CN106099943B - 一种瞬时功率因数补偿控制方法及系统 - Google Patents

一种瞬时功率因数补偿控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种瞬时功率因数补偿控制方法及系统，本发明通过实时采集三相系统电压、系统电流以及补偿装置的电流，获得三相负载电流；将负载电流分解出有功电流、无功电流分量，并由此计算出负载瞬时功率因数PFL；根据给定的目标功率因数PFref、负载瞬时功率因数计算无功控制量幅值Iqref以及三相无功控制量瞬时值iqref，该三相无功补偿控制量的瞬时值即为所求的补偿装置三相电流补偿控制指令瞬时值。本发明通过实时计算负载瞬时有功电流分量、无功电流分量来获得负载瞬时功率因数，避免了原有算法对于快速变化负载跟踪实时性差，响应速度慢的问题；并且通过功率因数控制单元直接计算出瞬时功率因数控制量，解决了原有方法PI调节器实时性差的问题。

Description

一种瞬时功率因数补偿控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种瞬时功率因数补偿控制方法及系统，属于电力无功补偿技术领域。
背景技术
电力系统中无功功率的存在会增加设备的容量、增加设备及线路的损耗、增大线路压降，从而造成电压波动及闪变、电压暂降以及设备电能利用率降低等一系列电能质量问题。在输配电系统中应用无功补偿设备进行治理，主要有两类：静态无功补偿装置与动态无功补偿装置。静态无功补偿装置主要为并联固定电容器，结构简单，成本低，维护方便，因此得到了广泛的应用，但它也存在只能补偿感性无功，不能连续调节，并且可能与系统谐波发生并联谐振，放大谐波电流，损害电容器等缺点；而动态无功补偿装置主要有静止无功补偿器、静止同步补偿器两大类，它们通过采集负载电流、根据无功检测算法以及电流跟踪技术，实时跟踪负载无功功率变化，并进行动态无功功率的补偿，具有响应速度快、无并联谐振问题，工作范围更广、治理电压波动及闪变问题效果更好等优点，目前动态无功补偿装置正逐步取代静态无功补偿装置，尤其是静止同步补偿器，代表了无功补偿领域发展的方向。动态无功补偿装置无功检测及控制方法的性能将直接影响无功补偿设备的工作性能。因此准确、实时地检测出无功成分，并进行实时快速补偿，是无功补偿设备对无功功率进行精确补偿，提高功率因数的前提。目前以功率因数作为补偿目标的方法主要有：基于基波周期的功率因数补偿控制方法。
基于基波周期的功率因数补偿控制方法，如图1所示，通过连续采集计算时间t内(通常采集时间为基波周期、1/2基波周期或1/4基波周期)的电压、电流模拟量信号，再经过模拟量有效值计算和功率计算，获得计算时间t内的平均功率因数，然后与目标功率因数做相应的比较控制获得控制量，经过电压锁相后，结合控制量获取并网补偿控制指令，实现动态功率因数补偿控制。此种方法需采集计算时间t内模拟量信号后计算有效值、功率等量才能分析出功率因数，最后才能生成控制指令，最快响应时间也只能做到1/4基波周期，并且计算的功率因数只反映计算时间t内的平均功率因数，因此对于快速变化的负载，此种检测控制方法动态跟踪补偿实时性差，响应速度慢，稳态误差较大；同时，由于此种方法计算出功率因数后，采用与目标功率因数做比较的方式获得控制量，这种比较通常为PI调节器或单P调节器，当采用PI调节器时，对于负载变化不大的场合，可以实现一定的误差跟踪控制，但是由于采用PI调节器，生成的控制量时需通过上次的控制量不断积分来获得新的控制量，中间需要积分一定时间(通常几个计算时间t，与PI参数有关)才能达到目标控制量，并且每一个计算时间t(最快1/4基波周期)后才能反映出之前控制量的控制补偿效果，因此控制误差仍然较大，尤其是当采用单P调节器时，补偿误差更大。而且当系统器件参数由于环境温度、湿度、气压、老化程度等原因发生变化，如动态无功补偿设备中并网电抗器、电容器发生参数变化后，此种方法不具备自调节能力来弥补器件参数变化造成的控制误差问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种瞬时功率因数补偿控制方法及系统，以解决基于基波周期的功率因数补偿控制在负载快速变化的场合响应速度慢的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种瞬时功率因数补偿控制方法，该补偿控制方法包括以下步骤：
1)根据三相系统电流和动态补偿装置输出的三相电流计算三相负载电流iLa、iLb、iLc；
2)根据计算得到的三相负载电流和三相系统电压锁相角计算负载电流的有功分量ILp、无功分量ILq和负载瞬时功率因数PFL；
