靜止式無功功率自動補償方法
2023-05-25 03:05:56
專利名稱：靜止式無功功率自動補償方法
技術領域：
本發明屬於一種電力系統無功功率自動補償方法，可用於改善電力用戶的負荷功率因數，適合容量在400KVA～2500KVA、電壓為380V、660V、1140V、頻率為50HZ、60HZ、400HZ的工礦企業、賓館飯店以及飛行器等耗電量大而功率因素低的電力用戶使用。
現有的無功功率自動補償方法有兩類。第一種類型的無功功率自動補償方法是基於積算儀表的測量原理，測量一段給定時間(例如10秒、20秒、1分鐘或3分鐘)內的平均功率因數，從而決定下一個測量周期應投入的補償電容。但這類裝置的響應速度不能滿足一些實際工作的需要，並且由於這類裝置的執行機構是機電式接觸器，補償電容用接觸器投入，不可避免地會出現尖峰脈衝電流，尖峰脈衝電流幅度往往是電容額定電流峰值的若干倍，這種脈衝性質的電流不僅對改善功率因數無所貢獻，而且還會導致電容器損耗增加，溫升增高，壽命降低。這類裝置速定的響應速度越快，尖峰脈衝電流頻度就越高，電容溫升就越高，因此，除其他原因外，補償電容發熱是制約這類裝置響應速度的重要因素。例如，國家定型的BJ(F)-3Z自動控制靜電電容補償裝置最快的響應速度是10秒。陝西省渭南電子儀器研究所的COSφ-4型自動功率因素補償器最小一級電容的響應速度最快為3秒，即便如此，該裝置對感應電機啟動過程吸收最大無功功率的最初一、兩秒是無能為力的。天津電氣傳動設計研究所研製的PGJ-10型自動功率因數調節器，為了保持較高的響應速度又要避免補償電容過熱，設置了備份電容器，備份電容與在線電容交替使用，但由於PGJ-10型裝置的執行機構仍然是接觸器，所以其響應速度不會超過接觸器允許的每小時數百次，即響應速度不會小於數秒。這類裝置的另一個缺點也是由於執行機構是機電式接觸器，從而電容投入不可避免地對電網產生尖峰脈衝電流，使電網波形惡化。
第二種類型的無功功率自動補償方法是把測得的三相電壓和三相電流的採樣值輸入計算機，計算出一個測量周期內的平均無功功率，據此決定下一個測量周期應投入的補償電容量、這種方法的缺點是裝置複雜、成本高、響應速度也只能達到40毫秒左右。
本發明的目的是設計一種檢測方法簡單、響應速度快、補償電容投入切出無尖峰脈衝電流並採用半導體無觸點開關作為投切補償電容執行機構的靜止式無功功率自動補償方法。
本發明提出的靜止式無功功率自動補償方法的主要特徵是在電壓過零時刻直接檢測感性負荷的無功電流峰值。其原理是感性負荷電流可以看成是一個與相應電壓同相位的有功電流分量和一個比相應電壓滯後90°的無功電流分量之和。從時間座標上看，當相應的電壓即時值為零時，有功電流分量即時值亦為零，而無功電流即時值恰逢峰值。這就是說，在相應電壓過零時刻所檢測到的感性負荷電流即時值恰好是其無功電流分量的峰值。用被檢測到的某相無功電流峰值作為投入補償電容的依據，通過予先適當標定，使投入補償電容提供的補償電流的峰值恰好等於被檢測到的該相無功電流峰值，因而使負荷的無功功率得到完全補償。
本發明的設計方案是分別測量三個線電流，並將被測電流轉變為成正比的三個電壓值，經過放大後，通過多路開關送進模數轉換器，轉換成三組K位二進位數碼，再輸入無功電流鎖存器，取各相電壓過零時刻鎖存的各相無功電流即時值(二進位數碼)作為各相補償電容半導體無觸點開關的使能信號，分別選擇觸發各相補償電容的K個半導體無觸點開關，向被補償的變壓器各相次級或供電母線分別投入補償電容。補償電容是按K級二進權設置的，最小電容CO提供的補償電流峰值相應於鎖存二進位數碼的單位值1。
