本发明属于一种电力系统无功功率自动补偿方法，可用于改善电力用户的负荷功率因数，适合容量在400KVA～2500KVA、电压为380V、660V、1140V、频率为50HZ、60HZ、400HZ的工矿企业、宾馆饭店以及飞行器等耗电量大而功率因素低的电力用户使用。

  现有的无功功率自动补偿方法有两类。第一种类型的无功功率自动补偿方法是基于积算仪表的测量原理，测量一段给定时间(例如10秒、20秒、1分钟或3分钟)内的平均功率因数，从而决定下一个测量周期应投入的补偿电容。但这类装置的响应速度不能够满足一些实际在做的工作的需要，并且由于这类装置的执行机构是机电式接触器，补偿电容用接触器投入，不可避免地会出现尖峰脉冲电流，尖峰脉冲电流幅度往往是电容额定电流峰值的若干倍，这种脉冲性质的电流不仅对改善功率因数无所贡献，而且还会导致电容器损耗增加，温升增高，寿命降低。这类装置速定的响应速度越快，尖峰脉冲电流频度就越高，电容温升就越高，因此，除其他原因外，补偿电容发热是制约这类装置响应速度的主要的因素。例如，国家定型的BJ(F)-3Z自动控制静电电容补偿装置最快的响应速度是10秒。陕西省渭南电子仪器研究所的COSφ-4型自动功率因素补偿器最小一级电容的响应速度最快为3秒，即便如此，该装置对感应电机启动过程吸收最大无功功率的最初一、两秒是无能为力的。天津电气传动设计研究所研制的PGJ-10型自动功率因数调节器，为了保持比较高的响应速度又要避免补偿电容过热，设置了备份电容器，备份电容与在线电容交替使用，但由于PGJ-10型装置的执行机构仍然是接触器，所以其响应速度不会超过接触器允许的每小时数百次，即响应速度不会小于数秒。这类装置的另一个缺点也是由于执行机构是机电式接触器，从而电容投入不可避免地对电网产生尖峰脉冲电流，使电网波形恶化。

  第二种类型的无功功率自动补偿方法是把测得的三相电压和三相电流的采样值输入计算机，计算出一个测量周期内的平均无功功率，据此决定下一个测量周期应投入的补偿电容量、这种方法的缺点是装置复杂、成本高、响应速度也只能达到40毫秒左右。

  本发明的目的是设计一种检测的新方法简单、响应速度快、补偿电容投入切出无尖峰脉冲电流并采用半导体无触点开关作为投切补偿电容执行机构的静止式无功功率自动补偿方法。

  本发明提出的静止式无功功率自动补偿方法的主要特征是在电压过零时刻直接检测感性负荷的无功电流峰值。其原理是感性负荷电流可以看成是一个与相应电压同相位的有功电流分量和一个比相应电压滞后90°的无功电流分量之和。从时间座标上看，当相应的电压即时值为零时，有功电流分量即时值亦为零，而无功电流即时值恰逢峰值。这就是说，在相应电压过零时刻所检测到的感性负荷电流即时值恰好是其无功电流分量的峰值。用被检测到的某相无功电流峰值作为投入补偿电容的依据，通过予先适当标定，使投入补偿电容提供的补偿电流的峰值恰好等于被检测到的该相无功电流峰值，因而使负荷的无功功率得到完全补偿。

  本发明的设计的具体方案是分别测量三个线电流，并将被测电流转变为成正比的三个电压值，经过放大后，通过多路开关送进模数转换器，转换成三组K位二进制数码，再输入无功电流锁存器，取各相电压过零时刻锁存的各相无功电流即时值(二进制数码)作为各相补偿电容半导体无触点开关的使能信号，分别选择触发各相补偿电容的K个半导体无触点开关，向被补偿的变压器各相次级或供电母线分别投入补偿电容。补偿电容是按K级二进权设置的，最小电容CO提供的补偿电流峰值相应于锁存二进制数码的单位值1。

