專利名稱：發(fā)電機全出力智能型補償節(jié)電裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型為一種發(fā)電機全出力智能型補償節(jié)電裝置。本實用新型可應用于各種中小型發(fā)電機，包括水輪發(fā)電機及柴油發(fā)電機等，既能與電力系統(tǒng)中的發(fā)電機配合使用，也可與單獨的發(fā)電機配合使用，是一種節(jié)約能源，提高發(fā)電機有功出力，改善系統(tǒng)無功狀況的新型產品。
背景技術：
按照傳統(tǒng)規(guī)定，發(fā)電機在額定運行狀態(tài)時，其額定功率因數(shù)為cosN＝0.8。這是因為按照電網(wǎng)規(guī)定，發(fā)電機不僅要輸出有功功率，而且要提供一定數(shù)量的無功功率，以滿足網(wǎng)絡電壓穩(wěn)定和負荷需要。即使是單獨工作的發(fā)電機，由于其必須為感性負載提供無功功率，一般也不能達到全出力(即發(fā)電機cos＝1，全發(fā)有功)的運行狀態(tài)。
因此，對于柴油發(fā)電機等需要燃料的中小發(fā)電機，就必須多耗費15％～20％寶貴的燃料以轉換為無功功率。而對于眾多的中小型水電站來說，由于其水量因季節(jié)而變化，其無功功率更是難以達到規(guī)定的要求。它們在豐水期，發(fā)電量充足，不僅能滿足地方電網(wǎng)負荷要求，還可輸送給大電網(wǎng)；而在枯水期，則因發(fā)電量不足，又需從大電網(wǎng)反供電給用戶。由于發(fā)電運行的需要和經(jīng)濟利益的考慮，這些中小水電機群的功率因數(shù)往往在豐水期定得很高，搶發(fā)有功，欠發(fā)無功，從而使得由它們供電的地方電網(wǎng)需從大電網(wǎng)吸收無功功率。對于這種情況，現(xiàn)行的做法是根據(jù)并網(wǎng)協(xié)議，對功率因數(shù)超過額定值(cosN＝0.8)，無功電量發(fā)不足的水電站罰款了事。其實，從電力運行的角度來看，問題遠非如此簡單。這是因為絕大多數(shù)水電站地處偏遠山區(qū)，電力傳輸路途遙遠，以中小水電站供電為主的地方電網(wǎng)，往往由于無功不足，造成無功潮流在網(wǎng)內無序運動，導致網(wǎng)(線)損增加，電壓波動過大，甚至威脅整個系統(tǒng)的運行安全。對中小發(fā)電機群來說，它們自身更是深受其害，特別是那些引水式(徑流式)水電廠。這是由于水量變化，水輪發(fā)電機組的有功功率、無功功率需要經(jīng)常調節(jié)，按照現(xiàn)行額定運行狀態(tài)功率因數(shù)cosN＝0.8，其發(fā)出的有功功率僅為其視在額定容量的80％，這不僅是一種動力資源的浪費，也使得設備容量被占用而得不到發(fā)揮。此外，因地方電網(wǎng)和中小水電站的自動化水平均較低，系統(tǒng)無功功率不能自我平衡，當電網(wǎng)電壓升高時，水電機組自動吸收大網(wǎng)無功電流而進相運行，迫使水輪機加大導葉開度，以增加有功出力，最后導致機組失穩(wěn)、跳閘而解列；而當電網(wǎng)電壓降低時，水電機組則會自動增發(fā)無功，限制有功功率輸出，造成豐水期水量的浪費。

