基于低功耗復合投切開關的智能電容補償方法設計

　　摘 要：本文介紹一種采用雙過零投切的復合開關技術，多機并聯協調控制策略的智能電容補償裝置，從而實現低成本、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的準確性和實用性。

　　關鍵詞：無功補償;復合開關;過零投切;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功補償設備，其安全可靠運行對配電系統的正常供電 起著關鍵作用。

　　目前無功補償裝置種類繁多。傳統的低壓補償裝置通常采用交流接觸器作為投切開關，電容器投入時會產 生涌流，觸頭易粘結且不易拉開。之后，出現了晶閘管開關，它具有電壓過零導通、電流過零關斷能力，能限制合閘涌流，但導通時會出現導通壓降，產生較大損耗和發熱現象。為解決此問題，又岀現了復合開關，它由晶閘管、交流接觸器并聯組成，具有兩種開關的優勢，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則采用磁保持繼電器來代替交流接觸器與晶閘管并聯，其通過CPU控制器在電壓零點投入實現電容器無涌流并入配電網，在電流零點斷開實現無電弧斷開電容器。這樣能夠增強復合開關的使用使命。智能電容補償裝置是以若干臺Y型或三角型聯結的低壓電容器為主體，釆用微電子技術、數字通信技術、傳感器技術、電力電子技術等技術成果，將其集成、智能化，通過對其運行參數的實時監測實現了故障自診斷功能，采用低功耗磁保持繼電器實現復合投切，多臺電容器通過并聯方式按控制要求投切，實現無功自動補償，并具備了三相欠壓、過壓、過流、缺相等保護。能很好地適應現代低壓配電網對無功補償的需求。

　　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A/D采樣三相電壓、電流，并實時計算相關電氣量，根據相應的控制策略控制投切開關，實現對低壓配電網的無功補償。

　　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理、電網頻率跟蹤、數據采集、算法處理、數據存儲為一體，可及時計算出無功功率、功率因數、電容值等參數，并將參數存入參數寄存器，實現運行參數的實時測量和數字化。智能電容補償裝置控制結構框圖如圖1、2所示。

　　2.2復合投切開關設計

　　低功耗復合投切開關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。低功耗復合開關通過CPU控制器在電壓零點投入實現電容器無涌流并入配電網，在電流零點斷開實現無電弧斷開電容器。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，再關斷晶閘管。開關在投切過程中，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。復合開關結構框圖如圖3所示。

　　在電容器投切過程中，復合開關的動作順序如下：

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

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

　　3、軟件設計

　　3.1控制策略

　　用戶根據實際負載情況，設置目標功率因數和允許的無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功容量并進行電容器的投切，當功率因數滿足條件時，計算無功功率是否滿足條件，如果不滿足條件，根據所需投入或切除的無功容量繼續進行電容器的投切，克服了滿足功率因數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：投切震蕩區，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：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：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;同容量的投切次數小 的先投，投切次數大的先切;同等投切次數下，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，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備號， 每個設備號具有不同的優先級，默認設備號小的裝置優先級較高，通過發送廣播報文的時間間隔來確定主從，具體實現流程如圖5所示。

　　主機實時向各從機發送查詢命令，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、投切時間等信息。

　　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、實驗結果分析

　　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，選擇10kVar分補電容和(10+10)kVar共補電容組成級聯裝置，實驗平臺如圖7所示。

　　采用接觸器作為投切開關時，電容器投入電網產生了較大的涌流，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作為投切開關時，電容器投入電網產生的涌流較小，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電容器從電網中切除的電流波形，沒有拉弧現象。

　　4.1級聯裝置投切試驗

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

　　4.2小結

　　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，能夠實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減少對系統提供無功功率，從而降低線路的傳輸電流，實現降低線損。

　　5、結束語

　　本文設計以低功耗復合開關為核心的智能電容補償裝置，以K60為控制主芯片實現電壓、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題。 多臺裝置組網運行時，裝置具備自動主從分配功能，省去了傳統的控制器設備，具有成本低、應用靈活，且能實現電容器快速、準確投切的優點。實驗結果表明，設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

　　用戶根據實際負載情況，設置目標功率因數和允許的無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功容量并進行電容器的投切;當功率因數滿足條件時，計算無功功率是否滿足條件，如果不滿足條件，根據所需投入或切除的無功容量繼續進行電容器的投切，克服了滿足功率因數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”情況的發生。

　　6.2產品介紹

　　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、線路保護單元、低壓電力電容器等構成，改變了傳統無功補償裝置體積龐大和笨重的結構模式，是用于節省能源、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。

　　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、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。其中串接7%電抗器的產品使用于主要諧波為5次、7次及以上的電氣環境，串接14%電抗器的產品使用于主要諧波為3次及以上的電氣環境。

　　6.2.3 技術參數

　　①環境條件

　　海拔高度：≤2000米

　　環境溫度：-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

　　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》低壓并聯電容器裝置使用技術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℃

　　時間：±0.01s

　　⑤無功補償參數

　　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

　　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、綠色環保、年衰減率小。產品標準化、模塊化，取代了傳統的空氣開關、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量，改變了常規模式因接線復雜，一成不變的局限性，適應企業發展的需要，可以分期投資。

　　保障系統電壓穩定合格，提高功率因數，對投入電容器進行預測，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能。

　　【參考文獻】

　　陳元招.零投切開關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關的智能電容補償方法[J].《自動化技術與應用》2017年第36卷第6期

　　安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版

　　安科瑞電能質量監測與治理選型手冊.2019.11版