CN104269864B - 基于响应周期预测的接触器投切无功补偿方法 - Google Patents

Abstract

基于响应周期预测的接触器投切无功补偿方法，属于电能质量控制技术领域，本发明为解决现有技术中接触器响应时间难以预测，造成无法实现准确过零点投切的问题。本发明方法包括以下步骤：一、采集三相电压信号和三相电流信号、接触器两端电压的过零检测信号和装置当前工作的环境温度，作为检测信号；二、通过信号调理模块检测信号进行处理，并将处理后的检测信号送入控制模块；三、计算当前***的功率因数；四、当功率因数小于或等于开通阈值时，执行五；当功率因数大于或等于关断阈值时，执行六；当功率因数介于开通阈值和关断阈值之间时，保持上一状态；五、控制模块发出投入补偿指令，返回执行四；六、控制模块发出投切指令，然后返回执行三。

Description

基于响应周期预测的接触器投切无功补偿方法

技术领域

本发明涉及基于一种对接触器响应周期的精准预测从而实现过零投切的接触器投切无功补偿技术(HVC)，以维持电网的稳定性，属于电能质量控制技术领域。

背景技术

接触器投切无功补偿技术(HVC)是依靠接触器开关投入电容器来动态补偿电网中无功功率的技术，以其价格低、可靠性高、便于维护、电压等级高、不受电力电子器件耐压性限制等优势，在高压无功补偿领域应用十分普遍。

传统的HVC装置在控制上对于接触器开关时刻的选取是随机的，并且主要依赖于手动或继电保护装置动作。这种控制方式显然不符合自动化的控制要求，且由于接触器开关的随机通断，会带来瞬间电流涌流和过电压等一系列负面效应，甚至可能造成补偿装置的烧毁，危害电网的稳定运行。

研究的重点在于通过对参考相位的过零点进行检测，采用智能控制器自动控制接触器在电压过零点开通，在电流过零点关断，从而有效地抑制投切补偿电容瞬间产生的负面效应。然而由于HVC装置采用接触器作为投切开关，而接触器属于机械开关，其响应时间受环境因素的变化而变化，无法达到电子开关的精确性，这就给同步投切技术的实现增加了难度，即接触器响应时间难以预测，造成无法实现准确过零点投切。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中接触器响应时间难以预测，造成无法实现准确过零点投切的问题，提供了一种基于响应周期预测的接触器投切无功补偿方法。

本发明所述基于响应周期预测的接触器投切无功补偿方法，采用接触器投切电容器的方式进行无功补偿，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采集所述接触器所在电网的三相电压信号u_a，u_b，u_c和三相电流信号i_a，i_b，i_c、接触器两端电压的过零检测信号和装置当前工作的环境温度，作为检测信号；

步骤二、通过信号调理模块对步骤一获取的检测信号进行处理，并将处理后的检测信号送入控制模块；

步骤三、在控制模块中，根据处理后的检测信号，并采用瞬时无功功率理论计算当前***的功率因数；

步骤四、判断当前***的功率因数的大小，根据条件执行相应操作；

当功率因数小于或等于开通阈值时，执行步骤五；

当功率因数大于或等于关断阈值时，执行步骤六；

当功率因数介于开通阈值和关断阈值之间时，保持上一状态；

步骤五、控制模块发出投入补偿指令，通过驱动电路令接触器执行合闸操作，进行无功补偿；返回执行步骤四；

步骤六、控制模块发出投切指令，通过驱动电路令接触器执行分闸操作，然后返回执行步骤三。

本发明的优点：本发明提出了一种基于响应周期预测的接触器投切补偿无功功率使电容器达到精准的过零投切的技术。本发明最大的特点在于能将上次接触器响应周期入库，在下次投切时直接调用上次的响应周期作为参考值，无需担心由于接触器工作时间变长造成的摩擦变大而影响响应周期的问题，达到响应周期自跟随控制。利用某油田电网无功补偿现场实测数据分析也验证了采用响应周期自跟随控制，能够控制接触器的动作时刻在其两端电压电流真实过零点的±1ms误差范围内，从而有效的避免了投切瞬间可能产生的电压电流冲击问题。实验结果证明本发明的控制方法达到了预期的准确过零投切效果，避免了投切瞬间可能产生的浪涌电流和过电压等负面效应，能够保证HVC装置的稳定运行。

由于操作电压与环境温度变化的不确定性，响应周期的数据样本有时难以完全满足HVC过零投切控制的需求，需要研究一种可进行现场周期预测分析的方法。通过对接触器响应周期影响因素的分析及实验测试，得到特定操作电压条件下环境温度对接触器响应周期影响的变化规律解析表达式，据此给出不同环境温度下的接触器响应周期值，实现了对接触器响应周期的准确预测。

