CN105409084A

CN105409084A - 用于具有差分补偿变化和减少的线瞬态噪声的无源功率因素补偿方法的算法

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Publication number: CN105409084A
Application number: CN201480019795.9A
Authority: CN
Inventors: 斯图尔特·尼尔乔治
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-30
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: US20160043635A1; PH12015502262A1; AU2014247475B2; AU2014247475A1; US9712048B2; EP2979344A1; JP2016512947A; HK1221338A1; WO2014161459A1; CN105409084B; JP6280634B2; EP2979344B1; ES2685405T3; ZA201508040B; PH12015502262B1; EP2979344A4

Abstract

一种计算机可实现的控制算法，其测量：1)无功功率；2)功率因素；3)电压；以及4)线频率。该算法计算或为正(要增加的电容)或为负(要减去的电容)的所需的差分补偿电容。根据差分补偿电容与当前补偿电容之和或差计算得出新的补偿电容。该算法将用于当前补偿电容的电容器切换位模式与用于新的补偿电容的电容器切换位模式进行比较，并相应地选择电容器切换位映射。用于新的补偿电容的电容器切换组合根据该电容器切换位映射递增地切换。为了达到所选择的电容器切换组合，每次仅切换一个开关以使得线瞬态噪声最小化。该算法的此部分一直持续至PF被修正为止，其中使得电容器切换以每次延迟毫秒间隔的方式被接通/切断以使得线瞬态噪声最小化。

Description

用于具有差分补偿变化和减少的线瞬态噪声的无源功率因素补偿方法的算法

要求的优先权

本申请要求2013年3月30日提交的美国临时专利申请No.61/806,868的优先权，其内容在此通过参照全部合并到本文中。

技术领域

本发明整体上涉及电力的生成与分配。特别地，本发明涉及电力质量补偿方法和系统。

背景技术

在加入有许多不同的现代电器和电子设备的电源配电系统中，电力质量的问题日益突出。在交流(AC)电源电器系统中，因为国家的不同，存在着50或60Hz的频率的交替的正的和负的正弦波电压。在AC系统中，电流也具有正弦波形，不过具有和电压波形有关的特别的相位角。众所周知，因为电感负荷连接至电气系统，因此，电源由于电感负荷的电抗而开始滞后于电压波形。电压与电流之间的相位差被表述为功率因素(PF)。当电压和电流同相位时，PF等于1(PF＝1)。由于电感负荷的增加，随着电流开始滞后于电压波形，PF降低。这在供电成本方面造成了严重的后果，并且引起了低的PF会征收的税，这增加了发电和输电的成本。例如，在PF<0.7的情况下，繁重的征税和额外的付费会转而变成开给最终用户的账单。

存在无源电力质量补偿设备，这些设备依赖于在穿过电力系统相位的各种线电容器中进行切换而对电感负荷进行补偿，并且将PF校正回更接近于1的较高的水平，从而恢复电力质量。通过这些无源电力质量补偿设备，首先，测量了PF；其次，通过例如从查阅表、最小和最大限值等进行推导之类的各种方式计算了所需的电容量；最终，接入了该电容量。

发明内容

现要求保护的发明的目的是提供一种基于差分电容器变化的无源功率因素补偿的计算机可实现的算法。现要求保护的发明的另一目的是提供一种能够减少差分电容器变化过程中的线瞬态噪声的算法。

根据各种实施方式，本发明利用了测量如下数值的计算机可实现的控制算法：1)无功功率；2)PF；3)电压；以及4)线频率。计算机可实现的控制算法计算或为正(要增加的电容)或为负(要减去的电容)的差分补偿电容。而且，该算法还考虑所需的差分电容的限值，如果在最小限值之内，则该算法将不会继续改变任何电容，并且该算法的这一部分限制了电容器的切换频率。

