CN103390898B - 基于瞬时序分量功率的动态无功补偿控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瞬时序分量功率的动态无功补偿控制器，其包括硬件和软件两部分，所述硬件部分主要由数字信号处理模块、交流采样模块、串行通讯模块和人机接口模块等组成；所述软件部分主要由瞬时序分量功率算法和电容器投切控制算法等组成。本发明实现了低成本、大容量的无功功率快速补偿，本发明提出的瞬时序分量功率算法可以实现对平衡或不平衡负载进行自适应三相共相或分相快速混合补偿。

Description

基于瞬时序分量功率的动态无功补偿控制器

技术领域

本发明是根据配电网或用户对无功功率的要求，基于瞬时序分量功率算法而设计的一种具有模块化、网络化、智能化特性，可以实现对平衡或不平衡负载进行自适应三相共相或分相混合补偿的准实时动态无功补偿控制器，属于电能质量技术领域。

背景技术

随着交流电弧炉、轧钢机等不平衡、冲击性工业用电设备日益增多，由此产生了功率因数低、电压波动和闪变以及三相电压和电流不平衡等诸多电能质量问题。常规的低压无功补偿装置一般由控制器、并联补偿电容器、投切开关、熔断器等组成，结构复杂、接线繁琐、扩容困难、动态响应慢、运行的可靠性也不高，维护比较困难。

随着半导体技术的进步，越来越多的高性能处理器或数字信号处理器应运而生，处理器的运算速度呈大幅上升趋势，数字信号处理器从原来的定点运算向浮点运算过渡，功耗却大大降低，综合性能比前代的处理器有了很大的飞跃。这使得这些高性能的处理器用于电网控制已成可能，且对于电网频率来说，处理器的运算速度已经可以满足绝大部分的应用，从而使得控制成为实时的。

随着计算机技术、通信技术的发展，使用网络来连接电力电子模块已经成为趋势，网络控制不仅能有利于电力电子模块化，还能提高系统整体的性能。基于总线或以太网的分布式电力电子系统与传统的集中式控制系统不同，总线既可以传输电力电子数据信息还可以传输控制命令，主机可以与另外的主机通讯，还可以通过IEC61850规约与外界通讯。通过这种方式，具有能让电力电子系统通过网络实现资源共享、连接线数减少、易于扩展、易于维护、高效、可靠等优点。

自从上世纪日本科学家提出瞬时无功功率理论以来，瞬时功率理论已经在快速动态无功补偿装置中得到了广泛应用，但由于理论是基于三相三线的平衡系统提出的，而目前生产中有大量的三相四线制不平衡负载，这使得理论的应用受到了限制，有必要对其进行修正。

因此，为了满足用户的需求和电力电子模块化的趋势，有必要根据目前最新的技术对动态无功补偿控制器进行结构上、功能上的重新分析和设计。

发明内容

本发明提供一种基于瞬时序分量功率的动态无功补偿控制器。

基于瞬时序分量功率的动态无功补偿控制器：控制器硬件包括：数字信号处理模块、交流采样模块、串行总线通信模块和人机接口模块，交流采样模块、数字信号处理模块和人机接口模块顺次相连，串行总线通信模块与数字信号处理模块相连；控制器软件包括顺序相接的系统初始化模块、采样计算模块、保护模块、电容器投切控制模块、总线通讯组网模块和人机界面通讯模块，检测算法采用瞬时序分量功率求解法。

上述瞬时序分量功率求解技术，实现了三相电路全相或单相自适应动态无功补偿。

上述数字信号处理模块包括：DSP、外部静态存储器SRAM、外部FLASH、EEPROM、实时时钟和监控定时器芯片；DSP通过地址总线、数据总线和控制总线对外部静态存储器SRAM、外部FLASH进行读写操作和数据交换；DSP通过SPI总线与EEPROM和实时时钟进行数据交换；使用DSP的引脚GPIO5作为监控定时器芯片的WDI信号，监控定时器芯片的RESET引脚直接连接DSP的RESET引脚；DSP分别与交流采样模块、人机接口模块相连。

上述数字信号处理模块由DSP、外部静态存储器SRAM、外部FLASH、EEPROM、实时时钟、监控定时器芯片、和缓冲芯片等外围辅助电路共同构成一个基本的嵌入式系统。

上述使用DSP的引脚GPIO5作为外部硬件监控定时器芯片的WDI信号，监控定时器芯片的RESET引脚直接连接DSP的RESET引脚，实现了上电复位和故障恢复等功能。

为了提高产品的兼容性，DSP为TMS320F28335；外部静态存储器SRAM为512Kbyte，外部FLASH为2Mbyte，EEPROM为256Kbyte。

交流采样模块包括顺序相接的PT/CT变换部分、滤波部分和AD采样部分；每周波固定采样由硬件锁相环完成，AD采样部分与DSP相连。

AD采样部分为AD7656，硬件锁相环为CD4040和CD4046，CD4040、CD4046分别完成N倍频和锁相功能，AD7656完成AD转化，以实现准同步采样。由精密PT/CT输出的小信号，经滤波后得到的信号将通过交流变换模块的最后一个环节AD转换将结果送入DSP进行分析。

