失真低压电力系统的功率因数补偿

V.Bhanu¹，谢克·拉菲·基兰²

PG学者[EPE]， EEE系，SITAMS, Chittoor, Andhra Pradesh, India
印度安得拉邦Chittoor SITAMS EEE系教授和HOD

摘要

由于谐波产生负荷的增加，谐波谐振已成为商业电力系统进行功率因数补偿的主要障碍。本文提出了一种智能功率因数补偿控制器，该控制器能在不同需求条件下进行功率因数校正，且不会引起谐波谐振。利用单片机提出了实用的鲁棒控制算法。该控制器依赖于常见的低成本传感装置，因此可以作为一种改造装置来取代现有的功率因数校正控制器。

关键字

电容器开关，电力电子逆变器，谐波谐振，功率因数补偿器，变压器，功率宽度调制器(PWM)。

我的介绍。

能源效率是商业领域的一个重要因素。功率因数(PF)补偿的应用是提高这些低压电气装置[1]-[2]效率的必要步骤。这通常是通过在电源变压器下游的设备入口点安装电容器来实现的。随着建筑负荷对无功补偿的需求波动，这种电容器单元被切换进和退出电路。电容器可以提高配电电路的性能，通过在本地提供无功电流，配电网需要提供更少的功率，从而降低损耗，提高线路电压，并降低计费费用。然而，这些PF校正电容器组经常发生故障或跳闸。一个主要原因是产生谐波负荷的增加。虽然这些器件不产生谐波，但它们为本地或并联谐振条件提供了网络路径。在共振的情况下，这种电流可能非常高，可能会损坏电容器。因此，在[1]-[2]设计阶段对PF补偿电容器安装的考虑还应包括谐波谐振分析。 Possible solution to avoid harmonics include the following:

1)增加滤波电容器;

2)在现有堆上增加一个反应堆;

3)不接地的电容器;

4)改变电容器组位置和尺寸;而且

5)为避免谐振，控制电容器开关方案。

本文介绍了第五种方法，改进了一种鲁棒实用的电容组开关控制算法，既能校正功率因数又能避免谐振。以往提出的基于相同目的的优化算法耗时长，且不能保证在时变负荷和系统阻抗条件下收敛到最优解。最近的工作集中在有源和无源谐波滤波器的安装上。这种方法可能既复杂又昂贵。另一种解决方案是与现有的电容器组串联增加电抗器。但是，系统参数会随着电力系统配置和负荷的变化而动态变化。因此，即使将电容器组合与电抗器串联在一起，也可以实现谐波谐振。参考文献[4]建议用电力电子逆变器取代电抗器。在不同的需求条件下，不同的运行条件下谐振也不同，在假定系统阻抗不变的情况下确定合适的开关电容器单元数是不安全和不智能的。为了解决这一问题，该控制器采用扰动前后稳态波形来估计界面点电压和电流的谐波系统阻抗。 It is highlighted that the proposed controller relies on common low cost sensing devices. As a result, with little effort the controller can be constructed to replace existing power factor correction controllers.

2相关工作

虽然修正功率因数是老做法，但我们在调查中考虑了从1983年开始的过去25年所做的工作。琼斯和布莱克威尔提出了一种技术，以保持同步电机在单位功率因数从空载到满载确保峰值效率。Sharkawi提出了一种用于三相感应发电机的自适应功率因数控制器。Nalbant提出了使用峰值电流编程升压拓扑进行功率因数校正和失真降低的计算和测量。Fuld提出了一种用于三相输入的降压和升压组合功率因数控制器。Mandal提出了一种基于微型计算机的功率因数控制器的实验室模型，用于补偿无功功率。Ayres和Barbi提出了用于PWM和功率因数控制器的传统集成电路。Machmoum提出了一种三相开关变换器，可作为PWM整流器和有源电力滤波器。Barsoum提出了PIC微控制器的编程，用于功率因数校正。

3常见的无功补偿方案

在商业设施中，传统的功率因数补偿方法包括并联电容组，并在设施的入口点抵消设备的感性负载。图1显示了商业电力系统中使用的常见功率因数补偿安排。

该方案由一个或多个断路器开关电容器单元以及一个智能控制单元、电流和电压互感器组成，它们连接在电源变压器的低侧。这些银行包括3到9个电容器单元连接在不同的配置。在实践中，商业装置采用开关电容器组，而不是固定电容器组，其中电容器自动开关，以补偿变化的负载条件。图2显示了24小时内典型的千千瓦需求，通过记录千千瓦和pf测量来确定曲线。

