CN109888795A - 一种实时提高电网末端功率因数的节电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种实时提高电网末端功率因数的节电装置，包括信号采集电路、信号调理电路、A/D转换电路、单片机、电抗变换器、功率转换器、中间继电器组和晶闸管脉冲触发板和电容器组，所述A/D转换电路和单片机之间设有FPGA系统，所述FPGA系统将A/D转换电路输出的数据进行快速傅立叶变换，取得最优无功补偿结果；所述信号采集电路包括电压互感器和电流互感器，通过电网末端的并联支路采集电网末端的输入电压和电流，并将电网末端输入的电压和电流分别通过电压互感器和电流互感器将输入的电压和电流中无功功率所需要的电压和电流进行分离。

Description

一种实时提高电网末端功率因数的节电装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种实时提高电网末端功率因数的节电装置。
背景技术
近年来,随着我国社会主义市场经济的飞速发展,我国工业也得到了空前的发展,这就带动了电网系统的发展。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。
由于电网末端连接着大量的电感性负载，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率，从而降低了电网的功率因数。现有的提高功率因数的方法是安装静止无功补偿设备，这种无功补偿设备通过提供补偿电感性负载消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率，进而提高了电网末端的功率因数。静止无功补偿装置的静止开关主要包括断路器和电力电子开关。由于断路器作为静止开关，不能对动态的无功功率做出实时的补偿，并且在投切电容器过程当中可能会产生较大的冲击涌流和过电压，最终会出现电容器被击穿的结果。
发明内容
本发明的主要目的在于针对上述问题提供一种实时提高电网末端功率因数的节电装置的方案。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种实时提高电网末端功率因数的节电装置，包括信号采集电路、信号调理电路、A/D转换电路、单片机、电抗变换器、功率转换器、中间继电器组和晶闸管脉冲触发板和电容器组，所述A/D转换电路和单片机之间设有FPGA系统，所述FPGA系统将A/D转换电路输出的数据进行快速傅立叶变换，取得最优无功补偿结果；所述信号采集电路包括电压互感器和电流互感器，通过电网末端的并联支路采集电网末端的输入电压和电流，并将电网末端输入的电压和电流分别通过电压互感器和电流互感器将输入的电压和电流中无功功率所需要的电压和电流进行分离。
优选地，所述FPGA系统运算步骤如下：
将一个长度为N的有限长序列进行离散傅里叶变换，现有长度为N的x(n)序列，且满足N＝2M，其中M是自然数，把x(n)按照n的奇偶分成两个N/2点x1(r)和x2(r)的子序列之和，两个子序列分别表示如下:
所以，序列x(n)的离散傅立叶变换为：
其中，0≤r≤N/2-1,0≤k≤N-1
对互感到的电压信号和电流信号进行N点的等间隔采样，可以得到一个电压序列{u(m)}和电流序列{i(m)}，可以将二者组合成一个复数离散时间序列，其表达式如下所示:
x(m)＝u(m)+ji(m)
上述复数序列x(m)经过变换后为：
对上述的μ(m)和i(m)进行离散傅立叶变换运算，根绝复数共轭性质可以得到电压和电流的频谱为：
其中U(T)是实时的电压，I(T)是实时的电流，通过以上离散傅立叶变换算法的计算，可以得到实时的电压、实时的电流和实时的无功功率的电参数，FPGA系统根据计算出来的实时无功和电压来判断后经过单片机对电容器进行投切处理，以达到动态无功平衡的目的。
