智能低压无功补偿装置的设计与实现

    电力网在运行时，电源供给的无功功率是电能转换为其它形式能量的前提，它为电能的输送、转换创造了条件。在电力系统输送电能的过程中，无功功率不足，将使系统中输送的总电流增加、使变压器的出力减少、供电线路及系统设备有功功率损耗增大、线路末端电压下降；而对于电力用户来说，过多地从电网中吸取无功，不仅使电网电能质量下降，也影响自身的用电和生产，使企业效益下降，甚至招致罚款。因此，为了减少无功的损失和避免其在电网中的不当流动，必须进行无功补偿。而据统计，10 kV以下电压等级的网损约占整个网损的50％以上，其中又以配电变压器和用户感性负荷所消耗的无功损耗为重点，所以，将无功补偿的重点放在380 V电压等级的配电变压器和低压用户处是行之有效的降损节能措施。

1 智能低压无功补偿装置的结构

    智能低压无功补偿装置主要由无功补偿控制器、智能投切开关、低压电容器等元器件组成。采用一系列国内领先的技术和最新的电子元器件及新型的机电一体化的智能复合开关，集电网监测与无功补偿于一体，不但可以补偿电网中的无功损耗，提高功率因数，降低线损，从而提高电网的负载能力和供电质量；同时还能够实时监测电网的三相电压、电流、功率因数等运行数据，可完成对整个低压配电线路的监测、分析处理、报表输出等综合管理，为低压配电线路的科学管理提供第一手的可靠数据。其原理图见图1。

图1　智能低压无功补偿装置原理图

    利用双向反并联的晶闸管与磁保持开关组成的智能复合开关投切电力电容器。当断路器HS闭合后，控制器开始工作，对无功电流（功率因数）进行计算监测，当无功电流I_q值增大到设定值时，控制器对指定的复合开关输出过零触发脉冲使之导通将电容器投入运行，直到功率因数逼近设定值，当无功电流I_q值下降到低于设定值时，控制器停发触发脉冲信号而将电容器退出，以免电压过高。其工作流程见图2。

图2　智能低压无功补偿装置工作流程图

2 器件的分析与选型

2.1 控制器的选型

    控制器是无功补偿装置的核心器件。我们选用的控制器采集三相电压、电流，分级分相采用综合判据来控制投切电容器。我们选用的控制器具备优化无功补偿策略程序，控制物理量如无功功率（功率因数）、投切时间、电流电压门限等参数可设置，按照用户需求和特性动态无功补偿，并将共补与分相分组补偿有效结合起来。该控制器实时采集电网三相电压、电流，计算出实际无功大小（功率因数），然后根据设定值自动循环投入电容器进行补偿。当夏季或无功缺口比较大的时候，自动投入共补电容器，以减少分补投入次数。当无功缺口比较小时，主要由分补电容器进行补偿。防止损坏电容器，控制器投切电容器时加上三种限制条件：谐波闭锁、电压闭锁、电流闭锁。

2.2 投切开关的选型

    电容器投切开关是无功补偿装置的另一个重要器件。早期多采用的接触器，在投入过程中涌流大，严重时，会发生触头熔焊现象。即使是带有抑制涌流装置的电容器投切专用接触器，在无功负荷波动大，电容器投切频繁的情况下，也存在使用寿命短，需要经常进行检修的问题。随后出现的可控硅投切开关，具有电压过零投入、电流过零切除、开关无触点、反应速度快等特性，但其最明显的缺点是功率损耗大，会产生很高的温升，需要使用专用散热器，来解决其通风散热问题，可靠性不高。现在选用新型的机电一体化的智能复合开关，具有无冲击、低功耗、高寿命等显著优点。该开关为晶闸管开关和磁保持开关并联运行，其在接通和断开的瞬间具有可控硅过零投切的优点，而在正常接通期间又具有磁保持开关零功耗的优点。

2.3 低压电容器的选型

    电容器组选用自愈式低电压并联电容器。该电容器采用目前国际最先进的金属化膜作为材料，严格按照国家标准及IEC标准组织生产，具备放电器件，能使电容器上的剩余电压在3 min内降至50 V或更低。

3 智能低压无功补偿装置的特点

    控制器内部具备优化的无功补偿策略程序，控制物理量如无功功率（功率因数）、投切时间、电压电流门限等参数可设置，按照用户需求和特性动态无功补偿，并将共补和分相分组补偿有效结合。

    采用智能低压电子复合开关作为开关元件，彻底解决了电容器投入时的浪涌电流问题，无触头烧损之虑，无需散热，更不会产生谐波注入，安全可靠性高。

    具有完善的过压、欠压、缺相、谐波、振荡等保护措施。

    具备GPRS通信功能，可将补偿结果反馈给配电管理系统，计算无功功率经济效益，并可接受系统控制。控制器同时具有配电监测的功能，可通过GPRS通信模块将配电信息上传到主站端。

4 结束语

    采用先进的DSP数字信号处理技术、高速工业网络通信技术、Internet/Web等技术制造的智能低压无功补偿装置，稳定性强、可靠性高、实时性好、功能强大，适用于各类城市电网、农村电网、企业电网的配电自动化实施与改造，可有效的降损节能，具有很大的经济及社会效益。