CN105896553A - 一种智能三相分相无功补偿装置 - Google Patents

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Abstract

一种智能三相分相无功补偿装置，涉及一种功率补偿装置，含有熔断器组、三相功率因数测量、投切开关组、补偿电容器组、ARM微控制器，其采用三相功率因数测量、补偿电容器组与ARM微控制器相结合设计而成，能够有效地实现电网运行下快速、高精度、无冲击、三相独立的无功功率补偿控制效果。同时该装置还可以广泛应用于三相供电不平衡的城乡民用电网中，保证三相电网中每相供电的功率因数都能够接近或达到1，有效提高了电网供电的效率，改善了电网的供电质量。

Description

一种智能三相分相无功补偿装置
技术领域
本发明涉及一种功率补偿装置，特别是一种智能三相分相无功补偿装置。
背景技术
改革开放以来，国民经济得到快速增长，以“科技创新，自主创新”已成为我国目前工业发展的主流，我国工业逐步向集约型，节能减排，低碳的方向发展。在我国城乡民用电网中，绝大多数用电设备均采用单相供电方式，这就要求配电变压器采用三相四线制的配电方式，但由于这些用电设备在使用时间上存在着随机性和不确定性，这就使得电网在正常运行下处于三相不平衡状态，从而导致三相电网功率因数各不相同，造成电能损耗增加，效率降低，电能质量变差等问题。为了有效提高电网的三相供电功率因数，现有的无功补偿装置通常采用多路三相平衡的补偿方式，但由于采用多级投切补偿，使得功率因数补偿的精细程度较差，且并没有实质性地解决三相电网功率因数各不相同的问题。针对上述这一问题，科研单位和电力系统的科技人员在不断的研究、探索，利用现代科学技术对无功补偿装置进行了改进设计，虽然在技术上取得了一些进步，但在实际运用中仍然存在着尚未克服的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服以上不足，提供一种智能三相分相无功补偿装置，该装置采用三相功率因数测量、补偿电容器组与ARM微控制器相结合设计而成，能够有效地实现电网运行下快速、高精度、无冲击、三相独立的无功功率补偿控制效果。同时该装置还可以广泛应用于三相供电不平衡的城乡民用电网中，保证三相电网中每相供电的功率因数都能够接近或达到1，有效提高了电网供电的效率，改善了电网的供电质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：含有熔断器组、三相功率因数测量、投切开关组、补偿电容器组、ARM微控制器，熔断器组包括A相线路上的熔断器aFU、B相线路上的熔断器bFU、C相线路上的熔断器cFU与中性线N线路上的熔断器nFU，三相四线(A相线路、B相线路、C相线路与中性线N线路)经由熔断器组输出，依次电性连接到三相功率因数测量上的三相四线接入端，所述三相功率因数测量包括三组电流传感器、三组电压传感器与一信号调理电路，三组电流传感器分别串接在A相、B相、C相线路中，三组电压传感器分别并接在对应的相线与中性线N之间，信号调理电路用于对三相电流、三相电压及对应的各相负载功率因数进行分析和处理，其输出的电压和电流信号为模拟信号，输出的功率因数为周期固定的脉冲信号；三相功率因数测量分两路来输出：一路是通过三相功率因数测量上的三相四线输出端电性输送至各用电设备；一路是借助三相功率因数测量中的信号调理电路将其检测到的输出模拟电压信号、电流信号与功率因数脉宽信号电性输送至ARM微控制器；补偿电容器组由三套七组容量进行特殊配置的电容器组成，各组电容器容量分别为总无功补偿电容容量的1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64和1/128；投切开关组由三套八组开关组成，其中，一组开关采用大容量接触器作为每相无功补偿支路的总开关，与三相功率因数测量的电网输出各相线电性连接，节点分别为a、b、c；另外七组开关是与补偿电容器组对应的电容无功补偿投切开关，由接触器、晶闸管和电压过零开关电气组成；ARM微控制器与补偿电容器组均与投切开关组电性连接，组成了一种智能三相分相无功补偿装置。
