一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统及方法，其中的无功补偿系统包括PLC处理器、高压电流互感器、高压电压互感器、变压器、功率因数变送器、电流变送器、电压变送器、有功功率变送器以及静态补偿支路和动态补偿支路，每一个补偿支路均由可控硅投切开关与补偿电容器串联；功率因数变送器、电流变送器、电压变送器、有功功率变送器的输出端分别与PLC处理器的输入端口电连接，PLC处理器的输出端口与可控硅投切开关的输入端电连接，且可控硅投切开关的反馈信号均输出到PLC处理器。利用本发明可以使补偿系统高效、准确地控制补偿支路的投切，达到平衡功率因数、避免强相过补或弱相欠补和提高有功负荷利用率的目的。
【专利说明】一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种矿热炉无功补偿系统，尤其是涉及基于PLC控制器的一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统及方法。
【背景技术】
[0002]矿热炉是一种典型的高耗能设备，在矿热炉的电气系统中，冶炼变压器和短网都是感性负载，其在运行中需要消耗大量的无功功率，导致功率因数普遍偏低。另外，矿热炉在生产过程中，负荷变化比较频繁，导致功率因数、有功功率等各种电气参数的变化也比较频繁，再加之每相的短网长度不等，导致三相无功功率本身不平衡。
[0003]传统的冶金矿热炉无功补偿系统主要由真空接触器、熔断器、自愈式电容器等元器件组成，低压补偿为三相共补的固定补偿方式，这种传统的无功补偿系统虽然能对矿热炉的电气系统进行无功补偿，但是，无功补偿量不能随着负荷的变化而变化，在装置投切时由于三相无功同时补偿，造成强相过补、弱相欠补，从而导致投切过程冲击大、对电容器损伤大、开关触点易烧毁、噪声大、投切延时过程较长、反应迟钝、保护功能较单一等问题，特别是功率因数等电气参数不能有效控制在工艺参数要求的范围内。因此，传统的无功补偿系统由于三相无功补偿不平衡，造成了三相电极电压不平衡和三相功率因数不平衡，不能完全满足生产过程中负荷变化对工艺参数的有效控制，直接导致矿热炉的效率低、电能消耗大，而且其对矿热炉的电气系统的稳定性无保证，也会导致供电质量恶化。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:针对现有技术存在的问题，提供一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统及方法，避免强相过补或者弱相欠补，以达到平衡功率因数和提闻有功负荷利用率的目的。
[0005]本发明要解决的技术问题采用以下技术方案来实现:一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统，包括PLC处理器、高压电流互感器、高压电压互感器、变压器、功率因数变送器、电流变送器、电压变送器以及有功功率变送器和补偿支路，所述补偿支路包括静态补偿支路和动态补偿支路，每一个补偿支路均由可控硅投切开关与补偿电容器串联；所述的高压电流互感器、高压电压互感器分别与变压器输入端的高压进线电连接，其输出电流、电压信号均输出到PLC处理器；所述变压器的输出端通过短网分别与功率因数变送器、电流变送器、电压变送器、有功功率变送器的输入端以及矿热炉的电极电连接；所述的功率因数变送器、电流变送器、电压变送器、有功功率变送器的输出端分别与PLC处理器的输入端口电连接，所述PLC处理器的输出端口与可控硅投切开关的输入端电连接，且可控硅投切开关的反馈信号均输出到PLC处理器。
[0006]优选地，所述的动态补偿支路包括两个，且每一个补偿支路均由可控硅投切开关与补偿电容器串联组成。
[0007]优选地，所述的补偿支路还包括第一电抗器，所述的第一电抗器串联在所在补偿支路中的补偿电容器与可控硅投切开关之间。
[0008]优选地，所述无功补偿系统还包括HMI设备，且所述的PLC处理器通过以太网与HMI设备电连接。
[0009]优选地，所述的可控硅投切开关由一个熔断器与自愈电容器、第二电抗器以及晶闸管和另一个熔断器依次串联连接，其中的两个熔断器分别与补偿短网的两极电连接。
[0010]上述的一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统的补偿方法，其中，所述的静态补偿支路主要以预先设定的静态目标功率因数值为投入量，在投入补偿支路时，首先投入静态补偿支路作为基本补偿，当PLC处理器判定静态补偿支路投入完毕后，PLC处理器根据监测到的补偿短网的三相实时功率因数值，并以所预先设定的功率因数上限值和功率因数下限值为判据来控制动态补偿支路的投入与切断。
