CN104269860A - 一种新型低压无功补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种新型低压无功补偿装置，包括电流互感器、交流插件、A/D转换器，其特征在于，还包括无功补偿控制器、执行机构、电子复合开关和补偿元件。所述无功补偿控制器由CPU、交流模块、电源模块、出口模块、人机对话板构成。所述电子复合开关由晶闸管与交流接触器并联构成，所述电子复合开关充分利用晶闸管投切时间控制准确的优势，在电容器组投切的瞬间以晶闸管开关为主，而在电容器投入运行期间则退出晶闸管开关，以交流接触器的触点通过电容负载电流。本发明装置控制器是基于16位的DSP设计，响应速度快，能对低压配电网无功进行动态跟踪补偿。而且控制简单，性能可靠，人机界面友好，操作方便。本发明适用于电网的低压无功补偿。

Description

一种新型低压无功补偿装置

技术领域    

 本发明涉及一种新型低压无功补偿装置，属电力无功补偿技术领域。

背景技术    

目前在我国，对于低压电网来说，一般都采用三相四线制配电方式，配电变压器为Y/yn0接线。由于大量的单相负载以及用电不同时性的原因，因此配电变压器的三相不平衡运行是不可避免的。

三相电压或电流不对称会对电力系统中的发电、输电、配电设备及用电设备造成一系列的危害：增加了线路损耗；增加了配电变压器的有功损耗；降低了配电变压器出力；影响电动机输出功率，并使绕组温度升高；影响正常通信质量；对一些计量仪表的精度会产生影响。

目前在中、低压配电网中，广泛采用手动或自动投切的电容器组进行补偿。但是即使是最先进的晶闸管分相投切电容器组，也只能解决功率因数的补偿问题，而不能有效地平衡三相负荷。

在目前电网中，使用的无功补偿装置一般是同步调相机、静止无功补偿装置、并联电容器等。

同步调相机能独立地用调节励磁来调节无功的大小，有较大的过负荷能力。缺点是:设备投资高；起动、运行、维修复杂；动态调节响应慢；不适应太大或太小的补偿；发生失磁故障时将加重系统的电压波动。

静止无功补偿装置具有吸收或发出无功电流的能力，具有提高系统的功率因数、稳定系统电压、抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器的开关速度较慢，约为10s～30s，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时可能会引起严重的冲击电流和操作过电压，这样不但容易造成接触点烧焊，而且可能使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。

并联电容补偿可永久连接或用断路器连接至系统的某些节点上。和调相机相比，其优点是：投资省、运行经济、结构简单、维护方便、容量可任意选择、实用性强。缺点是：无功输出不可调，且对系统中的高次谐波有放大作用，在谐波电流过大时，可能引起爆炸。

而且以上这些装置均不能有效地降低三相不平衡度，容易造成网损偏大。

发明内容    

本发明的目的是，根据现有无功补偿装置存在的问题，本发明提出一种新型低压无功补偿装置，以电子复合开关对电容器组进行投切来补偿无功。

实现本发明的技术方案是:

本发明一种新型低压无功补偿装置，包括电流互感器、交流插件、A/D转换器，还包括：

无功补偿控制器：用于控制补偿电网中的无功需求，监测电网的三相电压、电流、功率因数等运行数据，输出控制信号给执行机构；

执行机构：根据无功补偿控制器发来的控制信号，执行对补偿元件的投切；

电子复合开关：用于准确投切和稳定运行；

补偿元件：由星型、角型混合接法的电容器组成，用于作为不等量投切的补偿元件。

电网电流和电网电压分别通过电流互感器和电压互感器连接交流插件变为幅值较小的交流信号，然后通过A/D转换器到无功补偿控制器；由无功补偿控制器的DSP进行交流采样，并计算出各项电网参数，然后根据控制规律通过串口输出控制信号给执行机构,完成电容器的投切。

本发明无功补偿控制器由CPU、交流模块、电源模块、出口模块、人机对话板构成，并把CPU、交流模块、电源模块等集成在一块主电路板MAIN板上；出口模块和人机对话板分别是独立的一块电路板，均由DSP驱动。

本发明无功补偿控制器的CPU采用DSP56F807芯片，所述芯片具有多个I/O口和多种外围设备，同时具有60K×16位的程序FLASH存储器、2K×16位的程序RAM存储器、8K×16位的数据FLASH存储器、4K×16位的数据RAM存储器。          本发明无功补偿控制器采用功能模块化的设计，这样有利于提高装置硬件的通用性，即不同功能的部分可以由相同的各功能组件按需要组合配置，实现了功能模块的标准化。