本发明所采用的技术原理是：本发明采用熔断器组、三相功率因数测量、投切开关组、补偿电容器组与ARM微控制器进行控制线路连接，以实现三相供电系统的各相电流、电压及对应的各相负载功率因数的实时测量、分析、计算和无功功率补偿的准确、快速控制，保证三相供电系统中的每相功率因数都能够达到或接近1的水平，且在电容器组的投切过程中实现电网电压和电流的无冲击性波动、无电网污染。三相四线(A相线路、B相线路、C相线路与中性线N线路)经由熔断器组输出，依次电性连接到三相功率因数测量上的三相四线接入端，所述三相功率因数测量包括三组电流传感器、三组电压传感器与一信号调理电路，其中，三组电流传感器分别串接在三相供电系统的每相线路中，用于检测三相供电系统的相电流；三组电压传感器分别并接在对应的相线和中性线之间，用于检测供电系统的相电压；信号调理电路对相电流相电压进行分析处理后，其输出的电压和电流信号是可供ARM微控制器进行检测的与电压和电流大小呈线性关系的模拟信号，输出的功率因数信号为周期固定的脉冲信号，为ARM微控制器进行三相供电系统中各相负载的大小和功率因数计算和分析提供所需的模拟量信号和脉冲宽度测量信号。三相功率因数测量分两路来输出：一路是通过三相功率因数测量上的三相四线输出端电性输送至各用电设备；一路是借助三相功率因数测量中的信号调理电路将其检测到的输出模拟电压信号、电流信号与功率因数脉宽信号电性输送至ARM微控制器。补偿电容器组由三套七组单相补偿电容器组成，均采用数学分析中的7位二进制编码技术进行无功补偿电容容量分配，各组电容器容量分别为总无功补偿电容容量的1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64和1/128。现有的无功补偿装置在无功补偿控制过程中虽然采用分组切换的无功补偿技术，但其补偿电容容量精度只能达到总补偿电容容量的1/127(≈0.7874％，远小于电力电容器允许的容量误差10％)，不能有效提高功率因数补偿的精细程度，且也没有实质性地解决三相电网功率因数各不相同的问题。因此，在本装置中，通过采用补偿电容器组投切进行无级调节以实现无功补偿控制，且运用三相独立分组原理，有效实现三相供电系统的单相独立补偿控制，使各相供电的功率因数均能保持较高的水平，同时，在不同程度上可有效抑制或降低电网因三相负载不平衡而出现的供电不平衡度。投切开关组由三套八组开关组成，其中，一组开关采用大容量接触器作为每相无功补偿支路的总开关，与三相功率因数测量的电网输出各相线电性连接，主要用于控制各相无功补偿控制是否接入电网；另外七组开关是与补偿电容器组对应的电容无功补偿投切开关，由接触器、晶闸管和电压过零开关电气组成，这些投切开关在ARM微控制器的控制下，由晶闸管实现电压的过零投入与电流的过零切除，并由继电器接点来通过连续电流，这样既避免了晶闸管的导通损耗问题，也消除了电容器投入时的涌流，还大大增加了晶闸管和继电器的使用寿命。
ARM微控制器是整个装置的测量、分析、计算和控制核心。当三相分相不平衡无功补偿装置接入三相供电电网后，ARM微控制器进行三相供电系统分相无功补偿控制过程如下：首先，对各单相电压和电流进行数字化处理，判断三相供电电网是否开始供电以及是否有负载存在，当有负载存在时，则开始测量并计算三相供电系统中各相的功率因数；然后，判断各相是否需要进行无功功率补偿，如果需要进行无功补偿，则接通相应相线的无功补偿总开关；接下来，对各相的无功补偿量进行分析和计算，根据计算的补偿电容容量值，通过ARM微控制器发送指令，自动控制投切开关组中对应相的七组投切开关，以实现投入相应的补偿电容器组中的七组容量特殊配置的电容器，使补偿电容容量的投切与计算容量的偏差值控制在1％以内，即保证各相无功补偿后的功率因数达到0.99～1之间；最后，分析当前的补偿效果，并进行小范围适应性调节，实现功率因数动态跟踪补偿接近或达到1的状态。
投切开关组的无功补偿控制过程为：在补偿投入时，使投切开关中的晶闸管实现电压过零导通，投入该组补偿电容，待晶闸管工作稳定后，控制该组的接触器导通并代替晶闸管以降低导通损耗，待接触器工作稳定后，停止晶闸管的触发控制；在补偿切除时，控制该组的晶闸管导通，待晶闸管工作稳定后，控制接触器断开，由晶闸管维持导通补偿，控制其零电流关断以切除该组的无功补偿。