串行总线通信模块包括3路RS485总线和1路RS232串口总线，其中2路RS485和1路RS232由DSP的SCI外设提供，还有1路RS485由ST16C2550把总线数据转化成串行数据，这些串行数据再通过高速光隔、电平转化芯片，送入物理传输介质。

串行总线通信接口模块由TMS320F28335自带的标准串行通信控制器SCIB、三态缓冲门、RS232电平转换芯片MAX203、标准九针插座DB9构成一路RS232标准串行通道，用于和人机界面通讯；串行通信控制器SCIA、三态缓冲门、RS485电平转换电路MAX485、两脚插座构成一路标准RS485串行通道，用于上传数据；串行通信控制器SCIC、三态缓冲门、RS485电平转换电路MAX485、两脚插座构成另一路RS485串行通道，用于和智能电力电子模块组网；使用并行转串行数据芯片ST16C2550、RS485电平转换电路MAX485、两脚插座模拟出一路RS485串行通道，用于和其他电力电子设备通讯；在串行通信控制器和对应的电平转换电路之间均设计高速光隔。

采用TMS320F28335的普通GPIO引脚（IO0、IO1、IO61）来作为RS485总线的控制信号；RS232总线采用普通的DB9接头作为物理层的通信接口，RS485总线物理层接口则采用普通的两脚插座。

人机接口模块包括：微处理器STM32F103VBH6、SPI FLASH、指点键盘、LED驱动芯片TM1640、LED指示灯、液晶显示器LM240160G和电平转换芯片；

SPI FLASH、指点键盘、LED驱动芯片TM1640、液晶显示器LM240160G和电平转换芯片均与微处理器STM32F103VBH6相连，LED指示灯与LED驱动芯片TM1640相连；

微处理器STM32F103VBH6、SPI FLASH、指点键盘、LED驱动芯片TM1640、LED指示灯、液晶显示器LM240160G构成了人机接口模块基本显示和输入部分；

微处理器STM32F103VBH6的串行接口和电平转换芯片构成一路RS232通信接口用于和数字信号处理器进行数据交换，实现人机交互功能。

上述的动态无功补偿控制器，控制算法为：三相电流经过正序提取器，负序提取器和零序提取器后，得到三组在α-β坐标系下的相差的两个分量，再经过旋转坐标变换后，通过复合低通滤波器来提取直流分量，再通过各相无功检测模块得到各相正序、负序和零序无功功率；根据目标功率因数计算得各相需要补偿的容量，再由平衡算法选出最优化的电容器组合进行投切，先投切共补电容器，再投切分补电容器，实现了三相三线制或三相四线制下平衡或不平衡负载的自适应混合补偿。

（1）正序无功功率计算：

设各相电流分量与其电压分量的夹角都为θ1，所以各相的正序有功和无功功率相等，等于总功率的三分之一，

若三相四线电流中含有各次谐波分量，设三相电流为：

以A相为参考向量，使用改进的瞬时电流分解算法，取变换矩阵如下：

$C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],$ $C_{\mathrm{pq}}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right]$

经计算后，将ip,iq分解成直流分量和交流分量如下：

则将ip,iq经数字低通滤波器后，得到直流正序分量：

此时瞬时基波正序功率因数为：则基波正序有功功率为： $P_1=U_m\×\stackrel{\‾}{i{p}_1};$ 无功功率为： $Q_1=U_m\×\stackrel{\‾}{i{q}_1};$ 所以各相无功功率 $Q_{A1}=Q_{B1}=Q_{C1}=\frac{1}{3}{Q}_1;$

（2）负序无功功率计算：

设A相电流分量与其电压分量的夹角为θ2,以A相为参考向量，使用瞬时电流分解算法，取变换矩阵如下：

$C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& -\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],$ $C_{\mathrm{pq}}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right]$

经计算后，将ip,iq分解成直流分量和交流分量如下：

则将ip,iq经数字低通滤波器后，得到直流负序分量为：

此时以A相为基准的三相负序功率为： $P_2=U_m\×\stackrel{\‾}{i{p}_2};$ $Q_2=U_m\×\stackrel{\‾}{i{q}_2};$

所以有： $P_{A2}=\frac{1}{3}{P}_2;$ $Q_{A2}=\frac{1}{3}{Q}_2;$ Q_B2=k1×P_A2-k2×Q_A2;Q_C2=-k1×P_A2-k2×Q_A2;其中 $k1=\frac{\sqrt{3}}{2},$ $k2=\frac{1}{2};$

（3）零序无功功率计算：

设A相电流分量与其电压分量的夹角为θ3，各相的零序分量同向，为了构成在α-β坐标系下的相位相差的两个分量，需要对采样的零序值作微分，得到近似值：

以A相为参考向量，使用改进的瞬时电流分解算法，取变换矩阵如下：

$C_{\mathrm{pq}}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right]$

计算后经低通滤波器的直流零序分量为：

此时以A相为基准的三相零序功率为： $P_0=U_m\×\stackrel{\‾}{i{p}_0}\×\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}};$ $Q_0=U_m\×\stackrel{\‾}{i{q}_0}\×\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}};$

