感知電網電壓下降的柔性負荷自主控制器的制作方法

本實用新型涉及一種感知電網電壓下降的柔性負荷自主控制器，屬于電力系統柔性負荷控制技術領域。

背景技術：

近年來，隨著環境污染問題的日益凸顯和傳統煤炭能源的日益減少，風能、太陽能等分布式清潔能源的比重越來越大，但是分布式清潔能源存在可控性差、間歇時間不定等不足，因而國家電網不斷改善電網結構，由自給自足的區域電網轉變為大型受端電網，該方式能夠實現電力資源在全國范圍內的調度，使得電能被有效配置。但是也面臨著諸多新的問題，比如：跨區域電力輸送通道因各種意外原因而突然停運，將直接對大受端電網的安全穩定運行造成較大的沖擊。因此，如何在電網供電能力發生較大變化時有效快速地柔性調整用戶負荷，最大幅度地維持電網電壓和頻率的穩定已成為迫切需要解決的新問題。因此，迫切需要充分利用基于用戶負荷柔性化控制的技術，研究面向用戶設備終端的新型自主柔性控制技術，為電力大范圍互聯下的電網穩定運行提供保障。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種感知電網電壓下降的柔性負荷自主控制器，解決現有技術中因電網供給有功功率不足導致電網頻率下降、電網頻率調控能力差的技術問題。

為解決上述技術問題，本實用新型所采用的技術方案是：感知電網電壓下降的柔性負荷自主控制器，包括順序連接的：電網電壓主動感知模塊、微控制器和柔性負荷控制執行模塊；所述柔性負荷控制執行模塊包括：固態繼電器模塊、插座本體和紅外遙控器，所述微控制器通過固態繼電器模塊控制插座本體的通電或斷電；所述紅外遙控器與家用空調信號連接，所述插座本體與除家用空調外的柔性負荷或純阻性負荷電連接；

所述電網電壓主動感知模塊實時監測電網電壓，微控制器根據電網電壓下降幅度判斷是否切斷插座本體的電力供應或者通過紅外遙控器降低家用空調的用電功率。

所述電網電壓主動感知模塊包括順序連接的：用于采集電網相電壓的電壓互感器、用于濾除諧波干擾的低通濾波器和用于將正弦交流信號轉換為直流有效信號的真有效值轉換模塊；

電壓互感器將電網信號轉換為低壓正弦信號，經低通濾波器濾除低壓正弦信號中的諧波信號，輸出至真有效值轉換模塊，真有效值轉換模塊低通濾波器輸出的正弦交流信號轉換為直流有效信號，并傳送至微控制器。

所述低通濾波器采用集成運算放大器AD648搭建低通有源濾波器電路，有源低通濾波器的-3dB截止頻率為63.7Hz。

所述微控制器采用AVR單片機。

所述純阻性負荷包括：電熱取暖器、熱水器、電熱扇和電暖氣；

所述柔性負荷包括：家庭照明負荷、電視機、DVD、家用音響；

所述微控制器通過輸出PWM方波，以斬波調壓的方式調節純阻性負荷的負荷大小；通過控制固態繼電器模塊的通斷電來控制柔性負荷是否接入電網。

與現有技術相比，本實用新型所達到的有益效果是：

1、能夠實時感知電網的供電電壓，當電網有功功率不足而導致電網電壓下降時，它能通過紅外遙控器柔性降低家用空調負荷，能通過固態繼電器模塊柔性降低純阻性負荷；

2、當電網電壓下降幅度較大時，能通過固態繼電器模塊切掉柔性負荷，從而保證電網電壓和頻率的穩定，保證電網穩定運行，當電網電壓恢復時，它能將柔性負荷逐步恢復到原始狀態；

3、以插座的外在形式實現家居負荷柔性化控制，利于改造和推廣應用，并且挖掘家居用電戶參與電網穩定調節，實現柔性精細化負荷控制，提升電網的電壓調控能力，保持電網運行的穩定。

附圖說明

圖1是本實用新型提供的感知電網電壓下降的柔性負荷自主控制器的電路原理框圖。

圖2是圖1中電網電壓主動感知模塊的電路圖。

圖3是圖1中微控制器與柔性負荷控制執行模塊的連接電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護范圍。

