一种瞬时功率因数补偿控制方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种瞬时功率因数补偿控制方法及系统，本发明通过实时采集三相系统电压、系统电流以及补偿装置的电流，获得三相负载电流；将负载电流分解出有功电流、无功电流分量，并由此计算出负载瞬时功率因数PFL；根据给定的目标功率因数PFref、负载瞬时功率因数计算无功控制量幅值Iqref以及三相无功控制量瞬时值iqref，该三相无功补偿控制量的瞬时值即为所求的补偿装置三相电流补偿控制指令瞬时值。本发明通过实时计算负载瞬时有功电流分量、无功电流分量来获得负载瞬时功率因数，避免了原有算法对于快速变化负载跟踪实时性差，响应速度慢的问题；并且通过功率因数控制单元直接计算出瞬时功率因数控制量，解决了原有方法PI调节器实时性差的问题。
【专利说明】
-种瞬时功率因数补偿控制方法及系统
技术领域
[0001] 本发明设及一种瞬时功率因数补偿控制方法及系统，属于电力无功补偿技术领 域。
【背景技术】
[0002] 电力系统中无功功率的存在会增加设备的容量、增加设备及线路的损耗、增大线 路压降，从而造成电压波动及闪变、电压暂降W及设备电能利用率降低等一系列电能质量 问题。在输配电系统中应用无功补偿设备进行治理，主要有两类:静态无功补偿装置与动态 无功补偿装置。静态无功补偿装置主要为并联固定电容器，结构简单，成本低，维护方便，因 此得到了广泛的应用，但它也存在只能补偿感性无功，不能连续调节，并且可能与系统谐波 发生并联谐振，放大谐波电流，损害电容器等缺点；而动态无功补偿装置主要有静止无功补 偿器、静止同步补偿器两大类，它们通过采集负载电流、根据无功检测算法W及电流跟踪技 术，实时跟踪负载无功功率变化，并进行动态无功功率的补偿，具有响应速度快、无并联谐 振问题，工作范围更广、治理电压波动及闪变问题效果更好等优点，目前动态无功补偿装置 正逐步取代静态无功补偿装置，尤其是静止同步补偿器，代表了无功补偿领域发展的方向。 动态无功补偿装置无功检测及控制方法的性能将直接影响无功补偿设备的工作性能。因此 准确、实时地检测出无功成分，并进行实时快速补偿，是无功补偿设备对无功功率进行精确 补偿，提高功率因数的前提。目前W功率因数作为补偿目标的方法主要有:基于基波周期的 功率因数补偿控制方法。
[0003] 基于基波周期的功率因数补偿控制方法，如图1所示，通过连续采集计算时间t内 (通常采集时间为基波周期、1/2基波周期或1/4基波周期）的电压、电流模拟量信号，再经过 模拟量有效值计算和功率计算，获得计算时间t内的平均功率因数，然后与目标功率因数做 相应的比较控制获得控制量，经过电压锁相后，结合控制量获取并网补偿控制指令，实现动 态功率因数补偿控制。此种方法需采集计算时间t内模拟量信号后计算有效值、功率等量才 能分析出功率因数，最后才能生成控制指令，最快响应时间也只能做到1/4基波周期，并且 计算的功率因数只反映计算时间t内的平均功率因数，因此对于快速变化的负载，此种检测 控制方法动态跟踪补偿实时性差，响应速度慢，稳态误差较大；同时，由于此种方法计算出 功率因数后，采用与目标功率因数做比较的方式获得控制量，运种比较通常为PI调节器或 单P调节器，当采用PI调节器时，对于负载变化不大的场合，可W实现一定的误差跟踪控制， 但是由于采用PI调节器，生成的控制量时需通过上次的控制量不断积分来获得新的控制 量，中间需要积分一定时间（通常几个计算时间t，与PI参数有关)才能达到目标控制量，并 且每一个计算时间t(最快1/4基波周期)后才能反映出之前控制量的控制补偿效果，因此控 制误差仍然较大，尤其是当采用单P调节器时，补偿误差更大。而且当系统器件参数由于环 境溫度、湿度、气压、老化程度等原因发生变化，如动态无功补偿设备中并网电抗器、电容器 发生参数变化后，此种方法不具备自调节能力来弥补器件参数变化造成的控制误差问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种瞬时功率因数补偿控制方法及系统，W解决基于基波周 期的功率因数补偿控制在负载快速变化的场合响应速度慢的问题。
[0005] 本发明为解决上述技术问题而提供一种瞬时功率因数补偿控制方法，该补偿控制 方法包括W下步骤：
[0006] 1)根据=相系统电流和动态补偿装置输出的=相电流计算=相负载电流iLa、iLb、 ilc；
[0007] 2)根据计算得到的=相负载电流和=相系统电压锁相角计算负载电流的有功分 量Ilp、无功分量ILq和负载瞬时功率因数PFl;
[0008] 3)根据给定的目标功率因数W及步骤2)中得到负载电流的有功分量Ilp、无功分量 ILq和负载瞬时功率因数肌计算目标功率因数控制时的无功补偿控制量Iqref ^及；相无功 补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref^S相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、 ic_qref即为所求的补偿装置=相电流补偿控制指令瞬时值。
