1.本发明涉及低压开关柜功率因数补偿器领域，尤其涉及一种抽出式低压开关柜功率因数无级补偿装置及方法。
背景技术：2.低压开关柜广泛用于发电厂、化工、冶金及高层建筑等领域的输电、配电等，由于感性负载的接入，无功功率注入电网，导致电网功率因数减小，降低了电能质量和效率。并联电容可以提高电网功率因数，因此，传统功率因数调节装置中设置有电容阵列，通过继电器调节并入电容的大小，以此提高电网功率因数，但并联过多的电容一方面会增加装置成本，使装置结构复杂，另一方面难以实现功率因数的无级调节。因此，为了解决上述问题，本发明提供一种抽出式低压开关柜功率因数无级补偿装置及方法，采用功率因数相间补偿，通过控制固态继电器占空比实现功率因数的无级调节，通过对固态继电器占空比的反馈补偿实现精确调节。
技术实现要素：3.有鉴于此，本发明提出了一种抽出式低压开关柜功率因数无级补偿装置及方法，采用功率因数相间补偿，通过控制固态继电器占空比实现功率因数的无级调节，通过对固态继电器占空比的反馈补偿实现精确调节。
4.本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种抽出式低压开关柜功率因数无级补偿装置，其包括控制器、电容组a、电容组b和电容组c，还包括固态继电器a、固态继电器b、固态继电器c、第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器；
5.低压开关柜a相的进线端通过所述固态继电器a与所述电容组a的输入端连接，电容组a的输出端与零线连接；低压开关柜b相的进线端通过所述固态继电器b与所述电容组b的输入端连接，电容组b的输出端与零线连接；低压开关柜c相的进线端通过所述固态继电器c与所述电容组c的输入端连接，电容组c的输出端与零线连接；
6.第一相间继电器并联在电容组a的输入端以及电容组b的输入端之间；所述第二相间继电器并联在电容组b的输入端以及电容组c的输入端之间；所述第三相间继电器并联在电容组a的输入端以及电容组c的输入端之间；
7.控制器控制固态继电器a、固态继电器b、固态继电器c、第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器的通断。
8.在以上技术方案的基础上，优选的，还包括功率因数补偿抽屉；
9.功率因数无级补偿装置设置在功率因数补偿抽屉中；功率因数补偿抽屉采用推拉式安装。
10.另一方面，本发明提供一种抽出式低压开关柜功率因数无级补偿方法，包括以下步骤：
11.s1、按照低压开关柜功率因数无级补偿装置的连接方式连线；
12.s2、控制器在每个控制周期内根据低压开关柜进线端三相的目标功率因数与实际功率因数差值的大小进行模糊分类，根据模拟分类判断三相功率因数平衡情况；
13.s3、在三相功率因数不平衡或严重不平衡时，基于功率因数无级调节模糊规则控制第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器的通断，实现三相功率因数相间补偿；
14.s4、基于固态继电器a、固态继电器b、固态继电器c的目标占空比和实际目标占空比得出对应相固态继电器的补偿占空比，基于补偿占空比对对应相固态继电器占空比进行反馈补偿实现该相固态继电器占空比的精确调节，进而实现三相功率因数的无级调节。
15.在以上技术方案的基础上，优选的，s2中模糊分类的具体规则为：
16.将a相实际功率因数与目标功率因数差值记为δλ
a
，将其分为三个模糊值h、m、l，当δλ
a
∈(a1,a2]时，δλ
a
为l；当δλ
a
∈(a2,a3]时，δλ
a
为m；当δλ
a
∈(a3,a4]时，δλ
a
为h；a1、a2、a3、a4为(0，1)间的常数，且a1＜a2＜a3＜a4；
17.将b相实际功率因数与目标功率因数差值记为δλ
b
，将其分为三个模糊值h、m、l，当δλ
b
∈(b1,b2]时，δλ
b
为l；当δλ
b
∈(b2,b3]时，δλ
b
为m；当δλ
b
∈(b3,b4]时，δλ
b
为h；b1、b2、b3、b4为(0，1)间的常数，b1＜b2＜b3＜b4；
18.将c相实际功率因数与目标功率因数差值记为δλ
c
，将其分为三个模糊值h、m、l，当δλ
c
∈(c1,c 2]时，δλ
c
为l；当δλ
c
∈(c2,c3]时，δλ
c
为m；当δλ
c
∈(c3,c4]时，δλ
c
为h；c1、c2、c3、c4为(0，1)间的常数，c1＜c2＜c3＜c4。
19.在以上技术方案的基础上，优选的，s2中基于模糊分类规则可知，(δλ
a
，δλ
b
，δλ
c
