CN103647289A - 容量连续可调的电力电容器控制方法及装置 - Google Patents

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陈津
文刚
栾庆宏
刘海龙
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Abstract

本发明涉及一种容量连续可调的电力电容器控制方法及装置。通过处理装置收集母线的过零、电流、电压信号,然后输出PWM脉冲信号控制电容器的接通与断开,通过改变PWM脉冲波形的占空比来控制电容器输出不同的容量。本发明提出的容量连续可调的电力电容器控制技术有效实现并联电容器容量连续调节,可减少现有无功补偿设备中的电力电容器分组及分级数,减小设备体积,优化补偿效果。

Description

容量连续可调的电力电容器控制方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种容量连续可调的电力电容器控制方法及装置。
背景技术
[0002]目前常用的电力电容器无功补偿控制技术有:
[0003] 1、机械投切电容器(MSC)
[0004] 采用机械断路器、接触器作为投切开关。合闸时电容器的初始电压为零,触点闭合瞬间,绝大多数情况下母线电压不为零,有时可能处在高峰值,因而产生非常大的电流,也就是合闸涌流,实验表明合闸涌流严重时可达电容器额定电流的50倍,这不仅影响电容器和接触器的使用寿命,而且对电网造成冲击,后来采用串接限流电抗器和加入限流电阻来抑制涌流,但只可以控制涌流在额定电流的20倍以内;分闸时容易产生拉弧现象。投切动作无法在短时间内完成,会造成短时的电压不稳定,影响其他设备的正常工作。因此,,但从长期运行情况来看,其故障率仍然非常高,维修费用较高。
[0005] 优点:价格低,初期投入成本少,无漏电流。
[0006] 缺点:涌流大,寿命短,故障多,维修费用高。
[0007] 2、晶闸管投切电容器(TSC)
[0008] 晶闸管投切电容器是利用了电子开关反应速度快的特点。采用过零触发电路,检测当施加到晶闸管两端的电压为零时,发出触发信号,晶闸管导通,此时电容器电压与母线电压相等,因此不会产生合闸涌流,解决了机械开关合闸涌流的问题。但是,晶闸管导通运行期间会产生IV左右的压降,从而消耗一部分功率,产生热量,使机柜内温度升高。同时,晶闸管有漏电流存在,即使晶闸管未导通,其输出端也是高电压。而且由于晶闸管的工作特性,会产生较大谐波。
[0009] 优点:体积小,重量轻,无涌流,无触点,使用寿命长,维修少,投切速度快。
[0010] 缺点:价格闻,发热严重,有功率损耗,有漏电流。
[0011] 3、复合开关投切电容器(TSC+MSC)
[0012] 复合开关投切电容器原理是先由晶闸管在母线电压过零时投入电容器,然后再闭合并联在晶闸管上的磁保持继电器的触点,晶闸管退出运行,由磁保持继电器接通电容器运行,实现了投入无涌流,运行无功耗不发热的目的。磁保持继电器本身受机械寿命限制,且容易被卡住不动作,而晶闸管易被击穿,因此工作不够稳定。
[0013] 优点:无涌流,功耗低。
[0014] 缺点:价格闻,寿命短,易故障。
[0015] 以上三种电力电容器无功补偿控制方式都属于离散式调节方式,调节电容有级差。例如,控制设备控制的电容器容量为lOKVar,当母线无功需求为5KVar时,若投入该组电容器,则母线无功过补5KVar,如不投入,则母线无功欠补5KVar。
[0016] 因此母线上无功功率经常处于过补或欠补状态,不能取得理想的控制效果。而且对电容器的频繁投切导致的投切振荡及合闸涌流会对供电设备造成严重损害,在频繁投切的过程中广生的功率损耗在电力系统损耗中占一定比重。。
发明内容
[0017] 根据以上现有技术中的不足,本发明要解决的技术问题是:提供一种可以克服上述缺陷的容量连续可调的电力电容器控制技术,即在电容器的额定容量范围内,控制电容器输出任意容量的无功值,将固定容量的电力电容器变为一个可变电容器。当母线上无功发生变化时,控制电容器输出一个合适的无功功率值,取得理想的无功补偿效果。
