无功补偿控制方法.pdf

本发明涉及一种无功补偿控制方法，以电压为第一控制量，电流为第二控制量，功率因数为第三控制量，无功电流为第四控制量，回路数为第五控制量，将上述电压、电流、功率因数、无功电流与设定的门限值进行比较，顺序进行电压控制、电流控制、功率因数控制、无功电流控制、回路数控制，整个过程为一大循环，可以针对产品不断变化的电压、电流、功率因数、无功电流、回路数的参数情况做出相应的处理，实现综合控制、稳定控制。

1、  一种无功补偿控制方法，包括如下步骤：
1)将当前电网的电压值与电压设定值进行比较，若该电压值大于过电压设定值或者小于欠电压设定值，则跳转执行步骤6；否则
2)将当前电网的电流值与电流设定值进行比较，若该电流小于电流设定值，则跳转执行步骤6；否则
3)将当前电网的功率因数与门限设定值进行比较，若该功率因数大于等于切除门限设定值，则跳转执行步骤6；若该功率因数小于切除门限设定值且大于投入门限设定值，则返回步骤1；否则
4)将当前电网的无功电流值与无功电流设定值进行比较，若无功电流值小于等于无功电流设定值，则返回步骤1；否则
5)计算出空回路数M；若M不等于0，则投入一个回路，然后返回步骤1；若M等于0，则直接返回步骤1；
6)计算出已投入回路数L；若L不等于0，则切除一个回路，然后返回步骤1；若L等于0，则直接返回步骤1。

2、  如权利要求1所述的无功补偿控制方法，其特征在于，所述当前电网的电压值通过如下步骤得到：
通过电压采样电路进行电压采样；
通过单片机数据处理，计算出当前电网的电压值。

3、  如权利要求2所述的无功补偿控制方法，其特征在于，单片机计算当前电网的电压值采用算术平均值算法或者递推平均值算法。

4、  如权利要求1所述的无功补偿控制方法，其特征在于，所述当前电网的电流值通过如下步骤得到：
通过电流采样电路进行电流采样；
通过单片机数据处理，计算出当前电网的电流值。

5、  如权利要求4所述的无功补偿控制方法，其特征在于，单片机计算当前电网的电流值采用算术平均值算法或者递推平均值算法。

6、  如权利要求1所述的无功补偿控制方法，其特征在于，所述当前电网的功率因数通过如下步骤得到：
功率因数采样；
通过单片机数据处理，计算出当前电网的功率因数。

7、  如权利要求6所述的无功补偿控制方法，其特征在于，单片机计算当前电网的功率因数采用功率法，即cos＝P/S，S＝U×I， P = U 1 × I 1 × U 2 × I 2 + · · · + Un × In n , ]]>其中n为整数。

8、  如权利要求6所述的无功补偿控制方法，其特征在于，单片机计算当前电网的功率因数通过如下步骤：
测得电压U和电流I之间的相位角φ；
算出Cos；
对Cos取算术平均值，即：其中n为整数。

9、  如权利要求8所述的无功补偿控制方法，其特征在于，所述当前电网的无功电流值通过如下步骤得到：
功率因数采样；
通过单片机数据处理，计算出当前电网的无功电流值。

