一种三相三桥臂配电网静止同步补偿器装置及控制方法与流程

本发明涉及无功补偿装置技术领域，具体是一种三相三桥臂配电网静止同步补偿器装置及控制方法。

背景技术：

目前，成品的静止同步补偿器装置虽然已经存在，但其价格昂贵且工程技术并未得到公开。而静止同步补偿器因具无功补偿响应速度快、连续调节范围宽等优点，得到了国内外学者的青睐。

现公开的配电网静止同步补偿器样机装置，仍具有许多不足，如：装置无法直接挂网启动或启动瞬间产生巨大的冲击电流、无法完成无功电流的实时检测、单一的补偿容量及固定的给定指令导致装置智能程度低和环境适应性差、复杂的算法滤波造成运算效率低和抗干扰性差、“人机对话”性能差等，这些不足形成了样机装置未能实用化的重要因素，如何将其进行完善，成为了工程人员关注的热点。

因此，从装置挂网启动、无功补偿方式、功率模块直流侧电压可控及滤波手段上合理改进，对配电网静止同步补偿器的推广具有重大的现实意义。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是：针对现公开的配电网静止同步补偿器装置无法挂网直接启动或启动造成巨大冲击电流、无法兼容多种无功补偿方式、无法根据配电网电压环境保证补偿能力、无法稳定安全升降压、无法解决使用传统低通滤波法所造成的运算量大和算法延时的问题，提供一种三相三桥臂配电网静止同步补偿器装置及控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

1.一种三相三桥臂配电网静止同步补偿器装置，该装置1由预充电路2、控制模块3、功率模块4、保护模块5及人机交互界面6构成。

所述预充电路2由不可控整流桥2-1、KM1接触器2-2、限流电阻2-3和KM2接接触器2-4构成；其中，不可控整流桥2-1设有交流侧和直流侧，其交流侧通过KM1接触器2-2与配电网9相连，其直流侧通过KM2接触器2-4、串联限流电阻2-3与功率模块4的直流侧电容11两端相连；预充电路2用于装置挂网启动，抑制冲击电流的产生。

所述控制模块3由信号采集单元3-1和数据处理单元3-2构成；信号采集单元3-1用于采集配电网电压u_ab,bc、补偿电流i_a,b、功率模块4的直流侧电压U_dc、负载电流i_la,lb，并将采集信号传送至数据处理单元3-2；数据处理单元3-2用于计算软启动门阀电压U_{dc_start}、功率模块4的直流侧电压目标指令及处理人机交互信息，还用于对功率模块4的直流侧电压当前指令和电压信号U_dc的差值经过电压控制器得到有功电流指令而对采集的负载电流信号i_la,lb进行坐标等量变换，计算出无功电流，再经滤波得到无功电流指令还用于根据有功电流指令无功电流指令电网电压相位余弦和正弦计算出三相补偿电流指令三相补偿电流指令与实际的三相补偿电流信号i_a,b,c的差值经过电流控制器获得开关驱动信号并传送至功率模块4，实现对功率模块4交流侧补偿电流的控制。

所述功率模块4设有交流侧和直流侧，其交流侧通过连KM3接触器7、电抗器8并入配电网9与负载10之间，其直流侧依次与电容11和不可控整流桥2-1的直流侧负极及限流电阻2-3的一端相连；所述功率模块4用于根据开关驱动信号调节其三相补偿电流，实现对负载电流无功的补偿。

所述保护模块5用于装置根据软件和硬件判断出非正常运行情况，而迅速断开与配电网的连接，对装置起保护作用。

所述人机交互界面6用于对装置进行控制和信息显示，包括一键启动、一键关机、无功补偿方式选择、运行状态显示、装置相关信息显示。

2.上述的一种三相三桥臂配电网静止同步补偿器装置的控制方法，操作步骤如下：

1)所述预充电路2在装置1挂网启动过程中可分四个步骤：

步骤一：将功率模块4的直流侧电容11进行预充电；装置1采用由不可控整流桥2-1、KM1接触器2-2、限流电阻2-3、KM2接触器2-4构成的预充电路2，通过软件控制实现对功率模块4的直流侧电容11充电。

