基于低功耗復(fù)合投切開(kāi)關(guān)的智能電容補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)

摘 要：本文介紹一種采用雙過(guò)零投切的復(fù)合開(kāi)關(guān)技術(shù)，多機(jī)并聯(lián)協(xié)調(diào)控制策略的智能電容補(bǔ)償裝置，從而實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性低壓無(wú)功補(bǔ)償，降低線(xiàn)路損耗。實(shí)驗(yàn)波形也證實(shí)了該技術(shù)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償；復(fù)合開(kāi)關(guān)；過(guò)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，其安全可靠運(yùn)行對(duì)配電系統(tǒng)的正常供電 起著關(guān)鍵作用。

目前無(wú)功補(bǔ)償裝置種類(lèi)繁多。傳統(tǒng)的低壓補(bǔ)償裝置通常采用交流接觸器作為投切開(kāi)關(guān)，電容器投入時(shí)會(huì)產(chǎn) 生涌流，觸頭易粘結(jié)且不易拉開(kāi)。之后，出現(xiàn)了晶閘管開(kāi)關(guān)，它具有電壓過(guò)零導(dǎo)通、電流過(guò)零關(guān)斷能力，能限制合閘涌流，但導(dǎo)通時(shí)會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)通壓降，產(chǎn)生較大損耗和發(fā)熱現(xiàn)象。為解決此問(wèn)題，又岀現(xiàn)了復(fù)合開(kāi)關(guān)，它由晶閘管、交流接觸器并聯(lián)組成，具有兩種開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)，但正常運(yùn)行時(shí)交流接觸器的線(xiàn)圈需一直通電，增加了線(xiàn)路損耗。而新的復(fù)合投切開(kāi)關(guān)則采用磁保持繼電器來(lái)代替交流接觸器與晶閘管并聯(lián)，其通過(guò)CPU控制器在電壓零點(diǎn)投入實(shí)現(xiàn)電容器無(wú)涌流并入配電網(wǎng)，在電流零點(diǎn)斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)無(wú)電弧斷開(kāi)電容器。這樣能夠增強(qiáng)復(fù)合開(kāi)關(guān)的使用使命。智能電容補(bǔ)償裝置是以若干臺(tái)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(guò)對(duì)其運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了故障自診斷功能，采用低功耗磁保持繼電器實(shí)現(xiàn)復(fù)合投切，多臺(tái)電容器通過(guò)并聯(lián)方式按控制要求投切，實(shí)現(xiàn)無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償，并具備了三相欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、缺相等保護(hù)。能很好地適應(yīng)現(xiàn)代低壓配電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枨蟆?/span>

2、硬件結(jié)構(gòu)

智能電容補(bǔ)償裝置的硬件主要由檢測(cè)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(bǔ)償裝置采用飛思卡爾K60作為主處理器，通過(guò)A/D采樣三相電壓、電流，并實(shí)時(shí)計(jì)算相關(guān)電氣量，根據(jù)相應(yīng)的控制策略控制投切開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償。

2.1 CPU控制器

CPU控制器是智能電容補(bǔ)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(dá)到150MHz。整個(gè)處理器集信號(hào)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(chǔ)為一體，可及時(shí)計(jì)算出無(wú)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(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和數(shù)字化。智能電容補(bǔ)償裝置控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2復(fù)合投切開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

低功耗復(fù)合投切開(kāi)關(guān)是智能電容補(bǔ)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(fù)合開(kāi)關(guān)通過(guò)CPU控制器在電壓零點(diǎn)投入實(shí)現(xiàn)電容器無(wú)涌流并入配電網(wǎng)，在電流零點(diǎn)斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)無(wú)電弧斷開(kāi)電容器。在投入時(shí)，先投入晶閘管，再投入磁保持繼電器；斷開(kāi)時(shí)，先斷開(kāi)磁保持繼電器，再關(guān)斷晶閘管。開(kāi)關(guān)在投切過(guò)程中，晶閘管導(dǎo)通工作，投切完成后由磁保持繼電器維持通斷狀態(tài)。復(fù)合開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

在電容器投切過(guò)程中，復(fù)合開(kāi)關(guān)的動(dòng)作順序如下：

1)投入過(guò)程：先導(dǎo)通晶閘管，再導(dǎo)通磁保持繼電器，再關(guān)斷晶閘管。這樣能夠保證電容器無(wú)涌流投入，同時(shí)在電容器接入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)復(fù)合開(kāi)關(guān)的功耗較低。

2)斷開(kāi)過(guò)程: 先導(dǎo)通晶閘管，再切開(kāi)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(shí)從電網(wǎng)中斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)滅弧功能，增強(qiáng)復(fù)合開(kāi)關(guān)的使用使命。

3、軟件設(shè)計(jì)

3.1控制策略

用戶(hù)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(wú)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(wú)功容量并進(jìn)行電容器的投切，當(dāng)功率因數(shù)滿(mǎn)足條件時(shí)，計(jì)算無(wú)功功率是否滿(mǎn)足條件，如果不滿(mǎn)足條件，根據(jù)所需投入或切除的無(wú)功容量繼續(xù)進(jìn)行電容器的投切，克服了滿(mǎn)足功率因數(shù)條件但無(wú)功功率仍很大的弊端。由于兩者都是以無(wú)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(bǔ)償；

1區(qū)：此時(shí)不考慮無(wú)功功率Q的大小，將電容器按照容量從小到大的順序逐個(gè)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(wú)功功率Q, 若計(jì)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(dòng)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(wú)功功率Q ，若計(jì)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(dòng)作；