[0009] 为了弥补器件参数变化造成的控制误差问题，该方法还包括对步骤3)中得到的= 相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、iE_qref进行自调节的过程，具体步骤如下：
[0010] A.将=相系统电流分解出有功电流分量、无功电流分量W及补偿后的系统瞬时功 率因数；
[0011] B.根据目标功率因数与A中得到的补偿后系统瞬时功率因数，采用自调节控制器 计算出自调节系数PF_K;
[0012] C.根据步骤B中获得的自调节系数PF_K对步骤3)中获得的=相无功补偿控制量的 瞬时值13_。,6:、心。,6:、1。_。,6:进行调节，从得到调节后动态补偿装置的立相补偿指令1\_。,6:、 i Vqref、，并根据运^相补偿指令对设备进行补偿。
[001引步骤帥调节后动态补偿装置立相的补偿指令i\_qref、iYqref、^_qref的计算公式 为：
[0014] i*a_qref=(l+PF_K)Xia_qref [001 引 i*bjref= (1+PF-K) X ibjref
[0016] i*c_qref=(l+PF_K)Xic_qref
[001 7]其中，i\_qref为自调节后补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培;i Vqref 为自调节后补偿装置8相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；自调节后，补偿装 置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培;PFJ(为自调节系数；ia_qref为自调节前，补偿装 置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ib_qref为自调节前，补偿装置B相电流补偿控制 指令瞬时值，单位安培；ia_qref为自调节前，补偿装置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安 培。
[0018]所述步骤1)中S相负载电流的计算公式为：
[0019；
[0020] 其中iLa为负载电流A相电流瞬时值，单位安培；iLb为负载电流B相电流瞬时值，单 位安培；iL。为负载电流C相电流瞬时值，单位安培；isa为系统电流A相电流瞬时值，单位安 培；isb为系统电流財目电流瞬时值，单位安培；iSc为系统电流讨目电流瞬时值，单位安培；iGa 为无功补偿装置A相输出电流瞬时值，单位安培;icb为无功补偿装置B相输出电流瞬时值，单 位安培;ie。为无功补偿装置C相输出电流瞬时值，单位安培。
[0021] 所述步骤2)中负载电流有功电流分量Ilp、无功电流分量ILqW及负载瞬时功率因 数PFl的计算公式为：
[0022]
[0023]
[0024] 其中Up为负载电流有功电流分量，单位安培；Iu为负载电流无功电流分量，单位 安培；ka为负载电流A相电流瞬时值，单位安培；kb为负载电流B相电流瞬时值，单位安培； U。为负载电流C相电流瞬时值，单位安培;03为系统A相电压锁相角，单位度;0b为系统B相电 压锁相角，单位度;9。为系统C相电压锁相角，单位度;Ph为负载瞬时功率因数。
[002引无功补偿控制量1。,6:^及；相无功补偿控制量的瞬时值13_。,6:、山。,6:、1。_。,6撕计 算公式如下：
[0026] Iqref= I Lq-Wem
[0027]
[002引 ia_qref=IqrefXc0S0a
[0029] ib_qref=Iqref Xc〇S0b
[0030] ic_qref=Iqref XCOS0〇
[0031] 其中，ia_qref为自调节前补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ib_qref 为自调节前补偿装置B相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培;it_qref为自调节前补偿装置C 相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；Iqref为目标功率因数控制时检测出的无功补偿控 制量，单位安培;0。为系统A相电压锁相角，单位度;0b为系统B相电压锁相角，单位度;0。为系 统C相电压锁相角，单位度。
[0032 ]系统电流有功电流I Sp、无功电流I Sq分量W及补偿后系统瞬时功率因数PFs由S相 系统电流is、系统电压锁相获得的=相电压锁相角0计算得到，计算公式如下：