3)根据给定的目标功率因数以及步骤2)中得到负载电流的有功分量ILp、无功分量ILq和负载瞬时功率因数PFL计算目标功率因数控制时的无功补偿控制量Iqref以及三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref，该三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref即为所求的补偿装置三相电流补偿控制指令瞬时值。
为了弥补器件参数变化造成的控制误差问题，该方法还包括对步骤3)中得到的三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref进行自调节的过程，具体步骤如下：
A.将三相系统电流分解出有功电流分量、无功电流分量以及补偿后的系统瞬时功率因数；
B.根据目标功率因数与A中得到的补偿后系统瞬时功率因数，采用自调节控制器计算出自调节系数PF_K；
C.根据步骤B中获得的自调节系数PF_K对步骤3)中获得的三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref进行调节，以得到调节后动态补偿装置的三相补偿指令i* a_qref、i* b_qref、i* c_qref，并根据这三相补偿指令对设备进行补偿。
步骤C中调节后动态补偿装置三相的补偿指令i* a_qref、i* b_qref、i* c_qref的计算公式为：
i* a_qref＝(1+PF_K)×ia_qref
i* b_qref＝(1+PF_K)×ib_qref
i* c_qref＝(1+PF_K)×ic_qref
其中，i* a_qref为自调节后补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；i* b_qref为自调节后补偿装置B相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；i* c_qref为自调节后，补偿装置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；PF_K为自调节系数；ia_qref为自调节前，补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ib_qref为自调节前，补偿装置B相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ic_qref为自调节前，补偿装置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培。
所述步骤1)中三相负载电流的计算公式为：
其中iLa为负载电流A相电流瞬时值，单位安培；iLb为负载电流B相电流瞬时值，单位安培；iLc为负载电流C相电流瞬时值，单位安培；iSa为系统电流A相电流瞬时值，单位安培；iSb为系统电流B相电流瞬时值，单位安培；iSc为系统电流C相电流瞬时值，单位安培；iGa为无功补偿装置A相输出电流瞬时值，单位安培；iGb为无功补偿装置B相输出电流瞬时值，单位安培；iGc为无功补偿装置C相输出电流瞬时值，单位安培。
所述步骤2)中负载电流有功电流分量ILp、无功电流分量ILq以及负载瞬时功率因数PFL的计算公式为：
其中ILp为负载电流有功电流分量，单位安培；ILq为负载电流无功电流分量，单位安培；iLa为负载电流A相电流瞬时值，单位安培；iLb为负载电流B相电流瞬时值，单位安培；iLc为负载电流C相电流瞬时值，单位安培；θa为系统A相电压锁相角，单位度；θb为系统B相电压锁相角，单位度；θc为系统C相电压锁相角，单位度；PFL为负载瞬时功率因数。
无功补偿控制量Iqref以及三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref的计算公式如下：
Iqref＝ILq-Iqrem
ia_qref＝Iqref×cosθa
ib_qref＝Iqref×cosθb
ic_qref＝Iqref×cosθc
其中，ia_qref为自调节前补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ib_qref为自调节前补偿装置B相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ic_qref为自调节前补偿装置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；Iqref为目标功率因数控制时检测出的无功补偿控制量，单位安培；θa为系统A相电压锁相角，单位度；θb为系统B相电压锁相角，单位度；θc为系统C相电压锁相角，单位度。
