專利名稱：變壓器感性無功功率有級控制裝置及控制方法
技術領域：
本發明屬于低壓動態無功功率補償技術領域，特別涉及一種變壓器感性無功功率有級控制技術。
背景技術：
近年來，由于電網容量的增加，對電網無功要求也與日增加。無功電源如同有功電源一樣，是保證電力系統電能質量、電壓質量、降低網絡損耗及安全運行所不可缺少的部分。變壓器作為電力傳輸中的重要樞紐部分，無功平衡問題尤為重要。當變壓器母線側的無功平衡失調，功率因數降低時，線路損失增大，電力設備得不到合理應用，用戶末端電壓下降。嚴重時，會導致設備損壞，系統解列。因此，解決好配電網中變壓器的無功補償問題，對電網降損節能有著極為重要的意義。目前，無功補償控制技術主要有三種一是以交流接觸器作為固定電力電容器的投切執行元件，但由于其投入時沖擊電流大，切除時產生過電壓，自身出頭易損甚至熔焊，噪聲大，設備故障率高，可靠性差，也比較容易出現過補償和欠補償問題。二是采用晶閘管代替交流接觸器作為投切執行元件，其保證在電壓零區附近投入電容器組，從而避免了合閘涌流的產生，而切斷又在電流過零時完成，避免了暫態過電壓的出現，這就從功能上符合了電容器的過零投切的要求，另外由于可控硅的觸發次數沒有限制，可以實現準動態補償(響應時間在毫秒級)，因此適用于電容器的頻繁投切，非常適用于頻繁變化的負荷情況，相對于交流接觸器有了質的飛躍；然而固態繼電器在應用上有致命的弱點就是在通電運行時可控硅導通電壓降約為IV左右，損耗很大，由于有大的功耗所以需要散熱以避免PN結的熱擊穿，為了降溫就需要使用面積很大的散熱器，甚至需要風扇進行強迫通風。三是近些年剛剛興起的靜止無功發生器，其主體是一個電壓源型逆變器，由可關斷晶閘管適當的通斷，將電容上的直流電壓轉換成為與電力系統電壓同步的三相交流電壓，再通過電抗器和變壓器并聯接入電網，適當控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變其運行工況，使其處于容性、感性或零負荷狀態，理論上靜止無功發生器響應速度更快，諧波電流更少，而且在系統電壓較低時仍能向系統注入較大的無功功率；但由于其控制技術比較復雜，可靠性和經濟上都有很大缺陷，以至于市場上很少使用此類補償技術。

發明內容
鑒于此，本發明的目的在于提供一種變壓器感性無功功率有級控制技術，以克服上述現有技術存在的問題，從而有效地實現變壓器感性無功功率的連續調節和動態平衡。根據本發明的一個方面，提供一種變壓器感性無功功率有級控制裝置，所述裝置包括電壓/電流隔離傳感器、電壓互感器、直流變換器、控制器、斷路器、復合開關、電力電容器組、數碼管顯示電路和狀態指示燈，其中，所述電壓/電流隔離傳感器包含三相線各自對應的電壓/電流隔離傳感器，其用于將相線上的交流電壓和交流電流進行隔離處理，從而轉換成能與所述控制器中的CPU兼容的相電壓信號；所述電壓互感器用于將三相電壓降壓到低壓交流電壓，以作為所述控制器中的同步相位采集電路的輸入端信號；所述直流變換器用于實時將所述電力電容器組中的各電容器殘壓值降壓后輸入到所述控制器中的模數轉換電路；所述控制器用于實現所述裝置的信號處理和控制，其進一步包括數模轉換電路、同步相位采集電路、CPU和光耦觸發及驅動電路；所述斷路器用于當變壓器發生各種故障或所述裝置出現故障時，對所述裝置進行保護；所述復合開關分別是三相線各自所對應的開關，每個開關均進一步包括并聯的晶閘管和交流接觸器；所述電力電容器組是三相線各自所對應的電力電容器組；所述數碼管顯示電路用于循環顯示三相線電力參數；以及所述狀態指示燈用于指示裝置狀態，并提供蜂鳴器報警功能。優選地，所述CPU是ARM7芯片。優選地，所述低壓交流電壓為6V。優選地，每相所述電力電容器組包含N個電容，其中包括N-2個電容值均為C的電容、兩個電容值分別為C/2、C/4的調節電容。優選地，所述電力參數包括電壓、電流和功率因數。優選地，所述裝置狀態包括每條支路的投切狀態、過壓和低壓狀態。