所以有： $P_{A0}=\frac{1}{3}{P}_0;$ $Q_{A0}=\frac{1}{3}{Q}_0;$ 由向量图可得：Q_B0=-k1×P_A0-k2×Q_A0;Q_C0=k1×P_A0-k2×Q_A0;其中 $k1=\frac{\sqrt{3}}{2},$ $k2=\frac{1}{2};$

此时瞬时的各相序分量的无功功率已经计算得到，最后相加得到： $\left\{\begin{array}{c}{Q}_A=Q_{A1}+Q_{A2}+Q_{A0}\\ Q_B=Q_{B1}+Q_{B2}+Q_{B0}\\ Q_C=Q_{C1}+Q_{C2}+Q_{C0}\end{array}\right.$

本发明由二次电缆将现场PT和CT采集的六路电压和电流模拟信号（Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic）送入母板的交流变换模块，再经过放大、滤波、高精度A/D转换后送入主控模块，由DSP进行一系列计算分析，通过RS485总线实时发送控制命令，并接收系统运行状态信息；控制器主要实现如下功能：（1）瞬时各相基波有功功率、无功功率、功率因数计算；（2）基波电压电流有效值、各次谐波分量THD、总THD含量计算（最高计算到25次谐波）；（3）电容器优化投切策略；（4）过压、欠压、过流、过谐波保护；（5）网络设备管理；（6）用户变量设置、查看与手动控制；（7）系统响应时间<=100ms。

人机接口包括显示设备（液晶屏、指示灯、数码管）和输入设备（键盘）两部分。显示设备可显示多级功能菜单和各种数据、参数、波形、电容器状态、事件记录表等信息；并设有液晶休眠功能，当无故障、无告警状态下1分钟后，LCD自动休眠。当有键盘操作或有故障、告警信号时，自动打开LCD显示。

本发明除了能在现场监测电能质量的各项参数并进行快速补偿外，还可通过RS485将监测数据、事件记录实时传送至远方用电管理部门，以供监视和查询，还可以将多台不同的装置通过规约转换器相连，实现与旧装置的协调运行。

本发明未特别限定的技术均为现有技术。

有益效果：与现有技术水平相比，本装置有如下有益效果：

（1）本发明基于网络通信技术，设计了一种具有即插即用特性和良好兼容性的新型架构：基于智能电力电子模块的分布式无功补偿，实现了主控制器和补偿单元功能的独立，智能电力电子模块具有采样计算、过流、过温保护、过零点检测等独立功能。

（2）本发明采用瞬时序分量功率算法，可以实时计算出三相三线制或三相四线制下平衡或不平衡负载的各相瞬时无功功率，实现快速共补、分补的混合无功补偿。

（3）本发明采用先进的网络通信技术，动态分配各电力电子单元模块ID号，通过新设备查询功能，实现动态入网、即插即用的功能；依托其强大的通讯能力，不仅可以通过总线将监测数据、事件记录实时传送至远方用电管理部门，以供监视和查询，还可以将多台不同的装置通过规约转换器相连，实现与旧装置的协调运行。

（4）本发明采用总线技术，既可以下发控制报文，也可以上传系统状态报文，实现了数据的双向流动，实现了两者的互动，控制报文可以同时控制共补和分补电容器的投切。

（5）本发明由于使用了模块化技术，装置体积大大减小，接线简单，安装调试方便，结构灵活，所有模块通过总线进行通信，可扩展性强，为进一步开发升级产品提供了方便。

以数字信号处理器DSP和VLSI电路为基础，基于瞬时序分量无功功率求解技术，在每个采样周期对所有电网数据进行分析，实时计算出各相所需的各序无功分量，实现在有谐波情况下也能进行三相共相或分相自适应准实时动态补偿。

附图说明

附图1动态无功补偿控制器原理框图；

附图2数字信号处理模块框图；

附图3交流采样模块框图；

附图4串行总线通信接口模块框图；

附图5人机接口模块框图；

附图6各相瞬时无功检测框图；

附图7序分量向量图；

附图8电容器投切控制流程图。

具体实施方案

一、基于瞬时序分量功率的动态无功补偿控制器硬件

基于瞬时序分量功率的动态无功补偿控制器硬件按照模块化设计，主要包括以下模块：数字信号处理模块1、交流采样模块2、串行总线通信模块3、人机接口模块4。

1、数字信号处理模块

数字信号处理模块1包括DSP TMS320F2833511、外部静态存储器SRAM12、外部FLASH13、EEPROM14、实时时钟15、监控定时器芯片16、和缓冲芯片等外围辅助电路，它们共同构成一个基本的嵌入式系统（见附图2）。