[0033]
[0034] 其中，Isp为系统电流有功电流分量，单位安培；Isq为系统电流无功电流分量，单位 安培；isa为系统电流A相电流瞬时值，单位安培；isb为系统电流B相电流瞬时值，单位安培； is。为系统电流C相电流瞬时值，单位安培;0a为系统A相电压锁相角，单位度;0b为系统B相电 压锁相角，单位度;9。为系统C相电压锁相角，单位度;PFs为系统瞬时功率因数。
[0035] 本发明还提供了一种瞬时功率因数补偿控制系统，该控制系统包括负载电流计算 单元、负载有功无功电流计算单元、电压锁相单元和功率因数控制单元，
[0036] 所述负载电流计算单元用于根据=相系统电流和动态补偿装置输出的=相电流 计算S相负载电流iLa、iLb、iLc;
[0037] 所述电压锁相单元用于对系统进行锁相W获取S相电压锁相角0a、0b、0c;
[0038] 所述负载有功无功电流计算单元用于根据负载电流计算单元计算得到的=相负 载电流iLa、iLb、iLc和电压锁相单元得到的；相系统电压锁相角0a、0b、0c计算负载电流的有 功分量Ilp、无功分量ILq和负载瞬时功率因数PFl;
[0039] 所述功率因数控制单元用于根据给定的目标功率因数W及负载有功无功电流计 算单元得到的负载电流的有功分量Ilp、无功分量ILq和负载瞬时功率因数PFl计算目标功率 因数控制时的无功补偿控制量I qref W及S相无功补偿控制量的瞬时值i a_qref、i b_qref、 ic_qref，该S相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、iE_qref即为所求的补偿装置S相电流 补偿控制指令瞬时值。
[0040] 该系统还包括对功率因数控制单元得到的S相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、 ib_qref、iG_qref进行自调节的系统有功无功电流计算单元、自调节系数计算单元和自调节指 令计算单元，
[0041] 所述系统有功无功电流计算单元用于将=相系统电流分解出有功电流分量Isp、无 功电流分量IsqW及补偿后的系统瞬时功率因数PFs;
[0042] 所述自调节系数计算单元用于根据目标功率因数与系统有功无功电流计算单元 得到的补偿后系统瞬时功率因数PFs,采用自调节控制器计算出自调节系数PF_K;
[0043] 所述自调节指令计算单元用于根据自调节系数计算单元获得的自调节系数PF_K 对功率因数控制单元获得的S相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、iG_qref进行调节， W得到调节后动态补偿装置的S相补偿指令托_9,6!、1心9,6!、托_。,6!，并根据运；相补偿指 令对设备进行补偿。
[0044] 所述的系统有功无功电流计算单元、电压锁相单元和负载有功无功电流计算单元 前均增设有滤波器，分别用于在各单元计算前对系统电流、系统电压和负载电流进行滤波， 使滤波后的系统电流、系统电压和负载电流只包含有基波分量。
[0045] 本发明的有益效果是:本发明通过实时计算负载瞬时有功电流分量、无功电流分 量来获得负载瞬时功率因数，无需采集一定时间内（最快需1/4基波周期)模拟量来计算电 压、电流有效值、功率W及功率因数，避免了原有算法对于快速变化负载跟踪实时性差，响 应速度慢的问题;并且通过功率因数控制单元可直接计算出瞬时功率因数控制量，无需如 原有算法通过采用PI调节器积分的方式获取控制量，因此解决了原有方法PI调节器实时性 差的问题。
[0046] 同时本发明还通过闭环反馈控制，实时计算补偿后系统瞬时有功电流分量、无功 电流分量来获得补偿后系统瞬时功率因数，反馈的系统瞬时功率因数经过自调节系数生成 单元，可实时获取稳态自调节系数，动态修正控制误差，实现目标功率因数的无差控制，解 决了原有方法在负载快速变化的场合或系统器件参数由于环境溫度、湿度、气压、老化程度 等原因发生变化，引起较大的稳态误差问题。
[0047] 本发明在电压、电流崎变场合引入对负载电流、系统电流W及系统电压进行滤波 的滤波器，滤除谐波后，剩余的基波分量再进行瞬时功率因数补偿控制，避免了电流、电压 崎变对功率因数补偿控制性能的影响。
【附图说明】
[0048] 图1是传统的基于基波周期的功率因数补偿控制系统的结构图；
[0049] 图2是本发明瞬时功率因数补偿控制系统实施例一的结构示意图；
[0050] 图3是本发明瞬时功率因数补偿控制系统实施例二的结构示意图；
[0051] 图4是本发明瞬时功率因数补偿控制系统实施例S的结构示意图；
