智能電力電容器無功補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)與介紹

安科瑞 鮑靜君

　　摘要：根據(jù)目前國內(nèi)電力市場的發(fā)展和電容無功補(bǔ)償技術(shù)的水平，本文設(shè)計(jì)了基于智能電容器的無功補(bǔ)償系。分析了該系統(tǒng)的原理，闡述了無功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗院碗娙萜鞯耐肚蟹绞?。介紹了智能電容無功補(bǔ)償器的硬件模塊和軟件的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真。

　　關(guān)鍵詞：智能電容器；無功補(bǔ)償；系統(tǒng)

　　0、引言

　　當(dāng)前的智能式電容器比較先進(jìn)，集現(xiàn)代測控、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、自動控制原理以及新型絕緣材料技術(shù)等為一體，具有補(bǔ)償效果好，小型化，功率消耗低，接線方便，適用場合廣泛且維護(hù)方便，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此具有良好的推廣應(yīng)用前景。

　　1、智能電容無功補(bǔ)償器的原理及總體設(shè)計(jì)

　　1.1電容器無功補(bǔ)償原理

　　在實(shí)際電網(wǎng)中，絕大部分的等效負(fù)載為阻感性負(fù)載，因此可以將大部分電氣設(shè)備等效成電路中電阻R和電感L的串聯(lián)進(jìn)行處理。使用并聯(lián)電容器的補(bǔ)償電路圖如圖1所示。

1.2無功補(bǔ)償系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　基于智能電容器的低壓無功補(bǔ)償系統(tǒng)是由電容器組、智能無功補(bǔ)償控制器以及液晶顯示屏構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。無功補(bǔ)償控制器能夠通過電流互感器、電壓互感器等計(jì)算出相關(guān)的電流、電壓、無功缺額、功率因數(shù)等電網(wǎng)參數(shù)，并根據(jù)得到的電氣量控制電容器進(jìn)行投切的選擇；液晶顯示屏上能夠顯示出當(dāng)前智能電容器的狀態(tài)及各項(xiàng)電力系統(tǒng)參數(shù)。智能電容器各項(xiàng)模塊之間采用RS485通信協(xié)議。

　　圖2中，CG代表共補(bǔ)型電容器組，CF代表分補(bǔ)型電容器組。共補(bǔ)與分補(bǔ)電容器在無功補(bǔ)償裝置中，投切開關(guān)的組合方式以及電容器的接線方法不同。共補(bǔ)型電容器組接線方式為三角形接線，與星形接線方式相比，在同等條件下，三角形接線方式所能補(bǔ)償?shù)臒o功是星形的3倍，并且三角形接線還有一個明顯的優(yōu)勢就是3次及3的整數(shù)倍次諧波在電容器回路中不能形成通路，進(jìn)而使得電網(wǎng)不受該種諧波的污染。但是三角形接線只能進(jìn)行三相共同補(bǔ)償，不能進(jìn)行分相補(bǔ)償。因此如果出現(xiàn)三相負(fù)載不平衡的情況，將不能使用共補(bǔ)型電容器進(jìn)行補(bǔ)償。分補(bǔ)型電容器接線方式為星形接線，星形接線能夠進(jìn)行單相補(bǔ)償，適用于三相不平衡的情況，但是不能消除回路中的3次及3的整數(shù)倍次諧波，所以容易產(chǎn)生諧振，可能損壞電容器，需要增加電抗器。而且當(dāng)某一相的電容器發(fā)生短路后，其他兩相所承受的電壓會升高，進(jìn)而發(fā)生更嚴(yán)重的危害。

　　2、無功補(bǔ)償控制策略與電容器投切方式

　　2.1無功補(bǔ)償控制策略

　　傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償控制策略有無功功率控制、功率因數(shù)控制、電壓控制、電壓無功控制、電壓功率控制、電壓時間控制等，本文采用的是電壓無功控制策略。電壓無功控制方法又稱之為九區(qū)圖法，即在含有變壓器的情況下，將平面按電壓和無功功率的上下限劃分為九個區(qū)域，不同的區(qū)域代表不同的含義，通過投切電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)目刂?。在配有載調(diào)壓變壓器的條件下，通過調(diào)節(jié)變壓器分接頭和投切電容器可以改變電網(wǎng)電壓和無功補(bǔ)償容量Qc，進(jìn)而改變母線電壓U和從電力系統(tǒng)吸收的無功功率Q。

