抑制電力電容投切消極影響的控制策略

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節, 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算法實現動態調整; 王砼等[5]提出基于電壓零點閉環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節以預防電力波動對投切的影響, 采用根據環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, 在硬件本身狀態及外部環境因素影響下, 電容投切無法在過零點精準投切, 但通過尋求安全投切區間, 考慮電力系統頻率的波動性, 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 暫態投切仿真模型

通過調節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 電力系統頻率偏差》(GB/T 15945—2008)規定, 電力系統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, 則波動時電力系統實際周期與理想電力系統工頻周期相差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, 即可得到電力系統實時周期(T)

(4)

根據實際電力系統周期, 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 ℃環境下繼電器吸合(a)、 分離時間(b)

圖12 25 ℃環境下吸合(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節且據環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。