基于静态无功电压补偿的电压无功控制系统及控制方法与流程

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种基于静态无功电压补偿的电压无功控制系统及控制方法。

背景技术：

随着国民经济的高速发展和新农村建设的推动，农村居民生活水平得以快速提高。特别是近年来受“家电下乡”政策的鼓励，各种现地化电器迅速走入家庭，农村用电负荷性质从过去的阻性负荷趋于现在的感性负荷，对农村配电网供电可靠性、电能质量水平和无功配置能力提出了更高的要求。

然而，农村配电网具有供电半径大、负荷率低、季节性强和无功支撑不足的特点，普遍存在无功补偿容量不足或配置不合理等问题。终端电力用户所需无功功率主要由发电厂或上级变电站远距离输送，造成较高的线路损耗和较大幅度的电压损失。因此，在农村10kV供电线路中加装无功补偿装置，提升10kV线路功率因数，降低线路电压损耗显得很有必要。

考虑到电网阻抗主要呈电感性，负载也主要以阻感性为主，目前，配电网无功补偿装置以并联电容器为主，通常将电容器分组投切入电网，虽然该种电路结构具有控制简单、可靠性好的优点，但是其存在无法实现对无功功率的无级差调节的致命缺点，而且无功补偿无法做到闭环控制，控制精度极差。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种能够根据电网运行情况实时调整系统控制目标、实现电压无功复合控制、控制精准可靠的基于静态无功电压补偿的电压无功控制系统。

本发明的目的之二在于提供一种所述基于静态无功电压补偿的电压无功控制系统所采用的控制方法。

本发明提供的这种基于静态无功电压补偿的电压无功控制系统，包括若干台并联电容器及控制各台电容器接入电网的开关管，还包括晶闸管控制电抗器、电网电压采样模块、电网电流采样模块、信号调理模块、控制模块、电感开关驱动模块和电容开关驱动模块；晶闸管控制电抗器与若干台并联电容器并联接入电网；电网电压采样模块和电网电流采样模块分别采样电网的电压和电流，并将采样信号通过信号调理模块进行信号整理后输入到控制模块，控制模块根据采样得到的电网电压和电流发出控制信号，通过电感开关驱动模块和电容开关驱动模块驱动开关管或晶闸管工作，通过控制开关管的开通和关断控制接入电网的电容器的数目，同时通过控制晶闸管的导通角控制接入电网的电抗器。

所述的基于静态无功电压补偿的电压无功控制系统还包括报警模块；报警模块与控制单元连接，用于在所述控制系统工作异常时报警。

所述的基于静态无功电压补偿的电压无功控制系统还包括监控机和显示操作模块；显示操作模块通过监控机连接控制模块；监控机用于对所述控制系统的工作参数进行监控、显示和数据传输；显示操作模块用于对所述控制系统的工作状态进行显示，同时通过监控机对所述控制模块进行数据操作。

所述的晶闸管控制电抗器采用三角形连接，且每一条支路上均串接有一组电抗器，并由反并联的晶闸管作为电抗器的投切开关。

本发明还提供了所述基于静态无功电压补偿的电压无功控制系统的控制方法，包括如下步骤：

S1.对电网的三相电压和三相电流分别进行采样；

S2.根据步骤S1得到的采样值，检测出电网三相电压的有功分量ud和无功分量uq，电网三相电流的有功分量id和无功分量iq，并进一步得到三相电压的基波有功分量Ud和基波无功分量Uq，以及电网三相电流的基波有功分量Id和基波无功分量Iq；

S3.根据步骤S2得到的电压和电流的基波有功和无功分量计算得到电网电压的有效值U、有功功率P、无功功率Q和功率因数λ；

S4.根据事先设置的电网电压上限值Uoff、电压下限值Uon、过压值UH、欠压值UL、容性功率因数下限值λoff以及感性功率因数下限值λon，选取电网电压或功率因数作为控制目标；

S5.根据步骤S4选取的控制目标，计算电网最终需要补充的电纳值Bref；

S6.根据步骤S5得到的电纳值Bref，计算电网需要补充的容性电纳值BMSC和感性电纳值BTCR，并转换为并联电容器的开关管控制信号和晶闸管控制电抗器的晶闸管导通角σ；

