专利名称：一种电力电容动态脱谐装置及控制方法
技术领域：
本发明属于电力系统自动化控制技术领域，特别适用于一种电力电容动态脱谐装
置及控制方法。
背景技术：
目前，在高低压供电系统中，电力整流设备和变频调速装置被广泛应用，其独特的结构和先进的技术，给用户带来方便，高效和巨大利益的同时，其不足之处也是明显的。即它的非线性，冲击性和不平衡用电特性对公共电网注入大量的谐波和无功功率，使电能质量有明显恶化的趋势。为了有效吸收谐波电流和补偿无功功率，在高低压供电工业现场，因成本和技术等方面的因素，通常采用由电感和电容组成的谐波无源滤波器和补偿器进行对电网的保护。 事实上，统计表明，在工业场合由谐波引起的电流增大，烧毁电容柜设备的现象经常发生，主要原因不是谐波本身，而是电容柜设计不当产生并联谐振，造成谐波电流放大而引起，另外，电容器一旦产生谐波电流放大，其后果通常是相当严重的，不仅会烧毁电容器本身，严重时，还会使接触器，馈电开关，甚至变压器都被烧毁，造成严重的电力事故。
针对可能发生的上述情况，传统的处理方法有下面二种(l)采用金属拉伸而不是铆接的方法来制作电力电容器的壳体以增加强度和密封性，当电力电容因为谐波电流放大而导致损坏时，依靠气体膨胀的力量使电力电容的引线挣断，显然，这种物理处理方法仅仅是一种防御措施；(2)在低压电力电容器的接线端，安装一个与电力电容器额定电流相匹配的微型空气开关，当电力电容器的实际工作电流超过其额定电流某个数值时，微型空气开关自动切断电源，达到保护电力电容器不受到损坏的目的。实践证明，由于各种因素的影响，采用这种方法仍然免不了电力电容器遭受损坏，而且， 一旦电力电容器不投入电网，无功补偿也就失去了意义。 对于谐波比较大的场合，传统的方法是通常采用一阶或二阶具有吸收谐波电流效果的无源滤波器技术，其中一阶谐波滤波器结构为电容，电感及阻尼电阻串联，又称为单调谐滤波器；二阶谐波滤波器结构为电容与电感和阻尼电阻并联后串联，这两种传统的技术方案，因为结构简单，成本低，而在行业中大量使用。 但是，由于电力电容器在长期工作过程中，电容量，绝缘和损耗角等参数都会发生变化，当电力电容器在经过了一个阶段使用之后本身的参数发生变化，或者因为工作现场的负载等工况发生变化，都会重新造成谐波电流放大的情况，最后形成事故，造成设备的损失。
发明内容
为了弥补以上电力电容保护结构之不足，本发明的目的提供一种电力电容脱谐装置及控制方法，引入了以嵌入式单片机为核心的微电子技术，对电力电容实施动态脱谐，以达到对供电网络系统的保护，使之安全运行的目的。
本发明的技术方案是这样实现的电力电容脱谐装置包括有一阶三相谐波滤波器和二阶三相谐波滤波器。 其中， 一阶三相谐波滤波器包括有电容，电感，双向晶闸管，双向晶闸管近似为电路中的阻尼电阻，连接每相电路中电容、电感、双向晶闸管串联，三相电路中每相电流互感器与控制器输入端连接，控制器输出端分别与晶闸管控制端连接； 所述二阶三相谐波滤波器包括有电容，电感，双向晶闸管，双向晶闸管近似为电路
中的阻尼电阻，连接每相电路中电容与电感和双向晶闸管并联后串接，同样，三相电路中
每相电流互感器与控制器输入端连接，控制器输出端分别与晶闸管控制端连接，同时，控制
器输出通过脱谐执行电路和控制继电器连接，控制继电器连接主电路的接触器。
上述控制器电路结构是以单片机为核心，单片机内包括有A/D转换器及E乍ROM
存储器；A/D转换器输入端与三相电路输入端电流互感器连接，A/D转换器输出端与单片机
的输入端连接；单片机通过调试接口分别与设置键和数码显示器连接；另外，单片机输出
通过三相光电隔离器与脱谐执行电路输入端连接，谐波滤波器为一阶时其脱谐执行电路输
出端分别与每相主电路的晶闸管控制端连接，谐波滤波器为二阶时其脱谐执行电路输出端
仍分别与每相主电路的晶闸管控制端连接，同时，脱谐执行电路输出端还连接控制继电器，
控制继电器连接主电路接触器。 本发明形成一个以系统三相电流检测为输入，单片机为核心的控制器，双向晶闸管作为输出执行单元的闭环控制系统。 本发明电力电容器的安全运行是通过电力电容脱谐装置的控制电路实现的。
电力电容脱谐装置控制方法步骤如下 步骤1 :首先进行系统初始化，包括10端口设定，系统自检，通讯波特率设定，调出保存于E2PROM之中的设置参数； 步骤2 :通过单片机的AD转换通道测试三相电流，将测试数值与系统已经设定的极限绝对数值进行比较； 步骤3 :比较发生超限，则按技术要求反时限原则，进行时延，时延一段时间之后
