环保型无功功率调节器.pdf

本发明涉及到一种无功功率调节器，尤其涉及到一种采用双脉冲源驱动的环保、节能、低功耗无功功率补偿调节器。其包括处理器、磁保持继电器和可控硅晶闸管，可控硅晶闸管用于制造谐波，其还设有双脉冲源驱动电路，无功补偿响应时间小于40ms，前脉冲实现可控硅晶闸管过零点打开和过零点关断技术，后脉冲实现磁保持继电器跟随开启和超前关闭技术，减少投切涌流减小，80ms相当于电网4个周波时间长度，无功功率调节器投入期，顺利实现过零投入；无功功率调节器在退出/切除期，由可控硅晶闸管顺利完成过零关断。其有益效果是：处理数据精度高；动态响应能力强；控制投切涌流小；降低维护成本；制造成本降低；体积小；不产生谐波，不二次污染；提高了可靠性。

1、  一种环保型无功功率调节器，包括处理器、磁保持继电器和可控硅晶闸管，可控硅晶闸管用于制造谐波，本发明的特征在于：其还设有双脉冲源驱动电路，无功补偿响应时间小于40ms，前脉冲实现可控硅晶闸管过零点打开和过零点关断，后脉冲实现磁保持继电器跟随开启和超前关闭，减少投切涌流，双脉冲源驱动电路采用将磁保持继电器和可控硅晶闸管两种不同特性的驱动信号分时处理，磁保持继电器和可控硅晶闸管两种信号前后各相差80ms的时间间隔，80ms等于电网4个周波时间长度，在无功功率调节器投入期，可控硅晶闸管动作启动时间比磁保持继电器动作启动时间超前80ms的4个电网周波的时间长度，实现过零投入；无功功率调节器在退出/切除期，磁保持继电器动作启动时间比可控硅晶闸管动作启动时间超前80ms的4个电网周波的时间长度；最终由可控硅晶闸管顺利完成过零关断。

2、  根据权利要求1所述的环保型无功功率调节器，其特征在于所述的处理器为处理数据快以及数据测量精度高的32位DSP数据处理器。

环保型无功功率调节器
技术领域
本发明涉及到一种无功功率调节器，尤其涉及到一种采用双脉冲源驱动的环保、节能、低功耗无功功率补偿调节器。
背景技术
高效的电力能源网系统，也是有功与无功的平衡系统；非线性负荷的普遍应用，用户负载的非线性、冲击性、不平衡的用电特性，致使电网系统瞬时无功始终处在高度频繁变化过程中。非线性负荷的普遍应用，大量谐波注入电网，谐波能量直接威胁着无功补偿设备安全运行，无功补偿系统会放大电网系统谐波能力，无功补偿设备又最怕谐波产生过电压，损坏无功补偿设备。
同行业无功补偿技术发展情况概述：
1、第一代无功补偿技术—静态自动无功补偿控制
1.1 技术特点
第一代无功补偿技术主要是以采用无功补偿控制器+继电器+接触器的无功补偿控制技术为主。这种无功补偿控制技术主要有以下几个方面的特点。
1.2 应用情况以及存在的问题
1.2.1 技术优点
●控制技术简单：
采用自动无功补偿控制器+继电器+接触器组装无功补偿成套装置比较容易实现，无功补偿控制器内部的无功补偿算法比较简便；
●价格比较低廉：
这种无功补偿控制的技术设备比较成熟，市面比较常见，自动无功补偿控制器+继电器+接触器各元器件的价格比较低廉。
1.2.2 技术缺点及存在的问题
●控制技术属于静态方式，实时动态响应时间长：
无功补偿控制器的处理器比较低廉，一般主要以8位的单片机为主要数据处理器，处理数据速度慢，数据测量精度差；控制器无功补偿控制信号采用继电器输出，继电器带动接触器投切电容器，处理数据处理数据时间单位一般大于1s级以上，继电器的动作时间一般大于20ms以上，接触器的动作时间一般大于40ms以上；电网周波20ms；所以相对电网周波时间，这种控制时间周期远远大于电网周期的变化时间。所以这种无功补偿技术属于静态无功补偿技术；
●控制涌流大，对补偿设备和电网冲击比较大：
