專利名稱：一種諧波診斷和動態(tài)抑制無功補償節(jié)能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種無功補償節(jié)能裝置，更確切地說是涉及一種諧波診斷和動態(tài)抑制無功補償節(jié)能裝置。
由于上述原因，至使無功補償節(jié)能裝置在可靠性上研究進(jìn)展不大。與國外情況相比美國輸配電網(wǎng)設(shè)備的功率因數(shù)接近1，俄羅斯大于0.92，而我國僅O.451。
在輸配電線路上分散安裝一部并聯(lián)補償電容裝置，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到大量、廣泛的應(yīng)用。由于采用無功補償裝置，在輸電網(wǎng)絡(luò)和終端加裝無功補償裝置后，可節(jié)能15～30％。
現(xiàn)有技術(shù)的無功補償裝置分兩種形式工廠型和桿上型。有代表性的公司有美國ABB公司、許昌繼電器廠、深圳華能公司、北京時代集團(tuán)、鎮(zhèn)江科達(dá)公司等。這些公司生產(chǎn)的補償裝置，為了追求可靠性，在消除浪涌電流多數(shù)采用可控硅模塊或固態(tài)繼電器來投切電容，也都不具備諧波檢測和諧撥分析打印接口，因此在解決浪涌電流和諧波抑制上，都存在較多的問題。
本實用新型的解決方案是以單片微處理器為控制中心的無功補償節(jié)能裝置，該裝置采用電壓、電流真有效值采樣技術(shù)、運用快速富立葉變換(FFT)技術(shù)監(jiān)控電壓電流諧波。該裝置包括一嵌入式單片微機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含CPU、內(nèi)存單元、A/D轉(zhuǎn)換器、基本電路發(fā)生器、可編程放大器，還設(shè)置一三相電壓電流輸入電路和輸出執(zhí)行單元。為了消除浪涌電流和電壓波形畸變，采用電子式零投切接觸器和FFT分析及諧波控制器并兼有諧波動態(tài)抑制功能的補償軟件。所述的三相電壓電流信號與CPU中并行口1及基本電壓發(fā)生器連接，所述的輸出執(zhí)行單元為一組并行數(shù)字口，與并口2、并口3、并口4輸出端連接。
本實用新型的效果按照此方案構(gòu)成的無功補償節(jié)能裝置，徹底消除了浪涌電流和電壓波形畸度并有諧波動態(tài)抑制功能。
在這里需要說明的是，在諧波診斷的基礎(chǔ)上，對諧波進(jìn)行動態(tài)抑制。在大多數(shù)場合，諧波的干擾不是一個固定數(shù)值，它是要隨著外部環(huán)境變化而變化。例如，增加了變頻調(diào)速機(jī)組、增開一臺設(shè)備或許是第5次諧波放大、增開另一臺設(shè)備造成第7次諧波放大，象這樣的工作狀況變化會造成諧波放大數(shù)值的不確定性。還有，即使當(dāng)設(shè)備不增加時，由于負(fù)荷的變化會對功率因數(shù)的調(diào)整變化也會造成諧波放大的數(shù)值變化?？赡墚?dāng)功率因數(shù)為0.75時，是第9次諧波最大，而當(dāng)功率因數(shù)提高為0.9時又是第13次諧波最大。以上的事實表明，對諧波較大的場合，需要有動態(tài)抑制諧波放大的設(shè)備。
在國內(nèi)外，比較常用的做法是采用GTO等大功率電力電子元件，對于動態(tài)的諧波放大情況進(jìn)行快速反相補缺，以使原來非正弦波形擬合為近似正弦波。這樣的做法有兩個缺陷第一，由于要從總負(fù)荷上來抑制諧波，必須采用與負(fù)荷電流相當(dāng)?shù)拇蟮碾娏﹄娮釉?，由此造成系統(tǒng)整體設(shè)備龐大，造價很高；第二，對于運行高于電壓的情況，必須使用高電壓電力電子元件，更使設(shè)備造價過高。我們提出的諧波動態(tài)抑制方法，是建立在無功補償?shù)幕A(chǔ)上，它的系統(tǒng)設(shè)備組合靈活，成本較底，特別適合于量大面廣的各種就地補償場合。


圖1為本實用新型諧波診斷和動態(tài)抑制無功補償節(jié)能裝置工作原理圖；圖2為本實用新型的裝置結(jié)構(gòu)原理框圖；圖3為本實用新型的三相電壓電流輸入電路原理圖；圖4為本實用新型的輸出執(zhí)行單元電路原理圖(其中一路)；圖5為本實用新型諧波抑制無功補償節(jié)能裝置軟件流程圖。
