CN105406478A - 一种抗谐波共补无功补偿模块、设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种抗谐波共补无功补偿模块、设备和方法，具有更长的使用寿命而且投切速度快，可以将单个模块投入电网，也可以将多个模块组网，实现不同程度的抗谐波无功补偿。本发明的抗谐波共补无功补偿模块，包括补偿电容器、电抗器、SSR固态继电器、CT电流互感器，电容器为三相电容器，具有三个引出端，其中两个引出端分别通过电抗器连接SSR固态继电器，另一个引出端通过电抗器连接CT电流互感器，SSR固态继电器和CT电流互感器分别通过断路器QF连接三相电网的相线；CT电流互感器用于采集电容器输出的电流，SSR固态继电器用于控制电容器的投切，进行无功补偿或移除，电抗器用于抵抗电容器接入处母线的背景谐波。

Description

一种抗谐波共补无功补偿模块、设备和方法

技术领域

本发明涉及抗谐波技术领域，特别是涉及一种抗谐波共补无功补偿模块、设备和方法。

背景技术

随着现代科技的发展，电力电子器件和和其他非线性元器件的使用，使得电网中产生大量谐波，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。我国工业企业也越来越多的使用产生谐波的电气设备，例如晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。

如图1所示，理想中的电压和电流的关系应该是图中的U和I的关系，满足同相位，功率P满足P＝UI；但是往往我们使用的感性设备使得电路中产生了感性无功，使得电流的相位滞后于电压相位如图中的I₁所示，这样就会使得用电的功率因数下降，如果在没有感性负载只有容性负载的情况下，电流曲线就会如图中I2的所示，电流相位超前于电压相位；因此我们可以用电容来补偿感性无功，把电容与感性负载并接在同一电路，能量在电容与感性负载之间相互转换，在选择合适电容的情况下，感性负载的无功功率由电容输出的无功功率补偿，就会使得电网中的感性电流曲线补偿到理想中的电流曲线，这就是无功补偿原理。

但是当无功补偿后，电路中虽然是电压和电流相位相同，但是有时候会有不同频率的谐波，当大量谐波进入电力电容器后就会减小其寿命，这时候就需要来抑制谐波，不让谐波进入电力电容器中，这样就会大大增加电容器的寿命，这就是抗谐波无功补偿原理。

发明内容

本发明提供一种抗谐波共补无功补偿模块、设备和方法，具有更长的使用寿命而且投切速度快，可以将单个抗谐波共补无功补偿模块投入电网，也可以将多个模块组网，实现不同程度的抗谐波无功补偿。

本发明的技术方案是：

1.一种抗谐波共补无功补偿模块，其特征在于，包括补偿电容器、电抗器、SSR固态继电器、CT电流互感器，所述电容器为三相电容器，具有三个引出端，其中两个引出端分别通过电抗器连接SSR固态继电器，另一个引出端通过电抗器连接CT电流互感器，所述SSR固态继电器和CT电流互感器分别通过断路器QF连接三相电网的相线；所述CT电流互感器用于采集电容器输出的电流，所述SSR固态继电器用于根据设定的所允许的无功含量范围，控制电容器的投切，所述电抗器用于抵抗电容器接入处母线的背景谐波。

2.所述SSR固态继电器的开关方式为电压过零导通，电容需要投入时在电压为零的时候接通电容器，电容需要切除时在电流为零的时候切除电容器。

3.所述补偿电容器包括两个以上并联的电容器。

4.所述电抗器根据电容器接入处母线的背景谐波，选择适当电抗率的电抗器与电容器匹配。

5.所述电容器上设置用于检测电容温度的电子热开关，所述SSR附近也设置用于检测SSR温度的电子热开关，所述电子热开关串联使用，当其中的任何一个电子热开关所测得的温度超过设定温度的时候，电子热开关由闭合变为断开状态。

6.一种抗谐波共补无功补偿设备，其特征在于，包括所述抗谐波共补无功补偿模块以及控制器和显示器，所述控制器分别连接所述抗谐波共补无功补偿模块和所述显示器；所述控制器检测电网的电压、电流、电压相位、电流相位从而计算电网的无功功率，根据设定的所允许的无功含量范围，控制所述抗谐波共补无功补偿模块的投切，所述显示器用于显示进线电压、补偿电流、进线功率因数以及模块的工作状态；所述控制器和所述抗谐波共补无功补偿模块之间采用CAN通信方式进行通信，当单个共补无功补偿抗谐波模块的补偿容量不足以补偿电网中的无功功率的时候，控制多个抗谐波共补无功补偿模块依次投入工作，直到电网补偿到合适的功率因数为止。