[0052] 图5是本发明实施例中瞬时功率因数补偿控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0053] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步的说明。
[0054] 本发明瞬时功率因数补偿控制系统的实施例一
[0055] 本实施例中的瞬时功率因数补偿控制系统如图2所示，包括负载电流计算单元、负 载有功无功电流计算单元、电压锁相单元和功率因数控制单元。该系统通过负载有功无功 电流计算单元实时计算负载瞬时有功电流分量、无功电流分量来获得负载瞬时功率因数， 并通过功率因数控制单元计算出瞬时功率因数控制量。该单元的具体工作过程如下：
[0056] 负载电流计算单元用于根据=相系统电流和动态补偿装置输出的=相电流计算 二相负载电流iLa、iLb、iLc，所米用的二相负载电流的计算公式为： 剛
(1)
[0058] 其中Ua为负载电流A相电流瞬时值，单位安培；kb为负载电流B相电流瞬时值，单 位安培；k。为负载电流C相电流瞬时值，单位安培；isa为系统电流A相电流瞬时值，单位安 培；isb为系统电流財目电流瞬时值，单位安培；isc为系统电流讨目电流瞬时值，单位安培；iGa 为无功补偿装置A相输出电流瞬时值，单位安培;icb为无功补偿装置B相输出电流瞬时值，单 位安培;ic。为无功补偿装置C相输出电流瞬时值，单位安培。
[0059] 电压锁相单元对系统进行锁相W获取S相电压锁相角03、06、0。，本实施例中电压 锁相单元采用的锁相方法为:将旋转的=相电压信号转化成旋转两相坐标系上的分量，通 过两相愉掉处际态h的A冨后TF巧傳靴姑角，计算公式为； 闺 心
[0061 ] (3)
[0062] 当Ua>0,化《0时
[0063] 目 3=目 0 (4)
[0064] 当 Ua^O，化 >0 时 [00化]目 3= 180-目 0 (5)
[0066] 当Ua《0,化>0时
[0067] Ba= 180+00 (6)
[006引 当Ua《0,化《0时
[0069] 目 a = 360-目 0 (7)
[0070] 由A相锁相角目a计算B、C两相锁相角目b、白C :
[0071] 0b = 0a-12〇 (8)
[0072] 目 C=目 a+120 (9)
[0073] 其中，Ua为旋转两相坐标系a轴分量，单位伏;Ue为旋转两相坐标系0轴分量，单位 伏;Ua为系统A相相电压瞬时值，单位伏;Ub为系统B相相电压瞬时值，单位伏;Uc为系统C相相 电压瞬时值，单位伏;为滤波后系统A相相电压瞬时值，单位伏;iA为滤波后系统B相相电 压瞬时值，单位伏;扣为滤波后系统讨时姑压瞬时值，单位伏；00为锁相角度值，单位度;03 为系统A相电压锁相角，单位度;0b为系统B相电压锁相角，单位度;0。为系统C相电压锁相角， 单位度。
[0074] 负载有功无功电流计算单元根据负载电流计算单元计算得到的=相负载电流iLa、 iLb、iLc和电压锁相单元得到的；相系统电压锁相角0a、0b、0c计算负载电流的有功分量Ilp、 无功分量ILq和负载瞬时功率因数肌，其所采用的计算公式如下：
W 对 ，:1。）
[0076] (11)
[0077] 其中Up为负载电流有功电流分量，单位安培；Iu为负载电流无功电流分量，单位 安培；ka为负载电流A相电流瞬时值，单位安培；kb为负载电流B相电流瞬时值，单位安培； U。为负载电流C相电流瞬时值，单位安培;03为系统A相电压锁相角，单位度;0b为系统B相电 压锁相角，单位度;9。为系统C相电压锁相角，单位度;Ph为负载瞬时功率因数。
[0078] 功率因数控制单元根据给定的目标功率因数W及负载有功无功电流计算单元得 到的负载电流的有功分量Ilp、无功分量ILq和负载瞬时功率因数PFl计算目标功率因数控制 时的无功补偿控制量Iqref ^及^相无功补偿控制量的瞬时值 无功补偿控制量的瞬时值13_。,6:、1^,6:、1。_。,6:即为所求的补偿装置；相电流补偿控制指令 瞬时值。
[0079] 无功补偿控制量Iuref的计算公式为：
[0080]
(12)
[0081] I 町 Gf=Iu-Wem (13)
[0082] 或采用W下公式计算Iqref:
[0083]
(14)
[0084] 功率因数控制单元在获得无功补偿控制量Iqref后，需根据S相的锁相角0的余弦 函数将检测出的无功补偿控制量Iqref转化为瞬时值，无功补偿控制量Iqref为正值时，表示为 负载容性无功电流，补偿装置需输出感性无功电流进行补偿;为负值时，表示为负载感性无 功电流，补偿装置需输出容性无功电流进行补偿，因此；相补偿控制指令ia_qref、ib_qref、 ic_qref计算公式为：
[00 化]ia_qref=IqrefXc〇S0a (15)
[0086] ib_qref=Iqref Xc〇S0b (16)
[0087] ic_qref=Iqref XCOS0〇 (17)