優選地，在所述控制器中， 所述CPU，用于處理所述數模轉換電路和所述同步相位采集電路所輸入的信號，并通過所述光耦觸發及驅動電路實現對所述復合開關的控制；所述數模轉換電路，用于將所述電壓/電流隔離傳感器所轉換的相電壓信號和所述直流變換器輸出的電容器殘壓值轉換成所述CPU可以直接處理的數字信號，所述數模轉換電路一端接所述電壓/電流隔離傳感器和所述直流變換器的輸出端，另一端直接與所述CPU相連；所述同步相位采集電路實現為電壓比較器，用于將電網的電壓信號轉化為同頻率的方波信號，以實時跟蹤電網頻率，其中，通過所述電壓互感器處理過的低壓交流電壓是所述電壓比較器的兩個輸入端信號，所述同步相位采集電路在檢測到變壓器母線側正弦相電壓由負到正的過零瞬間，瞬時觸發所述CPU的外部中斷，所述同步相位采集電路一端接所述電壓互感器的輸出端，另一端接所述CPU的外部中斷口 ；以及所述光耦觸發及驅動電路實現為高速的光耦合器和NPN型三極管，該光耦合器將所述CPU發送的電脈沖信號經過光電轉換進行隔離輸出，再經該三極管增加驅動能力，所述該光耦觸發及驅動電路一端接所述CPU，另一端分別與所述復合開關中各晶閘管的觸發端連接。根據本發明的另一個方面，還提供一種變壓器感性無功功率有級控制方法，所述控制方法由上述變壓器感性無功功率有級控制裝置運行，所述方法包括以下步驟步驟1:測量每相線的交流電壓/電流，使測量結果通過電壓/電流隔離傳感器和控制器中的模數轉換電路，從而轉換成控制器中的CPU可直接處理的數字相電壓信號，并送入CPU進行處理；步驟2:直流變換器采集電力電容器組中的各電容器殘壓值，降壓后經過控制器中的模數轉換電路的模數轉換，送入CPU進行處理，從而計算出觸發相位角和相應的定時器計數值；步驟3:電壓互感器將三相電壓降壓到低壓交流電壓，輸入到控制器中的同步相位采集電路，同步相位采集電路將該低壓交流電壓轉化成同頻率的方波信號，并在變壓器母線側正弦相電壓由負到正的過零瞬間觸發CPU外部中斷，此時CPU中的定時器開始計數，同時CPU采集變壓器母線側的負載電流；步驟4 =CPU根據相電壓信號和負載電流計算出電網無功功率；以及步驟5:當定時器計數達到上述定時器計數值時，CPU向控制器的光耦觸發及驅動電路發送觸發脈沖，光耦觸發及驅動電路根據與所計算出的無功功率相匹配的投切方案控制各復合開關中各晶閘管的觸發端，從而使對應的電力電容器組進行投切操作。優選地，在所述步驟2中，CPU中的內部定時器配置為每0.1微秒定時器計數加1，即一個完整的電網周期需要定時器計數200000次，即將一個周期的觸發角度0-360°對應成為0-200000次計數，定時器計數每增加I相當于觸發角度移動(360/200000) °，交流信號中每個電壓都對應于一個相應的相位，因此采集電容器殘壓值，根據該電容器殘壓值計算出相對應的觸發相位角α以及對應的定時器計數值N，計算公式為
權利要求
1.一種變壓器感性無功功率有級控制裝置，其特征在于，所述裝置包括:電壓/電流隔離傳感器、電壓互感器、直流變換器、控制器、斷路器、復合開關、電力電容器組、數碼管顯示電路和狀態指示燈，其中， 所述電壓/電流隔離傳感器包含三相線各自對應的電壓/電流隔離傳感器，其用于將相線上的交流電壓和交流電流進行隔離處理，從而轉換成能與所述控制器中的CPU兼容的相電壓信號； 所述電壓互感器用于將三相電壓降壓到低壓交流電壓，以作為所述控制器中的同步相位采集電路的輸入端信號； 所述直流變換器用于實時將所述電力電容器組中的各電容器殘壓值降壓后輸入到所述控制器中的模數轉換電路； 所述控制器用于實現所述裝置的信號處理和控制，其進一步包括數模轉換電路、同步相位采集電路、CPU和光耦觸發及驅動電路； 所述斷路器用于當變壓器發生各種故障或所述裝置出現故障時，對所述裝置進行保護； 所述復合開關分別是三相線 各自所對應的開關，每個開關均進一步包括并聯的晶閘管和交流接觸器； 所述電力電容器組是三相線各自所對應的電力電容器組； 所述數碼管顯示電路用于循環顯示三相線電力參數；以及 所述狀態指示燈用于指示裝置狀態，并提供蜂鳴器報警功能。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述CPU是ARM7芯片。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述低壓交流電壓為6V。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，每相所述電力電容器組包含N個電容，其中包括N-2個電容值均為C的電容、兩個電容值分別為C/2、C/4的調節電容。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電力參數包括:電壓、電流和功率因數。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置狀態包括:每條支路的投切狀態、過壓和低壓狀態。