  利用时钟信号发生器产生十二个依次间隔十二分之一电压周期的方波信号，方波脉冲前沿分别相应于某一相电压和某一线电压的过零时刻，用对应相时钟方波上升沿或下降沿更新该相无功电流锁存器的内容。半导体无触点开关能够使用两只同容量的晶闸管反并联构成，或者用一只晶闸管和一只同容量的二极管反并联构成。半导体无触点开关的一端接被补偿电源，另一端接补偿电容，补偿电容通过一只晶闸管或二极管予先编置在对应相电压的正峰值或负峰值。如果补偿电容是正峰值予偏置，则用正峰值时刻时钟方波脉冲的上升沿触发该相补偿电容的无触点开关;如果补偿电容是负峰值予偏置，则用负峰值时刻时钟方波脉冲的上升沿触发该相补偿电容的无触点开关。保证半导体无触点开关在零电压和零电流条件下启通或关断。

  本发明提出的静止式无功功率自动补偿方法的优点是1.采用了直接检测电压过零时刻的无功电流峰值的检测的新方法，检测准确、响应速度快，每个周波对每相电流检测一次，调整一次投入的补偿电容数量，使补偿电流快速跟随负荷的无功电流变化，响应时间≤20毫秒。

  3.采用了两项保证补偿电容投入切出不出现尖峰脉冲电流的措施(1)补偿电容予先偏置在电网电压的正峰值或负峰值上;(2)如果补偿电容是负峰值予偏置，则无触点开关在电网电压负峰值触发，如果补偿电容是正峰值予偏置，则无触点开关在电网电压正峰值触发，保证没有尖峰电流出现。

  4.利用被检测的无功电流作为投入补偿电容的依据，经标定使投入的补偿电容提供的补偿电流的峰值恰好等于被检测到的该相无功电流峰值，从而使负荷得到完全的补偿。

  图14(A11、A12、A13、A14、A21、A22、A23、A24、A31、A32、A33、A34)静止式无功功率自动补偿装置电路图(注该图由12张小图按3行4列排列组合成一张完整电路图)。

  图1为本发明的原理方框图，其中方框2是电流测量单元(见图7A)，分别测量三个线电流，输出电压与被检测电流成正比，经放大该单元的三个输出电压(相应于三个线电流)，再经多路开关送到模数转换器方框9。如果负荷性质是三相对称的，方框2可以简化(见图7B)，只测量一个线电流，转换成正比的输出电压经放大后送到模数转换器。

  图1中的方框9是模数转换单元，它把方框2输出的信号在整定范围内变成正比的二进制数码，方框9输出的二进制数码的位数K与系统无触点开关电容的级数吻合，补偿电容是按K级二进权设置的，最小电容CO提供的补偿电流峰值相应于锁存二进制数码的单位值1。模数转换单元的结构框图见图8。

  图1中方框10是无功电流检测锁存单元。由系统时钟脉冲使能信号保证锁存的是无功电流峰值(二进制数码)。图9A是不对称负荷情况下无功电流检测锁存单元的结构框图。图9B是对称负荷情况下无功电流检测锁存单元的结构框图。如果负荷性质是对称的，无论补偿电容是YO接法(见图2A)或Δ接法(见图2B)，都不有必要进行Y-Δ转换(见图9B)，图9B中用到一个锁存缓冲是选触时序逻辑的需要。如果负荷性质是不对称的且补偿电容是YO接法(见图2A)，也不有必要进行Y-Δ转换，在这种情况下图9A中的Y-Δ转换方框可省去，图9A中三个并列的锁存器分别锁存相应的三个线电流的无功电流峰值(二进制数码)。只有当负荷性质是不对称且补偿电容是Δ接法(见图2B)，才需要进Y-Δ转换，送到方框11的选触信号是方框10的Y-Δ转换方框输出的三组K位二进制数码。