S7.依据步骤S6得到的开关管控制信号控制并联电容器的开关管进行开通或者关断，同时依据步骤S6得到的晶闸管导通角σ对晶闸管的导通角进行控制，从而完成电网电压无功补偿控制。

步骤S3所述的计算电网电压的有效值U、有功功率P、无功功率Q和功率因数λ，具体为采用如下公式进行计算：

P＝Ud·Id+Uq·Iq

Q＝Uq·Id-Ud·Iq

步骤S4所述的依据事先设定的阈值选取电网电压或功率因数作为控制目标，具体为采用如下规则进行选取：

若Uon<U≤UH或UL≤U<Uoff，不论λ为何值，选择电压作为系统控制目标；

若Uoff≤U≤Uon，λ<λoff或λ<λon，则选择功率因数作为系统控制目标；

若Uoff≤U≤Uon，λoff≤λ或λ≥λon，电网运行电压和功率因数满足要求，维持原控制目标不变；

若U>UH或U<UL，电网过压或欠压，控制系统退出运行；

式中U为电网电压有效值。

步骤S6所述的转换得到并联电容器的开关管控制信号和晶闸管控制电抗器的晶闸管导通角σ，具体为采用如下步骤进行计算得到：

A.将并联电容器进行编号，用BMSCi表示第i组电容器对应的容性导纳，并用二值逻辑向量CB＝[xc1,xc2,…,xcn]表示原电容器的投切状态，二值逻辑向量CN＝[yc1,yc2,…,ycn]表示电容器的目标投切状态，N表示投切状态发生改变的电容器组数，其中xci,yci＝1(i＝1,2,…,n)表示第i组电容器为投入状态，xci,yci＝0(i＝1,2,…,n)表示第i组电容器为切除状态，n为MSC电容器组数；

B.并联电容器的目标补偿电纳值BMSC为且需要由晶闸管控制电抗器进行补偿的感性电纳值BTCR为BTCR＝Bref-BMSC；

C.以min BTCR(Bref,BMSC)和min N(CB,CN)为目标函数，求得CN和BTCR的最优解；

D.将步骤C得到的CN直接转换为并联电容器的开关管控制信号，并将根据下式将步骤C得到的BTCR转换为晶闸管的导通角σ：

式中XL为与晶闸管串联的电抗的感抗值。

本发明提供的这种基于静态无功电压补偿的电压无功控制系统及控制方法，可以根据系统运行情况，实时进行无功调节；可根据无功和电压调整需求，迅速、准确地得到并联电容器的投切控制开关动作次数最小，补偿容量配置最优的运行方案；可以保障系统电压和功率因数稳定，减少配电线路损耗，有效提高配电网运行经济性和电能质量水平，而且能够根据电网运行情况实时调整系统控制目标、实现电压无功负荷控制、控制精准可靠。

附图说明

图1为本发明的基于静态无功电压补偿的电压无功控制系统的电路模块示意图。

图2为本发明的控制方法的控制流程示意框图。

图3为本发明的控制方法中的控制目标选取示意图。

图4为本发明的具体实施例的仿真波形示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的基于静态无功电压补偿的电压无功控制系统的电路模块示意图：本发明提供的这种基于静态无功电压补偿的电压无功控制系统，包括若干台并联电容器及控制各台电容器接入电网的开关管、晶闸管控制电抗器、电网电压采样模块、电网电流采样模块、信号调理模块、控制模块、电感开关驱动模块、电容开关驱动模块、报警模块、监控机和显示操作模块；晶闸管控制电抗器采用三角形连接，且每一条支路上均串接有一组电抗器，并由反并联的晶闸管作为电抗器的投切开关；所述晶闸管控制电抗器与若干台并联电容器并联接入电网；电网电压采样模块和电网电流采样模块分别采样电网的电压和电流，并将采样信号通过信号调理模块进行信号整理后输入到控制模块，控制模块根据采样得到的电网电压和电流发出控制信号，通过电感开关驱动模块和电容开关驱动模块驱动开关管或晶闸管工作，通过控制开关管的开通和关断控制接入电网的电容器的数目，同时通过控制晶闸管的导通角控制接入电网的电抗器；报警模块与控制单元连接，用于在所述控制系统工作异常时报警；显示操作模块通过监控机连接控制模块；监控机用于对所述控制系统的工作参数进行监控、显示和数据传输；显示操作模块用于对所述控制系统的工作状态进行显示，同时通过监控机对所述控制模块进行数据操作。

