基于TMS320LF2407A的低压动态无功补偿装置

1、概述

近年来，随着城乡电网改造的实施和深入，在0.4kV级电网上安装低压动态无功补偿装置，可以提高供电质量、挖掘供电设备的潜力、降低线损等越来越被大家所共识。低压动态无功补偿装置一般由微控制器、投切电容器用开关、电容器组、空气开关、熔断器、不锈钢壳体等组成。其结构简单、投切方便灵活、节能效果显著，因而全国大约300多家企业生产无功补偿装置。但其中多数是技术水平低，缺乏较齐全的检测设备，生产量小，质量难以保证。尤其作为无功补偿装置关键单元的控制器和投切电容器的开关更是差异悬殊。本文就无功补偿装置的一些核心单元进行了重点剖析，并记录了一台森宝电气公司生产的无功补偿装置在西安供电局挂网运行情况数据。 信息来源:

2、无功补偿的意义和原理

配电网中负荷无论是工业负荷还是民用负荷，大部分是感性负荷。它们运行时需从电网吸收大量无功功率，致使电网功率因数、电能质量降低，电网"技术损耗电能"增加。电网中安装并联电容器补偿装置后，它可以减少电源向感性负荷经由输电线路输送的无功功率。由于减少了无功功率在电网中的流动，故可以降低输电线路和变压器因输送无功功率而造成的电能损耗，从而提高电网功率因数、减少线损、电能质量得到明显改善。

电网中感性负荷等效电路可看作电阻R和电感L串联的电路，功率因数

式中 XL=WL 将R、L串联电路与电容C并联之后，电路如图1-a所示，该电路电流方程为：

图1 并联电容补偿无功功率的电路和向量图

a)补偿电路 b)相量图(欠补偿) c)相量图(过补偿)

由图1-b的相量图可知，并联电容后，电压 与 的相位差变小，即供电回路的功率因数提高了。此时供电电流的相位滞后电压，这种情况称欠补偿;若电容C的容量过大，使供电电流的相位超前于电压，这种情况称为过补偿，其向量图如1-c所示。这会引起变压器二次侧电压抬升;电容器温升升高，电容器本身的功率损耗增大，电容器使用寿命缩短;容性无功在线路上传输也会增加电能损耗。故此种情况应避免。

3、无功补偿装置结构和主电路

补偿装置主要由柜体、控制器、空气开关、避雷器、电容器、熔断器和复合开关等组成。其主电路图如下(方框内部是补偿装置主电路;方框外部是低压配电网)：

图2 无功补偿装置主电路

4、智能控制器

现在多数厂家的控制器，运算单元多以51系列单片机为主，其缺点是：①硬件资源有限，指令功能、运算能力弱。要将信号采样，电量计算，电网谐波分析，电容器投切，RS-485远程通讯和近距离RS-232无线通讯功能都由51单片机来完成，存在很多困难;②其外扩芯片多，控制器整体结构复杂，可靠性降低;③控制策略单一，遥信能力弱：控制器控制策略是以功率因数为依据，或以无功控制为依据，这种简单控制策略容易导致电网轻载时控制器误动作，使线路过补;④控制器保护功能不完善，达不到电力行业标准DL/T597-1996低压无功补偿控制器订货技术条件>>中所规定的功能。(即控制器应具有过压、欠压、投切延时保护功能，电容器投入、切除门限功能，循环投切功能，面板应具有硬件或软件闭锁功能，防止小负载时电容器投切振荡功能，抗干扰功能 。)

鉴于目前无功补偿装置的现状，本文在比较了多种无功补偿装置的优缺点后，研制了一种基于数字信号处理器为核心的智能低压无功补偿装置控制器。

控制器采用TMS320LF2407A芯片，该芯片是定点16位控制器中功能最全而又性能最好的。①其内部包含硬件乘法器、累加器、算术逻辑单元、辅助算术单元等多个处理单元，这些单元可以并列同时在一个指令周期内完成计划任务;②可独立访问64K字节的程序存储器与数据存储器空间;③内部总线采用并行体系结构，系统中设置了程序读总线、程序地址总线、数据读总线、数据写总线，由于总线是独立的，故可以同时访问程序和数据存储器，同时为处理器提供数据和指令，从而提高了数据吞吐量;④特殊的DSP指令具有单周期乘、加运算;⑤FFT倒位序变址寻址能力以及单周期指令执行时间为25nS和丰富的集成外设接口，这些丰富的资源可以很好地解决51系列单片机难以解决的问题。