10、  如权利要求9所述的无功补偿控制方法，其特征在于，单片机计算当前电网的无功电流值Iq＝I×Cos。

无功补偿控制方法
技术领域
本发明涉及一种无功补偿控制方法，具体地说，是基于无功补偿的多参数综合控制方法。
背景技术
无功补偿器是一种能够降低线路损耗、节约电能、稳定电网电压、改善电网三相不平衡、为变压器增容的设备，广泛应用于电力系统中。
传统的基于单片机控制的无功补偿器存在以下不足：
根据控制物理量的不同，无功补偿器可分为功率因数控制型、无功电流控制型、无功功率控制型，他们的主控制物理量较为单一，在确定补偿量时容易发生误动作，不能准确可靠补偿。
对于功率因数型无功补偿器而言，其主控物理量为功率因数。工作时用当前的功率因数与设定的投、切门限进行比较，以确定是投入、切除还是保持不变。根据补偿原理，投入一组电容后，因为负载较轻，会使功率因数超前，功率因数一超前，就要立即切除一组电容，而切除后功率因数又不够，又会投入一组电容，因此，上述功率因数型无功补偿器具有在轻载荷时易形成投切振荡的缺陷。
对于无功功率型无功补偿器而言，其主控物理量为无功功率。工作时先计算出当前的无功功率，若无功功率大于下一步电容器组的补偿值，则投入一电容器组，若当前值超前，则切除一电容器组。这种控制方法在应用的时候主要存在以下缺陷：电容器组的功率值为标称值，在使用过程中正比于工作电压，当电网电压波动较大时，电容器组的标称值和实际值差别较大，以此来作为无功补偿器的投切判断条件，则动作误差较大，容易误动作。
对于无功电流型无功补偿器而言，其主控物理量为无功电流。其补偿原理与无功功率型无功补偿器类似，工作时先计算出当前的无功电流，若无功电流大于下一步电容器组的补偿值，则投入一电容器组，若当前值超前，则切除一电容器组。这种控制方法在应用的时候主要存在以下缺陷：电容器组的电流值为标称值，在使用过程中正比于工作电压，当电网电压波动较大时，电容器组的标称值和实际值差别较大，以此来作为无功补偿器的投切判断条件，则动作误差较大，容易误动作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种无功补偿控制方法，可克服上述单一主控物理量控制产生的缺点，实现稳定可靠补偿。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种无功补偿控制方法，包括如下步骤：1)将当前电网的电压值与电压设定值进行比较，若该电压值大于过电压设定值或者小于欠电压设定值，则跳转执行步骤6；否则2)将当前电网的电流值与电流设定值进行比较，若该电流小于电流设定值，则跳转执行步骤6；否则3)将当前电网的功率因数与门限设定值进行比较，若该功率因数大于等于切除门限设定值，则跳转执行步骤6；若该功率因数小于切除门限设定值且大于投入门限设定值，则返回步骤1；否则4)将当前电网的无功电流值与无功电流设定值进行比较，若无功电流值小于等于无功电流设定值，则返回步骤1；否则5)计算出空回路数M；若M不等于0，则投入一个回路，然后返回步骤1；若M等于0，则直接返回步骤1；6)计算出已投入回路数L；若L不等于0，则切除一个回路，然后返回步骤1；若L等于0，则直接返回步骤1。
采用上述控制方法，以电压为第一控制量，确保了无功补偿器的正常工作电压，免除了负载在过电压、欠电压情况下的工作；因为在过电压和欠电压状态下工作时，对无功补偿器及其配套产品的危害较大，尤其是在过电压情况下，容易发生器件烧毁的现象，故以电压为第一控制量。以电流为第二控制量，作为约束条件，可以免除负载过轻情况下无功补偿器工作，从而避免了无功补偿器在负载过轻情况下投切振荡的情况，同时从补偿策略角度来说，在轻载的情况下也没进行补偿的必要性。以功率因数为第三控制量，作为主要控制物理量，控制策略直接明了，补偿目标明确。以无功电流为第四控制量，作为辅助主要控制物理量，可以避免只有功率因数控制时存在的投切振荡现象(即投入某一组负载时，先进行预计投入判定，当判定投入后会超过功率因数切除门限时，不采取投入动作，以消除投切振荡现象)。以回路数为第五控制量，作为无功补偿器输出动作的约束条件，当判断出不能输出动作时，不发出输出指令。上述多处返回电压采样、计算流程处，即表示重新开始进行电压控制，然后顺序进行电流控制、功率因数控制、无功电流控制、回路数控制，整个过程为一大循环，可以针对产品不断变化的参数情况(电压、电流、功率因数、无功电流、回路数)作出相应的处理，实现综合控制、稳定控制。