)有27种排列组合；其中，当δλ
a
，δλ
b
，δλ
c
均为l模糊值的组合，或δλ
a
，δλb，δλ
c
的取值为m模糊值和h模糊值两种取值情况的所有组合中任一组合时，则判定三相功率因数平衡；
20.当δλ
a
，δλb，δλ
c
中有两项值为l模糊值，另一项值为h的组合时，则判定三相功率因数严重不平衡；
21.当δλ
a
，δλb，δλ
c
为剩余的组合时，则判定因数不平衡。
22.在以上技术方案的基础上，优选的，s3中实现a相功率因数相间补偿的方法为：初始状态时，所述控制器控制固态继电器a开通，固态继电器b和固态继电器c断开，将接入a相的等效电容值记为c，将电容组a的容值记为c
a
，电容组b的容值记为cb，电容组c的容值记为c
c
；
23.当三相功率因数平衡时，第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器均断开，c＝c
a
(1)；
24.当三相功率因数严重不平衡时，第一相间继电器、第二相间继电器开通，第三相间继电器断开，c＝c
a
+c
b
+c
c
(2)；
25.当三相功率因数不平衡时，第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器的通断组合有2种，第一种：第一相间继电器开通，第二相间继电器和第三相间继电器断开，c＝c
a
+c
b
(3)；第二种：第一相间继电器、第二相间继电器断开，第三相间继电器开通时，c＝c
a
+c
c
(4)。
26.在以上技术方案的基础上，优选的，s4具体包括以下步骤：
27.s201、基于单相功率三角形以及该相电容无功功率公式计算单相固态继电器的目标占空比，采用相同计算原理得出固态继电器a、固态继电器b、固态继电器c的目标占空比；
28.s202、基于功率因数无级调节模糊规则得出三相补偿系数，单相补偿系数与该相实际功率因数与目标功率因数差值的乘积为该相的补偿占空比，进而得出固态继电器a、固态继电器b、固态继电器c的补偿占空比；
29.s203、单相固态继电器的目标占空比与其补偿占空比之和为该相固态继电器的实际目标占空比，控制器基于实际目标占空比精确控制该相固态继电器，进而实现三相功率因数的无级调节。
30.在以上技术方案的基础上，优选的，s201中单相固态继电器的目标占空比为：
[0031][0032]
其中，to
n
表示一个周期t某相固态继电器的导通时间，p为该相有功功率，为该相实际相位角，为该相目标相位角，u为该相电压有效值，w为该相电压电流角速度，c为该相接入等效电容值。
[0033]
在以上技术方案的基础上，优选的，s202中三相补偿系数分别为：
[0034]
当δλ
a
为l时，k
a
的取值为k
al
；当δλ
a
为m时，k
a
的取值为k
am
；当δλ
a
为h时，k
a
的取值为k
ah
；k
a
为a相补偿系数；k
al
、k
am
、k
ah
为常数且0＜k
al
＜k
am
＜k
ah
；
[0035]
当δλ
b
为l时，k
b
的取值为k
bl
；当δλ
b
为m时，k
b
的取值为k
bm
；当δλ
b
为h时，k
b
的取值为k
bh
；k
b
为b相补偿系数；k
bl
、k
bm
、k
bh
为常数且0＜k
bl
＜k
bm
＜k
bh
；
[0036]
当δλ
c
为l时，k
c
的取值为k
cl
；当δλ
c
为m时，k
c
的取值为k
cm
；当δλc为h时，k
c
的取值为k
ch
；k
c
为c相补偿系数；k
cl
、k
cm
、k
ch
为常数且0＜k
cl
＜k
cm
＜k
ch
。
[0037]
本发明的一种抽出式低压开关柜功率因数无级补偿装置及方法相对于现有技术具有以下有益效果：
[0038]
(1)通过设置第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器，并且其连接关系可以实现电容组a、电容组b、电容组c的两两连接，当三相功率因数不平衡或严重不平衡时，通过控制第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器的通断，调节三相接入电容值大小，进而实现功率相间补偿；
[0039]
(2)通过将三相的目标功率因数与实际功率因数差值的大小进行模糊分类，根据模拟分类判断三相功率因数平衡情况，根据三相功率因数平衡情况进行三相功率相间补偿以及确定固态继电器a、固态继电器b和固态继电器c的补偿系数的大小，为精确控制固态继电器a、固态继电器b和固态继电器c提供数据基础；
[0040]