[0018] 本发明所提供的容量连续可调的电力电容器控制方法,其特征是,通过处理装置收集母线的过零、电流、电压信号,然后输出PWM脉冲信号控制电容器的接通与断开,通过改变PWM脉冲波形的占空比来控制电容器输出不同的容量。
[0019] 所述的PWM脉冲信号冲量相等而形状不同。
[0020] 所述的PWM脉冲信号的频率为20KHZ。
[0021] 实现上述方法的装置,包括处理装置,处理装置连接三相过零监测模块和三相母线电流、电压检测模块,处理装置通过三相功率控制模块连接电容器组。
[0022] 所述的三相功率控制模块包括两个并联连接的开关模块,所述的开关模块包括IGBT开关和与IGBT开关相连接的整流桥,整流桥的输出端连接电容;处理装置输出的两路冲量相同而形状不同的PWM脉冲信号分别与两个开关模块的IGBT开关连接。
[0023] 处理装置还外接通信模块和显示模块。
[0024] 用PWM脉冲信号控制电容器的接通与断开,通过改变PWM脉冲波形的占空比来控制电容器输出不同的容量。
[0025] PWM控制原理是冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析,则其低频段非常接近,仅在高频段略有差异。这个原理称为面积等效原理,是PWM控制技术的重要理论基础。本发明所述的容量连续可调就是基于这一基本原理而实现的。
[0026] 处理装置输出的PWM脉冲信号,用来控制开关模块的接通与断开来实现投入和切除电容器。
[0027] 由于IGBT开关的反向耐压值较低,为了减小反向耐压,降低系统成本,本发明巧妙的运用了一个整流桥,将交流变为直流半波后再由IGBT来控制,这样既可以解决IGBT反向耐压问题,又可以将IGBT及其驱动、保护电路由双向变为单向,进行精简。
[0028] 处理装置取得母线的电流、电压模拟量信号后,进行数据处理计算,取得母线上各项电参量,包括有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值、电流有效值、谐波电流、电容器运行温度,得到控制电容器投切的各项决策依据和保护决策依据,通过投切决策判断是否需要投切电容器以及投切的电容器容量数值,并随时及时处理各项保护事件;
[0029] 投切策略判断需要电容器发生动作时,配合检测的过零信号,在母线电压过零时,由处理装置输出控制信号,驱动三相功率控制模块,控制受控的电容器组动作,向母线发出指定的无功功率,实现无功补偿;
[0030] 在运行过程中,若有母线电压过欠压、电容器电流过流、谐波超限、温度越限各项保护事件发生时,处理装置立刻发出命令,将电容器组从母线切除。[0031] 本发明所具有的有益效果是:现有的无功补偿控制技术采用固定容量电容器组、电抗器组,通过对电力母线系统无功功率的采样,控制电容器(电抗器)组的投切,实现无功功率分级调节,提高功率因数,稳定系统电压;由于电容器及电抗器容量都为固定值,故其不能实现无功功率的无隙连续调节、调节方式是离散的,使得供电母线绝大多数时间处于欠补或过补状态,过压或欠压状态,不能取得理想补偿效果。
[0032] 本发明提出的容量连续可调的电力电容器控制技术有效实现并联电容器容量连续调节,可减少现有无功补偿设备中的电力电容器分组及分级数,减小设备体积,优化补偿效果。
[0033] 本发明由于采用20KHz的PWM开关频率,基本没有谐波产生,而且在一定程度上具有抑制母线谐波的功能,电容器容量调整范围接近0%-100%,相比现有技术具有体积小、成本低、智能化程度高、可靠性高的明显优势。
附图说明
[0034] 图1是本发明方框原理图;
[0035] 图2是本发明中二相功率控制模块电路原理图;
[0036] 图3是本发明中PWM脉冲信号波形图;
[0037] 图4是本发明本地运用联机运行示意图;
[0038] 图5是本发明区域组网示意图。
[0039] 图中:Ql、Q2开关模块
