一種智能高精度動態無功補償控制系統的製作方法
2023-04-29 17:25:16
專利名稱：一種智能高精度動態無功補償控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種無功補償控制系統，尤其涉及一種智能高精度動態無功補償控制系統。
背景技術：
無功功率是反映電網質量的重要依據，所以功率因數作為電力系統的參數很具有代表性。而對應的無功補償技術不僅可以提高電網的功率因數，讓電網無功達到最小，而且可以降低網損、節約電能，提高線路和變壓器的輸送能力。在低壓配電系統中，多數用電設備都是感性負載，它造成電流相位滯後於電壓相位，使得電力能源消耗在電網傳輸線上，致使電網供電質量嚴重下降。為此，必須採取相應的補償措施來彌補感性負載帶來的影響。而現有低壓無功補償控制系統的缺點是電路設計複雜、檢測採樣精度差，計算無功功率誤差大，補償精度差，響應速度慢，抗諧波幹擾能力弱，當電網有較大的波動時很容易出現誤動作。另一方面由於檢測電路檢測精度差，投切電容組只是根據當前電網參數進行判斷，投切電容容量誤差較大，所以經常會出現投切震蕩。長時間震蕩很容易使得電容器組或複合開關出現問題，進而造成補償失效，影響電力系統的供電質量。同時，上述控制系統是以功率因素物理量為主控制量，在無功功率變化快的場合，採樣精度極差，導致補償精度差，控制補償方式只能實現共補，導致三相補償補平衡，也容易出現過補或欠補償。再者，控制系統只有一種電容組容量編碼程序，且每個電容容量都一樣，補償時也容易造成某一相出現過補或欠補償。
發明內容
本發明針對現有技術的弊端，提供一種智能高精度動態無功補償控制系統。本發明所述的智能高精度動態無功補償控制系統，包括多個電容器組及對應的電容器組投切開關迴路，還包括三相電流電壓信號檢測單元、主控制單元、以及設置於各電容器組投切開關迴路的子控制單元；其中，所述三相電流電壓信號檢測單元用於檢測三相電流信號及三相電壓信號，並將檢測結果傳輸至主控制單元；所述主控制單元根據接收到的三相電流信號和三相電壓信號計算出所需投入的無功補償量，並依據內置程序向對應的子控制單元發出指令，由該對應的子控制單元接通相應的電容器組投切開關迴路。本發明所述的智能高精度動態無功補償控制系統中，所述電容器組投切開關迴路設置有電流檢測迴路；若主控制單元接收到電流檢測迴路檢測的電流信號，則該電容器組被投入；否則，該電容器組未被投入。本發明所述的智能高精度動態無功補償控制系統中，所述三相電流電壓信號檢測單元包括用於提取三相電壓信號的前端檢測電路、用於對單相電壓信號進行轉換並輸出至主控制單元的電壓信號調理電路、以及用於單相電流信號進行轉換並輸送至主控制單元的電流/[目號調理電路。本發明所述的智能高精度動態無功補償控制系統中，所述前端檢測電路包括六個電阻器和一個電感器；其中，所述第一電阻器與第四電阻器串聯、第二電阻器與第五電阻器串聯、第三電阻器與第六電阻器串聯；所述第一電阻器的首端接三相電源的a相、所述第二電阻的首端接三相電源的b相、所述第三電阻的首端接三相電源的c相；所述第四電阻、第五電阻、第六電阻的末端連接在一起，並與第一電感器的首端串聯，該第一電感器的末端為公共端；所述第一電阻器的末端即為a相電壓信號引出端、所述第二電阻器的末端即為b相電壓信號引出端、所述第三電阻器的末端即為c相電壓信號引出端。