基于低功耗復合投切開(kāi)關(guān)的智能電容補償方法設計

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

　　關(guān)鍵詞：無(wú)功補償;復合開(kāi)關(guān);過(guò)零投切;節能

　　1、引言

　　在配電系統中，低壓電容器是一種應用非常廣泛的無(wú)功補償設備，其安全可靠運行對配電系統的正常供電 起著(zhù)關(guān)鍵作用。

　　目前無(wú)功補償裝置種類(lèi)繁多。傳統的低壓補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，觸頭易粘結且不易拉開(kāi)。之后，出現了晶閘管開(kāi)關(guān)，它具有電壓過(guò)零導通、電流過(guò)零關(guān)斷能力，能限制合閘涌流，但導通時(shí)會(huì )出現導通壓降，產(chǎn)生較大損耗和發(fā)熱現象。為解決此問(wèn)題，又岀現了復合開(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，但正常運行時(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)現無(wú)電弧斷開(kāi)電容器。這樣能夠增強復合開(kāi)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)結的低壓電容器為主體，釆用微電子技術(shù)、數字通信技術(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)對其運行參數的實(shí)時(shí)監測實(shí)現了故障自診斷功能，采用低功耗磁保持繼電器實(shí)現復合投切，多臺電容器通過(guò)并聯(lián)方式按控制要求投切，實(shí)現無(wú)功自動(dòng)補償，并具備了三相欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、缺相等保護。能很好地適應現代低壓配電網(wǎng)對無(wú)功補償的需求。

　　2、硬件結構

　　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備組成，硬 件結構框圖如圖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(guò)A/D采樣三相電壓、電流，并實(shí)時(shí)計算相關(guān)電氣量，根據相應的控制策略控制投切開(kāi)關(guān)，實(shí)現對低壓配電網(wǎng)的無(wú)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(gè)處理器集信號調理、電網(wǎng)頻率跟蹤、數據采集、算法處理、數據存儲為一體，可及時(shí)計算出無(wú)功功率、功率因數、電容值等參數，并將參數存入參數寄存器，實(shí)現運行參數的實(shí)時(shí)測量和數字化。智能電容補償裝置控制結構框圖如圖1、2所示。

　　2.2復合投切開(kāi)關(guān)設計

　　低功耗復合投切開(kāi)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(kāi)關(guān)通過(guò)CPU控制器在電壓零點(diǎn)投入實(shí)現電容器無(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(kāi)關(guān)結構框圖如圖3所示。

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

　　投入過(guò)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(wú)涌流投入，同時(shí)在電容器接入電網(wǎng)運行時(shí)復合開(kāi)關(guān)的功耗較低。

　　斷開(kāi)過(guò)程: 先導通晶閘管，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)現滅弧功能，增強復合開(kāi)關(guān)的使用使命。

　　3、軟件設計

　　3.1控制策略

　　用戶(hù)根據實(shí)際負載情況，設置目標功率因數和允許的無(wú)功功率占有功功率的比例值。以功率因數為首要目標，計算出要達到目標功率因數所需投入或切除的無(wú)功容量并進(jìn)行電容器的投切，當功率因數滿(mǎn)足條件時(shí)，計算無(wú)功功率是否滿(mǎn)足條件，如果不滿(mǎn)足條件，根據所需投入或切除的無(wú)功容量繼續進(jìn)行電容器的投切，克服了滿(mǎn)足功率因數條件但無(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，U下1=U下-U死區，死區值是防止投切震蕩值，2區和5區是防震蕩區域。投切控制如下：

　　0區：不需要補償;

　　1區：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：投切震蕩區，只切不投，考慮容性無(wú)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(dòng)作;

　　3區：投入相應容量的電容器;

　　4區：切除相應容量的電容器;

　　5區：只投不切，考慮感性無(wú)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(dòng)作;

　　6區：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;同容量的投切次數小 的先投，投切次數大的先切;同等投切次數下，投切時(shí)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(gè)智能電容補償裝置級聯(lián)，裝置具備自動(dòng)分配主機和從機功能。原則上，每個(gè)裝備分配不同的設備號， 每個(gè)設備號具有不同的優(yōu)先級，默認設備號小的裝置優(yōu)先級較高，通過(guò)發(fā)送廣播報文的時(shí)間間隔來(lái)確定主從，具體實(shí)現流程如圖5所示。

　　主機實(shí)時(shí)向各從機發(fā)送查詢(xún)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(shí)間等信息。