利用時鐘信號發生器產生十二個依次間隔十二分之一電壓周期的方波信號，方波脈衝前沿分別相應於某一相電壓和某一線電壓的過零時刻，用對應相時鐘方波上升沿或下降沿更新該相無功電流鎖存器的內容。半導體無觸點開關可以採用兩隻同容量的晶閘管反並聯構成，或者用一隻晶閘管和一隻同容量的二極體反並聯構成。半導體無觸點開關的一端接被補償電源，另一端接補償電容，補償電容通過一隻晶閘管或二極體予先編置在對應相電壓的正峰值或負峰值。如果補償電容是正峰值予偏置，則用正峰值時刻時鐘方波脈衝的上升沿觸發該相補償電容的無觸點開關;如果補償電容是負峰值予偏置，則用負峰值時刻時鐘方波脈衝的上升沿觸發該相補償電容的無觸點開關。保證半導體無觸點開關在零電壓和零電流條件下啟通或關斷。
本發明提出的靜止式無功功率自動補償方法的優點是1.採用了直接檢測電壓過零時刻的無功電流峰值的檢測方法，檢測準確、響應速度快，每個周波對每相電流檢測一次，調整一次投入的補償電容數量，使補償電流快速跟隨負荷的無功電流變化，響應時間≤20毫秒。
2.能對三相電流獨立檢測，分別補償，解決了負荷不對稱的補償問題。
3.採用了兩項保證補償電容投入切出不出現尖峰脈衝電流的措施(1)補償電容予先偏置在電網電壓的正峰值或負峰值上;(2)如果補償電容是負峰值予偏置，則無觸點開關在電網電壓負峰值觸發，如果補償電容是正峰值予偏置，則無觸點開關在電網電壓正峰值觸發，保證沒有尖峰電流出現。
4.利用被檢測的無功電流作為投入補償電容的依據，經標定使投入的補償電容提供的補償電流的峰值恰好等於被檢測到的該相無功電流峰值，從而使負荷得到完全的補償。
圖1靜止式無功功率自動補償方法的原理方框圖。
圖2A開關電容接線方式1。
圖2B開關電容接線方式2。
圖3A半導體無觸點開關方案1。
圖3B半導體無觸點開關方案2。
圖4開關電容選擇觸發一個周期的波形圖。
圖5時鐘信號波形。
圖6A靜止式無功功率自動補償方法YO接線不對稱補償時序邏輯。
圖6B靜止式無功功率自動補償方法Δ接線對稱補償時序邏輯。
圖7A測量三個線電流的測量單元結構框圖。
圖7B測量一個線電流的測量單元結構框圖。
圖8模數轉換框圖。
圖9A測量三個線電流的無功電流檢測鎖存單元結構框圖。
圖9B測量一個線電流的無功電流檢測鎖存單元結構框圖。
圖10選擇觸發電路結構框圖。
圖11時鐘信號發生器結構框圖。
圖12電壓測壓單元結構框圖。
圖13系統啟、停聯鎖電路結構框圖。
圖14(A11、A12、A13、A14、A21、A22、A23、A24、A31、A32、A33、A34)靜止式無功功率自動補償裝置電路圖(注該圖由12張小圖按3行4列排列組合成一張完整電路圖)。
下面結合附圖用實施例對本發明做進一步描述。
圖1為本發明的原理方框圖，其中方框2是電流測量單元(見圖7A)，分別測量三個線電流，輸出電壓與被檢測電流成正比，經放大該單元的三個輸出電壓(相應於三個線電流)，再經多路開關送到模數轉換器方框9。如果負荷性質是三相對稱的，方框2可以簡化(見圖7B)，只測量一個線電流，轉換成正比的輸出電壓經放大後送到模數轉換器。
圖1中的方框9是模數轉換單元，它把方框2輸出的信號在整定範圍內變成正比的二進位數碼，方框9輸出的二進位數碼的位數K與系統無觸點開關電容的級數吻合，補償電容是按K級二進權設置的，最小電容CO提供的補償電流峰值相應於鎖存二進位數碼的單位值1。模數轉換單元的結構框圖見圖8。
圖1中方框10是無功電流檢測鎖存單元。由系統時鐘脈衝使能信號保證鎖存的是無功電流峰值(二進位數碼)。圖9A是不對稱負荷情況下無功電流檢測鎖存單元的結構框圖。圖9B是對稱負荷情況下無功電流檢測鎖存單元的結構框圖。如果負荷性質是對稱的，無論補償電容是YO接法(見圖2A)或Δ接法(見圖2B)，都不需要進行Y-Δ轉換(見圖9B)，圖9B中用到一個鎖存緩衝是選觸時序邏輯的需要。如果負荷性質是不對稱的且補償電容是YO接法(見圖2A)，也不需要進行Y-Δ轉換，在這種情況下圖9A中的Y-Δ轉換方框可省去，圖9A中三個並列的鎖存器分別鎖存相應的三個線電流的無功電流峰值(二進位數碼)。只有當負荷性質是不對稱且補償電容是Δ接法(見圖2B)，才需要進Y-Δ轉換，送到方框11的選觸信號是方框10的Y-Δ轉換方框輸出的三組K位二進位數碼。
