无功补偿试验装置电气设计的研究与分析
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摘要：无功补偿试验装置由配电柜、控制柜、SVC补偿柜、电容补偿柜和负载柜构成，设计目标是能够实现三相不平衡负荷的调补过程，检验控制算法的有效性。本文以容量为20Kvar线性+10Kvar非线性+10KW模拟负载试验平台装置为例，从电气工程角度，完成对配电柜、控制柜、SVC柜、FC柜和负荷柜的电气系统回路设计，从而为电力系统进行无功功率补偿调整提供依据。
关键词：无功补偿 电气设计 试验装置
中图分类号：TM835 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0111-01
为满足设计需求的可进行静止无功补偿器（SVC）三相调补试验和单相电容器组三相调补试验，在负载方面，设计由20KVar可调磁控电抗器、10KVar非线性电抗器和10KW的三相电阻构成的模拟负载，可实现在多种负载及负载组合条件下进行模拟实验。
1 负载柜的设计
设计目标为一组由20KVar可调磁控电抗器、10KVar非线性电抗器和10KW的三相电阻构成的感性负载。模拟实际负荷系统中，存在着的感性负荷，可分别实现线性、非线性及纯电阻负载的模拟投切实验。通过调节磁控电抗器的电抗值和三相电阻的投切，可以构造出多种不平衡负荷以检验控制算法的效果。在控制电抗器和电阻负载的投切上，采用I-7067D型继电器输出模块和中间继电器，通过接收上位机指令来控制相应的交流接触器吸合与分断。按照用户供电电压，单台交流调整装置接入电网的允许容量已有明确规定，试验平台负荷容量设计原则，如表1所示。
2 SVC补偿柜的设计
补偿容量的确定，对于并联电容补偿装置安装的“最大容性无功量”原则，其无功量计算式为：
式中，Qcf，m为负荷所需补偿的最大容性无功量；Pfm为母线上的最大有功负荷；φ1为补偿前的最大功率因素角；φ2为补偿后的最小功率因素角；Qcfc为由cosφ1补偿到cosφ2时，每KW有功负荷所需补偿的容性无功量。
试验平台设计负荷为10KW，考虑到器件、线路及其他损耗，最大有功负荷Pfm按15KW计算，cosφ1=0.6、cosφ2=1.0，计算得到Qcf，m= 19.95Kvar。
根据试验平台所设计的负载，来选择所需要SVC补偿柜由一组20KVar的晶闸管相控电抗器（TCR）和3组6KVar的滤波电容器组（FC）构成。上位机控制算法通过调节各相TCR的触发角大小，调整各相等效电纳，进而调补三相不平衡电流。在SVC柜进线处、TCR的各相、各线和FC的各相均安装电流互感器和三相数显电流表，可将SVC三相补偿电流值实时传送至上位机监控界面。在控制TCR和FC的投切上，采用I-7067D型继电器输出模块和中间继电器，通过接收上位机指令来控制相应的交流接触器的吸合与分断。
TCR采用三角形接线，滤波采用3、5、7三组单调谐滤波器，以有效抑制交交变频装置产生的整数次谐波和高频谐波，并避免使谐波放大。滤波器采用星形接线方式，且中性点不接地，其优点是供电可靠性高，因为电力网络发生单相接地时，接地电流只是网络电容电流，比较小，不是单相短路，保护装置不作用于跳闸，只给出信号，电网可继续运行2小时，提高了供电可靠性。
为保障SVC的正常运行及维护、操作的方便性，采用单母线接线方式。其中SVC柜由固定电容器FC+晶闸管相控电抗器TCR，及负载组成。其中电容支路为固定连接，TCR支路采用触发延迟控制，形成连续可控的感性电抗。
3 调补FC柜的设计
调补FC柜的设计由6组6Kvar，共计18台额定电压为415V的自愈式单相电容器，可变拓扑结构的电容器组组成，每台电容器在上位机控制算法的控制下，通过微机控制器与智能编组复合开关的切换，可实现相线与相线之间和相线与零线之间的灵活接线，实现了电容器在调整不平衡电流的同时补偿配电网中多余的感性无功功率的目的。
这里对避雷器的配置进行详细阐述，根据配电装置的每组母线上应装设避雷器的原则，选用一组适合低压配电装置的避雷器。避雷器选择依据《并联电容器装置设计规范》适用于220KV及以下变电所、配电所中无功补偿用三相交流高压、低压并联电容器装置的新建、扩建工程设计。断路器出现两相重击穿的概率极低时，可不设置两相重击穿故障保护。当需要限制电容器极间和电源侧对地过电压时，其保护方式应符合下列规定：电抗率为12%及以上时，可采用避雷器与电抗器并联连接和中性点避雷器接线的方式；电抗率不大于1%，可采用避雷器与电容器组并联连接和中性点避雷器接线的方式；电抗率为4.5%～6%时，避雷器接线方式应按模拟计算确定。
4 控制柜和配电柜的设计
4.1 控制柜的设计
所设计的控制系统通过RS485通讯，组成通讯网络，由上位机实现操作。控制系统配备两台研华610型工控机作为上位机其中一台运行整个实验系统的监控界面，负责数据的采集处理，实时波形的绘制，数据库的管理以及设备的投切控制等；另一台负责运行三相不平衡调补算法。
控制系统由数据采集单元、通信模块、控制模块、报警模块、实时显示模块、输入模块，以及存储模块等共7个模块构成。数据采集单元，采集由电流互感器、高速谐波多功能表、高速电流表等采集设备传输来的三相电流、三相电压等瞬时值，通过RS485通信模块传输到上位机显示或传输到控制模块进行数据分析及处理。控制模块同时接收来自输入接口模块的投切TCR、负载，以及TCR调节量等指令。故障报警单元对系统运行当中出现的网络故障、设备故障等信号进行报警提示。存储模块通过Visual Foxpro 6.0数据库软件，实现对数据的处理，以及后期的分析、统计等。
4.2 配电柜的设计
配电柜的主要工作是将三相AC 380V接入设计的无功补偿试验平台，向负载柜、SVC柜、自动调补柜、控制柜提供动力电源以及备用电源。配电柜内部器件选配根据TCR柜44KVar、负载柜30KVar+10KW及FC柜36KVar，总带载容量为120KW。
5 结语
本文分别对负载柜、SVC柜、自动调补柜、配电柜、控制柜等几个部分进行了电气设计，在元器件的选型上，采用短路电流计算、补偿导纳计算等方法，从而对各电气部件、装置进行合理的选型；在控制回路的实现上，采用模块化的方法，通过RS485通讯网络实现在上位机上显示及控制，在硬件上满足预期的要求。
参考文献
[1]郑小平.关于无功功率的定义及其计算方法[J].电测与仪表，2006，43（6）.
[2]辛红.动态无功补偿装置设计及其并网混沌现象分析[D].东北大学，2009.