本发明的有益效果是：采用三相功率因数测量、补偿电容器组与ARM微控制器相结合设计而成，能够有效地实现电网运行下快速、高精度、无冲击、三相独立的无功功率补偿控制效果。同时该装置还能广泛应用于三相供电不平衡的城乡民用电网中，能够有效实现三相分相不平衡的无功补偿，保证三相电网中每相供电的功率因数都能够接近或达到1，满足我国城乡民用电网的实际无功补偿的需要，使供电电网的效能达到较高水平，有效地改善了电网的供电质量。
附图说明
下面是结合附图和实施例对本发明进一步描述：
图1是一种智能三相分相无功补偿装置的接线原理示意图
在图中：1.熔断器组、2.三相功率因数测量、3.投切开关组、4.补偿电容器组、5.ARM微控制器。
具体实施方式
在图中，熔断器组1包括A相线路上的熔断器aFU、B相线路上的熔断器bFU、C相线路上的熔断器cFU与中性线N线路上的熔断器nFU，三相四线(A相线路、B相线路、C相线路与中性线N线路)经由熔断器组1输出，依次电性连接到三相功率因数测量2上的三相四线接入端，所述三相功率因数测量2包括三组电流传感器、三组电压传感器与一信号调理电路，三组电流传感器分别串接在A相、B相、C相线路中，三组电压传感器分别并接在对应的相线与中性线N之间，信号调理电路用于对三相电流、三相电压及对应的各相负载功率因数进行分析和处理，其输出的电压和电流信号为模拟信号，输出的功率因数为周期固定的脉冲信号；三相功率因数测量2分两路来输出：一路是通过三相功率因数测量2上的三相四线输出端电性输送至各用电设备；一路是借助三相功率因数测量2中的信号调理电路将其检测到的输出模拟电压信号、电流信号与功率因数脉宽信号电性输送至ARM微控制器5；补偿电容器组4由三套七组容量进行特殊配置的电容器组成，各组电容器容量分别为总无功补偿电容容量的1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64和1/128；投切开关组3由三套八组开关组成，其中，一组开关采用大容量接触器作为每相无功补偿支路的总开关，与三相功率因数测量2的电网输出各相线电性连接，节点分别为a、b、c；另外七组开关是与补偿电容器组4对应的电容无功补偿投切开关，由接触器、晶闸管和电压过零开关电气组成；ARM微控制器5与补偿电容器组4均与投切开关组3电性连接，组成了一种智能三相分相无功补偿装置。
本发明采用熔断器组1、三相功率因数测量2、投切开关组3、补偿电容器组4与ARM微控制器5进行控制线路连接，以实现三相供电系统的各相电流、电压及对应的各相负载功率因数的实时测量、分析、计算和无功功率补偿的准确、快速控制，保证三相供电系统中的每相功率因数都能够达到或接近1的水平，且在补偿电容器组4的投切过程中实现电网电压和电流的无冲击性波动、无电网污染。三相四线(A相线路、B相线路、C相线路与中性线N线路)经由熔断器组1输出，依次电性连接到三相功率因数测量2上的三相四线接入端，所述三相功率因数测量2包括三组电流传感器、三组电压传感器与一信号调理电路，其中，三组电流传感器分别串接在三相供电系统的每相线路中，用于检测三相供电系统的相电流；三组电压传感器分别并接在对应的相线和中性线之间，用于检测供电系统的相电压；信号调理电路对相电流相电压进行分析处理后，其输出的电压和电流信号是可供ARM微控制器5进行检测的与电压和电流大小呈线性关系的模拟信号，输出的功率因数信号为周期固定的脉冲信号，为ARM微控制器5进行三相供电系统中各相负载的大小和功率因数计算和分析提供所需的模拟量信号和脉冲宽度测量信号。三相功率因数测量2分两路来输出：一路是通过三相功率因数测量2上的三相四线输出端电性输送至各用电设备；一路是借助三相功率因数测量2中的信号调理电路将其检测到的输出模拟电压信号、电流信号与功率因数脉宽信号电性输送至ARM微控制器5。补偿电容器组4由三套七组单相补偿电容器组成，均采用数学分析中的7位二进制编码技术进行无功补偿电容容量分配，各组电容器容量分别为总无功补偿电容容量的1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64和1/128。现有的无功补偿装置在无功补偿控制过程中虽然采用分组切换的无功补偿技术，但其补偿电容容量精度只能达到总补偿电容容量的1/127(≈0.7874％，远小于电力电容器允许的容量误差10％)，不能有效提高功率因数补偿的精细程度，且也没有实质性地解决三相电网功率因数各不相同的问题。