一種不平衡無功補償智能電容器及其方法與流程

本發明涉及電力領域，尤其涉及一種不平衡無功補償智能電容器及其方法。

背景技術：

隨著我國各行各業的迅速崛起和發展，人民的生活水平越來越高，配電系統日益擴大，日益復雜，沖擊性、非對稱性負荷不斷增加，這些負荷系統會引起配電系統中功率因數低，三相不平衡度大等電能質量問題。當供電系統中存在著大量的無功功率流動，三相不平衡度超過一定范圍時，將會影響系統的安全運行。

在實際中低壓配電網系統中，三相不平衡和無功功率經常同時出現，但現有的無功補償設備，如分補電容、共補電容等，雖然實現了無功補償功能，但是未考慮如何改善和補償三相不平衡，如果投切不當，反而會增加不平衡情況。三相不平衡補償裝置，如零線電流補償方法、有功轉移開關等，不能實現無功補償。有些動態補償裝置，如svg、apf等，雖然能夠同時補償無功和三相不平衡，但是設備龐大，成本昂貴或者存在現場接線安裝復雜等問題。

傳統電容器只能單一實現無功補償或不平衡補償，或者多臺分補電容、共補電容和相補電容組合進行補償，更有甚者需要通過控制器、復合開關等控制設備進行控制，但是存在現場安裝復雜，體積龐大，運行成本高等問題。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供了一種克服以往傳統電容器的上述不足，提供一種新型不平衡無功補償技術在智能電容器上的應用產品，實現智能電容器小型化、智能化，提高使用的便捷性，提高單位體積的電容容量。

本發明技術方案是：一種不平衡無功補償智能電容器，包括主控mcu處理單元、數據采集單元、過零投切控制單元、以及由分補、相補電容組成電容器組件組成，所述數據采集單元電連接主控mcu處理單元，所述主控mcu處理單元通過過零投切控制單元電連接電容器組件，所述數據采集單元包括交流采樣單元和溫度采樣單元，所述交流采樣單元采集電網測母線的電壓、電流信號，通過溫度傳感器采集電容器組件本體的溫度信號，并將電壓、電流信號以及溫度信號傳送到主控mcu處理單元；主控mcu處理單元根據電壓、電流信號以及溫度信號計算出電網側采樣數據，再根據電網側采樣數據，優先進行不平衡補償方案，再進行無功補償方案，并通過過零投切控制單元實現分補電容器組或相補電容器組的選擇，從而實現不平衡補償調度或無功補償調度。

優選的，還包括人機交互單元，所述人機交互單元包括液晶顯示器、led指示燈和按鍵，所述液晶顯示器、led指示燈和按鍵分別電連接主控mcu處理單元，實現采集數據、控制狀態、閉鎖保護信息以及運行參數顯示和設置功能。

優選的，還包括通信單元，所述通信單元電連接主控mcu處理單元，通信單元用于與其他外部設備進行實時數據交互。

優選的，所述交流采樣單元包括電壓互感器和電流互感器，所述電壓互感器和電流互感器分別采集電網測母線的電壓、電流信號。

本發明還涉及一種不平衡無功補償的方法，交流采樣單元采集電網測母線的電壓、電流信號，通過溫度傳感器采集電容器組件本體的溫度信號，并將電壓、電流信號以及溫度信號傳送到主控mcu處理單元，主控mcu處理單元根據電壓、電流信號以及溫度信號計算出電網側采樣數據，再根據電網側采樣數據，優先進行不平衡補償方案，再進行無功補償方案，并通過過零投切控制單元實現分補電容器組或相補電容器組的選擇，從而實現不平衡補償調度或無功補償調度。

優選的，所述電網側采樣數據包括各相電路的電壓ux、電流ix、電壓電流相位角φx、有功功率px、無功功率qx、功率因數cosφx、補償前的電流不平衡度ε、補償后的電流不平衡度εn，補償前的電流不平衡度i²以及補償后的電流不平衡度in²。