步骤二：将预充电路2进行旁路；通过电压互感器采集功率模块4的直流侧电容11预充电压的瞬时值，当瞬时值达到软启动门阀电压U_{dc_start}时，快速断开预充电路2。

步骤三：将功率模块4的交流侧与配电网9接通，装置1处于空载运行状态；待预充电路2完全断开瞬间，通过软件控制快速将功率模块4交流侧的KM3接触器7合闸，实现与配电网9接通，此时装置1处于软启动门阀电压U_{dc_start}和无功电流指令为零的状态下运行；待稳定后功率模块4的直流侧电压按反比例函数正向特性进行升压。

步骤四：装置1进行带载运行，实现负载电流的无功补偿；当完成步骤三后，执行无功电流实时检测，计算出负载电流中的无功电流，并利用滤波手段得到无功电流指令装置处于自动运行模式。

2)所述装置1对无功电流实时检测，自动补偿，其过程可分三个阶段：

第一阶段：计算出负载电流中的无功电流；通过电流互感器采集负载电流i_la,lb，利用坐标等量变换计算出无功电流，但此时的无功电流，除了直流分量外，还含有交流分量。

第二阶段：对无功电流进行滤波，得到无功电流指令若不经过滤波则有可能造成过补现象，甚至会给电网注入大量的谐波，补偿效果差，因此考虑经滤波后进行补偿。

第三阶段：根据上述1)的步骤四装置进行带载运行；计算得到的无功电流指令待装置启动稳定后再执行。

3)所述装置1的软启动门阀电压U_{dc_start}和功率模块4的直流侧电压目标指令均是通过采集配电网9的电压信号并经数据处理单元3-2计算得出，具有随配电网9的电压改变而改变的特性。

软启动门阀电压的计算公式为：

U_{dc_start}＝K₁×V_s(peak) (1)

式中，U_{dc_start}代表装置1软启动门阀电压，即装置1启动时功率模块4的直流侧电压值；V_s(peak)代表配电网9相电压峰值；K₁代表用户自定义的系数，但K₁一般根据不可控整流桥2-1的倍数取值；

功率模块4的直流侧电压目标指令的计算公式为：

式中，代表功率模块4的直流侧电压目标指令，即装置1完全启动后功率模块4的直流侧电压值；V_s(peak)代表配电网9相电压峰值；K₂代表用户自定义的系数，但K₂一般根据不可控整流桥2-1的倍数和补偿能力取值；

可见，软启动门阀电压和功率模块4的直流侧电压目标指令均与配电网9电压有关，即可随电网9电压的改变，自动调整指令，可减少谐波输出；

4)所述控制模块3的数据处理单元3-2中根据系统需要采用了两种滤波方法：

第一种滤波：移动指针平均滤波法，应用于得到无功电流指令其基本原理是：先定义N个数据的缓冲区，利用新采样值减去指针所指单元的旧采样值除以缓冲长度，再加前一次计算的平均值，即为最新的平均值，然后指针加一，当缓冲区单元计算结束后，指针重新归零，返回第一单元；

第二种滤波：逼近平波法，应用于得到软启动门阀电压及功率模块4的直流侧电压指令；其原理为：定义一个旧值和允许的偏差值，当新采样值与旧值的差值绝对值大于允许的偏差值，则利用K₃倍旧值加上K₄倍新采样值来更新旧值，再定义一个更小的偏差值，当新采样值与更新后的旧值之差的绝对值大于新定义的偏差值时，将新的历史值作为当前值，只要允许的偏差值和K₃、K₄设置合理，便能实现当前值与新采样值逼近；

5)所述装置1可在启动时自动升压、运行中修改指令控制功率模块4的直流侧电压升降，且无冲击电流产生；

启动软升压原理是：经数据处理单元3-2计算出的功率模块4直流侧电压目标指令大于功率模块直流侧电压当前控制指令利用反比例函数正向特性逐步平稳升压，直至功率模块直流侧电压当前控制指令等于其目标指令时，启动软升压结束，其函数式为：

