CN107204603A - 一种低压分布式光伏电源中的微型断路器重合闸控制器及控制方法 - Google Patents
一种低压分布式光伏电源中的微型断路器重合闸控制器及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种低压分布式光伏电源中的微型断路器重合闸控制器及控制方法。所述的控制器的组成包括开关电源电路、5V线性稳压电路、断路器开关位置检测电路、系统母线电压检测电路、电机驱动电路和微处理器；其中，5V线性稳压电路、断路器开关位置检测电路、系统母线电压检测电路、电机驱动电路分别和微处理器相连，开关电源电路、5V线性稳压电路、断路器开关位置检测电路依次相连；开关电源电路还和电机驱动电路直接相连。本发明省去人工合闸操作；电源电压不正常时，断路器处于分闸位置，此位置不支持手动合闸，确保了用户及电网检修人员的安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种低压分布式光伏电源中的微型断路器重合闸控制器及控制方法，属于光伏电源断路器技术领域。
背景技术
分布式电源接入配电系统后，可以有效得利用清洁能源，减少输配电设备建设的投入，从中国分布式电源总规模来看，分布式光伏项目规模最大。但分布式光伏电源在提高清洁能源利用率的同时，对电力系统和有关用户带来一系列问题，轻则造成电压闪动，重则可能使重要设备故障或局部电网动荡，甚至危及人身安全。在10kV电压电压等级并网发电的分布式电源，由于电压配电网网络结构相对清晰，设备管理比较到位，故容易控制。但220V/380V低压并网的分布式光伏电源，由于低压配电网自动化程度低，大量设备产权属于用户，设备量大，分布面广，且用户缺乏用电经验，其安全隐患突出，需要在技术装置上有所突破。
目前大多数低压分布式光伏电源专用断路器采用欠压脱扣器在电网电压降到某一值时，瞬动或经过一定的延时后断开电源。欠压脱扣器的电压线圈接于电源端，当线路电压达到欠压要求时由于电压线圈的吸力是与施加于线圈的电压平方成正比，电压降低后，欠压脱扣器的电磁吸力减小，当吸力小于弹簧反作用力时，铁芯吸不住衔铁，衔铁打开，最后脱扣器上的触头撞击低压断路器机构的牵引杆，使断路器分闸。由于传统的低压分布式光伏电源专用断路器完全依靠断路器内机械结构来检测电压变化进行动作，可靠性低，延时时间可调性低，并且在电压恢复正常时，断路器不能自动重合闸，降低了光伏发电效率，不能高效应用光能及现有设备。
如今中国分布式光伏项目规模大，急需一种分布式光伏专用断路器，该断路器具备在光伏分布式发电出现过压、欠压时自动断路并在电压正常时能自动重合闸，大大提高低压并网的光伏发电效率，并具有安全性能高，易于操作等优点。
发明内容
本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种低压分布式光伏电源中的微型断路器重合闸控制器及控制方法。该控制器通过开关电源电路、电机驱动电路、断路器开关位置检测电路及系统母线电压检测电路的设计，实现了当系统母线电压过压或欠压达到设定延时时间时，控制器控制断路器分闸，确保控制器不会因为瞬时的电压波动控制断路器分闸，最大限度支持光伏并网发电，使用户获得最佳效益；系统母线电压正常达到设定延时时间时，控制器控制断路器进行合闸，省去人工合闸操作；电源电压不正常时，断路器处于分闸位置，此位置不支持手动合闸，确保了用户及电网检修人员的安全。
本发明的技术方案为：
一种低压分布式光伏电源中的微型断路器重合闸控制器，所述的控制器系统的组成包括开关电源电路、5V线性稳压电路、断路器开关位置检测电路、系统母线电压检测电路、电机驱动电路和微处理器；其中，5V线性稳压电路、断路器开关位置检测电路、系统母线电压检测电路、电机驱动电路分别和微处理器相连，开关电源电路、5V线性稳压电路、断路器开关位置检测电路依次相连；开关电源电路还和电机驱动电路直接相连。