一旦确定了或为正(要增加的电容)或为负(要减去的电容)的所需的差分补偿电容，并且该差分补偿电容也在最小限值之外时，则根据差分补偿电容与当前补偿电容之和或差计算得出新的补偿电容。该算法将用于当前补偿电容的电容器切换位模式与用于新的补偿电容的电容器切换位模式进行比较，并相应地选择电容器切换位映射。用于新的补偿电容的电容器切换组合根据该电容器切换位映射递增地切换。为了达到所选择的电容器切换组合，每次仅切换一个开关以使得线瞬态噪声最小化。该算法的此部分一直持续至PF被修正为止，其中使得电容器切换以每次延迟毫秒间隔的方式被接通/切断以使得线瞬态噪声最小化。

每隔15分钟，该算法再次测量：1)无功功率；2)PF；3)电压；以及4)线频率。该算法再次运行这个例程并且考虑差分电容值的最小限值，以及考虑是否需要进入电容器模式变化。

可以可选地进行线功率的电压过零检测。将测定继电器的接通和切断的瞬间的时间以使得继电器触点在电力线的瞬时电压近于零时打开或闭合，以便进一步减小切换干扰。

附图说明

在后文中参照附图更详细地描述了本发明的实施方式，附图中：

图1示出了描绘了示例性的电源电路的电路图，该示例性的电源电路与根据现要求保护的本发明的实施方式的用于基于差分电容器变化的无源功率因素补偿的计算机可实现的控制算法相结合。

图2A示出了描绘了另一示例性的电源电路的电路图，该示例性的电源电路与根据现要求保护的本发明的另一实施方式的用于基于差分电容器变化的无源功率因素补偿的计算机可实现的控制算法相结合。

图2B描绘了示出用于图2A中所示的电源电路的电容器切换操作的流程图。

图3A、图3B、图3C和图3D描绘了根据现要求保护的本发明的又一实施方式的用于基于差分电容器变化的无源功率因素补偿的计算机可实现的控制算法的过程步骤的流程图。

图3E描绘了示出与补偿电容器的示例性接合相对应的位模式过度的表格。

图4描绘了示出了用于储存在外部非易失性存储器中的补偿电容值和参数的数据结构的示例性实施方式的表格。

图5A示出了罗列了现要求保护的本发明的示例性实施例的补偿电容值和参数以及结果的表格；而图5B示出了电容器选择逻辑状态与无功功率的关系的图表。

具体实施方式

在以下的描述中，以优选的示例阐明了结合了基于差分电容器变化的无源功率因素补偿的计算机可实现的控制算法的方法和系统等。对本领域的一般技术人员而言显而易见的是，在不背离本发明的范围和精神的情况下，可以做出包括增加和/或替换在内的改型。可能省略了具体的细节以免难以理解本发明；然而，记载本公开是为了使得本领域的一般技术人员能够无需过度的实验而实施本文的教导。

图1示出了描绘了示例性的电源电路的电路图，该示例性的电源电路与根据现要求保护的本发明的实施方式的用于基于差分电容器变化的无源功率因素补偿的计算机可实现的控制算法相结合。该电源电路用于三相系统；然而，可以将类似的构造应用至另外的双相系统。在该电源电路中，三个电容器C₁(106)、C₂(105)和C₃(104)能够根据电力质量补偿所需的确定的补偿电容而通过它们对应的开关SW_位0(103)、SW_位1(102)和SW_位2(101)单独地被接入或断开。另外，测量模块(107)收集包括电压、电流、功率因素、实际功率和无功功率在内的电力线质量数据。

在该控制算法中能够以二进制形式表现开关的位置和状态。以下为一个示例性实施方式：

表格1

为了使线瞬态噪声最小化，为了达到所选择的电容器开关组合，每次仅切换一个开关。参照以下的表格2。例如，如果所需的补偿电容将从25uF增加至62uF，则这三个开关的状态的改变将按顺序经过状态3、状态4，最终至状态5。