式中，为功率模块4的直流侧电压当前控制指令，U_{dc_Var_Coefficient_1}为自定义的反比例函数系数，可修改该系数控制升压的速度。

运行中修改指令控制功率模块4的直流侧电压升降原理是：当屏输入指令大(小)于功率模块4的直流侧电压当前控制指令时，利用反比例函数正向特性逐步平稳升(降)压，直至功率模块4的直流侧电压当前控制指令等于屏输入指令时，升(降)压结束，其其函数式为：

式中，为功率模块4的直流侧电压当前控制指令，U_{dc_Var_Coefficient_1}为自定义的反比例函数系数，可修改该系数控制升(降)压的速度。

本发明的有益效果

(1)利用预充电路2和反比例函数正向特性，解决装置高压挂网启动和升降压所产生冲击电流的问题，对装置具有安全防护作用；同时，装置在完全启动前处于空载挂网状态，保证了启动瞬间不给配电网注入谐波；

(2)可根据配电网电压环境保证无功吞吐能力；

(3)采用移动指针平均滤波法和新型的逼近平波法取代传统的低通滤波法，提高了算法程序的运行效率和消除了无功电流检测延时的问题；

(4)具有友好的人机交互界面6，能实现装置无功补偿方式可选及运行信息显示，更具人性化、智能化；

附图说明

图1为本发明装置挂网的结构示意图。

图中，配电网静止同步补偿器装置1、预充电路2、控制模块3、功率模块4、保护模块5、人机交互界面6、KM3接触器7、电抗器8、配电网9、负载10、直流侧电容11、不可控整流桥2-1、KM1接触器2-2、限流电阻2-3和KM2接触器2-4、信号采集单元3-1、数据处理单元3-2。

图2为本发明装置的控制方法结构示意图。

图中，软件第一开关①、软件第二开关②、软件第三开关③。

图3是实例1有预充电路作用时，装置启动瞬间补偿电流仿真波形图。

图中，U_sa表示配电网9的A相电压，i_a表示功率模块4交流侧的A相电流。

图4是实例1无预充电路作用时，装置启动瞬间补偿电流仿真波形图。

图中，U_sa表示配电网9的A相电压，i_a表示功率模块4交流侧的A相电流。

图5是实例2本发明装置的无功电流实时检测流程图。

图6是实例4本发明所述的移动指针平均滤波法数据窗结构图。

图7是实例4本发明所述的逼近平波法原理结构图。

图8是实例5本发明装置升降压算法原理示意图。

图中，横坐标为功率模块4的直流侧电压当前指令纵坐标为升(降)压过程中每一算法周期直流侧电压当前指令的变化系数ΔU_K。

图9是实例6本发明装置对感性负载无功电流进行补偿的仿真波形图。

图中，U_sa表示配电网9的A相电压，i_ta表示配电网9输出端的A相电流。

图10是实例6本发明装置对容性负载无功电流进行补偿的仿真波形图。

图中，U_sa表示配电网9的A相电压，i_ta表示配电网9输出端的A相电流。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式做进一步详细描述，但不构成对本发明保护范围的限制。说明：一种三相三桥臂配电网静止同步补偿器装置简称装置。

一种三相三桥臂配电网静止同步补偿器装置挂网的结构如图1所示，包括配电网静止同步补偿器装置1、配电网9、负载10，配电网9为装置1及负载10提供电能；其中，配电网静止同步补偿器装置1由预充电路2、控制模块3、功率模块4、保护模块5及人机交互界面6构成。

所述预充电路2由不可控整流桥2-1、KM1接触器2-2、限流电阻2-3和KM2接接触器2-4构成；其中，不可控整流桥2-1设有交流侧和直流侧，其交流侧通过KM1接触器2-2与配电网9相连，其直流侧通过KM2接触器2-4、串联限流电阻2-3与功率模块4的直流侧电容11两端相连；预充电路2用于装置挂网启动，抑制冲击电流的产生。