　　3.3軟件設計流程

　　軟件設計主要包括兩部分，一是內部的數據處理、 控制策略、保護功能、數據存儲等，二是外部數據接口，包括通信、按鍵、顯示等功能。軟件設計流程如圖6所示。

　　4、實(shí)驗結果分析

　　搭建無(wú)功補償實(shí)驗平臺，用20kW+12kVar RLC負載箱模擬負荷，改變負荷無(wú)功和功率因數，選擇10kVar分補電容和(10+10)kVar共補電容組成級聯(lián)裝置，實(shí)驗平臺如圖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(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)有拉弧現象。

　　4.1級聯(lián)裝置投切試驗

　　設置負荷有功為5kW,無(wú)功為12kVar,功率因數偏低條件下。實(shí)驗結果如表1所示。調整模擬負荷參數， 在功率因數正常條件下，實(shí)驗結果如表2所示。

　　4.2小結

　　實(shí)驗選取了兩個(gè)比較典型的電容器投切實(shí)驗，充分驗證了控制算法的正確性，能夠實(shí)現電容器的準確投切。 結果表明智能電容補償裝置可以使電網(wǎng)減少對系統提供無(wú)功功率，從而降低線(xiàn)路的傳輸電流，實(shí)現降低線(xiàn)損。

　　5、結束語(yǔ)

　　本文設計以低功耗復合開(kāi)關(guān)為核心的智能電容補償裝置，以K60為控制主芯片實(shí)現電壓、電流等參數的計 算。在傳統的九區圖控制策略基礎上，設置電壓投切震蕩死區值，解決因投切震蕩導致的電容器頻繁投切問(wèn)題。 多臺裝置組網(wǎng)運行時(shí)，裝置具備自動(dòng)主從分配功能，省去了傳統的控制器設備，具有成本低、應用靈活，且能實(shí)現電容器快速、準確投切的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗結果表明，設備的投運可以達到降低線(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)根據實(shí)際負載情況，設置目標功率因數和允許的無(wú)功功率占有功功率的比例值。以功率因數為首要目標，計算出要達到目標功率因數所需投入或切除的無(wú)功容量并進(jìn)行電容器的投切;當功率因數滿(mǎn)足條件時(shí)，計算無(wú)功功率是否滿(mǎn)足條件，如果不滿(mǎn)足條件，根據所需投入或切除的無(wú)功容量繼續進(jìn)行電容器的投切，克服了滿(mǎn)足功率因數條件但無(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償裝置由智能測控單元、投切開(kāi)關(guān)、線(xiàn)路保護單元、低壓電力電容器等構成，改變了傳統無(wú)功補償裝置體積龐大和笨重的結構模式，是用于節省能源、降低線(xiàn)損、提高功率因數和電能質(zhì)量的新一代無(wú)功補償設備。

　　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用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線(xiàn)損、提高功率因數和電能質(zhì)量的新一代無(wú)功補償設備。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

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

　?、郯踩?/p>

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

　?、鼙Ｗo誤差

　　電壓：≤0.5%

　　電流：≤1.0%

　　溫度：±1℃

　　時(shí)間：±0.01s

　?、轃o(wú)功補償參數

　　無(wú)功補償誤差：≤電容器容量的75%

　　電容器投切時(shí)隔：>10s

　　無(wú)功容量：?jiǎn)闻_≤(20+20)kvar

　?、蘅煽啃詤?/p>

　　控制準確率：*

　　電容器容量運行時(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

　　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)品標準化、模塊化，取代了傳統的空氣開(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(zhù)用電用戶(hù)電力負荷的增加，可以隨時(shí)增加電容器的數量，改變了常規模式因接線(xiàn)復雜，一成不變的局限性，適應企業(yè)發(fā)展的需要，可以分期投資。

　　保障系統電壓穩定合格，提高功率因數，對投入電容器進(jìn)行預測，若投入電容器過(guò)補，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能。

　　【參考文獻】

　　陳元招.零投切開(kāi)關(guān)的智能低壓電力電容器設計[J].低壓電器,2010,(10):16-20

　　周強，陳琛，歐傳剛，楊濤.一種基于低功耗復合投切開(kāi)關(guān)的智能電容補償方法[J].《自動(dòng)化技術(shù)與應用》2017年第36卷第6期

　　安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版

　　安科瑞電能質(zhì)量監測與治理選型手冊.2019.11版