本发明中电子复合开关由晶闸管与交流接触器并联构成，所述电子复合开关充分利用晶闸管投切时间控制准确的优势，在电容器组投切的瞬间以晶闸管开关为主，而在电容器投入运行期间则退出晶闸管开关，以交流接触器的触点通过电容负载电流。

本发明的主要运行流程如下：装置上电后对系统进行初始化，初始化主要包括设置标志位和变量的初值，中断初始化，设置各接口芯片的初始化、电容器组投切状态指示灯的初始状态等。然后程序进入主循环:首先进行数据采集和处理，包括电压电流的采集和处理、计算有功、无功和功率因数;接着程序进入控制算法程序，控制算法程序首先根据计算出的功率因数或负序电流大小进行投切判断：当功率因数低于给定定值或者负序电流大于给定定值时启动不平衡电流补偿算法，由CPU算出各相及相间应投的电容量，然后通过串口输出控制信号给执行机构,完成电容器的投切。

电子复合开关的合闸和分闸的控制逻辑如下：

合闸过程的控制逻辑：

(1)需要投入某组电容器时，控制装置可在任一时刻同时对晶闸管和交流接触器发合闸令：晶闸管元件发门极正脉冲，交流接触器则是闭合其合闸线圈的回路。

由于晶闸管交流开关良好的可控性，触发回路自动在下一个电压过零点发门极正向电压保证在5μS的时间内导通，在5ms的时间内完成对电容器组合闸的暂态过程，因此经过20ms-30ms后交流接触器触点闭合必将是一个平稳的合闸过程。

事实上，一旦交流接触器触点闭合，由于触点之间的内阻很小，并联晶闸管开关后：

①晶闸管所流过的电流ic几乎全部被触点分流；

②晶闸管的阳极在触点闭合后被短接，只有几十毫伏的电压，不具备阳极电压的导通条件。

此时，即使门极电压仍保持高电平，晶闸管也会在ic电流过零后全部截止。

(2)为了可靠起见，在交流接触器触点闭合后，再延迟15-20ms，停止晶闸管的门极正向电压，促使正反两个晶闸管都将进入完全的截止状态，退出运行。

经过二次合闸操作，电容器组在50-100ms内进入正常运行工况。其中晶闸管的运行时间仅为30-50ms。

分闸过程的控制逻辑：

(1)控制器根据切掉某电容器组的命令，在任意时刻下达该晶闸管交流开关的合闸命令，此时触发电路检测到的晶闸管阳极电压几乎为零（因为已被触点短接），将立即发门极正向电压。晶闸管开关不导通，但处于与触点并联准备导通的运行状态。

(2)延迟5-10ms后，控制器再发交流接触器的分闸令，随着触点的分断过程，晶闸管阳极电压上升，晶闸管交流开关立即导通，经过20-30ms交流接触器触点完全分开，晶闸管交流开关也进入作为主开关的过渡运行期。

(3)再延迟10ms，控制器可在任意时刻停止门极正向电压，晶闸管开关将在下一个ic电流过零时刻全部关断电容器组的回路。

经过三次分闸操作，电容器组在50ms内完成分闸。其中晶闸管交流开关的运行时间仅为10-15ms左右。

本发明的执行机构为一块开出电路板,这块板上共有30个继电器,可控制30个单相交流接触器,另外还有24个光耦,可控制24个可控硅,完成电容器的投切。

本发明的补偿元件共配有4组Y形电容器，4组△形电容器；为了能够实现分相补偿和三相平衡处理，实现单个电容器可以独立投切，分容量控制。

本发明装置的不等量投切方法如下：

（1）把原来Δ形接法的共补电容器组接法，改为Δ形接法分相可控电容器组接法，不同容量的Δ形接法分相可控电容器组容量可根据配电变压器的容量选择；

（2）把星形接法的分补电容器组接法，改为相邻二相可以共用的电容器组接法。

所述装置的功能包括：

（1）无功补偿及降低三相不平衡度功能：

通过无功补偿控制器对三相Δ形可控补偿+Y形分补的电容器组进行投切，实现无功补偿、降低三相不平衡度和网损；

（2）数据监测功能及抄表功能: 

实时监测电网的三相电压、电流、有功、无功、功率因数等运行数据，完成对整个低压配电线路的监测、统计分析等综合管理； 

（3）保护功能:

欠压保护:最小线电压≤设定下限时（0.65～0.95范围内可调)，欠无功不投，已投的全切(每5s切一组)，切除总时间不超过60s；

过压保护:最大线电压>设定上限时（1.0～1.2范围内可调)，欠无功不投，已投的全切(每5s切一组)，切除总时间不超过60s；

失电保护:装置在断电后控制开关自动断开，保证在再通电时各电容器组处于分断状态； 

缺相保护:当相电压低于65%额定值时，视为断相，由控制器切除输出回路；

谐波保护:当电压或电流谐波超过电压或电流谐波畸变率上限值后(可设定)，控制器发出指令将各电容器组逐组退出；

短路保护:控制器监测与外设熔断器结合，短路时控制器发退出命令，熔断器后备； 

闭锁告警保护:当电网电压大于等于107%或小于70%额定电压(线电压)时，闭锁控制器；

（4）设置功能: 

能够设置定值、本机时钟及口令；

（5）自检复归功能: 

每次通电后，控制器进行自检并复归输出回路使之处于断路状态； 

（6）防止投切振荡功能: 

在每次切出与投入的动作间保持最小300s的动作间隔，以确保补偿装置在负荷较轻时不出现频繁切投的不良状态； 

（7）延时功能: 

电容器投切延时: 静态10～120s，动态lOms～30ms可设定；投切动作闭锁时间间隔:≥300s；过压分断总延时: ≤60s； 

（8）自动/手动切换功能(含外部强投/强切功能)； 

（9）支持远方投/退功能。

本发明的有益效果是：

（1）本发明装置控制器是基于16位的DSP设计，响应速度快，能对低压配电网无功进行动态跟踪补偿。而且控制简单，性能可靠，人机界面友好，操作方便。

（2）本发明装置控制器的硬件采用了模块化设计，是按照具体实现的功能将装置控制器分为CPU模块、交流模块、电源模块、出口模块和人机对话板，通过完成各个模块的设计达到装置整体设计的目的。而且采用模块化设计可以增强装置的通用性，例如通过改变各个模块的组合方式或者通过更换某些模块，实现新的功能，这样可以降低相关装置的开发成本，缩短开发时间。

（3）本发明装置采用了星型、角型混合接法的电容器组为补偿元件，在投切过程中采用AB、BC、CA、A、B、C电容器不等量投切的控制方式，可以在保证三相有功负荷总量不变的前提下，把三相不平衡负载转化成平衡负载，且能提高各相的功率因数。

（4）本发明装置采用的电子复合开关充分利用晶闸管投切时间控制准确的优势,在电容器组投切的瞬间以晶闸管开关为主,而在电容器投入运行期间则退出晶闸管开关,以交流接触器的触点通过电容负载电流。所以电子复合开关可以充分保证交流接触器触点在频繁操作下的运行可靠性,又降低了开关元件的功耗。

附图说明   

图1为低压无功补偿装置控制器结构示意框图；

图2为电子复合开关的结构简图；

图3为Δ形接法共补电容器组连接示意图；

图4为Δ形接法分相可控电容器组连接示意图；

图5为星形接法电容器组连接示意图；

图6是相邻两相共用的星形接法电容器组连接示意图。

具体实施方式

本实施例一种新型低压无功补偿装置, 是以一个屏柜的形式组装起来的。无功补偿柜里除了安装有无功补偿控制器以外还配备了电容、电流互感器、空气开关、电子复合开关等部件。它的控制器以数字信号处理器DSP56F807为核心，集电网监测与无功补偿控制、电容器保护于一体，不但可以补偿电网中的无功需求，提高功率因数，降低不平衡度，降低线损，从而提高电网的负载能力和供电质量，同时还能够实时监测电网的三相电压、电流、功率因数等运行数据，完成对整个低压配电线路的监测、分析处理等综合管理。无功补偿控制器硬件结构如图1所示。

从图1中可以看出，幅值较大的工频电流、电压信号经过交流插件（AC插件）变为幅值较小的交流信号，然后由DSP进行交流采样，并计算出各项电网参数，然后根据控制规律通过串口输出控制信号给执行机构。执行机构实际上是一块开出电路板,这块板上共有30个继电器,可控制30个单相交流接触器,另外还有24个光耦,可控制24个可控硅,完成电容器的投切。