所述控制模块3由信号采集单元3-1和数据处理单元3-2构成；信号采集单元3-1用于采集配电网电压u_ab,bc、补偿电流i_a,b、功率模块4的直流侧电压U_dc、负载电流i_la,lb，并将采集信号传送至数据处理单元3-2；数据处理单元3-2用于计算软启动门阀电压U_{dc_start}、功率模块4的直流侧电压目标指令及处理人机交互信息，还用于对功率模块4的直流侧电压指令和电压信号U_dc的差值经过电压控制器得到有功电流指令而对采集的负载电流信号i_la,lb进行坐标等量变换，计算出无功电流，再经滤波得到无功电流指令还用于根据有功电流指令无功电流指令电网电压相位余弦和正弦计算出三相补偿电流指令三相补偿电流指令与实际的三相补偿电流信号i_a,b,c的差值经过电流控制器获得开关驱动信号并传送至功率模块4；信号采集单元3-1包括电压互感器、电流互感器、AD芯片及其调理电路；数据处理单元3-2包括但不限于DSP芯片、单片机和FPGA；其中，上述过程如图2中所示。

所述功率模块4设有交流侧和直流侧，其交流侧通过连KM3接触器7、电抗器8并入配电网9与负载10之间，其直流侧依次与电容11和不可控整流桥2-1的直流侧负极及限流电阻2-3的一端相连；所述功率模块4用于根据开关驱动信号调节其三相补偿电流，实现对负载电流无功的补偿。

所述保护模块5用于装置1根据软件和硬件判断出非正常运行情况，而迅速断开与配电网9的连接，对装置1起保护作用。

所述人机交互界面6用于对装置1进行控制和信息显示，包括一键启动、一键关机、无功补偿方式选择、运行状态显示。

实施例1

本实施例利用有无预充电路2作用的条件，进行装置启动仿真实验。图3和图4中，U_sa表示配电网9的A相电压，i_a表示功率模块4交流侧的A相电流。使用图1中的结构电路。

预充电路2在装置挂网启动过程中可分四个步骤：

步骤一：将功率模块4的直流侧电容11进行预充电；装置1采用由不可控整流桥2-1、KM1接触器2-2、限流电阻2-3构成的预充电路2，通过软件控制实现对功率模块4的直流侧电容11充电。具体操作是：对预充电路2中的KM1接触器2-2、KM2接触器2-4进行合闸，实现预充电路2对功率模块4的直流侧电容11进行充电，KM3接触器7保持断开状态，装置进入预充电阶段。

步骤二：将预充电路2进行旁路；通过电压互感器采集功率模块4的直流侧电容11预充电压的瞬时值，当瞬时值达到软启动门阀电压U_{dc_start}时，快速断开预充电路2；更具体的操作是：当电容预充电压瞬时值达到软启动门阀电压U_{dc_start}后，迅速断开KM1接触器2-2、KM2接触器2-4，将预充电路进行旁路。

步骤三：将功率模块4的交流侧与配电网9接通，装置1处于空载运行状态；待预充电路2完全断开瞬间，通过软件控制快速将功率模块4交流侧的KM3接触器7合闸，实现与配电网9接通，此时装置处于软启动门阀电压U_{dc_start}和无功电流指令为零的状态下运行，即图2中软件第三开关③处于断开，软件第二开关②处于为零状态；待稳定后功率模块4的直流侧电压按反比例函数正向特性进行升压。

步骤四：装置1进行带载运行，实现负载电流的无功补偿；当完成步骤三后，执行无功电流实时检测，计算出负载电流中的无功电流，并利用滤波手段得到无功电流指令装置处于自动运行模式，更具体的操作是：将图2中的软件第三开关③闭合，软件第二开关②处于2端，装置1进入带载运行状态；

为进一步说明有预充电路2作用的条件下能抑制冲击电流产生，进行装置启动仿真实验。实验参数为配电网9网线电压有效值380V，门阀电压系数1.38，目标指令系数为2.0。

有预充电路2作用时，装置于0.1秒前利用预充电路2对直流侧电容11进行充电，装置于0.1秒时刻进入启动并处于空载运行状态，即图2中软件第三开关③处于断开，软件第二开关②处于为零状态；当装置1启动完成后，软件第三开关③闭合，软件第二开关②处于2端，装置进入带载运行状态，即进入自动无功补偿阶段。有预充电路2作用，进行装置1启动仿真实验结果如图3所示。由图3，可看出，装置1启动瞬间功率模块4的交流侧的电流平稳且无瞬时的冲击现象，说明预充电路2的作用，确实能抑制冲击电流的产生。