參照圖1，該圖所示的是本實用新型的裝置工作原理。從圖1和圖5所示，S1、S2……Sn為其控制執(zhí)行的自動開關(guān)組，C1、C2……Cn為N組無功補償?shù)碾娏﹄娙萜鳎恳慌_電容器都配有直通、L1、L2的若干組不同量值的諧波電抗器，這里必須指出的是這一無功補償方案中，應(yīng)用快速富立葉運算和軟件流程圖，它可測量電網(wǎng)中諧波總含量，和0～63次各次諧波含量。
該方案包括下述技術(shù)電壓、電流具有效值采樣技術(shù)，從根本上消除了因波形畸變造成的測量誤差。
無功功率的份量可以精確測定，當(dāng)份量小于單組電容的補償無功電流時，發(fā)出鎖閉信號。
為了防止設(shè)備遭受諧波影響而損壞，采用富立葉變換程序分析出總諧波和各次諧波含量，完成動態(tài)抑制，保證電容器不致因諧波過高而損壞。
參照圖2，圖中的核心部分為一單片微機(jī)系統(tǒng)，采用C8051F02X，該系統(tǒng)包括中央處理單元CPU，內(nèi)存單元32K FLASH，12位AD轉(zhuǎn)換器，基本電路發(fā)生器，可編程放大器；其特征在于還設(shè)置一三相電壓、電流輸入電路和輸出的執(zhí)行單元；三相電壓、電流輸入信號與CPU中的并口1及基本電壓發(fā)生器連接；執(zhí)行單元為一組并行數(shù)字口，與并口2、并口3、并口4的輸出端連接。
參照圖3，三相電壓電流輸入電路包括射隨器、多路器、采樣保持器、加法器、放大器；射隨器由R1～R9、RJ1～RJ3、UM4A～UM4C、UM5A～UM5C組成，UM6、UJ6構(gòu)成多路器，由UK1、UK2構(gòu)成采樣保持器、由U10B構(gòu)成加法器，由U10A構(gòu)成放大器；其中三相電流信號IA、IB、IC、電阻R1～R6接入射隨器UM4A～UM4C正向輸入端，射隨器UM4A～UM4C輸出端接多路器UM6X2～UM6X7輸出端，多路器UM6的輸出端接到射隨器的輸入端，射隨器UM4D的輸出端接到采樣保持器UK1輸入端3，UK1輸出端5接到多路器UJ6輸入端X4、X5；三相電壓信號UA、UB、UC通過射隨器UM5A～UM5C接入多路器UJ5X2～UJ5X7輸入端，多路器UJ5輸出端接到射隨器UM5D輸入端，射隨器UM5D輸出端接到采樣保持器UK2輸入3，采樣保持器UK2輸出5接多路器UJ6X6、UJ6X7，多路器UJ6輸出3接到加法器U10B輸入端5，加法器U10B的輸出端A7作為模擬量輸出M-OUT接到C8051F02模擬量輸出端A5。
參照圖4，該部分電路為輸出執(zhí)行單元的電路(此處僅給出相同的一組)，該電路分四種狀態(tài)，將無功補償電容C7接入電網(wǎng)UA、N，這四種狀態(tài)分別由SO、S1、S2中某一項或S1、S2為高平時，分別對應(yīng)于直通(無電感)接入C7；L1+C7；L2+C7；L1+L2+C7四種組合狀態(tài)。由此，應(yīng)對不同的諧波出現(xiàn)狀態(tài)，來抑制諧波。該電路包括光電耦合器U1、電阻R14、R15、電容C1、雙向晶閘管U4組成電子開關(guān)，由電阻R16、電容C2和壓敏電阻RV1組成的晶閘管阻尼保護(hù)電路，其中所述的電子開關(guān)U4，觸發(fā)極接光電耦合器的一端，電子開關(guān)U4接入電力電容器C7端；其中另二組電子開關(guān)結(jié)構(gòu)與上述的相同，不同的在于分別通過電感L1、L2接入電力電容器C7。
上述電路的工作原理是主控制單元C8051F02X通過并口1的A6、A7端，選通過多路器UM6、UM5中的某一相分別進(jìn)入采樣保持器UK1、UK2鎖存。采樣鎖存信號P由主控制器C80501F020X并口1的2給出，之后，由并口1的給出I/V選通信號，使電壓信號U或電流信號I被選通進(jìn)入加法器U10B，其輸出關(guān)入主控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
因此，放大器U10A是將一個2.5V的基準(zhǔn)電壓與出入交流信號疊加，使之由原來的雙極性信號變?yōu)?～5V之間的單極性信號。其余電路是配合以上以時分方式，分別對三相電壓和三相電流進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的。