本实施例装置的硬件以Motorola公司生产的DSP56F807芯片为核心。它具有丰富的I/O口和多种外围设备，同时具有60K×16位的程序FLASH存储器、2K×16位的程序RAM存储器、8K×16位的数据FLASH存储器、4K×16位的数据RAM存储器。无功补偿装置的控制器采用功能模块化的设计思想，这样有利于提高装置硬件的通用性，即不同功能的部分可以由相同的各功能组件按需要组合配置，实现了功能模块的标准化。该控制器由CPU、交流模块、电源模块、出口模块、人机对话板构成，并把CPU、交流模块、电源模块等集成在一块主电路板MAIN板上。出口模块和人机对话板分别是独立的一块电路板，均由DSP驱动。

在采用新型无功补偿控制技术后，低压电容器组将增加大量投切开关。作为电容器投切过程的操作执行元件，其功耗大小、性能好坏对低压无功补偿装置的可靠性及功耗起了重要的作用。

本实施例的电子复合开关是晶闸管与交流接触器相结合的产物，如图2所示。它充分利用晶闸管投切时间控制准确的优势，在电容器组投切的瞬间以晶闸管开关为主，而在电容器投入运行期间则退出晶闸管开关，以交流接触器的触点通过电容负载电流。

本实施例低压无功补偿柜的具体补偿过程为：

本实施例低压无功控制装置需要采集的低压电压经过空气开关3ZK引入装置PT，作为装置的电压信号。而电流信号通过空开1ZK接入变比为50/5A的电流互感器BH－0.66CT，然后引入装置内部CT，作为装置的电流信号。控制器本身的电源是经空开2ZK引入220V交流市电。补偿柜共配有4组Y形电容器，4组△形电容器。为了能够实现分相补偿和三相平衡处理，实现单个电容器可以独立投切，分容量控制。其中25JK~30JK是星型分相部分的倒相开关，采用的是单相交流接触器，而KP是电子复合开关，用来接通或切除电容。

本实施例无功扩展控制器共有30个光耦输出信号，可控制30个可控硅(即晶闸管)输出；30个继电器输出信号，可控制30个单相交流接触器的输出。其中交流接触器为韩国凯思KACOM公司的KMC系列单相接触器，我们选用的规格是额定电流为30A的KMC－30S型以及50A的KMC－50S型单相交流接触器。

本实施例低压无功补偿装置与常规无功补偿装置对电容器组配置的最大区别在于增加各相电容器组投入容量选择的灵活性。低压电容器组的补偿配置方式如下：

（1）把原来Δ形接法的共补电容器组接法如图3所示，改为Δ形接法分相可控电容器组，即AB、BC、CA分别可控的Δ形电容器组接法如图4所示。

图4的Δ形接法可以通过KP1、KP2、KP3等电子复合开关自由选择投AB、BC或CA相的电容器，实现三相相间不等量的电容器投切。不同容量的Δ形接法分相可控电容器组容量可根据配电变压器的容量选择，本装置配置的有3Kvar、4Kvar、8Kvar、12Kvar等规格。

实际的无功补偿控制中，为了把三相不平衡负载转化为三相平衡负载，装置算法给出的电容器组相间投入电容量是不等的。装置将根据实际Δ形接线电容器组的容量选择相近容量分别投入Cab、Cbc、Cca电容器组。

（2）把星形接法的分补电容器组如图5所示，改为相邻二相可以共用的电容器组接法如图6所示。

图6为改变接法的星形电容器组（KA、KB为倒相开关，由交流接触器构成；而KP1、KP2、KP3则为电子复合开关），当KA合（KB分）时为A相补偿电容器组；若改为KB合（KA分）时，则可以为B相补偿电容器组。其目的是实现为分相不等量电容补偿时电容器组投入的配置方式的灵活性。

实际的无功补偿控制中，为了把三相不平衡负载转化为三相平衡负载，装置算法给出的三相电容器组分相投入电容容量也是不等的。装置将根据星形接法电容器组的容量选择相近容量分别投入Ca、Cb、Cc各相电容器。

（3）值得说明的是，由于电容器组制造的容量是分级的，实际控制中我们无法根据理论计算的Ca、Cb、Cc、Cab、Cbc、Cca电容补偿值进行准确的补偿，因此这种控制是有级差的控制。我们只能在电容器组容量配置有限的条件下找到一种最接近的投切控制方案。

Claims (10)

1.一种新型低压无功补偿装置，包括电流互感器、交流插件、A/D转换器，其特征在于，还包括

无功补偿控制器；用于控制补偿电网中的无功需求，监测电网的三相电压、电流、功率因数等运行数据，输出控制信号给执行机构；

执行机构，根据无功补偿控制器发来的控制信号，执行对补偿元件的投切；

电子复合开关；用于准确投切和稳定运行；

补偿元件，由星型、角型混合接法的电容器组成，用于作为不等量投切的补偿元件。

2.根据权利要求1所述的新型低压无功补偿装置，其特征在于，电网电流和电网电压分别通过电流互感器和电压互感器连接交流插件变为幅值较小的交流信号，然后通过A/D转换器到无功补偿控制器；由无功补偿控制器的DSP进行交流采样，并计算出各项电网参数，然后根据控制规律通过串口输出控制信号给执行机构,完成电容器的投切。

