零過渡過程觸發二控三電容投切方法及裝置

《零過渡過程觸發二控三電容投切方法及裝置》是武漢水利電力大學於1997年12月30日申請的發明專利，該專利的申請號為971093547，公布號為CN1222000，公布日為1999年7月7日，發明人是李曉明。

《零過渡過程觸發二控三電容投切方法及裝置》所述方法是通過檢測線電壓u_ab及u_cb和線電流i_a及i_o，計算出有效值和待補償的無功功率，確定投切的電容器組別，與零過渡過程檢測或投切狀態記憶電路一起驅動觸發電路以實現投切。裝置由電量測量與計算，零過渡過程條件檢測、投切控制、電力電子開關觸發電路和電容器投切主電路所構成，採用兩相開關控制三相電力電容器的投切。操作無過渡過程，結構簡單元件少，回響速度快，抑制電壓波動效果好。

2014年11月6日，《零過渡過程觸發二控三電容投切方法及裝置》獲得第十六屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《零過渡過程觸發二控三電容投切方法及裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：零過渡過程觸發二控三電容投切方法及裝置
• 公布號：CN1222000
• 公布日：1999年7月7日
• 申請號：971093547
• 申請日：1997年12月30日
• 申請人：武漢水利電力大學
• 地址：湖北省武漢市武昌珞珈山
• 發明人：李曉明
• 分類號：H02J3/18、G05F1/70
• 代理機構：武漢水利電力學院專利事務所
• 類別：發明專利
• 代理人：張火春

專利背景

電容投切裝置是電力系統無功補償的主要設備。傳統的方法是通過交流接觸器或空氣開關投切電容器組，由於機械觸點閉合的時間比工頻的周期大得多，加上機械動作時間的分散性，使電容器組的投切控制不能實現無過渡過程操作，因此，不可避免地出現過電流和過電壓，它既大大縮短了電容投切裝置的使用壽命又嚴重地影響了供電質量，頻繁地操作很容易造成電氣設備損壞。為了解決無過渡過程投切電容器問題，人們採用了不少方法，這些方法概括起來分兩類：1）採用動作快、性能較好的有觸頭開關設備配上現代控制系統，例如計算機模糊控制、智慧型控制等；2）採用電力電子器件作為開關設備配上電子電路邏輯控制或計算機控制。方法1）沒有解決機械觸頭的動作時間與電量變化時間不匹配的問題，最快的接觸器或空氣開關時間約0.05秒左右，而一個工頻周期只有0.02秒，加上觸頭動作時間的分散性，實際上不能選擇合閘操作的時刻，因而不能避免過渡過程。方法2）可以選擇合閘操作時刻，但現有方法選擇的合閘操作條件不正確，有的根據功率因數或無功需求量作為控制條件，有的將電源電壓最大或過零作為合閘條件，前者沒有選擇合閘時刻，後者不滿足無過渡過程條件，因為電容上的殘餘電壓是變化的，電源電壓也是波動的，所以只有在零過渡過程條件下電力電子開關投切，才能真正避免操作引起的過渡過程。

發明內容

專利目的

《零過渡過程觸發二控三電容投切方法及裝置》的目的就是針對上述情況而研究的一種零過渡過程觸發二相電力電子開關控制三相電容器投切方法及裝置。

技術方案

《零過渡過程觸發二控三電容投切方法及裝置》的方法包括下列步驟：

（1）檢測兩個線電壓（u_ab）及（u_cb）和兩個線電流（i_a）及（i_c）；

（2）根據步驟（1）計算出電壓和電流的有效值和待補償無功功率Q；

（3）根據步驟（2）的計算結果，確定相應投切電容器組別，並發出相應的投切控制信號；

（4）檢測電力電子開關所在相（a，b）與另一相（c）之間的電源電壓（u_ab）、（u_cb）和電容器電壓（u_a’b’），（u_c’b’）；

（5）根據步驟（4）確定零過渡過程觸發條件，即確定電容器的投入時刻，電容器零過渡過程投入時刻為：

（1）

式中：X_c—電容器的容抗（Ω），；|Z|—電容器的阻抗（Ω），；φ—電容器的阻抗角（°），；α—電網電壓的初相角（°）；U_a—電網電壓的幅值（V）；u_c（O₊）—電容器上的殘餘電壓（V）；

