农网平滑投切无功功率补偿的研究

    牛轶霞

    摘 要：我国农村电网设备大都比较陈旧、落后，随着设备使用时间的增长，各种损耗就越来越大，因此并接电力电容器对感性负载的无功功率进行补偿就显得非常重要。本论文改变了以往常用的一次性并接电力电容器对感性负载的补偿方法，而是采用多次无极差的投切方法对无功功率进行补偿，提高了农村电网的供电质量。

    关键词：无功功率补偿；SVC；无极差

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.127

    0 引言

    随着社会的不断进步，电网技术也与时俱进，农网中的无功负载的容量也有所增加，大量的无功功率在电网的传输中造成电能损耗降低了电能的利用率影响了电能质量，同时也造成了大量的经济损失。10KV农网是电力系统的重要组成部分之一，它关系到农村的生活、农业的生产、农村的经济发展等方方面面。农网的建设及稳定是我国发展的基础是不可或缺的环节。

    传统的无功功率补偿器多采用机械开关投切电容器将电容并联到电网中，用此方法实现无功功率的补偿。然而，这种机械投切方式有很明显的劣势，经过研究人们用晶闸管投切电容器代替机械投切开关。

    本文将采用晶闸管投切电容器（TSC）构成的静止无功补偿器（SVC）作为农网的无功功率补偿方式，硬件方面采用ARM芯片来控制，改芯片具有运算速度快、实时性好的优点。提高了无功功率补偿系统的智能化和实时性，提高了处理效率。最后，通过MATLAB软件，搭建仿真系统，对其进行仿真。通过电压的波形图直观的得出对比结果，验证了多次投切具有较好的稳定性。

    1 SVC装置研究

    1.1 SVC的基本原理

    目前，SVC的类型有多种，有晶闸管投切电容器（TSC）、晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管控制高祖抗变压器型（TCT）、晶闸管投切电抗器（TSR）和饱和电抗器（SR）等，基本类型是TCR和TSC。SVC的优越性是它能连续快速调节补偿装置的无功功率输出。根据农网的设备特点，本文选用了TSC型的补偿器。

    1.2 晶闸管投切时刻的选取

    晶闸管投切电容器投切时间选取得条件。对于感性负载来说，并接电力电容器使得电路中的总电压和总电流的夹角减小，就能提供电路的功率因数。由于纯电容性负载的电压滞后电流900，且实际并接的电容器均与电抗器串联构成无源滤波器，其无源滤波器的谐振频率，，为谐波次数。要想使TSC投切时做到没有冲击电流存在的话，就必须满足晶闸管在正弦交流电源电压的最大值的时刻进行可靠的触发导通。要想实现晶闸管可靠导通，电容器就需要进行提前充电，使其两端电压满足要求，一般情况下，应为电网电压峰值的 倍。

    2 補偿装置的控制系统

    补偿装置的控制系统采用ARM公司生产的型号为STM32F107VCT6为控制芯片，并根据ARM运行原理和结构特点设计的控制器系统，其应能检测系统的相关变量，计算出功率因数、无功功率以及所要投切的电容量，从而控制电容的分组投切实现它的无级差的无功功率补偿。根据检测电路的反馈量和给定量的偏差的大小，产生与之相对应的触发角，触发晶闸管工作，调节补偿器起到无功功率的补偿作用。系统框图如图1所示：

    2.1 硬件电路设计

    整个无功补偿装置包括AD采样模块、无功功率计算、计算投切电容量、输出使能信号、晶闸管投切电容器组。无功补偿装置主要是采用ARM公司生产的型号为STM32F107VCT6为主要控制芯片，并根据ARM运行原理和结构特点设计控制系统。ARM的控制系统通过检测、比较、运算、数模、模数转换等环节实现自动投切。

    2.2 软件设计

    系统软件由以下几部分组成：初始化程序：ARM系统正常工作所需的一些程序。1）数据处理程序：根据检测电路得到的监测数据，进行模数转换，通过和给定进行比较，应用一些算法，对其进行计算，得到所需的各种参数。2）控制程序：根据计算数据，进行数模转换，通过控制电路控制电容的投切，达到补偿无功功率的目的。为了很好地实现实时控制，所有的软件均采用汇编语言进行编写。

    3 MATLAB仿真结果分析

    根据控制系统的工作原理，搭建系统仿真模型，利用MATLAB仿真软件中Simulink 来对论文所涉及的静止无功补偿器（SVC）进行了仿真。本文采用三相电压源产生的10KV电压作为供电电源，无功功率的补偿容量分别是8kvar、4 kvar、2 kvar、1 kvar，电容器容量分别是407.6μF、203.8μF、101.9μF、51μF。通过对构建的仿真模型进行了仿真，仿真结果如图2和图3所示。

    由图2和图3可以直观的看出来补偿前后的功率因数变化，这种方法将功率因数由之前的0.87-0.88之间提高到了0.96-0.98之间，满足了预期效果。

    4 结论

    本文对10KV农网存在的问题现状做了总结与研究，提出了一种无极差的补偿方式，利用由TSC构成的SVC系统来对农网配电系统进行无功功率补偿，并通过MATLAB的Simulink来对其补偿系统进行仿真，由实验结果可知该系统有稳定性良好同时有效提高功率因数，从而提高了电网利用率。

    参考文献：

    [1]程文等.低压无功补偿实用技术[M].中国电力出版社，2012（08）.

    [2]朴在林，谭东明，郭丹.10kV配电线路无功优化智能系统的研究与实施[J].农业工程学报，2009，25（12）：206-210.

    [3]谭东明，李明.10kV线路无功补偿投切方式对降损效果的影响[J].农村电气化，2010（09）：22-23.