附图说明
图1是本发明无功补偿控制方法的基本原理框图；
图2是图1中电压参数控制的原理框图；
图3是图1中电流参数控制的原理框图；
图4是图1中功率因数控制的原理方框示意图；
图5是图1中无功电流参数的控制原理方框示意图；
图6是图1中回路数控制原理方框示意图；
图7是根据本发明的方法设计的无功补偿器整体结构示意图；
图8是本发明的无功补偿器主控制程序流程方框示意图；
图9本发明的无功补偿器输出程序流程方框示意图。
具体实施方式
下面根据图1至图9，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
本发明的无功补偿的多参数综合控制方法采用如下控制参数：电压，电流，功率因数，无功电流，输出回路数。其中，以电压为第一控制量，电流为第二控制量，功率因数为第三控制量，无功电流为第四控制量，回路数为第五控制量。
所述多参数控制原理如下：
无功补偿器的工作状态可分为超前(功率因数超过切除门限，)、滞后(功率因数不大于投入门限)、稳定(功率因数在投入门限与切除门限之间)三种状态。
在滞后状态下，若要采取投入动作则需如下参数满足：电压在要求范围内(大于欠压值而小于等于过压值)，电流必须达到一定的数值(大于等于欠流值)，无功电流必须达到一定的值(大于无功电流门限)，回路数还有空回路可以投入；这些参数都满足则会采取投入动作，若不满足则不采取投入动作。
在超前状态下，若要采取切除入动作则需如下参数满足：投入回路数不为零，若满足则会采取切除动作。同时，若电压超过范围或者电流小于一定的数值，且投入回路数不为零，同样也会引起切除动作。
在稳定状态下，若电压超过范围，电流小于一定的数值，这两个条件只要有任一满足且投入回路数不为零，则会采取切除动作，若两个条件不满足或者投入回路数为零则不采取切除动作。
如图1所示，无功补偿器工作时，首先进行电压(第一控制量)控制处理，然后进行电流(第二控制量)控制处理，然后再进行功率因数(第三控制量)控制处理，然后再进行无功电流(第四控制量)控制处理，最后进行回路数(第五控制量)控制处理，最终控制输出。
在进行电压控制时，如图2所示，包括如下步骤：进行电压采样，对采样结果进行计算，得出当前电网电压值，并和给定的电压上限、电压下限进行比较，电压若高于电压上限或者低于电压下限，则转入A2流程(回路数控制，以便判断是否有投入回路可以切除)，否则转入A1流程(电流控制，判断电流是否在范围内)。
电压控制的作用是确保了无功补偿器的正常工作电压，避免了无功补偿器负载在过电压情况下易发生烧毁的现象。当电压不满足条件时，则转入回路数判断，看是否有投入回路可供切除；当电压满足条件时，顺序转入电流控制进行进一步判断。
在进行电流控制时，如图3所示，包括如下步骤：进行电流采样，对采样结果进行计算，得出当前电网电流值，并和给定的电流下限进行比较，电流值若低于电流下限，则转入B2(回路数控制，以便判断是否有投入回路可以切除)流程，否则顺序转入B1流程(功率因数控制)。
电流控制的作用是确保无功补偿器补偿时要有一定的负荷，即可大多避免了在轻载情况下功率因数型无功补偿器容易发生投切振荡的情况。当电流不满足条件时，则转入回路数判断，看是否有投入回路可供切除；当电流满足条件时，顺序转入功率因数控制进行进一步判断。
在进行功率因数控制时，如图4所示，包括如下步骤：进行功率因数采样，对采样结果进行计算，得出当前电网功率因数值，并和给定的投入门限、切除门限进行比较，功率因数值若小于等于投入门限，则转入C1流程(无功电流控制)，功率因数值若大于等于切除门限，则转入C2流程(回路数控制)，否则转入C3流程(返回至电压控制)。
功率因数控制的作用是判断是否满足投、切条件，控制策略直接明了，补偿目标明确。若功率因数满足切除条件，则转入回路数判断，看是否有投入回路可供切除；若功率因数满足投入条件，则转入无功电流控制进行进一步判断。
