浅谈智能电力电容器在无功补偿中的应用

关键词：电容器；无功补偿；农村配电网；控制；智能
        随着国家对农村建设的大力支持,农村生活条件不断改善,用电量也不断加大,逐渐暴露出农村低电 压的现象；以及大量单相家用电器设备使用,将导致三相负荷不平衡，配电网电压波动大，严重时则会损坏 用电设备，因此，农村对电压质量的要求也越来越高。现农村配电网大部分仍使用传统无功补偿装置，在 380 V低压母线上采用集中补偿方式。传统补偿装置由控制器、交流接触器或复合开关、△形联接的电容 器、保护器件等组成館。补偿柜体积大,安装接线繁杂,维护困难,整机可靠性低，同时由一台控制器控制 全部补偿电容器的投切，当控制器发生故障时,整个补偿设备停运。这种补偿模式存在控制器的瓶颈效应 隐患问题，不能实现无功平衡和电压稳定。因此,传统无功补偿装置已无法满足现代农村用电负荷的迅速 增长的需求，本文提出采用智能集成电容器无功补偿模式,能实现智能控制,解决农村配电网因无功功率 不足导致低电压的问题。
1智能集成电容器的原理
        智能集成电容器主要由电网参数采样、智能网络、智能控制器、过零投切、电力电容器、线路保护等单 元组成。智能集成电容器一般分为上、下分体式模块结构，模块组装、拆卸很方便。上方模块由投切开关、 智能控制器、线路保护等单元构成⑵；下方模块由一台或两台△形联接或一台Y形联接电力电容器构成。 智能集成电容器采用了现代检测、电力电子、过零投切、自动控制、计算机和网络通讯等先进技术，其组 成框图如图1所示。
1.1智能控制器
        智能控制器为智能集成电容器的控制核心，采用高性能、高精度TMS320C28x系列处理器DSP和低功 耗、高性能STC89C53微控制器。STC89C53微控制器通过电压电流互感器、滤波电路、采样电路获取低压 配电网的三相电压和电流参数，経DSP实时计算出无功功率Q、功率因数X、有功功率P、频率f、电容值C等电力运行参数，根据用户的需求设 定的各电力运行参数控制门阀通过 单片机判断是否需要进行电容器组 无功补偿。微控制器STC89C53通过 RS-485通信可实现与处理器DSP之 间的高速数据交换，以满足系统的实 时性要求。

图1智能集成电容器的组成框图
1.2过零投切
        智能集成电容器过零投切开关 由大功率磁保持继电器、双向晶闸 管、阻容吸收电路和线路保护器件等 组成。电路采用电力电子技术和过零投切技 术，利用双向晶闸管的快速导通和大功率磁 保持继电器接点的零压降实现互补。由单片 机控制过零点投切开关实现电力电容器的投 切，在双向晶闸管两端电压为零或电流过零 时，单片机发出触发脉冲导通或断开双向晶 闸管的指令，电力电容器投入或切除⑷。双 向晶闸管只在开关投切瞬间导通工作，大功 率磁保持继电器则在正常运行时保持通断状 态，这样确保电力电容器在投切过程中无冲 击电流、电弧、过电压产生，低能耗运行。过 零投切系统图如图2所示。

图2过零投切系统图
1.3智能网络
        智能集成电容器采用智能网络通讯技术，构建RS-485通讯网络，以光电耦合器和独立电源组成 RS485通信电路。每台智能集成电容器均有各自独立的控制器，在多台控制器联机工作时，通过通信方式 有机结合成一个整体,能自动分配ID地址，自动组网，其中地址码小的一台为主机，其余为从机。主机 将接收所有从机的信息,依据无功功率Q、功率因数入等电力参数，综合分析判断后发出命令，指挥各电力 电容器的投切。当主机故障时会自动退出，系统重新自动组网，在其余从机中产生一台新的主机;若从机 故障时自动退出不会影响其余从机的正常工作,避免了常规补偿模式因控制器损坏而致使整个补偿系统 停止工作的状况，从而保证了补偿装置可靠运行。同时可根据实际无功补偿容量的需要灵活调整电容 量，模块投入与撤出不需设置，能自动更新配置。智能网络示意图如图3所示。

