本发明属于电力无功技术补偿领域，涉及一种无功功率补偿系统及方法，具体涉及一种电力系统无功功率因数补偿的控制系统及方法，可用于实现对电路中谐波和无功电流的动态补偿的控制，提高系统的功率因数。
背景技术：
由于大量感性负载的应用，电力系统中电压、电流在相位上存在一个角度差，这样就引出了无功功率的概念。无功功率是一个反应电源和负荷间能量交换的物理量，它的大小表明了电源与负荷间能量交换的幅度，本身并不消耗能量，同时，无功功率在系统中流动对电力系统本身产生了很大影响。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。近年来，随着电力系统中非线性用电设备，特别是电力电子装置应用的日益广泛，给电力系统带来额外负担，影响了供电质量，降低了电力系统的功率因数。
解决低功率因数问题一般有两种途径：一种是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，也不消耗无功功率，另一种是装设补偿装置，如无功功率补偿器等，设法对无功进行补偿。第一种方法需要对电子设备进行变动，代价较大；而后一种方法则适用于各种谐波源和低功率因数的设备，因此成为了研究热点。目前广泛应用的无功补偿装置主要分为两类：静态无功补偿装置和动态无功补偿装置。静态无功补偿装置主要并联固定电容器，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和静止同步补偿器两大类，他们通过采集负载电流，根据无功监测算法以及电流跟踪技术实时跟踪负载无功功率的变化，并进行动态无功功率补偿，具有响应速度快、无并联谐振问题、工作范围广等优点。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，其可实现分相补偿，自身没有大的储能元件，因此代表了无功补偿领域发展的方向。为进一步提高其性能，实现准确、实时的监测无功成分，并进行实时的快速补偿，现有技术中就功率因数补偿控制存在多种方法，比如基于基波周期的功率因数补偿控制系统及方法，基于瞬时功率理论的功率因数补偿控制系统及方法。
例如申请公开号为cn106099943a的专利申请，公开了一种瞬时功率因数补偿控制系统及方法，用于解决功率因数补偿控制在负载变换的场合响应速度慢的问题，控制系统的结构如图1所示，由三相系统电流和动态补偿装置输出的电流计算三相负载电流ila、ilb、ilc，根据计算得到的三相负载电流和三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，根据给定的目标功率因数以及计算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以及三相无功无功补偿控制量的瞬时值ia_ref、ib_ref、ic_ref，该系统完全应用电力电子元器件，计算机软件编程控制实现无功功率动态补偿，具有可实现连续补偿，损耗小等优点。但其主要缺点是，由于电流的无功分量和有功分量都是基于瞬时功率理论在p-q坐标系下定义的，因此须将三相电流转换到p-q坐标下，这增加了电压锁相单元，负载有功、无功电流计算单元，造成控制系统复杂，无功功率补偿的实时性差。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种电力系统无功功率补偿控制的系统及方法，用于解决现有技术中存在的系统结构复杂且无功功率补偿控制实时性差的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种电力系统无功功率因数补偿的控制系统，包括检测单元和瞬时功率因数控制单元。
所述功率因数控制单元，包括瞬时功率因数计算单元和自调节系数计算单元；
所述瞬时功率因数计算单元，用于计算电力系统的瞬时功率因数；
所述自调节系数计算单元，用于通过自调节控制器计算电力系统的自调节系数。