这种无功补偿控制的技术如上述所述，属于继电器和接触器控制的无功补偿控制技术，控制很难实现过零技术，投切涌流比较大，一般控制涌流都在大于80倍以上的额定值，对补偿电容器和电网的冲击比较大，容易造成闪变现象
●维护成本比较高：
控制涌流比较大，动作频繁，补偿电容器、控制投切接触器经常发生烧毁更换现象。
2、第二代无功补偿技术—动态无功补偿控制技术
2.1 技术优点
第二代无功补偿技术主要是以采用无功补偿控制器控制可控硅晶闸管投切电容器实现无功补偿功能。这种无功补偿控制技术主要有以下几个方面的特点。
2.2 应用情况以及存在的问题
2.2.1 技术优点
●处理数据精度高：
无功补偿控制器的处理器一般主要以16位的单片机为主要数据处理器，处理数据比较快，数据测量精度较好；
●动态响应能力强：
控制器的无功补偿控制信号采用光电耦合输出，光电器件带动可控硅晶闸管投切电容器；控制器处理数据处理数据时间单位一般小于30ms级以内，可控硅晶闸管的动作时间一般在微妙级以内；电网周波20ms；所以相对电网周波时间，这种控制时间周期远远小于电网周期的变化时间。动态响应时间一般小于100ms以内。
●控制投切涌流小：
较上述静态自动无功补偿技术来说，这种无功补偿控制技术采用晶闸管可控硅控制方式，驱动采用过零点打开，过零点关断技术，使投切涌流大大减小，一般只是额定电流的2.8倍以内，对补偿电容器以及电网的冲击都比较小，可以有效改善闪变效应。
●降低维护成本：
控制涌流小，对补偿电容器的冲击小，提高补偿电容器的使用寿命，减少应用电容器在实际运行中的更换次数。
2.2.2 技术缺点及存在的问题
●控制技术比较复杂：
无功补偿控制器的处理器一般主要以16位的单片机为主要数据处理器，处理数据比较快，数据测量精度较好；无功投切一般采用无功功率等物理量控制，对控制的要求比较高，技术难度比较大；
●成本比较高：
较上述静态无功自动补偿设备来说，该技术类型的无功补偿设备制造成本比较高，只适合于工业控制比较复杂的配电系统，无功补偿控制器、可控硅晶闸管各环节的材料成本都比较高；
●功耗大，消耗系统10～20％的能量：
无功补偿采用可控硅晶闸管投切电容器，可控硅晶闸管闭合有节电压存在，通过电流大，消耗能量比较多；
●体积大，设备布局占用厂电房面积比较大：
较上述静态无功自动补偿设备来说，单位体积的无功补偿设备要要远远大于上述设备的体积容量；因为采用可控硅晶闸管投切电容器的无功补偿设备需要考虑散热器，所以体积大大增加；
●产生谐波，二次污染电网：
采用可控硅晶闸管投切电容器，可控硅晶闸管闭合有节电压存在，电流比较大，产生谐波含量比较丰富。
3、第三代无功补偿技术—采用复合开关的无功补偿技术
第三代无功补偿技术主要是以采用复合开关的无功功率调节器投切电容器实现无功补偿功能。
3.1 技术优点
●无功处理数据精度高：
无功补偿控制器的处理器一般主要以16位的单片机为主要数据处理器，处理数据比较快，数据测量精度较好；
●动态响应能力强：
具有上述可控硅晶闸管控制的无功补偿技术的动态响应时间，动态响应时间一般小于100ms以内。
●控制投切涌流小：
较上述静态自动无功补偿技术来说，这种无功补偿控制技术采用晶闸管可控硅控制方式，驱动采用过零点打开，过零点关断技术，使投切涌流大大减小，一般只是额定电流的20倍以内。
●降低维护成本：
控制涌流小，对补偿电容器的冲击小，提高补偿电容器的使用寿命，减少应用电容器在实际运行中的更换次数。
3.2 技术缺点及存在的问题：
成本比较高：较上述前两种静态无功自动补偿设备来说，该技术类型的无功补偿设备制造成本比较高，只适合于工业控制比较复杂的配电系统，无功补偿控制器、可控硅晶闸管各环节的材料成本都比较高。
以下是现有无功功率调节器控制原理的分析情况：
1、原有高功耗、大体积、产生谐波无功功率调节器控制原理分析