优选地，所述信号调理电路包括信号转换模块、交直流变换模块、低通滤波模块和信号放大模块；由于电信号只能以电压的方式传递，所以上述信号采集电路分离到的输入电流需要经过信号转换变为可接受的电压信号；转换后的电信号中还含有一定量的交流成分，需要经过交直流变换模块，将交流信号转换为直流信号，以方便接收；低通滤波模块主要是滤除高频谐波，防止感性负载产生的高次谐波影响采样的精度；再将得到的电信号通过信号放大模块进行放大以便提高信号的测量精度。
优选地，所述单片机采用AT89C51型单片机，能将FPGA系统计算的结果通过指令发送给指定的工作单元。
优选地，所述电容器组是无功补偿的主要功能元器件，FPGA系统计算的结果若需要开启N个电容器，单片机将指令发送给中间继电器组，中间继电器组中N个继电器闭合，进而导致电容器组中N个电容器开始工作；为防止电容器发生故障需要进行电容器保护，所述电容器保护分为过电流保护和抑制谐波两种。
优选地，所述过电流保护是将熔断器安装在投切支路与电容器组串联，以便电容器发生短路故障时可以迅速切除电容器，从而保证电容器组免收损伤及安全运行，为了保证各个电容器之间工作互不影响，在设计过程中需要给每个电容器安装熔断器。
优选地，所述抑制谐波是由于非线性负载的复杂性导致电网末端存在不同频率的高次谐波，当这些谐波流入电容器组时，电容器组可能无法承受其流过的电流值导致发热损坏；所以在投切支路安装熔断器的同时还需要在电容器支路中串联电抗变换器，抑制电容支路中的高次谐波。
优选地，所述节电装置安装在电网末端1和非线性负载2之间的支路上。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的无功补偿装置是建立在静止无功补偿技术之上的改进，成本上较为低廉。
本发明较静止无功补偿技术，实现了动态无功补偿，避免了过补偿和欠补偿现象的出现
本发明使用了离散傅立叶变换，相比较其他算法对局部最优解的求解，本算法可以进行全局最优计算，并且采用迭代方式计算，计算速度更快。
附图说明
图1为本发明装置的电路原理图；
图2为本发明信号采集电路原理图；
图3为本发明调理电路原理图；
图4为本发明的主程序流程图。
图中：1-电网末端，2-非线性负载，3-信号采集电路，4-信号调理电路，5-A/D转换电路，6-FPGA系统，7-晶闸管脉冲触发板，8-功率转换器，9-单片机，10-中间继电器，11-电抗变换器，12-电容器组，13-补偿控制系统，14-熔断器,15-电压互感器，16-电流互感器，17-信号转化模块，18-交直流变换模块，19-低通滤波模块，20-信号放大模块。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明具体内容以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
本发明的实施例为一种实时提高电网末端功率因数的节电装置，主要包括有信号采集电路3，信号调理电路4，A/D转换电路5，单片机9，电抗变换器11，功率转换器8，中间继电器组10，晶闸管脉冲触发板7和电容器组12组成。
信号采集电路3，主要由电压互感器15和电流互感器16组成，通过电网末端的并联支路采集电网末端的输入电压和电流，并将此输入的电压和电流分别通过电压互感器和电流互感器，目的是将输入的电压和电流中无功功率所需要的电压和电流进行分离。
信号调理电路4，主要包括信号转换模块17，交直流变换模块18，低通滤波模块19和信号放大模块20；由于电信号只能以电压的方式传递，所以上述信号采集电路3分离到的输入电流需要经过信号转换变为可接受的电压信号；转换后的电信号中还含有一定量的交流成分，需要经过交直流变换模块，将交流信号转换为直流信号，以方便接收；低通滤波模块主要是滤除高频谐波，防止感性负载产生的高次谐波影响采样的精度；再将得到的电信号通过信号放大模块进行放大以便提高信号的测量精度。
A/D转换电路5，将上述信号处理电路输出的电信号进行数字化处理，方便FPGA系统6进行运算处理。