所述检测单元，包括有功功率计算单元、有功电流基频计算单元、负载电流计算单元、补偿电流控制指令计算单元和补偿电流控制指令调节单元。
所述有功功率计算单元，用于检测电力系统的三相电压和三相电流，利用得到的系统瞬时电压矢量和瞬时电流矢量，计算电力系统的瞬时有功功率，并对瞬时有功功率进行滤波，获取电力系统有功功率基频分量；
所述负载电流计算单元，用于根据有功功率计算单元检测到的三相电流和动态补偿装置输出的三相补偿电流瞬时值，计算负载电流瞬时值；
所述有功电流基频计算单元，用于根据有功功率计算单元得到的三相电压和有功功率基频分量，计算电力系统的有功电流的基频分量瞬时值；
所述补偿电流控制指令计算单元，用于根据负载电流计算单元得到的负载电流瞬时值，和有功电流基频计算单元得到的有功电流的基频分量瞬时值，计算有害电流的瞬时值，并根据得到的有害电流的瞬时值计算调节前的补偿电流控制指令电流；
所述补偿电流控制指令调节单元，用于根据补偿电流控制指令计算单元得到的调节前的补偿电流控制指令电流和自调节系数计算单元得到的电力系统的自调节系数计算调节后的补偿电流控制指令电流。
一种电力系统无功功率因数补偿的控制方法，包括如下步骤：
(1)有功功率计算单元获取电力系统有功功率基频分量pb：
(1a)有功功率计算单元获取电力系统瞬时电压矢量v和瞬时电流矢量i：
有功功率计算单元对电力系统三相电压和三相电流进行检测，并将检测结果在三维坐标xyz中表示，得到电力系统用电电源侧的瞬时电压矢量v和瞬时电流矢量i：
v＝vax+vby+vcz
i＝isax+isby+iscz
其中，va为电力系统电压的a相电压瞬时值，vb为电力系统电压的b相电压瞬时值，vc为电力系电压的c相电压瞬时值，isa为电力系统电流的a相电流瞬时值，isb为电力系统电流的b相电流瞬时值，isc为电力系统电流的c相电流瞬时值；
(1b)有功功率计算单元计算电力系统瞬时有功功率p：
有功功率计算单元通过电力系统瞬时电压矢量v和瞬时电流矢量i，计算电力系统瞬时有功功率p：
p＝v·i＝vaisa+vbisb+vcisc；
(1c)有功功率计算单元获取电力系统有功功率基频分量pb：
有功功率计算单元对电力系统瞬时有功功率p进行低通滤波，得到电力系统有功功率基频分量pb：
(2)有功功率计算单元计算电力系统有功电流基频分量瞬时值ipba、ipbb和ipbc：
有功功率计算单元用于根据有功功率计算单元得到的三相电压和有功功率的基频分量计算电力系统用电电源侧的有功电流基频分量瞬时值ipba、ipbb和ipbc：
其中，ipba为有功电流的基频分量a相电流瞬时值；ipbb为有功电流的基频分量在b相电流瞬时值；ipbc为有功电流的基频分量在c相电流瞬时值；
(3)负载电流计算单元计算负载电流瞬时值ila、ilb和ilc：
负载电流计算单元利用电力系统电源侧电流isa、isb和isc和动态补偿装置输出的三相补偿电流的瞬时值iga、igb和igc，计算系统近负载端实际的三相负载电流瞬时值ila、ilb和ilc：
其中，ila为负载端电流a相电流瞬时值，ilb为检测到的负载端电流b相电流瞬时值，ilc为负载端电流c相电流瞬时值；iga为无功补偿装置a相电流瞬时值，igb为无功补偿装置b相电流瞬时值，igc为无功补偿装置c相电流瞬时值；
(4)补偿电流控制指令计算单元计算调节前的补偿电流控制指令电流
(4a)补偿电流控制指令计算单元计算电力系统的有害电流的瞬时值iha、ihb和ihc：
补偿电流控制指令计算单元根据ila、ilb和ilc，以及ipba、ipbb和ipbc，计算电力系统有害电流的瞬时值iha、ihb和ihc：
其中iha为电力系统中有害电流a相电流瞬时值；ihb为电力系统中有害电流b相电流瞬时值；ihc为电力系统中有害电流c相电流瞬时值；
(4b)补偿电流控制指令计算单元根据iha、ihb和ihc，计算调节前的补偿电流控制指令电流
其中，
(5)瞬时功率因数计算单元计算电力系统的瞬时功率因数pfs：