(3)通过控制固态继电器a、固态继电器b和固态继电器c的占空比调节接入电容值，实现每相接入电容无级调节，从而实现功率因数无级调节；
[0041]
(4)基于功率因数无级调节模糊规则得出三相固态继电器的补偿系数以及补偿占空比，固态继电器a、固态继电器b和固态继电器c的占空比控制采用补偿占空比反馈调节的闭环控制方法，实现固态继电器占空比的精确控制。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1为本发明一种抽出式低压开关柜功率因数无级补偿装置的结构图；
[0044]
图2为本发明一种抽出式低压开关柜功率因数无级补偿方法中a相功率因数提高前后功率三角形；
[0045]
图3为本发明一种抽出式低压开关柜功率因数无级补偿方法中固体继电器a占空比补偿原理图；
[0046]
图4为本发明一种抽出式低压开关柜功率因数无级补偿方法中功率因数无级调节模糊规则表格。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0048]
实施例1
[0049]
如图1所示，本发明的一种抽出式低压开关柜功率因数无级补偿装置，其包括控制器、电容组a、电容组b、电容组c、固态继电器a、固态继电器b、固态继电器c、第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器。
[0050]
低压开关柜a相的进线端通过固态继电器a与电容组a的输入端连接，电容组a的输出端与零线连接；低压开关柜b相的进线端通过所述固态继电器b与所述电容组b的输入端连接，电容组b的输出端与零线连接；低压开关柜c相的进线端通过所述固态继电器c与所述电容组c的输入端连接，电容组c的输出端与零线连接；第一相间继电器并联在电容组a的输入端以及电容组b的输入端之间；第二相间继电器并联在电容组b的输入端以及电容组c的输入端之间；第三相间继电器并联在电容组a的输入端以及电容组c的输入端之间；控制器控制固态继电器a、固态继电器b、固态继电器c、第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器的通断。
[0051]
本实施例中，每相电容组前端串接对应相的固态继电器并入低压开关柜所述相的进线端，只有将每相固态继电器串联在对应电容组的前端，才能调节接入的电容；第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器的连接关系实现电容组a、电容组b、电容组c的两两连接，以便通过控制第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器的通断实现三相接入电容的大小调整，进而实现三相功率相间补偿。
[0052]
优选的，一个低压开关柜配置一个功率因数补偿抽屉，本实施例的功率因数无级补偿装置均布设在功率因数补偿抽屉内，功率因数补偿抽屉推拉式安装，不需接线。
[0053]
本实施例的工作原理为：根据三相功率因数平衡情况，控制器控制第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器的开断，调节三相接入的等效电容值，实现相间补偿。以a相功率相间补偿为例，初始状态时，控制器控制固态继电器a开通，固态继电器b和固态继电器c断开，将接入a相的等效电容值记为c，将电容组a的容值记为ca，电容组b的容值记为cb，电容组c的容值记为cc；
[0054]
当三相功率因数平衡时，第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器均断开时，c＝ca；
[0055]
当三相功率因数严重不平衡时，第一相间继电器、第二相间继电器开通，第三相间继电器断开，c＝ca+cb+cc；
[0056]
当三相功率因数不平衡时，具有2种相间继电器通断组合，第一种：第一相间继电器开通，第二相间继电器和第三相间继电器断开，c＝ca+cb；第二种：第一相间继电器、第二相间继电器断开，第三相间继电器开通时，c＝ca+cc。其中，第一种通断组合的意义是用a相和b相的电容值去补偿a相，第二种通断组合的意义是用a相和c相的电容值去补偿a相。
[0057]
本实施例的有益效果为：通过设置第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器，并且其连接关系可以实现电容组a、电容组b、电容组c的两两连接，当三相功率因数不平衡或严重不平衡时，通过控制第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器的通断，调节三相接入电容值大小，进而实现功率相间补偿。
