Преодоление проблем низковольтных электросетей: инновационная конструкция интеллектуальных силовых конденсаторов на основе переключения при переходе через ноль

В условиях непрерывного роста промышленного производства и спроса на электроэнергию в жилых домах, стабильная работа электросетей и надежность электроснабжения стали основными приоритетами. Однако дисбаланс реактивной мощности, являющийся ключевой проблемой, влияющей на эффективность энергосистем, уже давно преследует низковольтные распределительные системы. Традиционные устройства компенсации реактивной мощности не только конструктивно сложны и трудны в обслуживании, но и генерируют огромные пусковые токи при коммутации, что сокращает срок службы силовых конденсаторов, приводит к частым отказам и увеличивает расходы предприятий на электроэнергию. Для решения этих проблем мы разработали новый тип интеллектуальных силовых конденсаторов с высокой степенью интеграции, нулевым пусковым током и экономической эффективностью, основанной на технологии коммутации с пересечением нуля, что обеспечивает эффективное решение для компенсации реактивной мощности в низковольтных электросетях.

I. Проблемы традиционной компенсации реактивной мощности: три основные проблемы, с которыми сталкиваются силовые конденсаторы

В низковольтных распределительных сетях силовые конденсаторы являются основными компонентами компенсации реактивной мощности, и их эксплуатационная стабильность напрямую определяет эффективность компенсации. Тем не менее, традиционные решения по компенсации имеют ряд недостатков, препятствующих оптимальной работе силовых конденсаторов:

1. Высокий риск отказа одной точки в контроллерах : большинство традиционных устройств используют модель «один контроллер управляет несколькими силовыми конденсаторами». При выходе контроллера из строя всё устройство отключается, а силовые конденсаторы подвержены перегоранию из-за потери управления, что приводит к экономическим потерям и перебоям в электросети.
2. Броски тока при коммутации сокращают срок службы силовых конденсаторов : при коммутации с помощью традиционных ключей часто возникает значительная разница между напряжением сети и остаточным напряжением силовых конденсаторов. Согласно уравнению характеристики силового конденсатора \(i_{C}=C \frac{d u_{C}}{dt}\), резкие изменения напряжения вызывают большие броски тока. Это воздействие может не только повредить тиристоры, но и ускорить старение силовых конденсаторов. Экспериментальные данные показывают, что интенсивность отказов силовых конденсаторов с коммутацией без пересечения нуля значительно выше, чем с коммутацией с пересечением нуля, а их срок службы может быть сокращен до 50%.
3. Низкая степень интеграции устройств и высокие затраты на обслуживание : Традиционные системы компенсации реактивной мощности состоят из разрозненных компонентов, таких как контроллеры, коммутаторы и конденсаторные батареи. Они имеют сложную проводку, занимают много места, а поиск и устранение неисправностей в каждом компоненте затруднены. Ежедневное обслуживание требует значительных трудозатрат и времени.

II. Ключевой прорыв: технология коммутации при переходе через ноль обеспечивает «коммутацию без пускового тока» для силовых конденсаторов

1. Основной принцип переключения при нулевом пересечении

Ключ к коммутации при переходе через ноль заключается в том, чтобы в момент подключения силового конденсатора напряжение сети \(u_{s}\) и остаточное напряжение силового конденсатора \(u_{c}\) были равны по величине и имели одинаковую полярность. В этот момент не происходит резкого изменения напряжения на силовом конденсаторе. Согласно закону \(i_{C}=C \frac{d u_{C}}{dt}\), скорость изменения тока равна нулю, и пусковой ток при коммутации отсутствует.

• Идеальное состояние переключения : если силовой конденсатор предварительно заряжен до пикового значения напряжения источника питания и переключается на пике напряжения источника питания, то скорость изменения напряжения равна нулю, начальное значение тока \(i_{c}\) равно нулю, а затем он плавно растет по синусоидальному закону, не оказывая никакого воздействия на протяжении всего процесса.
• Оптимизация для практического применения : учитывая такие факторы, как колебания параметров электросети и сложность поддержания пикового напряжения силового конденсатора, мы оптимизировали конструкцию таким образом, чтобы «подключать силовой конденсатор при нулевом напряжении сети». При этом после отключения силовой конденсатор быстро разряжается через специальный резистор, обеспечивая близость остаточного напряжения силового конденсатора к нулю перед следующим переключением, что исключает возникновение пусковых токов в реальных ситуациях.