具体实施方式
[0040] 下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述:
[0041] 本发明所提供的方法是通过处理装置收集母线的过零、电流、电压信号,然后输出PWM脉冲信号控制电容器的接通与断开,通过改变PWM脉冲波形的占空比来控制电容器输出不同的容量。PWM脉冲信号冲量相等而形状不同。PWM脉冲信号的频率为20KHZ。
[0042] 如图1所示的实现上述方法的装置包括包括处理装置,处理装置连接三相过零监测模块和三相母线电流、电压检测模块,分别收集母线的过零信号、电压信号和电流信号。过零检测模块提供母线电压过零信号,实现控制投切电容器时的过零投切;三相母线电流、电压检测模块用于检测系统母线上的无功功率、功率因数等电参数,为电容器的投切提供决策依据。
[0043] 处理装置通过三相功率控制模块连接电容器组,控制电容器组中电容的投切。处理装置还外接通信模块和显示模块。显示模块用于显示人机交互界面;通信模块用于设备间互联以及设备与控制中心上位机的通信。
[0044] 如图2所示的三相功率控制模块包括两个并联连接的开关模块,开关模块包括IGBT开关和与IGBT开关相连接的整流桥,整流桥的输出端连接电容;处理装置输出的两路冲量相同而形状不同的PWM脉冲信号分别与两个开关模块的IGBT开关连接。
[0045] 用PWM脉冲信号控制电容器的接通与断开,通过改变PWM脉冲波形的占空比来控制电容器输出不同的容量。
[0046] PWM控制原理是冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析,则其低频段非常接近,仅在高频段略有差异。这个原理称为面积等效原理,是PWM控制技术的重要理论基础。本发明所述的容量连续可调就是基于这一基本原理而实现的。处理装置输出的PWM脉冲信号,用来控制开关模块的接通与断开来实现投入和切除电容器。
[0047] 由于IGBT开关的反向耐压值较低,为了减小反向耐压,降低系统成本,本发明巧妙的运用了一个整流桥,将交流变为直流半波后再由IGBT来控制,这样既可以解决IGBT反向耐压问题,又可以将IGBT及其驱动、保护电路由双向变为单向,进行精简。
[0048] 处理装置输出的PWM脉冲信号的脉冲波形是互补的,即开关模块Ql导通时开关模块Q2截止,Ql截止时Q2导通。
[0049] 图3所示的PWMl与PWM2脉冲波形的宽度分别为Λ tl和At2’并且Atl+At2=At。At是脉冲周期,为固定值。控制脉冲PWM的占空比K= Atl/At。通过改变占空比K就可以调节投入电容器容量的大小。
[0050] 根据PWM控制技术的面积等效原理,当At很小时,在Atl时间内投入的电容器Cl和在Λ t2时间内投入的电容器C2对电路的作用效果与At时间内投入的等效电容C对整个电路的作用效果相同。通过改变占空比K的大小(调节PWM脉冲宽度)即可调整投入电路等效电容的大小。
[0051] 在工作过程中,处理装置从三相母线电压电流检测模块取得模拟量信号,进行数据处理计算,取得母线上各项电参量,包括有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值、电流有效值、谐波电流、电容器运行温度等,得到控制电容器投切的各项决策依据和保护决策依据,通过投切决策判断是否需要投切电容器以及投切的电容器容量数值,并随时及时处理各项保护事件。
[0052] 投切策略判断需要电容器发生动作时,配合三相过零检测模块输出的三相过零信号,在母线电压过零时,由处理装置输出控制信号,驱动三相功率控制模块,控制受控的电容器组动作,向母线发出指定的无功功率,实现无功补偿。在运行过程中,若有母线电压过欠压、电容器电流过流、谐波超限、温度越限等各项保护事件发生时,处理装置立刻发出命令,将电容器组从母线切除,及时保护电网和装置不受损害。
[0053] 显示模块为系统运行提供人机交互功能,用于显示系统的各项运行参数,母线电参量、运行状态、控制接口等。