FPGA系统6，将上述A/D转换电路5中输出的数据进行快速傅立叶变换，取得最优无功补偿结果。快速傅立叶变换是一种快速有效的变换形式，基本思想是通过离散傅立叶变换将有限长度为N的序列逐步分解成较短的系列，然后对这些较短的序列再次进行离散傅立叶变换，直到这个序列最后被分解成两点，这种运算的速度很快，能够快速响应电网实时变化的复杂情况。快速傅立叶变换算法简要计算过程如下：
将一个长度为N的有限长序列进行离散傅里叶变换(DFT)运算后其表达式为:
设x(n)为一复数序列，如果直接对(1)式进行乘加运算，那么就某一个k值而言，完成一次X(k)运算需要N-1次复数加法和N次复数乘法。如果要完成N个k值运算，则总共需要N2次复数乘法和N(N-1)次复数加法运算。有以上分析可知道，当N取值较大时，其运算量是相当庞大的。对于控制要求实时性高的系统来说，进行数字信号处理数据时，是很难达到要其快速性的控制要求的。所以就要求一种更快更有效的运算方法。
下面就对一种快速运算方法进行分析；设有长度为N的x(n)序列，且满足N＝2M，其中M是自然数。把x(n)按照n的奇偶分成两个N/2点x1(r)和x2(r)的子序列之和。两个子序列分别表示如下:
所以，序列x(n)的离散傅立叶变换为：
其中，0≤r≤N/2-1,0≤k≤N-1。
对互感到的电压信号和电流信号进行N点的等间隔采样，可以得到一个电压序列{u(m)}和电流序列{i(m)}，可以将二者组合成一个复数离散时间序列，其表达式如下所示:
x(m)＝u(m)+ji(m)
上述复数序列x(m)经过变换后为：
对上述的μ(m)和i(m)进行离散傅立叶变换运算，根绝复数共轭性质可以得到电压和电流的频谱为：
通过以上离散傅立叶变换算法的计算，可以得到实时的电压、实时的电流和实时的无功功率的电参数，当实时的电压和实时的电流的任意一项为0时，此时即可输出实时的无功功率，FPGA系统根据其计算出来的实时无功和电压来判断通过控制单片机对电容器进行投还是切，以达到动态无功平衡的目的。
单片机9，使用AT89C51型单片机，价格适中，性能优越，基本可以满足上述系统的需求，能迅速将上述FPGA系统6计算的结果通过指令发送给指定的工作单元。
电容器组12，无功补偿的主要功能元器件，FPGA系统计算的结果若需要开启N个电容器，单片机将指令发送给中间继电器组，中间继电器组中N个继电器闭合，进而导致电容器组中N个电容器开始工作；为防止电容器发生故障需要对电容器进行保护，保护方式有两种：
一、过电流保护：将熔断器14安装在投切支路与电容器组12串联，以便电容器发生短路故障时可以迅速切除电容器，从而保证电容器组免收损伤及安全运行。为了保证各个电容器之间工作互不影响，在设计过程中需要给每个电容器安装熔断器。
二、抑制谐波：由于非线性负载的复杂性导致电网末端存在不同频率的高次谐波，当这些谐波流入电容器组12时，电容器组12可能无法承受其流过的电流值导致发热损坏；所以在投切支路安装熔断器14的同时还需要在电容器支路中串联电抗变换器11，抑制电容支路中的高次谐波。
本装置安装在电网末端1和非线性负载2之间的支路上，装置的起始位置安装有常开开关SB，和低压断路器QF，按下开关SB后，装置开始工作，信号采集电路3采集电网末端1支路上的电参数，并将各个参数进行分离，并传输到信号调理电路中4，通过转换，过滤和放大，将所有电参数转化为电压信号，通过A/D转化电路5将电压信号变为数字信号并传输给FPGA系统6中进行离散傅立叶变换计算，得到所需要补偿的无功功率来提高功率因数的电参数，即所需要投切的电容器数，并将参数实时发送给单片机9，单片机9将参数转化为命令来控制中间继电器组10的投切数，进而控制电容组12中电容器的投切数量，为了使电容器组12工作稳定，需要在支路上串联一个电抗性变换器11来进行滤波，滤除高次谐波对电容器组12的影响，同时，电容器组12中每个电容器都串联一个熔断器14，当电容器工作出现异常时，可及时的保护电容器；随着FPGA系统6的实时计算，电容器组12的投切数也在实时变化，进而实现实时的无功补偿，最终实现电网末端1功率因数的实时提高。