本發明所述的智能高精度動態無功補償控制系統中，所述電壓信號調理電路包括一個電感器、兩個運算放大器、三個電阻器、以及兩個電容器其中，第二電感器的首端與第一電容器並聯，該第一電容器的另一端接地；同時，所述第二電感器的首端即為a相電壓信號引出端；所述第二電感器的末端與第二電容器並聯，該第二電容器的另一端接地，同時，所述第二電感器的末端還與第七電阻器串聯，所述第七電阻器的末端接入第一運算放大器的同相輸入端，該第一運算放大器的輸出端即為電壓信號調理電路的輸出端，此輸出端接入主控制單元；所述第一運算放大器的同相輸入端還與第二運算放大器的反相輸入端連接，該第二運算放大器的同相輸入端通過第八電阻器接地，在所述第二運算放大器的同相輸入端與輸出端之間還並聯有第九電阻器，所述第二運算放大器的輸出端接入主控制單元的外部中斷管腳。本發明所述的智能高精度動態無功補償控制系統中，所述電流信號調理電路包括電流轉換單元、兩個電感器、四個電容器、一個電阻器和一個運算放大器；其中，所述電流轉換單元的第一接線端子經過第四電感器而連接第三運算放大器的同相輸入端，該電流轉換單元的第二接線端子經過第三電感器而連接第三運算放大器的反相輸入端；所述第三電流互感器的前端連接有第三電容器，所述第三電感器的後端連接有第五電容器；所述第四電感器的前端連接有第四電容器，所述第四電感器的後端連接有第六電容器；且所述第三電容器、第四電容器、第五電容器、第六電容器的末端均接地；在所述第三運算放大器的反相輸入端與其輸出端之間還串聯有第十電阻器。本發明所述的智能高精度動態無功補償控制系統中，通過對系統的三相電流信號和三相電壓信號的檢測，進而由主控制單元計算出所需投入的無功補償量，同時，還可計算出當前的功率因數；就此，依據無功補償量及功率因數決定以何種方式投入補償電容器組。其測量精度高、補償快速而準確。
圖1為本發明所述智能高精度動態無功補償控制系統的結構示意圖；圖2為本發明所述智能高精度動態無功補償控制系統中前端檢測電路的結構示意圖；圖3為本發明所述智能高精度動態無功補償控制系統中電壓信號調理電路的結構示意圖；圖4為本發明所述智能高精度動態無功補償控制系統中電流信號調理電路的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。如圖1所示，本發明所述的智能高精度動態無功補償控制系統，包括多個電容器
組及對應的電容器組投切開關迴路，即圖1中的1#電容器組、2##電容器組........N#電
容器組，以及控制這些電容器組投切動作的1#投切開關迴路、2#投切開關迴路、……N#投切開關迴路。還包括三相電流電壓信號檢測單元、主控制單元、以及設置於各電容器組投切開關迴路的子控制單元(即對應於1#投切開關迴路的1#子控制單元、對應於2#投切開關迴路的2#子控制單元、……對應於N#投切開關迴路的N#子控制單元)。其中，所述三相電流電壓信號檢測單元用於檢測三相電流信號及三相電壓信號，並將檢測結果傳輸至主控制單元。具體而言，所述三相電流電壓信號檢測單元包括用於提取三相電壓信號的前端檢測電路、用於對單相電壓信號進行轉換並輸出至主控制單元的電壓信號調理電路、以及用於單相電流信號進行轉換並輸送至主控制單元的電流信號調理電路。如圖2所示，所述前端檢測電路包括六個電阻器和一個電感器。其中，所述第一電阻器Rl與第四電阻器R4串聯、第二電阻器R2與第五電阻器R5串聯、第三電阻器R3與第六電阻器R6串聯；所述第一電阻器Rl的首端I接三相電源的a相、所述第二電阻R2的首端2接三相電源的b相、所述第三電阻R3的首端3接三相電源的c相；所述第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6的末端連接在一起，並與第一電感器LI的首端串聯,該第一電感器LI的末端為公共端4。所述第一電阻器Rl的末端即為a相電壓信號引出端5、所述第二電阻器R2的末端即為b相電壓信號引出端6、所述第三電阻器R3的末端即為c相電壓信號引出端7。