浅谈智能集成电力电容器的设计与应用

摘要：本文通过对智能集成电力电容器研发背景和无功补偿装置投切方式的说明，分析了智能集成电力电容器的双CPU硬件结构，介绍了该装置的性能，满足现代配电网对无功补偿装置过零投切、节能、智能化的要求，阐述了该产品在配电网中应用的意义和前景。

关键词：智能；集成；电容器；双CPU；节能

1、引言

在低压配电系统中，无功补偿装置已得到广泛应用，无功补偿装置的电容投切技术也日趋成熟。随着国家“十二五”规划当中对低碳经济与智能电网建设的要求，智能化、集成化、网络化、可靠性、节能、环保成为智能电器发展的主流，智能集成电力电容器正是在智能电器总体发展柜架上开发出来的全新一代低压无功补偿装置。

2、无功补偿装置中投切开关的特点

目前，无功补偿装置主要有4种方式来投切电容器组：普通接触器、接触器、晶闸管投切电容器和智能型复合开关。接触器投切电容器方式随着技术的发展已逐步退出市场。

新型智能型复合开关，在结合接触器和无触头晶闸管各自的优点的基础上，采用磁保持继电器和晶闸管并联的结构方式，这样既克服了电容器组投切时的涌流现象，又减小了功率损耗，从而在智能集成电力电容器中得到了广泛的应用。

3、智能集成电力电容器的破件结构

智能集成电力电容器是在智能电器总体发展柜架上开发出来的全新一代低压无功补偿装置，它由CPU测控单元、智能型复合开关和电力电容器等组成，如图1所示。

CPU测控单元：其硬件电路主要由检测、控制、执行及电源四部分组成。检测部分主要是对负载的电压和电流进行检测，并将其参数信号转换成控制单元所能接受的信号，控制单元由DSP完成对电压和电流值的计算，再根据控制补偿规则，做出投切决策并输出投切指令；执行单元接到指令后，通过智能型复合开关控制补偿电容器组的投切；该测控单元集成了通讯模块，实现智能电容器之间的组网、信息输入、输岀。（如图1）

电网的电压、电流分别经PT、CT接入测控单元，信号调理部分将它们转变为小幅值的电压信号接到DSP的ADC，经过DSP的采样、分析、计算，根据结果，结合投切策略，自动控制复合开关投切电容器组，再将计算结果送到双口RAM；C51单片机负责电容器的保护电路控制，负责将计算结果送到液晶显示，同时扫描键盘，EEPROM记录控制器重要参数的变动，两个CPU之间通过双口RAM进行数据的传送。智能型复合开关：受控于测控CPU，集成C51控制器投切回路，主控回路采用双向晶闸管和磁保持继电器，应用过零检测技术，实现电容器组过零平滑投切，消除合闸涌流与操作过电压，可频繁进行投切。微型 断路器：智能电容器电源保护开关，电源接入端子，起短路、过流保护作用。

4、性能

4.1节能环保

智能集成电力电容器采用了磁保持继电器，电路接通后，不再消耗电能，磁保持继电器内，衔铁由永磁体吸持。常规补偿装置接通补偿电路需要交流接触器，交流接触器触点需要电磁线圈保持，每只交流接触器需消耗15W，每一路可接通15kVar。采用智能集成电力电容器每kVar就比传统无功补偿装置减少损耗1W。智能集成电力电容器体积比其它自动补偿装置缩小50%左右，减少了大量的导线、接点、器件等电能损耗。我国目前在用的配电变压器近500万台，平均容量为200kVA，总容量近10亿kVA，无功补偿按配电变压器平均的1/3计算，现有配电变压器需无功补偿容量3.3亿kVar。

如果将现有传统配电变压器无功补偿装置换成智能集成电力电容器，按lkvar省1W 算，则一年可节电28.91亿kwh，超过秦山核电站设计年发电量17亿千瓦时。可减少煤耗109.86万吨，减少排放CO2气体285.64万吨，相当于增加净化空气的森林面积7616.94平方公里，可减少SO2气体排放5.7万吨，NO1、NO2气体排放3.36万吨，减少环境污染。

4.2智能网络控制

由于每台电容器都带有智能网络模块，可以形成主从自动组合模式进行投切，相当于每台电容器都能充当控制器，实现了高可靠性。取消总控制器，采用分散控制模式，每组智能集成电力电容器都有控制单元，使多组电容器的自动投切摆脱了全部依靠一个控制器的情况，杜绝因控制器故障导致整个系统不好。

多台智能集成电力电容器联网使用时，会自动生成一个网络，地址码小的一个为主机，其余为从机，构成低压无功自动控制系统；如果个别从机岀现故障，自动退出，不影响其余工作，如果主机故障，主机退出，在从机中产生一个新的主机，组成一个新的系统。容量相同的电容器按循环投切原则，容量不同的电容器按适补原则投切，通讯模块具有485通讯接口，可以接入后台计算机，进行配电综合管理。通过智能网络控制技术，提高了运行可靠性及电容的足量投入，延长了补偿装置的寿命。

5、安科瑞AZC/AZCL智能电容器介绍

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

5.2.3 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：*

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%

5.2.4 优势

AZC/AZCL系列智能电容器本体采用品牌特制干式自愈式电容器，无泄漏、整体阻燃防暴、绿色环保、年衰减率小。产品标准化、模块化，取代了传统的空气开关、交流接触器、可控硅、热继电器、电容器，将其功能合为一个整体，发热量小，组屏安装的时候采用积木堆积方式，电容器损坏时只需单体简单快速更换。产品体积小、接线简单，随着用电用户电力负荷的增加，可以随时增加电容器的数量，改变了常规模式因接线复杂，一成不变的局限性，适应企业发展的需要，可以分期投资。

保障系统电压稳定合格，提高功率因数，对投入电容器进行预测，若投入电容器过补，则不投入，避免无功超额而罚款；控制可靠性*，提高配变有功出力，减少增容投资降损节能。

6、应用

2010年9月，新型智能集成电力电容器在聊城某有限公司与新建居民小区投入使用，累计投入20kVar智能集成电力电容器42路，30kVar智能集成电力电容器10路，共采用四台无功补偿柜体组屏安装，比传统无功补偿方式节省一台柜体，其中在某工厂配电间改造的应用中还有很大的增容空间；安装生产工时比常规无功补偿装置柜减少60 %，连接线和节点减少80%，柜内简洁，在使用场快速组装；随着电力用户用电负荷的增加，可以随时增加电容器的数量，扩容方便；使用至今，该智能补偿实现了设计所有 功能，运行良好，没有岀现电力用户经常反应的触点烧结和电容器膨胀爆裂现象，可靠性高。

【参考文献】

• 朱连欢.基于DSP的低压TSC动态无功补偿装置的研制.浙江大学电气工程学院硕士学位论文.2008
• 顾志强，骆强，张改华.新型智能集成电力电容器的研制与应用[J].数字技术与应用，2011
• 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版
• 安科瑞电能质量监测与治理选型手册.2019.11版