復(fù)合投切的智能低壓無(wú)功補(bǔ)償電容器設(shè)計(jì)

黃江寧，覃曄

（1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412000；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410004）

復(fù)合投切的智能低壓無(wú)功補(bǔ)償電容器設(shè)計(jì)

黃江寧1，覃曄2

（1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412000；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410004）

重點(diǎn)闡述了復(fù)合投切開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部控制原理，且詳細(xì)介紹了智能投切控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)。該智能電容器采用多投切判據(jù)的“循環(huán)投切”方式以實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)投切，并具有自診斷功能，可自動(dòng)切除故障電容器。測(cè)試結(jié)果表明該裝置能夠達(dá)到快速精確補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

電容器；復(fù)合投切；磁保持繼電器；循環(huán)投切

0 引言

在配電系統(tǒng)中，低壓電容器是一種應(yīng)用非常廣泛的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，其安全可靠運(yùn)行對(duì)配電系統(tǒng)的正常供電起著關(guān)鍵作用[1]。

目前無(wú)功補(bǔ)償裝置種類(lèi)繁多。傳統(tǒng)的低壓補(bǔ)償裝置通常采用交流接觸器作為投切開(kāi)關(guān)，接入時(shí)會(huì)產(chǎn)生涌流，觸頭易粘結(jié)且不易拉開(kāi)。之后，出現(xiàn)了晶閘管開(kāi)關(guān)，它具有過(guò)零觸發(fā)能力，能限制合閘涌流，但導(dǎo)通時(shí)會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)通壓降，產(chǎn)生較大損耗和發(fā)熱現(xiàn)象。為解決此問(wèn)題，又出現(xiàn)了復(fù)合開(kāi)關(guān)，它由晶閘管、交流接觸器并聯(lián)組成，具有兩種開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)，但正常運(yùn)行時(shí)交流接觸器的線圈需一直通電，增加了線路損耗。最新的投切開(kāi)關(guān)則采用磁保持繼電器來(lái)代替交流接觸器與晶閘管并聯(lián)，組成了低功耗的復(fù)合投切開(kāi)關(guān)。

智能低壓無(wú)功補(bǔ)償電容器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)智能電容器）是以若干臺(tái)三角型聯(lián)結(jié)的低壓電容器為主體，采用微電子技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電力電子技術(shù)等技術(shù)成果，將其集成、智能化，通過(guò)對(duì)其運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了故障自診斷功能，采用低能耗磁保持繼電器實(shí)現(xiàn)復(fù)合投切，多臺(tái)電容器通過(guò)并聯(lián)方式按控制要求投切，實(shí)現(xiàn)無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償，并具備了三相欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、缺相等保護(hù)。能很好地適應(yīng)現(xiàn)代低壓配電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枨蟆?/p>

1 硬件結(jié)構(gòu)

智能電容器的硬件主要由檢測(cè)電路、電源模塊、智能投切控制器、電容器組及外圍電氣設(shè)備組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。智能電容器采用STC89C52作為主處理器，通過(guò)A/D采樣三相電壓、電流，并實(shí)時(shí)計(jì)算運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)DS18B20芯片獲取電容器溫度，根據(jù)相應(yīng)的控制策略控制投切開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償。

1.1 智能投切控制器

智能投切控制器包括高精度DSP數(shù)據(jù)處理器和主控芯片STC89C52[2]。DSP數(shù)據(jù)處理器選用TI公司的TMS320F2812[3?4]芯片，工作頻率達(dá)到150 MHz。整個(gè)處理器集信號(hào)調(diào)理、電網(wǎng)頻率跟蹤、數(shù)據(jù)采集、算法處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一體，可及時(shí)計(jì)算出無(wú)功功率、功率因數(shù)、電容值等參數(shù)，并將參數(shù)存入?yún)?shù)寄存器，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和數(shù)字化。由于需要同時(shí)采集三相電壓、電流信號(hào)，故模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用多通道、轉(zhuǎn)換速度快、精度高的AD7656[5]，由AD620AR及OP?27進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。

STC89C52內(nèi)部集成中央處理器和存儲(chǔ)單元，具有抗干擾能力強(qiáng)、速度快、功耗低等特點(diǎn)，完全兼容MCS?51指令系統(tǒng)[6]。STC89C52通過(guò)RS?485通信接口實(shí)現(xiàn)與TMS320F2812之間的數(shù)據(jù)交換，完成數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和寄存器結(jié)果的讀出。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

1.2 復(fù)合投切開(kāi)關(guān)

復(fù)合投切開(kāi)關(guān)是智能電容器的重要組成部件，由晶閘管、磁保持繼電器、RC吸收電路以及光隔電路組成。開(kāi)關(guān)通過(guò)智能投切控制器實(shí)現(xiàn)投切。在投入時(shí)，先投入晶閘管，再投入磁保持繼電器；斷開(kāi)時(shí)，先斷開(kāi)磁保持繼電器，再關(guān)斷晶閘管。開(kāi)關(guān)在投切過(guò)程中，晶閘管導(dǎo)通工作，投切完成后由磁保持繼電器維持通斷狀態(tài)。

