CN102427237B - 一种低压无功补偿优化投切控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种低压无功补偿优化投切控制器及其控制方法，由信号检测模块、中央处理器以及外设模块组成，中央处理器分别与信号检测模块、外设模块相连。本发明优点在于：采用功率因数控制方式初次投入电容器组之后，利用电压、无功功率、功率因数三个量，运用模糊控制算法，对电容器组进行二次优化控制投切，能使系统功率因数达到最佳值。适用于解决400V低压配电网无功功率最佳补偿问题。

Description

一种低压无功补偿优化投切控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力技术领域中的低压无功补偿优化投切控制器，尤其适用于对无功补偿性能要求较高的400V/50Hz低压配电系统场合。

背景技术

目前，针对用电过程中产生的无功功率缺额，系统需要提供足够的无功以补偿负荷正常工作所需的无功，否则无功缺额过大将导致系统的电压不稳定，严重影响电网电能质量。对于400V的低压系统，许多生产厂家已生产出无功补偿控制器以及相应的自动无功补偿成套装置，在原理上都是无功补偿控制器根据工况实时动态投切电容器组，以提高系统功率因数为目的，从而降低配电网线路功率损耗和提高相关变压器的利用率。这一类低压无功补偿装置产品中的一般控制算法是，根据控制物理量的不同，如功率因数、无功功率、电压等，选择不同的物理量作为控制目标实行单一控制方式。最早期的控制方式以功率因数为控制目标，这种控制方式在轻载情况下容易发生反复投切震荡，而且该控制方式实时补偿速度、补偿效果不是很理想，也容易和系统发生谐振，只适用于对补偿速度和效果要求不高的低压配电网。目前应用比较广泛的无功补偿控制器是以无功功率作为控制目标，直接根据负荷无功量作为判决，以功率因数、电压作为约束条件来确定投入电容器组，该控制方式对控制器实时性要求高，控制计算比较复杂，由于仅采用无功功率作为判决量，可能出现电压质量和功率因数之间的矛盾问题，无法达到最佳的控制补偿效果。然而随着我国市场经济的发展、“两网”改造的结束以及国家节能减排政策的实施开展，电网和用户的情况均发生了很大的变化，因此，需要新型的低压无功补偿优化投切控制器，采用最优化的投切控制方式，进一步改善客户功率因数，减少电网线路上的无功输送容量，继续降低电网中的功率损耗，提高电网的稳定性、电压水平、供电公司及用户的经济效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低压无功补偿优化投切控制器及其控制方法，针对现有无功补偿控制器技术的不足和电网情况的改变，在用户系统功率因数满足初始设定值的基础上能够实现二次优化控制投切功能，电能质量和功率因素达到最佳，且由配电用户系统和自动无功补偿系统所组成的复合系统运行在最优状态。

本发明采用以下技术方案实现上述目的：低压无功补偿优化投切控制器，由信号检测模块、中央处理器以及外设模块组成，中央处理器分别与信号检测模块、外设模块相连。

所述信号检测模块包括电压测量变换电路、电流测量变换电路、信号调理电路、A/D模数转换电路。

所述中央处理器包括功率因数控制模块和模糊算法控制模块。

所述外设模块包括输出控制模块、显示模块以及键盘输出模块。

所述的低压无功补偿优化投切控制器的控制方法，包括如下步骤：

a.中央处理器发出“工作开始”的指令，信号检测模块开始采集电压电流信号，并将其处理后的电压电流信号传输到中央处理器的输入端；

b.中央处理器发出功率因数控制模块的启动命令，功率因数控制模块按照以功率因数为判据的控制方式，当功率因数低于设定的基本功率因数值λ₀时，对电容器组进行初次投入。一直到功率因数达到或超过设定的基本功率因数值λ₀时，将“启动命令”传输到模糊算法控制模块；

c.模糊算法控制模块接收到功率因数控制模块的启动命令后，在该模块内的TMS320F2808PZ数字信号处理器DSP中，采用DFT算法实时计算出无功功率、功率因数，并结合系统电压，运行基于系统电压、无功功率、功率因数三个量的模糊控制算法程序，得到实际需要的无功补偿控制量，对电容器组进行二次优化控制投切。

所述的低压无功补偿优化投切控制器的二次优化控制投切方法是：在低压无功补偿优化投切控制器以有功功率因素为判据进行第一次控制投切之后，由模糊算法控制模块将电压偏差Δu、无功功率偏差Δq、功率因数偏差ΔcosΦ模糊离散量化后，通过模糊控制规则推理和模糊判决处理得出实际需要的无功补偿控制量，再以实际需要的无功补偿控制量为依据对电容器组进行二次优化投切。

