CN107248748B - 一种不平衡无功补偿智能电容器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力领域，尤其涉及一种不平衡无功补偿智能电容器及其方法，包括主控MCU处理单元、数据采集单元、过零投切控制单元、以及由分补、相补电容组成电容器组件组成，主控MCU处理单元根据电压、电流信号以及温度信号计算出电网侧采样数据，再根据电网侧采样数据，优先进行不平衡补偿方案，再进行无功补偿方案，并通过过零投切控制单元实现分补电容器组或相补电容器组的选择，从而实现不平衡补偿调度或无功补偿调度。本发明的有益效果是：可实现单独分补电容补偿、相补，同时控制共补电容补偿或分补和相补混合补偿等补偿形式；即实现了不平衡补偿，又实现了无功补偿，还提高了智能电容的利用空间。
Description
技术领域
本发明涉及电力领域，尤其涉及一种不平衡无功补偿智能电容器及其方法。
背景技术
随着我国各行各业的迅速崛起和发展，人民的生活水平越来越高，配电系统日益扩大，日益复杂，冲击性、非对称性负荷不断增加，这些负荷系统会引起配电系统中功率因数低，三相不平衡度大等电能质量问题。当供电系统中存在着大量的无功功率流动，三相不平衡度超过一定范围时，将会影响系统的安全运行。
在实际中低压配电网系统中，三相不平衡和无功功率经常同时出现，但现有的无功补偿设备，如分补电容、共补电容等，虽然实现了无功补偿功能，但是未考虑如何改善和补偿三相不平衡，如果投切不当，反而会增加不平衡情况。三相不平衡补偿装置，如零线电流补偿方法、有功转移开关等，不能实现无功补偿。有些动态补偿装置，如SVG、APF等，虽然能够同时补偿无功和三相不平衡，但是设备庞大，成本昂贵或者存在现场接线安装复杂等问题。
传统电容器只能单一实现无功补偿或不平衡补偿，或者多台分补电容、共补电容和相补电容组合进行补偿，更有甚者需要通过控制器、复合开关等控制设备进行控制，但是存在现场安装复杂，体积庞大，运行成本高等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种克服以往传统电容器的上述不足，提供一种新型不平衡无功补偿技术在智能电容器上的应用产品，实现智能电容器小型化、智能化，提高使用的便捷性，提高单位体积的电容容量。
本发明技术方案是：一种不平衡无功补偿智能电容器，包括主控MCU处理单元、数据采集单元、过零投切控制单元、以及由分补、相补电容组成电容器组件组成，所述数据采集单元电连接主控MCU处理单元，所述主控MCU处理单元通过过零投切控制单元电连接电容器组件，所述数据采集单元包括交流采样单元和温度采样单元，所述交流采样单元采集电网测母线的电压、电流信号，通过温度传感器采集电容器组件本体的温度信号，并将电压、电流信号以及温度信号传送到主控MCU处理单元；主控MCU处理单元根据电压、电流信号以及温度信号计算出电网侧采样数据，再根据电网侧采样数据，优先进行不平衡补偿方案，再进行无功补偿方案，并通过过零投切控制单元实现分补电容器组或相补电容器组的选择，从而实现不平衡补偿调度或无功补偿调度。
优选的，还包括人机交互单元，所述人机交互单元包括液晶显示器、LED指示灯和按键，所述液晶显示器、LED指示灯和按键分别电连接主控MCU处理单元，实现采集数据、控制状态、闭锁保护信息以及运行参数显示和设置功能。
优选的，还包括通信单元，所述通信单元电连接主控MCU处理单元，通信单元用于与其他外部设备进行实时数据交互。
优选的，所述交流采样单元包括电压互感器和电流互感器，所述电压互感器和电流互感器分别采集电网测母线的电压、电流信号。
本发明还涉及一种不平衡无功补偿的方法，交流采样单元采集电网测母线的电压、电流信号，通过温度传感器采集电容器组件本体的温度信号，并将电压、电流信号以及温度信号传送到主控MCU处理单元，主控MCU处理单元根据电压、电流信号以及温度信号计算出电网侧采样数据，再根据电网侧采样数据，优先进行不平衡补偿方案，再进行无功补偿方案，并通过过零投切控制单元实现分补电容器组或相补电容器组的选择，从而实现不平衡补偿调度或无功补偿调度。
