专利名称：一种低压无功补偿装置的控制电路及其控制方法
技术领域：
本发明涉及电网无功补偿领域，具体涉及一种低压无功补偿装置的控制电路及其控制方法。
背景技术：
在工业生产和日常生活中，大多数负载都是呈阻感性的，需要消耗大量的无功功率。无功功率在输电线路中的传输，会导致线路中电流增加，从而增加线路中的损耗。同时也会引起电压质量的下降，对用电设备造成不利影响。因此，无功补偿装置的应用，对于提高系统的功率因数和输电电压质量具有重要作用，有利于电网的高效、安全运行，对于节能减排也具有重要意义。
目前常见的无功补偿装置按照取样物理量的不同，主要分为功率因数型无功补偿控制器和无功功率型无功补偿控制器两种。由于供电系统一般直接以功率因数作为用户用电是否合格的检测指标，以功率因数为控制量的功率因数型控制器是最简单、最传统的控制方案。但实际应用中，在轻载时易出现频繁投切的“投切震荡”现象；在重载时会出现虽然功率因数满足条件，但负荷的无功分量依然很大的情况，不能够切实做到对无功功率的跟踪调节。而以无功功率为控制量的控制器则较为完善的解决了功率因数型控制器的不足，能够将补偿装置的效果发挥到最好。现有低压无功补偿装置具有产品体积大、内部复杂、可维护性差、使用不灵活的缺点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种低压无功补偿装置及其控制方法，克服了现有低压无功补偿装置的缺点和现有九区图控制中容易出现的频繁投切问题。本发明提供的一种低压无功补偿装置的控制电路，所述无功补偿装置包括电容器；其改进之处在于，所述控制电路包括控制模块、电源模块、人机交互模块、采集模块、数据存储模块、通信模块、投切控制电路、过零投切模块和保护告警模块；所述控制模块分别与所述电源模块、所述人机交互模块、所述采集模块、所述数据存储模块、所述通信模块、所述投切控制电路和所述保护告警模块连接；所述投切控制电路依次与所述过零投切模块和所述电容器连接。其中，所述无功补偿装置为三相共补方式，则所述采样模块采取A、C相的线电压Uac，取B相的相电流Ib ;所述电容器包括两组A形接法的电容器。其中，所述无功补偿装置为三相分补方式，则所述采样电路采取A、B、C三相的相电压Ua、相电压Ub和相电压U。，取A、B、C三相的相电流Ia、相电流Ib和相电流Ic ;所述电容器包括一个星形接法的电容器。其中，至少两个的所述无功补偿装置构成三相共补方式和三相分补方式结合时，所述无功补偿装置间并联形成三相混合补偿系统。其中，投切电容器的开关选用具有零电压导通和零电流断开功能的复合开关，以减小电容器投入和切除时的浪涌电流。其中，所述控制模块包括LPC2388控制器。其中，所述人机交互模块包括键盘和LCD显示器；所述键盘用于设置无功补偿装置的参数，所述LCD显示器用于显示三相的功率因数、电压、电流、有功功率和无功功率参数。其中，所述通信模块采用RS485通信方式，其根据负荷选择接入所述无功补偿装置数量和类型，并选定其中一个为主机，与剩下装置按主从通信的方式工作。 本发明基于另一目的提供的一种基于低压无功补偿装置的控制方法，其改进之处在于，根据电压值和无功功率值将九区图进行改进，所述LPC2388控制器根据改进的九区图进行区域控制，将控制命令传给所述投切控制电路和所述过零投切模块，投切所述无功补偿装置的电容器，对所述电网系统进行实时的无功功率补偿。其中，所述改进的九区图是根据电压值和无功功率值进行划分，其中电压上限值U±和电压下限值^将电网系统分为三部分；大于所述电压上限值U±的区域为I区；小于所述电压下限值Ut的区域为6区；所述电压上限值电压值I构成防震荡区域，为2区，所述电压下限值Ut和电压值2构成防震荡区域，为5区；电压值I为所述电压上限值U±-6，电压值2为所述电压下限值Ut+6 ；所述电压值I和所述电压值2之间根据无功功率Q值分为三部分，小于所述无功功率Q值下限的区域为4区，大于所述无功功率Q值上限的区域为3区，其中间区域为0区。