。

圖9 動作時間測量原理圖

以25 ℃條件下平均動作時間Tavg-25作為正常條件下平均動作時間Tnorm, 得其經驗吸合時間為Tnorm-on=Tavg-25, 經驗關斷時間為Tnorm-off=Tavgoff-25(25 ℃下平均關斷時間)。同時可求得各溫度x下吸合補償時間ΔTx-on

ΔTx-on=Tavgon-x-Tnorm-on,

(6)

分離補償時間ΔTx-off:

ΔTx-off=Tavgoff-x-Tnorm-off。

(7)

根據所得補償時間制作補償表, 利用線性插值即可對繼電器動作時間進行預測。當接收到投切控制命令后, 控制器實時讀取所采集溫度參數, 依據實時投切環(huán)境溫度參數x, 在補償表中找到與實時溫度相近的溫度參數x1與x2, 且滿足x1

(8)

根據正常條件下平均動作時間, 即可得繼電器預測動作時間。

3.4 總體控制策略

基于以上分析, 可確定總體控制策略, 投切時序圖如圖10所示。其中T為實時測算周期,Twait為過零點到控制命令發(fā)送前的延時時間,Tdelay為控制電路自身延時時間, 可取0.01 ms,Taction為式(5)所預測投切開關動作時間。

圖10 電容投切時序圖

總體控制策略為: 在T0時刻之前產生投切需求, 則據同步過零點計算實時周期T, 計算方法如式(4), 得實時周期T后, 控制器讀取環(huán)境溫度數據, 并根據溫度數據預測繼電器動作時間, 再計算等待延時時間Twait, 在下一過零點開始延時, 等待延時到tcmd時刻發(fā)送投切命令, 經電路延時及投切開關動作時間延時后, 在下一過零點t時刻即可準確投切。動作時間為基準動作時間加上溫度補償時間, 即

Taction=Taction-25+ΔTx,

(9)

則可計算得投切點之前過零點開始的延時時間Twait為

(10)

4 實驗與結果

以MGR-1 D4840繼電器為例進行實驗測試, 在-10～50 ℃環(huán)境下測試繼電器吸合時間及分離時間, 并以25 ℃下所測平均時間作為正常條件下的平均動作時間Tnorm。

25 ℃環(huán)境下所測吸合時間數據如圖11a所示, 分離時間如圖11b所示。根據圖11，可得吸合、 分離時間頻數分布圖(圖12)。

圖11 25 ℃環(huán)境下繼電器吸合(a)、 分離時間(b)

圖12 25 ℃環(huán)境下吸合(a)、 分離(b)時間分布

可見, 該型號繼電器在25 ℃下吸合時間集中于(8.41±0.12) ms, 分離時間集中于(5.32±0.1) ms,離散性較小, 符合本文安全精度要求, 對其他溫度下數據進行分析, 亦符合安全精度要求。其補償時間曲線如圖13所示?？芍?補償時間隨著溫度升高逐漸減小。

圖13 補償時間曲線

在25 ℃環(huán)境下對電容進行投切測試, 得投切波形如圖14所示。由圖14a可見控制信號變化到電容投入時間相差8.37 ms, 由圖14b可見控制信號變化到電容切除時間相差5.28 ms, 均在合理范圍內。 補償電容在電壓過零點附近安全投入, 電流過零點附近安全切除, 誤差極小, 無明顯消極影響。故基于本文控制策略, 可明顯消除投切負面效應, 抑制消極影響, 實現安全可靠的投切過程。

圖14 電容投入(a)、 切除(b)波形

5 結 論

從投切實驗結果可知, 采用加入電力實時周期測量環(huán)節(jié)且據環(huán)境進行開關動作時間補償的控制策略能安全實現電容投切, 控制策略行之有效, 可進一步預防電力波動對投切控制的影響。本論文策略不足之處在于只考慮了溫度環(huán)境對投切開關動作時間的影響, 將來可更深入研究投切開關動作機理, 加入額外的動作時間干擾變量, 進一步提高動作時間預測精度以完善控制策略。