[0011]进一步地，所述的静态目标功率因数值设定的允许范围是正负10%。
[0012]进一步地，所述的PLC处理器将实时检测到的功率因数值与预先设定的静态目标功率因数值进行比较，当检测到的当前静态功率因数值超出了预先设定的静态目标功率因数值的10%时，PLC处理器控制可控硅投切开关以退出部分动态补偿支路；当检测到的当前静态功率因数值小于预先设定的静态目标功率因数值的-10%时，PLC处理器控制可控硅投切开关以投入部分动态补偿支路。
[0013]进一步地，所述的矿热炉在生产过程中，每投入一路动态补偿时，系统的功率因数发生变化，当PLC处理器判定当前功率因数值大于预先设定的功率因数上限值时，PLC处理器控制可控硅投切开关分闸，补偿支路即退出补偿系统；当PLC处理器判定当前功率因数值小于预先设定的功率因数下限值时，PLC处理器控制可控硅投切开关合闸，补偿支路即投入补偿系统。
[0014]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本无功补偿系统及方法通过PLC处理器对各类输入、输出信号进行集中处理与控制，由于PLC处理器对于信号检测准确、计算速率高、处理速度快，从而使补偿控制系统能够高效、准确地控制补偿支路的投切，以实现对矿热炉生产过程中的无功消耗进行自动、实时跟踪补偿，可以有效地避免普通投切装置对短网的电压冲击以及不能根据矿热炉的负荷变化而对系统所需无功补偿量的准确补偿，使相关电气参数有效地控制在工艺参数设定的范围内，以平衡功率因数，避免了强相过补或者弱相欠补，提高了有功负荷利用率和矿热炉使用效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统的构造图。
[0016]图2为图1中可控硅投切开关的电路原理图。
[0017]图中部品标记名称:1_矿热炉炉膛，2-电极夹持与升降机构，3-电极，4-补偿电容器，5-可控硅投切开关，6-变压器，7-第一电抗器，8-熔断器，9-晶闸管，10-第二电抗器，11-自愈电容器。
【具体实施方式】
[0018]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019]如图1所示，一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统，主要包括PLC处理器、高压电流互感器、高压电压互感器、变压器6、功率因数变送器、电流变送器、电压变送器以及有功功率变送器和补偿支路。其中的补偿支路是由可控硅投切开关5和补偿电容器4串联组成。所述的高压电流互感器与变压器6输入端的高压进线电连接，其输出电流信号经过电流表后输出到PLC处理器的输入端口，高压电压互感器与变压器6输入端的高压进线电连接，其输出电压信号经过电压表后输出到PLC处理器的输入端口 ；所述变压器6的输出端通过短网分别与功率因数变送器、电流变送器、电压变送器、有功功率变送器的输入端以及矿热炉的电极3电连接，其中的电极3通过电极夹持与升降机构2相对于矿热炉炉膛I夹持固定或者升降运动；所述的功率因数变送器、电流变送器、电压变送器、有功功率变送器的输出端则分别与PLC处理器的输入端口电连接，所述PLC处理器的输出端口分别与三路可控硅投切开关5的输入端电连接，其中每一路上的可控硅投切开关5分别与一个补偿电容器4电连接构成一个补偿支路，同时，可控硅投切开关5的反馈信号均输出到PLC处理器。该无功补偿系统设置有一个静态补偿支路和由两个动态补偿支路组成的动态补偿组，其中的静态补偿支路作为基本补偿，动态补偿支路作为跟踪补偿，根据矿热炉的负荷变化，PLC处理器以三相功率因数为控制量控制动态补偿支路的投入或者切断。为了方便操作人员的实时监控操作，该PLC处理器通过以太网与HMI设备相互通信，该HMI设备可以采用触摸屏，通过触摸屏显示信息，操作人员可以实时查看矿热炉的工况参数，同时，操作人员还可以通过触摸屏发出控制指令。
[0020]上述的可控硅投切开关5的投切主回路如图2所示，补偿短网的a极与熔断器8连接，该熔断器8再与自愈电容器11、第二电抗器10、晶闸管9依次串联连接，所述晶闸管9再与另外一个熔断器8 —端连接，该另外一个熔断器8的另一端与补偿短网的X极连接，从而组成了一个投切主回路。这种采用晶闸管投切方式的投切回路，可以有效地避免普通投切装置对短网的电压冲击及不能根据负荷的变化而对系统所需无功补偿量进行准确补偿，从而使得整个系统具有投切无合闸涌流、无操作过电压、无触点开关、电容使用寿命长以及响应时间短和电容器上的残压不影响投入性能等优点，其中的具体响应时间可以在20ms?200s范围内调节。另外，由于矿热炉在生产过程中的三次、五次、七次等奇数次谐波较重，该谐波对电容器及系统中的电气元件有较大损伤，为了抑制谐波，可以在补偿支路中串联一个第一电抗器7，每一个补偿支路中的补偿电容器4与可控硅投切开关5之间均串联一个第一电抗器7，以滤除系统谐波。