　　2.2電容器過零投切

　　本文設(shè)計(jì)的智能電容器所需的投切開關(guān)為復(fù)合開關(guān)，復(fù)合開關(guān)將磁保持繼電器和晶閘管復(fù)合并聯(lián)在一起， 兼兩者之長。復(fù)合開關(guān)的工作原理：線路導(dǎo)通時，驅(qū)動電路發(fā)出信號使晶閘管導(dǎo)通，再控制繼電器導(dǎo)通， 當(dāng)磁保持繼電器導(dǎo)通后，電網(wǎng)電流轉(zhuǎn)移到繼電器上，此時驅(qū)動電路發(fā)出信號使得晶閘管斷開，系統(tǒng)正常工作；線路斷開時，驅(qū)動電路先發(fā)出信號使晶閘管導(dǎo)通，此時繼電器仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，再控制繼電器斷開，驅(qū)動電路發(fā)出信號，使得晶閘管在電流過零處斷開。復(fù)合開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)有：無涌流，無電弧；能夠?qū)崿F(xiàn)電壓過零處投入，電流過零處切除；功率損耗低。

　　現(xiàn)在很多電力電子儀器都對電壓要求很高，無功補(bǔ)償?shù)内厔菥褪沁^零投切。過零投切實(shí)際上就是電壓過零時投入，電流過零時切除。過零投切的原理：電容器的電壓不能突變，如果不是在電壓過零點(diǎn)處投入，那么電容器的電壓和系統(tǒng)中本身的電壓疊加，會產(chǎn)生幅值大、頻率高的涌流，增加了功率損耗，增加了對電容器及其他設(shè)備的沖擊次數(shù)。

　　3、智能電容無功補(bǔ)償器的硬件模塊設(shè)計(jì)

　　3.1硬件模塊

　　智能電容器的模塊及其功能為：電源模塊，為DSP控制器、磁保持驅(qū)動電路、運(yùn)放芯片、液晶顯示模塊等提供所需的電源支持；DSP控制器，采用TMS320F2812芯片，控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行；電網(wǎng)參數(shù)采集模塊， 采集需要的電壓電流參數(shù)，輸送到DSP控制器內(nèi)進(jìn)行計(jì)算；溫度采集模塊，通過檢測周圍的環(huán)境溫度，實(shí)時監(jiān)控是否滿足智能電容器的工作溫度；復(fù)合開關(guān)驅(qū)動模塊，DSP控制器檢測到電網(wǎng)需要進(jìn)行無功補(bǔ)償時，復(fù)合開關(guān)驅(qū)動模塊發(fā)送驅(qū)動信號，控制電容器的投切；按鍵與液晶顯示模塊，即人機(jī)操作界面，可以通過按鍵與液晶顯示屏操作與觀察當(dāng)期智能電容器的運(yùn)行狀態(tài)；通信模塊，采用RS485通信協(xié)議，負(fù)責(zé)智能電容器各模塊之間的通信。

　　3.2電網(wǎng)參數(shù)采集模塊

　　本文采用的TMS320F2812芯片自帶16路12位的A/D轉(zhuǎn)換器，可以對電壓電流信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。ADC模塊的模擬電壓輸入范圍是0-3V，而低壓配電網(wǎng)絡(luò)的電壓一般為380V，不在ADC模塊所采集的信號輸入范圍之內(nèi)，并且ADC模塊比較敏感，當(dāng)0V或3V的信號輸入到模塊端口時，可能會損壞ADC端口而不能正常工作。 因此選擇電壓互感器對電壓信號進(jìn)行降壓處理，再通過采樣電阻和電壓抬升電路，使得電壓信號滿足所需的精度要求。

　　3.3溫度檢測模塊

　　基于智能電容器的無功補(bǔ)償系統(tǒng)還需要進(jìn)行環(huán)境溫度的檢測，尤其是在夏季，那些安裝在室外的無功補(bǔ)償裝置，更要注意其溫度的變化。當(dāng)環(huán)境溫度過高時，電力電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化，可能會導(dǎo)致電容器的脹肚，甚至爆炸，影響儀器的使用壽命。本文設(shè)計(jì)了溫度檢測電路，能夠?qū)崟r監(jiān)測智能電容器的運(yùn)行溫度。溫度檢測模塊選用LM35CH芯片，能夠監(jiān)測實(shí)時電流。與用溫標(biāo)校準(zhǔn)的溫度傳感器相比，LM35CAZ工作范圍寬，精度和靈敏度高，靈敏度為10.0mV/℃，精度在,0.4-0.8℃，工作溫度為5-150℃，而且輸出電壓與其檢測的環(huán)境溫度成正比關(guān)系，當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時，電壓為0V，每升高1℃，相對應(yīng)的電壓升高,10mV。

　　4、智能電容無功補(bǔ)償器的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)仿真

　　4.1智能電容器的軟件程序設(shè)計(jì)