（1）数字信号处理器

硬件平台的性能主要表现在数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）的选择上。本发明的DSP选择TMS320F28335（后面简称F28335）11，它是一款专门为工业控制场合设计的基于TI C2000内核的数字信号控制器，它以简单的设计、高效的指令集，为用户提供了一个全新的系统解决方案来建立控制系统。这款TI新推出的高速浮点DSP，工作主频150MHz，具有强大的定点浮点运算能力。F28335片内外设资源非常丰富，片内含有256K的FLASH，34K的SARAM，片内集成了三个16位的外部存储器接口EMIF，可以外扩8位、16位并行存储器，两个McBSP，可以模拟几乎所有形式的串行接口；三个SCI串行数据总线；一个SPI总线；六路ECAP通道，用于相位捕获。这样的硬件资源对于动态无功补偿装置来说是足够的，这大大减少了外设的成本，提高了系统的稳定性。（2）存储器

为了保证系统能够处理尽可能多的数据，装置配备了多种大容量存储器，主要包括：512Kbyte的SRAM12用于存放程序运行时的大量数据，2Mbyte的FLASH13用于固化程序和存放数据，256Kbyte的EEPROM14用于存放定值和启动数据。

在主控板脱离仿真器运行的DSP系统中，用户代码需要在加电后自行装载运行。F28335具有多种外部启动方式，在系统上电时运行CE1空间（对应片外FLASH13地址）的程序，并将应用程序拷贝到内部存储器RAM中，最后进入主函数运行。这种方式既利用了外部存储器的大容量也利用了内部存储器读、写快的特性，使总体性能大幅提高。

（3）外围辅助电路

虽然F28335内部自带实时时钟和监控定时器，但为保证装置运行的可靠性，外扩实时时钟芯片15和监控定时器芯片16来保证精确的计时和可靠的监视作用，为微控制器提供独立的保护系统，有效地增强了系统的可靠性。

为了保证DSP的安全和3.3V/5V系统的电平变换，F28335除了与SRAM12、FLASH13之间采用地址/数据线直接相连的方式，其他外围芯片均通过缓冲芯片再与F28335连接。

2、交流采样模块

交流采样模块2是整个系统能够正常运行的最重要的部分之一（见附图3），本装置采样三相电压、三相电流值，经过六路二阶低通滤波器由一片六通道，16位精度的A/D采样芯片AD765621进行采样。由于电网电压的频率有时会波动，为使每周波采样的点数恒定为N点，使用CD404022和CD404623进行硬件锁相倍频，对A相电压相位锁相并N倍频。

经过N倍频的方波信号触发AD765621进行同步采样，当转化完成后通过中断信号线触发DSP的外部中断，DSP使用并行总线读出AD765621中的电压、电流瞬时值。由于瞬时无功计算需要A相电压信号的相位，所以使用了DSP的ECAP24模块进行相位捕获，DSP中存有正弦向量表，ECAP24中断触发指针指向正弦表的起始位置，整个过程如图3所示。

根据采样定理,输人信号中频率高于采样频率的分量将会引起频率混叠。计算用信号分量一般为基波和3次、5次、7次谐波,引起频率混叠的高次谐波分量应尽可能用前置模拟滤波器滤除。前置模拟滤波器通常有二阶无源低通滤波器和二阶有源低通滤波器种类型。前者价格低廉、占用面积小、滤波效果略差后者价格昂贵、占用面积大、滤波效果较好。显而易见的，采样频率越高，混叠就越少，效果越佳，考虑到实际需要和DSP的主频，采用一个周波256点，既可以满足瞬时无功算法，也可以用来做FFT计算，显示高达25次谐波。

考虑到装置成本和印制电路板的面积,装置选用二阶RC无源低通滤波器和电压跟随器作为前置模拟滤波器。

3、串行总线通信接口模块

串行总线通信接口模块3由F28335自带的标准串行通信控制器SCIB31、三态缓冲门32、RS232电平转换芯片MAX20333、标准九针插座DB934构成一路RS232标准串行通道，用于和人机界面通讯；串行通信控制器SCIA35、三态缓冲门36、RS485电平转换电路MAX48537、两脚插座38构成一路标准RS485串行通道，用于上传数据；串行通信控制器SCIC39、三态缓冲门310、RS485电平转换电路MAX485311、两脚插座312构成另一路RS485串行通道，用于和智能电力电子模块组网。另外，使用并行转串行数据芯片ST16C2550313、RS485电平转换电路MAX485314、两脚插座315模拟出一路RS485串行通道，用于和其他电力电子设备通讯。在串行通信控制器和对应的电平转换电路之间均设计高速光隔，如附图4所示。

与RS232串行总线相比，RS485串行总线通信除了发送/接收信号外，还需一路控制信号。本发明采用F28335的普通GPIO引脚（IO0、IO1、IO61）来作为RS485总线的控制信号。四路串口都通过工业级高速光隔与CPU隔离，均采用工业级抗静电干扰RS232收发器芯片（MAX203）和RS485收发器芯片（MAX485）。RS232总线采用普通的DB9接头作为物理层的通信接口，RS485总线物理层接口则采用普通的两脚插座。为了增加通信的抗干扰能力，还采用了专门的通讯电源与其它电源隔离。

4、人机接口模块

人机接口模块4主要用于完成人与设备间的信息交互，包括显示设备和指点输入设备。通过人机接口模块上的键盘操作，完成装置整定值修改和其它参数的设置，相关信息查询等（如附图5所示）。此外，人机接口模块还可以用于手动投切电容器组。