[0021]本发明的整个补偿支路包括一个静态补偿支路和由两个动态补偿支路构成的动态补偿组，其中的静态补偿支路主要以预先设定的静态目标功率因数值为投入量，动态补偿支路主要以对A、B、C三相分别预先设定的功率因数上限值和功率因数下限值作为控制判据。在矿热炉工作过程中，矿热炉的负荷变化会引起功率因数的变化和无功需求量的变化。当A、B、C三相平衡时，系统的有功负荷稳定，无需补偿支路进行补偿。但是，当A、B、C三相不能达到平衡时，系统的电气参数不断变化，静态补偿如果不能完全满足生产需求，此时就需要投入动态补偿支路，动态补偿支路对A、B、C三相分别进行补偿，实时跟踪负荷和炉况的变化，使功率因数值始终控制在设定的功率因数带宽范围内，避免强相过补或者弱相欠补，以达到平衡功率因数和提高有功负荷利用率的目的。[0022]在投入补偿支路时，首先投入静态补偿支路作为基本补偿，当PLC处理器判定静态补偿支路投入完毕后，PLC处理器根据矿热炉的负荷变化，主要以监测到的A、B、C三相实时功率因数值为控制量、以所预先设定的功率因数上限值和功率因数下限值为判据来控制动态补偿支路的投入与切断，即PLC处理器启动动态补偿支路作为跟踪补偿。其中的动态补偿支路设置有两个，有利于增加整个补偿系统的灵活性。
[0023]本发明中的无功补偿系统的补偿方法具体如下，当补偿系统投入时，预先设定静态补偿目标功率因数值，一般设置到0.88左右，同时设定该静态补偿目标功率因数值的允许范围是正负10%。当静态补偿目标功率因数值设定后，系统首先以预先设定的静态目标功率因数值为准投入静态补偿支路，在生产过程中，矿热炉的负荷变化会引起功率因数的变化和无功需求量的变化，PLC处理器根据功率因数的变化发出脉冲信号触发可控硅投切开关5中的晶闸管9合闸。PLC处理器将实时检测到的功率因数值与预先设定的静态补偿目标功率因数值进行比较，当检测到的当前静态功率因数值处于预先设定的静态补偿目标功率因数值正负10%的设定范围内时，PLC处理器判定静态补偿支路投入完毕；当检测到的当前静态功率因数值超出了预先设定的静态补偿目标功率因数值的10%时，PLC处理器将自动给可控硅投切开关5发出一个触发信号以退出部分动态补偿支路；当检测到的当前静态功率因数值小于预先设定的静态补偿目标功率因数值的-10%时，PLC处理器将自动给可控硅投切开关5发出一个触发信号以投入部分动态补偿支路。
[0024]矿热炉在生产过程中，每投入一路动态补偿时，系统的功率因数及电流、电压等参数都将发生变化，这些投入后参数的变化实时反馈到PLC处理器并进行逻辑判定。当当前功率因数值大于预先设定的功率因数上限值时，PLC处理器发出退出补偿支路的脉冲信号，该退出补偿支路脉冲信号触发可控硅投切开关5中的晶闸管9并使其分闸，晶闸管9分闸后，补偿支路即退出补偿系统；反之，当当前功率因数值小于预先设定的功率因数下限值时，PLC处理器发出投入补偿支路的脉冲信号，该投入补偿支路脉冲信号触发可控硅投切开关5中的晶闸管9并使其合闸，晶闸管9合闸后，补偿支路即投入补偿系统。由于晶闸管9的响应时间短，可以在20ms?200s范围内调节，因此，无论矿热炉的负荷如何变化，补偿系统都会自动跟踪负荷的变化而相应变化，从而使功率因数值始终控制在预先设定的功率因数带宽内，避免强相过补或者弱相欠补，达到了智能补偿无功功率的目的。其中的HMI设备采用RS485以太网与PLC处理器进行实时的数据交换与显示，PLC处理器所进行的一系列监测与控制都实时地反映在HMI设备的人机界面，因此，操作人员可以根据HMI设备所显示的实时信息有效地对整个控制系统进行电气参数的实时监测。
[0025]综上所述，本发明的无功补偿系统及方法基于PLC处理器控制，通过各种变送器及仪器仪表等对系统中的监测量和控制量进行集中采集并输入PLC处理器，其中的电流表可以对高压电流互感器输出的电流信号进行一次电流检测，电压表可以对高压电压互感器输出的电压信号进行二次电压检测。PLC处理器对各类输入、输出信号进行集中处理，并根据生产工艺条件作出相应的控制，再将相应控制信息通过以太网传输给HMI设备。通过人机界面即可直观地看到PLC处理的各种数据信息，如电流、电压、功率因数等数据；同时，操作人员在人机界面上还可以通过参数设置界面来设置静态补偿的目标功率因数值以及动态补偿的功率因数的上限值与下限值。该值预先设定后，PLC处理器将以所设定的功率因数值为判据来自动跟踪控制无功补偿量。PLC处理器对于信号检测准确、计算速率高、处理速度快，从而使补偿控制系统能够高效、准确地控制补偿支路的投切，以实现对矿热炉生产过程中的无功消耗进行自动实时跟踪补偿，使相关电气参数有效地控制在工艺参数设定的范围内以平衡功率因数，避免了强相过补或者弱相欠补，提高了有功负荷利用率和矿热炉使用效率，有利于节能、降耗和增产。
