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浅谈应用智能电力电容器的无功补偿系统设计与介绍

发布时间:2020-07-21   点击次数:119次

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先进集现代测控、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的串联进行处理使用并联电容器的补偿电路图如图1所示。

 

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

 

2CG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,然后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1612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0V3V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℃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%不能进行电容器的投切小于5%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执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:AC220VAZC或AC380VAZC/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:100%

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

【参考文献】

  • 朱洪,王康.基于智能电容器的无功补偿系统设计[J].电力自动化.电工技术,2019.12
  • 徐余丰.无功补偿设备控制方案及调试装置的开发和应用探讨[D].杭州:浙江大学,2009
  • 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11
  • 安科瑞电能质量监测与治理选型手册.2019.11
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