摘 要：根據目前國內電力市場的發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。分析了該系統的原理，闡述了無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
0、引言
當前的智能式電容器比較先進，集現代測控、電力電子技術、網絡通信協議、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的串聯進行處理。使用并聯電容器的補償電路圖如圖1所示。
1.2無功補償系統的總體設計
基于智能電容器的低壓無功補償系統是由電容器組、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、功率因數等電網參數，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的無功是星形的3倍，并且三角形接線還有一個明顯的優勢就是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生短路后，其他兩相所承受的電壓會升高，進而發生更嚴重的危害。
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
傳統的無功補償控制策略有無功功率控制、功率因數控制、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域，不同的區域代表不同的含義，通過投切電容器進行無功補償的控制。在配有載調壓變壓器的條件下，通過調節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，此時驅動電路發出信號使得晶閘管斷開，系統正常工作；線路斷開時，驅動電路先發出信號使晶閘管導通，此時繼電器仍處于導通狀態，再控制繼電器斷開，然后驅動電路發出信號，使得晶閘管在電流過零處斷開。復合開關的優點有：無涌流，無電弧；能夠實現電壓過零處投入，電流過零處切除；功率損耗低。
現在很多電力電子儀器都對電壓要求很高，無功補償的趨勢就是過零投切。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。
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，控制整個系統的運行；電網參數采集模塊， 采集需要的電壓電流參數，輸送到DSP控制器內進行計算；溫度采集模塊，通過檢測周圍的環境溫度，實時監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；通信模塊，采用RS485通信協議，負責智能電容器各模塊之間的通信。
3.2電網參數采集模塊
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還需要進行環境溫度的檢測，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。當環境溫度過高時，電力電容器內部結構也會發生變化，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境溫度成正比關系，當環境溫度為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，進而執行不同的電容器投切指令，實現電容器的逐級投切。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芯片在不同時序發出觸發脈沖，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，觸發脈沖的寬度要足夠。當有電容器的投入指令時，觸發晶閘管導通，設置晶閘管的延時時間，DSP觸發繼電器導通，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。
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。
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。
訂貨范例：
具體型號：AZC-SP1/450-10+10
技術要求：共補
通訊協議：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。
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
通訊協議：無
輔助電源：無
5.3 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、結語
本文從無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、接線方法進行分析研究的基礎上，設計出無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】
上一篇 : 基于智能電容器的無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
