复合投切的智能低压无功补偿电容器设计

1、复合投切的智能低压无功补偿电容器设计摘 要：重点阐述了复合投切开关的结构及内部控制 原理，且详细介绍了智能投切控制器的内部结构及软件设 计。该智能电容器采用多投切判据的“循环投切”方式以实 现快速自动投切，并具有自诊断功能，可自动切除故障电容 器。测试结果表明该装置能够达到快速精确补偿的目的。关键词：电容器；复合投切；磁保持继电器；循环 投切中图分类号：TN710?34； TM53文献标识码：A文 章编号：1004?373X（2015）07?0156?04Keywords: capacitor； compound switching ； magnetic latching relay ； cy

2、cle switching0引言在配电系统中，低压电容器是一种应用非常广泛的无功 补偿设备，其安全可靠运行对配电系统的正常供电起着关键 作用1。目前无功补偿装置种类繁多。传统的低压补偿装置通常 采用交流接触器作为投切开关，接入时会产生涌流，触头易 粘结且不易拉开。之后，出现了品闸管开关，它具有过零触 发能力，能限制合闸涌流，但导通时会出现导通压降，产生 较大损耗和发热现象。为解决此问题，又出现了复合开关， 它由品闸管、交流接触器并联组成，具有两种开关的优势， 但正常运行时交流接触器的线圈需一直通电，增加了线路损 耗。最新的投切开关则采用磁保持继电器来代替交流接触器 与品闸管并联，组成了低功耗的

3、复合投切开关。智能低压无功补偿电容器（以下简称智能电容器）是以 若干台三角型联结的低压电容器为主体，采用微电子技术、 数字通信技术、传感器技术、电力电子技术等技术成果，将 其集成、智能化，通过对其运行参数的实时监测实现了故障 自诊断功能，采用低能耗磁保持继电器实现复合投切，多台 电容器通过并联方式按控制要求投切，实现无功自动补偿， 并具备了三相欠压、过压、过流、缺相等保护。能很好地适 应现代低压配电网对无功补偿的需求。1硬件结构智能电容器的硬件主要由检测电路、电源模块、智能投 切控制器、电容器组及外围电气设备组成，硬件结构如图1 所示。智能电容器采用STC89C52作为主处理器，通过A/D 采

4、样三相电压、电流，并实时计算运行参数，通过DS18B20 芯片获取电容器温度，根据相应的控制策略控制投切开关， 实现对配电网的无功补偿。1.1智能投切控制器智能投切控制器包括高精度DSP数据处理器和主控芯片STC89C522。DSP数据处理器选用TI公司的TMS320F28123?4芯片，工作频率达到150 MHz。整个处理 器集信号调理、电网频率跟踪、数据采集、算法处理、数据 存储为一体，可及时计算出无功功率、功率因数、电容值等 参数，并将参数存入参数寄存器，实现运行参数的实时测量 和数字化。由于需要同时采集三相电压、电流信号，故模/ 数转换模块采用多通道、转换速度快、精度高的AD76565

5、， 由AD620AR及OP?27进行信号调理。STC89C52内部集成中央处理器和存储单元，具有抗干 扰能力强、速度快、功耗低等特点，完全兼容MCS?51指令 系统6。STC89C52通过RS?485通信接口实现与 TMS320F2812之间的数据交换，完成数据的写入和寄存器结 果的读出。1.2复合投切开关复合投切开关是智能电容器的重要组成部件，由品闸 管、磁保持继电器、RC吸收电路以及光隔电路组成。开关 通过智能投切控制器实现投切。在投入时，先投入品闸管， 再投入磁保持继电器；断开时，先断开磁保持继电器，再关 断品闸管。开关在投切过程中，品闸管导通工作，投切完成 后由磁保持继电器维持通断状态

6、。1.2.1磁保持继电器驱动控制磁保持继电器是一种新型继电器7，具有双稳态和记忆 功能且功耗低8，内部装有线圈和永久磁钢，触点的状态切 换由智能投切控制器发出的正负脉冲信号控制。开关切换完 成后，由永久磁钢的磁力维持继电器的状态，线圈不需要继 续通电。驱动电路采用IR公司生产的IR21109芯片，电路结构 如图2所示。每个IR2110可以驱动一个半桥，两个可以驱 动一个H桥电路。驱动信号由IR2110的自举功能产生，当 U1的HO1和U2的HO2为高电平有效时，T1与T4管同 时导通；反之，当LO1和LO2为高电平有效时，T2与T3 同时导通。1.2.2晶闸管的驱动和开关状态检测电路复合投切开

7、关在接通和断开瞬间，首先由品闸管触发导 通，当配电网电压与电容电压差值较大时触发品闸管会产生 冲击电流。为防止此种现象发生，须采用具备过零触发能力 的芯片驱动品闸管。驱动芯片选用摩托罗拉公司生产的MOC308310光电 耦合模块。它由碑化镓发光二极管及具有自动过零检测功能 的三端双向可控硅开关元件组成。MOC3083光电耦合模块 有六个管脚，管脚1、2是输入端；管脚4、6是输出端，管 脚4和6接低压交流主回路，由三端双向可控硅开关元件控 制回路的通断。图2H桥电路触发脉冲信号电流为微安级，而MOC3083的驱动电流 为5 mA。因此，需要在MOC3083芯片输入端串入非门 74LS04芯片，以

