摘 要：根據目前國內電力市場的發(fā)展和電容無功補償技術的水平，本文設計了基于智能電容器的無功補償系。分析了該系統(tǒng)的原理，闡述了無功補償?shù)目刂撇呗院碗娙萜鞯耐肚蟹绞?/span>。介紹了智能電容無功補償器的硬件模塊和軟件的設計，并進行了實驗仿真。

關鍵詞：智能電容器；無功補償；系統(tǒng)

0、引言

當前的智能式電容器比較先進，集現(xiàn)代測控、電力電子技術、網絡通信協(xié)議、自動控制原理以及新型絕緣材料技術等為一體，具有補償效果好，小型化，功率消耗低，接線方便，適用場合廣泛且維護方便，可靠性高等優(yōu)點，因此具有良好的推廣應用前景。

1、智能電容無功補償器的原理及總體設計

1.1電容器無功補償原理

在實際電網中，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無功補償系統(tǒng)的總體設計

基于智能電容器的低壓無功補償系統(tǒng)是由電容器組、智能無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。無功補償控制器能夠通過電流互感器、電壓互感器等計算出相關的電流、電壓、無功缺額、功率因數(shù)等電網參數(shù)，并根據得到的電氣量控制電容器進行投切的選擇；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(tǒng)參數(shù)。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功補償裝置中，投切開關的組合方式以及電容器的接線方法不同。共補型電容器組接線方式為三角形接線，與星形接線方式相比，在同等條件下，三角形接線方式所能補償?shù)臒o功是星形的3倍，并且三角形接線還有一個明顯的優(yōu)勢就是3次及3的整數(shù)倍次諧波在電容器回路中不能形成通路，進而使得電網不受該種諧波的污染。但是三角形接線只能進行三相共同補償，不能進行分相補償。因此如果出現(xiàn)三相負載不平衡的情況，將不能使用共補型電容器進行補償。分補型電容器接線方式為星形接線，星形接線能夠進行單相補償，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(shù)倍次諧波，所以容易產生諧振，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升高，進而發(fā)生更嚴重的危害。

2、無功補償控制策略與電容器投切方式

2.1無功補償控制策略

傳統(tǒng)的無功補償控制策略有無功功率控制、功率因數(shù)控制、電壓控制、電壓無功控制、電壓功率控制、電壓時間控制等，本文采用的是電壓無功控制策略。電壓無功控制方法又稱之為九區(qū)圖法，即在含有變壓器的情況下，將平面按電壓和無功功率的上下限劃分為九個區(qū)域，不同的區(qū)域代表不同的含義，通過投切電容器進行無功補償?shù)目刂?/span>。在配有載調壓變壓器的條件下，通過調節(jié)變壓器分接頭和投切電容器可以改變電網電壓和無功補償容量Qc，進而改變母線電壓U和從電力系統(tǒng)吸收的無功功率Q。

2.2電容器過零投切

本文設計的智能電容器所需的投切開關為復合開關，復合開關將磁保持繼電器和晶閘管復合并聯(lián)在一起， 兼兩者之長。復合開關的工作原理：線路導通時，驅動電路發(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，電網電流轉移到繼電器上，此時驅動電路發(fā)出信號使得晶閘管斷開，系統(tǒng)正常工作；線路斷開時，驅動電路先發(fā)出信號使晶閘管導通，此時繼電器仍處于導通狀態(tài)，再控制繼電器斷開，然后驅動電路發(fā)出信號，使得晶閘管在電流過零處斷開。復合開關的優(yōu)點有：無涌流，無電弧；能夠實現(xiàn)電壓過零處投入，電流過零處切除；功率損耗低。

現(xiàn)在很多電力電子儀器都對電壓要求很高，無功補償?shù)内厔菥褪沁^零投切。過零投切實際上就是電壓過零時投入，電流過零時切除。過零投切的原理：電容器的電壓不能突變，如果不是在電壓過零點處投入，那么電容器的電壓和系統(tǒng)中本身的電壓疊加，會產生幅值大、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(shù)。