为了更进一步说明预充电路2的作用，利用无预充电路2作用的条件下进行装置1启动仿真实验，其他条件与上述实验相同。

无预充电路2作用时，装置1于0.1秒时刻直接将KM3接触器7合闸，接通功率模块4与配电网9的回路，而预充电路2中的KM1接触器2-2、KM2接触器2-4始终处于断开状态，装置1启动瞬间功率模块4的交流侧的电流形成瞬间冲击，仿真实验结果如图4所示。进一步说明了，有预充电路2能有效抑制装置1挂网启动时所产生的冲击电流。

实施例2

本实施例，对本发明装置1的无功电流实时检测，自动补偿操作进行说明；本发明装置的无功电流实时检测流程如图5所示。

第一阶段：计算出负载电流中的无功电流；通过电流互感器采集负载电流i_la,lb，利用坐标等量变换计算出无功电流，但此时的无功电流，除了直流分量外，还含有交流分量。

第二阶段：对无功电流进行滤波，得到无功电流指令若不经过滤波则有可能造成过补现象，甚至会给电网注入大量的谐波，补偿效果差，因此考虑经滤波后进行补偿。

第三阶段：装置带载运行，进行自动补偿；计算得到的无功电流指令待装置启动稳定后再执行。

如图2所示，软件第三开关③闭合，软件第二开关②处于2端，即进入自动无功补偿阶段。

综上所述，启动过程不进行无功补偿，可防止启动瞬间给电网注入大量的谐波，同时也保证了装置安全平稳启动。

实施例3

本实施例，对本发明装置的软启动门阀电压U_{dc_start}和功率模块4的直流侧电压目标指令可变，保证装置1补偿能力性进行说明，具体实施如下：

装置1的软启动门阀电压和功率模块4的直流侧电压目标指令均是通过采集配电网9的电压信号并经数据处理单元3-2计算得出，具有随配电网9的电压改变而改变的特性；

软启动门阀电压计算公式为：

U_{dc_start}＝K₁×V_s(peak) (1)

式中，U_{dc_start}代表装置1软启动门阀电压，即装置1启动时功率模块4的直流侧电压值；V_s(peak)代表配电网9相电压峰值；K₁代表用户自定义的系数，但K₁一般根据不可控整流桥2-1的倍数取值；

功率模块4的直流侧电压目标指令的计算公式为：

式中，代表功率模块4的直流侧电压指令，即装置1完全启动后功率模块4的直流侧电压值；V_s(peak)代表配电网9相电压峰值；K₂代表用户自定义的系数，但K₂一般根据不可控整流桥2-1的倍数和补偿能力取值；

更具体的实施是：根据以上给定式(1)和给定式(2)，装置1采集配电网9的电压信号，并在数据处理单元3-2中计算出软启动门阀电压U_{dc_start}和功率模块4的直流侧电压目标指令然后用于装置1启动时功率模块4的直流侧电压当前指令和软启动升压所要达到的直流侧电压控制目标指令；因此，由于功率模块4的直流侧电压指令是由采集配电网9的电压经过数据处理单元3-2得出，所以不管配电网9的电压环境是否改变都能保证装置1工作，同时在装置1运行期间，配电网9的电压环境发生变化，功率模块4的直流侧电压当前指令也能随之改变，这样自动调整电压指令，便可保证补偿能力。

实施例4

本实施例，对本发明装置的滤波法进行说明；具体操作为：

本发明所述的移动指针平均滤波数据窗结构如图6所示：

移动指针平均滤波法，应用于得到无功电流指令其基本原理是：先定义N个数据的缓冲区，利用新采样值减去指针所指单元的旧采样值除以缓冲长度，再加前一次计算的平均值，即为最新的平均值，然后指针加一，当缓冲区单元计算结束后，指针重新归零，返回第一单元；该滤波法优点在于：不需要每次进行循环计算，若信号发生微小变化，也能随之变化，逼近真实值，与传统的低通滤波法、平均值滤波法相比，运算效率更高，数据更新更快。