8、增强驱动能力。当管脚1、2之间有大于5 mA 的触发电流时，可使其内部碑化镓发光二极管发射红外光， 然后MOC3083中的过零检测模块检测管脚4、6之间的电压， 如果电压出现过零点则触发三端双向可控硅开关元件，使管 脚4、6由断开状态转变为导通状态。当管脚1、2之间的电 流消失时，则管脚4、6由导通状态转变为断开状态。4N35光电耦合器实现电路的状态检测。当复合投切开 关正常投入时，4N35的两端没有电压，4N35检测端输出为 高电平；当复合投切开关断开时，4N35之间有电压，检测 端输出50 Hz脉冲。智能投切控制器根据4N35输出的不同 实现对复合投切开关的状态检测。2软件设计软件系统的主

9、要任务是数据采集与数据处理并产生投 切命令。软件主要包括数据采集程序、数据处理程序、故障 切除程序及循环投切控制流程。2.1数据采集程序数据采集程序的设计需考虑两个方面的问题：一是要求 速度快，对于50 Hz频率的电网周期采样64个点，其时间间 隔只有312.5 “s，采集一个点的时间应远小于该时间间隔， 否则不能进行正常采样；二是要求精确，数据直接送入FFT 程序，作为FFT的原始序列，其精度将直接影响整个计量的精度。数据采集程序设计总体流程如图3 (a)所示。DSP和AD7656分别完成初始化后，锁相倍频电路输出 PLLOUT方波信号触发CONVSTA/B/C转换端，启动AD7656 进行

10、六通道同步采样，同时DSP开中断。数据转换结束后， BUSY信号将变成低电平，触发DSP的XINT1中断，然后 执行DSP中断并判断通道采样点数是否达到64个点，若是， 则由DSP进行数据处理，否则继续进行A/D转换。通过对多个DS18B20进行操作以实现温度数据的采集， 采集步骤包括：搜索DS18B20，匹配DS18B20，发送温度转 换指令，读取温度值，温度采集流程如图3(b)所示。图3采集程序流程2.2数据处理程序实际运行中，电压、电流并非理想的正弦波形。常用的 非正弦函数模型实现交流采样的算法包括积分法和快速傅 里叶变换(Fast Fourier Transform， FFT)算法。积

11、分法实时 性强、算法简单，但不能得到基波和各次谐波的参数值；FFT 算法运算量大于积分法，但可计算出各次谐波的参数值。数 据处理器采用FFT算法实现数据处理，虽然计算量较大，对 芯片的运行速度要求较高，但由于采用TMS320F2812芯片， 计算速度能够满足要求，能精确地对测量结果进行谐波分 析，且能根据采样得到电流、电压信号计算有功P、无功Q、 功率因数久及电容值C等参数。FFT算法原理详见文献11。数据处理流程如图4所示。图4数据处理流程2.3故障切除程序首先，主处理器获取到电容值C和温度值T后与设定 值比较，如果电容值或温度值超过设定范围，则表示电容器 出现异常情况，智能投切控制器向对应

12、复合投切开关发送切 除指令。然后，复合开关按切除步骤切除电容器。切除指令 完成后，电容指示装置对应的LED指示灯点亮。故障电容器 切除流程如图5所示。图5故障切除流程2.4循环投切控制流程传统的无功补偿装置的投切控制是以单一功率因数为 投切判据，当功率因数值小于标准值时，投入电容器组，反 之则切除。控制器多采用“顺序投切”方式，这种方式可能 会导致投切次数增多，易造成欠补和过补，甚至出现反复投 切的振荡问题12。智能投切控制器是以无功功率为主要判 据，以功率因数为辅助判据，通过DSP数据处理器计算出的 无功功率与投切门限值进行比较，确定出需要投切的电容器 组容量，并通过“循环投切”方式投切电容

13、器。“循环投切” 是让先投入的电容器先退出，后投入则后退出，使补偿设备 使用均等，以达到降低运行温度，延长使用寿命的效果。其 控制流程如图6所示。图6循环投切控制流程3测试结果对总容量为40 kVar的电容器组进行测试，装置采用阶梯容量，分为4级。分别为010 kVar, 1020 kVar, 20 30 kVar, 3040 kVar。负载电机型号为Y250M74，额定参 数：PN=55 kW, UN=380 V, IN=103 A,入=0.88, q =92%。测试时电容器组与电动机并联安装，电动机分别按 空载、轻载、半载和满载变化，补偿器可根据电动机负载变 化自动实现无功补偿。测试线路的

14、实验数据如表1所示。电容器投入后，配电网的无功得到了补偿。线路的负载 电流降低，功率因数提高，达到了预期的补偿效果。表1测试结果数据电压U /V &补偿前 &补偿后 &电流I /A& 功率因数入&电流I /A& 功率因数入&无功功率Q /kVar&380 &33.23 &0.42 &13.98 &0.79 &18.93 &380 &47.21 &0.48 &23.34 &0.90 &25.73 &380 &59.42 &0.73 &44.39 &0.95 &27.56 &380 &106.43 &0.88 &90.84 &0.97 &35.12 &4结语智能低压无功补偿电容器具有总体性能稳定、

15、智能集成 程度高、功耗低、维护方便、占地面积小等优点，同时具有 故障自诊断功能，能满足电网负荷变化大且快时对无功补偿 的需要，适用于各种不同的用电场合。参考文献李春生.并联电容器过电压和过电流的判断条件J. 电力电容器，2001（4）： 24?27.汪海燕，魏玉超，赵昭.基于STC89C52RC的智能继 电器设计J.现代电力，2008，25（3）： 24?27.吴骞，胡红兵，顾欣欣.基于TMS320F2812的微机 保护平台J.电网技术，2007，31（2）： 243?247.汪玉凤，刘芳芳，薛建清.针对矿井电网的机械投切 电容器组动态无功补偿控制系统的设计J.电网技术，2011， 35（8）

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