微处理器STM32F103VBH641、SPI FLASH42、指点键盘43、LED驱动芯片TM164044、LED指示灯45、液晶显示器LM240160G46构成了人机接口模块基本显示和输入部分。微处理器STM32F103VBH641的串行接口和电平转换芯片47构成一路RS232串行通信接口用于和数字信号处理器进行数据交换，实现基本人机交互功能。

二、基于瞬时序分量功率的动态无功补偿控制器软件

动态无功补偿控制器的软件主要包括系统初始化模块、采样计算模块、保护模块、电容器投切控制模块、总线通讯组网模块、人机界面通讯模块等。

初始化模块：对DSP工作主频、内部时钟、GPIO的初始化、等待周期、内部定时器工作方式、多通道缓冲串口、SPI总线、并对外部器件如：AD7656、RAM、RTC、EEPROM等进行配置，使其能以合适的方式与F28335交换数据。接着进行模块的全面自检，包括电源电压、DSP内部RAM、Flash、模数转换通道、SCI通信等。

采样计算模块：完成每周波256点的采样，存入处理器内部的RAM，快速无功计算采用瞬时无功理论，瞬时计算各相无功功率；各次谐波幅值、THD等参数采用快速傅里叶算法完成。主控制器负责对母线电压和电压谐波的监测和保护。

电容器投切控制模块：主要完成对网内电容器组的管理。在正常工作状态下，该模块不动作；当有无功缺额时，该模块进行电容器组优化投切选择，选出最优的共补和分补投切组合，然后发送控制命令，进行投切。

总线通讯组网模块：主要完成启动时组网和对RS485总线的管理及各种查询、控制命令的下发和状态、新设备回复报文的接收。开机启动时，完成系统的动态组网过程，在正常运行情况下，该模块负责发送和接收总线上的数据帧，并进行帧错误检验。

人机界面模块则完成人机交互作业，负责定时显示系统的工作状态和重要参数的整定设置。

1、瞬时序分量功率检测算法

动态无功补偿的目的在于当负荷三相平衡时，应补偿基波无功分量；当负载不平衡时，三相线电流出现正序、负序、零序分量，补偿各序的基波无功分量。因此，如何实时计算各相序分量的功率对于装置的性能至关重要。

目前运用于三相四线制的瞬时无功检测方法比较多，比如单相瞬时无功算法、瞬时对称分量法、小波变换法、同步检测法等。但是单相瞬时无功算法需要分别计算各相的参数，内存占有率大，时间延时较长，而且不能满足对于三相共补的要求；瞬时对称分量法则需要构造三相电流向量，再根据对称分量分解法计算序分量的功率，计算复杂，耗内存，时延较大；小波变换和同步检测算法虽不需要锁相，但也是计算复杂，需要存储大量数据，增加了时间上的开销。

针对上述算法的不足，本发明提出了一种瞬时序分量功率算法（附图6所示）。利用三相电压、三相电流只需计算出某一参考项的各序功率，再根据各相序分量之间的关系，由简单的逻辑运算，检测出各相的序分量功率，实现了三相计算的统一性。计算得到的各相的序分量功率，可以根据正序功率实现三相共补，根据负序和零序功率实现三相分相补偿，实现了三相三线制或三相四线制下平衡或不平衡负载的自适应混合补偿。

（1）基波正序功率计算

如图（7）所示，左边的向量图即为正序分量的图，各相电流分量与其电压分量的夹角都为θ1，所以各相的正序有功和无功功率相等，等于总功率的三分之一。

若三相四线电流中含有各次谐波分量，设三相电流为：

以A相为参考向量，使用改进的瞬时电流分解算法，取变换矩阵如下：

$C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],$ $C_{\mathrm{pq}}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\&omega;t}& -\cos \mathrm{\&omega;t}\\ -\cos \mathrm{\&omega;t}& -\sin \mathrm{\&omega;t}\end{array}\right]$

经计算后，将ip,iq分解成直流分量和交流分量如下：

则将ip,iq经数字低通滤波器后，得到直流正序分量：

此时瞬时基波正序功率因数为：则基波正序有功功率为： $P_1=U_m\&times;\stackrel{\&OverBar;}{i{p}_1};$ 无功功率为： $Q_1=U_m\&times;\stackrel{\&OverBar;}{i{q}_1};$ 所以各相无功功率 $Q_{A1}=Q_{B1}=Q_{C1}=\frac{1}{3}{Q}_1;$

（2）基波负序功率计算

如图（7），中间的向量图即为负序分量的图，A相电流分量与其电压分量的夹角为θ2,设三相电流如上小结，以A相为参考向量，使用改进的瞬时电流分解算法，取变换矩阵如下：

$C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& -\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],$ $C_{\mathrm{pq}}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\&omega;t}& -\cos \mathrm{\&omega;t}\\ -\cos \mathrm{\&omega;t}& -\sin \mathrm{\&omega;t}\end{array}\right]$