表格2

作为示例选择了电容器的数量和它们的值是为了描述现要求保护的本发明的原理的目的。为了现要求保护的本发明的实施，可以采用任何数量的电容器和任何的电容值。

图2A示出了描绘了与计算机可实现的控制算法相结合的另一示例性的电源电路的电路图。在该电源电路中，电容器开关与涌流继电器一起实施。图2B描绘了示出用于该实施例的电容器切换操作的流程图。例如，为了接入电容器C₃，开关SW_位2a(202)首先被接通，等待一段延迟周期(例如30毫秒)，接着接通开关SW_位2(201)；为了断开电容器C₃，开关SW_位2(201)首先被断开，等待一段延迟周期(例如30毫秒)，接着断开开关SW_位2a(202)。

为了确定所需的补偿电容，基于以下的数学运算进行计算：

给定：

关系：

P_real＝P_apparent·PF＝P_apparent·cos(φ)

cos(φ)²+sin(φ)²＝1PF²+sin(φ)²＝1

P_r e a c t i v e = P_a p p a r e n t \cdot s i n (φ) = P_a p p a r e n t \cdot \sqrt{1 - {PF}^{2}}

P_r e a c t i v e = V a c \cdot I_r e a c t i v e = V a c \cdot \frac{V a c}{Z_c a p} = V a c \cdot \frac{V a c}{\frac{1}{2 \cdot π \cdot f l \cdot C_p f c}} = {Vac}^{2} \cdot 2 \cdot π \cdot f l \cdot C_p f c

确定补偿电容的方便方法：

C_p f c = \frac{P_r e a c t i v e}{2 \cdot π \cdot {flVac}^{2}}

根据现要求保护的本发明的各种实施方式，该计算机可实现的控制算法依赖于用于测量如下数值的测量模块：线电压：Vac；线频率：fl；无功功率：P_reactive以及无功功率的符号：用+ve表示滞后，用-ve表示领先(表示成+或-功率因素)。

图3A、图3B、图3C和图3D描绘了用以自动地调整补偿电容的计算机可实现的控制算法的过程步骤的流程图。图3A中的的流程图描绘了整个过程，其包括如下步骤：

a.将现有电容值C_pfc初始化为零；

b.获得实时测量，该测量包括：

功率因素、线电压、线频率，其可以是测得的数据或默认常量；无功功率、无功功率的符号，其可以通过功率因素测量的一部分而确定；

c.如同图3B中详细示出的那样，基于以下方程式计算所需的补偿电容：

C_p f c = \frac{P_r e a c t i v e}{2 \cdot {πflVac}^{2}}

该计算包括：如果C_pfc的绝对值大于预确定的极限值，优选地，等于或大于最小电容步骤的1/2(这将提供滞后并且防止振荡)，则为现有电容值加上C_pfc(如果功率因素为正)或从现有电容值上减去C_pfc(如果功率因素为负)；

d.如同图3C中所示的流程图中详细示出的那样，对电容组合(或二进制形式的开关的位置和状态)进行解码；

e.如同图3D中所示的流程图中详细示出的那样，将从当前接合的电容器组合开始的新解码的电容器组合进行接合；

f.每隔预确定的时间间隔，通常为15分钟，重复步骤a至e。

根据一个实施方式，基于新的现存的电容值的适当的补偿电容器的接合包括如同图3D中所示的流程图中描绘的一系列步骤。在图3E中所示的表格中示出了与它的对应的从101至110的位模式过度的这样的接合的示例。

根据现要求保护的本发明的各种实施方式，用以自动地调整补偿电容的计算机可实现的控制算法主要地通过使用微控制器(MCU)而实现。在该实施例中，在适当的补偿电容的接合步骤中，补偿电容值从外部源被加载至MCU中以提供使得该算法适应于不同的功率级。例如，使用例如EEprom(电可擦只读存储器)、Flash(闪存)等之类的外部非易失性存储器来存储补偿电容值和参数并通过I/O接口读取至MCU中。补偿电容值和参数经由接口通过例如UART、12C和USB之类的预定义的协议被加载至该非易失性存储器中。可以采用额外的固件程序来核实外部非易失性存储器的有效性并在发现损坏的数据的情况下暂停执行。在图4中所示的表格中示出了用于存储在外部非易失性存储器中的补偿电容值和参数的数据结构的示例性实施方式。

