容量連續(xù)可調(diào)的電力電容器控制方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種容量連續(xù)可調(diào)的電力電容器控制方法及裝置。通過處理裝置收集母線的過零、電流、電壓信號，然后輸出PWM脈沖信號控制電容器的接通與斷開，通過改變PWM脈沖波形的占空比來控制電容器輸出不同的容量。本發(fā)明提出的容量連續(xù)可調(diào)的電力電容器控制技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容器容量連續(xù)調(diào)節(jié)，可減少現(xiàn)有無功補(bǔ)償設(shè)備中的電力電容器分組及分級數(shù)，減小設(shè)備體積，優(yōu)化補(bǔ)償效果。
【專利說明】容量連續(xù)可調(diào)的電力電容器控制方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種容量連續(xù)可調(diào)的電力電容器控制方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前常用的電力電容器無功補(bǔ)償控制技術(shù)有:
[0003]1、機(jī)械投切電容器(MSC)
[0004]采用機(jī)械斷路器、接觸器作為投切開關(guān)。合閘時(shí)電容器的初始電壓為零，觸點(diǎn)閉合瞬間，絕大多數(shù)情況下母線電壓不為零，有時(shí)可能處在高峰值，因而產(chǎn)生非常大的電流，也就是合閘涌流，實(shí)驗(yàn)表明合閘涌流嚴(yán)重時(shí)可達(dá)電容器額定電流的50倍，這不僅影響電容器和接觸器的使用壽命，而且對電網(wǎng)造成沖擊，后來采用串接限流電抗器和加入限流電阻來抑制涌流，但只可以控制涌流在額定電流的20倍以內(nèi)；分閘時(shí)容易產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象。投切動作無法在短時(shí)間內(nèi)完成，會造成短時(shí)的電壓不穩(wěn)定，影響其他設(shè)備的正常工作。因此，，但從長期運(yùn)行情況來看，其故障率仍然非常高，維修費(fèi)用較高。
[0005]優(yōu)點(diǎn):價(jià)格低，初期投入成本少，無漏電流。
[0006]缺點(diǎn):涌流大，壽命短，故障多，維修費(fèi)用高。
[0007]2、晶閘管投切電容器(TSC)
[0008]晶閘管投切電容器是利用了電子開關(guān)反應(yīng)速度快的特點(diǎn)。采用過零觸發(fā)電路，檢測當(dāng)施加到晶閘管兩端的電壓為零時(shí)，發(fā)出觸發(fā)信號，晶閘管導(dǎo)通，此時(shí)電容器電壓與母線電壓相等，因此不會產(chǎn)生合閘涌流，解決了機(jī)械開關(guān)合閘涌流的問題。但是，晶閘管導(dǎo)通運(yùn)行期間會產(chǎn)生IV左右的壓降，從而消耗一部分功率，產(chǎn)生熱量，使機(jī)柜內(nèi)溫度升高。同時(shí)，晶閘管有漏電流存在，即使晶閘管未導(dǎo)通，其輸出端也是高電壓。而且由于晶閘管的工作特性，會產(chǎn)生較大諧波。
[0009]優(yōu)點(diǎn):體積小，重量輕，無涌流，無觸點(diǎn)，使用壽命長，維修少，投切速度快。
[0010]缺點(diǎn):價(jià)格聞，發(fā)熱嚴(yán)重，有功率損耗，有漏電流。
[0011]3、復(fù)合開關(guān)投切電容器(TSC+MSC)
[0012]復(fù)合開關(guān)投切電容器原理是先由晶閘管在母線電壓過零時(shí)投入電容器，然后再閉合并聯(lián)在晶閘管上的磁保持繼電器的觸點(diǎn)，晶閘管退出運(yùn)行，由磁保持繼電器接通電容器運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了投入無涌流，運(yùn)行無功耗不發(fā)熱的目的。磁保持繼電器本身受機(jī)械壽命限制，且容易被卡住不動作，而晶閘管易被擊穿，因此工作不夠穩(wěn)定。
[0013]優(yōu)點(diǎn):無涌流，功耗低。
[0014]缺點(diǎn):價(jià)格聞，壽命短，易故障。
[0015]以上三種電力電容器無功補(bǔ)償控制方式都屬于離散式調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)電容有級差。例如，控制設(shè)備控制的電容器容量為lOKVar，當(dāng)母線無功需求為5KVar時(shí)，若投入該組電容器，則母線無功過補(bǔ)5KVar,如不投入,則母線無功欠補(bǔ)5KVar。