在进行无功电流控制时，如图5所示，包括如下步骤：进行无功电流采样，对采样结果进行计算，得出当前无功电流值，并和给定的无功电流门限(要根据当前电压和标称电压的差对门限值进行补偿)进行比较，无功电流值若小于等于无功电流门限，则转入D2流程(返回至电压控制)，否则转入D1流程(回路数控制)。
无功电流控制的作用是：当功率因数满足投入条件，准备进行下一步电容器组投入时，仅判断该组电容器组投入后是否会使电网功率因数超前，若其会超前，则不采取投入动作，若不会超前，则转入回路数控制进行进一步的判别。这样即可消除投切振荡的现象。
同时，由于对无功电流门限进行了补偿处理(电压补偿，即是将标称电压下的电容标称值转换成实际电压下的实际值)，故可以消除因为电压波动较大时带来较大的动作误差，避免误动作。
在进行回路数控制时，如图6所示，包括如下步骤：进行回路数计算，与回路给定数进行比较，若判断出可以投入，则转入E1流程(投入输出)，若判断出可以切除，则转入E2流程(切除输出)，若判断出不能输出，则转入E3流程(返回至电压控制)。
回路数控制的作用是：以回路数作为投入或切除动作的最终束缚条件，不管前面的参数状态如何，最终动作的必要条件是回路数必须可以投入或者可以切除，故以回路数作为最终控制参数。
以电压为首要控制条件，确保无功补偿器正常工作条件；以电流为动作约束条件，防止无功补偿器误动作；以功率因数为主要控制量，确定无功补偿量；以无功电流为辅助主要控制物理量，防止无功补偿器误动作；以回路数为输出动作必要条件；避免了原有单一主控物理量控制时产生的缺点(功率因数型轻载荷易投切振荡，无功功率型、无功电流型无功补偿器电压波动大时易误动作)，实现综合、稳定控制。
图7是某一无功补偿器(额定工作电压380V，回路数10)整体方案示意图，在图中(Us、Is分别表示电压、电流输入)，单片机通过外围电路对所在电网进行数据采样、数据分析、并根据键盘设定对数据进行处理，送至显示输出和控制输出。图8是某无功补偿器主控制程序流程方框示意图(有关电压、电流、功率因数、无功电流、回路数等的计算将在下面进行说明)，也是对图7中控制方法的补充说明。图9某无功补偿器是输出程序流程方框示意图，也是对图8的补充说明。
下面根据图7-图9，详细描述本发明的控制方法。
首先进行电压采样(采用通用电路)，并通过数据处理(单片机)计算出当前电网的电压值。计算方法可采用算术平均值算法，即： U = 1 n × Σ i = 1 n Ui , ]]>其中，n为整数，这里可以取n＝10，即取10次平均值；也可以通过递推平均值算法，即： U = 1 n × Σ i = 0 n - 1 Un - i ; ]]>同时也可以通过其他的算法在程序中计算出电压U。
然后对电压U和用户(键盘)的电压设定值进行比较，有几种情况：
(1)若电压U大于过电压设定值(范围400V～450V，可设定)，则过电压指示灯亮，同时转入回路数判别，若已投入回路数不为0，则切除一个回路，再重新返回电压采样、计算流程处；若已投入回路数为0，则不采取切除动作，直接返回电压采样、计算流程处。
(2)若电压U小于欠电压设定值(300V，不可设定)，则欠电压指示灯亮，同时转入回路数判别，若已投入回路数不为0，则切除一个回路，再重新返回电压采样、计算流程处；若已投入回路数为0，则不采取切除动作，直接返回电压采样、计算流程处。
(3)若电压U小于等于过电压设定值(范围400V～450V，可设定)且大于等于欠电压设定值(300V，不可设定)，则电压U满足正常工作条件，转入电流控制。
通过电压控制可以确保了无功补偿器的正常工作电压，避免了无功补偿器负载在过电压情况下易发生烧毁的现象。
电流控制包括电流采样(采用通用电路)，并通过数据处理(单片机)计算出当前电网的电流值。计算方法可采用算术平均值算法，即： I = 1 n × Σ i = 0 n - 1 In - i , ]]>其中，n为整数，这里可以取n＝10，即取10次平均值；也可以通过递推平均值算法，即： I = 1 n × Σ i = 1 n Ii ; ]]>同时也可以通过其他的算法在程序中计算出电流I。
然后对电流I和用户(键盘)的电流设定值进行比较，有几种情况：
(1)若电流I小于用户电流设定值(50mA～500mA)，则欠流指示灯亮，同时转入回路数判别，若已投入回路数不为0，则切除一个回路，再重新返回电压采样、计算流程处；若已投入回路数为0，则不采取切除动作，直接返回电压采样、计算流程处。