當市電電壓為220V左右時，提取後的信號大約在1. 12V左右，峰值為1. 58V左右，提取的信號在運算放大器輸入範圍內，可以進行下一步的信號調理。如圖3所示，所述電壓信號調理電路包括如下(以三相中的a相為例進行說明)第二電感器L2的首端與第一電容器Cl並聯，該第一電容器Cl的另一端接地，同時，所述第二電感器L2的首端即為前述a相電壓信號引出端5 ;所述第二電感器L2的末端與第二電容器C2並聯，該第二電容器C2的另一端接地，同時，所述第二電感器L2的末端還與第七電阻器R7串聯，所述第七電阻器R7的末端接入第一運算放大器LMV3241_1的同相輸入端,該第一運算放大器LMV3241_1的輸出端即為電壓信號調理電路的輸出端21,此輸出端21可接入主控制單元。如圖3所示，所述第一運算放大器LMV3241_1的同相輸入端還與第二運算放大器LMV3241_2的反相輸入端連接，該第二運算放大器LMV3241_2的同相輸入端通過第八電阻器R8接地，在所述第二運算放大器LMV3241_2的同相輸入端與輸出端之間還並聯有第九電阻器R9，所述第二運算放大器LMV3241_2的輸出端31接入主控制單元的外部中斷管腳。圖3所示是三相電中的a相電，另外兩相電b、c並沒有輸出端31，也就是只有圖3所示的上半部分，這樣可以大幅度的簡化電路。輸出端21接主控制單元的AD管腳，主要是對電壓信號進行採集。輸出端31接主控制單元的外部中斷管腳，主要是檢測電壓過零點。當三相同時補償時只需要檢測一路的相差即可，因為本發明面向的是三相對稱電路。對於不對稱電路可以採用本發明提供的三相分補方案。所述第一電容器Cl、第二電感器L2和第二電容器C2所在的虛線框41組成了無源低通濾波電路，5是前述前端檢測電路採樣回來的信號，信號5經過低通濾波電路後濾去高頻成分，剩下低頻信號，主要是工頻信號(50Hz)。在經過第七電阻器R7進入第一運算放大器LMV3241_1的同相輸入端。第一運算放大器LMV3241_1組成了電壓跟隨器，使得輸出信號21可以跟著信號5同步變化，但是經過電壓跟隨器之後輸出帶負載能力顯著提高。第二運算放大器LMV3241_2、第八電阻器R8、第九電阻器R9所在的虛線框51組成了過零比較電路。本發明中加上第九電阻器R9是為了消除電壓在過零點時的震蕩。本發明中第一運算放大器LMV3241_1輸出的信號21 —路送入主控制單元的AD採樣，另一路經過上述零比較器，使得信號轉化成高低電平，即在電壓有負半軸到正半軸過渡時，產生負電平，反之產生正電平，這樣就可以得到一同步信號。所述電流信號調理電路包括電流轉換單元，該電流轉換單元可採用電流互感器而實現電流的轉換，以獲取適於測量的微小電流值。如圖4所示，以精密電流測量元件Jl接入電流互感器轉換後的電流信號，該電流測量元件Jl的第一接線端子I經過第四電感器L4而連接第三運算放大器LMV3241_3的同相輸入端，該電流測量元件Jl的第二接線端子2經過第三電感器L3而連接第三運算放大器LMV3241_3的反相輸入端。所述第三電流互感器L3的前端連接有第三電容器C3，所述第三電感器L3的後端連接有第五電容器C5 ;所述第四電感器L4的前端連接有第四電容器C4，所述第四電感器L4的後端連接有第六電容器C6 ;且所述第三電容器C3、第四電容器C4、第五電容器C5、第六電容器C6的末端均接地。在所述第三運算放大器LMV3241_3的反相輸入端與輸出端11之間還串聯有第十電阻器R10。如圖4所示，電流信號經過虛線框22內的C3、C4、C5、C6和L3、L4所組成的低通濾波電路，保證從輸出端11出來的信號就是需要的信號。