[0058]
实施例2
[0059]
在实施例1的基础上，本实施例提供一种抽出式低压开关柜功率因数无级补偿方法，具体包括以下步骤：
[0060]
s1、按照实施例1所述的连接方式连线；
[0061]
s2、控制器在每个控制周期内根据低压开关柜进线端三相的目标功率因数与实际功率因数差值的大小进行模糊分类，根据模拟分类判断三相功率因数平衡情况；
[0062]
其中，模糊分类的具体规则为：
[0063]
将a相实际功率因数与目标功率因数差值记为δλ
a
，将其分为三个模糊值h(高)、m(中)、l(低)，当δλ
a
∈(a1,a2]时，δλ
a
为l；当δλ
a
∈(a2,a3]时，δλ
a
为m；当δλ
a
∈(a3,a4]时，δλ
a
为h；a1、a2、a3、a4为(0，1)间的常数，且a1＜a2＜a3＜a4；
[0064]
将b相实际功率因数与目标功率因数差值记为δλ
b
，将其分为三个模糊值h(高)、m(中)、l(低)，当δλ
b
∈(b1,b2]时，δλ
b
为l；当δλ
b
∈(b2,b3]时，δλ
b
为m；当δλ
b
∈(b3,b4]时，δλ
b
为h；b1、b2、b3、b4为(0，1)间的常数，b1＜b2＜b3＜b4；
[0065]
将c相实际功率因数与目标功率因数差值记为δλ
c
，将其分为三个模糊值h(高)、m(中)、l(低)，当δλ
c
∈(c1,c2]时，δλ
c
为l；当δλ
c
∈(c2,c3]时，δλ
c
为m；当δλ
c
∈(c3,c4]时，δλ
c
为h；c1、c2、c3、c4为(0，1)间的常数，c1＜c2＜c3＜c4。
[0066]
基于上述模糊分类规则可知，(δλa，δλb，δλc)有27种排列组合，所述27种排列组合如图4所示。其中，当δλa，δλb，δλc均为l模糊值的组合，或δλa，δλb，δλc的取值为m模糊值和h模糊值两种取值情况的所有组合中任一组合时，则判定三相功率因数平衡，无需进行功率因数相间补偿；由此可见，三相功率因数平衡的组合有9种；
[0067]
当δλa，δλb，δλc中有两项值为l模糊值，另一项值为h的组合时，则判定三相功率因数严重不平衡，需要由三相补偿功率因数不平衡的一相；由此可见，三相功率因数严重不平衡的组合有3种；
[0068]
当δλa，δλb，δλc为剩余的15种组合时，则判定因数不平衡，需要由两相补偿功率因数不平衡的一相。
[0069]
s3、在三相功率因数不平衡或严重不平衡时，基于功率因数无级调节模糊规则控制第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器的通断，实现三相功率因数相间补
偿；
[0070]
三相功率因数不平衡或严重不平衡时，需要进行功率相间补偿，以a相功率相间补偿为例，具体的a相功率相间补偿方法为：初始状态时，所述控制器控制固态继电器a开通，固态继电器b和固态继电器c断开，将接入a相的等效电容值记为c，将电容组a的容值记为ca，电容组b的容值记为cb，电容组c的容值记为cc。如图4所示，将第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器包括开通和断开两个状态，开通用1表示，断开用0表示。
[0071]
当三相功率因数平衡时，第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器均断开时，c＝ca(1)；
[0072]
当三相功率因数严重不平衡时，第一相间继电器、第二相间继电器开通，第三相间继电器断开，c＝ca+cb+cc(2)；
[0073]
当三相功率因数不平衡时，基于功率因数无级调节模糊规则得知(δλa，δλb，δλc)的排列组合情况，以及对应的相间继电器通断组合。由此可见，三相功率因数不平衡时，具有2种相间继电器通断组合，第一种：第一相间继电器开通，第二相间继电器和第三相间继电器断开，c＝ca+cb(3)；第二种：第一相间继电器、第二相间继电器断开，第三相间继电器开通时，c＝ca+cc(4)。
[0074]
本步骤中，通过控制第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器的通断，调节三相接入电容值大小，进而实现功率相间补偿。
[0075]
s4、基于固态继电器a、固态继电器b、固态继电器c的目标占空比和实际目标占空比得出对应相固态继电器的补偿占空比，基于补偿占空比对对应相固态继电器占空比进行反馈补偿实现该相固态继电器占空比的精确调节，进而实现三相功率因数的无级调节。具体包括以下步骤：