優選的，優先進行不平衡補償方案，再進行無功補償方案的方法具體為：若電網側不平衡度εn＞電流不平衡度限值εlim，則進行不平衡補償方案；若電網側功率因數cosφx≤目標功率因數cosφlim，則進行無功補償方案。

優選的，所述不平衡補償方案包括：如果電網側電流不平衡度ε≤電流不平衡度限值εlim，則無需補償；如果電網側電流不平衡度ε≤補償后電流不平衡度εn的最小值，則無需補償；如果電網側電流不平衡度ε＞補償后電流不平衡度εn的最小值，則選擇補償后電流不平衡度εn的最小值進行不平衡補償補償調度。

優選的，所述無功補償方案包括：若電網側電流平方和i²≤補償后電流平方和in²的最小值，則不需要補償；若電網側電流平方和i²＞補償后電流平方和in²的最小值，則選補償后電流平方和in²的最小值進行無功補償調度。

優選的，還包括投切控制單元接收到投切控制命令后，則檢測電壓過零投入信號或電流過零切除信號，實現控制電容器的投入和切除控制功能。

本發明的有益效果是：可實現單獨分補電容補償、相補，同時控制共補電容補償或分補和相補混合補償等補償形式；即實現了不平衡補償，又實現了無功補償，還提高了智能電容的利用空間。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1為本發明不平衡無功補償智能電容系統結構圖；

圖2為本發明不平衡無功補償模型示意圖；

圖3為本發明不平衡無功補償流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖，對本發明的技術方案作進一步的描述，但本發明并不限于這些實施例。

結合附圖1，一種不平衡無功補償智能電容器，包括主控mcu處理單元、數據采集單元、過零投切控制單元、以及由分補、相補電容組成電容器組件組成，所述數據采集單元電連接主控mcu處理單元，所述主控mcu處理單元通過過零投切控制單元電連接電容器組件，所述數據采集單元包括交流采樣單元和溫度采樣單元，所述交流采樣單元采集電網測母線的電壓、電流信號，通過溫度傳感器采集電容器組件本體的溫度信號，并將電壓、電流信號以及溫度信號傳送到主控mcu處理單元；主控mcu處理單元根據電壓、電流信號以及溫度信號計算出電網側采樣數據，再根據電網側采樣數據，優先進行不平衡補償方案，再進行無功補償方案，并通過過零投切控制單元實現分補電容器組或相補電容器組的選擇，從而實現不平衡補償調度或無功補償調度。

進一步的，還包括人機交互單元，所述人機交互單元包括液晶顯示器、led指示燈和按鍵，所述液晶顯示器、led指示燈和按鍵分別電連接主控mcu處理單元，實現采集數據、控制狀態、閉鎖保護信息以及運行參數顯示和設置功能。

進一步的，還包括通信單元，所述通信單元電連接主控mcu處理單元，通信單元用于與其他外部設備進行實時數據交互。

具體的，所述交流采樣單元包括電壓互感器和電流互感器，所述電壓互感器和電流互感器分別采集電網測母線的電壓、電流信號。

本發明還涉及一種不平衡無功補償智能電容器的補償方法，交流采樣單元采集電網測母線的電壓、電流信號，通過溫度傳感器采集電容器組件本體的溫度信號，并將電壓、電流信號以及溫度信號傳送到主控mcu處理單元，主控mcu處理單元根據電壓、電流信號以及溫度信號計算出電網側采樣數據，再根據電網側采樣數據，優先進行不平衡補償方案，再進行無功補償方案，并通過過零投切控制單元實現分補電容器組或相補電容器組的選擇，從而實現不平衡補償調度或無功補償調度。

下面以三相四線電路進一步進行說明。

交流采樣、溫度采樣單元通過電壓互感器、電流互感器將高壓、大電流信號通過采樣信號轉換及處理電路再經過adc轉換器轉換成5vadc采樣信號，通過溫度傳感器將電容器溫度信號轉換成adc采樣點信號，通過電壓比較器將電壓、電流過零信號轉化為上升或下降沿外部中斷信號。