2. Композитный коммутатор: «Надёжный управитель» для коммутации силовых конденсаторов

Для обеспечения точного переключения при переходе через ноль мы оснастили интеллектуальный силовой конденсатор специализированным составным переключателем, состоящим из двунаправленного тиристора и реле с блокировкой, что обеспечивает баланс между гибкостью переключения и эксплуатационной стабильностью:

• Момент переключения : когда контроллер обнаруживает, что напряжение на тиристоре равно нулю, он немедленно посылает пусковой импульс, и двунаправленный тиристор быстро включается, обеспечивая подключение силового конденсатора без пускового тока.
• Фаза нормальной работы : после подключения силового конденсатора реле с блокировкой берет на себя управление тиристором, поддерживая его во включенном состоянии. В отличие от тиристоров, реле с блокировкой не имеют потерь проводимости, что позволяет избежать перегрева устройства при длительной эксплуатации и дополнительно защищает рабочую среду силового конденсатора.
• Процесс отключения : когда контроллер выдаёт команду на отключение, он сначала отключает реле с блокировкой, а тиристор автоматически отключается, обнаружив, что ток равен нулю. Одновременно активируется схема разряда сопротивления для быстрого снижения остаточного напряжения силового конденсатора до нуля, готовя его к следующему переключению.

III. Проектирование системы: высокоинтегрированная интеллектуальная архитектура для «автономного управления» силовыми конденсаторами

В дополнение к технологии коммутации ядра наш интеллектуальный силовой конденсатор имеет высокоинтегрированную конструкцию, объединяющую контроллер, переключатель, мониторинг состояния и другие функции в единое целое, что позволяет каждому силовому конденсатору иметь возможности «автономного принятия решений».

1. Интеллектуальный контроллер: «мозговой центр» силового конденсатора

Контроллер использует цифровой контроллер сигналов dsPIC30F6014A от Microchip Technology Inc. (США), который служит «мозгом» для работы силового конденсатора и выполняет следующие основные функции:

• Сбор и расчёт параметров в реальном времени : система собирает трёхфазные сигналы напряжения и тока электросети через трансформаторы напряжения и тока. После преобразования 12-битным АЦП, система использует быстрый алгоритм БПФ для расчёта ключевых параметров, таких как действующее значение напряжения, действующее значение тока, реактивная мощность и коэффициент мощности.
• Интеллектуальное принятие решений о переключении : на основе предварительно заданной стратегии управления и в сочетании с параметрами электросети в реальном времени автоматически определяет, нужно ли переключать силовой конденсатор, и точно управляет работой составного переключателя.
• Совместное управление несколькими машинами : один силовой конденсатор может работать независимо, а несколько силовых конденсаторов могут быть объединены через интерфейс RS485 для создания системы компенсации реактивной мощности большой мощности. Даже неисправность контроллера одного силового конденсатора не повлияет на нормальную работу других силовых конденсаторов, что полностью решает проблему «отказа в одной точке», характерную для традиционных решений.

2. Полноценный мониторинг состояния: «прозрачная» работа силовых конденсаторов

Интеллектуальный силовой конденсатор имеет встроенный модуль индикации состояния конденсатора, который обеспечивает обратную связь в режиме реального времени о рабочем состоянии силового конденсатора через человеко-машинный интерфейс и дисплей:

• Он наглядно отображает такие параметры, как трехфазное напряжение, ток и коэффициент мощности, что позволяет персоналу в любой момент оценить эффект компенсации электросети.
• Устройство имеет функции оповещения о перенапряжении, перегрузке по току, неисправностях силовых конденсаторов и т. д. При возникновении неисправности оно немедленно выдает подсказку, что позволяет быстро локализовать проблему.
• Поддерживает переключение между пофазной компенсацией и трехфазной компенсацией, которую можно гибко настраивать в соответствии с характеристиками нагрузки электросети, обеспечивая точность компенсации силового конденсатора.

IV. Моделирование и экспериментальная проверка: стабильная работа силовых конденсаторов со значительным эффектом нулевого пускового тока

Чтобы проверить надежность интеллектуального силового конденсатора, мы провели двойную проверку посредством моделирования MATLAB/Simulink и реальных экспериментов, и результаты подтвердили его надежность и характеристики нулевого пускового тока.