[008引其中，ia_qref为自调节前补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ib_qref 为自调节前补偿装置B相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培;it_qref为自调节前补偿装置C 相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；Iqref为目标功率因数控制时检测出的无功补偿控 制量，单位安培。
[0089] 本发明瞬时功率因数补偿控制系统的实施例二
[0090] 为了弥补器件参数变化造成的控制误差问题，本发明在实施例一的基础上对功率 因数控制单元得到的S相无功补偿控制量的瞬时值i a_qref、i Mref、i E_qref进行自调节，如图3 所示，该系统在实施例一的基础上，还包括有系统功无功电流计算单元、自调节系数计算单 元和自调节指令计算单元。该系统的工作过程如下：
[0091] 系统有功无功电流计算单元将=相系统电流分解出有功电流分量ISp、无功电流分 量IsqW及补偿后的系统瞬时功率因数PFs,其采用的公式为：
C18)
[0093] .(巧）
[0094] 自调节系数计算单元用于根据目标功率因数与系统有功无功电流计算单元得到 的补偿后系统瞬时功率因数PFs,采用自调节控制器计算出自调节系数PF_K，用于减小控制 误差W及系统器件参数改变造成的误差。本发明中的自调节控制器可采用PI、PID或重复控 制等调节器，本实施例采用离散PI调节器，其计算公式为：
[0095] PF_K = kp( PFref-PFs )+ki( PFref-PFs )+PF_K* (20)
[0096] 其中，PF_K为当前时刻计算出的自调节系数;PF_K%上一时刻计算出的自调节系 数;PFref为目标功率因数;PFs为系统瞬时功率因数;kp为离散PI调节器的比例系数;ki为离 散PI调节器的积分系数。自调节控制器的输出PF_K，应做限幅处理，限幅范围可为-1~+1， 可根据补偿设备存在的最大误差来确定具体范围，本方法实例中设计的自调节环节可具备 20%的自调节能力，因此采用的限幅-0.2~+0.2。
[0097] 自调节指令计算单元根据自调节系数计算单元获得的自调节系数PFJ(对功率因 数控制单元获得的S相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref进行调节，W得到调 节后动态补偿装置的；相补偿指令1\_。,6!、1心。,6!、1^^_。,6!，并根据运；相补偿指令对设备 进行补偿。
[009引 i*a_qref=(l+PF_K)Xia_qref (21)
[0099] iVqref = (1+PF_K) X ib_qref (22)
[0100] i*c_qref= (1+PF_K) X ic_qref (23)
[0101] 其中，i\_qref为自调节后，补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培； i Yqref为自调节后，补偿装置財目电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；^_qref为自调节后， 补偿装置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ia_qref为自调节前，补偿装置A相电流补 偿控制指令瞬时值，单位安培；ib_qref为自调节前，补偿装置B相电流补偿控制指令瞬时值， 单位安培;ia_qref为自调节前，补偿装置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培。
[0102] 本发明瞬时功率因数补偿控制系统的实施例=
[0103] 为了使本发明的瞬时功率因数补偿控制系统能够应用于电压、电流崎变的场合， 本实施例中的瞬时功率因数补偿控制系统在实施例二的基础上进行了进一步改进，如图4 所示，系统有功无功电流计算单元、电压锁相单元和负载有功无功电流计算单元前均增设 有滤波器，分别用于在各单元计算前对系统电流、系统电压和负载电流进行滤波，W消除其 对应的谐波分量，使滤波后的系统电流、系统电压和负载电流只包含有基波分量。滤波器采 用低通滤波器，本实施例中采用己特沃斯低通滤波器，设计的截止频率为基波频率，采样时 间与计算周期相同，经过滤波后的；相负载电流 ^及立相系统电压扣、1^、11\^只含有基波分量，此时滤波后的立相负载电流、系统电流、系 统电压信号按照实施例二中的计算可获得应用于电压、电流崎变场合的动态补偿指令。