固定组满足基本负荷要求，切换组补偿较重负荷期间的感性千度峰。为了计算电容千伏，必须从现有pf中减去修正pf的电感kvar，差值就是要加的电容kvar的量。下面的公式是一种方便的方法:

其中，kW为系统千瓦负荷，kvar为要添加的电容千瓦量。图1所示的电容开关控制方案是基于自动控制器的。该控制器感知电压和电流，并直接使用这些参数或派生的参数(如功率因数)与阈值进行比较。图3显示了流程图。

基于上述考虑，自动电容控制器已被开发和销售给商业电力系统的设计者和运营商。虽然这种控制器适用于传统的被动负载，如电机，但越来越多的设施运营商报告了频繁的电容器故障或跳闸。因此，无功功率补偿无法实现。该问题是由电容器与上游阻抗之间的并联谐振引起的。这种共振是由现代设备负载(如办公室电子设备和变频驱动器)产生的谐波电流所激发的。工业迫切需要能够进行功率因数校正和避免谐振的电容器控制器。此外，控制器不需要额外的传感器或输入，可以对现有设备进行零改变的电流控制器改造。

四、谐振问题

电容器组的应用总是存在谐振的风险。这是由于银行的电容与感应电抗的相互作用。谐振频率或谐振频率附近的谐波电流会在高并联阻抗上产生高谐波电压，电容器可能无法承受谐振电压。为了便于描述谐振问题，图4表示一个产生谐波的商业设备，该设备在PCC处与配电系统连接有一个并联PF校正电容器。在该图中，阻抗和电流源分别表示设备的线性和非线性负载。

的Thevenin阻抗可以表示供电系统

其中h是谐波阶。总阻抗Ztotal由所见谐波电流源可确定为

随着频率的增加或谐波阶数的增加，供电系统阻抗的感应电抗Xs增大，电容电抗Xo减小。在给定的谐波频率下，将会有一个交叉点，其中感性和容性电抗相等(h2Xg =xo)。因此，总阻抗(Ztotal)趋近于无穷大，如果商业设备谐波电流的频率接近于

其中MVAs为系统短路电平，Mvarc为电容器尺寸。以上频率称为共振频率。在这种情况下，共振分量Xc和Xs是平行的。产生的共振称为平行共振。平行共振现象可以从频率扫描图中可视化，如图5所示。

该图说明了系统和电容器的电抗是如何随频率变化的。在谐振频率两个电抗是相等的和总阻抗从电容器的位置看Ztotal会趋向于一个非常大的值。假设系统故障级别为250mva，电容器组额定值为10.8 Mvar。将这些数字代入(3)会得到:

4.83的并联谐振阶过于接近五次谐波阶，如果有任何五次谐波电流从产生谐波的负载流入电容器母线的电力系统，电容器可能无法承受谐振电压，导致熔断器熔断或电容器损坏。一种实用的(经验法则)方法是使用(4)，它显示了共振频率hR与任何主导谐波频率hC之间的距离

但是，(4)给出的条件是不充分的，因为电容偏差会引起谐振频移。因此，决定是否切换某种电容器组合的最终条件是验证电容器组上的应力水平是否满足表I中定义的限制。

当存在较大的电压和电流谐波时，通常会超过额定值，导致故障。因此，电力电容器安装的考虑应包括在设计阶段进行谐振分析。安装滤波器会给PF校正方案带来不可接受的额外运营和资本成本，此外，必须进行详细的谐波研究，以确保滤波器的应用不会对设施和配电系统造成其他副作用，例如在滤波器目标频率以外的谐波频率上产生平行谐振。我们认为，在不同的需求条件下，重点研究一种更智能的算法来控制电容器开关方案，以实现功率因数校正和避免谐振。采用自适应控制来监测谐波失真并切换电容器以避免谐振可能适用于有大量随机开关电容器的商业负载。基本上，这个想法是开发一种依赖于常见的低成本传感设备的控制器。因此，该控制器可以被构造为一个改装装置，以取代现有的功率因数校正控制器。

五、拟控制算法

根据前面的讨论，要解决的问题是确定要开关的电容单元的数量，可以为设施产生最高的功率因数，而不会对电容器造成过多的谐波应力。由于电容器组合的数量有限，最简单的算法是扫描这些组合并选择最好的。这种方法使问题复杂化，不能保证收敛，而且可能很耗时。更重要的是，它们不能轻易地实现到微控制器中。本文提出了一种实用、高效、鲁棒的算法。易于实现是主要考虑因素之一。需要注意的是，切换控制算法只是控制器的一个组成部分。该算法需要系统阻抗信息作为输入。还需要检测电容器是否由于不断变化的谐波条件而过度受力。因此，所提出的控制器实际上至少具有以下三个主要功能:

A.系统阻抗的测量

在前一节中，讨论了为了检测谐振条件，有必要确定系统阻抗。一个重要的问题是系统阻抗不是恒定的，而是由于系统上的负载和拓扑变化而变化。因此，必须解决以下问题，如何确定时变负载需求和拓扑结构下的谐波谐振条件?基于瞬态的阻抗测量方法和基于稳态的阻抗测量方法是目前研究的两大类。基于瞬态的方法将瞬态扰动注入系统。从电压和电流瞬态中提取频率相关的网络阻抗。与这些方法相关的主要问题是需要高速数据采集系统和干扰源。基于稳态的方法使用扰动前后的稳态波形。典型的干扰是由外部电源或网络组件的开关产生的谐波电流注入。由于不涉及瞬态，该方法只能确定谐波频率下的网络阻抗。 Since there is no need for a high-speed data acquisition system, the steady-state method can be implemented with many common, low-cost power quality monitors and it relies on the common voltage and current transformer sensors illustrated on Fig. 1. The simplest form of the steady-state measurement method involves the switching of a network component at the location where the network impedance is to be measured. The basic idea of this method can be summarized as follows:

1)记录电容器电压、电流的稳态波形。如果电容器不连接，其电流被视为零。

2)然后改变电容器的状态。例如，电容器单元可以开关以满足功率因数要求。

3)记录扰动后稳态电压和电流波形。

4)将离散傅里叶变换(DFT)应用于扰动前后波形。对于每个谐波，可以建立以下系统方程:

B.共振条件检测

如前所述，由系统阻抗和现有的电容器阻抗，可通过(3)计算谐振频率。对于某一系统阻抗，使谐振频率等于或接近主导谐振频率的电容器单元数。图6说明了对于特定的系统阻抗，当越来越多的电容器单元接通时，谐振频率是如何变化的。在图中，系统由一个1600 kVA的变压器表示，电抗为6.0%，每个电容器单元的容量为50 kvar。

从图中可以看出，通过改变开关电容单元的数量，谐振频率可以从谐波频率中偏移。验证hR是否太接近任何谐波频率hC的实用方法是应用(4)。从图6中，如果11个电容器接通，谐振频率hR太接近第7次谐波(A点)，因此，应增加或减少组。如果再切换2个电容(共13个)，hR约为6.4 (B点)，离5阶和7阶谐波更远。但是，如果电容单元的负载条件满足表i所规定的限制，也需要对其当前组合进行评估。从图6中还可以观察到，为了避免谐振，可以考虑多个电容单元的组合。在本文中，每个组合指的是要接通电路的特定数量的电容器。

C.电容单位的测定

最后一步是确定在不违反功率因数和谐振约束的情况下可以切换的电容单元的数量。从前面的小节，可以估计，从电流系统阻抗，电容器单元的组合，可以开关，使谐振频率(hR)远离谐波频率。这可以通过以下步骤来完成:

1)系统阻抗MVA3 2)将(3)代入(4)得到(8)，由此可以确定可切换的电容Mvarc的组合。通常，主谐波频率hc为从最后一个电容开关计算出的3到29的奇次谐波。

4)从步骤3中发现的组合中，选择导致相对于当前电容器组配置的最小开关的组合。

5)利用表I中的指标计算该组合的预期负荷。

6)如果加载指标满足标准限制，则切换组合，否则返回步骤4)选择次优方案。

六、所提算法的结果及优点

•不需要依赖普通电压和电流互感器传感器进行额外的测量。

•控制器不需要安装电抗器和过滤器。

•控制器不仅检查谐波谐振频率是否远离任何谐波频率，而且还验证电容器应力水平，以确保选择最合适的电容器单元组合。

•控制器考虑了时变系统条件，以确定功率因数和谐振条件。

•所提出的控制器还保留了传统控制器的目标，即实现最高的设备功率因数。

7结论

本文提出了一种新的低压畸变电力系统功率因数补偿控制策略。在不同的需求条件下，所提出的策略可以在不激发谐波谐振的情况下进行功率因数校正。为了便于在单片机中实现，提出了实用的鲁棒控制算法。此外，该控制器依赖于常见的低成本传感器件，不需要额外的硬件电路。因此，所提出的控制器可以构造为一种改进型装置，以较少的工作量和低成本取代现有的功率因数校正控制器。

参考文献

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