系统电流有功电流ISp、无功电流ISq分量以及补偿后系统瞬时功率因数PFS由三相系统电流iS、系统电压锁相获得的三相电压锁相角θ计算得到，计算公式如下：
其中，ISp为系统电流有功电流分量，单位安培；ISq为系统电流无功电流分量，单位安培；iSa为系统电流A相电流瞬时值，单位安培；iSb为系统电流B相电流瞬时值，单位安培；iSc为系统电流C相电流瞬时值，单位安培；θa为系统A相电压锁相角，单位度；θb为系统B相电压锁相角，单位度；θc为系统C相电压锁相角，单位度；PFS为系统瞬时功率因数。
本发明还提供了一种瞬时功率因数补偿控制系统，该控制系统包括负载电流计算单元、负载有功无功电流计算单元、电压锁相单元和功率因数控制单元，
所述负载电流计算单元用于根据三相系统电流和动态补偿装置输出的三相电流计算三相负载电流iLa、iLb、iLc；
所述电压锁相单元用于对系统进行锁相以获取三相电压锁相角θa、θb、θc；
所述负载有功无功电流计算单元用于根据负载电流计算单元计算得到的三相负载电流iLa、iLb、iLc和电压锁相单元得到的三相系统电压锁相角θa、θb、θc计算负载电流的有功分量ILp、无功分量ILq和负载瞬时功率因数PFL；
所述功率因数控制单元用于根据给定的目标功率因数以及负载有功无功电流计算单元得到的负载电流的有功分量ILp、无功分量ILq和负载瞬时功率因数PFL计算目标功率因数控制时的无功补偿控制量Iqref以及三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref，该三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref即为所求的补偿装置三相电流补偿控制指令瞬时值。
该系统还包括对功率因数控制单元得到的三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref进行自调节的系统有功无功电流计算单元、自调节系数计算单元和自调节指令计算单元，
所述系统有功无功电流计算单元用于将三相系统电流分解出有功电流分量ISp、无功电流分量ISq以及补偿后的系统瞬时功率因数PFS；
所述自调节系数计算单元用于根据目标功率因数与系统有功无功电流计算单元得到的补偿后系统瞬时功率因数PFS，采用自调节控制器计算出自调节系数PF_K；
所述自调节指令计算单元用于根据自调节系数计算单元获得的自调节系数PF_K对功率因数控制单元获得的三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref进行调节，以得到调节后动态补偿装置的三相补偿指令i* a_qref、i* b_qref、i* c_qref，并根据这三相补偿指令对设备进行补偿。
所述的系统有功无功电流计算单元、电压锁相单元和负载有功无功电流计算单元前均增设有滤波器，分别用于在各单元计算前对系统电流、系统电压和负载电流进行滤波，使滤波后的系统电流、系统电压和负载电流只包含有基波分量。
本发明的有益效果是:本发明通过实时计算负载瞬时有功电流分量、无功电流分量来获得负载瞬时功率因数，无需采集一定时间内(最快需1/4基波周期)模拟量来计算电压、电流有效值、功率以及功率因数，避免了原有算法对于快速变化负载跟踪实时性差，响应速度慢的问题；并且通过功率因数控制单元可直接计算出瞬时功率因数控制量，无需如原有算法通过采用PI调节器积分的方式获取控制量，因此解决了原有方法PI调节器实时性差的问题。
同时本发明还通过闭环反馈控制，实时计算补偿后系统瞬时有功电流分量、无功电流分量来获得补偿后系统瞬时功率因数，反馈的系统瞬时功率因数经过自调节系数生成单元，可实时获取稳态自调节系数，动态修正控制误差，实现目标功率因数的无差控制，解决了原有方法在负载快速变化的场合或系统器件参数由于环境温度、湿度、气压、老化程度等原因发生变化，引起较大的稳态误差问题。
本发明在电压、电流畸变场合引入对负载电流、系统电流以及系统电压进行滤波的滤波器，滤除谐波后，剩余的基波分量再进行瞬时功率因数补偿控制，避免了电流、电压畸变对功率因数补偿控制性能的影响。
附图说明
图1是传统的基于基波周期的功率因数补偿控制系统的结构图；
图2是本发明瞬时功率因数补偿控制系统实施例一的结构示意图；
图3是本发明瞬时功率因数补偿控制系统实施例二的结构示意图；
图4是本发明瞬时功率因数补偿控制系统实施例三的结构示意图；
图5是本发明实施例中瞬时功率因数补偿控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
本发明瞬时功率因数补偿控制系统的实施例一