第三運算放大器LMV3241_3在這裡和第十電阻器RlO組成電流電壓轉換電路。即將電流測量元件Jl產生的電流信號轉換為電壓信號。本發明採用的主控制單元可為高性能、低功耗單片機，該單片機具有A/D轉換功能。本發明可以根據電網的頻率自適應的改變兩個採樣點之間的距離。首先是電網頻率的測定。當圖3所示的輸出端21出現高電平時，表明電壓正在正向過零點，則單片機開始定時，隨著時間的推進，電壓會反向過零點，所以圖2所示的輸出端21會出現一個低電平。當圖2所示的輸出端21再次出現一個高電平時，停止計時，這時定時器的計時就是電網的頻率的倒數。這樣在下一次測量功率因數時，就可以用本次計算出的頻率。對於電壓和電流的測量都開始於圖2所示的輸出端21出現高電平時，採樣周期由單片機的定時器控制，這樣可以精確採樣點之間的時間間隔。採樣時間間隔是上次計算的電網的周期除以設定的採樣點數。這樣就能保證在電網的頻率變化時，在一個周期內採樣的點數是相同的。由於採樣開始於電壓過零點，這時電流不一定過零點，但是採樣時採的一個周期內的，而電流的超前和滯後都不會超過90度。所以在採樣點肯定包含電壓和電流的最大值。如果負載時阻性則電壓和電流的最大值是同時的，否則可以確定電壓最大值和電流最大值之間的採樣點個數，由於採樣點之間的時間間隔是一定的，所以電流相對於電壓的相移就會求出。進而可以求出功率因數。所述主控制單元根據接收到的三相電流信號和三相電壓信號計算出所需投入的無功補償量，並依據內置程序向對應的子控制單元發出指令，由該對應的子控制單元接通相應的電容器組投切開關迴路。本發明中，在所述總控制單元中預置了計算程序，使得總控制單元能夠根據接收到的三相電流信號和三相電壓信號而計算出系統當前所需投入的無功補償量；進一步的，總控制單元還內置了根據所需投入的不同的無功補償量而選擇投入不同組合的電容器組的策略，使得主控制單元計算出所需投入的無功補償量後，即可根據該策略而選擇投入對應的電容器組。進一步的，為了監控各電容組的投切情況，還可在各電容器組投切開關迴路設置電流檢測迴路，該電流檢測迴路可通過電流互感器來實現。若主控制單元接收到電流檢測迴路檢測的電流信號，則說明此迴路的電容器組被投入；否則，表明了該迴路的電容器組未被投入。本發明所述的智能高精度動態無功補償控制系統還可設置各種工作狀態指示裝置，以對外顯示系統的工作狀態。一般而言，這些工作狀態指示裝置是連接於主控制單元的，藉助於主控制單元的指令輸出而顯示當前的工作狀態。本發明所述的智能高精度動態無功補償控制系統中，通過對系統的三相電流信號和三相電壓信號的檢測，進而由主控制單元計算出所需投入的無功補償量，同時，還可計算出當前的功率因數；就此，依據無功補償量及功率因數決定以何種方式投入補償電容器組。其測量精度高、補償快速而準確。儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。
權利要求
1.一種智能高精度動態無功補償控制系統，包括多個電容器組及對應的電容器組投切開關迴路，其特徵在於，還包括三相電流電壓信號檢測單元、主控制單元、以及設置於各電容器組投切開關迴路的子控制單元；其中，所述三相電流電壓信號檢測單元用於檢測三相電流信號及三相電壓信號，並將檢測結果傳輸至主控制單元；所述主控制單元根據接收到的三相電流信號和三相電壓信號計算出所需投入的無功補償量，並依據內置程序向對應的子控制單元發出指令，由該對應的子控制單元接通相應的電容器組投切開關迴路。
2.如權利要求1所述的智能高精度動態無功補償控制系統，其特徵在於，所述電容器組投切開關迴路設置有電流檢測迴路；若主控制單元接收到電流檢測迴路檢測的電流信號，則該電容器組被投入；否則，該電容器組未被投入。
