[发明专利]一种高速响应无功控制器

说明书

一、所属技术领域

本发明涉及一种高速响应无功控制器，用于电力系统无功补偿控制，属节能节电和电能质量控制技术领域。

二、技术背景

终端用户对电网的补偿处理是节电和改善电能质量的重要途径。人们通过接入无功补偿装置、谐波治理装置等设备来实现这个目标，而无功控制器是这些设备的关键部件，由它来检测电流、电压及其相位的变化，并发出指令，控制电容器或电抗器的投切。

如所周知，在供用电系统中，有功功率、无功功率、视在功率具有如下的关系：

S²＝P²+Q²

式中：--功率因数，为功率因数角，相差角

P--有功功率，KW

Q--无功功率，Kvar

S--视在功率，KVA

设U、I为电压电流有效值，则S＝U.I而电压电流的瞬时值可表为

从以上各式可知，电流与电压间相差一角，用电系统负载大多是感性负载，所以电压超前电流角。测出任意周波电压超前电流的时间，即可求出功率因数通过高速跟踪投切来补偿感性负载，使功率因数接近1，就需要一种高性能的无功补偿控制器。

现有无功控制器技术通常由A/D转换器和单片机作为主件构成，这类控制器主要存在两个缺点：第一，单片机抗干扰能力差、常有程序乱码、飞程序等弊端出现，造成测试失效、判断失误等问题。第二，投切速度慢，需要测量1-2个周期的电流、电压进行运算，发出投切指令，要比动态实时变化滞后60-80ms。特别对负荷波动频繁，负荷变动幅值较大，三相负荷严重不平衡的情况，例如点焊、电焊，自动调节等，对这类用电设备(即短时间的冲击负荷)需要补偿的时间，如果控制器响应速度慢，当它补上去时冲击性负荷已经退下来了，就造成先为欠补偿后为过补偿的局面。此时常出现如下的表观现象：电压表、功率因数表明显摇摆，表明冲击负荷造成的电压暂降尚未得到治理。

三、发明内容

本发明提供一种高速响应无功控制器，具有运行稳定可靠，抗干扰能力强，检测判断准确，能快速发出投切指令的特点，可克服现有无功控制器的缺点和不足。

本发明的目的是通过以下途径实施的：

通过电压变换器和电流变换器获取电压、电流及其相位信息；利用过零比较器和峰值比较器，兼比正负半周，测得相角差；经由FPGA(现场可编程门阵列)或CPLD(复杂可编程逻辑器件)构成的功能模块运算判断；最后有LED显示并有多路指令输出给晶闸管，驱动无功补偿装置投切电容器或电抗器。

其中FPGA功能模块由脉冲发生器、异或门、计数器、D触发器、余弦函数表、相位补偿器、LED驱动、D/A输出等功能模块组成。LED驱动LED显示，D/A输出与多路晶闸管输出相连。

四、附图说明

图1本发明原理框图

图2波形图。其中v、i--电压、电流波形；VO、IO-过零比较器波形；Vm、Im-峰值比较器波形；T-功率因数角脉冲宽度

图3过零比较器原理图

图4过零比较器波形图

图5峰值比较器原理图

图6电流幅值比较器

图7双D触发器与异或门构成的鉴相器

图8计数器

五、具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供一种高速响应无功控制器，图1是本发明原理框图。控制器由信号采集单元、比较单元、功能模块单元及显示和驱动输出单元组成。供用电系统的电压、电流的瞬时值，通过电压变换器(1)和电流变换器(2)，送给比较器单元。变换器用小型互感器，把被测电压、电流信号变换成低电压(如2.5V)。这些电压电流信号经过过零比较器(3、7)、峰值比较器(4、8)，幅值比较器(5、9)，再经异或门(11)形成系列矩阵脉冲；同时，经D触发器构成的沿触发的计数器(12)记下矩形脉冲的占宽时间即对应功率因数角再经余弦函数表(14)查得功率因数值

图2列举了部分波形图。其中，v、i为采集的系统电压、电流波形，VO、IO为过零比较器波形，Vm、Im为峰值比较器波形，T为功率因数角脉冲宽度。在T行矩形脉冲中，1、3为过零比较器通过或异门产生的脉冲，其中1是正半周电压超前电流的相角产生的脉冲宽度，3是负半周电压超前电流的相角产生的脉冲宽度。2、4为峰值比较器通过或异门产生的矩形脉冲，其中2是正半周电压超前电流的相角产生的脉冲宽度，4为负半周电压超前电流的相角产生的脉冲宽度。经计数器(12)测出1-4任意脉冲宽度即是功率因数角