因此，在本装置中，通过采用补偿电容器组4投切进行无级调节以实现无功补偿控制，且运用三相独立分组原理，有效实现三相供电系统的单相独立补偿控制，使各相供电的功率因数均能保持较高的水平，同时，在不同程度上可有效抑制或降低电网因三相负载不平衡而出现的供电不平衡度。投切开关组3由三套八组开关组成，其中，一组开关采用大容量接触器作为每相无功补偿支路的总开关，与三相功率因数测量2的电网输出各相线电性连接，主要用于控制各相无功补偿控制是否接入电网；另外七组开关是与补偿电容器组4对应的电容无功补偿投切开关，由接触器、晶闸管和电压过零开关电气组成，这些投切开关在ARM微控制器5的控制下，由晶闸管实现电压的过零投入与电流的过零切除，并由继电器接点来通过连续电流，这样既避免了晶闸管的导通损耗问题，也消除了电容器投入时的涌流，还大大增加了晶闸管和继电器的使用寿命。
ARM微控制器5是整个装置的测量、分析、计算和控制核心。当三相分相不平衡无功补偿装置接入三相供电电网后，ARM微控制器5进行三相供电系统分相无功补偿控制过程如下：首先，对各单相电压和电流进行数字化处理，判断三相供电电网是否开始供电以及是否有负载存在，当有负载存在时，则开始测量并计算三相供电系统中各相的功率因数；然后，判断各相是否需要进行无功功率补偿，如果需要进行无功补偿，则接通相应相线的无功补偿总开关；接下来，对各相的无功补偿量进行分析和计算，根据计算的补偿电容容量值，通过ARM微控制器5发送指令，自动控制投切开关组3中对应相的七组投切开关，以实现投入相应的补偿电容器组4中的七组容量特殊配置的电容器，使补偿电容容量的投切与计算容量的偏差值控制在1％以内，即保证各相无功补偿后的功率因数达到0.99～1之间；最后，分析当前的补偿效果，并进行小范围适应性调节，实现功率因数动态跟踪补偿接近或达到1的状态。
投切开关组3的无功补偿控制过程为：在补偿投入时，使投切开关中的晶闸管实现电压过零导通，投入该组补偿电容，待晶闸管工作稳定后，控制该组的接触器导通并代替晶闸管以降低导通损耗，待接触器工作稳定后，停止晶闸管的触发控制；在补偿切除时，控制该组的晶闸管导通，待晶闸管工作稳定后，控制接触器断开，由晶闸管维持导通补偿，控制其零电流关断以切除该组的无功补偿。

Claims (1)

1.一种智能三相分相无功补偿装置，含有熔断器组、三相功率因数测量、投切开关组、补偿电容器组、ARM微控制器，其特征在于：熔断器组包括A相线路上的熔断器aFU、B相线路上的熔断器bFU、C相线路上的熔断器cFU与中性线N线路上的熔断器nFU，三相四线(A相线路、B相线路、C相线路与中性线N线路)经由熔断器组输出，依次电性连接到三相功率因数测量上的三相四线接入端，所述三相功率因数测量包括三组电流传感器、三组电压传感器与一信号调理电路，三组电流传感器分别串接在A相、B相、C相线路中，三组电压传感器分别并接在对应的相线与中性线N之间，信号调理电路用于对三相电流、三相电压及对应的各相负载功率因数进行分析和处理，其输出的电压和电流信号为模拟信号，输出的功率因数为周期固定的脉冲信号；三相功率因数测量分两路来输出：一路是通过三相功率因数测量上的三相四线输出端电性输送至各用电设备；一路是借助三相功率因数测量中的信号调理电路将其检测到的输出模拟电压信号、电流信号与功率因数脉宽信号电性输送至ARM微控制器；补偿电容器组由三套七组容量进行特殊配置的电容器组成，各组电容器容量分别为总无功补偿电容容量的1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64和1/128；投切开关组由三套八组开关组成，其中，一组开关采用大容量接触器作为每相无功补偿支路的总开关，与三相功率因数测量的电网输出各相线电性连接，节点分别为a、b、c；另外七组开关是与补偿电容器组对应的电容无功补偿投切开关，由接触器、晶闸管和电压过零开关电气组成；ARM微控制器与补偿电容器组均与投切开关组电性连接，组成了一种智能三相分相无功补偿装置。
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