3.如權利要求1或2所述的智能高精度動態無功補償控制系統，其特徵在於，所述三相電流電壓信號檢測單元包括用於提取三相電壓信號的前端檢測電路、用於對單相電壓信號進行轉換並輸出至主控制單元的電壓信號調理電路、以及用於單相電流信號進行轉換並輸送至主控制單元的電流信號調理電路。
4.如權利要求3所述的智能高精度動態無功補償控制系統，其特徵在於，所述前端檢測電路包括六個電阻器和一個電感器；其中，所述第一電阻器與第四電阻器串聯、第二電阻器與第五電阻器串聯、第三電阻器與第六電阻器串聯；所述第一電阻器的首端接三相電源的a相、所述第二電阻的首端接三相電源的b相、所述第三電阻的首端接三相電源的c相；所述第四電阻、第五電阻、第六電阻的末端連接在一起，並與第一電感器的首端串聯， 該第一電感器的末端為公共端；所述第一電阻器的末端即為a相電壓信號引出端、所述第二電阻器的末端即為b相電壓信號引出端、所述第三電阻器的末端即為c相電壓信號引出端。
5.如權利要求4所述的智能高精度動態無功補償控制系統，其特徵在於，所述電壓信號調理電路包括一個電感器、兩個運算放大器、三個電阻器、以及兩個電容器其中，第二電感器的首端與第一電容器並聯，該第一電容器的另一端接地；同時，所述第二電感器的首端即為a相電壓信號引出端；所述第二電感器的末端與第二電容器並聯， 該第二電容器的另一端接地，同時，所述第二電感器的末端還與第七電阻器串聯，所述第七電阻器的末端接入第一運算放大器的同相輸入端，該第一運算放大器的輸出端即為電壓信號調理電路的輸出端，此輸出端接入主控制單元；所述第一運算放大器的同相輸入端還與第二運算放大器的反相輸入端連接，該第二運算放大器的同相輸入端通過第八電阻器接地，在所述第二運算放大器的同相輸入端與輸出端之間還並聯有第九電阻器，所述第二運算放大器的輸出端接入主控制單元的外部中斷管腳。
6.如權利要求5所述的智能高精度動態無功補償控制系統，其特徵在於，所述電流信號調理電路包括電流轉換單元、兩個電感器、四個電容器、一個電阻器和一個運算放大器；其中，所述電流轉換單元的第一接線端子經過第四電感器而連接第三運算放大器的同相輸入端，該電流轉換單元的第二接線端子經過第三電感器而連接第三運算放大器的反相輸入端； 所述第三電流互感器的前端連接有第三電容器，所述第三電感器的後端連接有第五電容器；所述第四電感器的前端連接有第四電容器，所述第四電感器的後端連接有第六電容器；且 所述第三電容器、第四電容器、第五電容器、第六電容器的末端均接地； 在所述第三運算放大器的反相輸入端與其輸出端之間還串聯有第十電阻器。
全文摘要
本發明公開了一種智能高精度動態無功補償控制系統，包括多個電容器組及對應的電容器組投切開關迴路，還包括三相電流電壓信號檢測單元、主控制單元、以及設置於各電容器組投切開關迴路的子控制單元；其中，所述三相電流電壓信號檢測單元用於檢測三相電流信號及三相電壓信號，並將檢測結果傳輸至主控制單元；所述主控制單元根據接收到的三相電流信號和三相電壓信號計算出所需投入的無功補償量，並依據內置程序向對應的子控制單元發出指令，由該對應的子控制單元接通相應的電容器組投切開關迴路。本發明所述的智能高精度動態無功補償控制系統中，通過對所需投入的無功補償量的計算而投入對應的補償電容器組，其測量精度高、補償快速而準確。
文檔編號H02J3/18GK103023051SQ20121058069
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月27日 優先權日2012年12月27日
發明者林勇傳, 鄧毅 申請人:廣西騰峰科技有限公司