经计算后，将ip,iq分解成直流分量和交流分量如下：

则将ip,iq经数字低通滤波器后，得到直流负序分量为：

此时以A相为基准的三相负序功率为： $P_2=U_m\&times;\stackrel{\&OverBar;}{i{p}_2};$ $Q_2=U_m\&times;\stackrel{\&OverBar;}{i{q}_2};$

所以有： $P_{A2}=\frac{1}{3}{P}_2;$ $Q_{A2}=\frac{1}{3}{Q}_2;$ 由向量图可得：Q_B2=k1×P_A2-k2×Q_A2;Q_C2=-k1×P_A2-k2×Q_A2;其中 $k1=\frac{\sqrt{3}}{2},$ $k2=\frac{1}{2};$

（3）基波零序功率计算

如图（7），右边的向量图即为零序分量的图，A相电流分量与其电压分量的夹角为θ3，各相的零序分量同向，为了构成在α-β坐标系下的相位相差的两个分量，需要对采样的零序值作微分，得到近似值：

以A相为参考向量，使用改进的瞬时电流分解算法，取变换矩阵如下：

$C_{\mathrm{pq}}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\&omega;t}& -\cos \mathrm{\&omega;t}\\ -\cos \mathrm{\&omega;t}& -\sin \mathrm{\&omega;t}\end{array}\right]$

计算后经低通滤波器的直流零序分量为：

此时以A相为基准的三相零序功率为： $P_0=U_m\&times;\stackrel{\&OverBar;}{i{p}_0}\&times;\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}};$ $Q_0=U_m\&times;\stackrel{\&OverBar;}{i{q}_0}\&times;\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}};$

所以有： $P_{A0}=\frac{1}{3}{P}_0;$ $Q_{A0}=\frac{1}{3}{Q}_0;$ 由向量图可得：Q_B0=-k1×P_A0-k2×Q_A0;Q_C0=k1×P_A0-k2×Q_A0;其中 $k1=\frac{\sqrt{3}}{2},$ $k2=\frac{1}{2};$

此时瞬时的各相序分量的无功功率已经计算得到，最后相加得到：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_A=Q_{A1}+Q_{A2}+Q_{A0}\\ Q_B=Q_{B1}+Q_{B2}+Q_{B0}\\ Q_C=Q_{C1}+Q_{C2}+Q_{C0}\end{array}\right.$

（4）瞬时序分量无功功率检测

当电网电压不平衡时，如直接用模拟锁相环会使得检测精度下降，使用软件锁相环可以很好的增加检测精度，但是算法复杂，时延增加。本发明提出的瞬时序分量无功功率检测框图如图（6）所示，整个检测模块5由三部分组成：软件锁相环、A相各序无功检测、各相无功检测模块。

三相线电流经过正序提取器51【算法如上（1）所提】，负序提取器52【算法如上（2）所示】和零序提取器53【如上（3）所示，实际是个微分器】后，得到三组在α-β坐标系下的相差的两个分量，分别经过旋转坐标变换54后得到各序的有功、无功电流，此时的有功、无功电流包含了较多的交流分量，所以要通过低通滤波器来提取直流分量。

当负载不平衡时，为了提取基波负序有功、无功电流，必须将基波正序有功、无功电流滤除，但基波正序有功、无功电流幅值较大，有时经过负序提取器和坐标变换后的直流分量会被100Hz交流分量淹没，基于上述原因，若只用一个阶数较低的巴特沃兹低通滤波器无法很好的滤出直流分量，为了提高检测精度和减少时延，需再加一级10ms延时的滑动平均滤波器，构成巴特沃兹+滑动平均的复合滤波器55、56、57，但缺点是增加了内存的消耗。

检测出A相各序分量功率后，利用各相无功检测模块58（算法如上所述），通过对A相各序分量功率的逻辑运算，计算出B、C相的各序分量功率，最后得出各相无功缺额。2、电容器投切控制算法

考虑到电网三相无功功率不平衡，动态无功补偿控制器需要实现三相共补与分补投切控制，以无功功率作为投切电容的计算依据，以设定的目标功率因数作为约束条件，过压（2级）、欠压、缺相、谐波畸变保护相配合（即在过压、欠压、缺相、谐波畸变时切除所有电容器以保护电容器），实现对电容器投切的复合逻辑控制（如附图8所示）。

控制算法中对电容器的投切需要结合平衡算法，保证各组电容器及其投切开关使用机率均等，降低电容器组的平均运行温度，减少了投切开关的动作次数，延时了其使用寿命。（1）确定补偿容量

为了一次性补偿到目标功率因数，投入或切出电容器后，功率因数应尽量接近目标功率因数。设目标功率因数为当前无功功率为Q，有功功率为P；当欠补偿时，无功缺额当过补偿时，切除的无功容量由瞬时序分量功率算法计算得到各相的无功功率，再根据目标功率因数，计算各相需要补偿的容量Q1。当需要投入时，遍历所有可投电容，寻找容量小于Q1的最大值组合，然后同时投入该组合中的所有电容器，要求该组合中电容器数量不大于6台（投入容量总和最好不要超过变压器额定容量的3～4%）。当需要切除时，遍历所有可投电容，寻找容量大于Q1的最小值组合，然后同时切除该组合中的所有电容器，要求该组合中电容器数量不大于6台。当三相负载不平衡时，补偿容量大小不同，取三者中的最小值做三相共补部分，其余由分补电容器补偿。