　　當(dāng)需要投切電容器時，通過FFT算法，計(jì)算出電網(wǎng)諧波的含有率。當(dāng)其含有率大于5%時，不能進(jìn)行電容器的投切，小于5%時，根據(jù)本文的綜合控制策略，判斷電壓和無功是否超越限制范圍，進(jìn)而執(zhí)行不同的電容器投切指令，實(shí)現(xiàn)電容器的逐級投切。開關(guān)控制子程序是控制智能電容器的復(fù)合開關(guān)閉合關(guān)斷時序，通過DSP芯片在不同時序發(fā)出觸發(fā)脈沖，控制晶閘管和繼電器的導(dǎo)通關(guān)斷。為使晶閘管和磁保持繼電器正常工作，觸發(fā)脈沖的寬度要足夠。當(dāng)有電容器的投入指令時，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，設(shè)置晶閘管的延時時間，DSP觸發(fā)繼電器導(dǎo)通，切除電容器時，同樣判斷是否有指令，再對晶閘管和繼電器進(jìn)行觸發(fā)。

　　4.2實(shí)驗(yàn)仿真

　　電壓電流波形圖如圖3所示。由圖3可以看出，經(jīng)過電容器的補(bǔ)償后，電壓和電流的相位差基本為零，即功率因數(shù)接近1，說明無功補(bǔ)償仿真達(dá)到預(yù)期的效果。

　　5、安科瑞AZC/AZCL智能電力電容器介紹

　　5.1 電容投切原理

　　用戶根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況，設(shè)置目標(biāo)功率因數(shù)和允許的無功功率占有功功率的比例值。以功率因數(shù)為首要目標(biāo)，計(jì)算出要達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)所需投入或切除的無功容量并進(jìn)行電容器的投切；當(dāng)功率因數(shù)滿足條件時，計(jì)算無功功率是否滿足條件，如果不滿足條件，根據(jù)所需投入或切除的無功容量繼續(xù)進(jìn)行電容器的投切，克服了滿足功率因數(shù)條件但無功功率仍很大的弊端。由于兩者都是以無功功率為控制量，因此避免了“投切震蕩”情況的發(fā)生。

　　5.2產(chǎn)品介紹

　　5.2.1 AZC系列智能電力電容補(bǔ)償裝置由智能測控單元、投切開關(guān)、線路保護(hù)單元、低壓電力電容器等構(gòu)成，改變了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置體積龐大和笨重的結(jié)構(gòu)模式，是用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。

訂貨范例：

　　具體型號：AZC-SP1/450-10+10

　　技術(shù)要求：共補(bǔ)

　　通訊協(xié)議：無

　　輔助電源：無

　　5.2.2 AZCL系列智能集成式諧波抵制電力電容補(bǔ)償裝置是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。其中串接7%電抗器的產(chǎn)品使用于主要諧波為5次、7次及以上的電氣環(huán)境，串接14%電抗器的產(chǎn)品使用于主要諧波為3次及以上的電氣環(huán)境。

訂貨范例：

　　具體型號：AZCL-SP1/480-50-P7

　　技術(shù)要求：共補(bǔ)，7%電抗率，銅芯

　　通訊協(xié)議：無

　　輔助電源：無

5.3 技術(shù)參數(shù)

　?、侪h(huán)境條件

　　海拔高度：≤2000米

　　環(huán)境溫度：-25～55℃

　　相對濕度：40℃，20～90%

　　大氣壓力：79.5～106.0Kpa

　　周圍壞境無導(dǎo)電塵埃及腐蝕性氣體，無易燃易爆的介質(zhì)

　?、陔娫礂l件

　　額定電壓：AC220V（AZC）或AC380V（AZC/AZCL）

　　允許偏差：±20%

　　電壓波形：正弦波，總畸變率不大于5%

　　工頻頻率：48.5～51.5Hz

　　功率消耗：<0.5W（切除電容器時），<1W（投入電容器時）

　?、郯踩?/p>

　　滿足《DL/T842-2003》低壓并聯(lián)電容器裝置使用技術(shù)條件中對應(yīng)條款要求。

　?、鼙Ｗo(hù)誤差

　　電壓：≤0.5%

　　電流：≤1.0%

　　溫度：±1℃

　　時間：±0.01s

　?、轃o功補(bǔ)償參數(shù)

　　無功補(bǔ)償誤差：≤電容器容量的75%

　　電容器投切時隔：>10s

　　無功容量：單臺≤（20+20）kvar

　?、蘅煽啃詤?shù)

　　控制準(zhǔn)確率：100%

　　電容器容量運(yùn)行時間衰減率：≤1%/年

　　電容器容量投切衰減率：≤0.1%/萬次

　　年故障率：0.1%

　　6、結(jié)語

　　本文從無功補(bǔ)償系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和智能電容器結(jié)構(gòu)兩方面入手，在對電容器補(bǔ)償原理、電容器補(bǔ)償方式、接線方法進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出無功補(bǔ)償系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和智能電容器的模塊框圖，采用共補(bǔ)為主，分補(bǔ)為次，兩者結(jié)合的方式進(jìn)行無功補(bǔ)償，不僅無功補(bǔ)償范圍更大，還可以在三相不平衡的情況下進(jìn)行分相補(bǔ)償。