优选的，所述电网侧采样数据包括各相电路的电压Ux、电流Ix、电压电流相位角Φx、有功功率Px、无功功率Qx、功率因数CosΦx、补偿前的电流不平衡度ε、补偿后的电流不平衡度εn，补偿前的电流不平衡度I2以及补偿后的电流不平衡度In 2。
优选的，优先进行不平衡补偿方案，再进行无功补偿方案的方法具体为：若电网侧不平衡度εn＞电流不平衡度限值εLim，则进行不平衡补偿方案；若电网侧功率因数CosΦx≤目标功率因数CosΦLim，则进行无功补偿方案。
优选的，所述不平衡补偿方案包括：如果电网侧电流不平衡度ε≤电流不平衡度限值εLim，则无需补偿；如果电网侧电流不平衡度ε≤补偿后电流不平衡度εn的最小值，则无需补偿；如果电网侧电流不平衡度ε＞补偿后电流不平衡度εn的最小值，则选择补偿后电流不平衡度εn的最小值进行不平衡补偿补偿调度。
优选的，所述无功补偿方案包括：若电网侧电流平方和I2≤补偿后电流平方和In 2的最小值，则不需要补偿；若电网侧电流平方和I2＞补偿后电流平方和In 2的最小值，则选补偿后电流平方和In 2的最小值进行无功补偿调度。
优选的，还包括投切控制单元接收到投切控制命令后，则检测电压过零投入信号或电流过零切除信号，实现控制电容器的投入和切除控制功能。
本发明的有益效果是：可实现单独分补电容补偿、相补，同时控制共补电容补偿或分补和相补混合补偿等补偿形式；即实现了不平衡补偿，又实现了无功补偿，还提高了智能电容的利用空间。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明不平衡无功补偿智能电容系统结构图；
图2为本发明不平衡无功补偿模型示意图；
图3为本发明不平衡无功补偿流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
结合附图1，一种不平衡无功补偿智能电容器，包括主控MCU处理单元、数据采集单元、过零投切控制单元、以及由分补、相补电容组成电容器组件组成，所述数据采集单元电连接主控MCU处理单元，所述主控MCU处理单元通过过零投切控制单元电连接电容器组件，所述数据采集单元包括交流采样单元和温度采样单元，所述交流采样单元采集电网测母线的电压、电流信号，通过温度传感器采集电容器组件本体的温度信号，并将电压、电流信号以及温度信号传送到主控MCU处理单元；主控MCU处理单元根据电压、电流信号以及温度信号计算出电网侧采样数据，再根据电网侧采样数据，优先进行不平衡补偿方案，再进行无功补偿方案，并通过过零投切控制单元实现分补电容器组或相补电容器组的选择，从而实现不平衡补偿调度或无功补偿调度。
进一步的，还包括人机交互单元，所述人机交互单元包括液晶显示器、LED指示灯和按键，所述液晶显示器、LED指示灯和按键分别电连接主控MCU处理单元，实现采集数据、控制状态、闭锁保护信息以及运行参数显示和设置功能。
进一步的，还包括通信单元，所述通信单元电连接主控MCU处理单元，通信单元用于与其他外部设备进行实时数据交互。
具体的，所述交流采样单元包括电压互感器和电流互感器，所述电压互感器和电流互感器分别采集电网测母线的电压、电流信号。
本发明还涉及一种不平衡无功补偿智能电容器的补偿方法，交流采样单元采集电网测母线的电压、电流信号，通过温度传感器采集电容器组件本体的温度信号，并将电压、电流信号以及温度信号传送到主控MCU处理单元，主控MCU处理单元根据电压、电流信号以及温度信号计算出电网侧采样数据，再根据电网侧采样数据，优先进行不平衡补偿方案，再进行无功补偿方案，并通过过零投切控制单元实现分补电容器组或相补电容器组的选择，从而实现不平衡补偿调度或无功补偿调度。
下面以三相四线电路进一步进行说明。
交流采样、温度采样单元通过电压互感器、电流互感器将高压、大电流信号通过采样信号转换及处理电路再经过ADC转换器转换成5VADC采样信号，通过温度传感器将电容器温度信号转换成ADC采样点信号，通过电压比较器将电压、电流过零信号转化为上升或下降沿外部中断信号。