[0016]因此母線上無功功率經(jīng)常處于過補(bǔ)或欠補(bǔ)狀態(tài)，不能取得理想的控制效果。而且對電容器的頻繁投切導(dǎo)致的投切振蕩及合閘涌流會對供電設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害，在頻繁投切的過程中廣生的功率損耗在電力系統(tǒng)損耗中占一定比重。。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種可以克服上述缺陷的容量連續(xù)可調(diào)的電力電容器控制技術(shù)，即在電容器的額定容量范圍內(nèi)，控制電容器輸出任意容量的無功值，將固定容量的電力電容器變?yōu)橐粋€(gè)可變電容器。當(dāng)母線上無功發(fā)生變化時(shí)，控制電容器輸出一個(gè)合適的無功功率值，取得理想的無功補(bǔ)償效果。
[0018]本發(fā)明所提供的容量連續(xù)可調(diào)的電力電容器控制方法，其特征是，通過處理裝置收集母線的過零、電流、電壓信號，然后輸出PWM脈沖信號控制電容器的接通與斷開，通過改變PWM脈沖波形的占空比來控制電容器輸出不同的容量。
[0019]所述的PWM脈沖信號沖量相等而形狀不同。
[0020]所述的PWM脈沖信號的頻率為20KHZ。
[0021]實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，包括處理裝置，處理裝置連接三相過零監(jiān)測模塊和三相母線電流、電壓檢測模塊，處理裝置通過三相功率控制模塊連接電容器組。
[0022]所述的三相功率控制模塊包括兩個(gè)并聯(lián)連接的開關(guān)模塊，所述的開關(guān)模塊包括IGBT開關(guān)和與IGBT開關(guān)相連接的整流橋，整流橋的輸出端連接電容；處理裝置輸出的兩路沖量相同而形狀不同的PWM脈沖信號分別與兩個(gè)開關(guān)模塊的IGBT開關(guān)連接。
[0023]處理裝置還外接通信模塊和顯示模塊。
[0024]用PWM脈沖信號控制電容器的接通與斷開，通過改變PWM脈沖波形的占空比來控制電容器輸出不同的容量。
[0025]PWM控制原理是沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。這個(gè)原理稱為面積等效原理，是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。本發(fā)明所述的容量連續(xù)可調(diào)就是基于這一基本原理而實(shí)現(xiàn)的。
[0026]處理裝置輸出的PWM脈沖信號，用來控制開關(guān)模塊的接通與斷開來實(shí)現(xiàn)投入和切除電容器。
[0027]由于IGBT開關(guān)的反向耐壓值較低，為了減小反向耐壓，降低系統(tǒng)成本，本發(fā)明巧妙的運(yùn)用了一個(gè)整流橋，將交流變?yōu)橹绷靼氩ê笤儆蒊GBT來控制，這樣既可以解決IGBT反向耐壓問題，又可以將IGBT及其驅(qū)動、保護(hù)電路由雙向變?yōu)閱蜗?，進(jìn)行精簡。
[0028]處理裝置取得母線的電流、電壓模擬量信號后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算，取得母線上各項(xiàng)電參量，包括有功功率、無功功率、視在功率、電壓有效值、電流有效值、諧波電流、電容器運(yùn)行溫度，得到控制電容器投切的各項(xiàng)決策依據(jù)和保護(hù)決策依據(jù)，通過投切決策判斷是否需要投切電容器以及投切的電容器容量數(shù)值，并隨時(shí)及時(shí)處理各項(xiàng)保護(hù)事件；
[0029]投切策略判斷需要電容器發(fā)生動作時(shí)，配合檢測的過零信號，在母線電壓過零時(shí)，由處理裝置輸出控制信號，驅(qū)動三相功率控制模塊，控制受控的電容器組動作，向母線發(fā)出指定的無功功率，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償；