(2)若电流I大于等于用户电流设定值(50mA～500mA，可设定)，则电流I满足正常工作条件，转入功率因数控制。
通过电流控制确保了无功补偿器补偿时要有一定的负荷，即可大多避免了在轻载情况下功率因数型无功补偿器容易发生投切振荡的情况。
功率因数控制包括功率因数采样，并通过数据处理(单片机)计算出当前电网的功率因数。计算方法可采用功率法，即：cos＝P/S，S＝U×I， P = U 1 × I 1 + U 2 × I 2 + · · · + Un × In n , ]]>其中n为整数，在这里可以取n＝10，即取10平均值；也可以通过测得电压U和电流I之间的相位角，算出Cos，同时对Cos取算术平均值，即：其中n为整数，在这里可以取n＝10，即取10次平均值。
然后对功率因数和用户(键盘)的功率因数设定值进行比较，有几种情况：
(1)若功率因数大于等于用户切除门限设定值(-0.94～-0.99，可设定)，则表示为超前状态，同时转入回路数判别，若已投入回路数不为0，则切除一个回路，再重新返回电压采样、计算流程处；若已投入回路数为0，则不采取切除动作，直接返回电压采样、计算流程处。
(2)若功率因数小于等于用户投入门限设定值(0.99～0.80)，则表示为滞后状态，转入无功电流控制。
(3)若功率因数大于投入门限且小于切除门限，则表示处于稳定状态，不采取输出动作，直接返回电压采样、计算流程处。
通过功率因数控制，可以判断产品是否满足投、切条件，为补偿提供重要依据。
无功电流控制包括功率因数采样，并通过数据处理(单片机)计算出当前电网的无功电流值Iq。计算方法可采用Iq＝I×Cos，得出无功电流。
然后对无功电流Iq和用户(键盘)的无功电流设定值进行比较，有几种情况：
(1)无功电流值大于无功电流设定(门限)值(例如20A/400V)，则表示下一步投入电容不会导致超前，可以投入，若已投入回路数不为10(表示还有空回路)，则投入一个回路，然后返回电压采样、计算流程处。
(2)若无功电流值小于等于无功电流设定(门限)值(例如20A)，则表示下一步投入电容会导致超前，则不采取投入动作，直接返回电压采样、计算流程处。注意对无功电流门限值(标称值)进行电压补偿，例如若某无功电流门限为20A/400V，此时电压为440V，则无功电流门限也应按比例放大为22A/440V。
通过无功电流控制，可以避免投切振荡的现象。同时又因对无功电流门限值采取了电压补偿，故可以消除因为电压波动较大时带来较大的动作误差，避免误动作。
回路数控制作为最终输出约束条件，在整个多参数控制中有多个入口。本产品的回路数为10，表示最多可以输出10组电容器组。在进行回路数控制时，先计算出已投入回路数L(L为整数，且L≤10)，算出空回路数M(M为整数，且M＝10-L)。然后对回路数进行判别，有几种情况：
(1)当进行投入判别时，若M不等于0，表示还可以投入，则采取投入动作，然后返回电压采样、计算流程处；若M＝0，表示不可以投入，则不采取输出动作，直接返回电压采样、计算流程处。
(2)当进行切除判别时，若L不等于0，表示还可以切除，则采取切除动作，然后返回电压采样、计算流程处；若L＝0，表示不可以切除，则不采取输出动作，直接返回电压采样、计算流程处。
上述多处返回电压采样、计算流程处，即表示重新开始进行电压控制，然后顺序进行电流控制、功率因数控制、无功电流控制、回路数控制，整个过程为一大循环，可以针对产品不断变化的参数情况(电压、电流、功率因数、无功电流、回路数)作出相应的处理，实现综合控制、稳定控制。
本控制方法从原理上避免了原有单一主控物理量控制时产生的缺点(功率因数型轻载荷易投切振荡，无功功率型、无功电流型无功补偿器电压波动大时易误动作)，可以实现综合、稳定控制，达到较好的技术效果。
前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对该较佳实施例，本领域内的技术人员在不脱离本发明原理的基础上，可以作出各种修改或者变换。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。