專利名稱：一種電力電容動態(tài)脫諧裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于一種電力電容動態(tài)脫諧裝
置及控制方法。
背景技術(shù)：
目前，在高低壓供電系統(tǒng)中，電力整流設(shè)備和變頻調(diào)速裝置被廣泛應(yīng)用，其獨特的結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的技術(shù)，給用戶帶來方便，高效和巨大利益的同時，其不足之處也是明顯的。即它的非線性，沖擊性和不平衡用電特性對公共電網(wǎng)注入大量的諧波和無功功率，使電能質(zhì)量有明顯惡化的趨勢。為了有效吸收諧波電流和補(bǔ)償無功功率，在高低壓供電工業(yè)現(xiàn)場，因成本和技術(shù)等方面的因素，通常采用由電感和電容組成的諧波無源濾波器和補(bǔ)償器進(jìn)行對電網(wǎng)的保護(hù)。 事實上，統(tǒng)計表明，在工業(yè)場合由諧波引起的電流增大，燒毀電容柜設(shè)備的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，主要原因不是諧波本身，而是電容柜設(shè)計不當(dāng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，造成諧波電流放大而引起，另外，電容器一旦產(chǎn)生諧波電流放大，其后果通常是相當(dāng)嚴(yán)重的，不僅會燒毀電容器本身，嚴(yán)重時，還會使接觸器，饋電開關(guān)，甚至變壓器都被燒毀，造成嚴(yán)重的電力事故。
針對可能發(fā)生的上述情況，傳統(tǒng)的處理方法有下面二種(l)采用金屬拉伸而不是鉚接的方法來制作電力電容器的殼體以增加強(qiáng)度和密封性，當(dāng)電力電容因為諧波電流放大而導(dǎo)致?lián)p壞時，依靠氣體膨脹的力量使電力電容的引線掙斷，顯然，這種物理處理方法僅僅是一種防御措施；(2)在低壓電力電容器的接線端，安裝一個與電力電容器額定電流相匹配的微型空氣開關(guān)，當(dāng)電力電容器的實際工作電流超過其額定電流某個數(shù)值時，微型空氣開關(guān)自動切斷電源，達(dá)到保護(hù)電力電容器不受到損壞的目的。實踐證明，由于各種因素的影響，采用這種方法仍然免不了電力電容器遭受損壞，而且， 一旦電力電容器不投入電網(wǎng)，無功補(bǔ)償也就失去了意義。 對于諧波比較大的場合，傳統(tǒng)的方法是通常采用一階或二階具有吸收諧波電流效果的無源濾波器技術(shù)，其中一階諧波濾波器結(jié)構(gòu)為電容，電感及阻尼電阻串聯(lián)，又稱為單調(diào)諧濾波器；二階諧波濾波器結(jié)構(gòu)為電容與電感和阻尼電阻并聯(lián)后串聯(lián)，這兩種傳統(tǒng)的技術(shù)方案，因為結(jié)構(gòu)簡單，成本低，而在行業(yè)中大量使用。 但是，由于電力電容器在長期工作過程中，電容量，絕緣和損耗角等參數(shù)都會發(fā)生變化，當(dāng)電力電容器在經(jīng)過了一個階段使用之后本身的參數(shù)發(fā)生變化，或者因為工作現(xiàn)場的負(fù)載等工況發(fā)生變化，都會重新造成諧波電流放大的情況，最后形成事故，造成設(shè)備的損失。

發(fā)明內(nèi)容
為了彌補(bǔ)以上電力電容保護(hù)結(jié)構(gòu)之不足，本發(fā)明的目的提供一種電力電容脫諧裝置及控制方法，引入了以嵌入式單片機(jī)為核心的微電子技術(shù)，對電力電容實施動態(tài)脫諧，以達(dá)到對供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的保護(hù)，使之安全運行的目的。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的電力電容脫諧裝置包括有一階三相諧波濾波器和二階三相諧波濾波器。 其中， 一階三相諧波濾波器包括有電容，電感，雙向晶閘管，雙向晶閘管近似為電路中的阻尼電阻，連接每相電路中電容、電感、雙向晶閘管串聯(lián)，三相電路中每相電流互感器與控制器輸入端連接，控制器輸出端分別與晶閘管控制端連接； 所述二階三相諧波濾波器包括有電容，電感，雙向晶閘管，雙向晶閘管近似為電路
中的阻尼電阻，連接每相電路中電容與電感和雙向晶閘管并聯(lián)后串接，同樣，三相電路中
每相電流互感器與控制器輸入端連接，控制器輸出端分別與晶閘管控制端連接，同時，控制
器輸出通過脫諧執(zhí)行電路和控制繼電器連接，控制繼電器連接主電路的接觸器。
上述控制器電路結(jié)構(gòu)是以單片機(jī)為核心，單片機(jī)內(nèi)包括有A/D轉(zhuǎn)換器及E乍ROM
存儲器；A/D轉(zhuǎn)換器輸入端與三相電路輸入端電流互感器連接，A/D轉(zhuǎn)換器輸出端與單片機(jī)