本实施例中的瞬时功率因数补偿控制系统如图2所示，包括负载电流计算单元、负载有功无功电流计算单元、电压锁相单元和功率因数控制单元。该系统通过负载有功无功电流计算单元实时计算负载瞬时有功电流分量、无功电流分量来获得负载瞬时功率因数，并通过功率因数控制单元计算出瞬时功率因数控制量。该单元的具体工作过程如下：
负载电流计算单元用于根据三相系统电流和动态补偿装置输出的三相电流计算三相负载电流iLa、iLb、iLc，所采用的三相负载电流的计算公式为：
其中iLa为负载电流A相电流瞬时值，单位安培；iLb为负载电流B相电流瞬时值，单位安培；iLc为负载电流C相电流瞬时值，单位安培；iSa为系统电流A相电流瞬时值，单位安培；iSb为系统电流B相电流瞬时值，单位安培；iSc为系统电流C相电流瞬时值，单位安培；iGa为无功补偿装置A相输出电流瞬时值，单位安培；iGb为无功补偿装置B相输出电流瞬时值，单位安培；iGc为无功补偿装置C相输出电流瞬时值，单位安培。
电压锁相单元对系统进行锁相以获取三相电压锁相角θa、θb、θc，本实施例中电压锁相单元采用的锁相方法为：将旋转的三相电压信号转化成旋转两相坐标系上的分量，通过两相旋转坐标系上的分量反正弦计算锁相角，计算公式为：
当Uα≥0，Uβ≤0时
θa＝θ0 (4)
当Uα≥0，Uβ＞0时
θa＝180-θ0 (5)
当Uα≤0，Uβ＞0时
θa＝180+θ0 (6)
当Uα≤0，Uβ≤0时
θa＝360-θ0 (7)
由A相锁相角θa计算B、C两相锁相角θb、θc：
θb＝θa-120 (8)
θc＝θa+120 (9)
其中，Uα为旋转两相坐标系α轴分量，单位伏；Uβ为旋转两相坐标系β轴分量，单位伏；ua为系统A相相电压瞬时值，单位伏；ub为系统B相相电压瞬时值，单位伏；uc为系统C相相电压瞬时值，单位伏；u* a为滤波后系统A相相电压瞬时值，单位伏；u* b为滤波后系统B相相电压瞬时值，单位伏；u* c为滤波后系统C相相电压瞬时值，单位伏；θ0为锁相角度值，单位度；θa为系统A相电压锁相角，单位度；θb为系统B相电压锁相角，单位度；θc为系统C相电压锁相角，单位度。
负载有功无功电流计算单元根据负载电流计算单元计算得到的三相负载电流iLa、iLb、iLc和电压锁相单元得到的三相系统电压锁相角θa、θb、θc计算负载电流的有功分量ILp、无功分量ILq和负载瞬时功率因数PFL，其所采用的计算公式如下：
其中ILp为负载电流有功电流分量，单位安培；ILq为负载电流无功电流分量，单位安培；iLa为负载电流A相电流瞬时值，单位安培；iLb为负载电流B相电流瞬时值，单位安培；iLc为负载电流C相电流瞬时值，单位安培；θa为系统A相电压锁相角，单位度；θb为系统B相电压锁相角，单位度；θc为系统C相电压锁相角，单位度；PFL为负载瞬时功率因数。
功率因数控制单元根据给定的目标功率因数以及负载有功无功电流计算单元得到的负载电流的有功分量ILp、无功分量ILq和负载瞬时功率因数PFL计算目标功率因数控制时的无功补偿控制量Iqref以及三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref，该三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref即为所求的补偿装置三相电流补偿控制指令瞬时值。
无功补偿控制量Iqref的计算公式为：
Iqref＝ILq-Iqrem (13)
或采用以下公式计算Iqref：
功率因数控制单元在获得无功补偿控制量Iqref后，需根据三相的锁相角θ的余弦函数将检测出的无功补偿控制量Iqref转化为瞬时值，无功补偿控制量Iqref为正值时，表示为负载容性无功电流，补偿装置需输出感性无功电流进行补偿；为负值时，表示为负载感性无功电流，补偿装置需输出容性无功电流进行补偿，因此三相补偿控制指令ia_qref、ib_qref、ic_qref计算公式为：
ia_qref＝Iqref×cosθa (15)
ib_qref＝Iqref×cosθb (16)
ic_qref＝Iqref×cosθc (17)
其中，ia_qref为自调节前补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ib_qref为自调节前补偿装置B相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ic_qref为自调节前补偿装置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；Iqref为目标功率因数控制时检测出的无功补偿控制量，单位安培。
本发明瞬时功率因数补偿控制系统的实施例二