（6）根據步驟（5）的零過渡過程觸發條件式（1）產生一個“零過渡過程檢測”信號；

（7）記憶已投切電容器的組別和運行狀態；

（8）根據步驟（7）產生相應的狀態信號；

（9）根據步驟（3）和步驟（6）形成電容器投入觸發信號，觸發相應的電力電子開關導通；

（10）根據步驟（3）和步驟（8）形成電容器繼續工作觸發信號，維持電力電子開關的繼續工作；

（11）當切除電容器組時，將相應的投切控制信號置“切除”狀態，切除電容器。

該發明的裝置由電量測量與計算電路，零過渡過程檢測電路，投切控制電路，電力電子開關觸發電路和電容器組投切主電路所構成，其中：電量檢測與計算由輸入電路1，信號處理電路2和電量計算電路3所構成，且輸入電路1的輸入端分別通過電壓互感器PT_1-2和電流互感器CT_1-2引入線電壓u_ab、u_cb和線電路i_a、i_c，輸入電路1的輸出端接信號處理電路2的輸入端，信號處理電路2的輸出端接電量計算電路3的輸入端；投切控制由功能參數設定電路8，手動自動功能切換電路5，手動投切電路4，自動投切控制電路6，投切保護電路7所構成，且自動投切控制電路6的輸入端分別接電量計算電路3的輸出端、投切保護電路7的輸出端和功能參數設定電路8的輸出端，自動投切控制電路6的輸出端和手動投切電路4的輸出端分別接手動自動功能切換電路5的輸入端；電力電子開關觸發電路由與門&₁、&₂，或門H₁，觸發電路10，投切狀態記憶電路11，零過渡過程檢測電路12和同步系統9所構成，且與門&1的輸入端分別接手動自動功能切換5和零過渡過程檢測12的輸出端，與門&2的輸入端分別接手動自動功能切換5和投切狀態記憶電路11的輸出端，或門H₁的輸入端分別連線與門&1和與門&2的輸出端，觸發電路10的輸入端分別連線或門H₁的輸出端，觸發電路10的一個輸出端連線投切狀態記憶電路11，同步電路9的輸入端通過裝置斷路器QF₁與負荷空氣開關QF的電源側相連線入a、b、c三相電源，輸出端連線觸發電路10的輸入端。

電容器組投切主電路由電容器組C₁、C₂、C₃和電力電子開關PES_1a和PES_1c所構成，且電容器C₁、C₂和C₃接成三角形，其C₁和C₃的連線點a′、C₁和C₂的連線點b′、C₂和C₃的連線點c′分別連線零過渡過程檢測電路12的輸入端，電力電子開關PES_1a和PES_1c的控制輸入端分別引接觸發電路10的輸出端，電力電子開關PES_1a和PES_1c的另一輸入端和電容器C₁及C₂的連線點b′分別通過裝置斷路器QF₁與負荷空氣開關QF的電源側相連線入a、c、b三相電源，零過渡過程檢測電路12的另三個輸入端亦分別通過裝置斷路器QF₁與負荷空氣開關QF電源側相連線入a、b、c三相電源，電力電子開關PES_1a和PES_1c的輸出端分別與電容器C₁與C₃的連線點a′和C₂與C₃的連線點c′相連線。