1. Тест моделирования: нулевой пусковой ток для силовых конденсаторов в различных сценариях

Настройки имитационной модели: напряжение сети на стороне источника питания составляет 380 В, а сторона нагрузки имитирует изменения нагрузки в реальной электросети (нагрузка 15 Ом/20 мГн подключена в момент времени 0, нагрузка 10 Ом/30 мГн подключена через 0,1 с и отключена через 0,2 с). Силовой конденсатор имеет соединение по схеме «звезда» (Y) с компенсирующей ёмкостью 1,5 кВАр.

• Сценарий с остаточным напряжением : когда силовой конденсатор предварительно заряжен до пикового значения напряжения источника питания, форма сигнала напряжения фазы А стабильна без резких изменений при его подключении, а форма сигнала тока синусоидально нарастает от 0, без пускового тока.
• Сценарий без остаточного напряжения : когда остаточное напряжение силового конденсатора равно нулю, напряжение и ток фазы A также стабильны при его подключении, что соответствует сценарию с остаточным напряжением. Это доказывает, что при достижении переключения через нулевой уровень пусковой ток силового конденсатора не генерируется независимо от состояния остаточного напряжения.

2. Реальный эксперимент: стабильная работа в промышленных масштабах

В реальном эксперименте мы подключили силовой конденсатор, когда напряжение сети было равно нулю, и собрали формы сигналов напряжения и тока фазы А:

• Форма напряжения: в момент подключения не произошло никаких скачков напряжения, и она оставалась синусоидально стабильной на протяжении всего процесса.
• Форма кривой тока: начальное значение было близко к нулю, без ударного пика, и оно стабильно следовало изменению напряжения.
• Отключение и разряд: После отключения силового конденсатора он разряжался через резистор, и остаточное напряжение в течение короткого времени падало практически до нуля, подготавливая тем самым к следующему переключению.

Экспериментальные результаты в значительной степени согласуются с результатами моделирования, полностью демонстрируя, что интеллектуальный силовой конденсатор может стабильно достигать переключения с нулевым пусковым током в практических приложениях, эффективно защищая силовой конденсатор и продлевая срок его службы.

V. Ценность применения: интеллектуальные силовые конденсаторы снижают затраты и повышают эффективность низковольтных электросетей

1. Продление срока службы силовых конденсаторов и снижение затрат на замену : переключение с нулевым пусковым током снижает повреждение силовых конденсаторов, продлевая срок их службы на 30–50 % по сравнению с традиционными решениями и сокращая затраты предприятий на замену силовых конденсаторов.
2. Повышение стабильности электросети и снижение энергопотребления : точная компенсация реактивной мощности может повысить коэффициент мощности электросети и снизить потери в линии. Экспериментальные данные показывают, что после применения среднее энергопотребление электросети может снизиться на 5–10%.
3. Упрощение обслуживания и экономия трудозатрат : высокоинтегрированная конструкция уменьшает размер устройства на 40%. Кроме того, благодаря интеллектуальным функциям сигнализации и мониторинга состояния эффективность обслуживания повышается более чем на 60%.
4. Гибкое расширение для адаптации к различным сценариям : один силовой конденсатор может работать независимо, а несколько силовых конденсаторов можно объединить в сеть через RS-485. Ёмкость можно гибко наращивать в соответствии с ростом нагрузки на электросеть, что делает его подходящим для различных вариантов распределения электроэнергии низкого напряжения, таких как фабрики, торговые центры и жилые комплексы.

Заключение

От «болевой точки пускового тока» традиционной компенсации реактивной мощности до «прорыва нулевого пускового тока» при коммутации с пересечением нуля — наши интеллектуальные силовые конденсаторы основаны на технологических инновациях, превращая силовые конденсаторы из «уязвимых компонентов» в «стабильные сердечники». В будущем мы продолжим оптимизировать характеристики продукции, продвигать применение интеллектуальных силовых конденсаторов в более низковольтных сетях и обеспечивать надежную поддержку эффективной и стабильной работы электросетей.

В Hengrong Electrical мы понимаем, насколько важна каждая деталь в управлении электропитанием. От передовой разработки продукции до инновационных решений в области фильтрации — мы стремимся предоставлять надёжные, эффективные и перспективные технологии. Выбирая Hengrong, вы получаете не просто продукцию, а надёжного партнёра, который поможет вашему бизнесу стать более интеллектуальным, безопасным и экологичным.

www.hengrong-electric.com