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种实时提高电网末端功率因数的节电装置，包括信号采集电路、信号调理电路、A/D转换电路、单片机、电抗变换器、功率转换器、中间继电器组和晶闸管脉冲触发板和电容器组，其特征在于：所述A/D转换电路和单片机之间设有FPGA系统，所述FPGA系统将A/D转换电路输出的数据进行快速傅立叶变换，取得最优无功补偿结果；所述信号采集电路包括电压互感器和电流互感器，通过电网末端的并联支路采集电网末端的输入电压和电流，并将电网末端输入的电压和电流分别通过电压互感器和电流互感器将输入的电压和电流中无功功率所需要的电压和电流进行分离。
2.根据权利要求1所述的一种实时提高电网末端功率因数的节电装置，其特征在于：所述FPGA系统运算步骤如下：
将一个长度为N的有限长序列进行离散傅里叶变换，现有长度为N的x(n)序列，且满足N＝2M，其中M是自然数，把x(n)按照n的奇偶分成两个N/2点x1(r)和x2(r)的子序列之和，两个子序列分别表示如下:
所以，序列x(n)的离散傅立叶变换为：
其中，0≤r≤N/2-1,0≤k≤N-1
对互感到的电压信号和电流信号进行N点的等间隔采样，可以得到一个电压序列{u(m)}和电流序列{i(m)}，可以将二者组合成一个复数离散时间序列，其表达式如下所示:
x(m)＝u(m)+ji(m)
上述复数序列x(m)经过变换后为：
对上述的μ(m)和i(m)进行离散傅立叶变换运算，根绝复数共轭性质可以得到电压和电流的频谱为：
其中U(T)是实时的电压，I(T)是实时的电流，通过以上离散傅立叶变换算法的计算，可以得到实时的电压、实时的电流和实时的无功功率的电参数，FPGA系统根据计算出来的实时无功和电压来判断后经过单片机对电容器进行投切处理，以达到动态无功平衡的目的。
3.根据权利要求1所述的一种实时提高电网末端功率因数的节电装置，其特征在于：所述信号调理电路包括信号转换模块、交直流变换模块、低通滤波模块和信号放大模块；由于电信号只能以电压的方式传递，所以上述信号采集电路分离到的输入电流需要经过信号转换变为可接受的电压信号；转换后的电信号中还含有一定量的交流成分，需要经过交直流变换模块，将交流信号转换为直流信号，以方便接收；低通滤波模块主要是滤除高频谐波，防止感性负载产生的高次谐波影响采样的精度；再将得到的电信号通过信号放大模块进行放大以便提高信号的测量精度。
4.根据权利要求2所述的一种实时提高电网末端功率因数的节电装置，其特征在于：所述单片机采用AT89C51型单片机，能将FPGA系统计算的结果通过指令发送给指定的工作单元。
5.根据权利要求1所述的一种实时提高电网末端功率因数的节电装置，其特征在于：所述电容器组是无功补偿的主要功能元器件，FPGA系统计算的结果若需要开启N个电容器，单片机将指令发送给中间继电器组，中间继电器组中N个继电器闭合，进而导致电容器组中N个电容器开始工作；为防止电容器发生故障需要进行电容器保护，所述电容器保护分为过电流保护和抑制谐波两种。
6.根据权利要求5所述的一种实时提高电网末端功率因数的节电装置，其特征在于：所述过电流保护是将熔断器安装在投切支路与电容器组串联，以便电容器发生短路故障时可以迅速切除电容器，从而保证电容器组免收损伤及安全运行，为了保证各个电容器之间工作互不影响，在设计过程中需要给每个电容器安装熔断器。
7.根据权利要求5所述的一种实时提高电网末端功率因数的节电装置，其特征在于：所述抑制谐波是由于非线性负载的复杂性导致电网末端存在不同频率的高次谐波，当这些谐波流入电容器组时，电容器组可能无法承受其流过的电流值导致发热损坏；所以在投切支路安装熔断器的同时还需要在电容器支路中串联电抗变换器，抑制电容支路中的高次谐波。
8.根据权利要求1所述的一种实时提高电网末端功率因数的节电装置，其特征在于：所述节电装置安装在电网末端1和非线性负载2之间的支路上。
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