  图1中的方框11是开关电容组7的半导体无触点开关的选择触发单元，方框11用方框10锁存的实际无功电流峰值(二进制数码)作为使能信号触发相应电容支路的无触点开关，提供恰好是负荷需要补偿的无功电流值。半导体无触点开关是由两只同容量晶闸管反并联构成，或者由一只晶闸管和一只同容量的二极管构成，如图3A和图3B所示。图3A中晶闸管SA和图3B中晶闸管SA作用相同，由无触点开关选择触发逻辑控制。图3A中晶闸管SK的作用和图3B中二极管DK的作用相同，为补偿电容提供偏置。当无触点开关为图3A的形式时，补偿系统初合闸之后，晶闸管SK的触发信号在相应电压过零时发出，触发信号一旦发出即维持幅度不变，晶闸管SK实际上就等于二极管了。半导体无触点开关一端接电源V1(t)正极，另一端经补偿电容接电源负极(见图10)。开关电容组均予先偏置在相应电压的正峰值或负峰值，如果是正峰值偏置，则用正峰值时刻对应的时钟方波上升沿触发该相补偿电容的无触点开关，如果是负峰值偏置，则用负峰值时刻对应的时钟方波上升沿触发该相补偿电容的无触点开关，保证半导体无触点开关在零电压和零电流条件下启通或关断。

  由于选触信号是二进制数码，而且开关电容也是按二进权设置的，并且最小电容C0提供的补偿电流的峰值相应于锁存的二进制数码单位值1。按此当量确定C0的电容值，这样用K级无触点开关电容器组能够获得2的K次方种不同数值的电容组合O，C0，2C0，4C0，8C0……2K-1C0。因此系统运行时提供的无功电流值就正好是负荷需要的无功电流值了。

  图1中的方框3是时钟信号发生器单元，它产生十二个依次间隔十二分之一电压周期的方波信号，三相电压对应的方波脉冲前沿分别对应于某一相电压和某一线可见，时钟方波前沿顺序是a，-ca，-c，bc，b，-ab，-a，ca，c，-bc，-b，ab，a，-ca，……循环。方波宽度为二分之一电压周期，相邻两时钟方波前沿相差十二分之一周期，方框3的结构框图见图11。

  图1中的方框4是电压测量单元，其作用是检测供电电压波动，从而对模数转换单元9门坎值作相应的修正，方框4的结构框图见图12。

  图1中的方框12是系统启停联锁单元，在该补偿系统合闸时，该电路提供延时封锁信号零初始化各个寄存器同时封锁触发电路脉冲，一旦开关电容偏置完成(小于1秒)，系统即开始正常工作，按按钮“停止”时，开关电容器组各相被选触的电容在电流自然过零后自动退出运行，而后开关电容器组进线自动开关把开关电容器组从电源脱开。本补偿系统开关电容器组进线自动开关既不启通电流，也不切断电流，只起隔离作用，方框12的结构框图见图13。

  图1中方框8是固定电容单元，固定电容用来补偿谷值负荷的无功电流。采用了固定电容后，可以使系统满补偿时最大即时相对误差减小，如果负荷的时间曲线上谷值负荷无功电流很小，这一单元可以不设置。

  图1中方框1是另一电流测量单元，测量结果与相应电压信号一起送到计量单元5。

  图1中方框5是计量单元，该单元用非积算仪表显示被补偿系统的三个线电压，三个线电流，电力变压器向负荷看的即时功率因数;该单元还用积算仪表计量被补偿系统的有功电度和无功电度，有功电度和无功电度日报表是进一步整定本补偿系统指标的最可靠的依据。

  图1中方框6是补偿电容三相电流显示单元。系统的时序逻辑示例见图6A和图6B。

  该装置是由计量单元、继电控制单元、吸收电路单元、补偿电容三相电流显示单元、固定补偿电容单元、触发脉冲放大电路单元、时钟信号发生器、无功电流峰值的模数转换和锁存单元、开关电容器组、系统的启停联锁单元、Y-Δ转换单元所组成。

  计量单元由电流互感器LA1，LB1和LC1，有功电度表AP，无功电度表Rp和功率因数表pF组成。

  继电控制单元(该单元属于图1中的方框12)由进线刀闸HD，自动空气断路器10C，接触器20C和30C，中间继电器JA2，IJ和IJ1，时间继电器1SJ～5SJ，信号灯XD1～XD5组成。