本发明所述的逼近平波法原理结构如图7所示：

逼近平波法，应用于得到软启动门阀电压及功率模块4的直流侧电压指令；其原理为：定义一个旧值和允许的偏差值，当新采样值与旧值的差值绝对值大于允许的偏差值，则利用K₃倍旧值加上K₄倍新采样值来更新旧值，再定义一个更小的偏差值，当新采样值与更新后的旧值之差的绝对值大于新定义的偏差值时，将新的历史值作为当前值，只要允许的偏差值和K₃、K₄设置合理，便能实现当前值与新采样值逼近。该滤波法易于程序实现，运算速度快，能快速在采样值附近取得一个逼近的稳态值。

实施例5

本实施例在实施例1的基础上，对本发明装置的启动升压和运行中修改指令控制功率模块4的直流侧电压升降的算法原理及操作进行说明；

启动软升压原理是：经数据处理单元3-2计算出的功率模块4的直流侧电压目标指令大于功率模块4的直流侧电压当前控制指令利用反比例函数正向特性逐步平稳升压，直至功率模块4的直流侧电压当前控制指令等于其目标指令时，启动软升压结束，其函数式为：

式中，为功率模块4的直流侧电压当前控制指令，U_{dc_Var_Coefficient_1}为自定义的反比例函数系数，可修改该系数控制升压的速度。

运行中修改指令控制功率模块4的直流侧电压升降原理是：当屏输入指令大(小)于功率模块4的直流侧电压当前控制指令时，利用反比例函数正向特性逐步平稳升(降)压，直至功率模块4的直流侧电压当前控制指令等于屏输入指令时，升(降)压结束，其函数式为：

式中，为功率模块4的直流侧电压当前控制指令，U_{dc_Var_Coefficient_1}为自定义的反比例函数系数，可修改该系数控制升(降)压的速度。

升(降)压具体实施如下：

本发明装置升降压算法原理如图8所示，图中，横坐标为功率模块4的直流侧电压当前指令纵坐标为升(降)压过程中每一算法周期直流侧电压当前指令的变化系数ΔU_K；当越大，变化系数ΔU_K越小，即越小，每一算法程序运行周期所变化的值越小。反之，当越小，变化系数ΔU_K越大，即越大，每一算法程序运行周期所变化的值越大。

启动软升压的具体实施是：装置1进入启动并处于空载运行状态，由于受到不可控整流桥2-1特性的限制，此时功率模块4的直流侧电压指令为软启动门阀电压U_{dc_start}，并未达到装置1补偿电压要求，因此需要进行启动阶段的软件升压；数据处理单元3-2在装置1进行预充电阶段已计算出功率模块4的直流侧电压目标值指令待装置1进入启动并处于空载运行状态后进行软件升压；启动阶段的软件升压过程为：图2中的第一软件开关①处于1端，功率模块4的直流侧电压目标值指令大于功率模块4的直流侧电压当前指令时，则每一算法周期功率模块4的直流侧电压当前指令增加ΔU_K,依次循环进行，直到功率模块4的直流侧电压当前指令等于目标值时，启动软升压结束。

运行中修改指令实现升(降)压的具体实施是：在装置1运行过程中利用屏输入指令进行升(降)压，即图2中的第一软件开关①处于2端，具体操作为：用户根据需求设定功率模块4的直流侧电压指令当输入指令大(小)于功率模块4的直流侧电压当前指令时，按反比例函数正向特性逐步平稳升(降)压，每完成一个算法周期，便自动更新电压当前指令直到电压当前指令的值等于输入指令时，才完成升(降)压操作。

实施例6

本实施例，使用图1中的结构电路，对本发明装置1的性能进行说明；

本发明装置对感性负载无功电流进行补偿的仿真波形如图9所示；本发明装置对容性负载无功电流进行补偿的仿真波形如图10所示；图中，U_sa表示配电网9的A相电压，i_ta表示配电网9输出端的A相电流。

具体操作是：

在0秒至0.2秒时间段内，配电网9为负载10提供电能，装置1于0.1秒前完成功率模块4的直流侧电容11的预充电，当0.1秒时刻装置1成功启动，并对负载无功电流进行自动补偿。补偿效果如图9和图10所示，实现配电网9输出电流相位偏移，达到功率因数为1的目的。

本发明，利用预充电路2的作用来启动装置1，确实能抑制冲击电流的产生，且装置1的补偿效果良好，滤波算法时间短、效果明显。

以上内容是结合具体实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的替换。