再回到三相电流的检测环节，检查是否继续存在电流超过绝对数值的情况； 1)是，则启动退出控制程序 对于一阶谐波滤波器则完全关断晶闸管； 对于二阶谐波滤波器则关断主电路接触器，点亮LED报警指示灯；
2)否，则进入下一个判断环节； 步骤4:将测试的电流数值与已经设定的数值上下限进行比较，调整晶闸管的导通角，使系统工作在一个合适的电流范围内； 步骤5 :在系统运行过程中，有需要改变设置参数，进入参数设置环节，参数设置
完毕后，存入单片机的E2PROM内，在下一次系统启动时，可再次调入本控制系统。
本发明优点在装置中引入以嵌入式单片机及控制电路，结构简单，控制灵活，不
仅可以保护电力电容器本身不受损坏，电网安全运行，防止电力事故的发生，还可以使电力
电容始终处于工作状态，起到谐波治理或者无功功率补偿的作用。
图1为本发明电力电容动态脱谐装置二阶谐波滤波器结构原理 图2为本发明电力电容动态脱谐装置一阶谐波滤波器结构原理 图3为本发明电力电容动态脱谐装置控制器方框 图4为本发明电力电容动态脱谐装置电流检测电原理图； 图5为本发明电力电容动态脱谐装置光电隔离器及双向晶闸管控制电原理 图6为本发明电力电容动态脱谐装置控制继电器电原理 图7为本发明电力电容动态脱谐装置控制过程流程图。 图中，l三相电流输入2 3路A/D转换器3中央控制器MCU 4 E2PR0M 5外置显示器6外置设置键7光电隔离器与脱谐执行电路8控制继电器9接触器IO控制器
具体实施例方式
本发明电力电容动态脱谐装置及控制方法结合附图和实施例加以说明。 本发明二阶谐波滤波器装置结构图如图1所示，在图1中，以典型的二阶谐波滤波
器为例，说明了本发明的工作原理。 本发明控制器通过三个小型电流互感器CTA， CTB， CTC获取三个电力电容器CA，CB，CC的线电流，三个电感LA，LB，LC分别与三个电力电容器CA，CB，CC串联，成星型连接，三个双向晶闸管TRA， TRB， TRC相当于三个可以调节的电阻，分别与三个电感LA， LB， LC并联，控制器通过不断地检测当前的工作电流来判断系统的工作状况，是否处于正常的工作区域内，如果因为种种原因发生了谐波电流放大的情况，则控制器通过调整晶闸管TRA， TRB， TRC的导通角来进行修正，在极端情况下，当系统的谐波电流放大到本装置调整范围之外，威胁到本系统安全时，还可以通过断开接触器9，进行断电保护； 相似地，对于一阶谐波滤波器，本发明的系统结构图如图2所示，与图1相比，其不同之处在于，三个主要元件电容C，电感L和晶闸管TR是串行连接的，在图2中没有接触器9，因当晶闸管TR完全关断时，电容C和电感L就脱离了主电源。 由图3，图4可知，本发明的核心部件是图中的控制器10，以下说明控制器10的结构原理 控制器10的结构原理框图如图3所示，控制器的核心是一个嵌入式单片机，为了减少主机的工作部件，采用外置式的设置键和外置式的数码显示器，它们仅仅在调试时使用，本发明的信号流程是对三相电流进行检测后的信号，经过嵌入式单片机内部的AD转换通道进入单片机中央控制器MCU，通过人机对话的外置设置键6，和外置显示器5，将本系统的相关的参数如额定电流，临界电流等，预先存储在可以断电保存的E乍ROM之中；
发明的电流检测部分电原理图如图4所示，三个被测试电流经过半波整流后，在电容Cl， C2， C3上形成直流电压降，然后，通过电阻Rl， R3， R5送到单片机的AD输入端。
本发明单片机以光电隔离输出方式控制晶闸管导通角部分，可以减少干扰，其电原理图如图5所示，在图5中，只画出了其中一相控制输出部分的电原理图，其他两相的电路与此相同； 本发明的单片机输出控制继电器部分的电原理图如图6所示； 在控制方法的配合下，中央控制器MCU不断比较测试电流数值与预先存储的参数值，在一般情况下，如果发生异常，中央控制器MCU可以通过调整双向晶闸管TR的的导通角
来修正，在极端情况下，如果发生实际的电流数值在本装置可调整的范围之外，并且威胁到
本系统安全时，中央控制器MCU还可以通过断开接触器9，使系统退出主电源，进行断电保
护；嵌入式单片机的选用原则必须具备3个AD模拟量通道，3个输入开关量接口作为设置
键，4个输出开关量接口作为光电隔离输出，控制品闸管和接触器，2个显示部分的串行通