其中，所述改进的九区图中不同区域的控制方法包括0区不进行无功功率补偿；I区将电容器逐个切除，直到全部切除为止；2区若计算所需切除的电容容量大于投入的电容器容量，则将电容器切除；3区投入电容器；4区切除电容器；5区若计算所需投入的电容容量大于未投入的电容器容量，则将电容器投入；6区将电容器逐个投入，直到全部投入为止。其中，所述LPC2388控制器记录电容器投切次数和投切时间；投切过程中，不同容量电容器的按值投切，同容量电容器的投切次数小的先投，投切次数大的先切，同等投切次数的，投切间隔时间大的先投，以保证电容的寿命和利用率达到最大。其中，根据电网系统容量设置所述无功补偿装置的个数；若所述无功补偿装置大于一组，进行主从装置设置。其中，需要补偿的无功功率由两个设定的参数决定，为功率因数和最大允许的无功功率占有功功率的比例值。其中，至少两个的所述无功补偿装置构成三相共补方式和三相分补方式结合，所述无功补偿装置的主机是共补方式，从其他分补的所述无功补偿装置从机处实时获取电压、电流遥测信息，以供主机进行逻辑判断。其中，系统工作时，主机实时向各从机发送查询命令，从机向主机返回的信息包括各从机的工作方式(三相共补或分补)、电容器的容量、投切状态、投切时间；主机还定时向各从机发送校时命令，以保证主机和各从机的时间保持同步，校时以发送广播命令的形式实现；当主机经逻辑程序判断需要从机进行电容器的投切动作时，会向该从机发送投切命令；若系统是混合补偿方式，而主机是共补方式，则主机实时向某工作在分补方式的从机发送查询遥测信息命令。与现有技术比，本发明的有益效果为(I)采用改进的九区图控制策略，克服了传统九区图控制中容易出现的频繁投切问题。 (2)通过面板键盘实现参数的设定，并利用LCD进行显示，简明的人机对话，操作简单。(3)具有过电压保护功能，使用安全。(4)能够实现电容器的零电压导通和零电流断开功能，具有运行功耗低、涌流小等优点。(5)装置中的通信模块，能够方便地实现多台装置组网运行。(6)具有成本低、应用灵活，且能够实现电容器快速、准确投切的优点。(7)现有的九区图控制策略存在反复调压和电容器投切的情况。例如当系统处于I区时，电压越上限，无功越上限，需要先降压，使电压正常，从而进入2区。但在投入电容器后，无功正常，同时电压会升高，有可能进入8区，又需要降压，从而导致了变压器分接头的频繁调节和电容器的反复投切。本发明用于低压用户侧，不设置电压调节装置，采用在无功-电压平面上设置防震荡区域的改进九区图控制策略，能够有效地避免电容器的频繁投切。
图I为本发明提供的低压无功补偿装置的系统结构图。图2为本发明提供的改进的九区图的示意图。图3为本发明提供的主机通信过程的流程图。图4为本发明提供的从机通信过程的流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。本实施例提出一种智能的低压无功补偿装置，由控制电路和电容器构成，考虑到供电系统的检测指标和直接控制量的不同，本发明同时考虑电压、功率因数和无功功率，作为控制电容器投切的依据。本实施例提供的一种低压无功补偿装置的控制电路，无功补偿装置包括电容器，工作方式为三相分补的装置中，电容器为星形接法；工作方式为三相共补的装置中，电容器为A形接法。