6區(qū)：此時(shí)不考慮無(wú)功功率Q的大小，將電容器按照容量從小到大的順序逐個(gè)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(shí)間。在投切過(guò)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(shí)間小的先投，以保證電容的壽命和利用率達(dá)到較大。

3.2主從切換

多個(gè)智能電容補(bǔ)償裝置級(jí)聯(lián)，裝置具備自動(dòng)分配主機(jī)和從機(jī)功能。原則上，每個(gè)裝備分配不同的設(shè)備號(hào)， 每個(gè)設(shè)備號(hào)具有不同的優(yōu)先級(jí)，默認(rèn)設(shè)備號(hào)小的裝置優(yōu)先級(jí)較高，通過(guò)發(fā)送廣播報(bào)文的時(shí)間間隔來(lái)確定主從，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

主機(jī)實(shí)時(shí)向各從機(jī)發(fā)送查詢(xún)命令，從機(jī)向主機(jī)返回各從機(jī)的工作方式（三相共補(bǔ)或分補(bǔ)）、電容器的容量、 投切狀態(tài)、投切時(shí)間等信息。

3.3軟件設(shè)計(jì)流程

軟件設(shè)計(jì)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(hù)功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)流程如圖6所示。

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

搭建無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用20kW+12kVar RLC負(fù)載箱模擬負(fù)荷，改變負(fù)荷無(wú)功和功率因數(shù)，選擇10kVar分補(bǔ)電容和（10+10）kVar共補(bǔ)電容組成級(jí)聯(lián)裝置，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

采用接觸器作為投切開(kāi)關(guān)時(shí)，電容器投入電網(wǎng)產(chǎn)生了較大的涌流，達(dá)到電流峰值5倍以上，波形如圖8所 示。采用文中低功耗復(fù)合開(kāi)關(guān)作為投切開(kāi)關(guān)時(shí)，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(fù)合開(kāi)關(guān)電容器從電網(wǎng)中切除的電流波形，沒(méi)有拉弧現(xiàn)象。

4.1級(jí)聯(lián)裝置投切試驗(yàn)

設(shè)置負(fù)荷有功為5kW,無(wú)功為12kVar,功率因數(shù)偏低條件下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。調(diào)整模擬負(fù)荷參數(shù)， 在功率因數(shù)正常條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

4.2小結(jié)

實(shí)驗(yàn)選取了兩個(gè)比較典型的電容器投切實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證了控制算法的正確性，能夠?qū)崿F(xiàn)電容器的準(zhǔn)確投切。 結(jié)果表明智能電容補(bǔ)償裝置可以使電網(wǎng)減少對(duì)系統(tǒng)提供無(wú)功功率，從而降低線(xiàn)路的傳輸電流，實(shí)現(xiàn)降低線(xiàn)損。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)以低功耗復(fù)合開(kāi)關(guān)為核心的智能電容補(bǔ)償裝置，以K60為控制主芯片實(shí)現(xiàn)電壓、電流等參數(shù)的計(jì) 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(dǎo)致的電容器頻繁投切問(wèn)題。 多臺(tái)裝置組網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，裝置具備自動(dòng)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(shí)現(xiàn)電容器快速、準(zhǔn)確投切的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備的投運(yùn)可以達(dá)到降低線(xiàn)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(hù)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(wú)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(wú)功容量并進(jìn)行電容器的投切；當(dāng)功率因數(shù)滿(mǎn)足條件時(shí)，計(jì)算無(wú)功功率是否滿(mǎn)足條件，如果不滿(mǎn)足條件，根據(jù)所需投入或切除的無(wú)功容量繼續(xù)進(jìn)行電容器的投切，克服了滿(mǎn)足功率因數(shù)條件但無(wú)功功率仍很大的弊端。由于兩者都是以無(wú)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(bǔ)償裝置由智能測(cè)控單元、投切開(kāi)關(guān)、線(xiàn)路保護(hù)單元、低壓電力電容器等構(gòu)成，改變了傳統(tǒng)無(wú)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(xiàn)損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。

6.2.2 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(xiàn)損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無(wú)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。

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(duì)濕度：40℃，20～90%

大氣壓力：79.5～106.0Kpa

周?chē)鷫木碂o(wú)導(dǎo)電塵埃及腐蝕性氣體，無(wú)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(shí)），<1W（投入電容器時(shí)）

③安全要求

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

④保護(hù)誤差

電壓：≤0.5%

電流：≤1.0%

溫度：±1℃

時(shí)間：±0.01s

⑤無(wú)功補(bǔ)償參數(shù)

無(wú)功補(bǔ)償誤差：≤電容器容量的75%

電容器投切時(shí)隔：>10s

無(wú)功容量：?jiǎn)闻_(tái)≤（20+20）kvar

⑥可靠性參數(shù)

控制準(zhǔn)確率：*

電容器容量運(yùn)行時(shí)間衰減率：≤1%/年

電容器容量投切衰減率：≤0.1%/萬(wàn)次

年故障率：0.1%

6.2.4 優(yōu)勢(shì)

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(wú)泄漏、整體阻燃防暴、綠色環(huán)保、年衰減率小。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，取代了傳統(tǒng)的空氣開(kāi)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(gè)整體，發(fā)熱量小，組屏安裝的時(shí)候采用積木堆積方式，電容器損壞時(shí)只需單體簡(jiǎn)單快速更換。產(chǎn)品體積小、接線(xiàn)簡(jiǎn)單，隨著用電用戶(hù)電力負(fù)荷的增加，可以隨時(shí)增加電容器的數(shù)量，改變了常規(guī)模式因接線(xiàn)復(fù)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(duì)投入電容器進(jìn)行預(yù)測(cè)，若投入電容器過(guò)補(bǔ)，則不投入，避免無(wú)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。