圖1中的方框11是開關電容組7的半導體無觸點開關的選擇觸發單元，方框11用方框10鎖存的實際無功電流峰值(二進位數碼)作為使能信號觸發相應電容支路的無觸點開關，提供恰好是負荷需要補償的無功電流值。半導體無觸點開關是由兩隻同容量晶閘管反並聯構成，或者由一隻晶閘管和一隻同容量的二極體構成，如圖3A和圖3B所示。圖3A中晶閘管SA和圖3B中晶閘管SA作用相同，由無觸點開關選擇觸發邏輯控制。圖3A中晶閘管SK的作用和圖3B中二極體DK的作用相同，為補償電容提供偏置。當無觸點開關為圖3A的形式時，補償系統初合閘之後，晶閘管SK的觸發信號在相應電壓過零時發出，觸發信號一旦發出即維持幅度不變，晶閘管SK實際上就相當於二極體了。半導體無觸點開關一端接電源V1(t)正極，另一端經補償電容接電源負極(見圖10)。開關電容組均予先偏置在相應電壓的正峰值或負峰值，如果是正峰值偏置，則用正峰值時刻對應的時鐘方波上升沿觸發該相補償電容的無觸點開關，如果是負峰值偏置，則用負峰值時刻對應的時鐘方波上升沿觸發該相補償電容的無觸點開關，保證半導體無觸點開關在零電壓和零電流條件下啟通或關斷。
由於選觸信號是二進位數碼，而且開關電容也是按二進權設置的，並且最小電容C0提供的補償電流的峰值相應於鎖存的二進位數碼單位值1。按此當量確定C0的電容值，這樣用K級無觸點開關電容器組可以得到2的K次方種不同數值的電容組合O，C0，2C0，4C0，8C0……2K-1C0。因此系統運行時提供的無功電流值就正好是負荷需要的無功電流值了。
圖1中的方框3是時鐘信號發生器單元，它產生十二個依次間隔十二分之一電壓周期的方波信號，三相電壓對應的方波脈衝前沿分別對應於某一相電壓和某一線電壓的過零時刻，從圖5可見，時鐘方波前沿順序是a，-ca，-c，bc，b，-ab，-a，ca，c，-bc，-b，ab，a，-ca，……循環。方波寬度為二分之一電壓周期，相鄰兩時鐘方波前沿相差十二分之一周期，方框3的結構框圖見圖11。
圖1中的方框4是電壓測量單元，其作用是檢測供電電壓波動，從而對模數轉換單元9門坎值作相應的修正，方框4的結構框圖見圖12。
圖1中的方框12是系統啟停聯鎖單元，在該補償系統合閘時，該電路提供延時封鎖信號零初始化各個寄存器同時封鎖觸發電路脈衝，一旦開關電容偏置完成(小於1秒)，系統即開始正常工作，按按鈕「停止」時，開關電容器組各相被選觸的電容在電流自然過零後自動退出運行，而後開關電容器組進線自動開關把開關電容器組從電源脫開。本補償系統開關電容器組進線自動開關既不啟通電流，也不切斷電流，只起隔離作用，方框12的結構框圖見圖13。
圖1中方框8是固定電容單元，固定電容用來補償谷值負荷的無功電流。採用了固定電容後，可以使系統滿補償時最大即時相對誤差減小，如果負荷的時間曲線上谷值負荷無功電流很小，這一單元可以不設置。
圖1中方框1是另一電流測量單元，測量結果與相應電壓信號一起送到計量單元5。
圖1中方框5是計量單元，該單元用非積算儀表顯示被補償系統的三個線電壓，三個線電流，電力變壓器向負荷看的即時功率因數;該單元還用積算儀表計量被補償系統的有功電度和無功電度，有功電度和無功電度日報表是進一步整定本補償系統指標的最可靠的依據。
圖1中方框6是補償電容三相電流顯示單元。系統的時序邏輯示例見圖6A和圖6B。
圖14是K為4時的實施例電路圖，下面結合此圖對本發明做進一步描述。
該裝置是由計量單元、繼電控制單元、吸收電路單元、補償電容三相電流顯示單元、固定補償電容單元、觸發脈衝放大電路單元、時鐘信號發生器、無功電流峰值的模數轉換和鎖存單元、開關電容器組、系統的啟停聯鎖單元、Y-Δ轉換單元所組成。
計量單元由電流互感器LA1，LB1和LC1，有功電度表AP，無功電度表Rp和功率因數表pF組成。