1.2.1 磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)控制

磁保持繼電器是一種新型繼電器[7]，具有雙穩(wěn)態(tài)和記憶功能且功耗低[8]，內(nèi)部裝有線圈和永久磁鋼，觸點(diǎn)的狀態(tài)切換由智能投切控制器發(fā)出的正負(fù)脈沖信號(hào)控制。開(kāi)關(guān)切換完成后，由永久磁鋼的磁力維持繼電器的狀態(tài)，線圈不需要繼續(xù)通電。

驅(qū)動(dòng)電路采用IR公司生產(chǎn)的IR2110[9]芯片，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)IR2110可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)半橋，兩個(gè)可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)H橋電路。驅(qū)動(dòng)信號(hào)由IR2110的自舉功能產(chǎn)生，當(dāng)U1的HO1和U2的HO2為高電平有效時(shí)，T1與T4管同時(shí)導(dǎo)通；反之，當(dāng)LO1和LO2為高電平有效時(shí)，T2與T3同時(shí)導(dǎo)通。

1.2.2 晶閘管的驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)電路

復(fù)合投切開(kāi)關(guān)在接通和斷開(kāi)瞬間，首先由晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，當(dāng)配電網(wǎng)電壓與電容電壓差值較大時(shí)觸發(fā)晶閘管會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。為防止此種現(xiàn)象發(fā)生，須采用具備過(guò)零觸發(fā)能力的芯片驅(qū)動(dòng)晶閘管。

驅(qū)動(dòng)芯片選用摩托羅拉公司生產(chǎn)的MOC3083[10]光電耦合模塊。它由砷化鎵發(fā)光二極管及具有自動(dòng)過(guò)零檢測(cè)功能的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件組成。MOC3083光電耦合模塊有六個(gè)管腳，管腳1、2是輸入端；管腳4、6是輸出端，管腳4和6接低壓交流主回路，由三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件控制回路的通斷。

圖2 H橋電路

觸發(fā)脈沖信號(hào)電流為微安級(jí)，而MOC3083的驅(qū)動(dòng)電流為5 mA。因此，需要在MOC3083芯片輸入端串入非門(mén)74LS04芯片，以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)管腳1、2之間有大于5 mA的觸發(fā)電流時(shí)，可使其內(nèi)部砷化鎵發(fā)光二極管發(fā)射紅外光，然后MOC3083中的過(guò)零檢測(cè)模塊檢測(cè)管腳4、6之間的電壓，如果電壓出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)則觸發(fā)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件，使管腳4、6由斷開(kāi)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)管腳1、2之間的電流消失時(shí)，則管腳4、6由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_(kāi)狀態(tài)。

4N35光電耦合器實(shí)現(xiàn)電路的狀態(tài)檢測(cè)。當(dāng)復(fù)合投切開(kāi)關(guān)正常投入時(shí)，4N35的兩端沒(méi)有電壓，4N35檢測(cè)端輸出為高電平；當(dāng)復(fù)合投切開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，4N35之間有電壓，檢測(cè)端輸出50 Hz脈沖。智能投切控制器根據(jù)4N35輸出的不同實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合投切開(kāi)關(guān)的狀態(tài)檢測(cè)。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理并產(chǎn)生投切命令。軟件主要包括數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、故障切除程序及循環(huán)投切控制流程。

2.1 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)需考慮兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是要求速度快，對(duì)于50 Hz頻率的電網(wǎng)周期采樣64個(gè)點(diǎn)，其時(shí)間間隔只有312.5 μs，采集一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)小于該時(shí)間間隔，否則不能進(jìn)行正常采樣；二是要求精確，數(shù)據(jù)直接送入FFT程序，作為FFT的原始序列，其精度將直接影響整個(gè)計(jì)量的精度。數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)總體流程如圖3（a）所示。

DSP和AD7656分別完成初始化后，鎖相倍頻電路輸出PLLOUT方波信號(hào)觸發(fā)CONVSTA/B/C轉(zhuǎn)換端，啟動(dòng)AD7656進(jìn)行六通道同步采樣，同時(shí)DSP開(kāi)中斷。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，BUSY信號(hào)將變成低電平，觸發(fā)DSP的XINT1中斷，然后執(zhí)行DSP中斷并判斷通道采樣點(diǎn)數(shù)是否達(dá)到64個(gè)點(diǎn)，若是，則由DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，否則繼續(xù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

通過(guò)對(duì)多個(gè)DS18B20進(jìn)行操作以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集，采集步驟包括：搜索DS18B20，匹配DS18B20，發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令，讀取溫度值，溫度采集流程如圖3（b）所示。