的輸入端連接；單片機(jī)通過調(diào)試接口分別與設(shè)置鍵和數(shù)碼顯示器連接；另外，單片機(jī)輸出
通過三相光電隔離器與脫諧執(zhí)行電路輸入端連接，諧波濾波器為一階時其脫諧執(zhí)行電路輸
出端分別與每相主電路的晶閘管控制端連接，諧波濾波器為二階時其脫諧執(zhí)行電路輸出端
仍分別與每相主電路的晶閘管控制端連接，同時，脫諧執(zhí)行電路輸出端還連接控制繼電器，
控制繼電器連接主電路接觸器。 本發(fā)明形成一個以系統(tǒng)三相電流檢測為輸入，單片機(jī)為核心的控制器，雙向晶閘管作為輸出執(zhí)行單元的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 本發(fā)明電力電容器的安全運行是通過電力電容脫諧裝置的控制電路實現(xiàn)的。
電力電容脫諧裝置控制方法步驟如下 步驟1 :首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括10端口設(shè)定，系統(tǒng)自檢，通訊波特率設(shè)定，調(diào)出保存于E2PROM之中的設(shè)置參數(shù)； 步驟2 :通過單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換通道測試三相電流，將測試數(shù)值與系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)定的極限絕對數(shù)值進(jìn)行比較； 步驟3 :比較發(fā)生超限，則按技術(shù)要求反時限原則，進(jìn)行時延，時延一段時間之后
再回到三相電流的檢測環(huán)節(jié)，檢查是否繼續(xù)存在電流超過絕對數(shù)值的情況； 1)是，則啟動退出控制程序 對于一階諧波濾波器則完全關(guān)斷晶閘管； 對于二階諧波濾波器則關(guān)斷主電路接觸器，點亮LED報警指示燈；
2)否，則進(jìn)入下一個判斷環(huán)節(jié)； 步驟4:將測試的電流數(shù)值與已經(jīng)設(shè)定的數(shù)值上下限進(jìn)行比較，調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角，使系統(tǒng)工作在一個合適的電流范圍內(nèi)； 步驟5 :在系統(tǒng)運行過程中，有需要改變設(shè)置參數(shù)，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置環(huán)節(jié)，參數(shù)設(shè)置
完畢后，存入單片機(jī)的E2PROM內(nèi)，在下一次系統(tǒng)啟動時，可再次調(diào)入本控制系統(tǒng)。
本發(fā)明優(yōu)點在裝置中引入以嵌入式單片機(jī)及控制電路，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，不
僅可以保護(hù)電力電容器本身不受損壞，電網(wǎng)安全運行，防止電力事故的發(fā)生，還可以使電力
電容始終處于工作狀態(tài)，起到諧波治理或者無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔谩?br>

圖1為本發(fā)明電力電容動態(tài)脫諧裝置二階諧波濾波器結(jié)構(gòu)原理 圖2為本發(fā)明電力電容動態(tài)脫諧裝置一階諧波濾波器結(jié)構(gòu)原理 圖3為本發(fā)明電力電容動態(tài)脫諧裝置控制器方框 圖4為本發(fā)明電力電容動態(tài)脫諧裝置電流檢測電原理圖； 圖5為本發(fā)明電力電容動態(tài)脫諧裝置光電隔離器及雙向晶閘管控制電原理 圖6為本發(fā)明電力電容動態(tài)脫諧裝置控制繼電器電原理 圖7為本發(fā)明電力電容動態(tài)脫諧裝置控制過程流程圖。 圖中，l三相電流輸入2 3路A/D轉(zhuǎn)換器3中央控制器MCU 4 E2PR0M 5外置顯示器6外置設(shè)置鍵7光電隔離器與脫諧執(zhí)行電路8控制繼電器9接觸器IO控制器
具體實施例方式
本發(fā)明電力電容動態(tài)脫諧裝置及控制方法結(jié)合附圖和實施例加以說明。 本發(fā)明二階諧波濾波器裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，在圖1中，以典型的二階諧波濾波
