基于低功耗復合投切開關(guān)的智能電容補償方法設(shè)計

摘 要：本文介紹一種采用雙過零投切的復合開關(guān)技術(shù)，多機并聯(lián)協(xié)調(diào)控制策略的智能電容補償裝置，從而實現(xiàn)低成本、高可靠性低壓無功補償，降低線路損耗。實驗波形也證實了該技術(shù)的準確性和實用性。

關(guān)鍵詞：無功補償；復合開關(guān)；過零投切；節(jié)能

1、引言

在配電系統(tǒng)中，低壓電容器是一種應(yīng)用非常廣泛的無功補償設(shè)備，其安全可靠運行對配電系統(tǒng)的正常供電 起著關(guān)鍵作用。

目前無功補償裝置種類繁多。傳統(tǒng)的低壓補償裝置通常采用交流接觸器作為投切開關(guān)，電容器投入時會產(chǎn) 生涌流，觸頭易粘結(jié)且不易拉開。之后，出現(xiàn)了晶閘管開關(guān)，它具有電壓過零導通、電流過零關(guān)斷能力，能限制合閘涌流，但導通時會出現(xiàn)導通壓降，產(chǎn)生較大損耗和發(fā)熱現(xiàn)象。為解決此問題，又岀現(xiàn)了復合開關(guān)，它由晶閘管、交流接觸器并聯(lián)組成，具有兩種開關(guān)的優(yōu)勢，但正常運行時交流接觸器的線圈需一直通電，增加了線路損耗。而新的復合投切開關(guān)則采用磁保持繼電器來代替交流接觸器與晶閘管并聯(lián)，其通過CPU控制器在電壓零點投入實現(xiàn)電容器無涌流并入配電網(wǎng)，在電流零點斷開實現(xiàn)無電弧斷開電容器。這樣能夠增強復合開關(guān)的使用使命。智能電容補償裝置是以若干臺Y型或三角型聯(lián)結(jié)的低壓電容器為主體，釆用微電子技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電力電子技術(shù)等技術(shù)成果，將其集成、智能化，通過對其運行參數(shù)的實時監(jiān)測實現(xiàn)了故障自診斷功能，采用低功耗磁保持繼電器實現(xiàn)復合投切，多臺電容器通過并聯(lián)方式按控制要求投切，實現(xiàn)無功自動補償，并具備了三相欠壓、過壓、過流、缺相等保護。能很好地適應(yīng)現(xiàn)代低壓配電網(wǎng)對無功補償?shù)男枨蟆?/span>

2、硬件結(jié)構(gòu)

智能電容補償裝置的硬件主要由檢測電路、電源模塊、CPU控制器、電容器本體及外圍電氣設(shè)備組成，硬 件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。智能電容補償裝置采用飛思卡爾K60作為主處理器，通過A/D采樣三相電壓、電流，并實時計算相關(guān)電氣量，根據(jù)相應(yīng)的控制策略控制投切開關(guān)，實現(xiàn)對低壓配電網(wǎng)的無功補償。

2.1 CPU控制器

CPU控制器是智能電容補償裝置的控制“大腦”，其主控芯片采用飛思卡爾的芯片K60。工作頻率達到150MHz。整個處理器集信號調(diào)理、電網(wǎng)頻率跟蹤、數(shù)據(jù)采集、算法處理、數(shù)據(jù)存儲為一體，可及時計算出無功功率、功率因數(shù)、電容值等參數(shù)，并將參數(shù)存入?yún)?shù)寄存器，實現(xiàn)運行參數(shù)的實時測量和數(shù)字化。智能電容補償裝置控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2復合投切開關(guān)設(shè)計

低功耗復合投切開關(guān)是智能電容補償裝置的重要組成部件，由晶閘管、磁保持繼電器、RC吸收電路以及光隔電路組成。低功耗復合開關(guān)通過CPU控制器在電壓零點投入實現(xiàn)電容器無涌流并入配電網(wǎng)，在電流零點斷開實現(xiàn)無電弧斷開電容器。在投入時，先投入晶閘管，再投入磁保持繼電器；斷開時，先斷開磁保持繼電器，再關(guān)斷晶閘管。開關(guān)在投切過程中，晶閘管導通工作，投切完成后由磁保持繼電器維持通斷狀態(tài)。復合開關(guān)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