發(fā)明內容本實用新型為發(fā)電機全出力智能型補償節(jié)電裝置，它由智能型無功功率控制器GZK，補償單元[9]、執(zhí)行單元[11]、保護穩(wěn)壓單元[12]、晶閘管模塊[13]、無功電源裝置[14]和外接計量單元[15]等組成，其特征是分別從電流和電壓互感器CT、PT測取u、i及其夾角等電量信號，送至無功功率補償控制器GZK，經(jīng)其各單元檢測、比較和計算等智能化處理后，分別發(fā)出投切信號、過壓保護信號給執(zhí)行單元[11]，控制晶閘管模塊[13]，投切無功電源裝置[14]，另有PT補償信號給補償單元[9]，經(jīng)智能處理后，其信號分別輸入外接計量單元[15]和反饋至GZK裝置，發(fā)電機G1經(jīng)保護穩(wěn)壓單元[12]，通過[13]吸收[14]輸出的無功功率，其補償后的有功功率經(jīng)變壓器T1輸送給電網(wǎng)，實現(xiàn)全出力高效節(jié)電運行。
本實用新型針對中小型發(fā)電機存在的為發(fā)無功功率而不得不少發(fā)有功功率，造成能源浪費的現(xiàn)狀，以無功電源(如并聯(lián)電容器組等)代替發(fā)電機產生無功，并運用在負荷側(或升壓變壓器高壓側)測取信號，在發(fā)電機側(或升壓變壓器低壓側)進行控制的模糊數(shù)學控制理論及方法，對無功電源的投切進行智能化控制，使在滿足負荷和系統(tǒng)無功要求的同時，發(fā)電機能夠穩(wěn)定運行在全出力(即cos＝0.95～1)狀態(tài)下。本實用新型由在高壓側(也可在低壓側)測取μ、i，cos電量信號，在低壓側進行控制，以實現(xiàn)無功功率補償?shù)目刂破鱃ZK、PT補償單元、執(zhí)行單元、晶閘管功率模塊、無功電源裝置(如并聯(lián)電容器組等)及保護穩(wěn)壓單元組成。控制器GZK通過電壓互感器PT、專用電流互感器CT在升壓變壓器T1高壓端(也可在低壓端)測取電量信號μ、i，并將其送至功率因數(shù)角測量單元[1]，通過其測量出功率因數(shù)角的大小并轉換為電壓值(數(shù)字信號)輸送至中央處理單元CPU(89C51)[5]，同時電流i及電壓μ信號分別經(jīng)電流變換單元[2]和電壓變換單元[3]后至A/D轉換模塊(ADC0890)[4]轉換為數(shù)字信號，再輸入中央處理單元CPU(89C51)[5]；PT二次側的電壓損耗信號由PT補償模塊[9]轉換為數(shù)字信號輸入中央處理單元CUP[5]。經(jīng)CPU計算后通過并行接(8155)[6]發(fā)出以下信號無功電源投切信號、PT二次側補償信號以及可能的過壓保護信號和電容器組放電報警信號。其中無功電源投切信號與過壓保護信號將控制執(zhí)行單元(如固態(tài)繼電器組)[11]，由執(zhí)行單元[11]控制晶閘管功率模塊[13]投、切無功電源裝置[14]。無功電源由固定電容器組和可調電容器組構成，其容量應滿足以下公式QGB＝Qd+Qb＝QF+QM+QT(1)其中QF＝SNG·cos1·α·(tg1-tg2) (2)QM＝K0QMN+(1-K0)βM2QMN(3)QT=ID*100·SNT+β2·UK100·SNT---(4)]]>以上式中QGB——本實用新型補償裝置供給的無功功率總量(Kvar)；Qd——固定電容器組提供的無功功率總量(Kvar)；Qb——可調電容器組提供的無功功率總量(Kvar)QF——發(fā)電機G1應為支路負荷提供的無功功率總量(Kvar)；QM——發(fā)電站自身負荷(即廠用電)所需的無功功率量(Kvar)QT——升壓變壓器無功功率損耗(Kvar)；SNG——發(fā)電機的額定功率(KW)；cos1——補償前負荷功率因數(shù)；α——升壓變壓器T1的經(jīng)濟負載系數(shù)，可取α＝0.8；β——變壓器負載率；I*D——變壓器負載電流標么值； ——變壓器短路電壓百分比(標么值)；