器為例，說明了本發(fā)明的工作原理。 本發(fā)明控制器通過三個小型電流互感器CTA， CTB， CTC獲取三個電力電容器CA，CB，CC的線電流，三個電感LA，LB，LC分別與三個電力電容器CA，CB，CC串聯(lián)，成星型連接，三個雙向晶閘管TRA， TRB， TRC相當(dāng)于三個可以調(diào)節(jié)的電阻，分別與三個電感LA， LB， LC并聯(lián)，控制器通過不斷地檢測當(dāng)前的工作電流來判斷系統(tǒng)的工作狀況，是否處于正常的工作區(qū)域內(nèi)，如果因為種種原因發(fā)生了諧波電流放大的情況，則控制器通過調(diào)整晶閘管TRA， TRB， TRC的導(dǎo)通角來進(jìn)行修正，在極端情況下，當(dāng)系統(tǒng)的諧波電流放大到本裝置調(diào)整范圍之外，威脅到本系統(tǒng)安全時，還可以通過斷開接觸器9，進(jìn)行斷電保護(hù)； 相似地，對于一階諧波濾波器，本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，與圖1相比，其不同之處在于，三個主要元件電容C，電感L和晶閘管TR是串行連接的，在圖2中沒有接觸器9，因當(dāng)晶閘管TR完全關(guān)斷時，電容C和電感L就脫離了主電源。 由圖3，圖4可知，本發(fā)明的核心部件是圖中的控制器10，以下說明控制器10的結(jié)構(gòu)原理 控制器10的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖3所示，控制器的核心是一個嵌入式單片機(jī)，為了減少主機(jī)的工作部件，采用外置式的設(shè)置鍵和外置式的數(shù)碼顯示器，它們僅僅在調(diào)試時使用，本發(fā)明的信號流程是對三相電流進(jìn)行檢測后的信號，經(jīng)過嵌入式單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換通道進(jìn)入單片機(jī)中央控制器MCU，通過人機(jī)對話的外置設(shè)置鍵6，和外置顯示器5，將本系統(tǒng)的相關(guān)的參數(shù)如額定電流，臨界電流等，預(yù)先存儲在可以斷電保存的E乍ROM之中；
發(fā)明的電流檢測部分電原理圖如圖4所示，三個被測試電流經(jīng)過半波整流后，在電容Cl， C2， C3上形成直流電壓降，然后，通過電阻Rl， R3， R5送到單片機(jī)的AD輸入端。
本發(fā)明單片機(jī)以光電隔離輸出方式控制晶閘管導(dǎo)通角部分，可以減少干擾，其電原理圖如圖5所示，在圖5中，只畫出了其中一相控制輸出部分的電原理圖，其他兩相的電路與此相同； 本發(fā)明的單片機(jī)輸出控制繼電器部分的電原理圖如圖6所示； 在控制方法的配合下，中央控制器MCU不斷比較測試電流數(shù)值與預(yù)先存儲的參數(shù)值，在一般情況下，如果發(fā)生異常，中央控制器MCU可以通過調(diào)整雙向晶閘管TR的的導(dǎo)通角
來修正，在極端情況下，如果發(fā)生實際的電流數(shù)值在本裝置可調(diào)整的范圍之外，并且威脅到
本系統(tǒng)安全時，中央控制器MCU還可以通過斷開接觸器9，使系統(tǒng)退出主電源，進(jìn)行斷電保
護(hù)；嵌入式單片機(jī)的選用原則必須具備3個AD模擬量通道，3個輸入開關(guān)量接口作為設(shè)置
鍵，4個輸出開關(guān)量接口作為光電隔離輸出，控制品閘管和接觸器，2個顯示部分的串行通
訊接口 ，另外，內(nèi)部含有可以斷電保存的E2PR0M存儲器； 本發(fā)明的系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示，本發(fā)明控制工作流程如下 在圖7中，系統(tǒng)上電之后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括10端口設(shè)定，系統(tǒng)自檢，通訊
波特率設(shè)定，調(diào)出保存于E乍ROM之中的設(shè)置參數(shù)等等；之后，進(jìn)入系統(tǒng)的工作環(huán)節(jié)； 首先，通過單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換通道測試三相電流，將測試數(shù)值與系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)定的絕
對數(shù)值進(jìn)行比較，如果超過，則按照電氣開關(guān)行業(yè)的反時限原則，進(jìn)行時延，時延一段時間
之后再回到三相電流的檢測環(huán)節(jié)，看是否繼續(xù)存在電流超過絕對數(shù)值的情況，如果是，則啟
動退出系統(tǒng)程序?qū)ΧA諧波濾波器關(guān)斷主電路接觸器或?qū)τ谝浑A諧波濾波器完全關(guān)斷晶
閘管，點亮LED報警指示燈，如果否，則進(jìn)入下一個判斷環(huán)節(jié)； 下一步是，將測試的電流數(shù)值與已經(jīng)設(shè)定的數(shù)值上下限進(jìn)行比較，從而調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角，使系統(tǒng)工作在一個合適的電流范圍內(nèi)； 最后一步是，在系統(tǒng)工作過程中，如果有需要改變設(shè)置參數(shù)的指令時，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置環(huán)節(jié)，參數(shù)設(shè)置完畢后，存入單片機(jī)的E乍ROM內(nèi)，在下一次系統(tǒng)上電時，可以再次調(diào)入本控制系統(tǒng)。