其控制部分如图I所示，包括控制模块、电源模块、人机交互模块、采集模块、数据存储模块、通信模块、投切控制电路、过零投切模块和保护告警模块；所述控制模块分别与所述电源模块、所述人机交互模块、所述采集模块、所述数据存储模块、所述通信模块、所述投切控制电路和所述保护告警模块连接；所述投切控制电路依次与所述过零投切模块和电容器连接。电源模块为控制电路供电。数据存储模块实时存储采集的数据。保护告警模块在三相不平衡、断相、过电流、过温度时进行保护和告警指示(led灯指示)。电容器在过电压、过谐波、环境温度过高时退出运行。当所述无功补偿装置为三相共补方式，则所述采样模块采取A、C相的线电压UAC，取B相的相电流Ib ;所述电容器包括两组△形接法的电容器。当所述无功补偿装置为三相分补方式，则所述采样电路采取A、B、C三相的相电压Ua、相电压Ub和相电压Uc,取A、B、C三相的相电流Ia、相电流Ib和相电流Ic ;所述电容器包括一个星形接法的电容器。至少两个的所述无功补偿装置构成三相共补方式和三相分补方式结合时，所述无功补偿装置间并联形成三相混合补偿系统。本实施例的人机交互模块包括键盘和IXD显示器；键盘包括四个按键，可以实现各个参数的设置输入。在非设置状态下，LCD可以轮流显示各相的功率因数、电压、电流、有功功率、无功功率等参数。本实施例的所述控制模块包括LPC2388控制器。
按照上述装置，本实施例提供的一种基于低压无功补偿装置的控制方法在于，根据电压值和无功功率值将九区图进行改进，所述LPC2388控制器根据改进的九区图进行区域控制，将控制命令传给所述投切控制电路和所述过零投切模块，投切所述无功补偿装置的电容器，对所述电网系统进行实时的无功功率补偿。其中改进的九区图是根据电压值和无功功率值进行划分，划分图如图2所示，具体划分如下电压上限值u±和电压下限值Udf电网系统分为三部分；大于所述电压上限值^的区域为I区；小于所述电压下限值卜的区域为6区。所述电压上限值UjP电压值I构成防震荡区域，为2区，所述电压下限值UjP电压值2构成防震荡区域，为5区；电压值I为所述电压上限值U±-6，电压值2为所述电压下限值Ut+6。所述电压值I和所述电压值2之间根据无功功率Q值分为三部分，小于所述无功功率Q值下限的区域为4区，大于所述无功功率Q值上限的区域为3区，其中间区域为0区。对应的，改进的九区图中不同区域的控制方法包括0区不进行无功功率补偿；I区将电容器逐个切除，直到全部切除为止；2区若计算所需切除的电容容量大于投入的电容器容量，则将电容器切除；3区投入电容器；4区切除电容器；5区若计算所需投入的电容容量大于未投入的电容器容量，则将电容器投入；6区将电容器逐个投入，直到全部投入为止。其中，无功功率由两个设定的参数决定由用户根据实际负载情况，设置目标功率因数和最大允许的无功功率占有功功率的比例值。以供电系统的考核指标——功率因数为首要参数，计算出要达到目标功率因数所需要投入或切除的无功容量，并进行电容器的投切。当功率因数满足条件时，再计算无功功率是否满足条件，如果不满足条件，根据需要投入或切除的无功容量，继续进行电容器的投切，克服了功率因数满足条件但无功功率仍然很大的弊端。由于两者归根结底都是以无功功率为控制量，也避免了“投切震荡”情况的发生。本实施例的LPC2388控制器记录电容器投切次数和投切时间；投切过程中，不同容量电容器的按值投切，同容量电容器的投切次数小的先投，投切次数大的先切，同等投切次数的，投切间隔时间大的先投，以保证电容的寿命和利用率达到最大。装置中的通信模块用于多台装置联机工作时传递信息和命令，用户可以在面板上设置装置为主机或从机。根据不同的系统容量选择接入的无功补偿装置的数量，系统允许接入的最大装置数为32台。在系统工作时，从机不再进行逻辑判断，而是接收主机发送来的投切命令进行电容器的投切。