控制器通过采集三相电压、电流，利用FFT变换算法，得到电网三相功率因数、电压、电流、有功功率、无功功率、2到13次谐波含量、有功电度、无功电度、电压，电流畸变率;具有存储每日整点功率因数、电压，电流最大值、停电，来电时刻及累计停电时间功能;整点指定日谐波数据;数据存储期为2个月;128X64大屏幕液晶显示全中文操作界面、数据，便于用户操作;具有RS-232、RS-485通讯物理接口，可实现遥信或近距离无线通讯，真正做到了无功补偿自动控制与配电参数综合测控一体化，为城网改造提出的配网自动化、远程通讯、无人值守等奠定了软、硬件基础。 控制器硬件结构框图如图：

图3 控制器硬件结构原理图

软件编制总体结构框图和部分模块流程图如下

图4 软件总体结构框图

图5 底层驱动模块流程图

5、并联电容器用的投切开关

在0.4kV级的配电网中，目前无功补偿装置投切电容器开关是用接触器或晶闸管实现的。若用接触器投切电容器，缺点是：①投入电容时，由于很难控制在电压过零时投入，因此易产生涌流、触点间打火、烧损触头;②切除电容器时又不易控制在电流过零切除，使触头粘联、拉弧;③过大的涌流还会对电容器造成损害，缩短电容器使用寿命。若采用晶闸管(又称固态继电器)来投切电容器，其优点是电压过零触发导通主回路、无拉弧、动作响应快、可大幅度限制投切涌流，特别适合频繁投切。其缺点是：①功耗大，且随电容电流的增大而增大;②晶闸管电路本身是谐波源，大量使用对低压电网易造成谐波污染。

基于以上情况，西安森宝公司研制出了一种新型开关-复合开 。复合开关主要有控制板，晶闸管与磁保持继电器组成，原理框图如图3-1所示：

图6 复合开关模块原理框图

复合开关投入电容器过程：配电综合控制器发出触发信号给复合开关，复合开关控制板接到信号后，开始检测电压过零点，并在电压过零时使晶闸管接通主回路，磁保持继电器经一定延时后，在等电势情况下吸合。由于晶闸管是无触点开关，且零电位投入，正常工作后，由于继电器触点电阻远小于晶闸管电阻，电容电流经过磁保持继电器触头进入电网。因而，避免了投电容器时的涌流、拉弧、打火，减小了晶闸管工作损耗。 信息来自:输配电设备网

复合开关切除电容器过程：控制器输出的触发信号消失后，磁保持继电器在等电位情况下先断开，晶闸管经延时后，在电流过零时断开。 这种投切开关是充分吸收了无触点开关晶闸管和继电器各自的优点，因而开关使用寿命长，功耗低。是投切电容器的理想开关。

6、运行情况

利用以上相关技术，西安森宝公司先后设计并生产了四百多台低压动态无功补偿装置，产品分别在西安、新疆、青海、河南、东北等地挂网运行。产品投入市场2年来，现场运行情况一切正常，受到了用户一至好评。下面是西安市供电局在幸福路10#杆挂网的一台无功补偿装置运行情况记录。

表1：幸福路10#杆无功补偿装置运行情况

时间

补偿装置投运状态

信息来源:

A 相电压（V）

A相电流（A）

补偿电流（A）

功率因数COS￠

线损减低（%）

08：30

未投

投运

2252

30

195

150

0

45

0.90

0.98

0.408

11：00

未投

投运

218

230

240

190

0

50

0.88

0.99

0.373

13：00

未投

投运

228

236

176

140

0

36

0.93

0.97

0.367

16：30

未投

投运

221

232

240

200

0

40

0.91

0.99

0.305

18：30

未投

投运

219

228

290

225

0

0.88

0.96

0.398

20：30

未投

投运

214

229

300

210

0

90

0.84

0.95

0.51

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