繼電控制單元(該單元屬於圖1中的方框12)由進線刀閘HD，自動空氣斷路器10C，接觸器20C和30C，中間繼電器JA2，IJ和IJ1，時間繼電器1SJ～5SJ，信號燈XD1～XD5組成。
吸收電路(該電路屬於圖1中方框7)由電
電容CPA，CPB和CPC，壓敏電阻Rm1，Rm2和Rm3組成。
補償電容三相電流顯示單元由電流互感器LA2、LB2和LC2和三隻電流表組成。
固定電容部分由熔斷器RL4，RL5和RL6，固定電容Cab，Cbc和Cca，三隻放電電阻並在固定電容上組成。
觸發脈衝放大電路單元(該單元屬於圖11中方框1)由發光二極體Lai，Lbi或Lci，光電隔離OPTi，功放管Gi和脈衝變壓器TTi組成，把從NDi來的脈衝信號電隔離並功放後去觸發無觸點開關。
時鐘信號發生器由三隻變壓器TB1～TB3的初級自裝置隔離刀閘再經熔斷器接到電網相線上。變壓器TB1～TB3初級接成Y型，每隻變壓器有七個次級繞組，次級繞組出線端
和
電壓分別與電源相電壓A、B和C同相位。次級繞組出線端
電壓分別與電源線電壓AB、BC、CA同相位。信號
分別經濾波電容C11～C16分別進入CPa、CPb、CPc、CPab、CPbc和CPca六個方波發生器分別產生六個方波時鐘脈衝-a、-b、-c、-ab、-bc、-ca，時鐘脈衝的上升沿對應於電網相應電壓(相電壓或線電壓)的過零時刻。時鐘脈衝-a、-b、-c分別經三個倒相器INVa、INVb和INVc派生出三個倒相的時鐘脈衝a、b和c;時鐘脈衝-ab、-bc、-ca也可分別經三個倒相器派生出三個倒相時鐘脈衝ab、bc和ca。時鐘脈衝信號-ab、-ca;-bc、-ab;-ca、-bc用來控制多路開關MPX，時鐘脈衝信號-ab、a;-bc、b;-ca、c用來控制鎖存器LQa、LQb、LQc，時鐘脈衝信號-ab、a;-bc、b;-ca、c用來控制聯鎖觸發器INTa、INTb、INTc，如果補償電容是Δ接線的，則用時鐘脈衝信號c、a、b控制觸發脈衝前沿、控制或非門NOR5、NOR7和NOR，;如果補償電容是Y接線的，則時鐘脈衝信號bc、ca和ab用來控制無觸點開關觸發脈衝前沿、控制或非門NOR5、NOR7、NOR9。
無功電流峰值的模數轉換和鎖存電路由三隻特殊變比(變比範圍1000∶1～10000∶1，視實際電流大小而定)的電流互感器LA3、LB3和LC3分別測量三相負荷總電流。LA3、LB3和LC3次級分別跨接電阻Rsa、Rsb和Rsc，把測得電流信號轉變成正比例的電壓信號，分別經過聯鎖繼電器ZJ1三個觸點(17～18、57～58和67～68)分別接到增益可調運算放大器AMPa、AMPb和AMPc的倒相輸入端。AMPa、AMPb和AMPc的輸出經過多路開關MPX接到比較器CP1～CP15的非倒相輸入端，CP1～CP15倒相輸入端分別接到電阻R0～R15組成的門檻梯極電路。比較器輸出邏輯信號送進三位優先編碼器MC14532產生四位二進位碼作為無功電流峰值鎖存器LQa、LQb和LQc的數據輸入。鎖存器輸出十二條數據線進入Y-Δ轉換單元。如果補償電容是Y6接線或補償方式是對稱的，系統中Y-Δ轉換單元是不需要的，LQa、LQb和LQc數據輸出直接用作各相無觸點開關觸發電路的使能信號，LQa、LQb和LQc的輸出依次分別為ND1～ND12的輸入。R15一端接到C17和RTH，C17另一端接地，RTH的另一端經電位器PTH接到由二極體D1-D6組成的三相全波整流電路的輸出端。整流電路輸入是TB1～TB3的次級繞組ab7-ab17，bc7-bc17和ca7-ca17的電壓。