所述的开关电源电路的组成及其连接包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4构成整流桥；火线L通过保险丝FUSE串接到整流桥第一引脚，零线N连接到整流桥第二引脚；零线N还通过压敏电阻RV1与整流桥第一引脚相连；第一电容C1并联在电流桥的第三、第四引脚上；整流桥的第四引脚接地；整流桥的第三引脚还和第五二极管D5的阳极相连，第五二极管D5的阴极与第六二极管D6的阴极相连；第六二极管D6的阳极与开关电源芯片U1的D引脚相连；整流桥的第三引脚还与变压器L1的第一引脚相连，变压器L1的第二引脚与开关电源芯片U1的D引脚相连，变压器L1的第四引脚接地，变压器L1的第三引脚分别与第一电阻R1、第七二极管D7的阳极相连，第一电阻R1的另一端和第三电容C3相连，第三电容C3的另一端和第七二极管D7的阴极相连，作为7V电压输出端；开关电源芯片U1的EN引脚与光电耦合器U2的第一引脚相连，光电耦合器U2的第二引脚接地，光电耦合器U2的第四引脚与7V电压输出端相连，光电耦合器U2的第三引脚接地；开关电源芯片U1的BP引脚串联第二电容C2后接地，开关电源芯片U1的S引脚接地；7V电压输出端还串联第四电容C4后接地；
所述的微处理器为单片机，具体是型号为STC15W404AS。
所述的低压分布式光伏电源中的微型断路器重合闸控制器的控制方法，包括以下步骤：
1)先对微处理器进行初始化，在微处理器中设定过压、欠压延时分闸时间，延时时间设定为1.8s；在微处理器中设定设定电压正常重合闸延时时间，延时时间设定为3.6s；此处过压、欠压分闸延时的目的为防止光伏发电时，防止光照或设备变化导致瞬时的电压不正常致使断路器分闸，只有当电压不正常达到设定分闸延时时间时断路器才会分闸；同理，当电压恢复正常达到合闸延时时间时断路器进行合闸，提高发电效率，保护设备安全。
2)微处理器判断：系统母线电信号通过系统母线电压检测电路处理后输入到微处理器，微处理器判断系统母线是否过/欠压；
如果过/欠压：微处理器判断过/欠压是否达到1.8s；如果未达到1.8s则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机不动作；如果达到1.8s，微处理器通过断路器开关位置检测电路判断断路器是否处于合闸位置：如果未处于合闸位置则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机不动作；如果处于合闸位置则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机动作，对断路器进行分闸；
如果没有过欠压：微处理器判断电压正常是否达到3.6s；如果未达到3.6s则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机不动作；如果达到3.6s，微处理器通过断路器开关位置检测电路判断断路器是否处于合闸位置：如果处于合闸位置则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机不动作；如果未处于合闸位置则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机动作，对断路器进行合闸；
3)上述判断完成后，微处理器继续判断系统母线是否过/欠压，循环步骤1)2)，实现控制器对断路器的控制。
与现有技术相比，本发明具有以下优点:
自动化：本发明代替传统低压分布式光伏电源断路器，采用基于微处理器的控制器来控制断路器。能够在分布式光伏发电的系统母线电压过压或者欠压达到规定时间时控制断路器进行分闸；当电压正常达到规定时间时控制断路器合闸。具有自动化能力，当光伏电源并网点在偏远、交通不发达等地区时，省去人工合闸操作，节省人力物力。
高可靠性：本发明代替传统低压分布式光伏电源断路器，不再依靠机械部分检测电压变化来进行动作，基于微处理器的控制器能够精准检测电压变化，能在过欠压达到规定时间时控制断路器进行分闸；在电压正常达到规定时间时控制断路器进行合闸。且延时时间能够通过软件部分进行修改，具有较高的可靠性，有效保护电器设备及人身安全。
附图说明
图1为控制器系统框图，其中，1-开关电源电路；2-5V稳压电路；3-断路器开关位置检测电路；4-系统母线电压检测电路；5-电机驱动电路；6-微处理器。
图2为开关电源电路图。