主控MCU处理单元每间隔200ms计算出一组A、B、C三相电压、电流和电容器温度ADC转换数据，并进一步转换成A、B、C三相电压UA、UB、UC、电流IA、IB、IC和电容器温度Temp等数据，通过电压、电流过零外部中断时间差计算出A、B、C三相电压、电流相位差ΦA、ΦB、ΦC等。
主控MCU处理单元根据采样数据计算出电网侧A、B、C三相电压Ux、电流Ix、电压电流相位角Φx、有功功率Px、无功功率Qx、功率因数CosΦx和三相电流不平衡度ε等电网侧采样数据。
若电网侧不平衡度ε＞电流不平衡度限值εLim，则进行不平衡补偿方案。
根据补偿模型(如图2所示)和电路原理可得如下补偿公式：
其中，补偿模型计算公式中，分别为A相与B相、B相与C相，C相与A相间的相补电容等效容量，记作/> 分别为A相、B相，C相与零线间的分补电容等效容量，记作/>PA、PB、PC和QA、QB、QC为补偿前三相有功功率和无功功率，记作Px和Qx；PAt、PBt、PCt和QAt、QBt、QCt为补偿后三相有功功率和无功功率，记作Pxt和Qxt。
补偿后电流有效值计算公式如下所示：
将可投切控制操作的相补电容、分补电容分别带入补偿效果计算公式和补偿后分相电流计算公式，可计算出补偿后电流IA1、IB1、IC1～IAn、IBn、ICn。
电流不平衡度ε参考IEEE std 112-1991定义的电压不平衡度的计算方法计算三相电流不平衡度，计算公式如下：
A、B、C三相电流平方和计算公式如下：
具体的，将相补电容C1、C2、C3等效电容容量带入补偿计算公式(1)中，分解计算出补偿后有功功率和无功功率PA1、PB1、PC1、QA1、QB1、QC1～PA3、PB3、PC3、QA3、QB3、QC3。
将补偿后有功功率、无功功率带入补偿后电流计算公式(2)分别计算出补偿后A、B、C三相电流IA1、IB1、IC1～IA3、IB3、IC3。
依据电流不平衡度计算公式(3)分别计算出补偿前和补偿后各方案下电流不平衡度ε、ε1～ε3。
如果电网侧电流不平衡度ε≤补偿后电流不平衡度MIN[ε1～ε3]，则无需进行补偿；如果电网侧电流不平衡ε＞补偿后电流不平衡度MIN[ε1～ε3]，则选择ε1～ε3最小的作为最佳补偿方案进行补偿；如果电网侧不平衡度ε≤电流不平衡度限值εLim，则不需要不平衡补偿，从而进行无功补偿算法进行无功调度。
若当前电网侧功率因数CosΦX≤目标功率因数CosΦLim，则进行无功补偿方案。
将分补电容C4、C5、C6等效电容容量带入补偿计算公式(1)中，分解计算出补偿后有功功率和无功功率PA1、PB1、PC1、QA1、QB1、QC1～PA3、PB3、PC3、QA3、QB3、QC3。
将补偿后有功功率、无功功率带入补偿后电流计算公式(2)分别计算出补偿后A、B、C三相电流IA1、IB1、IC1～IA3、IB3、IC3。
依据电流平方和计算公式(4)分别计算出补偿前和补偿后各方案电流平方和I2、
如果补偿前电网侧电流平方和I2≤补偿后电流平方和则不需要无功补偿；如果补偿前电网侧电流平方和I2＞补偿后电流平方和/>则选择补偿后电流平方和最小的方案作为最终补偿方案；如果当前电网侧功率因数CosΦX＞目标功率因数CosΦLim，则无需进行无功补偿。
不平衡或无功补偿方案确定完成，系统进入稳态延时，稳态延时时间内，补偿方案未发生变化，则发出对电容C1～C6的投切控制命令。
投切控制单元接收到投切控制命令后，则检测电压过零投入信号或电流过零切除信号后，通过磁保持继电器实现控制电容器的投入和切除控制功能，实现了精确无涌流投切控制，延长了开关和电力电容器的使用寿命。
通信模块实时与其它外部设备进行组网、数据交互等通讯，便于多组智能电容器组网进不平衡无功补偿，从而提高了补偿效率和效果。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.一种不平衡无功补偿智能电容器，其特征在于，包括主控MCU处理单元、数据采集单元、过零投切控制单元、以及由分补、相补电容组成电容器组件组成，所述数据采集单元电连接主控MCU处理单元，所述主控MCU处理单元通过过零投切控制单元电连接电容器组件，