为了弥补器件参数变化造成的控制误差问题，本发明在实施例一的基础上对功率因数控制单元得到的三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref进行自调节，如图3所示，该系统在实施例一的基础上，还包括有系统功无功电流计算单元、自调节系数计算单元和自调节指令计算单元。该系统的工作过程如下：
系统有功无功电流计算单元将三相系统电流分解出有功电流分量ISp、无功电流分量ISq以及补偿后的系统瞬时功率因数PFS，其采用的公式为：
自调节系数计算单元用于根据目标功率因数与系统有功无功电流计算单元得到的补偿后系统瞬时功率因数PFS，采用自调节控制器计算出自调节系数PF_K，用于减小控制误差以及系统器件参数改变造成的误差。本发明中的自调节控制器可采用PI、PID或重复控制等调节器，本实施例采用离散PI调节器，其计算公式为：
PF_K＝kp(PFref-PFS)+ki(PFref-PFS)+PF_K* (20)
其中，PF_K为当前时刻计算出的自调节系数；PF_K*为上一时刻计算出的自调节系数；PFref为目标功率因数；PFS为系统瞬时功率因数；kp为离散PI调节器的比例系数；ki为离散PI调节器的积分系数。自调节控制器的输出PF_K，应做限幅处理，限幅范围可为-1～+1，可根据补偿设备存在的最大误差来确定具体范围，本方法实例中设计的自调节环节可具备20％的自调节能力，因此采用的限幅-0.2～+0.2。
自调节指令计算单元根据自调节系数计算单元获得的自调节系数PF_K对功率因数控制单元获得的三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref进行调节，以得到调节后动态补偿装置的三相补偿指令i* a_qref、i* b_qref、i* c_qref，并根据这三相补偿指令对设备进行补偿。
i* a_qref＝(1+PF_K)×ia_qref (21)
i* b_qref＝(1+PF_K)×ib_qref (22)
i* c_qref＝(1+PF_K)×ic_qref (23)
其中，i* a_qref为自调节后，补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；i* b_qref为自调节后，补偿装置B相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；i* c_qref为自调节后，补偿装置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ia_qref为自调节前，补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ib_qref为自调节前，补偿装置B相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ic_qref为自调节前，补偿装置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培。
本发明瞬时功率因数补偿控制系统的实施例三
为了使本发明的瞬时功率因数补偿控制系统能够应用于电压、电流畸变的场合，本实施例中的瞬时功率因数补偿控制系统在实施例二的基础上进行了进一步改进，如图4所示，系统有功无功电流计算单元、电压锁相单元和负载有功无功电流计算单元前均增设有滤波器，分别用于在各单元计算前对系统电流、系统电压和负载电流进行滤波，以消除其对应的谐波分量，使滤波后的系统电流、系统电压和负载电流只包含有基波分量。滤波器采用低通滤波器，本实施例中采用巴特沃斯低通滤波器，设计的截止频率为基波频率，采样时间与计算周期相同，经过滤波后的三相负载电流i* La、i* Lb、i* Lc，三相负载电流i* Sa、i* Sb、i* Sc以及三相系统电压u* a、u* b、u* c只含有基波分量，此时滤波后的三相负载电流、系统电流、系统电压信号按照实施例二中的计算可获得应用于电压、电流畸变场合的动态补偿指令。
本发明通过实时采集三相系统电压、系统电流以及补偿装置的电流，获得三相负载电流；系统电压经过锁相后，将负载电流分解出有功电流、无功电流分量，并由此计算出负载瞬时功率因数PFL；根据给定的目标功率因数PFref、负载瞬时功率因数直接计算出无功控制量幅值Iqref以及三相无功控制量瞬时值iqref；同样的，根据系统电流分解出其有功电流、无功电流分量以及补偿后的系统瞬时功率因数PFS；再由系统瞬时功率因数PFS与目标功率因数PFref进行自调节控制，获得自调节系数PF_K；最后将三相无功控制量瞬时值iqref与自调节系数PF_K进行自调节运算，获得动态补偿装置的三相补偿指令i* qref。本发明克服了原有功率因数补偿控制方法实时性差、响应速度慢、跟踪补偿误差大、控制方法性能受装置器件参数变化影响的问题，同时本发明可应用于负载快速变化的场合或系统电压、电流畸变严重的场合。