本发明与现有技术相比，其突出的实质性特点和显著进步在于：

采用功率因数控制方式初次投入电容器组之后，利用电压、无功功率、功率因数三个量，运用模糊控制算法，对电容器组进行二次优化控制投切。功能强大、响应迅速、控制算法亦趋于简单化、利于编制计算机程序、且计算所消耗时间有限，最关键的是能最大限度的提高低压用户系统的功率因数，解决了电压质量和功率因素的矛盾问题，同时还避免电容器的往复投切形成振荡，使低压无功补偿装置运行在最佳状态。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图3是本发明的功率因数控制模块工作原理图。

图3本发明的二次优化投切工作原理图。

图4是本发明的计算机程序实现流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

对照图1，实施例中低压无功补偿优化投切控制器工作过程如下：开启控制器工作电源后，进行程序初始化，中央处理器(2)发出“工作开始”的指令后，信号检测模块(1)开始采集电压电流信号，并将处理后的电压电流信号传输到中央处理器(2)的输入端，中央处理器(2)启动功率因数控制模块(4)，功率因数控制模块(4)采用以功率因数为判据的控制方式，当功率因数低于设定的基本功率因数λ₀时，发出投入指令，对电容器组进行初次投入，系统功率因数有所提高。当功率因数达到或超过设定的基本功率因数时，功率因数控制模块(4)将“启动命令”传输到模糊算法控制模块(5)，模糊算法控制模块(5)接收到功率因数控制模块(4)的启动命令后，在该模块内的TMS320F2808PZ数字信号处理器DSP中，采用DFT算法实时计算出无功功率、功率因数，结合系统电压，运行基于无功功率、电压、功率因数三个量的模糊控制算法程序，得到实际需要的无功补偿控制量，对电容器组进行二次优化投切。电容器组的控制投切指令都通过输出控制模块(6)输出，显示模块(7)负责显示中央处理器输出的信息。键盘模块(8)负责输入数据或指令，实现人机通信。

图2介绍了所述的低压无功补偿优化投切控制器功率因数控制模块的实现方法，功率因数控制模块测量出电压和电流的相位角φ，并确定出电流相对于电压的滞后或超前关系，假定滞后的功率因数为“+”，超前的功率因数为“-”，计算出cosφ的值，取采样时刻相邻10次采样点的平均值作为当前系统的功率因数λ。将当前功率因数λ和手动设定的基本功率因数λ₀相比较，本实施例中功率因数λ₀设定为0.9，依照如下功率因数判据控制电容器组投入：λ＜λ₀，U_L≤U≤U_H，其中，U表示系统电压值，U_L表示设定的电压下限值，U_H表示设定的电压上限值。若系统处于低功率因数阶段且电流滞后于电压即系统功率因数0＜λ＜0.9，则按照上述的功率因数控制算法投切规律发出初步投切指令，经过输出控制电路到脉冲触发驱动电路，进行电容器组投入。当系统功率因数λ已经达到设定的基本功率因数即λ≥0.9时，则启动模糊算法控制模块，自动切换到快速补偿二次优化投切模式，采用无功补偿模糊控制方式控制投切电容器组。一旦检测到系统功率因数λ＜0时，即功率因数超前为“-”，系统的无功功率过补偿，则立即启动控制模糊控制算法发出优化投切控制指令，快速切除电容器组，使系统功率因数恢复到正常范围内，得到合理的电压质量和无功功率，同时消除电容器组的往复投切振荡现象。

