基于低功耗复合投切开关的智能电容补偿方法设计

　　摘 要：本文介绍一种采用双过零投切的复合开关技术，多机并联协调控制策略的智能电容补偿装置，从而实现低成本、高可靠性低压无功补偿，降低线路损耗。实验波形也证实了该技术的准确性和实用性。

　　关键词：无功补偿；复合开关；过零投切；节能

　　1、引言

　　在配电系统中，低压电容器是一种应用非常广泛的无功补偿设备，其安全可靠运行对配电系统的正常供电 起着关键作用。

　　目前无功补偿装置种类繁多。传统的低压补偿装置通常采用交流接触器作为投切开关，电容器投入时会产 生涌流，触头易粘结且不易拉开。之后，出现了晶闸管开关，它具有电压过零导通、电流过零关断能力，能限制合闸涌流，但导通时会出现导通压降，产生较大损耗和发热现象。为解决此问题，又岀现了复合开关，它由晶闸管、交流接触器并联组成，具有两种开关的优势，但正常运行时交流接触器的线圈需一直通电，增加了线路损耗。而新的复合投切开关则采用磁保持继电器来代替交流接触器与晶闸管并联，其通过CPU控制器在电压零点投入实现电容器无涌流并入配电网，在电流零点断开实现无电弧断开电容器。这样能够增强复合开关的使用使命。智能电容补偿装置是以若干台Y型或三角型联结的低压电容器为主体，釆用微电子技术、数字通信技术、传感器技术、电力电子技术等技术成果，将其集成、智能化，通过对其运行参数的实时监测实现了故障自诊断功能，采用低功耗磁保持继电器实现复合投切，多台电容器通过并联方式按控制要求投切，实现无功自动补偿，并具备了三相欠压、过压、过流、缺相等保护。能很好地适应现代低压配电网对无功补偿的需求。

　　2、硬件结构

　　智能电容补偿装置的硬件主要由检测电路、电源模块、CPU控制器、电容器本体及外围电气设备组成，硬 件结构框图如图1所示。智能电容补偿装置采用飞思卡尔K60作为主处理器，通过A/D采样三相电压、电流，并实时计算相关电气量，根据相应的控制策略控制投切开关，实现对低压配电网的无功补偿。

　　2.1 CPU控制器

　　CPU控制器是智能电容补偿装置的控制“大脑”，其主控芯片采用飞思卡尔的芯片K60。工作频率达到150MHz。整个处理器集信号调理、电网频率跟踪、数据采集、算法处理、数据存储为一体，可及时计算出无功功率、功率因数、电容值等参数，并将参数存入参数寄存器，实现运行参数的实时测量和数字化。智能电容补偿装置控制结构框图如图2所示。

　　2.2复合投切开关设计

　　低功耗复合投切开关是智能电容补偿装置的重要组成部件，由晶闸管、磁保持继电器、RC吸收电路以及光隔电路组成。低功耗复合开关通过CPU控制器在电压零点投入实现电容器无涌流并入配电网，在电流零点断开实现无电弧断开电容器。在投入时，先投入晶闸管，再投入磁保持继电器；断开时，先断开磁保持继电器，再关断晶闸管。开关在投切过程中，晶闸管导通工作，投切完成后由磁保持继电器维持通断状态。复合开关结构框图如图3所示。

　　在电容器投切过程中，复合开关的动作顺序如下：

　　1) 投入过程：先导通晶闸管，再导通磁保持继电器，再关断晶闸管。这样能够保证电容器无涌流投入，同时在电容器接入电网运行时复合开关的功耗较低。

　　断开过程: 先导通晶闸管，再切开磁保持继电器，关断晶闸管。这样能够保证电容器在电流为零时从电网中断开实现灭弧功能，增强复合开关的使用使命。

　　3、软件设计

　　3.1控制策略 

　　用户根据实际负载情况，设置目标功率因数和允许的无功功率占有功功率的比例值。以功率因数为首要目标，计算出要达到目标功率因数所需投入或切除的无功容量并进行电容器的投切，当功率因数满足条件时，计算无功功率是否满足条件，如果不满足条件，根据所需投入或切除的无功容量继续进行电容器的投切，克服了满足功率因数条件但无功功率仍很大的弊端。由于两者都是以无功功率为控制量，因此避免了“投切震荡“情况的发生。

　　控制策略图如图4所示，U上、U下表示电压上限、下限；U上1=U上—U死区，U下1=U下-U死区，死区值是防止投切震荡值，2区和5区是防震荡区域。投切控制如下：

　　0区：不需要补偿；

　　1区：此时不考虑无功功率Q的大小，将电容器按照容量从小到大的顺序逐个切除，直到全部切除为止；

　　2区：投切震荡区，只切不投，考虑容性无功功率Q, 若计算所需切除的电容器容量大于投入的电容器容量，则将电容器切除，否则电容器不动作；

　　3区：投入相应容量的电容器；

　　4区：切除相应容量的电容器；

　　5区：只投不切，考虑感性无功功率Q ，若计算所需投入的电容容量大于未投入的电容器容量，则将电容 器投入，否则电容器不动作；

　　6区：此时不考虑无功功率Q的大小，将电容器按照容量从小到大的顺序逐个投入，直到全部投入为止。

　　装置记录记录电容器的投切次数和投切时间。在投切过程中，不同容量的按值投切；同容量的投切次数小 的先投，投切次数大的先切；同等投切次数下，投切时间小的先投，以保证电容的寿命和利用率达到较大。

　　3.2主从切换

　　多个智能电容补偿装置级联，装置具备自动分配主机和从机功能。原则上，每个装备分配不同的设备号， 每个设备号具有不同的优先级，默认设备号小的装置优先级较高，通过发送广播报文的时间间隔来确定主从，具体实现流程如图5所示。