[0026]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统，其特征在于:包括PLC处理器、高压电流互感器、高压电压互感器、变压器(6)、功率因数变送器、电流变送器、电压变送器以及有功功率变送器和补偿支路，所述补偿支路包括静态补偿支路和动态补偿支路，每一个补偿支路均由可控硅投切开关(5)与补偿电容器(4)串联；所述的高压电流互感器、高压电压互感器分别与变压器(6)输入端的高压进线电连接，其输出电流、电压信号均输出到PLC处理器；所述变压器出)的输出端通过短网分别与功率因数变送器、电流变送器、电压变送器、有功功率变送器的输入端以及矿热炉的电极(3)电连接；所述的功率因数变送器、电流变送器、电压变送器、有功功率变送器的输出端分别与PLC处理器的输入端口电连接，所述PLC处理器的输出端口与可控硅投切开关(5)的输入端电连接，且可控硅投切开关(5)的反馈信号均输出到PLC处理器。
2.根据权利要求1所述的一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统，其特征在于:所述的动态补偿支路包括两个，且每一个补偿支路均由可控硅投切开关(5)与补偿电容器⑷串联组成。
3.根据权利要求1或者2所述的一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统，其特征在于:所述的补偿支路还包括第一电抗器(7)，所述的第一电抗器(7)串联在所在补偿支路中的补偿电容器⑷与可控硅投切开关(5)之间。
4.根据权利要求3所述的一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统，其特征在于:所述无功补偿系统还包括HMI设备，且所述的PLC处理器通过以太网与HMI设备电连接。
5.根据权利要求1或者2所述的一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统，其特征在于:所述的可控硅投切开关(5)由一个熔断器(8)与自愈电容器(11)、第二电抗器(10)以及晶闸管(9)和另一个熔断器⑶依次串联连接，其中的两个熔断器⑶分别与补偿短网的两极电连接。
6.如权利要求1所述的一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统的补偿方法，其特征在于:所述的静态补偿支路主要以预先设定的静态目标功率因数值为投入量，在投入补偿支路时，首先投入静态补偿支路作为基本补偿，当PLC处理器判定静态补偿支路投入完毕后，PLC处理器根据监测到的补偿短网的三相实时功率因数值，并以所预先设定的功率因数上限值和功率因数下限值为判据来控制动态补偿支路的投入与切断。
7.根据权利要求6所述的一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统的补偿方法，其特征在于:所述的静态目标功率因数值设定的允许范围是正负10%。
8.根据权利要求7所述的一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统的补偿方法，其特征在于:所述的PLC处理器将实时检测到的功率因数值与预先设定的静态目标功率因数值进行比较，当检测到的当前静态功率因数值超出了预先设定的静态目标功率因数值的10%时，PLC处理器控制可控硅投切开关(5)以退出部分动态补偿支路；当检测到的当前静态功率因数值小于预先设定的静态目标功率因数值的-10%时，PLC处理器控制可控硅投切开关(5)以投入部分动态补偿支路。
9.根据权利要求6所述的一种矿热炉静态与动态相结合的无功补偿系统的补偿方法，其特征在于:所述的矿热炉在生产过程中，每投入一路动态补偿时，系统的功率因数发生变化，当PLC处理器判定当前功率因数值大于预先设定的功率因数上限值时，PLC处理器控制可控硅投切开关(5)分闸，补偿支路即退出补偿系统；当PLC处理器判定当前功率因数值小于预先设定的功率因数下限值时，PLC处理器控制可控硅投切开关(5)合闸，补偿支路即投入补偿系统。`
【文档编号】H02J3/18GK103618318SQ201310591268
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2013年11月21日
【发明者】赵永贵 申请人:乐山晟嘉电气有限公司