复合投切的智能低压无功补偿电容器设计

黄江宁，覃晔

（1.湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412000；2.长沙理工大学智能电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南长沙410004）

复合投切的智能低压无功补偿电容器设计

黄江宁1，覃晔2

（1.湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412000；2.长沙理工大学智能电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南长沙410004）

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。

电容器；复合投切；磁保持继电器；循环投切

0 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，出现了晶闸管开关，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，它由晶闸管、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晶闸管并联，组成了低功耗的复合投切开关。

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STC89C52[2]。DSP数据处理器选用TI公司的TMS320F2812[3⁃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AD7656[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。

图1 硬件结构

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，由晶闸管、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，先投入晶闸管，再投入磁保持继电器；断开时，先断开磁保持继电器，再关断晶闸管。开关在投切过程中，晶闸管导通工作，投切完成后由磁保持继电器维持通断状态。

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IR2110[9]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

复合投切开关在接通和断开瞬间，首先由晶闸管触发导通，当配电网电压与电容电压差值较大时触发晶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晶闸管。

驱动芯片选用摩托罗拉公司生产的MOC3083[10]光电耦合模块。它由砷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2 H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，可使其内部砷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 μs，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λ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0～10 kVar，10～20 kVar，20～30 kVar，30～40 kVar。负载电机型号为Y250M⁃4，额定参数：PN=55 kW，UN=380 V，IN=103 A，λ=0.88，η=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

4 结语

智能低压无功补偿电容器具有总体性能稳定、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。

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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

黄江宁（1988—），男，湖南邵阳人，硕士研究生。研究方向为无功补偿装置的运行与控制。

覃晔（1988—），男，湖南邵阳人，硕士研究生。研究方向为无功补偿装置的运行与控制。

2014⁃09⁃23