如图2所示为本发明的控制方法的控制流程示意框图：本发明提供的这种基于静态无功电压补偿的电压无功控制系统的控制方法，包括如下步骤：

S1.对电网的三相电压和三相电流分别进行采样；

S2.根据步骤S1得到的采样值，检测出电网三相电压的有功分量ud和无功分量uq，电网三相电流的有功分量id和无功分量iq，并进一步得到三相电压的基波有功分量Ud和基波无功分量Uq，以及电网三相电流的基波有功分量Id和基波无功分量Iq；

S3.根据步骤S2得到的电压和电流的基波有功和无功分量，采用如下算式计算得到电网电压的有效值U、有功功率P、无功功率Q和功率因数λ：

P＝Ud·Id+Uq·Iq

Q＝Uq·Id-Ud·Iq

S4.根据事先设置的电网电压上限值Uoff、电压下限值Uon、过压值UH、欠压值UL、容性功率因数下限值λoff以及感性功率因数下限值λon，依据如下原则选取电网电压或功率因数作为控制目标(如图3所示)：

若Uon<U≤UH或UL≤U<Uoff，不论λ为何值，选择电压作为系统控制目标；

若Uoff≤U≤Uon，λ<λoff或λ<λon，则选择功率因数作为系统控制目标；

若Uoff≤U≤Uon，λoff≤λ或λ≥λon，电网运行电压和功率因数满足要求，维持原控制目标不变；

若U>UH或U<UL，电网过压或欠压，控制系统退出运行；

S5.根据步骤S4选取的控制目标，计算电网最终需要补充的电纳值Bref；

S6.根据步骤S5得到的电纳值Bref，计算电网需要补充的容性电纳值BMSC和感性电纳值BTCR，并依据如下步骤转换为并联电容器的开关管控制信号和晶闸管控制电抗器的晶闸管导通角σ：

A.将并联电容器进行编号，用BMSCi表示第i组电容器对应的容性导纳，并用二值逻辑向量CB＝[xc1,xc2,…,xcn]表示原电容器的投切状态，二值逻辑向量CN＝[yc1,yc2,…,ycn]表示电容器的目标投切状态，N表示投切状态发生改变的电容器组数，其中xci,yci＝1(i＝1,2,…,n)表示第i组电容器为投入状态，xci,yci＝0(i＝1,2,…,n)表示第i组电容器为切除状态，n为MSC电容器组数；

B.并联电容器的目标补偿电纳值BMSC为且需要由晶闸管控制电抗器进行补偿的感性电纳值BTCR为BTCR＝Bref-BMSC；

C.以min BTCR(Bref,BMSC)和min N(CB,CN)为目标函数，求得CN和BTCR的最优解；

D.将步骤C得到的CN直接转换为并联电容器的开关管控制信号，并将根据下式将步骤C得到的BTCR转换为晶闸管的导通角σ：

式中XL为与晶闸管串联的电抗的感抗值；

S7.依据步骤S6得到的开关管控制信号控制并联电容器的开关管进行开通或者关断，同时依据步骤S6得到的晶闸管导通角σ对晶闸管的导通角进行控制，从而完成电网电压无功补偿控制。

图4为本发明的具体实施例的仿真波形示意图：在0.4s时，检测到电压突然上升，电压越上限，选择电压为系统控制目标，采用本发明的控制方法，经过控制，系统电压在0.08s之后趋于稳定；而在0.6s时，检测到电压突然跌落，电压越下限，选择电压为系统控制目标，通过补偿又使得电压很快地回升至参考值。