復(fù)合投切的智能低壓無功補(bǔ)償電容器設(shè)計(jì)

摘 要： 重點(diǎn)闡述了復(fù)合投切開關(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>

關(guān)鍵詞： 電容器； 復(fù)合投切； 磁保持繼電器； 循環(huán)投切

中圖分類號(hào)： TN710?34； TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）07?0156?04

Keywords： capacitor； compound switching； magnetic latching relay； cycle switching

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]。

目前無功補(bǔ)償裝置種類繁多。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關(guān)，接入時(shí)會(huì)產(chǎn)生涌流，觸頭易粘結(jié)且不易拉開。之后，出現(xiàn)了晶閘管開關(guān)，它具有過零觸發(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。為解決此問題，又出現(xiàn)了復(fù)合開關(guān)，它由晶閘管、交流接觸器并聯(lián)組成，具有兩種開關(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。最新的投切開關(guān)則采用磁保持繼電器來代替交流接觸器與晶閘管并聯(lián)，組成了低功耗的復(fù)合投切開關(guān)。

智能低壓無功補(bǔ)償電容器（以下簡(jiǎn)稱智能電容器）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)電容器通過并聯(lián)方式按控制要求投切，實(shí)現(xiàn)無功自動(dòng)補(bǔ)償，并具備了三相欠壓、過壓、過流、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關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的無功補(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)的寫入和寄存器結(jié)果的讀出。

1.2 復(fù)合投切開關(guān)

復(fù)合投切開關(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。開關(guān)通過智能投切控制器實(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；斷開時(shí)，先斷開磁保持繼電器，再關(guān)斷晶閘管。開關(guān)在投切過程中，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)和開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)電路

復(fù)合投切開關(guān)在接通和斷開瞬間，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)過零檢測(cè)功能的三端雙向可控硅開關(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)過零點(diǎn)則觸發(fā)三端雙向可控硅開關(guān)元件，使管腳4、6由斷開狀態(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_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)合投切開關(guān)正常投入時(shí)，4N35的兩端沒有電壓，4N35檢測(cè)端輸出為高電平；當(dāng)復(fù)合投切開關(guān)斷開時(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、]無功[Q、]功率因數(shù)[λ]及電容值[C]等參數(shù)。FFT算法原理詳見文獻(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)合投切開關(guān)發(fā)送切除指令。然后，復(fù)合開關(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。控制器多采用“順序投切”方式，這種方式可能會(huì)導(dǎo)致投切次數(shù)增多，易造成欠補(bǔ)和過補(bǔ)，甚至出現(xiàn)反復(fù)投切的振蕩問題[12]。智能投切控制器是以無功功率為主要判據(jù)，以功率因數(shù)為輔助判據(jù)，通過DSP數(shù)據(jù)處理器計(jì)算出的無功功率與投切門限值進(jìn)行比較，確定出需要投切的電容器組容量，并通過“循環(huán)投切”方式投切電容器。“循環(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)

[電壓

[U ]/V＼補(bǔ)償前＼補(bǔ)償后＼電流

[I ]/A＼功率

因數(shù)[λ]＼電流

[I ]/A＼功率

因數(shù)[λ]＼無功功率

[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 結(jié) 語

智能低壓無功補(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，能滿足電網(wǎng)負(fù)荷變化大且快時(shí)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)男枰m用于各種不同的用電場(chǎng)合。

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