如圖1所示，一種感知電網電壓下降的柔性負荷自主控制器，主要包括三部分：電網電壓主動感知模塊、微控制器和柔性負荷控制執行模塊。

微控制器的核心控制器采用AVR單片機，AVR單片機的輸入口為模擬信號輸入口，輸出口為開關量信號輸出口。AVR單片機是ATmega16單片機，該單片機是由意大利Atmel公司研制，是一款性能優越的8位精簡指令集單片機，它內部集成有10位高精度模數轉換器。

電網電壓主動感知模塊包括順序連接的：電壓互感器、低通濾波器和真有效值轉換模塊：電壓互感器的感應端接入電阻，從而將單相交流電源的線電壓信號轉換為低壓正弦信號；低壓正弦信號輸出至低通濾波器，低通濾波器濾除低壓正弦信號中的諧波干擾后輸出至真有效值轉換模塊，真有效值轉換模塊將濾除諧波干擾的低壓正弦信號轉換為直流有效值信號。

如圖2所示，是電網電壓主動感知模塊的電路圖。電網電壓主動感知模塊的輸入是220V單相交流電源。220V單相交流電源首先進入電壓互感器，電壓互感器采用精密2mA/2mA電流型電壓互感器。220V單相交流電通過電阻R3接入電壓互感器P1一次側。電壓互感器P1的二次側通過1.5千歐的電阻R4；220V交流電壓經過電壓互感器后轉換為最高幅值為3V的低壓正弦信號，該低壓正弦信號進而傳入低通濾波器。

低通濾波器是采用AD648運放、電阻R1、電阻R2、電容C1搭建的有源低通濾波器，該有源低通濾波器的-3dB截止頻率為63.7Hz。經過低通濾波器后，最高幅值為3V的正弦信號濾掉高次諧波干擾信號，只剩下頻率為50Hz的基波正弦信號。該基波正弦信號進而傳入真有效值轉換模塊中。

真有效值轉換采用集成AD536芯片，AD536芯片是由美國AD公司研發的真有效值轉直流值的單片集成電路。它可以計算最高300kHz的任何周期信號。利用外部的參考電壓可以很方便地設置0dB電平，使其對應于從0.1V到2V之間的任何有效值。AD536芯片的引腳1接入經過低通濾波器后的50Hz的基波信號，引腳6輸出50Hz的基波信號的電壓有效值，并接入AVR單片機的PA0口，PA0口是AVR單片機的模數轉換器輸入口。引腳14和引腳3分別接±15V電源，電容C2為濾波電容，用于減少有效值輸出口的紋波。

單相交流電源除與電網電壓主動感知模塊電連接外，還與柔性負荷控制執行模塊電連接，作為柔性負荷控制執行模塊的供電電源。

柔性負荷控制執行模塊包括固態繼電器模塊、插座本體以及紅外遙控器。紅外遙控器連接到AVR單片機的輸出口，AVR單片機通過發射紅外遙控信號來調節空調負荷。固態繼電器模塊包含6個固態繼電器，6個固態繼電器的一次端都接入到單相交流電源中，6個固態繼電器作為開關控制6路單相交流電源的通斷，該6路單相交流電源分別接到插座本體的6個插座孔中。插座本體的6個插座孔中，有3個插座口為A口，用于調節純阻性負荷，另外3個插孔為B口，用于控制柔性負荷。固態繼電器模塊的控制端連接到AVR單片機的輸出口。

如圖3所示，是微控制器與柔性負荷控制執行模塊的連接電路圖。紅外遙控器的控制端連接到AVR單片機的PB0口，六路固態繼電器的控制端分別通過其驅動電路連接到AVR單片機的PB1～PB6口，由于六路固態繼電器的電路完全相同，故圖3中只列了六路固態繼電器中的第一路固態繼電器和第四路固態繼電器。紅外遙控器用于柔性調節空調負荷。固態繼電器模塊用于純阻性負荷的柔性控制和柔性負荷的通斷控制。