7.所述控制器设置每个抗谐波共补无功补偿模块具有其唯一的地址，当需要多个抗谐波共补无功补偿模块投入工作时，按模块地址由小到大依次投入所述抗谐波共补无功补偿模块。

8.一种抗谐波共补无功补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)控制器检测电网无功功率含量；

2)根据设定的所允许的无功含量范围，判断是否需要投切抗谐波共补无功补偿模块；

3)当单个模块的补偿容量不足时，判断所需要投切的模块个数；

4)控制器按需投切抗谐波共补无功补偿模块，补偿完毕后切除。

9.所述步骤4)中，当单个抗谐波共补无功补偿模块的补偿容量不足以补偿电网中的无功功率时，根据每个模块具有的唯一地址，按地址从小到大依次投入所述抗谐波共补无功补偿模块，直到补偿到合适的功率因数为止。

10.所述步骤4)中，还包括温度检测和谐波检测的步骤，当温度超过设定温度或者谐波含量超过设定量时，控制器控制切除所述抗谐波无功补偿模块，使其停止工作。

本发明的技术效果：

本发明提供的一种抗谐波共补无功补偿模块、设备和方法，具有更长的使用寿命而且投切速度快，可以将单个抗谐波共补无功补偿模块投入电网，也可以将多个模块组网，实现不同程度的抗谐波无功补偿。

本发明的抗谐波共补无功补偿模块采用了两个具有电压过零投切方式的固态继电器SSR作为投切开关，当电压为零的时候投入工作，当电流为零的时候切除工作，这样可以在投切是不会产生机械触电的机械动作，避免了浪涌的产生，在电容切除的时候也避免了燃弧现象，可以很好地延长电容器使用寿命以及投切开关的使用寿命而且投切速度快。本发明的抗谐波共补无功补偿模块还具有温度和谐波监测功能，模块内部温度达到设定温度(一般为65度)或者谐波含量超过设定量(一般为20％)的时候，所述抗谐波无功补偿模块会停止工作，保护补偿电容器的使用寿命。另外，模块内部的左侧和上方装有两台380V的交流风机，也保证了模块内部器件的有效散热。

本发明提供的抗谐波共补无功补偿设备，采用了微控制技术的控制器，对谐波和无功含量进行检测和控制抗谐波共补无功补偿模块的投切，控制器和抗谐波共补无功补偿模块之间采用CAN通信方式进行通信，当单个共补无功补偿抗谐波模块的补偿容量不足以补偿电网中的无功功率的时候，控制器可以控制多个抗谐波共补无功补偿模块依次投入工作，直到电网补偿到合适的功率因数为止。具有以下优点：(1)可以支持0～63个模块进行通信；并且支持热插拔，即带电插拔；(2)传输性能实时性强，抗电磁干扰能力强，CAN的通信速率可以高达100kbs，并且在通信时具有较强的抗电磁干扰能力；(3)CAN的通信方式是多主机结构，方便了多个抗谐波电容模块的通信；本发明将每个模块设置唯一的地址，当单个抗谐波共补无功补偿模块的补偿容量不足以补偿电网中的无功功率时，按地址从小到大依次投入所述抗谐波共补无功补偿模块，直到补偿到合适的功率因数为止。(5)错误自检功能，如果模块发出的信息有错误，可以重新发送；如果某个模块出现故障，那么这个模块就会自动退出工作状态，以免影响其他模块的运行，并且方便工作人员的维护，从而也保障了开发人员和维护人员的安全。

附图说明

图1是本发明的抗谐波共补无功补偿模块实施例电路图。

图2为模块内部电子热开关控制图。

图3是本发明的抗谐波共补无功补偿设备的功能框图。

图4是本发明的抗谐波共补无功补偿方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

如图1所示，是本发明的抗谐波共补无功补偿模块实施例电路图。一种抗谐波共补无功补偿模块，包括补偿电容器C、电抗器L、SSR固态继电器、CT电流互感器，电容器C为三相电容器，具有三个引出端，其中两个引出端分别通过电抗器L连接SSR固态继电器，另一端通过电抗器L连接CT电流互感器，SSR固态继电器和CT电流互感器分别通过断路器QF连接三相电网的相线A、B、C；CT电流互感器用于采集电容器C输出的电流，SSR固态继电器用于根据设定的所允许的无功含量范围，(无功含量范围有些地区或者行业规定不太相同，可以根据不同要求而设置)，控制电容器C的投切，进行无功补偿或移除，电抗器L用于抵抗电容器接入处母线的背景谐波，阻止电网的谐波进入电容器内损坏电容器，而且阻止电容器内部的谐波进入电网损坏其他设备。