[0030]在運(yùn)行過程中，若有母線電壓過欠壓、電容器電流過流、諧波超限、溫度越限各項(xiàng)保護(hù)事件發(fā)生時(shí)，處理裝置立刻發(fā)出命令，將電容器組從母線切除。[0031]本發(fā)明所具有的有益效果是:現(xiàn)有的無功補(bǔ)償控制技術(shù)采用固定容量電容器組、電抗器組，通過對電力母線系統(tǒng)無功功率的采樣，控制電容器(電抗器)組的投切，實(shí)現(xiàn)無功功率分級調(diào)節(jié)，提高功率因數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓；由于電容器及電抗器容量都為固定值，故其不能實(shí)現(xiàn)無功功率的無隙連續(xù)調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)方式是離散的，使得供電母線絕大多數(shù)時(shí)間處于欠補(bǔ)或過補(bǔ)狀態(tài)，過壓或欠壓狀態(tài)，不能取得理想補(bǔ)償效果。
[0032]本發(fā)明提出的容量連續(xù)可調(diào)的電力電容器控制技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容器容量連續(xù)調(diào)節(jié)，可減少現(xiàn)有無功補(bǔ)償設(shè)備中的電力電容器分組及分級數(shù)，減小設(shè)備體積，優(yōu)化補(bǔ)償效果。
[0033]本發(fā)明由于采用20KHz的PWM開關(guān)頻率，基本沒有諧波產(chǎn)生，而且在一定程度上具有抑制母線諧波的功能，電容器容量調(diào)整范圍接近0%-100%，相比現(xiàn)有技術(shù)具有體積小、成本低、智能化程度高、可靠性高的明顯優(yōu)勢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明方框原理圖；
[0035]圖2是本發(fā)明中二相功率控制模塊電路原理圖；
[0036]圖3是本發(fā)明中PWM脈沖信號波形圖；
[0037]圖4是本發(fā)明本地運(yùn)用聯(lián)機(jī)運(yùn)行示意圖；
[0038]圖5是本發(fā)明區(qū)域組網(wǎng)示意圖。
[0039]圖中:Ql、Q2開關(guān)模塊
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例做進(jìn)一步描述:
[0041]本發(fā)明所提供的方法是通過處理裝置收集母線的過零、電流、電壓信號，然后輸出PWM脈沖信號控制電容器的接通與斷開，通過改變PWM脈沖波形的占空比來控制電容器輸出不同的容量。PWM脈沖信號沖量相等而形狀不同。PWM脈沖信號的頻率為20KHZ。
[0042]如圖1所示的實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置包括包括處理裝置，處理裝置連接三相過零監(jiān)測模塊和三相母線電流、電壓檢測模塊，分別收集母線的過零信號、電壓信號和電流信號。過零檢測模塊提供母線電壓過零信號，實(shí)現(xiàn)控制投切電容器時(shí)的過零投切；三相母線電流、電壓檢測模塊用于檢測系統(tǒng)母線上的無功功率、功率因數(shù)等電參數(shù)，為電容器的投切提供決策依據(jù)。
[0043]處理裝置通過三相功率控制模塊連接電容器組，控制電容器組中電容的投切。處理裝置還外接通信模塊和顯示模塊。顯示模塊用于顯示人機(jī)交互界面；通信模塊用于設(shè)備間互聯(lián)以及設(shè)備與控制中心上位機(jī)的通信。
[0044]如圖2所示的三相功率控制模塊包括兩個(gè)并聯(lián)連接的開關(guān)模塊，開關(guān)模塊包括IGBT開關(guān)和與IGBT開關(guān)相連接的整流橋，整流橋的輸出端連接電容；處理裝置輸出的兩路沖量相同而形狀不同的PWM脈沖信號分別與兩個(gè)開關(guān)模塊的IGBT開關(guān)連接。
[0045]用PWM脈沖信號控制電容器的接通與斷開，通過改變PWM脈沖波形的占空比來控制電容器輸出不同的容量。
[0046]PWM控制原理是沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。這個(gè)原理稱為面積等效原理，是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。本發(fā)明所述的容量連續(xù)可調(diào)就是基于這一基本原理而實(shí)現(xiàn)的。處理裝置輸出的PWM脈沖信號，用來控制開關(guān)模塊的接通與斷開來實(shí)現(xiàn)投入和切除電容器。
[0047]由于IGBT開關(guān)的反向耐壓值較低，為了減小反向耐壓，降低系統(tǒng)成本，本發(fā)明巧妙的運(yùn)用了一個(gè)整流橋，將交流變?yōu)橹绷靼氩ê笤儆蒊GBT來控制，這樣既可以解決IGBT反向耐壓問題，又可以將IGBT及其驅(qū)動、保護(hù)電路由雙向變?yōu)閱蜗?，進(jìn)行精簡。