紅外遙控器主要由ATmega16單片機的PB0口控制。紅外遙控器的核心器件是紅外發射管DS1。紅外發射管DS1可以發出波長為940納米的紅外光信號。本實用新型采用8050三極管Q1組成功率放大電路驅動紅外發射管DS1。12V的電源電壓經過R5限流后通過三極管的開斷作用控制紅外發射管DS1。紅外遙控信號采用38.5KHZ方波信號對紅外光進行調制。微控制器中集成有多種不同品牌的家用空調遙控協議，從而可以控制不同品牌，不同型號的家用空調控制。

固態繼電器模塊用于純阻性負荷的柔性控制以及柔性負荷的通斷控制。固態繼電器是采用場效應管或者可控硅來實現快速斷開和閉合的繼電器。本實用新型采用PWM脈寬調制技術，通過固態繼電器的快速開關功能，實現對家居中純阻性負荷的柔性控制。純阻性負荷如電熱取暖器、熱水器、電熱扇和電暖氣等。圖3中只列出了第一路固態繼電器的電路原理圖。第一路固態繼電器連接到插座本體的插孔A，用于實現對純阻性負荷的柔性控制。PA1口經過電阻R7接入三極管Q2的基極，三極管Q2實現了PD3口控制信號的功率放大，進而控制固態繼電器K1的二次端，進而控制固態繼電器K1一次端的開合。通過PWM脈寬調制技術，通過對220V交流電源的斬波作用，柔性降低每個20ms正弦周期內的電源接通時間寬度，進而降低交流電源的電壓有效值，從而實現了對純阻性負荷的功率控制。

固態繼電器模塊也可以用于控制除家用空調之外的柔性負荷的通斷。柔性負荷是指家居中不能被線性柔性控制，但是也不是非剛需負荷，包括：家庭照明負荷、電視機、DVD、家用音響等。當電網電壓下降時，可選擇性切掉柔性負荷。圖3中列出了第四路固態繼電器電路原理圖，第四路固態繼電器連接到插座本體的插孔B，用于實現對柔性負荷的通斷控制。AVR單片機的PB4口由三極管Q3進行功率放大，進而控制交流電磁繼電器K2的二次控制端，電磁繼電器K2的一次端接到220V交流電源中。220V交流電經過電磁繼電器K2的一次觸點接到插座本體中，室內柔性負荷接入到插座中。當PB4為低電平時，三極管Q3截止，電磁繼電器K2線圈失電，從而電磁繼電器K2一次端觸點斷開，柔性負荷切掉。當PB4為高電平時，三極管Q3飽和導通，電磁繼電器K2線圈得電，從而電磁繼電器K2一次端觸點閉合，柔性負荷恢復接入。

感知電網電壓下降的柔性負荷自主控制器的控制方法，微控制器通過電網電壓主動感知模塊實時監測電網電壓數值，當電網電壓下降時，微控制器能根據電網電壓下降程度不同而立即柔性降低家居負荷。由于采用固態繼電器進行調節，該柔性降低動作可在一毫秒時間內完成，從而第一時間有效輔助電網調度中心對電網的負荷調節，維持電網電壓的穩定。

當微控制器通過電網電壓主動感知模塊感知到電網電壓低于額定電壓的95％且大于90％時，微控制器立即通過紅外遙控器柔性調節設定溫度和當前溫度的差值，從而柔性降低空調負荷大小。AVR單片機通過PB0口輸出紅外遙控器命令信號，該信號經過三極管Q1放大后，由紅外發光管DS1發出。該命令信號柔性調整設定溫度，根據當前電網電壓下降程度柔性調節空調設定溫度和當前室內溫度的差值，從而柔性調節空調負荷大小。同時，AVR單片機根據電網電壓下降程度，控制PB1口輸出不同占空比的PWM方波，該方波通過固態繼電器K1的斬波作用，控制正弦交流電源在一個周期內的不同時刻進行通斷，從而改變正弦交流電的有效值。電網電壓下降程度線性對應純阻性負荷的供電電壓有效值。

當微控制器通過電網電壓感知模塊感知到電網電壓低于額定電壓的90％時，微控制器立即通過紅外發射管DS1發出命令信號，關閉空調負荷。立即通過固態繼電器模塊關斷純阻性負荷和柔性負荷，從而使得家居負荷降低到最小，保證電網供電電壓的穩定性。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本實用新型的保護范圍。