ARC低压无功功率自动补偿控制器说明书

ARC低压无功功率自动补偿控制器说明书

ARC低压无功功率自动补偿控制器说明书 篇1

安科瑞电气股份有限公司

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目录

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概述.........................................................................................................................................................................1执行标准.................................................................................................................................................................1型号规格.................................................................................................................................................................1技术参数.................................................................................................................................................................1外形结构.................................................................................................................................................................2安装接线.................................................................................................................................................................3使用操作指南.........................................................................................................................................................5通讯.......................................................................................................................................................................11常见故障的分析和排除方法................................................................................................................................14应用范例...............................................................................................................................................................16订货范例...............................................................................................................................................................19

1概述

低压无功功率自动补偿控制器是用于低压配电系统进行无功功率补偿的专用控制器，可以与电压等级在

400V或660V以下的静态电容屏（柜）配套使用。输出路数有12，16两种规格。控制器具有功能完善、运行稳定可靠、控制精度高等特点。采用基波功率因数和基波无功功率作为电容器投切的依据，投切稳定无投切震荡，并提供6种混合补偿（共补+分补）方案，12种投切编码方式，并在有谐波的情况，能正确显示基波功率因数。

低压无功功率自动补偿控制器带有RS485通讯接口，将采集到的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、电压畸变率、功率因数、温度等参数传送给其他设备。具有过电压、欠电压、欠流、断相、电压过畸变、温度保护等功能。

2执行标准

ARC低压无功功率自动补偿控制器说明书 篇2

常规无功补偿控制器只能实现共补, 而实际工业现场往往三相负载不平衡, 故需要针对某一相进行无功补偿, 即分补偿。常规无功补偿控制器普遍采用一种编码方式, 即等电容循环投切, 而电网所要补偿的容性无功功率的数值常是连续不分等级的, 故单只电容器容量可能过大, 造成过补或欠补, 补偿精度欠佳。为了解决上述问题, 本文将介绍一种以ARM为核心的ARC低压无功功率自动补偿控制器。

1 设计要求

根据现有市场上的低压无功功率补偿控制器的功能特点及实际需求, 确定ARC低压无功功率自动补偿控制器。

(1) 输出电路采用编码工作方式。

(2) 采用以基波无功功率为主、 基波功率因数为辅的投切依据。

(3) 采用FFT实现无功功率的精准计算。

(4) 采用混合补偿 (三相共补、 单相分补) 方式, 分为静态和动态补偿。

(5) 基本保护功能: 过电压、 欠电压、 欠流、 断相、电压畸变、温度保护等。

(6) 基本测量功能和通信功能:电压、电流、 频率、有功功率、无功功率、电压畸变率、功率因数、温度等基本测量功能;RS-485通信接口, 采用Modbus通信协议。

(7) 采用导轨和嵌入式安装方式。

(8) 电磁兼容标准: GB/T 17626.2—2006、 GB/T17626.4—2008、GB/T 17626.5—2008。

(9) 以上要求符合JB/T9663标准。

2 硬件设计

ARC低压无功功率自动补偿控制器 (以下简称控制器) 功能如图1所示。控制器包括电源电路、 三相交流电压电流采样电路、频率采样电路、温度采集电路、按键输入电路、报警输出电路、 开关量输出电路、LED显示电路、CPU、RS-485通信电路。 下面重点介绍电压采样电路、频率采样电路和RS-485通信电路。

2.1 电压和频率采样电路

电压和频率采样电路如图2所示。电压信号UA经电阻分压、信号处理后, UAO直接进入CPU, 实现电压采样。UAO经过RC滤波、迟滞比较器, 可生成同频率的基波方波FRE, 实现频率的采样。 图3 是7 次THD15%50Hz的UAO电压波形, 图4是经过RC滤波后的UAO1电压波形, 这就保证了进入迟滞比较器的是基波。

频率采样有硬件和软件测频。软件测频算法复杂、计算量大、精度不高;硬件测频计算量小、精度高。控制器硬件测频电路的优势是: 实现测频的同时实现了电压采样; 减少了CPU的运算; 泄漏误差小于基波幅值的0.02%, 满足FFT分析处理谐波的精度要求。

2.2 通信电路

控制器具有通信功能, 硬件采用RS-485通信接口。RS-485通信电路采用硬件自动控制收发电路, 不用单片机控制, 可以减轻单片机的负担。为了满足工频耐压要求, 制作PCB时要做好隔离措施。通信电路如图5所示。一路RS-485通信电路将实时电参数上传到监控中心, 便于观察现场设备; 另一路RS-485 通信电路作为子母机扩展使用, 通过主机实现对从机的控制。