權(quán)利要求
一種電力電容動態(tài)脫諧裝置，其特征在于該裝置包括有一階三相諧波濾波器和二階三相諧波濾波器，其中，一階三相諧波濾波器包括有電容，電感，雙向晶閘管，雙向晶閘管近似為電路中的阻尼電阻，連接每相電路中電容、電感、雙向晶閘管串聯(lián)，三相電路中每相電流互感器與控制器輸入端連接，控制器輸出端分別與晶閘管控制端連接；該二階三相諧波濾波器包括有電容，電感，雙向晶閘管，雙向晶閘管近似為電路中的阻尼電阻，連接每相電路中電容與電感和雙向晶閘管并聯(lián)后串接，同樣，三相電路中每相電流互感器與控制器輸入端連接，控制器輸出端分別與晶閘管控制端連接，控制器輸出通過脫諧執(zhí)行電路和控制繼電器連接，控制繼電器連接主電路的接觸器，該裝置形成一個以三相電流檢測為輸入，單片機(jī)為核心控制器，雙向晶閘管作為輸出執(zhí)行單元的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之電力電容動態(tài)脫諧裝置，其特征在于所述之控制器電路結(jié)構(gòu)是以單片機(jī)為核心，單片機(jī)內(nèi)包括有A/D轉(zhuǎn)換器及E2PR0M存儲器；A/D轉(zhuǎn)換器輸入端與三相電路輸入端電流互感器連接，A/D轉(zhuǎn)換器輸出端與單片機(jī)的輸入端連接；單片機(jī)通過調(diào)試接口分別與外置設(shè)置鍵和外置顯示器連接；另外，單片機(jī)輸出通過三相光電隔離器與脫諧執(zhí)行電路輸入端連接，諧波濾波器為一階時其脫諧執(zhí)行電路輸出端分別與每相主電路 的晶閘管控制端連接，諧波濾波器為二階時其脫諧執(zhí)行電路輸出端仍分別與每相主電路的 晶閘管控制端連接，同時，脫諧執(zhí)行電路輸出端還連接控制繼電器，控制繼電器連接主電路 接觸器。
3. —種電力電容動態(tài)脫諧裝置控制方法，其特征在于電力電容脫諧裝置控制方法步 驟如下步驟1 :首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括10端口設(shè)定，系統(tǒng)自檢，通訊波特率設(shè)定，調(diào)出保存于E2EPR0M之中的設(shè)置參數(shù)；步驟2 :通過單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道測試三相電流，將測試數(shù)值與系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)定的極限 絕對數(shù)值進(jìn)行比較；步驟3 :比較發(fā)生超限，則按技術(shù)要求反時限原則，進(jìn)行時延，時延一段時間之后再回 到三相電流的檢測環(huán)節(jié)，檢查是否繼續(xù)存在電流超過絕對數(shù)值的情況；1) 是，則啟動退出控制程序 對于一階諧波濾波器則完全關(guān)斷晶閘管； 對于二階諧波濾波器則關(guān)斷接觸器，點亮LED報警指示燈；2) 否，則進(jìn)入下一個判斷環(huán)節(jié)；步驟4:將測試的電流數(shù)值與已經(jīng)設(shè)定的數(shù)值上下限進(jìn)行比較，從而調(diào)整晶閘管的的 導(dǎo)通角，使系統(tǒng)工作在一個合適的電流范圍內(nèi)；步驟5 :在系統(tǒng)運行過程中，有需要改變設(shè)置參數(shù)，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置環(huán)節(jié)，參數(shù)設(shè)置完畢 后，存入單片機(jī)的E2PR0M內(nèi)，在下一次系統(tǒng)啟動時，可再次調(diào)入本控制系統(tǒng)。
全文摘要
一種電力電容動態(tài)脫諧裝置及控制方法，屬于電力系統(tǒng)自動化控制技術(shù)領(lǐng)域。電力電容動態(tài)脫諧裝置包括有一階三相諧波濾波器和二階三相諧波濾波器，分別包括有電容，電感，雙向晶閘管。本發(fā)明裝置引入嵌入式單片機(jī)及控制電路，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，不僅可以保護(hù)電力電容器本身不受損壞，電網(wǎng)安全運行，防止電力事故的發(fā)生，還可以使電力電容始終處于工作狀態(tài)，起到諧波治理或者無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔谩?br> 文檔編號H02J3/18GK101795000SQ20101012562
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者劉學(xué)寶, 林在榮 申請人:沈陽鼎盛中貝機(jī)電設(shè)備有限公司