瞬时功率因数计算单元根据有功功率计算单元得到的瞬时有功功率p和有功功率的基频分量pb，计算瞬时功率因数pfs：
pfs＝pb/p；
(6)自调节系数计算单元计算电力系统当前时刻的自调节系数pf_k：
自调节系数计算单元根据目标功率因数和pfs，通过自调节控制器计算电力系统当前时刻的自调节系数pf_k，所述自调节控制器采用离散pi调节器，计算公式为：
pf_k＝kp(pfref-pfs)+ki(pfref-pfs)+pf_k'
其中，kp为离散pi调节器的比例系数；pfref为目标功率因数；ki为离散pi调节器的积分系数；pf_k'为上一时刻计算出的自调节系数。
(7)补偿电流控制指令调节单元计算电力系统所需补偿电流控制指令电流ica、icb和icc：
补偿电流控制指令调节单元，根据
其中，ica为调节后的补偿电流控制指令电流的a相电流瞬时值；icb为调节后的补偿电流控制指令电流的b相电流瞬时值；icc为调节后的补偿电流控制指令电流的c相电流瞬时值。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明在计算调节前的补偿电流控制指令电流时，是通过有功功率计算单元、有功电流基频计算单元和补偿电流控制指令计算单元实现的，避免了现有技术需要进行坐标变换导致的控制系统复杂的缺陷，有效地简化了系统结构。
(2)本发明在计算补偿电流指令电流时，采用在三维坐标中推导出基于三维空间功率理论的有功电流基频分量的算法，根据有功电流基频分量计算补偿电流指令电流，利用矢量运算代替矩阵运算，避免了现有技术中通过矩阵运算，计算瞬时有功功率和无功功率，求解补偿电流的指令信号导致的算法复杂的缺陷，提高了无功功率补偿控制的实时性，实时的无功补偿有效提高了系统的功率因数。
附图说明
图1是现有功率因数补偿控制系统的整体结构示意图；
图2是本发明控制系统的整体结构示意图；
图3是本发明控制方法的实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
参照图2，一种电力系统无功功率补偿的控制系统包括检测单元和瞬时功率因数控制单元。
功率因数控制单元包括瞬时功率因数计算单元和自调节系数计算单元；瞬时功率因数计算单元用于计算电力系统的瞬时功率因数；自调节系数计算单元用于通过自调节控制器计算电力系统的自调节系数。
检测单元包括有功功率计算单元、有功电流基频计算单元、负载电流计算单元、补偿电流控制指令计算单元和补偿电流控制指令调节单元。
有功功率计算单元用于检测电力系统的三相电压和三相电流，利用得到的系统瞬时电压矢量和瞬时电流矢量，计算电力系统的瞬时有功功率，并对瞬时有功功率进行滤波，获取电力系统有功功率基频分量。
负载电流计算单元根据有功功率计算单元检测到的三相电流和动态补偿装置输出的三相补偿电流瞬时值，计算负载电流瞬时值。
有功电流基频计算单元根据有功功率计算单元得到的三相电压和有功功率基频分量，计算电力系统的有功电流的基频分量瞬时值
补偿电流控制指令计算单元，跟据负载电流计算单元得到的负载电流瞬时值，和有功电流基频计算单元得到的有功电流的基频分量瞬时值，计算有害电流的瞬时值，并根据得到的有害电流的瞬时值计算调节前的补偿电流控制指令电流；
补偿电流控制指令调节单元，用于根据补偿电流控制指令计算单元得到的调节前的补偿电流控制指令电流和自调节系数计算单元得到的电力系统的自调节系数计算调节后的补偿电流控制指令电流。
参照图3，一种电力系统无功功率补偿的控制方法，包括如下步骤：
步骤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；设定滤波器的截止频率，采样时间以及滤波器缓存器。
步骤2：有功功率计算单元获取电力系统有功功率基频分量pb：