3 软件设计

控制器主程序包括数据采集、FFT计算、电容投切、基本保护、显示程序、按键处理、人机交互、通信等子程序。各部分子程序采用模块化设计, 便于维护。这里主要介绍基于FFT的无功功率测量算法和电容投切。

3.1 基于FFT的无功功率测量算法

无功补偿中常用的无功功率测量算法有快速傅立叶变换 (FFT) 测量法和数字移相测量法。 快速傅立叶变换 (FFT) 测量法精度高, 但计算量较大, 实时性不好;数字移相测量法实时性好, 但是在测量信号含有谐波时测量误差较大[1]。

本文采用ARM进行FFT运算, 利用ARM处理器的快速性解决了实时性不好问题, 同时对电参量进行实时检测和处理, 以达到无功补偿最佳效果。 这种算法通过对N=2n点的时间序列f (n) 逐步分解而得到F (k) 。 对电压、电流分别采样N个数值, 构成2个数组进行FFT运算, 得到基波电压、基波电流幅值的实部和虚部[2,3]。 考虑到ARM的运算速率, 每个周期采样64 个点进行FFT运算, 单次算法计算时间为80ms, 可满足需要。FFT运算结果见表1。

3.2 电容投切

电容器投切流程如图6所示。考虑到电网三相无功功率不平衡, 控制器需要实现混合补偿, 以FFT计算出的基波功率因数和基波无功功率值作为电容器投切依据。当系统处于过电压、欠电压、过流、电压过畸变等保护状态时, 控制器不投入电容, 已投入电容也会依次被切除。

补偿容量计算式为:

电容投入判断:ΔQ>α×Q1, cosθ<cosθ1

电容切除判断:ΔQ>β×Q1, cosθ<cosθ2

式中, ΔQ为电网需要补偿的基波无功容量;cosθ1为投入功率因数;cosθ2为切除功率因数;cosθ 为当前电网功率因数;Q1为第一路电容器的容量;0.6≤α≤2.5;0.6≤β≤2.5。

为了适应电网负载变化而进行电容器容量搭配的做法称为输出编码法, 它应符合一定的规则。控制器提供了12种电容容量比例搭配, 即配置了12 种不同容量比例的电容器组合。根据现场电容比例, 选择一种编码方式, 控制器会自动计算电网无功缺额, 投入或切除电容器, 不存在投切震荡问题, 补偿效果好。

4 应用实例

某冶金车间变配电室供电系统为10kV, 有一台容量为800kVA的10/0.4kV变压器。变压器的负载率在65%左右, 主要负载为交流电机 (感性负载) , 总体功率因数在0.5左右, 电网谐波主要是5次和7次。

根据电网参数, 确定补偿总容量为275kVA;滤波电抗器选择电抗率为7% 的电抗器, 投入门限设为0.9, 切除门限设为0.98;共补4路, 编码方式为1.1.2.4, 共补容量为25、25、50、100kvar; 分补3 路, 编码方式为1.2.2, 分补容量为5、10、10kvar。控制器可自动完成电容器的投切, 投切稳定, 没有震荡。

安装控制器后, 电流降低40A, 电网功率因数从0.5提高到0.95, 电费从12 000元/月降低到8 000元/月, 达到了节电目的。

5 结束语

以ARM为核心, 以基波功率因数和基波无功功率为电容投切依据的ARC低压无功功率自动补偿控制器, 补偿精度高, 投切稳定无震荡, 具有过电压、 欠电压、 欠流、断相、电压过畸变、温度等保护和报警功能, 提高了补偿电容器的使用寿命。 控制器支持嵌入式和导轨式安装, 且具备完善的网络通信功能, 广泛适用于石油、 电力、煤矿、化工、造纸以及民用建筑等领域。

摘要：介绍一款以基波无功功率和基波功率因数为电容投切依据的ARC低压无功功率自动补偿控制器。该控制器以ARM为核心, 使用FFT算法实现基波无功和谐波的计算, 采用编码方式精确配置共补电容器和分补电容器。运行结果表明, 该控制器能有效提高线路功率因数, 实现节能降耗。

关键词：无功补偿,ARM,FFT,电容投切

参考文献

[1]陈啸晴, 粟梅.几种无功功率测量算法的仿真比较中[J].广东技术师范学院学报, 2008 (12) :25~28

[2]孙曙光, 牛丽丽, 杜太行.基于RS-485总线的功率因数分布式补偿系统设计[J].电测与仪表, 2014 (8) :8~12

低压电网无功功率补偿方法初探 篇3

一、补偿无功功率的意义

在电力系统中, 除输送有功功率外, 还要输送无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率。无功功率是用于电路内电场与磁场的交换, 并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。凡是有电磁线圈的电气设备, 要建立磁场, 就要消耗无功功率。没有无功功率, 电动机就不会转动, 变压器也不能变压, 交流接触器不会吸合。