其中，补偿电容器C的个数可以根据需要补偿的容量来确定，进行扩容，可以包括两个以上，如果是多个则并联，本实施例为两个并联的三相电容器。

SSR固态继电器的开关方式为电压过零导通，电容需要投入时在电压为零的时候接通电容器，电容需要切除时在电流为零的时候切除电容器。

电抗器L的选择要根据电容器接入处的背景谐波，选择适当电抗率的电抗器与电容器匹配。要做到合理选择电抗率，必须了解电容器接入处母线背景谐波，根据实际测量结果选取，使电容器与电抗器得到正确的匹配；例如：当电容器接入处的背景谐波为3次时，需选用12％电抗率的串联电抗器；当电容器接入处的背景谐波为3、5次，并且谐波含量均较大时，需选用12％和4％～6％的电抗率的电抗器混联的方式；当电容器接入处的背景谐波为3次为主，并且3次谐波含量较大5次以上谐波含量较少时，需选用电抗率为0.1％～1％的电抗器；当谐波已3、5次为主，其中3次谐波含量较少，5次谐波含量较大时应选用电抗率为5％～6％的电抗器；对谐波以5次为主，5次以上谐波含量很少的时应选用电抗率为6％的电抗器；在实际应用时候还需要考虑到国内制造电抗器的技术误差，选择合适的电抗器。

另外，本实施例的三相电容器的两个电容上各带有一个电子热开关，另外在SSR附近还单独设置了一个电子热开关(多加一重保护)，SSR是安装在金属散热器上的，这个电子热开关也安装在散热器上，正常状态下电子热开关是闭合的，当其中的任何一个电子热开关所测得的温度超过设定温度(例如超过65摄氏度)的时候，电子热开关由闭合变成断开状态。电子热开关内部控制图，如图2所示，这里我们将两个电容上的电子热开关标志为JR1和JR2，SSR附近的电子热开关标志为JR3；这三个电子热开关串联，然后再与两个SSR并联；其中的直流12V电压是由控制器内部产生。SSR的开关由控制器控制输出12V直流电给SSR供电，每个SSR都是由额定电压直流12V供电的器件，当需要投入无功补偿的时候，由控制器提供直流12V供电，当SSR得到直流12V的电压的时候就会导通；当无功补偿结束而需要切除的时候是由控制器将输出的12V直流电断开。SSR的开关也由电子热开关控制，当其中的JR1、JR2、JR3任何一个电子热开关所测得的温度超过65摄氏度的时候，电子热开关由闭合变成断开状态，12V直流供电就会断开，从而使得两个SSR都失电断开，模块不工作，以保护模块不至过热而缩短寿命。

另外，模块内部的左侧和上方装有两台380V的交流风机，也保证了模块内部器件的有效散热。两台风机在模块投入工作的时候开始工作，左侧的风机向模块内部吸风，上部的风机向外部吹风，可以加速模块工作时内部的空气流通，降低温度。

图3是本发明的抗谐波共补无功补偿设备的功能框图。一种抗谐波共补无功补偿设备，包括所述抗谐波共补无功补偿模块以及控制器和显示器，控制器分别连接所述抗谐波共补无功补偿模块和显示器；所述控制器检测电网的电压、电流、电压相位、电流相位从而计算电网的无功功率，根据设定的所允许的无功含量范围，控制所述抗谐波共补无功补偿模块的投切，所述显示器用于显示进线电压、补偿电流、进线功率因数以及模块的工作状态等，其中工作状态包括模块是否投入，投入模块是否有故障、通讯是否正常等参数。控制器和抗谐波共补无功补偿模块之间采用CAN通信方式进行通信，当单个抗谐波共补无功补偿模块的补偿容量不足以补偿电网中的无功功率的时候，控制多个抗谐波共补无功补偿模块依次投入工作，直到电网补偿到合适的功率因数为止。控制器设置每个抗谐波共补无功补偿模块具有其唯一的地址，当需要多个抗谐波共补无功补偿模块投入工作时，按模块地址由小到大依次投入所述抗谐波共补无功补偿模块。

图4是本发明的抗谐波共补无功补偿方法流程图。一种抗谐波共补无功补偿方法，包括以下步骤：

1)控制器检测电网检测电网无功功率含量；

2)根据设定的所允许的无功含量范围，判断是否需要投切抗谐波共补无功补偿模块；

3)当单个模块的补偿容量不足，判断所需要投切的模块个数；

4)控制器按需投切抗谐波共补无功补偿模块，补偿完毕后切除。

当单个抗谐波共补无功补偿模块的补偿容量不足以补偿电网中的无功功率时，控制根据设置的每个模块具有的唯一地址，按地址从小到大依次投入所述抗谐波共补无功补偿模块，直到补偿到合适的功率因数为止。控制器和所述抗谐波共补无功补偿模块之间采用CAN通信方式进行通信，CAN的通信方式是多主机结构，这样才能方便多个抗谐波电容模块的通信；在抗谐波无功补偿中，一般需要投入多个模块，例如单个模块可以补偿无功功率40Kvar，假如现场需要80Kvar的无功补偿，那么我们设定的是按地址从小到大的依次投入，首先地址为1的模块先投入，并且将投入信息发送出去，这样控制器做出判断，地址为2的模块还需要投入，所以地址为2的模块就会投入补偿，而地址为3以后的模块不需要再投入，所以这些模块就不投入。