（2）平衡控制

目前已有装置中的平衡控制算法较成熟，大致有以下两种方式：

以动作次数为条件的平衡控制算法：当确定好补偿容量后，平衡控制算法查询在网内电容器的投切次数，同容量中选择投切次数最少的作为待投切电容器。此类平衡算法适用于投切开关为机械触点的电容器组（由于机械触电的寿命有限，容易损害）。

以循环投切算法作为平衡控制算法：当确定好补偿容量后，对同容量的电容器按照从前往后进行投入和切除，即先投入的先切除，后投入的后切除。此类平衡算法适用于投切开关为晶闸管等的电容器组（晶闸管的开关次数近似无限，电容器投入时间为主要考虑因素）。

本装置采用循环投切算法作为平衡控制算法，使各电容及投切开关使用机率均等，延长了使用寿命。

（3）保护控制

过压保护：控制器设有2级过电压保护，当电压大于第一级过电压动作门限但小于第二级过电压动作门限时，控制器不发出投入电容器的指令，只执行切除电容器的指令；当电压大于第二级过电压动作门限时，应在1min内逐台切除所有电容器。

欠压保护：控制器具有欠压保护功能，当电压小于欠电压动作门限时，应立即切除所有电容器。

缺相保护：控制器具有缺相保护功能，当出现缺相保护时，应立即切除所有电容器。

过谐波保护：控制器具有过电压和过电流谐波保护功能，当电压谐波或电流谐波大于设定动作门限时，控制器应立即切除所有电容器。

Claims (8)

1.基于瞬时序分量功率的动态无功补偿控制器，其特征在于：控制器硬件包括：数字信号处理模块(1)、交流采样模块(2)、串行总线通信模块(3)和人机接口模块(4)，交流采样模块(2)、数字信号处理模块(1)和人机接口模块(4)顺次相连，串行总线通信模块(3)与数字信号处理模块(1)相连；控制器软件包括顺序相接的系统初始化模块、采样计算模块、保护模块、电容器投切控制模块、总线通讯组网模块和人机界面通讯模块，检测算法采用瞬时序分量功率求解法；

瞬时序分量功率求解法为：三相电流经过正序提取器(51)，负序提取器(52)和零序提取器(53)后，得到三组在α-β坐标系下的相差的两个分量，再经过旋转坐标变换(54)后，通过复合低通滤波器(55、56、57)来提取直流分量，再通过各相无功检测模块(58)得到各相正序、负序和零序无功功率；根据目标功率因数计算得各相需要补偿的容量，再由平衡算法选出最优化的电容器组合进行投切，先投切共补电容器，再投切分补电容器，实现了三相三线制或三相四线制下平衡或不平衡负载的自适应混合补偿；

(1)正序无功功率计算：

设各相电流分量与其电压分量的夹角都为θ1，所以各相的正序有功和无功功率相等，等于总功率的三分之一，

若三相四线电流中含有各次谐波分量，设三相电流为：

以A相为参考向量，使用改进的瞬时电流分解算法，取变换矩阵如下：

$C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],C_{\mathrm{pq}}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\&omega;t}& -\cos \mathrm{\&omega;t}\\ -\cos \mathrm{\&omega;t}& -\sin \mathrm{\&omega;t}\end{array}\right]$

经计算后，将ip,iq分解成直流分量和交流分量如下：

则将ip,iq经数字低通滤波器后，得到直流正序分量：

此时瞬时基波正序功率因数为：则基波正序有功功率为：

$P_1=U_m\&times;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{ip}}_1};$ 无功功率为： $Q_1=U_m\&times;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{ip}}_1};$ 所以各相无功功率 $Q_{A1}=Q_{B1}=Q_{C1}=\frac{1}{3}{Q}_1;$

(2)负序无功功率计算：

设A相电流分量与其电压分量的夹角为θ2,以A相为参考向量，使用瞬时电流分解算法，取变换矩阵如下：

$C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& -\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],C_{\mathrm{pq}}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\&omega;t}& -\cos \mathrm{\&omega;t}\\ -\cos \mathrm{\&omega;t}& -\sin \mathrm{\&omega;t}\end{array}\right]$

经计算后，将ip,iq分解成直流分量和交流分量如下：

则将ip,iq经数字低通滤波器后，得到直流负序分量为：

此时以A相为基准的三相负序功率为：

所以有：Q_B2＝k1×P_A2-k2×Q_A2；Q_C2＝-k1×P_A2-k2×Q_A2；其中 $k1=\frac{\sqrt{3}}{2},k2=\frac{1}{2};$