7.根據權利要求1-6中任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，在所述控制器中， 所述CPU，用于處理所述數模轉換電路和所述同步相位采集電路所輸入的信號，并通過所述光耦觸發及驅動電路實現對所述復合開關的控制； 所述數模轉換電路，用于將所述電壓/電流隔離傳感器所轉換的相電壓信號和所述直流變換器輸出的電容器殘壓值轉換成所述CPU可以直接處理的數字信號，所述數模轉換電路一端接所述電壓/電流隔離傳感器和所述直流變換器的輸出端，另一端直接與所述CPU相連； 所述同步相位采集電路實現為電壓比較器，用于將電網的電壓信號轉化為同頻率的方波信號，以實時跟蹤電網頻率，其中，通過所述電壓互感器處理過的低壓交流電壓是所述電壓比較器的兩個輸入端信號，所述同步相位采集電路在檢測到變壓器母線側正弦相電壓由負到正的過零瞬間，瞬時觸發所述CPU的外部中斷，所述同步相位采集電路一端接所述電壓互感器的輸出端，另一端接所述CPU的外部中斷口 ；以及所述光耦觸發及驅動電路實現為高速的光耦合器和NPN型三極管，該光耦合器將所述CPU發送的電脈沖信號經過光電轉換進行隔離輸出，再經該三極管增加驅動能力，所述該光耦觸發及驅動電路一端接所述CPU，另一端分別與所述復合開關中各晶閘管的觸發端連接。
8.一種變壓器感性無功功率有級控制方法，其特征在于，所述控制方法由權利要求1-7中任一項所述的變壓器感性無功功率有級控制裝置運行，所述方法包括以下步驟: 步驟1:測量每相線的交流電壓/電流，使測量結果通過電壓/電流隔離傳感器和控制器中的模數轉換電路，從而轉換成控制器中的CPU可直接處理的數字相電壓信號，并送入CPU進行處理； 步驟2:直流變換器采集電力電容器組中的各電容器殘壓值，降壓后經過控制器中的模數轉換電路的模數轉換，送入CPU進行處理，從而計算出觸發相位角和相應的定時器計數值； 步驟3:電壓互感器將三相電壓降壓到低壓交流電壓，輸入到控制器中的同步相位采集電路，同步相位采集電路將該低壓交流電壓轉化成同頻率的方波信號，并在變壓器母線側正弦相電壓由負到正的過零瞬間觸發CPU外部中斷，此時CPU中的定時器開始計數，同時CPU采集變壓器母線側的負載電流； 步驟4:CPU根據相電壓信號和負載電流計算出電網無功功率；以及步驟5:當定時器計數達到上述定時器計數值時，CPU向控制器的光耦觸發及驅動電路發送觸發脈沖，光耦觸發及驅動電路根據與所計算出的無功功率相匹配的投切方案控制各復合開關中各晶閘管的觸發端，從而使對應的電力電容器組進行投切操作。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步驟2中，CPU中的內部定時器配置為每0.1微秒定時器計數加1，即一個完整的電網周期需要定時器計數200000次，即將一個周期的觸發角度0-360°對應成為0-200000次計數，定時器計數每增加I相當于觸發角度移動(360/200000)。， 交流信號中每個電壓都對應于一個相應的相位，因此采集電容器殘壓值，根據該電容器殘壓值計算出相對應的觸發相位角α以及對應的定時器計數值N，計算公式為
10.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步驟4中，計算電網無功功率的具體方式為: 設相電壓為:
全文摘要
本發明公開了一種變壓器感性無功功率有級控制裝置和控制方法。本發明實現了對多組電容器快速自動分級投切，精度高，響應速度快，功耗低，成本低，可靠性高，滿足了對低壓變壓器無功補償快速性和實時性要求。
文檔編號H02J3/18GK103078332SQ20131000315
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月5日 優先權日2013年1月5日
發明者宋宏偉, 王啟銀, 王曉強, 王旭 申請人:山西省電力公司大同供電分公司, 國家電網公司