图1是原有高功耗、大体积、产生谐波对电网造成二次污染的无功功率调节器的设计驱动波形。
1.1 无功功率调节器自身消耗功率分析
在该系统中，晶闸管器件不仅式启动切换器件，另外承担着主运行器件，晶闸管器件在闭合状态时，有节点压存在，依据“P＝UI”，(式中P：消耗功率，U：闭合节点压，I：主回路电流)得知，晶闸管器件闭合节点压由晶闸管器件本身属性确定，一般为0.7V左右，功率调节器的一般运行电流，即主回路电流I一般≥20A以上，所以一般的单个无功功率调节器的自身功耗都≥10W以上；
1.2 无功功率调节器自身产生谐波功率分析
在该系统中，晶闸管器件属于非线性元器件，正常的电网波形属于正弦波，电网电压、电流流经线性元器件时，反馈的电压、电流波形及频率不会发生畸变；电网电压、电流流经非线性元器件时，反馈的电压、电流波形及频率会发生畸变；产生非电网波形和频率的其它信号叫“谐波”；电网电压、电流流经晶闸管这种非线性器件时，电网波形出现失真现象，产生的谐波电流的大小与负载电流的大小成正比。在图2中，调节器在整个工作区内“产生的谐波成分比较丰富”，但涌流电流在可控范围之内。
2、可靠性无法保证的单一脉冲信号驱动的无功功率调节复合开关控制原理分析
图3是可靠性无法保证单一脉冲信号驱动的无功功率复合开关的设计驱动波形。
2.1 复合开关无功功率调节器主控制系统可靠性问题分析
目前市面上销售运行的复合开关型无功功率调节器的驱动控制电路均采用单片机为主的单一脉冲信号驱动控制电路，复合开关型无功功率调节器属于强电运行环境，“电磁兼容”干扰问题比较严重，受到复合开关无功功率调节器的体积、成本等因素的限制，无法对驱动器做到比较好的电磁兼容防护措施；复合开关型无功功率调节器内部CPU经常出现死机、误触发等非正常运行情况，最终导致复合开关无功功率调节器非正常运行和振荡运行情况，烧坏自身或电容器。
2.2 单一驱动信号驱动两类不同特性的元器件造成的非正常竞争现象带来的可靠性问题分析
采用单一脉冲信号驱动波形如上图所示，T1：为小体积大功率继电器驱动信号区间，T2：为晶闸管驱动信号区间；从图中得知T1＝T2，就是两种不同动作特性的器件驱动波形由主控制器同一时刻发出；继电器和晶闸管接到动作信号后出现不正常合、分闸动作竞争现象，这种竞争对继电器的伤害是致命的。竞争原因如下：
继电器属于慢速动作器件，动作时间一般在5ms～20ms不等，由于应用在这类产品内的继电器属于功率型继电器，从原始设计中就没有考虑继电器的动作一致性问题，如继电器的固有动作时间为20ms，继电器的实际动作时间是20ms±(5ms～20ms)；继电器有时动作速度快达到5ms，有时动作慢将达到≥30ms以上。
晶闸管较继电器元器件来说属于快速元气件，动作时间一般在0.05ms～10ms，为了提高无功功率调节器的响应时间和限制投入时的涌流电流，无功功率调节器设计引入晶闸管器件；利用晶闸管的动作响应时间快来提高无功功率调节器的动作时间和响应速度，利用晶闸管过零点电压打开和关断技术实现限制无功功率调节器的动作涌流电流。
在图4的晶闸管驱动条件信号合成逻辑电路图中，晶闸管驱动信号由“投入/切除启动信号”和“电网波形过零检测信号”等两种信号“与”逻辑产生，即两个条件同时成立，驱动条件成立；所以晶闸管属于快速元器件，但动作是有条件限制的，所以有快速动作特性的晶闸管也有的0.05ms～10ms大范围的时间误差。
在晶闸管动作时间最快和继电器动作最慢时，无功功率调节器不存在恶性竞争动作；出现继电器动作快和晶闸管动作慢情况时，无功功率调节器出现恶性竞争动作，继电器将带负荷合、分闸；继电器带负荷合、分闸将出现原有产品的“涌流”大，对电网“冲击”大，设备、器件“寿命短”等现象。