图3为5V线性稳压电路图。
图4为电机驱动电路图。
图5为断路器开关位置检测电路中霍尔传感器的电路图。
图6为系统母线电压检测电路。
图7为微处理器电路图。
图8为本发明的整体运行程序的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的控制器系的组成包括开关电源电路1、5V线性稳压电路2、断路器开关位置检测电路3、系统母线电压检测电路4、电机驱动电路5和微处理器6；其中，5V线性稳压电路2、断路器开关位置检测电路3、系统母线电压检测电路4、电机驱动电路5分别和微处理器6相连，开关电源电路1、5V线性稳压电路2、断路器开关位置检测电路3依次相连；开关电源电路1还和电机驱动电路5直接相连；系统母线与开关电源电路1和系统母线电压检测电路4相连。
各电路的作用具体为：图1为控制器系统框图。开关电源电路1将系统母线电信号经过处理后输出7V稳定直流电，为5V线性稳压电路2和电机驱动电路5供电；5V线性稳压电路2将7V稳定直流电经过处理后输出5V稳定直流电，为断路器开关位置检测电路3和微处理器6供电；断路器开关位置检测电路3输出信号到微处理器6，进行断路器开关位置检测；系统母线电压检测电路4将系统母线电压信号处理后输入到微处理器6，进行系统母线电压信号检测；微处理器6结合系统母线电压信号、断路器开关位置信号向电机驱动电路5，电机驱动电路5输出逻辑电平信号，控制电机转动，进而控制断路器动作。
如图2，开关电源电路1的组成包括：L、N分别为火线和零线；第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)构成整流桥(其中，第一二极管(D1)、与第三二极管(D3)连接处为第一引脚，第二二极管(D2)与第四二极管(D4)连接处为第二引脚；第一二极管(D1)与第二二极管(D2)的连接处为第三引脚，第三二极管(D3)与第四二极管(D4)的联俄基础为第四引脚-)；火线L通过保险丝(FUSE)串接到整流桥第一引脚，零线N连接到整流桥第二引脚；零线N还通过压敏电阻RV1与整流桥第一引脚相连；电容C1并联在电流桥的第三、第四引脚上；整流桥的第四引脚接地；整流桥的第三引脚还和第五二极管(D5)的阳极相连，第五二极管(D5)的阴极与第六二极管(D6)的阴极相连；第六二极管(D6)的阳极与开关电源芯片(U1)的D引脚相连；整流桥的第三引脚还与变压器(L1)的第一引脚相连，变压器(L1)的第二引脚与开关电源芯片(U1)的D引脚相连，变压器(L1)的第四引脚接地，变压器(L1)的第三引脚分别与第一电阻(R1)、第七二极管(D7)的阳极相连，第一电阻(R1)的另一端和第三电容(C3)相连，第三电容(C3)的另一端和第七二极管(D7)的阴极相连，作为7V电压输出端，与5V线性稳压电路2相连；开关电源芯片(U1)的EN引脚与光电耦合器(U2)的第一引脚相连，光电耦合器(U2)的第二引脚接地，光电耦合器(U2)的第四引脚与7V电压输出端相连，光电耦合器(U2)的第三引脚接地；开关电源芯片(U1)的BP引脚串联第二电容(C2)后接地，开关电源芯片(U1)的S引脚接地；7V电压输出端还串联第四电容(C4)后接地；系统电能经过前段保护电路(FUSE、RV1)和整流桥(D1-D4)整流变为直流电，再经过变压器(L1)降压，变压器(L1)的输出电信号经过整流滤波电路(R1、C3、D7)及光电耦合器(U2)反馈给电源开关芯片(U1)，进而对变压器(L1)进行开关控制，开关电源电路输出端得到稳定的7V低压直流电。
如图3,5V线性稳压电路2由线性稳压芯片(U3)及周边元器件(C5、C6、C7)组成，第五电容(C5)一端连接线性稳压芯片(U3)的OUT引脚，一端接地；第六电容(C6)一端连接线性稳压芯片(C6)的EN引脚，一端接地。第七电容(C7)一端连接线性稳压芯片(U3)的BYP引脚，一端接地；