3.根据权利要求1所述一种新型低压无功补偿装置，其特征在于，所述无功补偿控制器由CPU、交流模块、电源模块、出口模块、人机对话板构成，并把CPU、交流模块、电源模块等集成在一块主电路板MAIN板上；出口模块和人机对话板分别是独立的一块电路板，均由DSP驱动。

4.根据权利要求1所述一种新型低压无功补偿装置，其特征在于，所述电子复合开关由晶闸管与交流接触器并联构成，所述电子复合开关充分利用晶闸管投切时间控制准确的优势，在电容器组投切的瞬间以晶闸管开关为主，而在电容器投入运行期间则退出晶闸管开关，以交流接触器的触点通过电容负载电流。

5.根据权利要求1所述一种新型低压无功补偿装置，其特征在于，所述执行机构为一块开出电路板,这块板上共有30个继电器,可控制30个单相交流接触器,另外还有24个光耦,可控制24个可控硅,完成电容器的投切。

6.根据权利要求1所述一种新型低压无功补偿装置，其特征在于，所述补偿元件共配有4组Y形电容器，4组△形电容器；为了能够实现分相补偿和三相平衡处理，实现单个电容器可以独立投切，分容量控制。

7.根据权利要求1所述一种新型低压无功补偿装置，其特征在于，所述装置的不等量投切方法如下：

（1）把原来Δ形接法的共补电容器组接法，改为Δ形接法分相可控电容器组接法，不同容量的Δ形接法分相可控电容器组容量可根据配电变压器的容量选择；

（2）把星形接法的分补电容器组接法，改为相邻二相可以共用的电容器组接法。

8.根据权利要求1所述一种新型低压无功补偿装置，其特征在于，所述装置的功能包括：

（1）无功补偿及降低三相不平衡度功能：

通过无功补偿控制器对三相Δ形可控补偿+Y形分补的电容器组进行投切，实现无功补偿、降低三相不平衡度和网损；

（2）数据监测功能及抄表功能: 

实时监测电网的三相电压、电流、有功、无功、功率因数等运行数据，完成对整个低压配电线路的监测、统计分析等综合管理； 

（3）保护功能:

欠压保护:最小线电压≤设定下限时，欠无功不投，已投的全切，切除总时间不超过60s；

过压保护:最大线电压>设定上限时，欠无功不投，已投的全切，切除总时间不超过60s；

失电保护:装置在断电后控制开关自动断开，保证在再通电时各电容器组处于分断状态； 

缺相保护:当相电压低于65%额定值时，视为断相，由控制器切除输出回路；谐波保护:当电压或电流谐波超过电压或电流谐波畸变率上限值后，控制器发出指令将各电容器组逐组退出；

短路保护:控制器监测与外设熔断器结合，短路时控制器发退出命令，熔断器后备； 

闭锁告警保护:当电网电压大于等于107%或小于70%额定电压时，闭锁控制器；

（4）设置功能: 

能够设置定值、本机时钟及口令；

（5）自检复归功能: 

每次通电后，控制器进行自检并复归输出回路使之处于断路状态； 

（6）防止投切振荡功能: 

在每次切出与投入的动作间保持最小300s的动作间隔，以确保补偿装置在负荷较轻时不出现频繁切投的不良状态； 

（7）延时功能: 

电容器投切延时: 静态10～120s，动态lOms～30ms可设定；投切动作闭锁时间间隔:≥300s；过压分断总延时: ≤60s； 

（8）自动/手动切换功能； 

（9）支持远方投/退功能。

9.根据权利要求3所述一种新型低压无功补偿装置，其特征在于，所述CPU采用DSP56F807芯片，所述芯片具有多个I/O口和多种外围设备，同时具有60K×16位的程序FLASH存储器、2K×16位的程序RAM存储器、8K×16位的数据FLASH存储器、4K×16位的数据RAM存储器。

10.根据权利要求8所述一种新型低压无功补偿装置，其特征在于，

所述欠压保护设定下限为在线电压的0.65～0.95范围内可调；

所述过压保护设定上限为在线电压的1.0～1.2范围内可调；

所述全切指每5s切一组。