在图5的有竞争现象的无功功率调节器的实际运行电流波形图中，调节器在工作的开启/关断时间点涌流比较大，超过5倍以上。
基于上述现有无功补偿技术的不足之处，本发明人设计了本发明“环保型无功功率调节器”。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足所要解决的技术问题是：提供一种采用双脉冲源控制的节能性、环保性、低成本性无功补偿技术构成的无功功率调节器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种环保型无功功率调节器，包括处理器、磁保持继电器和可控硅晶闸管，可控硅晶闸管用于制造谐波，其还设有双脉冲源驱动电路，无功补偿响应时间在40ms以内，前脉冲实现可控硅晶闸管过零点打开和过零点关断技术，后脉冲实现磁保持继电器跟随开启和超前关闭技术，减少投切涌流减小，双脉冲源驱动电路采用将磁保持继电器和可控硅晶闸管两种不同特性的驱动信号分时处理，磁保持继电器和可控硅晶闸管两种信号前后各相差80ms的时间间隔，80ms相当于电网4个周波时间长度，无功功率调节器投入期，可控硅晶闸管动作启动时间比磁保持继电器动作启动时间超前80ms的4个电网周波的时间长度，顺利实现过零投入；无功功率调节器在退出/切除期，磁保持继电器动作启动时间比可控硅晶闸管动作启动时间超前80ms的4个电网周波的时间长度；最终由可控硅晶闸管顺利完成过零关断。
所述的处理器为处理数据比较快以及数据测量精度较好的32位DSP数据处理器，无功补偿控制器的处理器一般主要以32位的DSP为主要数据处理器，处理数据比较快，数据测量精度较好。
本发明环保型无功功率调节器的有益效果是：
电能质量综合监控与动态无功补偿技术相结合应用，可以合理规避电网系统谐波对无功补偿设备的负面影响，本发明大大提高对系统无功补偿的响应能力，减小谐波对系统设备和无功补偿设备的影响，提高无功补偿设备的抗谐波能力；无功补偿也是解决电能质量问题的其中方案之一，将电能质量综合监测与动态无功补偿相接合的设计技术方案，有效提高系统产品应用的效率，提升现有系统产品的应用技术水平。主要取得以下几个方面的功效：
采用双脉冲源控制的节能性、环保性、低成本性无功补偿技术构成的无功功率调节器技术特点
●无功处理数据精度高：
无功补偿控制器的处理器一般主要以32位的DSP为主要数据处理器，处理数据比较快，数据测量精度较好；
●动态响应能力强：
优秀的主控制器配合具有上述可控硅晶闸管控制的无功补偿技术的动态响应时间，动态响应时间一般小于50ms以内。
●控制投切涌流小：
采用双脉冲源控制的无功功率调节器，准确实现前脉冲实现晶闸管过零点打开和过零点关断技术，后脉冲实现磁保持继电器跟随开启和超前关闭技术，使投切涌流大大减小，一般只是额定电流的2.8倍以内，对补偿电容器以及电网的冲击都比较小，可以有效改善闪变效应。
●降低维护成本：
控制涌流小，对补偿电容器的冲击小，提高补偿电容器的使用寿命，减少应用电容器在实际运行中的更换次数。将电容器的使用寿命由原来的1/4提高到整体寿命的3/4以上。
●制造成本大大降低：
采用双脉冲源分时驱动技术，避免无功调节器采用大功率高价位的晶闸管，而采用小体积大功率低价位的磁保持继电器为跟随运行元件；使调节器整体制造成本缩小为原有调节器成本的1/3以下，为产品的大量推广起到积极作用。
●功耗小：
采用启动、运行、关闭分时分工协作的设计控制技术，避免具有快速、高功耗的晶闸管长期运行，采用低速、无功耗元器件过渡的运行方式，使调节器整体功耗较由原来单位kVar消耗10—20W缩小到目前的0.05W，基本不再消耗系统能量。
●体积小：
采用双脉冲源分时驱动技术，避免无功调节器使用大功率晶闸管，低功耗的驱动设计无需调节器附加散热器和额外散热空间，制造体积大大减小。