所述数据采集单元包括交流采样单元和温度采样单元，所述交流采样单元采集电网测母线的电压、电流信号，通过温度传感器采集电容器组件本体的温度信号，并将电压、电流信号以及温度信号传送到主控MCU处理单元；
主控MCU处理单元根据电压、电流信号以及温度信号计算出电网侧采样数据，再根据电网侧采样数据，优先进行不平衡补偿方案，再进行无功补偿方案，并通过过零投切控制单元实现分补电容器组或相补电容器组的选择，从而实现不平衡补偿调度或无功补偿调度；
主控MCU处理单元每间隔200ms计算出一组A、B、C三相电压、电流和电容器温度ADC转换数据，并进一步转换成A、B、C三相电压UA、UB、UC、电流IA、IB、IC和电容器温度Temp，通过电压、电流过零外部中断时间差计算出A、B、C三相电压、电流相位差ΦA、ΦB、ΦC；
主控MCU处理单元根据采样数据计算出电网侧A、B、C三相电压Ux、电流Ix、电压电流相位角Φx、有功功率Px、无功功率Qx、功率因数CosΦx和三相电流不平衡度ε；
若电网侧不平衡度ε＞电流不平衡度限值εLim，则进行不平衡补偿方案；若电网侧功率因数CosΦx≤目标功率因数CosΦLim，则进行无功补偿方案；
基于公式(一)进行无功补偿：
其中，补偿模型计算公式中，分别为A相与B相、B相与C相，C相与A相间的相补电容等效容量，记作/>分别为A相、B相，C相与零线间的分补电容等效容量，记作/>PA、PB、PC和QA、QB、QC为补偿前三相有功功率和无功功率，记作Px和Qx；PAt、PBt、PCt和QAt、QBt、QCt为补偿后三相有功功率和无功功率，记作Pxt和Qxt；
补偿后电流有效值计算公式(2)如下所示：
将可投切控制操作的相补电容、分补电容分别带入补偿效果计算公式和补偿后分相电流计算公式，可计算出补偿后电流IA1、IB1、IC1～IAn、IBn、ICn，三相电流不平衡度计算公式(3)如下：
A、B、C三相电流平方和计算公式(4)如下：
将相补电容C1、C2、C3等效电容容量带入补偿计算公式(1)中，分解计算出补偿后有功功率和无功功率PA1、PB1、PC1、QA1、QB1、QC1～PA3、PB3、PC3、QA3、QB3、QC3；
将补偿后有功功率、无功功率带入补偿后电流计算公式(2)分别计算出补偿后A、B、C三相电流IA1、IB1、IC1～IA3、IB3、IC3；
依据电流不平衡度计算公式(3)分别计算出补偿前和补偿后各方案下电流不平衡度ε、ε1～ε3；
如果电网侧电流不平衡度ε≤补偿后电流不平衡度MIN[ε1～ε3]，则无需进行补偿；如果电网侧电流不平衡ε＞补偿后电流不平衡度MIN[ε1～ε3]，则选择ε1～ε3最小的作为最佳补偿方案进行补偿；如果电网侧不平衡度ε≤电流不平衡度限值εLim，则不需要不平衡补偿，从而进行无功补偿算法进行无功调度；
将分补电容C4、C5、C6等效电容容量带入补偿计算公式(1)中，分解计算出补偿后有功功率和无功功率PA1、PB1、PC1、QA1、QB1、QC1～PA3、PB3、PC3、QA3、QB3、QC3；将补偿后有功功率、无功功率带入补偿后电流计算公式(2)分别计算出补偿后A、B、C三相电流IA1、IB1、IC1～IA3、IB3、IC3；依据电流平方和计算公式(4)分别计算出补偿前和补偿后各方案电流平方和I2、
如果补偿前电网侧电流平方和I2≤补偿后电流平方和则不需要无功补偿；如果补偿前电网侧电流平方和I2＞补偿后电流平方和/>则选择补偿后电流平方和最小的方案作为最终补偿方案；如果当前电网侧功率因数CosΦX＞目标功率因数CosΦLim，则无需进行无功补偿。
2.根据权利要求1所述的不平衡无功补偿智能电容器，其特征在于，还包括人机交互单元，所述人机交互单元包括液晶显示器、LED指示灯和按键，所述液晶显示器、LED指示灯和按键分别电连接主控MCU处理单元，实现采集数据、控制状态、闭锁保护信息以及运行参数显示和设置功能。
3.根据权利要求1所述的不平衡无功补偿智能电容器，其特征在于，还包括通信单元，所述通信单元电连接主控MCU处理单元，通信单元用于与其他外部设备进行实时数据交互。