開關電容器組有四級，即每相相關電容有4條支路按二進權設置，最小電容CO提供的補償電流峰值相應於鎖存二進位數碼的單位值1，每條支路至進線自動開關10C的主觸點次級接到電源上，每條支路分別由快速熔斷器RDa0～a3、RDb0～b3和RDc0～c3二極體與同電流容量的晶閘管(或兩隻同容量晶間管)反並聯的無觸點開關Da0-Sa0、Da1-Sa1、Da2-Sa2、Da3-Sa3、Db0-Sb0、Db1-Sb1、Db2-Sb2、Db3-Sb3、Dc0-Sc0、Dc1-Sc1、Dc2-Sc2、Dc3-Sc3與放電電阻Ra0-Ra3、Rb0-Rb3、Rc0-Rc3並聯的補償電容Ca0～Ca3、Cb0～Cb3、Cc0～Cc3組成每相補償電容有4路，每一路有一個無觸點開關控制該路補償電容，由無觸點開關的使能信號決定該路補償電容是否投入補償。
系統的啟停聯鎖電路由+12V電源通過系統繼電控制串聯觸點組(10C輔助常開觸點，IJ常開觸點和JA2的常閉觸點)接到二極體DI1的陰極與R100的公共端，二極體DI1的陽極與R100的公共端接到倒相器INV1的輸入端，倒相器INV2輸出端接到三位優先編碼器的聯鎖端，使三位優先編碼器輸出端處於高阻狀態。同時INV1的輸出端通過電阻Rft1和電容Cft1並聯的防幹擾電路接到聯鎖觸發器INTa、INTb、INTc的D輸入端，保證系統啟動不會在無觸點開關觸發脈衝寬度當中發生，否則，尖峰脈衝電流將損壞無觸點開關本身。聯鎖觸發器的R、S端都接地，時鐘觸發端分別由或非門NOR4、NOR6、NOR8觸發，聯鎖觸發器INTa、INTb、INTc的Q輸出分別接到或非門NOR5、NOR7和NOR9的一個輸入端，其輸出分別接到三相無觸點開關觸發電路，INV2的輸出通過電阻RI200接到PNP型三極體GI的基極，GI的發射極接+12V電源、集電極通過電阻RI201接電源-12V，同時通過電阻RI202接到結型場效應管JI的控制極，JI的源極接到由二極體DI2和電阻RI203組成的偏置電路，JI的漏極接到比較器CP1～CP15的非倒相輸入端，保證系統啟動前編碼器只有零輸出。
權利要求
1.一種靜止式無功功率自動補償方法，其特徵在於(1)分別測量三個線電流，並將被測電流轉變為成正比的三個電壓值，經放大後，通過多路開關送進模數轉換器，轉換成三組K位二進位數碼，再輸入無功電流鎖存器，取各相電壓過零時刻鎖存的各相電流即時值(二進位數碼)作為各相補償電容無觸點開關的使能信號，分別選擇觸發各相補償電容的K個無觸點開關，向被補償的變壓器各相次級或供電母線分別投入補償電容，補償電容按K級二進權設置，最小電容C0提供的補償電流的峰值相應於鎖存二進位數碼的單位值1；(2)利用時鐘信號發生器產生12個依次間隔十二分之一電網電壓周期的方波信號，方波脈衝前沿分別相應於某一相電壓或某一線電壓的過零時刻，用對應相時鐘方波的上升沿或下降沿更新無功電流鎖存器的內容；補償電容予先偏置在對應相電壓的正峰值(或負峰值)，如果補償電容是正峰值予偏置，則用該正峰值時刻時鐘方波的上升沿觸發該相補償電容的無觸點開關，如果補償電容是負峰值予偏置，則用該負峰值時刻時鐘方波的上升沿觸發該相補償電容的無觸點開關。
2.一種如權利要求1所述的靜止式無功功率自動補償方法，其特徵在於所採用的半導體無觸點開關是由兩隻同容量晶閘管反並聯構成，或者用一隻晶閘管和一隻同容量的二極體反並聯構成。
全文摘要
本發明提出了一種靜止式無功功率自動補償方法，適合容量在400KVA～2500KVA，電壓為380V、660V、1140V，頻率為50Hz、60Hz、400Hz的工礦企業等耗電量大而功率因數低的電力用戶使用。本發明的特點是直接檢測感性負荷的無功電流峰值，每個周波對每相電流檢測和補償一次，使補償電流快速跟隨負荷的無功電流變化，響應時間≤20毫秒；另外還採用了補償電容予偏置和控制無觸點開關觸發時間的辦法確保補償電容投入切出不出現尖峰脈衝電流。
文檔編號H02J3/18GK1042456SQ89103959
公開日1990年5月23日 申請日期1989年6月24日 優先權日1989年6月24日
發明者裴迪生 申請人:西安煤礦機械廠