  补偿电容三相电流显示单元由电流互感器LA2、LB2和LC2和三只电流表组成。

  固定电容部分由熔断器RL4，RL5和RL6，固定电容Cab，Cbc和Cca，三只放电电阻并在固定电容上组成。

  触发脉冲放大电路单元(该单元属于图11中方框1)由发光二极管Lai，Lbi或Lci，光电隔离OPTi，功放管Gi和脉冲变压器TTi组成，把从NDi来的脉冲信号电隔离并功放后去触发无触点开关。

  时钟信号发生器由三只变压器TB1～TB3的初级自装置隔离刀闸再经熔断器接到电网相线初级接成Y型，每只变压器有七个次级绕组，次级绕组出线端

  分别经滤波电容C11～C16分别进入CPa、CPb、CPc、CPab、CPbc和CPca六个方波发生器分别产生六个方波时钟脉冲-a、-b、-c、-ab、-bc、-ca，时钟脉冲的上升沿对应于电网相应电压(相电压或线电压)的过零时刻。时钟脉冲-a、-b、-c分别经三个倒相器INVa、INVb和INVc派生出三个倒相的时钟脉冲a、b和c;时钟脉冲-ab、-bc、-ca也可分别经三个倒相器派生出三个倒相时钟脉冲ab、bc和ca。时钟脉冲信号-ab、-ca;-bc、-ab;-ca、-bc用来控制多路开关MPX，时钟脉冲信号-ab、a;-bc、b;-ca、c用来控制锁存器LQa、LQb、LQc，时钟脉冲信号-ab、a;-bc、b;-ca、c用来控制联锁触发器INTa、INTb、INTc，如果补偿电容是Δ接线的，则用时钟脉冲信号c、a、b控制触发脉冲前沿、控制或非门NOR5、NOR7和NOR，;如果补偿电容是Y接线的，则时钟脉冲信号bc、ca和ab用来控制无触点开关触发脉冲前沿、控制或非门NOR5、NOR7、NOR9。

  无功电流峰值的模数转换和锁存电路由三只特殊变比(变比范围1000∶1～10000∶1，视实际电流的大小而定)的电流互感器LA3、LB3和LC3分别测量三相负荷总电流。LA3、LB3和LC3次级分别跨接电阻Rsa、Rsb和Rsc，把测得电流信号转变成正比例的电压信号，分别经过联锁继电器ZJ1三个触点(17～18、57～58和67～68)分别接到增益可调运算放大器AMPa、AMPb和AMPc的倒相输入端。AMPa、AMPb和AMPc的输出经过多路开关MPX接到比较器CP1～CP15的非倒相输入端，CP1～CP15倒相输入端分别接到电阻R0～R15组成的门槛梯极电路。比较器输出逻辑信号送进三位优先编码器MC14532产生四位二进制码作为无功电流峰值锁存器LQa、LQb和LQc的数据输入。锁存器输出十二条数据线进入Y-Δ转换单元。如果补偿电容是Y6接线或补偿方式是对称的，系统中Y-Δ转换单元是不需要的，LQa、LQb和LQc数据输出直接用作各相无触点开关触发电路的使能信号，LQa、LQb和LQc的输出依次分别为ND1～ND12的输入。R15一端接到C17和RTH，C17另一端接地，RTH的另一端经电位器PTH接到由二极管D1-D6组成的三相全波整流电路的输出端。整流电路输入是TB1～TB3的次级绕组ab7-ab17，bc7-bc17和ca7-ca17的电压。