若系统是混合补偿方式，而主机是共补方式，此时需要从其他分补的从机处实时获取电压、电流等遥测信息，以供主机进行逻辑判断。系统工作时，主机实时向各从机发送查询命令，从机向主机返回的信息包括各从机的工作方式(三相共补或分补)、电容器的容量、投切状态、投切时间；主机还定时向各从机发送校时命令，以保证主机和各从机的时间保持同步，校时以发送广播命令的形式实现；当主机经逻辑程序判断需要从机进行电容器的投切动作时，会向该从机发送投切命令；若系统是混合补偿方式，而主机是共补方式，则主机实时向某工作在分补方式的从机发送查 询遥测信息命令。主机、从机通信过程的流程图分别如图3、图4所示。如图3所示，主机通信过程包括如下步骤(I)系统初始化；(2) LPC2388控制器判断主机是否空闲，若空闲则进行步骤(3)，否则控制器发送数据，主机接收数据并进行处理；(3)主机判断是否需要发送校时命令，若需要则像从机发送校时命令，否则进行步骤⑷;(4)主机判断是否需要发送投切命令，若需要则像从机发送投切命令，否则进行步骤(5)；(5)主机判断是否需要查询遥测信息，若需要则将从机发送查询遥测信息命令，否则进行步骤(6)；(6)主机判断是否需要查询从机信息，若需要则将从机发送查询从机信息命令，若不需要则结束。从机信息包括从机的工作方式(分补还是共补)，从机电容器的容量、投切状态、投切时间、投切次数。如图4所示，从机通信过程包括系统先初始化，其后开始接受主机数据并进行处理，其中，根据主机通信时发送的命令(如步骤(3)- (6))，发送相应的信息结果给主机。投切电容器的开关选用具有零电压导通和零电流断开功能的复合开关，以减小电容器投入和切除时的浪涌电流。另外，系统具有在过谐波、过电流、过电压、过温度等情况下的告警及自动退出运行的保护功能。本实施例的通信模块采用RS485通信方式，其根据负荷选择接入装置数量，选出其中一个为主机，剩余装置为从机，使各装置之间按主从通信的方式工作。本发明在无功补偿实验中，实验数据如表I、表2所示(实验中目标功率因数设为
0.95，最大允许的无功功率占有功功率的比例为20%)。表I三相分补方式实验结果
权利要求
1.一种低压无功补偿装置的控制电路，所述无功补偿装置包括电容器；其特征在于，所述控制电路包括控制模块、电源模块、人机交互模块、采集模块、数据存储模块、通信模块、投切控制电路、过零投切模块和保护告警模块；所述控制模块分别与所述电源模块、所述人机交互模块、所述采集模块、所述数据存储模块、所述通信模块、所述投切控制电路和所述保护告警模块连接；所述投切控制电路依次与所述过零投切模块和所述电容器连接。
2.如权利要求I所述的控制电路，其特征在于，所述无功补偿装置为三相共补方式，则所述采样模块采取A、C相的线电压Ua。，取B相的相电流Ib ;所述电容器包括两组△形接法的电容器。
3.如权利要求I所述的控制电路，其特征在于，所述无功补偿装置为三相分补方式，则所述采样电路采取A、B、C三相的相电压Ua、相电压Ub和相电压Uc，取A、B、C三相的相电流Ia、相电流Ib和相电流Ic ;所述电容器包括一个星形接法的电容器。
4.如权利要求I所述的控制电路，其特征在于，至少两个的所述无功补偿装置构成三 相共补方式和三相分补方式结合时，所述无功补偿装置间并联形成三相混合补偿系统。
5.如权利要求I所述的控制电路，其特征在于，投切电容器的开关选用具有零电压导通和零电流断开功能的复合开关，以减小电容器投入和切除时的浪涌电流。
6.如权利要求I所述的低压无功补偿模块，其特征在于，所述控制模块包括LPC2388控制器。
7.如权利要求I所述的控制电路，其特征在于，所述人机交互模块包括键盘和LCD显示器；所述键盘用于设置无功补偿装置的参数，所述LCD显示器用于显示三相的功率因数、电压、电流、有功功率和无功功率参数。
