浅谈应用智能电力电容器的无功补偿系统设计与介绍

摘要：根据目前国内电力市场的发展和电容无功补偿技术的水平，本文设计了基于智能电容器的无功补偿系。分析了该系统的原理，阐述了无功补偿的控制策略和电容器的投切方式。介绍了智能电容无功补偿器的硬件模块和软件的设计，并进行了实验仿真。

关键词：智能电容器；无功补偿；系统

0、引言

当前的智能式电容器比较，集现代测控、电力电子技术、网络通信协议、自动控制原理以及新型绝缘材料技术等为一体，具有补偿效果好，小型化，功率消耗低，接线方便，适用场合广泛且维护方便，可靠性高等优点，因此具有良好的推广应用前景。

1、智能电容无功补偿器的原理及总体设计

1.1电容器无功补偿原理

在实际电网中，绝大部分的等效负载为阻感性负载，因此可以将大部分电气设备等效成电路中电阻R和电感L的串联进行处理。

1.2无功补偿系统的总体设计

基于智能电容器的低压无功补偿系统是由电容器组、智能无功补偿控制器以及液晶显示屏构成，其总体结构图如图2所示。无功补偿控制器能够通过电流互感器、电压互感器等计算出相关的电流、电压、无功缺额、功率因数等电网参数，并根据得到的电气量控制电容器进行投切的选择；液晶显示屏上能够显示出当前智能电容器的状态及各项电力系统参数。智能电容器各项模块之间采用RS485通信协议。

图2中，CG代表共补型电容器组，CF代表分补型电容器组。共补与分补电容器在无功补偿装置中，投切开关的组合方式以及电容器的接线方法不同。共补型电容器组接线方式为三角形接线，与星形接线方式相比，在同等条件下，三角形接线方式所能补偿的无功是星形的3倍，并且三角形接线还有一个明显的优势就是3次及3的整数倍次谐波在电容器回路中不能形成通路，进而使得电网不受该种谐波的污染。但是三角形接线只能进行三相共同补偿，不能进行分相补偿。因此如果出现三相负载不平衡的情况，将不能使用共补型电容器进行补偿。分补型电容器接线方式为星形接线，星形接线能够进行单相补偿，适用于三相不平衡的情况，但是不能消除回路中的3次及3的整数倍次谐波，所以容易产生谐振，可能损坏电容器，需要增加电抗器。而且当某一相的电容器发生短路后，其他两相所承受的电压会升高，进而发生更严重的危害。

2、无功补偿控制策略与电容器投切方式

2.1无功补偿控制策略

传统的无功补偿控制策略有无功功率控制、功率因数控制、电压控制、电压无功控制、电压功率控制、电压时间控制等，本文采用的是电压无功控制策略。电压无功控制方法又称之为九区图法，即在含有变压器的情况下，将平面按电压和无功功率的上下限划分为九个区域，不同的区域代表不同的含义，通过投切电容器进行无功补偿的控制。在配有载调压变压器的条件下，通过调节变压器分接头和投切电容器可以改变电网电压和无功补偿容量Qc，进而改变母线电压U和从电力系统吸收的无功功率Q。

2.2电容器过零投切

本文设计的智能电容器所需的投切开关为复合开关，复合开关将磁保持继电器和晶闸管复合并联在一起， 兼两者之长。复合开关的工作原理：线路导通时，驱动电路发出信号使晶闸管导通，再控制继电器导通， 当磁保持继电器导通后，电网电流转移到继电器上，此时驱动电路发出信号使得晶闸管断开，系统正常工作；线路断开时，驱动电路先发出信号使晶闸管导通，此时继电器仍处于导通状态，再控制继电器断开，驱动电路发出信号，使得晶闸管在电流过零处断开。复合开关的优点有：无涌流，无电弧；能够实现电压过零处投入，电流过零处切除；功率损耗低。

现在很多电力电子仪器都对电压要求很高，无功补偿的趋势就是过零投切。过零投切实际上就是电压过零时投入，电流过零时切除。过零投切的原理：电容器的电压不能突变，如果不是在电压过零点处投入，那么电容器的电压和系统中本身的电压叠加，会产生幅值大、频率高的涌流，增加了功率损耗，增加了对电容器及其他设备的冲击次数。

3、智能电容无功补偿器的硬件模块设计

3.1硬件模块

智能电容器的模块及其功能为：电源模块，为DSP控制器、磁保持驱动电路、运放芯片、液晶显示模块等提供所需的电源支持；DSP控制器，采用TMS320F2812芯片，控制整个系统的运行；电网参数采集模块， 采集需要的电压电流参数，输送到DSP控制器内进行计算；温度采集模块，通过检测周围的环境温度，实时监控是否满足智能电容器的工作温度；复合开关驱动模块，DSP控制器检测到电网需要进行无功补偿时，复合开关驱动模块发送驱动信号，控制电容器的投切；按键与液晶显示模块，即人机操作界面，可以通过按键与液晶显示屏操作与观察当期智能电容器的运行状态；通信模块，采用RS485通信协议，负责智能电容器各模块之间的通信。

