摘 要：根據目前國內電力市場(chǎng)的發(fā)展和電容無(wú)功補償技術(shù)的水平，本文設計了基于智能電容器的無(wú)功補償系。分析了該系統的原理，闡述了無(wú)功補償的控制策略和電容器的投切方式。介紹了智能電容無(wú)功補償器的硬件模塊和軟件的設計，并進(jìn)行了實(shí)驗仿真。
關(guān)鍵詞：智能電容器；無(wú)功補償；系統
0、引言
當前的智能式電容器比較先進(jìn)，集現代測控、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議、自動(dòng)控制原理以及新型絕緣材料技術(shù)等為一體，具有補償效果好，小型化，功率消耗低，接線(xiàn)方便，適用場(chǎng)合廣泛且維護方便，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此具有良好的推廣應用前景。
1、智能電容無(wú)功補償器的原理及總體設計
1.1電容器無(wú)功補償原理
在實(shí)際電網(wǎng)中，絕大部分的等效負載為阻感性負載，因此可以將大部分電氣設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)電容器的補償電路圖如圖1所示。
1.2無(wú)功補償系統的總體設計
基于智能電容器的低壓無(wú)功補償系統是由電容器組、智能無(wú)功補償控制器以及液晶顯示屏構成，其總體結構圖如圖2所示。無(wú)功補償控制器能夠通過(guò)電流互感器、電壓互感器等計算出相關(guān)的電流、電壓、無(wú)功缺額、功率因數等電網(wǎng)參數，并根據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前智能電容器的狀態(tài)及各項電力系統參數。智能電容器各項模塊之間采用RS485通信協(xié)議。
圖2中，CG代表共補型電容器組，CF代表分補型電容器組。共補與分補電容器在無(wú)功補償裝置中，投切開(kāi)關(guān)的組合方式以及電容器的接線(xiàn)方法不同。共補型電容器組接線(xiàn)方式為三角形接線(xiàn)，與星形接線(xiàn)方式相比，在同等條件下，三角形接線(xiàn)方式所能補償的無(wú)功是星形的3倍，并且三角形接線(xiàn)還有一個(gè)明顯的優(yōu)勢就是3次及3的整數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(xiàn)只能進(jìn)行三相共同補償，不能進(jìn)行分相補償。因此如果出現三相負載不平衡的情況，將不能使用共補型電容器進(jìn)行補償。分補型電容器接線(xiàn)方式為星形接線(xiàn)，星形接線(xiàn)能夠進(jìn)行單相補償，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。而且當某一相的電容器發(fā)生短路后，其他兩相所承受的電壓會(huì )升高，進(jìn)而發(fā)生更嚴重的危害。
2、無(wú)功補償控制策略與電容器投切方式
2.1無(wú)功補償控制策略
傳統的無(wú)功補償控制策略有無(wú)功功率控制、功率因數控制、電壓控制、電壓無(wú)功控制、電壓功率控制、電壓時(shí)間控制等，本文采用的是電壓無(wú)功控制策略。電壓無(wú)功控制方法又稱(chēng)之為九區圖法，即在含有變壓器的情況下，將平面按電壓和無(wú)功功率的上下限劃分為九個(gè)區域，不同的區域代表不同的含義，通過(guò)投切電容器進(jìn)行無(wú)功補償的控制。在配有載調壓變壓器的條件下，通過(guò)調節變壓器分接頭和投切電容器可以改變電網(wǎng)電壓和無(wú)功補償容量Qc，進(jìn)而改變母線(xiàn)電壓U和從電力系統吸收的無(wú)功功率Q。
2.2電容器過(guò)零投切
本文設計的智能電容器所需的投切開(kāi)關(guān)為復合開(kāi)關(guān)，復合開(kāi)關(guān)將磁保持繼電器和晶閘管復合并聯(lián)在一起， 兼兩者之長(cháng)。復合開(kāi)關(guān)的工作原理：線(xiàn)路導通時(shí)，驅動(dòng)電路發(fā)出信號使晶閘管導通，再控制繼電器導通， 當磁保持繼電器導通后，電網(wǎng)電流轉移到繼電器上，此時(shí)驅動(dòng)電路發(fā)出信號使得晶閘管斷開(kāi)，系統正常工作；線(xiàn)路斷開(kāi)時(shí)，驅動(dòng)電路先發(fā)出信號使晶閘管導通，此時(shí)繼電器仍處于導通狀態(tài)，再控制繼電器斷開(kāi)，然后驅動(dòng)電路發(fā)出信號，使得晶閘管在電流過(guò)零處斷開(kāi)。復合開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)有：無(wú)涌流，無(wú)電弧；能夠實(shí)現電壓過(guò)零處投入，電流過(guò)零處切除；功率損耗低。
現在很多電力電子儀器都對電壓要求很高，無(wú)功補償的趨勢就是過(guò)零投切。過(guò)零投切實(shí)際上就是電壓過(guò)零時(shí)投入，電流過(guò)零時(shí)切除。過(guò)零投切的原理：電容器的電壓不能突變，如果不是在電壓過(guò)零點(diǎn)處投入，那么電容器的電壓和系統中本身的電壓疊加，會(huì )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備的沖擊次數。
3、智能電容無(wú)功補償器的硬件模塊設計