在電容器投切過程中，復合開關(guān)的動作順序如下：

1)投入過程：先導通晶閘管，再導通磁保持繼電器，再關(guān)斷晶閘管。這樣能夠保證電容器無涌流投入，同時在電容器接入電網(wǎng)運行時復合開關(guān)的功耗較低。

2)斷開過程: 先導通晶閘管，再切開磁保持繼電器，*后關(guān)斷晶閘管。這樣能夠保證電容器在電流為零時從電網(wǎng)中斷開實現(xiàn)滅弧功能，增強復合開關(guān)的使用使命。

3、軟件設(shè)計

3.1控制策略

用戶根據(jù)實際負載情況，設(shè)置目標功率因數(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，計算出要達到目標功率因數(shù)所需投入或切除的無功容量并進行電容器的投切，當功率因數(shù)滿足條件時，計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。

控制策略圖如圖4所示，U上、U下表示電壓上限、下限；U上1=U上—U死區(qū)，U下1=U下-U死區(qū)，死區(qū)值是防止投切震蕩值，2區(qū)和5區(qū)是防震蕩區(qū)域。投切控制如下：

0區(qū)：不需要補償；

1區(qū)：此時不考慮無功功率Q的大小，將電容器按照容量從小到大的順序逐個切除，直到全部切除為止；

2區(qū)：投切震蕩區(qū)，只切不投，考慮容性無功功率Q, 若計算所需切除的電容器容量大于投入的電容器容量，則將電容器切除，否則電容器不動作；

3區(qū)：投入相應(yīng)容量的電容器；

4區(qū)：切除相應(yīng)容量的電容器；

5區(qū)：只投不切，考慮感性無功功率Q ，若計算所需投入的電容容量大于未投入的電容器容量，則將電容 器投入，否則電容器不動作；

6區(qū)：此時不考慮無功功率Q的大小，將電容器按照容量從小到大的順序逐個投入，直到全部投入為止。

裝置記錄記錄電容器的投切次數(shù)和投切時間。在投切過程中，不同容量的按值投切；同容量的投切次數(shù)小 的先投，投切次數(shù)大的先切；同等投切次數(shù)下，投切時間小的先投，以保證電容的壽命和利用率達到較大。

3.2主從切換

多個智能電容補償裝置級聯(lián)，裝置具備自動分配主機和從機功能。原則上，每個裝備分配不同的設(shè)備號， 每個設(shè)備號具有不同的優(yōu)先級，默認設(shè)備號小的裝置優(yōu)先級較高，通過發(fā)送廣播報文的時間間隔來確定主從，具體實現(xiàn)流程如圖5所示。

主機實時向各從機發(fā)送查詢命令，從機向主機返回各從機的工作方式（三相共補或分補）、電容器的容量、 投切狀態(tài)、投切時間等信息。

3.3軟件設(shè)計流程

軟件設(shè)計主要包括兩部分，一是內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理、 控制策略、保護功能、數(shù)據(jù)存儲等，二是外部數(shù)據(jù)接口，包括通信、按鍵、顯示等功能。軟件設(shè)計流程如圖6所示。

4、實驗結(jié)果分析

搭建無功補償實驗平臺，用20kW+12kVar RLC負載箱模擬負荷，改變負荷無功和功率因數(shù)，選擇10kVar分補電容和（10+10）kVar共補電容組成級聯(lián)裝置，實驗平臺如圖7所示。

采用接觸器作為投切開關(guān)時，電容器投入電網(wǎng)產(chǎn)生了較大的涌流，達到電流峰值5倍以上，波形如圖8所 示。采用文中低功耗復合開關(guān)作為投切開關(guān)時，電容器投入電網(wǎng)產(chǎn)生的涌流較小，是電流峰值的1.5倍，波形如圖9所示。圖10所示的是采用復合開關(guān)電容器從電網(wǎng)中切除的電流波形，沒有拉弧現(xiàn)象。