主控mcu處理單元每間隔200ms計算出一組a、b、c三相電壓、電流和電容器溫度adc轉換數據，并進一步轉換成a、b、c三相電壓ua、ub、uc、電流ia、ib、ic和電容器溫度temp等數據，通過電壓、電流過零外部中斷時間差計算出a、b、c三相電壓、電流相位差φa、φb、φc等。

主控mcu處理單元根據采樣數據計算出電網側a、b、c三相電壓ux、電流ix、電壓電流相位角φx、有功功率px、無功功率qx、功率因數cosφx和三相電流不平衡度ε等電網側采樣數據。

若電網側不平衡度ε＞電流不平衡度限值εlim，則進行不平衡補償方案。

根據補償模型(如圖2所示)和電路原理可得如下補償公式：

其中，補償模型計算公式中，分別為a相與b相、b相與c相，c相與a相間的相補電容等效容量，記作分別為a相、b相，c相與零線間的分補電容等效容量，記作pa、pb、pc和qa、qb、qc為補償前三相有功功率和無功功率，記作px和qx；pat、pbt、pct和qat、qbt、qct為補償后三相有功功率和無功功率，記作pxt和qxt。

補償后電流有效值計算公式如下所示：

將可投切控制操作的相補電容、分補電容分別帶入補償效果計算公式和補償后分相電流計算公式，可計算出補償后電流ia1、ib1、ic1～ian、ibn、icn。

電流不平衡度ε參考ieeestd112-1991定義的電壓不平衡度的計算方法計算三相電流不平衡度，計算公式如下：

a、b、c三相電流平方和計算公式如下：

具體的，將相補電容c1、c2、c3等效電容容量帶入補償計算公式(1)中，分解計算出補償后有功功率和無功功率pa1、pb1、pc1、qa1、qb1、qc1～pa3、pb3、pc3、qa3、qb3、qc3。

將補償后有功功率、無功功率帶入補償后電流計算公式(2)分別計算出補償后a、b、c三相電流ia1、ib1、ic1～ia3、ib3、ic3。

依據電流不平衡度計算公式(3)分別計算出補償前和補償后各方案下電流不平衡度ε、ε1～ε3。

如果電網側電流不平衡度ε≤補償后電流不平衡度min[ε1～ε3]，則無需進行補償；如果電網側電流不平衡ε＞補償后電流不平衡度min[ε1～ε3]，則選擇ε1～ε3最小的作為最佳補償方案進行補償；如果電網側不平衡度ε≤電流不平衡度限值εlim，則不需要不平衡補償，從而進行無功補償算法進行無功調度。

若當前電網側功率因數cosφx≤目標功率因數cosφlim，則進行無功補償方案。

將分補電容c4、c5、c6等效電容容量帶入補償計算公式(1)中，分解計算出補償后有功功率和無功功率pa1、pb1、pc1、qa1、qb1、qc1～pa3、pb3、pc3、qa3、qb3、qc3。

將補償后有功功率、無功功率帶入補償后電流計算公式(2)分別計算出補償后a、b、c三相電流ia1、ib1、ic1～ia3、ib3、ic3。

依據電流平方和計算公式(4)分別計算出補償前和補償后各方案電流平方和i²、

如果補償前電網側電流平方和i²≤補償后電流平方和則不需要無功補償；如果補償前電網側電流平方和i²＞補償后電流平方和則選擇補償后電流平方和最小的方案作為最終補償方案；如果當前電網側功率因數cosφx＞目標功率因數cosφlim，則無需進行無功補償。

不平衡或無功補償方案確定完成，系統進入穩態延時，穩態延時時間內，補償方案未發生變化，則發出對電容c1～c6的投切控制命令。

投切控制單元接收到投切控制命令后，則檢測電壓過零投入信號或電流過零切除信號后，通過磁保持繼電器實現控制電容器的投入和切除控制功能，實現了精確無涌流投切控制，延長了開關和電力電容器的使用壽命。

通信模塊實時與其它外部設備進行組網、數據交互等通訊，便于多組智能電容器組網進不平衡無功補償，從而提高了補償效率和效果。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。