3.2电网参数采集模块

本文采用的TMS320F2812芯片自带16路12位的A/D转换器，可以对电压电流信号进行数据采集。ADC模块的模拟电压输入范围是0-3V，而低压配电网络的电压一般为380V，不在ADC模块所采集的信号输入范围之内，并且ADC模块比较敏感，当0V或3V的信号输入到模块端口时，可能会损坏ADC端口而不能正常工作。 因此选择电压互感器对电压信号进行降压处理，再通过采样电阻和电压抬升电路，使得电压信号满足所需的精度要求。

3.3温度检测模块

基于智能电容器的无功补偿系统还需要进行环境温度的检测，尤其是在夏季，那些安装在室外的无功补偿装置，更要注意其温度的变化。当环境温度过高时，电力电容器内部结构也会发生变化，可能会导致电容器的胀肚，甚至爆炸，影响仪器的使用寿命。本文设计了温度检测电路，能够实时监测智能电容器的运行温度。温度检测模块选用LM35CH芯片，能够监测实时电流。与用温标校准的温度传感器相比，LM35CAZ工作范围宽，精度和灵敏度高，灵敏度为10.0mV/℃，精度在,0.4-0.8℃，工作温度为5-150℃，而且输出电压与其检测的环境温度成正比关系，当环境温度为0℃时，电压为0V，每升高1℃，相对应的电压升高,10mV。

4、智能电容无功补偿器的软件设计及实验仿真

4.1智能电容器的软件程序设计

当需要投切电容器时，通过FFT算法，计算出电网谐波的含有率。当其含有率大于5%时，不能进行电容器的投切，小于5%时，根据本文的综合控制策略，判断电压和无功是否超越限制范围，进而行不同的电容器投切指令，实现电容器的逐级投切。开关控制子程序是控制智能电容器的复合开关闭合关断时序，通过DSP芯片在不同时序发出触发脉冲，控制晶闸管和继电器的导通关断。为使晶闸管和磁保持继电器正常工作，触发脉冲的宽度要足够。当有电容器的投入指令时，触发晶闸管导通，设置晶闸管的延时时间，DSP触发继电器导通，切除电容器时，同样判断是否有指令，再对晶闸管和继电器进行触发。

4.2实验仿真

电压电流波形图如图3所示。由图3可以看出，经过电容器的补偿后，电压和电流的相位差基本为零，即功率因数接近1，说明无功补偿仿真达到预期的效果。

5、安科瑞AZC/AZCL智能电力电容器介绍

5.1 电容投切原理

用户根据实际负载情况，设置目标功率因数和允许的无功功率占有功功率的比例值。以功率因数为首要目标，计算出要达到目标功率因数所需投入或切除的无功容量并进行电容器的投切；当功率因数满足条件时，计算无功功率是否满足条件，如果不满足条件，根据所需投入或切除的无功容量继续进行电容器的投切，克服了满足功率因数条件但无功功率仍很大的弊端。由于两者都是以无功功率为控制量，因此避免了“投切震荡"情况的发生。

5.2产品介绍

5.2.1 AZC系列智能电力电容补偿装置由智能测控单元、投切开关、线路保护单元、低压电力电容器等构成，改变了传统无功补偿装置体积庞大和笨重的结构模式，是用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。

订货范例：

具体型号：AZC-SP1/450-10+10

技术要求：共补

通讯协议：无

辅助电源：无

5.2.2 AZCL系列智能集成式谐波抵制电力电容补偿装置是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。其中串接7%电抗器的产品使用于主要谐波为5次、7次及以上的电气环境，串接14%电抗器的产品使用于主要谐波为3次及以上的电气环境。

订货范例

具体型号：AZCL-SP1/480-50-P7

技术要求：共补，7%电抗率，铜芯

通讯协议：无

辅助电源：无

5.3 技术参数

①环境条件

海拔高度：≤2000米

环境温度：-25～55℃

相对湿度：40℃，20～90%

大气压力：79.5～106.0Kpa

周围坏境无导电尘埃及腐蚀性气体，无易燃易爆的介质

②电源条件

额定电压：AC220V（AZC）或AC380V（AZC/AZCL）

允许偏差：±20%

电压波形：正弦波，总畸变率不大于5%

工频频率：48.5～51.5Hz

功率消耗：<0.5W（切除电容器时），<1W（投入电容器时）

③安全要求

满足《DL/T842-2003》低压并联电容器装置使用技术条件中对应条款要求。

④保护误差

电压：≤0.5%

电流：≤1.0%

温度：±1℃

时间：±0.01s

⑤无功补偿参数

无功补偿误差：≤电容器容量的75%

电容器投切时隔：>10s

无功容量：单台≤（20+20）kvar

⑥可靠性参数

控制准确率：99.99%

电容器容量运行时间衰减率：≤1%/年

电容器容量投切衰减率：≤0.1%/万次

年故障率：0.1%

6、结语

本文从无功补偿系统总体设计和智能电容器结构两方面入手，在对电容器补偿原理、电容器补偿方式、接线方法进行分析研究的基础上，设计出无功补偿系统总体结构和智能电容器的模块框图，采用共补为主，分补为次，两者结合的方式进行无功补偿，不仅无功补偿范围更大，还可以在三相不平衡的情况下进行分相补偿。