  开关电容器组有四级，即每相相关电容有4条支路按二进权设置，最小电容CO提供的补偿电流峰值相应于锁存二进制数码的单位值1，每条支路至进线C的主触点次级接到电源上，每条支路分别由快速熔断器RDa0～a3、RDb0～b3和RDc0～c3二极管与同电流容量的晶闸管(或两只同容量晶间管)反并联的无触点开关Da0-Sa0、Da1-Sa1、Da2-Sa2、Da3-Sa3、Db0-Sb0、Db1-Sb1、Db2-Sb2、Db3-Sb3、Dc0-Sc0、Dc1-Sc1、Dc2-Sc2、Dc3-Sc3与放电电阻Ra0-Ra3、Rb0-Rb3、Rc0-Rc3并联的补偿电容Ca0～Ca3、Cb0～Cb3、Cc0～Cc3组成每相补偿电容有4路，每一路有一个无触点开关控制该路补偿电容，由无触点开关的使能信号决定该路补偿电容是不是投入补偿。

  系统的启停联锁电路由+12V电源通过系统继电控制串联触点组(10C辅助常开触点，IJ常开触点和JA2的常闭触点)接到二极管DI1的阴极与R100的公共端，二极管DI1的阳极与R100的公共端接到倒相器INV1的输入端，倒相器INV2输出端接到三位优先编码器的联锁端，使三位优先编码器输出端处于高阻状态。同时INV1的输出端通过电阻Rft1和电容Cft1并联的防干扰电路接到联锁触发器INTa、INTb、INTc的D输入端，保证系统启动不会在无触点开关触发脉冲宽度当中发生，否则，尖峰脉冲电流将损坏无触点开关本身。联锁触发器的R、S端都接地，时钟触发端分别由或非门NOR4、NOR6、NOR8触发，联锁触发器INTa、INTb、INTc的Q输出分别接到或非门NOR5、NOR7和NOR9的一个输入端，其输出分别接到三相无触点开关触发电路，INV2的输出通过电阻RI200接到PNP型三极管GI的基极，GI的发射极接+12V电源、集电极通过电阻RI201接电源-12V，同时通过电阻RI202接到结型场效应管JI的控制极，JI的源极接到由二极管DI2和电阻RI203组成的偏置电路，JI的漏极接到比较器CP1～CP15的非倒相输入端，保证系统启动前编码器只有零输出。

  1.一种静止式无功功率自动补偿方法，其特征是(1)分别测量三个线电流，并将被测电流转变为成正比的三个电压值，经放大后，通过多路开关送进模数转换器，转换成三组K位二进制数码，再输入无功电流锁存器，取各相电压过零时刻锁存的各相电流即时值(二进制数码)作为各相补偿电容无触点开关的使能信号，分别选择触发各相补偿电容的K个无触点开关，向被补偿的变压器各相次级或供电母线分别投入补偿电容，补偿电容按K级二进权设置，最小电容C0提供的补偿电流的峰值相应于锁存二进制数码的单位值1；(2)利用时钟信号发生器产生12个依次间隔十二分之一电网电压周期的方波信号，方波脉冲前沿分别相应于某一相电压或某一线电压的过零时刻，用对应相时钟方波的上升沿或下降沿更新无功电流锁存器的内容；补偿电容予先偏置在对应相电压的正峰值(或负峰值)，如果补偿电容是正峰值予偏置，则用该正峰值时刻时钟方波的上升沿触发该相补偿电容的无触点开关，如果补偿电容是负峰值予偏置，则用该负峰值时刻时钟方波的上升沿触发该相补偿电容的无触点开关。2.一种如权利要求1所述的静止式无功功率自动补偿方法，其特征是所采用的半导体无触点开关是由两只同容量晶闸管反并联构成，或者用一只晶闸管和一只同容量的二极管反并联构成。

  本发明提出了一种静止式无功功率自动补偿方法，适合容量在400KVA～2500KVA，电压为380V、660V、1140V，频率为50Hz、60Hz、400Hz的工矿企业等耗电量大而功率因数低的电力用户使用。本发明的特点是直接检测感性负荷的无功电流峰值，每个周波对每相电流检测和补偿一次，使补偿电流快速跟随负荷的无功电流变化，响应时间≤20毫秒；另外还采用了补偿电容予偏置和控制无触点开关触发时间的办法确保补偿电容投入切出不出现尖峰脉冲电流。