[0104] 本发明通过实时采集=相系统电压、系统电流W及补偿装置的电流，获得=相负 载电流;系统电压经过锁相后，将负载电流分解出有功电流、无功电流分量，并由此计算出 负载瞬时功率因数PFl;根据给定的目标功率因数PFref、负载瞬时功率因数直接计算出无功 控制量幅值Iqref ^及^相无功控制量瞬时值iqref;同样的，根据系统电流分解出其有功电 流、无功电流分量W及补偿后的系统瞬时功率因数PFs;再由系统瞬时功率因数PFs与目标功 率因数PFref进行自调节控制，获得自调节系数PF_K ;最后将S相无功控制量瞬时值iqref与 自调节系数PFJ(进行自调节运算，获得动态补偿装置的；相补偿指令i%ref。本发明克服了 原有功率因数补偿控制方法实时性差、响应速度慢、跟踪补偿误差大、控制方法性能受装置 器件参数变化影响的问题，同时本发明可应用于负载快速变化的场合或系统电压、电流崎 变严重的场合。
[0105] 本发明瞬时功率因数补偿控制方法的实施例
[0106] 该实施例中的瞬时功率因数补偿控制方法的具体的实现流程如图5所示，过程如 下：
[0107] 1.初始化运算参数，包括自调节系数计算中离散PI调节器的比例系数、积分系数， 设定需要控制的目标功率因数；当在系统电压、电流崎变场合使用时，还需初始化滤波器的 截止频率、采样时间W及滤波器缓存器。
[010引2.采集S相系统电压Ua、叫、Uc、S相系统电流153心6心。、动态补偿装置输出^相 电流iGa、iGb、iGc，参照公式（1)，计算出S相负载电流iLa、iLb、iLc。
[0109] 3.当在系统电压、电流崎变场合使用时，需进行此步骤运算后在进行下一步骤，此 步骤中对计算获得的S相负载电流扣3、山、心，采集输入的^相系统电流153心6心拟及^ 相系统电压Ua、Ub、Uc分别进行数字滤波运算，提取基波分量，滤波器可采用低通滤波器进行 滤波，本发明中采用己特沃斯低通滤波器，设计的截止频率为基波频率，采样时间与计算周 期相同，经过滤波后的；相负载电流1\3、1\6、1\。，；相负载电流1^3、1^6、1^成及；相系 统电压11\、11\、11\^只含有基波分量。
[0110] 4.参照公式(2)~(9)或其他锁相运算方法，根据立相系统电压113、化、11。或滤波后 S相系统电压uWb、扣计算出立相系统的锁相角0a、0b、0。。
[011。 5.将；相负载电流山3、山、山或滤波后的；相负载电流1\3、1\6、1\。，系统电压锁 相获得的S相电压锁相角03、0b、0C，参照公式（10)、（ 11 )，计算出负载电流有功电流分量Ilp、 无功电流分量iLq、负载瞬时功率因数PFl。
[0112] 6.通过负载电流有功电流Ilp、无功电流ILq分量W及给定的目标功率因数PFref，参 照公式（12)~（14)，计算出目标功率因数控制时的无功补偿控制量Iqref,然后根据S相电 压锁相角0的余弦函数W及无功补偿控制量Iqref转化为=相无功补偿控制量的瞬时值 1 a_qref、1 b_qref、1 c_qref O
[0113] 7.采用与计算负载功率因数相似的方法，通过S相系统电流153、156、15。或滤波后 的S相系统电流1^3、1^6、1^。、系统电压锁相获得的^相电压锁相角03、06、0。，参照公式 (18 )、（ 19 )，计算出系统电流有功电流分量I Sp、无功电流分量ISq W及补偿后系统瞬时功率 因数PFs。
[0114] 8.通过补偿后的系统瞬时功率因数PFs与目标功率因数PFref,采用自调节控制器 获得自调节系数PF_K，其中，自调节控制器可采用PI、PID或重复控制等调节器，本实施例中 采用离散PI调节器，参照公式(20)，并进行限幅处理，计算出自调节系数PF_K。
[011引9.根据获得的；相补偿控制指令13_。《:、心。,6:、1。_。,6:^及自调节系数计算单元获 得的自调节系数PFJ(参照公式（21)~（23)进行运算，获得动态补偿装置S相的补偿指令 托_。地、1\_。地、托_。地，根据；相的补偿指令1*3_。地、1*^地、托_。,6:，补偿设备可实现具有 自调节能力的瞬时功率因数补偿控制。
[0116] 10.完成W上步骤，等待下一个运算时刻到来后，返回步骤2,进入下一次运算循 环，循环计算步骤2~9相关内容，可获得每个运算时刻瞬时功率因数控制指令信号；其中， 每个运算周期的确定由CPU运算能力、模拟量通道采样速率W及动态补偿设备电力电子开 关器件开关频率决定，运算周期越快，动态补偿设备响应速度越快、实时性越好、控制精度 越局。