電量測量與計算電路和投切控制電路的自動部分由積體電路或單片機構成。

電力電子開關觸發電路由電子電路組成，用於產生觸發脈衝。該觸發脈衝是10千赫頻率調製的寬脈衝，脈寬大於3毫秒。

電容器組投切主電路由兩相電力電子開關PES_1a和PES_1c構成，用於控制電力電容器的投切，即a相和c相分別經電力電子開關PES_1a、PES_1c接電容器的連線點aa′、c′，而裝置斷路器QF1負載側b相直接連線電容器C₁和C₂的連線點b′端。

改善效果

根據該發明製成的零過渡過程觸發的二相電力電子開關控制三相電容器投切裝置，具有如下特點：

1．投切操作無過渡過程

當電容器投入時，由於其投入的時刻取決於零過渡過程條件，而採用的電力電子開關導通的時間非常快，所以基本上可以近似在零過渡過程條件滿足時電力電子開關導通，這樣就不會出現過電流和過電壓。

採用不同的投切控制方法，通過多蹤示渡器觀察電容器電壓，電網上的電流和電壓波形，可以獲得不同的結果。採用有觸點開關投切或者無觸點開關在電力電子開關電壓最大或過零時觸發控制，反覆投切都會出現過電壓和過電流。而採用零過渡過程條件控制觸發的無觸點開關反覆投切，則沒有出現過電壓和過電流。

當電容器切除時，電力電子開關觸發脈衝為零（關閉或封鎖），主電路電流續流，在電流過零點後電力電子開關截止，這時電路沒有出現換路現象，因此不存在過渡過程。

2．主迴路結構簡單、元件少

由於採用二相裝設電力電子開關控制三相電容器（即二控三方式），因此可減少1/3的電力電子開關元件，另外控制觸發電路也要簡單些，裝置的體積減少，成本下降。

3．回響速度快、抑制電壓波動效果好

由於採用交流採樣和80C198單片機系統在正弦波的前半周進行計算，後半周進行控制，可使電容投切裝置的回響速度小於20毫秒，加上採用“8421”編碼聯接電容器組，可以只用四組電力電子開關投切15組三相電力電容器，因此，可以獲得無功補償速度快，靈敏度高，對電壓的劇烈波動具有較好抑制能力的效果。

附圖說明

附圖為《零過渡過程觸發二控三電容投切方法及裝置》的工作原理框圖。

權利要求

1、一種零過渡過程觸發二相電力電子開關控制三相電容器投切方法，其特性在於，該方法包括下列步驟：

（1）檢測兩個線電壓（u_ab）及（u_cb）和兩個線電流（i_a）及（i_c）；

（2）根據步驟（1）計算出電壓和電流的有效值和待補償無功功率Q；

（3）根據步驟（2）的計算結果，確定相應投切電容器組別，並發出相應的投切控制信號；

（4）檢測電力電子開關所在相（a，b）與另一相（c）之間的電源電壓（u_ab）、（u_cb）和電容器電壓（u_a’b’），（u_c’b’）；

（5）根據步驟（4）確定零過渡過程觸發條件，即確定電容器的投入時刻，電容器零過渡過程投入時刻為：

（1）

式中：X_c—電容器的容抗（Ω），；|Z|—電容器的阻抗（Ω），；φ—電容器的阻抗角（°），；α—電網電壓的初相角（°）；U_a—電網電壓的幅值（V）；u_c（O₊）—電容器上的殘餘電壓（V）；

（6）根據步驟（5）的零過渡過程觸發條件式（1）產生一個“零過渡過程檢測”信號；

（7）記憶已投切電容器的組別和運行狀態；

（8）根據步驟（7）產生相應的狀態信號；

（9）根據步驟（3）和步驟（6）形成電容器投入觸發信號，觸發相應的電力電子開關導通；

（10）根據步驟（3）和步驟（8）形成電容器繼續工作觸發信號，維持電力電子開關的繼續工作；

（11）當切除電容器組時，將相應的投切控制信號置“切除”狀態，切除電容器。

2.一種零過渡過程觸發二相電力電子開關控制三相電容器投切裝置，其特徵在於:

所述的電容投切裝置由電量測量與計算電路，零過渡過程檢測電路，投切控制電路，電力電子開關觸發電路和電容器組投切主電路所構成；其中：

電量檢測與計算電路計算電路由輸入電路（1），信號處理電路（2）和電量計算電路（3）所構成，且輸入電路（1）的輸入端分別通過電壓互感器（PT1，PT2）和電流互感器（CT1，CT2）引入線電壓（u_ab）、（u_cb）和線電流（i_a）、（i_c），輸入電路（1）的輸出端接信號處理電路（2）的輸入端，信號處理電路（2）的輸出端接電量計算電路（3）的輸入端；

投切控制電路由功能參數設定電路（8），手動自動功能切換電路（5），手動投切電路（4），自動投切控制電路（6），投切保護電路（7）所構成，且自動投切控制電路（6）的輸入端分別接電量計算電路（3）的輸出端，投切保護電路（7）的輸出端和功能參數設定電路（8）的輸出端，自動投切控制電路（6）的輸出端和手動投切電路（4）的輸出端分別接手動自動功能切換電路（5）的輸入端。

電力電子開關觸發電路由與門（&1）、（&2），或門（H₁），觸發電路（10），投切狀態記憶電路（11），零過渡過程檢測電路（12），同步電路9所構成，且與門（&1）的輸入端分別接手動自動功能切換（5）和零過渡過程檢測電路（12）的輸出端，與門（&2）的輸入端分別接手動自動功能切換（5）和投切狀態記憶電路（11）的輸出端，或門（瓦）的輸入端分別連線與門（&1）和與門（&2）的輸出端，觸發電路（10）的輸入端分別連線或門（HQ的輸出端，觸發電路（10）的一個輸出端連線投切狀態記憶電路（11），同步電路（9）的輸入端通過裝置斷路器QF_i與負荷空氣開關QF的電源側相連線入a、b、c三相電源，輸出端連線觸發電路（10）的輸入端。

電容器組投切主電路由電容器（C₁）、（C₂）、（C₃）和電力電子開關（PES_1c），（PES_2c）所構成，且電容器（C₁）、（C₂）和（C₃）接成三角形，電容器（C₁）和（C₃）的連線點（a′）、電容器（C₁）和（C₂）的連線點（b′）、電容器（C₂）和（C₃）的連線點（c′）分別連線零過渡過程檢測電路（12）的三個輸入端，電力電子開關（PES_1a）和（PES_1c）的控制輸入端分別引接觸發電路（10）的輸出端，電力電子（PES_1a）和（PES_1c）的另一輸入端以及電容器（C₁）和（C₂）的連線點（b′）分別通過裝置斷路器（QF₁）與負荷空氣開關（QF）的電源側相連線入（a）、（b）、（c）三相電源，零過渡過程檢測電路（12）的另三個輸入端亦分別通過裝置斷路器（QF₁）與負荷空氣開關（QF）電源側相連線入（a）、（b）、（c）三相電源，電力電子開關（PES_la）和（PESu）的輸出端分別與電容器（C₁）和（C₃）的連線點（a′）和（C₂）和（C₃）的連線點（c′）相連線。

3.根據權利要求2所述的零過渡過程觸發二相電力電子開關控制三相電容器投切裝置，其特徵在於：所述的電量測量與計算電路和投切控制電路的自動部分由積體電路或單片機構成。

4.根據權利要求2或3所述的零過渡過程觸發二相電力電子開關控制三相電容器投切裝置，其特徵在於：所述的電力電子開關觸發電路由電子電路組成，用於產生觸發脈衝。該觸發脈衝是10千赫頻率調製的寬脈衝，脈寬大於3毫秒。