　　主机实时向各从机发送查询命令，从机向主机返回各从机的工作方式（三相共补或分补）、电容器的容量、 投切状态、投切时间等信息。

　　3.3软件设计流程 

　　软件设计主要包括两部分，一是内部的数据处理、 控制策略、保护功能、数据存储等，二是外部数据接口，包括通信、按键、显示等功能。软件设计流程如图6所示。

　　4、实验结果分析

　　搭建无功补偿实验平台，用20kW+12kVar RLC负载箱模拟负荷，改变负荷无功和功率因数，选择10kVar分补电容和（10+10）kVar共补电容组成级联装置，实验平台如图7所示。

 　　采用接触器作为投切开关时，电容器投入电网产生了较大的涌流，达到电流峰值5倍以上，波形如图8所 示。采用文中低功耗复合开关作为投切开关时，电容器投入电网产生的涌流较小，是电流峰值的1.5倍，波形如图9所示。图10所示的是采用复合开关电容器从电网中切除的电流波形，没有拉弧现象。

　　4.1级联装置投切试验

　　设置负荷有功为5kW,无功为12kVar,功率因数偏低条件下。实验结果如表1所示。调整模拟负荷参数， 在功率因数正常条件下，实验结果如表2所示。

　　4.2小结

　　实验选取了两个比较典型的电容器投切实验，充分验证了控制算法的正确性，能够实现电容器的准确投切。 结果表明智能电容补偿装置可以使电网减少对系统提供无功功率，从而降低线路的传输电流，实现降低线损。

　　5、结束语

　　本文设计以低功耗复合开关为核心的智能电容补偿装置，以K60为控制主芯片实现电压、电流等参数的计 算。在传统的九区图控制策略基础上，设置电压投切震荡死区值，解决因投切震荡导致的电容器频繁投切问题。 多台装置组网运行时，装置具备自动主从分配功能，省去了传统的控制器设备，具有成本低、应用灵活，且能实现电容器快速、准确投切的优点。实验结果表明，设备的投运可以达到降低线路损耗的目的。

　　6、安科瑞智能电容器介绍

　　6.1 电容投切原理

　　用户根据实际负载情况，设置目标功率因数和允许的无功功率占有功功率的比例值。以功率因数为首要目标，计算出要达到目标功率因数所需投入或切除的无功容量并进行电容器的投切；当功率因数满足条件时，计算无功功率是否满足条件，如果不满足条件，根据所需投入或切除的无功容量继续进行电容器的投切，克服了满足功率因数条件但无功功率仍很大的弊端。由于两者都是以无功功率为控制量，因此避免了“投切震荡”情况的发生。

　　6.2产品介绍

　　6.2.1 AZC系列智能电力电容补偿装置由智能测控单元、投切开关、线路保护单元、低压电力电容器等构成，改变了传统无功补偿装置体积庞大和笨重的结构模式，是用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。

 　　6.2.2 AZCL系列智能集成式谐波抵制电力电容补偿装置是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。其中串接7%电抗器的产品使用于主要谐波为5次、7次及以上的电气环境，串接14%电抗器的产品使用于主要谐波为3次及以上的电气环境。

　　6.2.3 技术参数

　　①环境条件

　　海拔高度：≤2000米

　　环境温度：-25～55℃

　　相对湿度：40℃，20～90%

　　大气压力：79.5～106.0Kpa

　　周围坏境无导电尘埃及腐蚀性气体，无易燃易爆的介质

　　②电源条件

　　额定电压：AC220V（AZC）或AC380V（AZC/AZCL）

　　允许偏差：±20%

　　电压波形：正弦波，总畸变率不大于5%

　　工频频率：48.5～51.5Hz

　　功率消耗：<0.5W（切除电容器时），<1W（投入电容器时）

　　③安全要求

　　满足《DL/T842-2003》低压并联电容器装置使用技术条件中对应条款要求。

　　④保护误差

　　电压：≤0.5%

　　电流：≤1.0%

　　温度：±1℃

　　时间：±0.01s

　　⑤无功补偿参数

　　无功补偿误差：≤电容器容量的75%

　　电容器投切时隔：>10s

　　无功容量：单台≤（20+20）kvar

　　⑥可靠性参数

　　控制准确率：100%

　　电容器容量运行时间衰减率：≤1%/年

　　电容器容量投切衰减率：≤0.1%/万次

　　年故障率：0.1%

　　6.2.4 优势

　　AZC/AZCL系列智能电容器本体采用品牌特制干式自愈式电容器，无泄漏、整体阻燃防暴、绿色环保、年衰减率小。产品标准化、模块化，取代了传统的空气开关、交流接触器、可控硅、热继电器、电容器，将其功能合为一个整体，发热量小，组屏安装的时候采用积木堆积方式，电容器损坏时只需单体简单快速更换。产品体积小、接线简单，随着用电用户电力负荷的增加，可以随时增加电容器的数量，改变了常规模式因接线复杂，一成不变的局限性，适应企业发展的需要，可以分期投资。

　　保障系统电压稳定合格，提高功率因数，对投入电容器进行预测，若投入电容器过补，则不投入，避免无功超额而罚款；控制可靠性100%，提高配变有功出力，减少增容投资降损节能。

　　【参考文献】

　　[1] 陈元招.零投切开关的智能低压电力电容器设计[J].低压电器,2010,(10):16-20

　　[2] 周强，陈琛，欧传刚，杨涛.一种基于低功耗复合投切开关的智能电容补偿方法[J].《自动化技术与应用》2017年第36卷第6期

　　[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版

　　[4] 安科瑞电能质量监测与治理选型手册.2019.11版

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