[0048]處理裝置輸出的PWM脈沖信號的脈沖波形是互補(bǔ)的，即開關(guān)模塊Ql導(dǎo)通時(shí)開關(guān)模塊Q2截止，Ql截止時(shí)Q2導(dǎo)通。
[0049]圖3所示的PWMl與PWM2脈沖波形的寬度分別為Λ tl和At2’并且Atl+At2=At。At是脈沖周期，為固定值?？刂泼}沖PWM的占空比K= Atl/At。通過改變占空比K就可以調(diào)節(jié)投入電容器容量的大小。
[0050]根據(jù)PWM控制技術(shù)的面積等效原理，當(dāng)At很小時(shí)，在Atl時(shí)間內(nèi)投入的電容器Cl和在Λ t2時(shí)間內(nèi)投入的電容器C2對電路的作用效果與At時(shí)間內(nèi)投入的等效電容C對整個(gè)電路的作用效果相同。通過改變占空比K的大小(調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度)即可調(diào)整投入電路等效電容的大小。
[0051]在工作過程中，處理裝置從三相母線電壓電流檢測模塊取得模擬量信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算，取得母線上各項(xiàng)電參量，包括有功功率、無功功率、視在功率、電壓有效值、電流有效值、諧波電流、電容器運(yùn)行溫度等，得到控制電容器投切的各項(xiàng)決策依據(jù)和保護(hù)決策依據(jù)，通過投切決策判斷是否需要投切電容器以及投切的電容器容量數(shù)值，并隨時(shí)及時(shí)處理各項(xiàng)保護(hù)事件。
[0052]投切策略判斷需要電容器發(fā)生動作時(shí)，配合三相過零檢測模塊輸出的三相過零信號，在母線電壓過零時(shí)，由處理裝置輸出控制信號，驅(qū)動三相功率控制模塊，控制受控的電容器組動作，向母線發(fā)出指定的無功功率，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。在運(yùn)行過程中，若有母線電壓過欠壓、電容器電流過流、諧波超限、溫度越限等各項(xiàng)保護(hù)事件發(fā)生時(shí)，處理裝置立刻發(fā)出命令，將電容器組從母線切除，及時(shí)保護(hù)電網(wǎng)和裝置不受損害。
[0053]顯示模塊為系統(tǒng)運(yùn)行提供人機(jī)交互功能，用于顯示系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，母線電參量、運(yùn)行狀態(tài)、控制接口等。
[0054]通信模塊為設(shè)備聯(lián)機(jī)組網(wǎng)提供支持，通信方式提供RS485、CAN、GPRS等，其中RS485、CAN支持本地聯(lián)機(jī)，即將本地多個(gè)補(bǔ)償裝置進(jìn)行聯(lián)機(jī)運(yùn)行，提高補(bǔ)償效果。GPRS支持網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，將不同區(qū)域內(nèi)的補(bǔ)償裝置組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)，由安裝在控制中心的后臺系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，控制各區(qū)域補(bǔ)償設(shè)備動作，實(shí)現(xiàn)輸電、配電大區(qū)域的綜合無功補(bǔ)償。
[0055]1、本地聯(lián)機(jī)運(yùn)行方式
[0056]本地聯(lián)機(jī)運(yùn)行示意圖見圖4所示。圖中模塊即為上述使用本發(fā)明所提出的技術(shù)的無功補(bǔ)償裝置。
[0057]考慮到應(yīng)用環(huán)境對補(bǔ)償容量要求差別巨大，采用模塊化設(shè)計(jì)，以30KVAR為一個(gè)補(bǔ)償模塊，各模塊通過CAN通信總線互聯(lián)，協(xié)調(diào)各模塊的無功補(bǔ)償輸出，理論上可組成的總?cè)萘坎皇芟拗?。[0058]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成一個(gè)模塊，每個(gè)模塊具有獨(dú)立的監(jiān)測、控制電路，采用多主機(jī)自動切換方式運(yùn)行，這樣即使某一個(gè)模塊故障，其他正常運(yùn)行的模塊會自動推選出一個(gè)新的主控模塊，控制系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行，自動將故障模塊隔離出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)具有較高的自愈功能。