[0117] 通过上述过程本发明可用于电力无功补偿的检测及补偿控制方法，其通过有功电 流、无功电流计算单元，能够实时计算瞬时有功电流分量、无功电流分量W及瞬时功率因 数，避免了原有算法对于快速变化负载跟踪实时性差，响应速度慢的问题，改善了系统实时 性能W及电压波动及闪变的治理效果；引入功率因数控制单元，可直接快速计算出瞬时功 率因数控制量，响应速度快，无需如原有算法采用PI调节器积分方式获取控制量，因此可解 决原有方法PI调节器实时性差、跟踪误差大的问题；引入自调节控制环节进行功率因数补 偿效果闭环反馈控制，实时计算补偿后系统瞬时功率因数，经过自调节系数生成单元，可实 时获取稳态自调节系数，动态修正控制误差，实现目标功率因数的无差控制，解决了原有方 法在负载快速变化的场合或系统器件参数由于环境溫度、湿度、气压、老化程度等原因发生 变化，引起较大的稳态误差问题;并且针对快速变化负载的场合W及系统电压、电流崎变的 场合，同样适用，解决了原有方法在此类场合应用性能差的问题。
【主权项】
1. 一种瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，该补偿控制方法包括W下步骤： 1) 根据Ξ相系统电流和动态补偿装置输出的Ξ相电流计算Ξ相负载电流iLa、iLb、iLc; 2) 根据计算得到的Ξ相负载电流和Ξ相系统电压锁相角计算负载电流的有功分量iLp、 无功分量iLq和负载瞬时功率因数PFl ; 3) 根据给定的目标功率因数W及步骤2)中得到负载电流的有功分量Ilp、无功分量iLq和 负载瞬时功率因数PFl计算目标功率因数控制时的无功补偿控制量IqrefW及Ξ相无功补偿 控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、iE_qref，该Ξ相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、iE_qref 即为所求的补偿装置Ξ相电流补偿控制指令瞬时值。2. 根据权利要求1所述的瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，为了弥补器件参数 变化造成的控制误差问题，该方法还包括对步骤3)中得到的Ξ相无功补偿控制量的瞬时值 ia_qref、ib_qref、iG_qref进行自调节的过程，具体步骤如下： A. 将Ξ相系统电流分解出有功电流分量、无功电流分量W及补偿后的系统瞬时功率因 数； B. 根据目标功率因数与A中得到的补偿后系统瞬时功率因数，采用自调节控制器计算 出自调节系数PF_K; C. 根据步骤B中获得的自调节系数PF_K对步骤3)中获得的Ξ相无功补偿控制量的瞬时 值13_。,6:、心。,6:、1。_。,6地行调节，从得到调节后动态补偿装置的^相补偿指令1\_9,6:、 iVqref、，并根据运^相补偿指令对设备进行补偿。3. 根据权利要求2所述的瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，步骤C中调节后动 态补偿装置^相的补偿指令1\_9,6:、扣_9巧:、1\^_9?:的计算公式为： i a_qref 二（1+PF-K) X ia_qref i b_qref 二（l+PF-K) X ib_qref i c_qref 二（l+PF-K) X ic_qref 其中，i\_qref为自调节后补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；i\qref为自 调节后补偿装置8相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培;为自调节后，补偿装置(：相 电流补偿控制指令瞬时值，单位安培;PFJ(为自调节系数；ia_qref为自调节前，补偿装置A相 电流补偿控制指令瞬时值，单位安培;ib_qref为自调节前，补偿装置財目电流补偿控制指令瞬 时值，单位安培;ia_qref为自调节前，补偿装置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培。4. 根据权利要求1所述的瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，所述步骤1)中Ξ相 负载电流的计算公式为：其中Ua为负载电流A相电流瞬时值，单位安培；kb为负载电流B相电流瞬时值，单位安 培；k。为负载电流C相电流瞬时值，单位安培；iSa为系统电流A相电流瞬时值，单位安培；isb 为系统电流B相电流瞬时值，单位安培；is。为系统电流C相电流瞬时值，单位安培；iea为无功 补偿装置A相输出电流瞬时值，单位安培；icb为无功补偿装置B相输出电流瞬时值，单位安 培;ic。为无功补偿装置C相输出电流瞬时值，单位安培。5. 根据权利要求1所述的瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，所述步骤2)中负载 电流有功电流分量Ilp、无功电流分量iLqW及负载瞬时功率因数PFl的计算公式为：其中Up为负载电流有功电流分量，单位安培；lu为负载电流无功电流分量，单位安培； iu为负载电流A相电流瞬时值，单位安培;kb为负载电流B相电流瞬时值，单位安培;k。