本发明瞬时功率因数补偿控制方法的实施例
该实施例中的瞬时功率因数补偿控制方法的具体的实现流程如图5所示，过程如下：
1.初始化运算参数，包括自调节系数计算中离散PI调节器的比例系数、积分系数，设定需要控制的目标功率因数；当在系统电压、电流畸变场合使用时，还需初始化滤波器的截止频率、采样时间以及滤波器缓存器。
2.采集三相系统电压ua、ub、uc、三相系统电流iSa、iSb、iSc、动态补偿装置输出三相电流iGa、iGb、iGc，参照公式(1)，计算出三相负载电流iLa、iLb、iLc。
3.当在系统电压、电流畸变场合使用时，需进行此步骤运算后在进行下一步骤，此步骤中对计算获得的三相负载电流iLa、iLb、iLc，采集输入的三相系统电流iSa、iSb、iSc以及三相系统电压ua、ub、uc分别进行数字滤波运算，提取基波分量，滤波器可采用低通滤波器进行滤波，本发明中采用巴特沃斯低通滤波器，设计的截止频率为基波频率，采样时间与计算周期相同，经过滤波后的三相负载电流i* La、i* Lb、i* Lc，三相负载电流i* Sa、i* Sb、i* Sc以及三相系统电压u* a、u* b、u* c只含有基波分量。
4.参照公式(2)～(9)或其他锁相运算方法，根据三相系统电压ua、ub、uc或滤波后三相系统电压u* a、u* b、u* c计算出三相系统的锁相角θa、θb、θc。
5.将三相负载电流iLa、iLb、iLc或滤波后的三相负载电流i* La、i* Lb、i* Lc，系统电压锁相获得的三相电压锁相角θa、θb、θc，参照公式(10)、(11)，计算出负载电流有功电流分量ILp、无功电流分量ILq、负载瞬时功率因数PFL。
6.通过负载电流有功电流ILp、无功电流ILq分量以及给定的目标功率因数PFref，参照公式(12)～(14)，计算出目标功率因数控制时的无功补偿控制量Iqref，然后根据三相电压锁相角θ的余弦函数以及无功补偿控制量Iqref转化为三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref。
7.采用与计算负载功率因数相似的方法，通过三相系统电流iSa、iSb、iSc或滤波后的三相系统电流i* Sa、i* Sb、i* Sc、系统电压锁相获得的三相电压锁相角θa、θb、θc，参照公式(18)、(19)，计算出系统电流有功电流分量ISp、无功电流分量ISq以及补偿后系统瞬时功率因数PFS。
8.通过补偿后的系统瞬时功率因数PFS与目标功率因数PFref，采用自调节控制器获得自调节系数PF_K，其中，自调节控制器可采用PI、PID或重复控制等调节器，本实施例中采用离散PI调节器，参照公式(20)，并进行限幅处理，计算出自调节系数PF_K。
9.根据获得的三相补偿控制指令ia_qref、ib_qref、ic_qref以及自调节系数计算单元获得的自调节系数PF_K参照公式(21)～(23)进行运算，获得动态补偿装置三相的补偿指令i* a_qref、i* b_qref、i* c_qref，根据三相的补偿指令i* a_qref、i* b_qref、i* c_qref，补偿设备可实现具有自调节能力的瞬时功率因数补偿控制。
10.完成以上步骤，等待下一个运算时刻到来后，返回步骤2，进入下一次运算循环，循环计算步骤2～9相关内容，可获得每个运算时刻瞬时功率因数控制指令信号；其中，每个运算周期的确定由CPU运算能力、模拟量通道采样速率以及动态补偿设备电力电子开关器件开关频率决定，运算周期越快，动态补偿设备响应速度越快、实时性越好、控制精度越高。
通过上述过程本发明可用于电力无功补偿的检测及补偿控制方法，其通过有功电流、无功电流计算单元，能够实时计算瞬时有功电流分量、无功电流分量以及瞬时功率因数，避免了原有算法对于快速变化负载跟踪实时性差，响应速度慢的问题，改善了系统实时性能以及电压波动及闪变的治理效果；引入功率因数控制单元，可直接快速计算出瞬时功率因数控制量，响应速度快，无需如原有算法采用PI调节器积分方式获取控制量，因此可解决原有方法PI调节器实时性差、跟踪误差大的问题；引入自调节控制环节进行功率因数补偿效果闭环反馈控制，实时计算补偿后系统瞬时功率因数，经过自调节系数生成单元，可实时获取稳态自调节系数，动态修正控制误差，实现目标功率因数的无差控制，解决了原有方法在负载快速变化的场合或系统器件参数由于环境温度、湿度、气压、老化程度等原因发生变化，引起较大的稳态误差问题；并且针对快速变化负载的场合以及系统电压、电流畸变的场合，同样适用，解决了原有方法在此类场合应用性能差的问题。