讯接口 ，另外，内部含有可以断电保存的E2PR0M存储器； 本发明的系统软件流程图如图7所示，本发明控制工作流程如下 在图7中，系统上电之后，首先进行系统初始化，包括10端口设定，系统自检，通讯
波特率设定，调出保存于E乍ROM之中的设置参数等等；之后，进入系统的工作环节； 首先，通过单片机的AD转换通道测试三相电流，将测试数值与系统已经设定的绝
对数值进行比较，如果超过，则按照电气开关行业的反时限原则，进行时延，时延一段时间
之后再回到三相电流的检测环节，看是否继续存在电流超过绝对数值的情况，如果是，则启
动退出系统程序对二阶谐波滤波器关断主电路接触器或对于一阶谐波滤波器完全关断晶
闸管，点亮LED报警指示灯，如果否，则进入下一个判断环节； 下一步是，将测试的电流数值与已经设定的数值上下限进行比较，从而调整晶闸管的导通角，使系统工作在一个合适的电流范围内； 最后一步是，在系统工作过程中，如果有需要改变设置参数的指令时，进入参数设置环节，参数设置完毕后，存入单片机的E乍ROM内，在下一次系统上电时，可以再次调入本控制系统。
权利要求
一种电力电容动态脱谐装置，其特征在于该装置包括有一阶三相谐波滤波器和二阶三相谐波滤波器，其中，一阶三相谐波滤波器包括有电容，电感，双向晶闸管，双向晶闸管近似为电路中的阻尼电阻，连接每相电路中电容、电感、双向晶闸管串联，三相电路中每相电流互感器与控制器输入端连接，控制器输出端分别与晶闸管控制端连接；该二阶三相谐波滤波器包括有电容，电感，双向晶闸管，双向晶闸管近似为电路中的阻尼电阻，连接每相电路中电容与电感和双向晶闸管并联后串接，同样，三相电路中每相电流互感器与控制器输入端连接，控制器输出端分别与晶闸管控制端连接，控制器输出通过脱谐执行电路和控制继电器连接，控制继电器连接主电路的接触器，该装置形成一个以三相电流检测为输入，单片机为核心控制器，双向晶闸管作为输出执行单元的闭环控制系统。
2. 根据权利要求1所述之电力电容动态脱谐装置，其特征在于所述之控制器电路结构是以单片机为核心，单片机内包括有A/D转换器及E2PR0M存储器；A/D转换器输入端与三相电路输入端电流互感器连接，A/D转换器输出端与单片机的输入端连接；单片机通过调试接口分别与外置设置键和外置显示器连接；另外，单片机输出通过三相光电隔离器与脱谐执行电路输入端连接，谐波滤波器为一阶时其脱谐执行电路输出端分别与每相主电路 的晶闸管控制端连接，谐波滤波器为二阶时其脱谐执行电路输出端仍分别与每相主电路的 晶闸管控制端连接，同时，脱谐执行电路输出端还连接控制继电器，控制继电器连接主电路 接触器。
3. —种电力电容动态脱谐装置控制方法，其特征在于电力电容脱谐装置控制方法步 骤如下步骤1 :首先进行系统初始化，包括10端口设定，系统自检，通讯波特率设定，调出保存于E2EPR0M之中的设置参数；步骤2 :通过单片机的A/D转换通道测试三相电流，将测试数值与系统已经设定的极限 绝对数值进行比较；步骤3 :比较发生超限，则按技术要求反时限原则，进行时延，时延一段时间之后再回 到三相电流的检测环节，检查是否继续存在电流超过绝对数值的情况；1) 是，则启动退出控制程序 对于一阶谐波滤波器则完全关断晶闸管； 对于二阶谐波滤波器则关断接触器，点亮LED报警指示灯；2) 否，则进入下一个判断环节；步骤4:将测试的电流数值与已经设定的数值上下限进行比较，从而调整晶闸管的的 导通角，使系统工作在一个合适的电流范围内；步骤5 :在系统运行过程中，有需要改变设置参数，进入参数设置环节，参数设置完毕 后，存入单片机的E2PR0M内，在下一次系统启动时，可再次调入本控制系统。
全文摘要
一种电力电容动态脱谐装置及控制方法，属于电力系统自动化控制技术领域。电力电容动态脱谐装置包括有一阶三相谐波滤波器和二阶三相谐波滤波器，分别包括有电容，电感，双向晶闸管。本发明装置引入嵌入式单片机及控制电路，结构简单，控制灵活，不仅可以保护电力电容器本身不受损坏，电网安全运行，防止电力事故的发生，还可以使电力电容始终处于工作状态，起到谐波治理或者无功功率补偿的作用。
文档编号H02J3/18GK101795000SQ20101012562
公开日2010年8月4日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者刘学宝, 林在荣 申请人:沈阳鼎盛中贝机电设备有限公司