●不产生谐波，控制技术环保，不二次污染电网：
采用双脉冲源分时驱动技术，避免无功调节器内制造谐波的晶闸管长期运行，调节器正常运行闭合零电压，解决了产生谐波污染问题。
●提高了可靠性
采用双脉冲源分时驱动技术，避免以往采用单脉冲同时驱动磁保持继电器和晶闸管在动作过程中的不正常竞争现象，导致驱动磁保持继电器出现带负荷合、分闸，很容易投切功率调节器。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是现有高功耗、大体积、产生谐波的功率调节器的信号驱动波形图；
图2是含有丰富谐波成分的实际运行电流波形图；
图3是单一脉冲信号驱动的无功功率复合开关的信号驱动波形图；
图4是晶闸管驱动条件信号合成逻辑电路图；
图5是有竞争现象的无功功率调节器的实际运行电流波形图；
图6是采用双脉冲源驱动的无功功率调节器信号驱动波形图；
图7是采用双脉冲源驱动的无功功率调节器实际运行电流波形图。
具体实施方式
参照图6至图7，本发明是这样实施的：
在图6和图7中，采用双脉冲信号源叠加驱动的无功功率自动调节器的设计主要采用以下方法：
采用双脉冲信号源叠加驱动的无功功率自动调节器的设计，结合目前无功补偿控制技术的优缺点改进设计的一种快速、节能、环保不产生谐波、投退涌流小无冲击、运行稳定可靠的无功功率调节器。无功功率调节器包括磁保持接触器、可控硅元件以及双脉冲信号产生电路等部分组成；采用磁保持接触器和可控硅元件为主回路的无功功率调节器解决一般无功补偿产品无法满足的无功补偿快速响应能力，无功补偿响应时间小于40ms以内；采用磁保持接触器和可控硅元件主备式的无功补偿调节方案解决了由单可控硅组成的无功补偿设备所带来的体积大、成本高、高功耗(一般将会消耗系统15％的能量)、产生谐波污染电网等应用缺陷；采用双脉冲信号源叠加驱动的控制模式解决了其他制造厂商设计的复合开关中主备元件工作配合不够完善所造成的产品运行稳定性问题。
双脉冲源驱动的无功功率调节器主控制系统设计全采用自适应硬件电路组成，自适应硬件电路具有抗干扰能力强，动作响应“零”延时，硬件电路延时一般在ns数量级，完全满足ms级动作响应的时间要求。自适应硬件电路本身比CPU组成的控制系统抗干扰能力要强。
如图6所示，双脉冲源驱动电路采用将继电器和晶闸管两种不同特性的驱动信号分时处理，继电器T1和晶闸管T2两种信号前后各相差80ms的时间间隔，80ms相当于电网4个周波时间长度。
无功功率调节器投入期，晶闸管T2动作启动时间比继电器T1动作启动时间超前80ms的4个电网周波的时间长度；顺利实现过零投入。无功功率调节器退出/切除期，继电器T1动作启动时间比晶闸管T2动作启动时间超前80ms的4个电网周波的时间长度；最终由晶闸管顺利完成过零关断。晶闸管的投入/关断前后启动使无功功率调节器可靠实现“快速响应时间”和“限制涌流”。利用继电器在稳态并入/退出运行回路，实际“发热”和“产生谐波”的运行周期时间很短，从而实现无功功率调节器的“节能”(调节器自身功耗小)、“环保”(不产生谐波)、“可靠”(解决驱动信号的不合理)等几大功效。70ms～80ms的时间差，有效可靠保证晶闸管的带负荷时间，避免晶闸管运行发热过多，为选择“小体积”、“低价位”的晶闸管得到技术上的保证，最终实现无功功率调节器的“经济”低成本设计。
从图7中可知，调节器在开启/关断时间点有2～3个周波的污染谐波成分存在，涌流小于3倍的额定值，在受控范围之内，是比较理想的工作特性。
以上所述，仅是本发明一种环保型无功功率调节器的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。