Claims (10)

1.一种瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，该补偿控制方法包括以下步骤：
1)根据三相系统电流和动态补偿装置输出的三相电流计算三相负载电流iLa、iLb、iLc；
2)根据计算得到的三相负载电流和三相系统电压锁相角计算负载电流的有功分量ILp、无功分量ILq和负载瞬时功率因数PFL；
3)根据给定的目标功率因数以及步骤2)中得到负载电流的有功电流分量ILp、无功电流分量ILq和负载瞬时功率因数PFL计算目标功率因数控制时的无功补偿控制量Iqref以及三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref，该三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref即为所求的补偿装置三相电流补偿控制指令瞬时值。
2.根据权利要求1所述的瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，为了弥补器件参数变化造成的控制误差问题，该方法还包括对步骤3)中得到的三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref进行自调节的过程，具体步骤如下：
A.将三相系统电流分解出有功电流分量、无功电流分量以及补偿后的系统瞬时功率因数；
B.根据目标功率因数与步骤A中得到的补偿后的系统瞬时功率因数，采用自调节控制器计算出自调节系数PF_K；
C.根据步骤B中获得的自调节系数PF_K对步骤3)中获得的三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref进行调节，以得到调节后动态补偿装置的三相补偿指令i* a_qref、i* b_qref、i* c_qref，并根据这三相补偿指令对设备进行补偿。
3.根据权利要求2所述的瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，步骤C中调节后动态补偿装置三相的补偿指令i* a_qref、i* b_qref、i* c_qref的计算公式为：
i* a_qref＝(1+PF_K)×ia_qref
i* b_qref＝(1+PF_K)×ib_qref
i* c_qref＝(1+PF_K)×ic_qref
其中，i* a_qref为自调节后补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；i* b_qref为自调节后补偿装置B相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；i* c_qref为自调节后，补偿装置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；PF_K为自调节系数；ia_qref为自调节前，补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ib_qref为自调节前，补偿装置B相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ic_qref为自调节前，补偿装置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培。
4.根据权利要求1所述的瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，所述步骤1)中三相负载电流的计算公式为：
其中iLa为负载电流A相电流瞬时值，单位安培；iLb为负载电流B相电流瞬时值，单位安培；iLc为负载电流C相电流瞬时值，单位安培；iSa为系统电流A相电流瞬时值，单位安培；iSb为系统电流B相电流瞬时值，单位安培；iSc为系统电流C相电流瞬时值，单位安培；iGa为无功补偿装置A相输出电流瞬时值，单位安培；iGb为无功补偿装置B相输出电流瞬时值，单位安培；iGc为无功补偿装置C相输出电流瞬时值，单位安培。
5.根据权利要求1所述的瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，所述步骤2)中负载电流的有功电流分量ILp、无功电流分量ILq以及负载瞬时功率因数PFL的计算公式为：