采用接触器同步投切电容器为解决目前电能质量领域存在的无功补偿装置高电压、高功率等级、低成本问题提供了新的思路，有很高应用价值。本发明可以动态实时监测***需要补偿的无功功率，实现接触器投切电容的精准过零投切，能够保证电网的供电质量，提高负载的用电安全性，保障其高效、安全稳定运行。

附图说明

图1为HVC无功补偿装置***框图，整个***由信号调理模块、控制模块、驱动模块以及无功补偿模块等几部分组成，其中图中A、B、C为电网中三相交流电，i_a，i_b，i_c为电网三相电流信号，u_a，u_b，u_c为电网三相电压信号，补偿模块采用真空接触器作为投切补偿电容的开关器件。

图2为本发明具体实施时的HVC装置拓扑结构图，采用8421的取值方式进行选取，其容量分别为30kVar、60kVar、120kVar，三相电容器组采用角形联接。

图3为接触器同步投切控制框图。

图4为同步投切合闸方案示意图，t_S为***发出投入补偿指令的时刻，过零检测电路是以A相电压过零点为基准，t_A是监测到与投入补偿指令最近的过零点时刻，Δt为发出投入补偿指令至检测到A相电压过零点的时间，t_on-j为根据接触器当前工作的环境温度确定的延时时间，A₀为接触器实际动作的真实参考相位点，t_dA-j，t_dB-j，t_dC-j分别为三相最小延时时间。

图5为同步投切分闸方案示意图。

图6为接触器响应时间检测电路，STM32ARM单片机通过检测从控制信号发出到回路中产生电流的时间差即为接触器的真实动作时间。

图7为实验接触器合闸波形图。

图8为实验接触器分闸波形图。

图9为HVC装置的***流程图，其中图a)是HVC装置的主流程图，图b)是同步投切子程序流程图。

图10为接触器非过零投入波形图。

图11为接触器非过零投切波形图。

图12为接触器首次过零投入波形图。

图13为接触器首次过零投切波形图。

图14为接触器第二次过零投入波形图。

图15为接触器第二次过零投切波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于响应周期预测的接触器投切无功补偿方法，采用接触器投切电容器的方式进行无功补偿，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采集所述接触器所在电网的三相电压信号u_a，u_b，u_c和三相电流信号i_a，i_b，i_c、接触器两端电压的过零检测信号和装置当前工作的环境温度，作为检测信号；

步骤二、通过信号调理模块对步骤一获取的检测信号进行处理，并将处理后的检测信号送入控制模块；

步骤三、在控制模块中，根据处理后的检测信号，并采用瞬时无功功率理论计算当前***的功率因数；

步骤四、判断当前***的功率因数的大小，根据条件执行相应操作；

当功率因数小于或等于开通阈值时，执行步骤五；

当功率因数大于或等于关断阈值时，执行步骤六；

当功率因数介于开通阈值和关断阈值之间时，保持上一状态；

步骤五、控制模块发出投入补偿指令，通过驱动电路令接触器执行合闸操作，进行无功补偿；返回执行步骤四；

步骤六、控制模块发出投切指令，通过驱动电路令接触器执行分闸操作，然后返回执行步骤三。

步骤一中，采集所述接触器所在电网的三相电压信号u_a，u_b，u_c用于确定A相电压的过零点做准备。采集三相电流信号i_a，i_b，i_c用于计算功率因数。***工作时，由电流传感器和电压传感器采集***三相电流信号和三相电压信号，实时监测电网的无功功率、功率因数等参数。由于***核心控制单元能够接收的信号的幅值范围是0-3.3V，电流传感器和电压传感器的输出电平不能直接送入控制器的内部A/D，需要送入信号调理电路经过进行放大、举升，通过电压变换，变成单片机内部A/D输入电平范围内的信号方可送入控制器内部的A/D进行采样。同时，为得到接触器闭合时的响应时间，需采集接触器两端电压信号以确定接触器准确的闭合时刻；为得到接触器开通时的响应时间，需采集流过电容器的电流信号亦即流过接触器的电流信号以确定接触器准确的开通时刻。同时，检测当前的环境温度和接触器的操作电压以准确预测接触器的响应时间。

步骤四中的开通阈值＝[0.7，0.8]；关断阈值＝[0.93，0.95]。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤三中获取功率因数的过程为：

步骤31、将三相电流信号i_a，i_b，i_c按公式

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

变换为α-β两相正交坐标系上瞬时电流i_α，i_β；

式中，C_3/2表示3/2坐标变换矩阵；

步骤32、将α-β两相正交坐标系上瞬时电流i_α，i_β按公式

$\left[\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{3}{2}}{E}_m\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{3}{2}}{E}_m\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