[0059]2、區(qū)域組網(wǎng)方式
[0060]區(qū)域組網(wǎng)示意圖見圖5所示。圖中本地聯(lián)機(jī)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)即為上述組網(wǎng)方式I所述網(wǎng)絡(luò)。
[0061]各個(gè)不同區(qū)域的本地聯(lián)機(jī)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)利用GPRS通信方式，通過移動運(yùn)營商的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，連接到控制中心后臺系統(tǒng)，將本地母線各項(xiàng)電參量實(shí)時(shí)傳輸給控制中心，由控制中心后臺系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析整合，實(shí)現(xiàn)更大區(qū)域內(nèi)的無功流向分析，再將調(diào)整結(jié)果返回到本地聯(lián)機(jī)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償容量調(diào)整。
[0062]通過區(qū)域組網(wǎng)方式，可實(shí)現(xiàn)城域輸電、配電網(wǎng)絡(luò)的整體無功補(bǔ)償控制，均衡補(bǔ)償。
【權(quán)利要求】
1.一種容量連續(xù)可調(diào)的電力電容器控制方法，其特征是，通過處理裝置收集母線的過零、電流、電壓信號，然后輸出PWM脈沖信號控制電容器的接通與斷開，通過改變PWM脈沖波形的占空比來控制電容器輸出不同的容量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，處理裝置取得母線的電流、電壓模擬量信號后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算，取得母線上各項(xiàng)電參量，包括有功功率、無功功率、視在功率、電壓有效值、電流有效值、諧波電流、電容器運(yùn)行溫度，得到控制電容器投切的各項(xiàng)決策依據(jù)和保護(hù)決策依據(jù)，通過投切決策判斷是否需要投切電容器以及投切的電容器容量數(shù)值，并隨時(shí)及時(shí)處理各項(xiàng)保護(hù)事件； 投切策略判斷需要電容器發(fā)生動作時(shí)，配合檢測的過零信號，在母線電壓過零時(shí)，由處理裝置輸出控制信號，驅(qū)動三相功率控制模塊，控制受控的電容器組動作，向母線發(fā)出指定的無功功率，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償； 在運(yùn)行過程中，若有母線電壓過欠壓、電容器電流過流、諧波超限、溫度越限各項(xiàng)保護(hù)事件發(fā)生時(shí)，處理裝置立刻發(fā)出命令，將電容器組從母線切除。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的PWM脈沖信號沖量相等而形狀不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征是，所述的PWM脈沖信號的頻率為20KHZ。
5.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)I所述方法的裝置，其特征是，包括處理裝置，處理裝置連接三相過零監(jiān)測模塊和三相母線電流、電壓檢測模塊，處理裝置通過三相功率控制模塊連接電容器組。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征是，所述的三相功率控制模塊包括兩個(gè)并聯(lián)連接的開關(guān)模塊，所述的開關(guān)模塊包括IGBT開關(guān)和與IGBT開關(guān)相連接的整流橋，整流橋的輸出端連接電容；處理裝置輸出的兩路沖量相同而形狀不同的PWM脈沖信號分別與兩個(gè)開關(guān)模塊的IGBT開關(guān)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征是，處理裝置還外接通信模塊和顯示模塊。
【文檔編號】H02J3/18GK103647289SQ201310714033
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】陳津, 文剛, 欒慶宏, 劉海龍 申請人:淄博康潤電氣有限公司