在正常情况下, 用电设备不但要从电源获得有功功率, 同时还需要从电源取得无功功率。发电机是无功功率的主要来源, 线路电容也产生一部分无功功率, 但远远满足不了负荷和电网对无功功率的需要。如果电网中的无功电源不足将使系统电压降低, 从而损坏用电设备, 严重的会造成电网崩溃, 使系统瓦解而造成大面积停电。无功功率不足还会造成低功率因数运行, 使电气设备容量得不到充分利用, 线路电压损失增大和电能损耗的增加, 效率降低, 限制了线路的输电能力。因此用补偿办法解决电网无功功率的不足, 是保证用户对无功功率的需要, 保证用电设备在额定电压下工作, 保证电力系统安全经济运行的重要措施。

二、补偿无功功率的种类和方式

为了使电网安全经济运行和用户的正常用电, 常采用同期调相机和装设移相电容器的补偿方法补偿无功功率的不足。

1、同期调相机

利用空载运行的同步电动机, 在过励磁情况下, 输出感性的无功功率。由于其容量较大, 在短路故障时较为稳定, 损坏后可修复继续使用, 一般用于电力系统较大的变电所中。但同期调相机对有功功率的单相损耗较大, 又具有旋转部分, 需专人监护, 运行时有噪音, 工业企业较少采用。但一些无需速度调节的设备, 如通风机、水泵和空气压缩机等, 容量在1 5 0千瓦以上, 可采用同步电动机。一方面作为拖动电机, 另一方面又能在过励磁情况下输出无功功率, 这是一举两得的事, 应尽可能提倡。

2、移相电容器

移相电容器无旋转部件, 不需专人维护管理, 安装简单, 可以做到自动投切, 按需要增减补偿容量, 有功功率损耗小, 因此普遍采用的补偿方法是装设移相电容器。

补偿方法有三种。

(1) 个别补偿

主要用于低压配电网, 电容器直接接在用电设备附近, 如图1所示。这样可以减少对企业供电线路和企业内部低压配电线路及配电变压器无功功率的供应, 相应地减少了线路和变压器中的有功电能损耗, 且不会造成无功倒送, 占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等。适当地配置低压电容器, 可以减少车间线路的导线截面及变压器的容量, 对已运行的线路和变压器, 则可提高其输出容量, 补偿范围最大, 效果最好, 是最佳的补偿方法。这种补偿方式适用于长期稳定运行, 无功功率需要较大, 或距电源较远, 不便于实现其他补偿的场合。

(2) 分组补偿

将移相电容器接于车间的配电母线上, 如图2所示。其特点是电容器的电流不能流经母线与用电设备之间的线路, 此段线路的无功功率未能补偿。线路的损耗较大, 只能补偿变压器的无功需要, 因此补偿效果不如个别补偿。

(3) 集中补偿

[1]、高压集中补偿

如图3所示为接在变配电所6~10kV母线上的集中补偿的并联电容器的接线图。采用的是△形接线, 并选用成套的高压电容器柜。

高压集中补偿是将并联电容器组直接装在变电所的6~10kV高压母线上的补偿方式。适用于用户远离变电所或在供电线路的末端, 用户本身又有一定的高压负荷时, 可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用;补偿装置根据负荷的大小自动投切, 从而合理地提高了用户的功率因数, 避免功率因数降低导致电费的增加。该补偿方式只能补偿总降压变电所的6—10kV母线之前的供配电系统中由无功功率产生的影响, 而对无功功率在企业内部的供配电系统中引起的损耗无法补偿, 因此补偿范围最小。但由于装设集中, 运行条件较好, 维护管理方便, 投资较少, 且总降压变电所6—10kV母线停电机会少, 因此电容器利用率高。这种方式在一些大中型企业中应用相当普遍。

[2]、低压集中补偿

如图4所示为低压集中补偿的电容器组的接线。电容器也采用△形接线, 和高压集中补偿不同的是, 放电装置为放电电阻或220V, 15~25W的白炽灯的灯丝电阻。

低压集中补偿是将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧, 以无功补偿投切装置作为控制保护装置, 根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切, 以补偿低压配电线路和所带电气设备的无功损耗。补偿范围比高压集中补偿要大, 可使变压器的容量选得较小, 提高配电变压器利用率, 降低网损, 比较经济。