其中ILp为负载电流的有功电流分量，单位安培；ILq为负载电流的无功电流分量，单位安培；iLa为负载电流A相电流瞬时值，单位安培；iLb为负载电流B相电流瞬时值，单位安培；iLc为负载电流C相电流瞬时值，单位安培；θa为系统A相电压锁相角，单位度；θb为系统B相电压锁相角，单位度；θc为系统C相电压锁相角，单位度；PFL为负载瞬时功率因数。
6.根据权利要求1所述的瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，无功补偿控制量Iqref以及三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref的计算公式如下：
Iqref＝ILq-Iqrem
ia_qref＝Iqref×cosθa
ib_qref＝Iqref×cosθb
ic_qref＝Iqref×cosθc
其中，ia_qref为自调节前补偿装置A相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ib_qref为自调节前补偿装置B相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；ic_qref为自调节前补偿装置C相电流补偿控制指令瞬时值，单位安培；Iqref为目标功率因数控制时检测出的无功补偿控制量，单位安培；θa为系统A相电压锁相角，单位度；θb为系统B相电压锁相角，单位度；θc为系统C相电压锁相角，单位度。
7.根据权利要求2所述的瞬时功率因数补偿控制方法，其特征在于，系统电流的有功电流分量ISp、无功电流分量ISq以及补偿后的系统瞬时功率因数PFS由三相系统电流iS、系统电压锁相获得的三相电压锁相角θ计算得到，计算公式如下：
其中，ISp为系统电流的有功电流分量，单位安培；ISq为系统电流的无功电流分量，单位安培；iSa为系统电流A相电流瞬时值，单位安培；iSb为系统电流B相电流瞬时值，单位安培；iSc为系统电流C相电流瞬时值，单位安培；θa为系统A相电压锁相角，单位度；θb为系统B相电压锁相角，单位度；θc为系统C相电压锁相角，单位度；PFS为补偿后的系统瞬时功率因数。
8.一种瞬时功率因数补偿控制系统，其特征在于，该控制系统包括负载电流计算单元、负载有功无功电流计算单元、电压锁相单元和功率因数控制单元，
所述负载电流计算单元用于根据三相系统电流和动态补偿装置输出的三相电流计算三相负载电流iLa、iLb、iLc；
所述电压锁相单元用于对系统进行锁相以获取三相电压锁相角θa、θb、θc；
所述负载有功无功电流计算单元用于根据负载电流计算单元计算得到的三相负载电流iLa、iLb、iLc和电压锁相单元得到的三相系统电压锁相角θa、θb、θc计算负载电流的有功分量ILp、无功分量ILq和负载瞬时功率因数PFL；
所述功率因数控制单元用于根据给定的目标功率因数以及负载有功无功电流计算单元得到的负载电流的有功电流分量ILp、无功电流分量ILq和负载瞬时功率因数PFL计算目标功率因数控制时的无功补偿控制量Iqref以及三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref，该三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref即为所求的补偿装置三相电流补偿控制指令瞬时值。
9.根据权利要求8所述的瞬时功率因数补偿控制系统，其特征在于，该系统还包括对功率因数控制单元得到的三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref进行自调节的系统有功无功电流计算单元、自调节系数计算单元和自调节指令计算单元；
所述系统有功无功电流计算单元用于将三相系统电流分解出系统的有功电流分量ISp、无功电流分量ISq以及补偿后的系统瞬时功率因数PFS；
所述自调节系数计算单元用于根据目标功率因数与系统有功无功电流计算单元得到的补偿后的系统瞬时功率因数PFS，采用自调节控制器计算出自调节系数PF_K；
所述自调节指令计算单元用于根据自调节系数计算单元获得的自调节系数PF_K对功率因数控制单元获得的三相无功补偿控制量的瞬时值ia_qref、ib_qref、ic_qref进行调节，以得到调节后动态补偿装置的三相补偿指令i* a_qref、i* b_qref、i* c_qref，并根据这三相补偿指令对设备进行补偿。
10.根据权利要求9所述的瞬时功率因数补偿控制系统，其特征在于，所述的系统有功无功电流计算单元、电压锁相单元和负载有功无功电流计算单元前均增设有滤波器，分别用于在各单元计算前对系统电流、系统电压和负载电流进行滤波，使滤波后的系统电流、系统电压和负载电流只包含有基波分量。
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