[0076]
s201、基于单相功率三角形以及该相电容无功功率公式计算单相固态继电器的目标占空比，采用相同计算原理得出固态继电器a、固态继电器b、固态继电器c的目标占空比；
[0077]
s202、基于功率因数无级调节模糊规则得出三相补偿系数，单相补偿系数与该相实际功率因数与目标功率因数差值的乘积为该相的补偿占空比，进而得出固态继电器a、固态继电器b、固态继电器c的补偿占空比；
[0078]
s203、三相固态继电器的目标占空比与其补偿占空比之和为三相固态继电器的实际目标占空比，控制器基于实际目标占空比精确控制三相固态继电器，进而实现三相功率因数的无级调节。
[0079]
以a相为例进行说明，a相功率因数提高前后功率三角形如图2所示。图2中，为a相实际相位角，为a相目标相位角。pa为a相有功功率，q
la
为a相感性无功功率，qca为并入电容的无功功率。q
a
为与a相目标功率因数对应的无功功率。固态继电器a的目标占空比记为d
agoal
，固态继电器a的实际目标占空比记为d
ainit
。由图2可知，a相并入电容的无功功率qca为：
[0080]
[0081]
电容无功功率公式为：其中，tona表示一个周期t固态继电器a的导通时间，xca为a相接入电容阻抗，ua为a相电压有效值，w为a相电压电流角速度，c为a相接入等效电容值；
[0082]
联立式(5)和式(6)，可得固态继电器a的目标占空比为：
[0083][0084]
以固态继电器a占空比补偿为例，其补偿原理如图3所示。补偿占空比等于补偿系数与该相实际功率因数与目标功率因数差值的乘积，其中，补偿系数根据功率因数无级调节模糊规则得到。即：
[0085]
δd
a
＝k
a
·
δλ
a
ꢀꢀ
(8)；
[0086]
其中，δd
a
为固态继电器a的补偿占空比；k
a
为a相补偿系数，根据功率因数无级调节模糊规则得到。
[0087]
由图3可知：补偿占空比与该相固态继电器的目标占空比之和等于该相固态继电器的实际目标占空比。即：
[0088]
d
ainit
＝d
agoal
+δd
a
ꢀꢀ
(9)；
[0089]
控制器基于固态继电器a实际目标占空比精确控制固态继电器a。通过调节固态继电器a的占空比，调节a相接入的电容值的大小，实现每相接入电容无级调节，从而实现a相功率因数无级调节。
[0090]
如图4所示，根据功率因数无级调节模糊规则可以得到：当δλa为l时，k
a
的取值为k
al
；当δλa为m时，k
a
的取值为k
am
；当δλa为h时，k
a
的取值为k
ah
；k
al
、k
am
、k
ah
为常数且0＜k
al
＜k
am
＜k
ah
；
[0091]
当δλb为l时，k
b
的取值为k
bl
；当δλb为m时，k
b
的取值为k
bm
；当δλb为h时，k
b
的取值为k
bh
；k
b
为b相补偿系数；k
bl
、k
bm
、k
bh
为常数且0＜k
bl
＜k
bm
＜k
bh
；
[0092]
当δλ
c
为l时，k
c
的取值为k
cl
；当δλ
c
为m时，k
c
的取值为k
cm
；当δλ
c
为h时，k
c
的取值为k
ch
；k
c
为c相补偿系数；k
cl
、k
cm
、k
ch
为常数且0＜k
cl
＜k
cm
＜k
ch
。
[0093]
本实施例的有益效果为：通过将三相的目标功率因数与实际功率因数差值的大小进行模糊分类，根据模拟分类判断三相功率因数平衡情况，根据三相功率因数平衡情况进行三相功率相间补偿以及确定固态继电器a、固态继电器b和固态继电器c的补偿系数的大小，为精确控制固态继电器a、固态继电器b和固态继电器c提供数据基础；
[0094]
当三相功率因数不平衡或严重不平衡时，通过控制第一相间继电器、第二相间继电器和第三相间继电器的通断，调节三相接入电容值大小，进而实现功率相间补偿；
[0095]
通过控制固态继电器a、固态继电器b和固态继电器c的占空比调节接入电容值，实现每相接入电容无级调节，从而实现功率因数无级调节；
[0096]
基于功率因数无级调节模糊规则得出三相固态继电器的补偿系数以及补偿占空比，固态继电器a、固态继电器b和固态继电器c的占空比控制采用补偿占空比反馈调节的闭环控制方法，实现固态继电器占空比的精确控制。
[0097]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的
精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。