根据现要求保护的本发明的各种实施方式，提供了电力线质量信息的被时间标记的数据的记录。该数据包括：非遗失性存储器的MCU记录电力线信息；时间；电压；线频率；实际功率；无功功率；接合的电容器或开关状态；当无功功率不包含符号时的功率因素；环境温度；以及校验和。数据结构应当能够指示该电力系统的相位的数量。

本文中公开的实施方式可以通过使用通用的或专业的计算设备、移动通讯设备、计算机处理器或电子电路而实现，上述设备包括但不限于为数字信号处理器(DSP)、特定用途集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)以及根据本公开的教导而构造或编程的其他的可编程的逻辑设备。软件或电子领域的从业者能够基于本公开的教导容易地准备在通用的或专业的计算设备、移动通讯设备、计算机处理器或可编程的逻辑设备中运行的计算机指令或软件代码。

在一些实施方式中，本发明包括在其中存储有能够用于将计算机或微处理器编程为执行本发明的任何程序的计算机指令或软件代码的计算机存储介质。该存储介质可以包括但不限于有软盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存设备或适用于存储指令、代码和/或数据的任何类型的介质或设备。

出于说明和描绘的目的已经提供了本发明的前述说明。以上说明不旨在为详尽的，也不旨在将本发明限定于所公开的精确的形式。许多改型和变换对于本领域的从业者而言都是显而易见的。

为了最好地解释本发明的原理及其实际应用而选择并描述了以上的实施方式，从而使得本领域的其他人员能够理解本发明，以便理解本发明的各种实施方式以及适合于能构想到的特定用途的各种改型。旨在将本发明的范围限定在所附的权利要求以及与其对等的权利要求中。

Claims

1.一种用于基于差分电容器变化而指导无源功率因素补偿的方法，包括：

获得实时电力电路测量，包括：

功率因素、线电压、线频率、无功功率以及无功功率的符号；

确定所需的补偿电容；

对用于所需的补偿电容的电容器组合进行解码；

将从当前接合的电容器组合开始的新解码的电容器组合接合；以及

每隔预确定的时间段重复上述步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所需的补偿电容包括：

计算：

C_p f c = \frac{P_r e a c t i v e}{2 \cdot π \cdot {flVac}^{2}}

其中，C_pfc为差分补偿电容，P_reactive为测得的无功功率，Vac为测得的线电压，fl为测得的线频率；以及

如果差分补偿电容的绝对值大于预确定的极限值，则

若测得的功率因素为正，为现有电容值加上C_pfc，或者，若测得的功率因素为负，从现有电容值上减去C_pfc。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，对用于所需的补偿电容的电容器组合进行解码包括：

确定每个电容器开关的状态以便接合或分离它们的相应的电容器，从而实现最接近于所需的补偿电容的总电容；

根据为所需的补偿电容而确定的每个电容器开关的状态而形成电容器组合；以及

以二进制形式表现电容器开关的位置和状态；

其中，电容器开关根据它们的相应的电容器电容值以降序定位，其中使得与具有最高电容的电容器相对应的电容器开关定位于最高有效位(MSB)而与具有最低电容的电容器相对应的电容器开关定位于最低有效位(LSB)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，将从当前接合的电容器组合开始的新解码的电容器组合接合包括：

根据从与LSB定位的电容器开关相对应的电容器开始的它们的相应的电容器开关位置以升序一个接一个地将当前接合的电容器组合中的当前接合的电容器分离；以及

根据从与LSB定位的电容器开关相对应的电容器开始的它们的相应的电容器开关位置以升序一个接一个地将新解码的电容器组合中的电容器接合。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预确定的极限值等于或大于最小电容步骤的1/2。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，每个电容器的每次接合和分离以延迟时间间隔分开。