如图4，电机驱动电路5由电机驱动芯片(U4)，稳压管(TVS)，电机(M)及周边元器件(R2、R3)构成。第二电阻(R2)一端与电机驱动芯片(U4)的FIN引脚连接，一端连接微处理器(U6)；第三电阻(R3)一端与机驱动芯片(U4)的RIN引脚连接，一端与微处理器(U6)连接；稳压二极管(TVS)与电机(M)并接，一端与电机驱动芯片(U4)的OUT1引脚连接，一端与电机驱动芯片(U4)的OUT2引脚连接。电机驱动芯片由7V供电，FIN为高电平、RIN为低电平时，电机正转；FIN为低电平、RIN为高电平时，电机反转；管脚都为低时，电机不转动。
如图5，断路器开关位置检测电路3为公知电路，由三只霍尔传感器(U5)及周边电路组成。每个霍尔传感器元器件及其周边电路(R4、C8、C9)的组成如图5所示：第八电容(C8)一端与霍尔传感器(U5)的OUT引脚及第四电阻(R4)的一端连接，一端接地；第九电容(C9)一端与霍尔传感器(U5)的VCC引脚及第四电阻的一端连接；输出端“OUT_5V”与微处理器相连。断路器机械部分的齿轮带有霍尔传感器能感应的磁铁，断路器三种状态时磁铁对应合闸位置，分闸位置，自由位置(自由位置为支持手动合闸和分闸的位置，但是不会控制断路器自动重合闸)。
如图6，系统母线电压检测电路4包括第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)第八电阻(R8)及第十电容(C10)。电源电压火线依次连接第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)，第八电阻(R8)一端接地，所述的微处理器(U6)的AD采集引脚连接到第七电阻(R7)和第八电阻(R8)之间。第十电容(C10)一端接第七电阻(R7)和第八电阻(R8)中间，一端接地，起滤波作用。
如图7，微处理器(U6)与各个模块连接图，P1.0、P1.1、P1.2引脚与三只霍尔传感器输出连接；P1.3引脚与系统母线电压检测电路4的V_test连接；VCC引脚与5V线性稳压电路2的OUT_5V连接；GND引脚与第十一电容(C11)及地连接；P1.6与电机驱动电路5的MOTOR_FIN连接；P1.7与电机驱动电路5的MOTOR_RIN连接；第十一电容(C11)一端与微处理器(U6)的VCC引脚连接，一端接地。
所述的微处理器为单片机，具体是型号为STC15W404AS。
如图8，结合控制器的整体运行程序的流程图来说明控制器如何实现断路器控制。
1)先对微处理器进行初始化，在微处理器中设定过压、欠压延时分闸时间，延时时间设定为1.8s；在微处理器中设定设定电压正常重合闸延时时间，延时时间设定为3.6s；此处过压、欠压分闸延时的目的为防止光伏发电时，防止光照或设备变化导致瞬时的电压不正常致使断路器分闸，只有当电压不正常达到设定分闸延时时间时断路器才会分闸；同理，当电压恢复正常达到合闸延时时间时断路器进行合闸，提高发电效率，保护设备安全。
2)微处理器判断：系统母线电信号通过系统母线电压检测电路处理后输入到微处理器，微处理器判断系统母线是否过/欠压？
如果过/欠压：微处理器判断过/欠压是否达到1.8s？如果未达到1.8s则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机不动作；如果达到1.8s，微处理器通过断路器开关位置检测电路判断断路器是否处于合闸位置：如果未处于合闸位置则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机不动作；如果处于合闸位置则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机动作，对断路器进行分闸。
如果没有过欠压：微处理器判断电压正常是否达到3.6s？如果未达到3.6s则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机不动作；如果达到3.6s，微处理器通过断路器开关位置检测电路判断断路器是否处于合闸位置：如果处于合闸位置则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机不动作；如果未处于合闸位置则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机动作，对断路器进行合闸。