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、磁保持驅動(dòng)電路、運放芯片、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(gè)系統的運行；電網(wǎng)參數采集模塊， 采集需要的電壓電流參數，輸送到DSP控制器內進(jìn)行計算；溫度采集模塊，通過(guò)檢測周?chē)沫h(huán)境溫度，實(shí)時(shí)監控是否滿(mǎn)足智能電容器的工作溫度；復合開(kāi)關(guān)驅動(dòng)模塊，DSP控制器檢測到電網(wǎng)需要進(jìn)行無(wú)功補償時(shí)，復合開(kāi)關(guān)驅動(dòng)模塊發(fā)送驅動(dòng)信號，控制電容器的投切；按鍵與液晶顯示模塊，即人機操作界面，可以通過(guò)按鍵與液晶顯示屏操作與觀(guān)察當期智能電容器的運行狀態(tài)；通信模塊，采用RS485通信協(xié)議，負責智能電容器各模塊之間的通信。
3.2電網(wǎng)參數采集模塊
本文采用的TMS320F2812芯片自帶16路12位的A/D轉換器，可以對電壓電流信號進(jìn)行數據采集。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，并且ADC模塊比較敏感，當0V或3V的信號輸入到模塊端口時(shí)，可能會(huì )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(guò)采樣電阻和電壓抬升電路，使得電壓信號滿(mǎn)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(wú)功補償系統還需要進(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(wú)功補償裝置，更要注意其溫度的變化。當環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，電力電容器內部結構也會(huì )發(fā)生變化，可能會(huì )導致電容器的脹肚，甚至爆炸，影響儀器的使用壽命。本文設計了溫度檢測電路，能夠實(shí)時(shí)監測智能電容器的運行溫度。溫度檢測模塊選用LM35CH芯片，能夠監測實(shí)時(shí)電流。與用溫標校準的溫度傳感器相比，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，當環(huán)境溫度為0℃時(shí)，電壓為0V，每升高1℃，相對應的電壓升高,10mV。
4、智能電容無(wú)功補償器的軟件設計及實(shí)驗仿真
4.1智能電容器的軟件程序設計
當需要投切電容器時(shí)，通過(guò)FFT算法，計算出電網(wǎng)諧波的含有率。當其含有率大于5%時(shí)，不能進(jìn)行電容器的投切，小于5%時(shí)，根據本文的綜合控制策略，判斷電壓和無(wú)功是否超越限制范圍，進(jìn)而執行不同的電容器投切指令，實(shí)現電容器的逐級投切。開(kāi)關(guān)控制子程序是控制智能電容器的復合開(kāi)關(guān)閉合關(guān)斷時(shí)序，通過(guò)DSP芯片在不同時(shí)序發(fā)出觸發(fā)脈沖，控制晶閘管和繼電器的導通關(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。當有電容器的投入指令時(shí)，觸發(fā)晶閘管導通，設置晶閘管的延時(shí)時(shí)間，DSP觸發(fā)繼電器導通，切除電容器時(shí)，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)驗仿真
電壓電流波形圖如圖3所示。由圖3可以看出，經(jīng)過(guò)電容器的補償后，電壓和電流的相位差基本為零，即功率因數接近1，說(shuō)明無(wú)功補償仿真達到預期的效果。
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(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。
5.2產(chǎn)品介紹
5.2.1 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。
訂貨范例：
具體型號：AZC-SP1/450-10+10
技術(shù)要求：共補
通訊協(xié)議：無(wú)
輔助電源：無(wú)
5.2.2 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。
訂貨范例：
具體型號：AZCL-SP1/480-50-P7
技術(shù)要求：共補，7%電抗率，銅芯
通訊協(xié)議：無(wú)
輔助電源：無(wú)
5.3 技術(shù)參數
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?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)
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)條件中對應條款要求。
④保護誤差
電壓：≤0.5%
電流：≤1.0%
溫度：±1℃
時(shí)間：±0.01s
⑤無(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
⑥可靠性參數
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、結語(yǔ)
本文從無(wú)功補償系統總體設計和智能電容器結構兩方面入手，在對電容器補償原理、電容器補償方式、接線(xiàn)方法進(jìn)行分析研究的基礎上，設計出無(wú)功補償系統總體結構和智能電容器的模塊框圖，采用共補為主，分補為次，兩者結合的方式進(jìn)行無(wú)功補償，不僅無(wú)功補償范圍更大，還可以在三相不平衡的情況下進(jìn)行分相補償。
【參考文獻】
上一篇 : 基于智能電容器的無(wú)功補償裝置節能效果研究與分析
下一篇 : 淺談低壓智能電力電容器的功能及運用