步骤4)中，还包括温度检测和谐波检测的步骤，当温度超过设定温度或者谐波含量超过设定量时(例如达到65度或者谐波含量超过20％时)，控制器控制切除所述抗谐波无功补偿模块，使其停止工作更换其他模块。

其中，谐波是指频率是正常工作频率(基波)的整数倍的波形，不包括1倍，(因为1倍是工作波形的本身)。我们选择的电抗器是根据现场主要谐波来选择的，现场有时候增加设备或者其他原因会产生其他谐波是电抗器不能阻止进入电容器的，所以当谐波过大的时候也需要切除模块，使其停止工作，防止大量谐波进入电容器，损坏电容。

以上实施例中，仅是本发明的举例，对于相关技术领域的人员来说，在具体实施方式及应用范围上仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种抗谐波共补无功补偿模块，其特征在于，包括补偿电容器、电抗器、SSR固态继电器、CT电流互感器，所述电容器为三相电容器，具有三个引出端，其中两个引出端分别通过电抗器连接SSR固态继电器，另一个引出端通过电抗器连接CT电流互感器，所述SSR固态继电器和CT电流互感器分别通过断路器QF连接三相电网的相线；所述CT电流互感器用于采集电容器输出的电流，所述SSR固态继电器用于根据设定的所允许的无功含量范围，控制电容器的投切，所述电抗器用于抵抗电容器接入处母线的背景谐波。

2.根据权利要求1所述的抗谐波共补无功补偿模块，其特征在于，所述SSR固态继电器的开关方式为电压过零导通，电容需要投入时在电压为零的时候接通电容器，电容需要切除时在电流为零的时候切除电容器。

3.根据权利要求1所述的抗谐波共补无功补偿模块，其特征在于，所述补偿电容器包括两个以上并联的电容器。

4.根据权利要求1所述的抗谐波共补无功补偿模块，其特征在于，所述电抗器根据电容器接入处母线的背景谐波，选择适当电抗率的电抗器与电容器匹配。

5.根据权利要求1所述的抗谐波共补无功补偿模块，其特征在于，所述电容器上设置用于检测电容温度的电子热开关，所述SSR附近也设置用于检测SSR温度的电子热开关，所述电子热开关串联使用，当其中的任何一个电子热开关所测得的温度超过设定温度的时候，电子热开关由闭合变为断开状态。

6.一种抗谐波共补无功补偿设备，其特征在于，包括所述抗谐波共补无功补偿模块以及控制器和显示器，所述控制器分别连接所述抗谐波共补无功补偿模块和所述显示器；所述控制器检测电网的电压、电流、电压相位、电流相位和谐波含量从而计算电网的无功功率，根据设定的所允许的无功和谐波含量范围，控制所述抗谐波共补无功补偿模块的投切，所述显示器用于显示进线电压、补偿电流、进线功率因数以及模块的工作状态；所述控制器和所述抗谐波共补无功补偿模块之间采用CAN通信方式进行通信，当单个共补无功补偿抗谐波模块的补偿容量不足以补偿电网中的无功功率的时候，控制多个抗谐波共补无功补偿模块依次投入工作，直到电网补偿到合适的功率因数为止。

7.根据权利要求6所述的抗谐波共补无功补偿设备，其特征在于，所述控制器设置每个抗谐波共补无功补偿模块具有其唯一的地址，当需要多个抗谐波共补无功补偿模块投入工作时，按模块地址由小到大依次投入所述抗谐波共补无功补偿模块。

8.一种抗谐波共补无功补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)控制器检测电网无功功率含量；

2)根据设定的所允许的无功含量范围，判断是否需要投切抗谐波共补无功补偿模块；

3)当单个模块的补偿容量不足时，判断所需要投切的模块个数；

4)控制器按需投切抗谐波共补无功补偿模块，补偿完毕后切除。

9.根据权利要求9所述的抗谐波共补无功补偿方法，其特征在于，所述步骤4)中，当单个抗谐波共补无功补偿模块的补偿容量不足以补偿电网中的无功功率时，根据每个模块具有的唯一地址，按地址从小到大依次投入所述抗谐波共补无功补偿模块，直到补偿到合适的功率因数为止。

10.根据权利要求9所述的抗谐波共补无功补偿方法，其特征在于，所述步骤4)中，还包括温度检测和谐波检测的步骤，当温度超过设定温度或者谐波含量超过设定量时，控制器控制切除所述抗谐波无功补偿模块，使其停止工作。