4.根据权利要求1所述的不平衡无功补偿智能电容器，其特征在于，所述交流采样单元包括电压互感器和电流互感器，所述电压互感器和电流互感器分别采集电网测母线的电压、电流信号。
5.一种不平衡无功补偿的方法，其特征在于，交流采样单元采集电网测母线的电压、电流信号，通过温度传感器采集电容器组件本体的温度信号，并将电压、电流信号以及温度信号传送到主控MCU处理单元，主控MCU处理单元根据电压、电流信号以及温度信号计算出电网侧采样数据，再根据电网侧采样数据，优先进行不平衡补偿方案，再进行无功补偿方案，并通过过零投切控；
制单元实现分补电容器组或相补电容器组的选择，从而实现不平衡补偿调度或无功补偿调度；
主控MCU处理单元每间隔200ms计算出一组A、B、C三相电压、电流和电容器温度ADC转换数据，并进一步转换成A、B、C三相电压UA、UB、UC、电流IA、IB、IC和电容器温度Temp，通过电压、电流过零外部中断时间差计算出A、B、C三相电压、电流相位差ΦA、ΦB、ΦC；
主控MCU处理单元根据采样数据计算出电网侧A、B、C三相电压Ux、电流Ix、电压电流相位角Φx、有功功率Px、无功功率Qx、功率因数CosΦx和三相电流不平衡度ε；
若电网侧不平衡度ε＞电流不平衡度限值εLim，则进行不平衡补偿方案；若电网侧功率因数CosΦx≤目标功率因数CosΦLim，则进行无功补偿方案；
可以基于公式(一)进行无功补偿：
其中，补偿模型计算公式中，分别为A相与B相、B相与C相，C相与A相间的相补电容等效容量，记作/>分别为A相、B相，C相与零线间的分补电容等效容量，记作/>PA、PB、PC和QA、QB、QC为补偿前三相有功功率和无功功率，记作Px和Qx；PAt、PBt、PCt和QAt、QBt、QCt为补偿后三相有功功率和无功功率，记作Pxt和Qxt；
补偿后电流有效值计算公式(2)如下所示：
将可投切控制操作的相补电容、分补电容分别带入补偿效果计算公式和补偿后分相电流计算公式，可计算出补偿后电流IA1、IB1、IC1～IAn、IBn、ICn，三相电流不平衡度计算公式(3)如下：
A、B、C三相电流平方和计算公式(4)如下：
将相补电容C1、C2、C3等效电容容量带入补偿计算公式(1)中，分解计算出补偿后有功功率和无功功率PA1、PB1、PC1、QA1、QB1、QC1～PA3、PB3、PC3、QA3、QB3、QC3；
将补偿后有功功率、无功功率带入补偿后电流计算公式(2)分别计算出补偿后A、B、C三相电流IA1、IB1、IC1～IA3、IB3、IC3；
依据电流不平衡度计算公式(3)分别计算出补偿前和补偿后各方案下电流不平衡度ε、ε1～ε3；
如果电网侧电流不平衡度ε≤补偿后电流不平衡度MIN[ε1～ε3]，则无需进行补偿；如果电网侧电流不平衡ε＞补偿后电流不平衡度MIN[ε1～ε3]，则选择ε1～ε3最小的作为最佳补偿方案进行补偿；如果电网侧不平衡度ε≤电流不平衡度限值εLim，则不需要不平衡补偿，从而进行无功补偿算法进行无功调度；
将分补电容C4、C5、C6等效电容容量带入补偿计算公式(1)中，分解计算出补偿后有功功率和无功功率PA1、PB1、PC1、QA1、QB1、QC1～PA3、PB3、PC3、QA3、QB3、QC3；将补偿后有功功率、无功功率带入补偿后电流计算公式(2)分别计算出补偿后A、B、C三相电流IA1、IB1、IC1～IA3、IB3、IC3；依据电流平方和计算公式(4)分别计算出补偿前和补偿后各方案电流平方和I2、
如果补偿前电网侧电流平方和I2≤补偿后电流平方和则不需要无功补偿；如果补偿前电网侧电流平方和I2＞补偿后电流平方和/>则选择补偿后电流平方和最小的方案作为最终补偿方案；如果当前电网侧功率因数CosΦX＞目标功率因数CosΦLim，则无需进行无功补偿。
6.根据权利要求5所述的一种不平衡无功补偿的方法，其特征在于，还包括投切控制单元接收到投切控制命令后，则检测电压过零投入信号或电流过零切除信号，实现控制电容器的投入和切除控制功能。
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