8.如权利要求I所述的控制电路，其特征在于，所述通信模块采用RS485通信方式，其根据负荷选择接入所述无功补偿装置数量和类型，并选定其中一个为主机，与剩下装置按主从通信的方式工作。
9.一种基于低压无功补偿装置的控制方法，其特征在于，根据电压值和无功功率值将九区图进行改进，所述LPC2388控制器根据改进的九区图进行区域控制，将控制命令传给所述投切控制电路和所述过零投切模块，投切所述无功补偿装置的电容器，对所述电网系统进行实时的无功功率补偿。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述改进的九区图是根据电压值和无功功率值进行划分，其中 电压上限值u±和电压下限值uyf电网系统分为三部分；大于所述电压上限值u±的区域为I区；小于所述电压下限值Ut的区域为6区； 所述电压上限值电压值I构成防震荡区域，为2区，所述电压下限值UT和电压值2构成防震荡区域，为5区；电压值I为所述电压上限值U上-6，电压值2为所述电压下限值U 下+6 ； 所述电压值I和所述电压值2之间根据无功功率Q值分为三部分，小于所述无功功率Q值下限的区域为4区，大于所述无功功率Q值上限的区域为3区，其中间区域为0区。
11.如权利要求I所述的控制方法，其特征在于，所述改进的九区图中不同区域的控制方法包括 0区不进行无功功率补偿；I区将电容器逐个切除，直到全部切除为止； 2区若计算所需切除的电容容量大于投入的电容器容量，则将电容器切除； 3区投入电容器； 4区切除电容器； 5区若计算所需投入的电容容量大于未投入的电容器容量，则将电容器投入； 6区将电容器逐个投入，直到全部投入为止。
12.如权利要求I所述的控制方法，其特征在于，所述LPC2388控制器记录电容器投切次数和投切时间；投切过程中，不同容量电容器的按值投切，同容量电容器的投切次数小的 先投，投切次数大的先切，同等投切次数的，投切间隔时间大的先投，以保证电容的寿命和利用率达到最大。
13.如权利要求I所述的控制方法，其特征在于，根据电网系统容量设置所述无功补偿装置的个数；若所述无功补偿装置大于一组，进行主从装置设置。
14.如权利要求I所述的控制方法，其特征在于，需要补偿的无功功率由两个设定的参数决定，为功率因数和最大允许的无功功率占有功功率的比例值。
15.如权利要求I所述的控制方法，其特征在于，至少两个的所述无功补偿装置构成三相共补方式和三相分补方式结合，所述无功补偿装置的主机是共补方式，从其他分补的所述无功补偿装置从机处实时获取电压、电流遥测信息，以供主机进行逻辑判断。
全文摘要
本发明提供一种低压无功补偿装置的控制电路，包括控制模块、电源模块、人机交互模块、采集模块、数据存储模块、通信模块、投切控制电路、过零投切模块和保护告警模块；所述控制模块分别与所述电源模块、所述人机交互模块、所述采集模块、所述数据存储模块、所述通信模块、所述投切控制电路和所述保护告警模块连接；所述投切控制电路依次与所述过零投切模块和电容器连接。根据电压值和无功功率值将电网系统划分，将现有的九区图进行改进，控制器根据改进的九区图对无功补偿装置进行无功补偿。本发明克服了传统九区图控制中容易出现的频繁投切问题，并且具有成本低、应用灵活，且能够实现电容器快速、准确投切的优点。
文档编号H02J3/18GK102709921SQ20121017424
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者丁孝华, 席旸旸, 张晓燕, 杨宇峰, 王丙文, 王双虎, 田小锋, 高春雷 申请人:中国电力科学研究院