5.根據權利要求2或3所述的零過渡過程觸發二相電力電子開關控制三相電容器投切裝置，其特徵在於：所述的電容器組投切主電路由兩相電力電子開關（PES_1a）和（PES_1c）構成，用於控制電容器的投切，即a相和c相分別經電力電子開關（PES_1a）、（PES_1c）接電容器的連線點（a′）、（c′），而裝置斷路器（QF1）負載側b相直接連線電容器（C₁）和（C₂）的連線點（b′）。

實施方式

輸入電路1的輸入端分別通過電壓互感器PT1，PT2和電流互感器CT1，CT2引入線電壓u_ab、u_cb和線電流i_a、i_c進行採樣，然後將信號送入信號處理電路2進行信號處理，經過信號處理後的信號被送入電量計算電路3，電量計算電路3計算出電壓、電流的有效值以及待補償無功功率Q，並輸出給自動投切控制電路6。自動投切控制電路6對相關信息進行處理，確定相應投切的電容器組別，產生投切控制信號輸出到手動自動功能切換電路5以便選擇運行方式，手動自動功能切換電路5的另一輸入端接手動投切電路4，當手動自動功能切換至自動時，投切控制信號分別與零過渡過程檢測電路12輸出的信號、投切狀態記憶電路11輸出的信號經“與門”&1，&2進行“與”運算輸出到“或門”H1，“或門”H1輸出驅動觸發電路10，觸發電路10進行信號放大和電磁隔離處理後觸發電力電子開關PES_1a和PES_1c。投切狀態記憶電路11記憶投切狀態信息，輸出相應的信號。零過渡過程檢測電路12輸入a相與b相，c相與b相之間的電源電u_ab、u_cb和電容器電壓u_a’b’、u_c’b’，提供零過渡過程觸發條件，即投入電容器組的時刻為式（1）。當零過渡過程條件滿足時，零過渡過程檢測電路輸出一個信號，如果此時投切控制電路也輸出一個“投入”（“1”）信號，那么相應的電力電子開關PES_1a，PES_1c將被觸發而導通。導通後通過投切狀態記憶電路11產生狀態信號，當投切控制電路輸出的“投入”（“1”）信號時，電力電子開關PES_1a，PES_1c不斷獲得觸發脈衝維持其導通狀態，若此時投切控制電路輸出一個“切除”（“0”）信號，則相應的電力電子開關由於不能獲得觸發脈衝，在其電流過零時自動截止，因而相應的電容器被零過渡過程切除。自動投切控制電路6的另兩個輸入端分別投切保護電路7和功能參數設定電路8。同步電路9給觸發電路10提供一個與電源電壓同步的信號。投切保護電路5在系統運行故障時，向自動投切控制電路6提供一個封鎖觸發的信號。功能參數設定電路8用於參數設定。

《零過渡過程觸發二控三電容投切方法及裝置》的實施例：一台0.4千伏，480千乏零過渡過程動態無功補償裝置。

輸入電路1、信號處理電路2、手動自動功能切換電路5、手動投切電路4、同步電路9和電力電子開關觸發電路由電子電路組成。電量計算電路3、自動投切控制電路6、投切保護電路7、功能參數設定電路8由單片機系統構成，通過計算機軟體實現電量計算、自動投切控制、投切保護等功能。

電力電子開關觸發電路由電子電路組成，觸發脈衝是10千赫頻率調製的寬脈衝，脈寬大於3毫秒。

電力電子開關PES_1a和PES_1c選用KP100-KP500（1600伏、100安-500安）的晶閘管；單台電力電容器C₁、C₂、C₃的三相容量為16千乏、0.4千伏，其中a、c相各接兩反並的晶閘管，b相直接從電源b相連線到電容器b，相。採用四組電力電子開關控制15組電容器。

電容器組別採用1248編碼連線，即第一組接1台三相電容器，第二組並聯2台三相電容器，第三組並聯4台三相電容器，第四組並聯8台三相電容器。

榮譽表彰

2014年11月6日，《零過渡過程觸發二控三電容投切方法及裝置》獲得第十六屆中國專利優秀獎。