[0054] 通信模块为设备联机组网提供支持,通信方式提供RS485、CAN、GPRS等,其中RS485、CAN支持本地联机,即将本地多个补偿装置进行联机运行,提高补偿效果。GPRS支持网络组网,将不同区域内的补偿装置组成一个控制网络,由安装在控制中心的后台系统进行数据整合,控制各区域补偿设备动作,实现输电、配电大区域的综合无功补偿。
[0055] 1、本地联机运行方式
[0056] 本地联机运行示意图见图4所示。图中模块即为上述使用本发明所提出的技术的无功补偿装置。
[0057] 考虑到应用环境对补偿容量要求差别巨大,采用模块化设计,以30KVAR为一个补偿模块,各模块通过CAN通信总线互联,协调各模块的无功补偿输出,理论上可组成的总容量不受限制。[0058] 本发明的结构组成一个模块,每个模块具有独立的监测、控制电路,采用多主机自动切换方式运行,这样即使某一个模块故障,其他正常运行的模块会自动推选出一个新的主控模块,控制系统继续正常运行,自动将故障模块隔离出补偿网络,系统具有较高的自愈功能。
[0059] 2、区域组网方式
[0060] 区域组网示意图见图5所示。图中本地联机运行网络即为上述组网方式I所述网络。
[0061] 各个不同区域的本地联机运行网络利用GPRS通信方式,通过移动运营商的无线数据网络,连接到控制中心后台系统,将本地母线各项电参量实时传输给控制中心,由控制中心后台系统对数据进行综合分析整合,实现更大区域内的无功流向分析,再将调整结果返回到本地联机运行网络,实现无功补偿容量调整。
[0062] 通过区域组网方式,可实现城域输电、配电网络的整体无功补偿控制,均衡补偿。

Claims (7)

1.一种容量连续可调的电力电容器控制方法,其特征是,通过处理装置收集母线的过零、电流、电压信号,然后输出PWM脉冲信号控制电容器的接通与断开,通过改变PWM脉冲波形的占空比来控制电容器输出不同的容量。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征是,处理装置取得母线的电流、电压模拟量信号后,进行数据处理计算,取得母线上各项电参量,包括有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值、电流有效值、谐波电流、电容器运行温度,得到控制电容器投切的各项决策依据和保护决策依据,通过投切决策判断是否需要投切电容器以及投切的电容器容量数值,并随时及时处理各项保护事件; 投切策略判断需要电容器发生动作时,配合检测的过零信号,在母线电压过零时,由处理装置输出控制信号,驱动三相功率控制模块,控制受控的电容器组动作,向母线发出指定的无功功率,实现无功补偿; 在运行过程中,若有母线电压过欠压、电容器电流过流、谐波超限、温度越限各项保护事件发生时,处理装置立刻发出命令,将电容器组从母线切除。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征是,所述的PWM脉冲信号冲量相等而形状不同。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征是,所述的PWM脉冲信号的频率为20KHZ。
5.一种实现权I所述方法的装置,其特征是,包括处理装置,处理装置连接三相过零监测模块和三相母线电流、电压检测模块,处理装置通过三相功率控制模块连接电容器组。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征是,所述的三相功率控制模块包括两个并联连接的开关模块,所述的开关模块包括IGBT开关和与IGBT开关相连接的整流桥,整流桥的输出端连接电容;处理装置输出的两路冲量相同而形状不同的PWM脉冲信号分别与两个开关模块的IGBT开关连接。
7.根据权利要求5所述的装置,其特征是,处理装置还外接通信模块和显示模块。
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