3、智能電容無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，控制整個系統(tǒng)的運行；電網參數(shù)采集模塊， 采集需要的電壓電流參數(shù)，輸送到DSP控制器內進行計算；溫度采集模塊，通過檢測周圍的環(huán)境溫度，實時監(jiān)控是否滿足智能電容器的工作溫度；復合開關驅動模塊，DSP控制器檢測到電網需要進行無功補償時，復合開關驅動模塊發(fā)送驅動信號，控制電容器的投切；按鍵與液晶顯示模塊，即人機操作界面，可以通過按鍵與液晶顯示屏操作與觀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電網參數(shù)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行數(shù)據采集。ADC模塊的模擬電壓輸入范圍是0-3V，而低壓配電網絡的電壓一般為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，可能會損壞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行降壓處理，再通過采樣電阻和電壓抬升電路，使得電壓信號滿足所需的精度要求。

3.3溫度檢測模塊

基于智能電容器的無功補償系統(tǒng)還需要進行環(huán)境溫度的檢測，尤其是在夏季，那些安裝在室外的無功補償裝置，更要注意其溫度的變化。當環(huán)境溫度過高時，電力電容器內部結構也會發(fā)生變化，可能會導致電容器的脹肚，甚至爆炸，影響儀器的使用壽命。本文設計了溫度檢測電路，能夠實時監(jiān)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(jiān)測實時電流。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)境溫度成正比關系，當環(huán)境溫度為0℃時，電壓為0V，每升高1℃，相對應的電壓升高,10mV。

4、智能電容無功補償器的軟件設計及實驗仿真

4.1智能電容器的軟件程序設計

當需要投切電容器時，通過FFT算法，計算出電網諧波的含有率。當其含有率大于5%時，不能進行電容器的投切，小于5%時，根據本文的綜合控制策略，判斷電壓和無功是否超越限制范圍，進而執(zhí)行不同的電容器投切指令，實現(xiàn)電容器的逐級投切。開關控制子程序是控制智能電容器的復合開關閉合關斷時序，通過DSP芯片在不同時序發(fā)出觸發(fā)脈沖，控制晶閘管和繼電器的導通關斷。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，觸發(fā)晶閘管導通，設置晶閘管的延時時間，DSP觸發(fā)繼電器導通，切除電容器時，同樣判斷是否有指令，再對晶閘管和繼電器進行觸發(fā)。

4.2實驗仿真

電壓電流波形圖如圖3所示。由圖3可以看出，經過電容器的補償后，電壓和電流的相位差基本為零，即功率因數(shù)接近1，說明無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

用戶根據實際負載情況，設置目標功率因數(shù)和允許的無功功率占有功功率的比例值。以功率因數(shù)為首要目標，計算出要達到目標功率因數(shù)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(shù)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(xù)進行電容器的投切，克服了滿足功率因數(shù)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(fā)生。

5.2產品介紹

5.2.1 AZC系列智能電力電容補償裝置由智能測控單元、投切開關、線路保護單元、低壓電力電容器等構成，改變了傳統(tǒng)無功補償裝置體積龐大和笨重的結構模式，是用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質量的新一代無功補償設備。

訂貨范例：

具體型號：AZC-SP1/450-10+10

技術要求：共補

通訊協(xié)議：無

輔助電源：無

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(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)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(huán)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(huán)境。

訂貨范例：

具體型號：AZCL-SP1/480-50-P7

技術要求：共補，7%電抗率，銅芯

通訊協(xié)議：無

輔助電源：無

5.3 技術參數(shù)

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(lián)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(shù)

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(shù)

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、結語

本文從無功補償系統(tǒng)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、接線方法進行分析研究的基礎上，設計出無功補償系統(tǒng)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，兩者結合的方式進行無功補償，不僅無功補償范圍更大，還可以在三相不平衡的情況下進行分相補償。

【參考文獻】

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• 安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2019.11版
• 安科瑞電能質量監(jiān)測與治理選型手冊.2019.11版