SNT——變壓器額定視在容量(KVA)；QMN——廠用負載額定運行狀態(tài)下的無功功率量；K0QMN——廠用負載空載時的無功功率損耗，它與負載運行情況無關而基本固定不變，空載系數(shù)K0約為0.6～0.7；βM＝PM/PMN——廠用負載受載率，PM為實際機械負荷，PMN為額定運行狀態(tài)下的有功功率。
由(4)式可知其中變壓器空載時的無功功率損耗 是固定不變的，因此可用固定的無功電源組來補償這部份的無功需求。為完全替代補償發(fā)電機應提供的無功功率，本實用新型補償裝置提供的無功功率總量QGB應按下式校核QGB≥PNG·tgIN(5)式中PNG—發(fā)電機G的額定功率(KW)；IN—按照發(fā)電機G所在電站與供電部門簽訂的并網(wǎng)協(xié)議所規(guī)定功率因數(shù)角(即通常所講的功率因數(shù)cosIN)；tgIN-規(guī)定功率因數(shù)角的正切值(即發(fā)電機無功功率量與有功功率之比。(Kvar/KW)本實用新型適用于容量為12kw～6300kw的發(fā)電機；適用電壓等級為0.4kv～10kv；發(fā)電機功率因數(shù)cos可達到0.95～1.0(滯后)；穩(wěn)壓精度不低于2.5％；動作響應速度不低于2ms并有過壓、放電等故障指示和μ、i、cos等電量及脈沖顯示功能。尤其要提出的是。本發(fā)明具有電網(wǎng)過壓保護、發(fā)電機過壓保護及電容器組放電保護三重保護功能，能可靠的保證發(fā)電機的安全，并具有通訊接口，可實現(xiàn)電容器遠程投切。使用本實用新型可使發(fā)電機出力增加15％～20％；輸電線損降低20％～30％，直接經(jīng)濟效益增加15％～25％。


圖1為發(fā)電機全出力智能型補償節(jié)電裝置實施例整體結構示意圖圖2為電流、電壓和功率因數(shù)角測量和變換量單元線路示意圖圖1中裝置[1]為功率因數(shù)角測量單元，裝置[2]為電流變換單元，裝置[3]為電壓變換單元，裝置[4]為A/D轉換模塊(ADC0890)，裝置[5]為CPU(89C51)，裝置[6]為并行接口(8155)，裝置[7]為鍵盤輸入單元，裝置[8]為顯示單元，裝置[9]為PT補償單元，裝置[10]為放電報警單元，裝置[11]為執(zhí)行單元，裝置[12]為穩(wěn)壓單元，裝置[13]為晶閘管功率模塊，裝置[14]為補償電容器組，裝置[15]為計量單元。
具體實施方式
下面通過附圖對本實用新型作進一步的說明圖1為發(fā)電機全出力智能型補償節(jié)電裝置實施例整體結構示意圖圖2為電流、電壓和功率因數(shù)角測量和變換量單元線路示意圖實施例圖1中PT為電壓互感器，CT為專用電流互感器，電量信號i、μ通過它們在升壓變壓器T1高壓端測取，分別送至電流變換單元[2]、電壓變換單元[3]及功率因數(shù)角測量單元[1]。其中經(jīng)電流變換單元[2]、電壓變換單元[3]的μ、i信號再經(jīng)A/D轉換模塊(ADC0890)[4]轉換為數(shù)字信號輸送至中央處理器單元CPU(89C51)[5]，μ、i進入功率因數(shù)角測量單元[1]，經(jīng)合成變換為與大小成比例的數(shù)字量直接輸入中央處理器單元CPU(89C51)[5]，并在CPU中計算出cos的大小，電壓信號在測取當中還要經(jīng)過PT補償單元[9]。PT補償單元[9]將PT二次側起始端測量的電壓值及在計量電路進口端測量的電壓值比較后，將差值ΔU經(jīng)A/D轉換后輸送至中央處理器單元CPU(89C51)[5]。經(jīng)計算后，CPU將通過并行接口(8155)[6]發(fā)出控制信號。經(jīng)并行接口(8155)[6]CPU還可與鍵盤輸入單元[7]實現(xiàn)人機連接。