(3)零序无功功率计算：

设A相电流分量与其电压分量的夹角为θ3，各相的零序分量同向，为了构成在α-β坐标系下的相位相差的两个分量，需要对采样的零序值作微分，得到近似值：

以A相为参考向量，使用改进的瞬时电流分解算法，取变换矩阵如下：

$C_{\mathrm{pq}}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\&omega;t}& -\cos \mathrm{\&omega;t}\\ -\cos \mathrm{\&omega;t}& -\sin \mathrm{\&omega;t}\end{array}\right]$

计算后经低通滤波器的直流零序分量为：

此时以A相为基准的三相零序功率为： $P_0=U_m\&times;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{ip}}_0}\&times;\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}};Q_0=U_m\&times;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{Iq}}_0}\&times;\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}};$ 所以有：由向量图可得：Q_B0＝-k1×P_A0-k2×Q_A0；

Q_C0＝k1×P_A0-k2×Q_A0；其中 $k1=\frac{\sqrt{3}}{2},k2=\frac{1}{2};$

此时瞬时的各相序分量的无功功率已经计算得到，最后相加得到：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_A=Q_{A1}+Q_{A2}+Q_{A0}\\ Q_B=Q_{B1}+Q_{B2}+Q_{B0}\\ Q_C=Q_{C1}+Q_{C2}+Q_{C0}\end{array}\right..$

2.如权利要求1所述的动态无功补偿控制器，其特征在于：数字信号处理模块(1)包括：DSP(11)、外部静态存储器SRAM(12)、外部FLASH(13)、EEPROM(14)、实时时钟(15)和监控定时器芯片(16)；DSP(11)通过地址总线、数据总线和控制总线对外部静态存储器SRAM(12)、外部FLASH(13)进行读写操作和数据交换；DSP(11)通过SPI总线与EEPROM(14)和实时时钟(15)进行数据交换；使用DSP(11)的引脚GPIO5作为监控定时器芯片(16)的WDI信号，监控定时器芯片(16)的RESET引脚直接连接DSP的RESET引脚；DSP(11)分别与交流采样模块(2)、人机接口模块(4)相连。

3.如权利要求2所述的动态无功补偿控制器，其特征在于：DSP(11)为TMS320F28335；外部静态存储器SRAM(12)为512Kbyte，外部FLASH(13)为2Mbyte，EEPROM(14)为256Kbyte。

4.如权利要求2或3所述的动态无功补偿控制器，其特征在于：交流采样模块(2)包括顺序相接的PT/CT变换部分、滤波部分和AD采样部分；每周波固定采样由硬件锁相环完成，AD采样部分与DSP(11)相连。

5.如权利要求4所述的动态无功补偿控制器，其特征在于：AD采样部分为AD7656(21)，硬件锁相环为CD4040(22)和CD4046(23)，CD4040(22)、CD4046(23)分别完成N倍频和锁相功能，AD7656(21)完成AD转化，以实现准同步采样。

6.如权利要求3所述的动态无功补偿控制器，其特征在于：串行总线通信模块(3)包括3路RS485总线和1路RS232串口总线，其中2路RS485和1路RS232由DSP(11)的SCI外设提供，还有1路RS485由ST16C2550(313)把总线数据转化成串行数据，这些串行数据再通过高速光隔、电平转化芯片，送入物理传输介质。

7.如权利要求6所述的动态无功补偿控制器，其特征在于：串行总线通信接口模块(3)由TMS320F28335自带的标准串行通信控制器SCIB(31)、三态缓冲门(32)、RS232电平转换芯片MAX203(33)、标准九针插座DB9(34)构成一路RS232标准串行通道，用于和人机界面通讯；串行通信控制器SCIA(35)、三态缓冲门(36)、RS485电平转换电路MAX485(37)、两脚插座(38)构成一路标准RS485串行通道，用于上传数据；串行通信控制器SCIC(39)、三态缓冲门(310)、RS485电平转换电路MAX485(311)、两脚插座(312)构成另一路RS485串行通道，用于和智能电力电子模块组网；使用并行转串行数据芯片ST16C2550(313)、RS485电平转换电路MAX485(314)、两脚插座(315)模拟出一路RS485串行通道，用于和其他电力电子设备通讯；在串行通信控制器和对应的电平转换电路之间均设计高速光隔。

8.如权利要求1-3任意一项所述的动态无功补偿控制器，其特征在于：人机接口模块(4)包括：微处理器STM32F103VBH6(41)、SPI FLASH(42)、指点键盘(43)、LED驱动芯片TM1640(44)、LED指示灯(45)、液晶显示器LM240160G(46)和电平转换芯片(47)；

SPI FLASH(42)、指点键盘(43)、LED驱动芯片TM1640(44)、液晶显示器LM240160G(46)和电平转换芯片(47)均与微处理器STM32F103VBH6(41)相连，LED指示灯(45)与LED驱动芯片TM1640(44)相连；

微处理器STM32F103VBH6(41)、SPI FLASH(42)、指点键盘(43)、LED驱动芯片TM1640(44)、LED指示灯(45)、液晶显示器LM240160G(46)构成了人机接口模块基本显示和输入部分；

微处理器STM32F103VBH6(41)的串行接口和电平转换芯片(47)构成一路RS232通信接口用于和数字信号处理器进行数据交换，实现人机交互功能。