图3 智能网络示意图
 
2智能集成电容器的优势分析
        智能集成电容器改进了传统补偿装置的不足,具有过零投切、智能网络、分相补偿、温度保护、人机接 口、接线容易、增容方便、可靠性高、低功耗等突出优点。
        (1)补偿方式灵活，补偿精度高。智能集成电容器组的补偿方式可灵活采用共补、分补、混合补偿优 化组合，解决了低压电网负荷的变化，三相负荷不平衡的无功功率补偿的问题。三相严重不平衡的场 合，可选用共补、分补的混合补偿方式，同时还可以搭配多种不同规格的电容量进行混合补偿，做到粗补、 细补兼顾，补偿效果好。根据需要补偿的电容量大小选用单机或多机补偿,容量小时用单机独立补偿，容 量大时用多机并联补偿。
        (2)积木结构，接线简单，扩容方便。常规补偿装置每路差不多要用30根连接线，智能集成电容器模 块化结构，只要用3根连接线,比常规补偿装置减少的连接线，现场安装、接线简单,维护方便,接点能 耗小，柜内温升小。增加电容器的数量和容量配置调整方便,适应用户的实时扩容需要。
        (3)智能组网功能。智能集成电容器补偿系统为主从结构，当多台智能电力电容器联机工作时，将各 台智能电力电容器的RS485通信接口连接起来，系统开始工作后就会自动组网。这种智能补偿模式消除 了传统补偿装置控制器的瓶颈现象，提高了补偿装置的可靠性。
        (4)温度保护。智能集成电容器内置有温度传感器，当电力电容器体内温度大于温度保护设定值时 会自动切除电力电容器⑶，达到保护电容器的目的，解决了电容器因温度过高而出现涨肚的问题。
        (5)电能损耗小。智能集成电容器补偿1 kvar要比传统补偿装置减小能耗1W多；积木式结构，体 积比常规补偿装置减少约50百分之,连接线也减少了约80百分之,因此触点、连接导线、元器件等减少了损耗50百分之以上。
3智能集成电容器的应用
        某农村居住区1000多户，低压主干线损压降较大,在家庭用电高峰时段电压严重低于-10百分之 ,原来通 过采用调整变压器的有载调压档位的措施来提高电压，但是在非用电高峰时段电压又严重高于+10百分之 ,造 成一些家用电器因电压偏高而损坏。查明其原因是家庭用电器如空调、冰箱、风扇、洗衣机等感性负荷导 致功率因数低于0.8,农村用户终端配电低压无功补偿严重不足。
        该居住区变压器容量为1000 kVA,按变压器容量的50百分之配置无功补偿容量为500 kvar。因居民区大 都为照明、冰箱、空调、洗衣机等单相设备，选用HT-8C系列智能集成电容器，采用共补与分补的混合补偿 方式，其中三相共补偿容量占60百分之的总补偿量为300 kvar,分相补偿容量占40百分之的总补偿量为200 kvar。 三相共补偿智能集成电容器选用5台电容容量(30+30)kvar(每台有2组独立投切的电容器组)，额定电压 450 V,A形接线；分相补偿智能集成电容器可选10台，单台总电容容量20 kvar,其中每相容量为6.67 kvar,额定电压250 V,Y形接线，每相均可单独控制投切。采用智能集成电容器补偿后功率因数在0.92- 0.97之间，电压控制在±10百分之之内的范围，有效地改善了农村配电网低电压的用电情况。
4安科瑞AZC/AZCL智能集成式电容器介绍
4.1产品概述
        AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小，功耗更低，维护方便，使用寿命长，可靠性高的特点，适应现代电网对无功补偿的更高要求。
        AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找投入（切除）点，实现过零投切，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。
4.2产品选型
        AZC系列智能电容器选型：


AZCL系列智能电容器选型：




4.3产品实物展示

AZC系列智能电容模AZCL系列智能电容模块

安科瑞无功补偿装置智能电容方案

5结束语
        智能集成电容器采用了检测、电力电子、过零投切、计算机和网络通信等技术，具有完善的测量、计算、 分析、控制、显示、保护等功能⑹，多台智能电力电容器联机工作时，通过通信方式有机结合成一个整体，故 障时互不干扰。实践证明，智能电力电容器解决了农村配电网因无功造成低电压的问题，保证了居住区的 电压质量，设备运行稳定可靠，补偿效果好，维护方便，使用寿命长，节能环保，适合大力推广应用。
参考文献：
（1）赵新卫，张绍通,杨伟杰，等.智能电容器多路阶梯式补偿装置现场应用分析[J].电力电容器与无功补偿,2015(1)： 11-14.
（2）王祝华，曾龙海 ,杨祖雄，智能电容器在农村配电网无功补偿中的应用
（3）安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版
作者简介：王蒙蒙，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电力电容产品的研发与应用。