4.1級聯(lián)裝置投切試驗

設(shè)置負荷有功為5kW,無功為12kVar,功率因數(shù)偏低條件下。實驗結(jié)果如表1所示。調(diào)整模擬負荷參數(shù)， 在功率因數(shù)正常條件下，實驗結(jié)果如表2所示。

4.2小結(jié)

實驗選取了兩個比較典型的電容器投切實驗，充分驗證了控制算法的正確性，能夠?qū)崿F(xiàn)電容器的準確投切。 結(jié)果表明智能電容補償裝置可以使電網(wǎng)減少對系統(tǒng)提供無功功率，從而降低線路的傳輸電流，實現(xiàn)降低線損。

5、結(jié)束語

本文設(shè)計以低功耗復合開關(guān)為核心的智能電容補償裝置，以K60為控制主芯片實現(xiàn)電壓、電流等參數(shù)的計 算。在傳統(tǒng)的九區(qū)圖控制策略基礎(chǔ)上，設(shè)置電壓投切震蕩死區(qū)值，解決因投切震蕩導致的電容器頻繁投切問題。 多臺裝置組網(wǎng)運行時，裝置具備自動主從分配功能，省去了傳統(tǒng)的控制器設(shè)備，具有成本低、應(yīng)用靈活，且能實現(xiàn)電容器快速、準確投切的優(yōu)點。實驗結(jié)果表明，設(shè)備的投運可以達到降低線路損耗的目的。

6、安科瑞智能電容器介紹

6.1 電容投切原理

用戶根據(jù)實際負載情況，設(shè)置目標功率因數(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，計算出要達到目標功率因數(shù)所需投入或切除的無功容量并進行電容器的投切；當功率因數(shù)滿足條件時，計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。

6.2產(chǎn)品介紹6.2.1 AZC系列智能電力電容補償裝置由智能測控單元、投切開關(guān)、線路保護單元、低壓電力電容器等構(gòu)成，改變了傳統(tǒng)無功補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)量的新一代無功補償設(shè)備。

6.2.2 AZCL系列智能集成式諧波抵制電力電容補償裝置是應(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。

6.2.3 技術(shù)參數(shù)

①環(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

周圍壞境無導電塵埃及腐蝕性氣體，無易燃易爆的介質(zhì)

②電源條件

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）

③安全要求

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。

④保護誤差

電壓：≤0.5%

電流：≤1.0%

溫度：±1℃

時間：±0.01s

⑤無功補償參數(shù)

無功補償誤差：≤電容器容量的75%

電容器投切時隔：>10s

無功容量：單臺≤（20+20）kvar

⑥可靠性參數(shù)

控制準確率：*

電容器容量運行時間衰減率：≤1%/年

電容器容量投切衰減率：≤0.1%/萬次

年故障率：0.1%

6.2.4 優(yōu)勢

AZC/AZCL系列智能電容器本體采用品牌特制干式自愈式電容器，無泄漏、整體阻燃防暴、綠色環(huán)保、年衰減率小。產(chǎn)品標準化、模塊化，取代了傳統(tǒng)的空氣開關(guān)、交流接觸器、可控硅、熱繼電器、電容器，將其功能合為一個整體，發(fā)熱量小，組屏安裝的時候采用積木堆積方式，電容器損壞時只需單體簡單快速更換。產(chǎn)品體積小、接線簡單，隨著用電用戶電力負荷的增加，可以隨時增加電容器的數(shù)量，改變了常規(guī)模式因接線復雜，一成不變的局限性，適應(yīng)企業(yè)發(fā)展的需要，可以分期投資。

保障系統(tǒng)電壓穩(wěn)定合格，提高功率因數(shù)，對投入電容器進行預(yù)測，若投入電容器過補，則不投入，避免無功超額而罰款；控制可靠性*，提高配變有功出力，減少增容投資降損節(jié)能。