(2a)在三维空间坐标系中，三个坐标轴相互正交，三相电压的三相a相，b相，c相，在三维空间坐标系当中就对应着x轴y轴z轴上的三个点，对应着xyz坐标系当中的唯一的一个向量，因此每一个瞬时三相电压向量都对应着三维空间中唯一的一个向量，且这种关系是一一对应的，坐标轴上的值与相应的相值是相同的。有功功率计算单元对电力系统三相电压和三相电流进行检测，并将检测结果在三维坐标xyz中表示，得到电力系统用电电源侧的瞬时电压矢量v和瞬时电流矢量i：
v＝vax+vby+vcz
i＝isax+isby+iscz
其中，va为电力系统电压的a相电压瞬时值，vb为电力系统电压的b相电压瞬时值，vc为电力系电压的c相电压瞬时值，isa为电力系统电流的a相电流瞬时值，isb为电力系统电流的b相电流瞬时值，isc为电力系统电流的c相电流瞬时值。
在三相电压和电流的基础上，来推导有功功率和无功功率的表达式，在三维空间坐标系中建立新的三维空间坐标系，矢量v作为新的坐标系下的一个坐标，再建立与坐标轴v和向量i所在平面垂直的坐标轴q和与v和q垂直的坐标轴f。在新的坐标系下得到有功功率和无功功率的表达式：
p＝＜v,i＞
(2b)有功功率计算单元通过电力系统瞬时电压矢量v和瞬时电流矢量i，计算电力系统瞬时有功功率p：
p＝v·i＝vaisa+vbisb+vcisc；
(2c)有功功率计算单元对电力系统瞬时有功功率p进行低通滤波，得到电力系统有功功率基频分量pb：
步骤3：有功功率计算单元用于根据有功功率计算单元得到的三相电压和有功功率的基频分量计算电力系统用电电源侧的有功电流基频分量瞬时值ipba、ipbb和ipbc：
其中，ipba为有功电流的基频分量a相电流瞬时值；ipbb为有功电流的基频分量在b相电流瞬时值；ipbc为有功电流的基频分量在c相电流瞬时值；
步骤4：负载电流计算单元利用电力系统电源侧电流isa、isb和isc和动态补偿装置输出的三相补偿电流的瞬时值iga、igb和igc，计算系统近负载端实际的三相负载电流瞬时值ila、ilb和ilc：
其中，ila为负载端电流a相电流瞬时值，ilb为检测到的负载端电流b相电流瞬时值，ilc为负载端电流c相电流瞬时值；iga为无功补偿装置a相电流瞬时值，igb为无功补偿装置b相电流瞬时值，igc为无功补偿装置c相电流瞬时值；
步骤5：补偿电流控制指令计算单元计算调节前的补偿电流控制指令电流
(5a)补偿电流控制指令计算单元根据ila、ilb和ilc，以及ipba、ipbb和ipbc，计算电力系统有害电流的瞬时值iha、ihb和ihc：
其中iha为电力系统中有害电流a相电流瞬时值；ihb为电力系统中有害电流b相电流瞬时值；ihc为电力系统中有害电流c相电流瞬时值；
(5b)补偿电流控制指令计算单元根据iha、ihb和ihc，计算调节前的补偿电流控制指令电流
其中，
步骤6：瞬时功率因数计算单元根据有功功率计算单元得到的瞬时有功功率p和有功功率的基频分量pb，计算瞬时功率因数pfs：
pfs＝pb/p；
步骤7：自调节系数计算单元根据目标功率因数和pfs，通过自调节控制器计算电力系统当前时刻的自调节系数pf_k；本实施例中采用自调节控制器采用离散pi调节器，计算公式为：
pf_k＝kp(pfref-pfs)+ki(pfref-pfs)+pf_k'
其中，kp为离散pi调节器的比例系数；pfref为目标功率因数；ki为离散pi调节器的积分系数；pf_k'为上一时刻计算出的自调节系数。自调节控制器的输出pf_k应作限幅处理，本方法实施例可具备20％的自调节能力，故限幅范围可设为-0.2～+0.2。
步骤8：补偿电流控制指令调节单元，根据
其计算公式为：
其中，ica为调节后的补偿电流控制指令电流的a相电流瞬时值；icb为调节后的补偿电流控制指令电流的b相电流瞬时值；icc为调节后的补偿电流控制指令电流的c相电流瞬时值。
步骤9：完成以上步骤，等待下一个时刻到来后，返回步骤2，进入下一次运算循环，循环计算步骤2～步骤8的相关内容，可获得每个运算时刻，瞬时补偿电流控制指令信号，达到对瞬时功率因数补偿进行实时控制的目的。