圖3 采集程序流程

2.2 數(shù)據(jù)處理程序

實(shí)際運(yùn)行中，電壓、電流并非理想的正弦波形。常用的非正弦函數(shù)模型實(shí)現(xiàn)交流采樣的算法包括積分法和快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）算法。積分法實(shí)時(shí)性強(qiáng)、算法簡(jiǎn)單，但不能得到基波和各次諧波的參數(shù)值；FFT算法運(yùn)算量大于積分法，但可計(jì)算出各次諧波的參數(shù)值。數(shù)據(jù)處理器采用FFT算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，雖然計(jì)算量較大，對(duì)芯片的運(yùn)行速度要求較高，但由于采用TMS320F2812芯片，計(jì)算速度能夠滿(mǎn)足要求，能精確地對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行諧波分析，且能根據(jù)采樣得到電流、電壓信號(hào)計(jì)算有功P、無(wú)功Q、功率因數(shù)λ及電容值C等參數(shù)。FFT算法原理詳見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程

2.3 故障切除程序

首先，主處理器獲取到電容值C和溫度值T后與設(shè)定值比較，如果電容值或溫度值超過(guò)設(shè)定范圍，則表示電容器出現(xiàn)異常情況，智能投切控制器向?qū)?yīng)復(fù)合投切開(kāi)關(guān)發(fā)送切除指令。然后，復(fù)合開(kāi)關(guān)按切除步驟切除電容器。切除指令完成后，電容指示裝置對(duì)應(yīng)的LED指示燈點(diǎn)亮。故障電容器切除流程如圖5所示。

圖5 故障切除流程

2.4 循環(huán)投切控制流程

傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置的投切控制是以單一功率因數(shù)為投切判據(jù)，當(dāng)功率因數(shù)值小于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，投入電容器組，反之則切除?？刂破鞫嗖捎谩绊樞蛲肚小狈绞?，這種方式可能會(huì)導(dǎo)致投切次數(shù)增多，易造成欠補(bǔ)和過(guò)補(bǔ)，甚至出現(xiàn)反復(fù)投切的振蕩問(wèn)題[12]。智能投切控制器是以無(wú)功功率為主要判據(jù)，以功率因數(shù)為輔助判據(jù)，通過(guò)DSP數(shù)據(jù)處理器計(jì)算出的無(wú)功功率與投切門(mén)限值進(jìn)行比較，確定出需要投切的電容器組容量，并通過(guò)“循環(huán)投切”方式投切電容器?！把h(huán)投切”是讓先投入的電容器先退出，后投入則后退出，使補(bǔ)償設(shè)備使用均等，以達(dá)到降低運(yùn)行溫度，延長(zhǎng)使用壽命的效果。其控制流程如圖6所示。

圖6 循環(huán)投切控制流程

3 測(cè)試結(jié)果

對(duì)總?cè)萘繛?0 kVar的電容器組進(jìn)行測(cè)試，裝置采用階梯容量，分為4級(jí)。分別為0～10 kVar，10～20 kVar，20～30 kVar，30～40 kVar。負(fù)載電機(jī)型號(hào)為Y250M?4，額定參數(shù)：PN=55 kW，UN=380 V，IN=103 A，λ=0.88，η=92%。測(cè)試時(shí)電容器組與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)安裝，電動(dòng)機(jī)分別按空載、輕載、半載和滿(mǎn)載變化，補(bǔ)償器可根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。測(cè)試線路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

電容器投入后，配電網(wǎng)的無(wú)功得到了補(bǔ)償。線路的負(fù)載電流降低，功率因數(shù)提高，達(dá)到了預(yù)期的補(bǔ)償效果。

表1 測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

智能低壓無(wú)功補(bǔ)償電容器具有總體性能穩(wěn)定、智能集成程度高、功耗低、維護(hù)方便、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有故障自診斷功能，能滿(mǎn)足電網(wǎng)負(fù)荷變化大且快時(shí)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰m用于各種不同的用電場(chǎng)合。

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Design of intelligent low?voltage reactive compensation capacitor for compound switching

HUANG Jiang?ning1，QIN Ye2
（1.College of Electrical and Information Engineering，Hunnan University of Technology，Zhuzhou 412000，China；2.Hunan Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410004，China）

The structure and internal control principle of complex switching switch are elaborated emphatically.The inter?nal structure and software design of the intelligent switching controller are introduced in detail.The intelligent capacitor has a self?diagnostic function and can automatically remove failure capacitors.In the intelligent capacitor，the"cycle switching"mode of multi?switching criterion is adopted for fast automatic switching.The test result shows that the device can achieve the purpose of fast and accurate compensation.

capacitor；compound switching；magnetic latching relay；cycle switching

TN710?34；TM53

A

1004?373X（2015）07?0156?04

黃江寧（1988—），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生。研究方向?yàn)闊o(wú)功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行與控制。

覃曄（1988—），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生。研究方向?yàn)闊o(wú)功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行與控制。

2014?09?23