3)上述判断完成后，微处理器继续判断系统母线是否过/欠压，循环步骤1)2)，实现控制器对断路器的控制。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (3)
1.一种低压分布式光伏电源中的微型断路器重合闸控制器，其特征为所述的的控制器系统的组成包括开关电源电路、5V线性稳压电路、断路器开关位置检测电路、系统母线电压检测电路、电机驱动电路和微处理器；其中，5V线性稳压电路、断路器开关位置检测电路、系统母线电压检测电路、电机驱动电路分别和微处理器相连，开关电源电路、5V线性稳压电路、断路器开关位置检测电路依次相连；开关电源电路还和电机驱动电路直接相连。
2.如权利要求1所述的低压分布式光伏电源中的微型断路器重合闸控制器，其特征为所述的开关电源电路的组成包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4构成整流桥；火线L通过保险丝FUSE串接到整流桥第一引脚，零线N连接到整流桥第二引脚；零线N还通过压敏电阻RV1与整流桥第一引脚相连；第一电容C1并联在电流桥的第三、第四引脚上；整流桥的第四引脚接地；整流桥的第三引脚还和第五二极管D5的阳极相连，第五二极管D5的阴极与第六二极管D6的阴极相连；第六二极管D6的阳极与开关电源芯片U1的D引脚相连；整流桥的第三引脚还与变压器L1的第一引脚相连，变压器L1的第二引脚与开关电源芯片U1的D引脚相连，变压器L1的第四引脚接地，变压器L1的第三引脚分别与第一电阻R1、第七二极管D7的阳极相连，第一电阻R1的另一端和第三电容C3相连，第三电容C3的另一端和第七二极管D7的阴极相连，作为7V电压输出端；开关电源芯片U1的EN引脚与光电耦合器U2的第一引脚相连，光电耦合器U2的第二引脚接地，光电耦合器U2的第四引脚与7V电压输出端相连，光电耦合器U2的第三引脚接地；开关电源芯片U1的BP引脚串联第二电容C2后接地，开关电源芯片U1的S引脚接地；7V电压输出端还串联第四电容C4后接地。
3.如权利要求1所述的低压分布式光伏电源中的微型断路器重合闸控制器的控制方法，其特征为包括以下步骤：
1)先对微处理器进行初始化，在微处理器中设定过压、欠压延时分闸时间，延时时间设定为1.8s；在微处理器中设定电压正常重合闸延时时间，延时时间设定为3.6s；此处过压、欠压分闸延时的目的为防止光伏发电时，防止光照或设备变化导致瞬时的电压不正常致使断路器分闸，只有当电压不正常达到设定分闸延时时间时断路器才会分闸；同理，当电压恢复正常达到合闸延时时间时断路器进行合闸，提高发电效率，保护设备安全。
2)微处理器判断：系统母线电信号通过系统母线电压检测电路处理后输入到微处理器，微处理器判断系统母线是否过/欠压；
如果过/欠压：微处理器判断过/欠压是否达到1.8s；如果未达到1.8s则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机不动作；如果达到1.8s，微处理器通过断路器开关位置检测电路判断断路器是否处于合闸位置：如果未处于合闸位置则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机不动作；如果处于合闸位置则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机动作，对断路器进行分闸；
如果没有过欠压：微处理器判断电压正常是否达到3.6s；如果未达到3.6s则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机不动作；如果达到3.6s，微处理器通过断路器开关位置检测电路判断断路器是否处于合闸位置：如果处于合闸位置则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机不动作；如果未处于合闸位置则微处理器向电机驱动电路输出相应信号，控制电机动作，对断路器进行合闸；
3)上述判断完成后，微处理器继续判断系统母线是否过/欠压，循环步骤1)2)，实现控制器对断路器的控制。
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