經(jīng)并行接口(8155)[6]發(fā)出的控制信號有無功電源投切信號、PT二次側補償信號以及可能的過壓保護信號和電容器組放電報警信號。另外，電容器放電報警單元[10]還將根據(jù)電容器放電電壓直接發(fā)出切除電容組的信號，并通過A/D轉換單元[4]報告中央處理單元[5]；保護穩(wěn)壓單元[12]也將根據(jù)情況發(fā)出電容器過壓保護信號。這些信號都將通過執(zhí)行單元[11]控制晶閘管功率模塊[13]控制無功電源單元即補償電容器組[14]。如有需要本實用新型還可外接計量單元[15]。
圖2中，YH為電壓互感器，LH為電流互感器，LHB1、LHB2為電流變換器。電壓VAB經(jīng)YH1、YH2變壓，再經(jīng)RD1、DZ1整流橋塊、R1、C1整流濾波后，在R2上形成電壓U1(0～5V)，然后輸送至A/D轉換模塊變換為數(shù)字信號。電流IB經(jīng)電流互感器LH、電流變換器LHB1，LHB2后得到與電流IB成比例且同相的電流Ib1、Ib2。其中Ib1在正半周時經(jīng)D6、D7、R5、R6與加在穩(wěn)壓模塊7805上的電壓VAB的正半周疊加形成數(shù)字信號U2(0或5V，即低電平或高電平)并輸送至CPU(89C51)，經(jīng)計算即可得到功率因數(shù)角；而Ib2經(jīng)過RD2、整流橋塊DZ2、R7、C2整流濾波，在R8上即可得到與電流IB成比例的電壓U3(0～5V)，然后輸送至A/D轉換模塊變換為數(shù)字信號。
權利要求1.一種發(fā)電機全出力智能型補償節(jié)電裝置，它由智能型無功功率控制器GZK，補償單元[9]、執(zhí)行單元[11]、保護穩(wěn)壓單元[12]、晶閘管模塊[13]、無功電源裝置[14]和外接計量單元[15]等組成，其特征是分別從電流和電壓互感器CT、PT測取u、i及其夾角等電量信號，送至無功功率補償控制器GZK，經(jīng)其各單元檢測、比較和計算等智能化處理后，分別發(fā)出投切信號、過壓保護信號給執(zhí)行單元[11]，控制晶閘管模塊[13]，投切無功電源裝置[14]，另有PT補償信號給補償單元[9]，經(jīng)智能處理后，其信號分別輸入外接計量單元[15]和反饋至GZK裝置，發(fā)電機G1經(jīng)保護穩(wěn)壓單元[12]，通過[13]吸收[14]輸出的無功功率，其補償后的有功功率經(jīng)變壓器T1輸送給電網(wǎng)，實現(xiàn)全出力高效節(jié)電運行。
專利摘要本實用新型是一種發(fā)電機全出力智能型補償節(jié)電裝置，以無功電源(電容器組)[14]代替發(fā)電機產生無功，并運用智能化控制方法對無功電源的投切進行控制，使發(fā)電機能夠穩(wěn)定的運行在全出力(即cosφ＝0.95～1)狀態(tài)。其中裝有對電壓、電流、功率因數(shù)及二次設備的電壓損耗進行自動控制的智能化控制器GZK，其信號經(jīng)過采樣檢測單元[1]、[2]、[3]，A/D轉換單元[4]后經(jīng)智能元件[5]處理后，自動控制無功電源的投切及計量損耗的補償，擁有電網(wǎng)、故障、放電三重保護功能，并采用穩(wěn)壓單元[12]配合，能可靠保證發(fā)電機的運行安全。本實用新型適用于柴油發(fā)電機、水輪發(fā)電機等各種中小型發(fā)電機，穩(wěn)定電壓和提高發(fā)電機有功出力，節(jié)約能源。
文檔編號H02J3/18GK2742651SQ03256908
公開日2005年11月23日 申請日期2003年5月15日 優(yōu)先權日2003年5月15日
發(fā)明者陳巍 申請人:陳巍