为负 载电流C相电流瞬时值，单位安培；Θ。为系统A相电压锁相角，单位度;0b为系统B相电压锁相 角，单位度;Θ。为系统C相电压锁相角，单位度;P&为负载瞬时功率因数。6. 根据权利要求1所述的瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，无功补偿控制量 Iqref W及Ξ相无功补偿控制量的瞬时值i a_qref、i b_qref、i c;_qref的计算公式如下：其中，ia_qref为自调节前补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ib_qref为自 调节前补偿装置B相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；iE_qref为自调节前补偿装置讨目电 流补偿控制指令瞬时值，单位安培;Iqref为目标功率因数控制时检测出的无功补偿控制量， 单位安培;03为系统A相电压锁相角，单位度;0b为系统B相电压锁相角，单位度;Θ。为系统C相 电压锁相角，单位度。7. 根据权利要求2所述的瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，系统电流有功电流 Isp、无功电流Isq分量W及补偿后系统瞬时功率因数PFsSS相系统电流is、系统电压锁相获 得的Ξ相电压锁相角Θ计算得到，计算公式如下：其中，Isp为系统电流有功电流分量，单位安培；Isq为系统电流无功电流分量，单位安培； isa为系统电流A相电流瞬时值，单位安培;isb为系统电流B相电流瞬时值，单位安培;is。为系 统电流C相电流瞬时值，单位安培；Θ。为系统A相电压锁相角，单位度;0b为系统B相电压锁相 角，单位度;Θ。为系统C相电压锁相角，单位度;PFs为系统瞬时功率因数。8. -种瞬时功率因数补偿控制系统，其特征在于，该控制系统包括负载电流计算单元、 负载有功无功电流计算单元、电压锁相单元和功率因数控制单元， 所述负载电流计算单元用于根据Ξ相系统电流和动态补偿装置输出的Ξ相电流计算 Ξ相负载电流iLa、iLb、iLc; 所述电压锁相单元用于对系统进行锁相W获取Ξ相电压锁相角0a、0b、0。； 所述负载有功无功电流计算单元用于根据负载电流计算单元计算得到的Ξ相负载电 流iLa、iLb、iLc和电压锁相单元得到的；相系统电压锁相角0a、0b、0c计算负载电流的有功分 量Ilp、无功分量iLq和负载瞬时功率因数PFl; 所述功率因数控制单元用于根据给定的目标功率因数W及负载有功无功电流计算单 元得到的负载电流的有功分量iLp、无功分量iLq和负载瞬时功率因数PFl计算目标功率因数 控制时的无功补偿控制量Iqref ^及；相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref，该 S相无功补偿控制量的瞬时值13_。《:、心。《:、1。_。,6卿为所求的补偿装置；相电流补偿控制 指令瞬时值。9. 根据权利要求8所述的瞬时功率因数补偿控制系统，其特征在于，该系统还包括对功 率因数控制单元得到的^相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、iE_qref进行自调节的系 统有功无功电流计算单元、自调节系数计算单元和自调节指令计算单元； 所述系统有功无功电流计算单元用于将Ξ相系统电流分解出有功电流分量ISp、无功电 流分量ISqW及补偿后的系统瞬时功率因数PFs; 所述自调节系数计算单元用于根据目标功率因数与系统有功无功电流计算单元得到 的补偿后系统瞬时功率因数PFs，采用自调节控制器计算出自调节系数PF_K; 所述自调节指令计算单元用于根据自调节系数计算单元获得的自调节系数PFJ(对功 率因数控制单元获得的^相无功补偿控制量的瞬时值13_9?:￡^心9?:￡^：[。_9地进行调节，从得 至顺节后动态补偿装置的；相补偿指令1\_。,6:、i Yqref、，并根据运立相补偿指令对 设备进行补偿。10. 根据权利要求9所述的瞬时功率因数补偿控制系统，其特征在于，所述的系统有功 无功电流计算单元、电压锁相单元和负载有功无功电流计算单元前均增设有滤波器，分别 用于在各单元计算前对系统电流、系统电压和负载电流进行滤波，使滤波后的系统电流、系 统电压和负载电流只包含有基波分量。
【文档编号】H02J3/01GK106099943SQ201610509961
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】陈杰, 杨勇, 王振岳, 粟忠来, 赵建平, 周红艳, 成静红, 魏中伟, 孙虎云, 宋晓楠, 孙燕明, 王善林
【申请人】许继集团有限公司, 许继电气股份有限公司, 国家电网公司