三、无功补偿并联电容器的装设与控制

1、并联电容器的接线

对单相电容器, 若电容器的额定电压与三相网络的额定电压相同, 应将其接成△形;若电容器的额定电压低于三相网络额定电压, 应将其接成丫形。电容器采用△形接线时, 任一电容器断线, 三相线路仍得到无功补偿, 而采用丫形接线时, 一相电容器断线时, 断线相将失去无功补偿。但是, 当电容器采用△形接线时, 任一电容器击穿短路时, 将造成三相线路的两相短路, 短路电流很大, 有可能引起电容器爆炸, 这对高压电容器特别危险。电容器采用丫形接线时, 在其中的一相电容器发生击穿短路时, 其短路电流仅为正常工作电流的3倍, 运行相对比较安全。GB50053—94《10kV及以下变电所设计规范》规定:高压电容器组宜接成中性点不接地丫形, 容量较小时宜接成△形;低压电容器组应接成△形。

2、并联电容器装设的位置

并联电力电容器在用户供配电系统中装设的位置如图5所示。

无功补偿设备的配置, 应按照“全面规划, 合理布局, 分级补偿, 就地平衡”的原则, 以获得无功补偿的最大经济效益。

3、电容器组投切方式的选择

对于补偿低压基本无功及常年稳定和投切次数少的高压电容器组, 采用手动投切;为避免过补偿或轻载时电压过高, 易造成设备损坏的, 采用自动投切。高、低压补偿效果相同时, 采用低压自动补偿装置。

四、无功补偿电容器容量的确定方法

1、提高功率因数补偿电容器容量

如果电力网最大负荷月的平均有功功率为Pav, 补偿前的功率因数为cosφ, 补偿后的功率因数为cosφ1, 则补偿容量可用公式计算

有时需要将cosφ提高到大于cosφ2, 小于cosφ3, 则补偿容量应满足不等式

cosφ1应采用最大负荷日平均功率因数, 补偿后功率因数cosφ2的值应取得适当。当功率因数从0.95变到1时需要的电容随功率因数的提高增长很快, 将功率因数由0.9提高到1和由0.7提高到0.9时所需补偿的容量近似相等, 所以为了经济, 一般将功率因数提高到0.9左右就可以了。

2、降低线损补偿电容器容量

线损是电力网经济运行一项重要指标, 在网络参数一定的条件下, 其与通过导线的电流平方成正比。补偿前流经电力网的电流为I1, 其有、无功分量为I1R和I1x, 则补偿后, 流经网络的电流为I2, 其有、无功量为I2 R和I2x, 则

加装电容器后, 将不会改变补偿前的有功分量, 故有

如图6所示。

补偿前的线路损耗为

补偿后的线路损耗为

补偿后线损降低的百分值为

而补偿容量为

3、提高运行电压补偿电容器容量

在配电线路的末端, 运行电压较低, 特别是重负荷、细导线的线路。加装补偿电容以后, 可以提高运行电压, 这就产生了按提高电压的要求, 选择多大的补偿电容是合理的问题。此外, 在网络电压正常的线路中, 装设补偿电容时, 网络电压的压升不能越限, 为了满足这一约束条件, 就必须了解补偿容量Q c和网络电压增量之间的关系。

装设补偿电容以前, 网络电压可用下式计算

装设补偿电容后, 电源电压U1不变, 变电所母线电压U2升到U’2, 且

三相所需总容量为

4、配电变压器的无功补偿电容器容量

配电变压器的功率损耗:

配电变压器需要补偿的无功功率Q0和Qk, 在变压器铭牌中没有标定, 但可以用铭牌中标定的空载电流百分值I%和短路电压百分值UK%很容易地计算。

故配电变压器在负载状态下补偿的无功功率为:

5、电动机无功补偿电容器容量

一般应按将电动机空载时的功率因数补偿到1的原则进行,

当电容器为三角形接线时, 每相电容的电容值为

当电容器为星形接线时, 每相电容器的电容值为

电动机补偿电容器的接线如图7所示。

五、结束语

不少交流异步电机负荷率低, 常处于轻载或空载状态, 无功功率消耗比有功功率大, 电能浪费严重。因此采用无功补偿, 提高功率因数, 从而增加了变压器的容量, 是节约电能、减少运行费用很有效的措施。合理的无功补偿确是一条投资小、见效快、收益高、切实可行的、能较大幅度降低线损, 降低系统的能耗, 改善电压质量, 节省企业电费开支, 提高设备的利用率的有效途径。

参考文献

[1]唐志平.供配电技术.电子工业出版社.2006

[2]企业供电系统及运行.劳动部培训司.中国劳动出版社.1994