參照圖5，這個諧波動態(tài)抑制補償軟件的分析程序是電壓、電流采樣→FFT運算→諧波總量＞50％→諧波幅值排序，找出最大諧波電流值Iha→Iha＞設(shè)定值？→按2n編碼原則啟動抑制諧波電流的Iha＞的抗器→投入電容→電壓、電流采樣，如果諧波總量＞50％→投入電容，如果Iha＞設(shè)定值？→投入電容。
權(quán)利要求1.一種諧波診斷和動態(tài)抑制無功補償節(jié)能裝置，包括一嵌入式單片微機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含CPU、內(nèi)存單元、基本電壓發(fā)生器、A/D轉(zhuǎn)換器、可編程放大器，其特征在于還設(shè)置一三相電壓、電流輸入電路和一輸出執(zhí)行單元，并配以諧波抑制補償軟件；所述的三相電壓、電流輸入電路的信號與CPU中的并行口1及基本電壓發(fā)生器連接；所述的輸出執(zhí)行單元為一組并行數(shù)字口，與并口2、并口3、并口4的輸出端相接。
2.如權(quán)利要求1所述的諧波診斷和動態(tài)抑制無功補償節(jié)能裝置，其特征在于所述的三相電壓電流輸入電路包括射流器、多路器、采樣保持器、加法器和放大器；所述的射流器由電阻R1～R9、RJ1～RJ3、UM5A～NM5C、UM4A～UM4C組成，所述的多路器由UM6、UJ6構(gòu)成，所述的采樣保持器包括UK1、UK2，所述的加法器為U10B，所述的放大器為U10A；其中三相電流信號IA、IB、IC，電阻R1～R6接入射隨器UM4A～UM4C正向輸入端，射隨器UM4A～UM4C輸出端接到多路器UM6X2～UM6X7輸入端，多路器UM6輸出端接到射隨器UM4D輸入，UM4D輸出端接到采樣保持器UK1輸入端3，采樣保持器UK1輸出5接到多路器UJ6輸入端X4、X5；三相電壓信號UA、UB、UC通過射隨器UM5A～UM5C送入多路器UJ5的X2～X7輸入端，多路器UJ5輸出端接到射隨器UM5D輸入，UM5D輸出端接到采樣保持器UK2輸入3，采樣保持器UK2輸入5接到多路器UJX6、UJX7，多路器UJ6輸出3接到加法器U10B輸入5端，加法器U10B輸出端A7作為模擬量輸出M-OUT接到C805 1F02模擬量輸入端A5。
3.如權(quán)利要求1所述的諧波診斷和動態(tài)抑制無功補償節(jié)能裝置其特征在于所述的輸出執(zhí)行單元包括電子開關(guān)，晶閘管阻尼保護(hù)電路，其中一組電子開關(guān)由光電耦合器U1、電阻R14、R15、電容C1、雙向晶閘管U4組成，晶閘管阻尼保護(hù)電路由電阻R16、電容C2和壓敏電阻RV1組成；其中所述的電子開關(guān)U4，觸發(fā)極接光電耦合器U1的一端，電子開關(guān)U4接入電力電容器C7端，其中另兩組電子開關(guān)結(jié)構(gòu)與上述相同，不同的在于分別通過電感L1、L2接入電力電容器C7。
專利摘要本實用新型涉及一種諧波診斷和動態(tài)抑制無功補償節(jié)能裝置，屬于電力節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域。無功補償節(jié)能有兩大難點如何克服電容投切時產(chǎn)生的過電壓拉弧如何解決對諧波的控制。本實用新型成功地解決上述兩大問題，其方案是以單片微處理器為控制中心的無功補償節(jié)能裝置，增設(shè)了三相電壓、電流輸入電路和輸出執(zhí)行電路。監(jiān)視電網(wǎng)中三相電流、電壓并對電壓電流諧波進(jìn)行快速富立葉分析，自動發(fā)出投切電容指令，極大降低無功線損。當(dāng)無功功率小于單臺投切電容補償值時，會鎖閉電容防止反復(fù)投切。本裝置的關(guān)鍵技術(shù)真有效值檢測，消除巨大的浪涌電流且不產(chǎn)生諧波并能動態(tài)諧波抑制。
文檔編號H02J3/18GK2593441SQ0228004
公開日2003年12月17日 申請日期2002年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月29日
發(fā)明者林在榮 申請人:上海天峰科技發(fā)展有限公司