图3介绍了所述的低压无功补偿优化投切控制器二次优化控制投切的工作原理。模糊控制算法模块主要负责实现二次优化控制投切功能，由模糊化接口、模糊推理机、解模糊接口三部分组成，工作原理是：(1)模糊化接口对电压偏差Δu、无功功率偏差Δq、功率因数偏差ΔcosΦ这三个偏差量(即输入变量)在各自的论域范围内进行离散量化：{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}，将偏差量均描述成语言值，并分成五档{正大，正小，零，负大，负小}，形成偏差量的模糊集；模糊化接口也对Δu、Δq、ΔcosΦ对应的无功补偿量增量ΔV_u′，ΔV_q′，ΔV_φ′进行离散量化{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}，分成七档{正大，正中，正小，零，负大，负中，负小}。选取符合人类思维特点的三角形状隶属函数，按照隶属函数曲线，得出偏差量、无功补偿量增量模糊集中各个子集的隶属度值；(2)模糊推理机主要包括模糊规则推理、模糊判决。结合上述各子集的隶属度值，模糊规则推理根据电容无功补偿控制规律和人工经验推理出一系列模糊控制语言规则并得出偏差量与无功补偿量增量之间的控制状态表之后，将由语言值表达的控制状态表转换为矩阵形式，分别构成电压量偏差、无功功率偏差、功率因数偏差的推理规则模糊关系矩阵A、B、C；模糊判决将三个输入变量模糊集与所得到的模糊关系矩阵A、B、C进行模糊合成规则运算，得出Δu、Δq、ΔcosΦ的输出模糊集ΔV_u ^*，ΔV_q ^*，ΔV_φ ^*，用控制表描述出它和三个输入量模糊集的对应关系，并存储在计算机内存中，从这三个控制表中查询出控制量值，乘以相应的比例因子，即为电压、无功功率、功率因数这三个量进行模糊控制的实际输出值ΔV_u，ΔV_q，ΔV_φ；(3)解模糊接口将三个实际输出值进行加权和即K₁ΔV_u+K₂ΔV_q+K₃ΔV_φ(加权因子K₁、K₂、K₃由系统具体工况和模糊控制算法程序确定)，得到一个决定控制器二次优化控制投切的无功功率补偿控制量ΔV，模糊控制算法模块根据ΔV和电容器组的容量值，发出电容器组二次优化投切指令，使系统功率因数提高到最理想状态。

图4介绍了所述的低压无功补偿优化投切控制器的控制方法的计算机程序实现。首先程序接到开始命令后，进行参数初始化设定，主要包括基本功率因数值，电压上限、下限，电容器组容量值，以及离线已经计算好的输入、输出量化表空间地址，模糊规则控制状态表、总控制表的首地址设定等，然后运行保护校验子程序，以确保工作正常，若数据校验不正确则重新开始；若正确进入下一步，通知信号检测模块实时采集电压电流信号，在功率因数模块实时计算出功率因数，并进行功率因数判定，在这里主程序产生分支，若0＜λ＜λ₀则运行功率因数模块的控制程序，输出指令返回，若λ≥λ₀或λ₀≤0，则进入模糊控制算法模块的控制程序，输出指令返回。

本控制器优点是在传统功率因数控制方式基础上加入了无功补偿模糊优化控制的方法，综合了两者的优点，可使无功功率补偿装置的补偿功能双重化，可靠性好，成本低，性价比高，可安全替代目前大部分低压自动无功补偿控制器。

Claims (2)

1.一种低压无功补偿优化投切控制器，包括信号检测模块、中央处理器以及外设模块组成，中央处理器分别与信号检测模块、外设模块相连，

所述信号检测模块包括电压测量变换电路、电流测量变换电路、信号调理电路、A/D模数转换电路，所述外设模块包括输出控制模块、显示模块以及键盘输出模块，其特征在于: 所述中央处理器包括功率因数控制模块和模糊算法控制模块，所述功率因数控制模块以功率因数为判据进行第一次控制投切之后，由所述模糊算法控制模块将电压偏差Δu、无功功率偏差Δq、功率因数偏差ΔcosΦ模糊离散量化后，通过模糊控制规则推理和模糊判决处理得出实际需要的无功补偿控制量，再以实际需要的无功补偿控制量为依据对电容器组进行二次优化投切。

2.权利要求1所述的低压无功补偿优化投切控制器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.中央处理器发出“工作开始”的指令，信号检测模块开始采集电压电流信号，并将其处理后的电压电流信号传输到中央处理器的输入端；

b. 中央处理器发出功率因数控制模块的启动命令，功率因数控制模块按照以功率因数为判据的控制方式，当功率因数低于设定的基本功率因数值λ₀时，对电容器组进行初次投入，一直到功率因数达到或超过设定的基本功率因数值λ₀时，将“启动命令”传输到模糊算法控制模块；

c.模糊算法控制模块接收到功率因数控制模块的启动命令后，在该模块内的TMS320F2808PZ数字信号处理器DSP中，采用DFT算法实时计算出无功功率、功率因数，并结合系统电压，运行基于系统电压、无功功率、功率因数三个量的模糊控制算法程序，得到实际需要的无功补偿控制量，对电容器组进行二次优化控制投切。

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