获取瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；

式中：E_m表示***电压峰值；

步骤33、根据公式

$\mathrm{\α}=\frac{p}{\sqrt{p^2+q^2}}$

获取功率因数α。

具体实施方式三：下面结合图3、图4、图6、图7和图8说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤五中的控制模块发出投入补偿指令，通过驱动电路令接触器执行合闸操作的过程为：

步骤51、确定与投入补偿指令发出时刻最接近的A相电压过零点；

步骤52、根据公式 $t_{\mathrm{on}-j}={0.0002T}_j^3-{0.0002T}_j^2-{0.0981T}_j+148.7423+{\mathrm{\Δt}}_{j-1}$ 计算第j次投入接触器时的接触器开通响应周期预测值t_on-j；j＝1，2，...

式中：T_j为第j次投入接触器时的环境温度；Δt_j-1为本次投入接触器时的接触器开通响应周期真实值与上一次投入接触器时的接触器开通响应周期预测值的差值；令Δt₀＝0；

步骤53、根据公式

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{\mathrm{dA}-j}=n/2f-t_{\mathrm{on}-j}+8.33\\ t_{\mathrm{dB}-j}=n/2f-t_{\mathrm{on}-j}+5\\ t_{\mathrm{dC}-j}=n/2f-t_{\mathrm{on}-j}+1.67\end{array}\right.$

获取三相补偿电容器对应的接触器合闸的最小延时时间t_dA-j，t_dB-j，t_dC-j；

式中：n为接触器合闸的最小延时时间t_dA-j，t_dB-j，t_dC-j为正的最小整数值；

步骤54、以步骤51确定的A相电压过零点为基点，按步骤53获取的三相补偿电容器对应的接触器合闸的最小延时时间进行延时，然后根据控制模块发出的指令来启动三相接触器的合闸操作。

步骤52中记载的本次投入接触器时的接触器开通响应周期真实值是在本次合闸操作完成后，由控制模块测量出的数值，是控制模块发出指令到接触器线圈上电所经历的时间。采用图6所示的电路进行测量即可获取。

当满足投切条件需要对接触器动作时，采集测量当前的温度信号，调用历史响应时间数据库，获取本次投切接触器时的接触器开通响应周期真实值与上一次投切接触器时的接触器开通响应周期预测值的差值，进而计算出为保证开关过零投切而需要的动作延时时间；再以开关触点两端的电压电流信号过零检测确定的参考相位为基准，进行一定时间的延时后，给出***的投切指令，保证接触器的过零开通和关断。在接触器响应后，计算单片机发出投切指令到接触器线圈上电的时间作为本次接触器响应周期，存入数据库，作为下次接触器响应周期的参考值，如此循环，可以时刻根据HVC现场状况作出最适合的调整，即为响应周期自跟随控制。

本实施方式所述计算第j次投入接触器时的接触器开通响应周期预测值的公式适用于环境温度在(-35℃，40℃)之间。当环境温度位于(-35℃，40℃)之外时，在环境温度低于-35℃时，响应周期预测值采用-35℃的值，在环境温度高于40℃与时，响应周期预测值采用40℃的值。

所述的响应周期预测是基于同步投切的目的，为同步投切进行服务，达到最精准的过零投切。检测到过零点之后，要通过接触器的响应时间，确定延迟时间以达到下个过零精确投切。过零检测电路是A相电压过零点为基准，当在t_A时刻监测到与合闸指令最近的过零点后，需要根据接触器当前工作的环境温度确定延时时间，并确定接触器实际动作的真实参考相位点A₀，由于参考相位点与监测相位点的时间差为n/2f，因此三相补偿电容器组的合闸顺序为C相-A相-B相，与参考相位点的相角差分别为30°、90°和150°，投入补偿的延时具体情况如图4所示。图7和图8分别给出的合闸时间和分闸时间的示意图。

具体实施方式四：下面结合图1、图2、图5、图10至图15说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，

步骤六中的控制模块发出投切指令，通过驱动电路令接触器执行分闸操作的过程为：

步骤61、确定与投切指令发出时刻最接近的A相电压过零点；

步骤62、根据公式

$t_{\mathrm{off}-k}={0.0001T}_k^4-{0.0003T}_k^3-0.0379T_k^2+{0.2871T}_k+21.0165+{{\mathrm{\Δt}}_{k-1}}^{\′}$

计算第k次投切接触器时的接触器关断响应周期预测值t_off-k；k＝1，2，...

式中：T_k为第k次投切接触器时的环境温度；Δt_k-1′为本次投切接触器时的接触器关断响应周期真实值与上一次投切接触器时的接触器关断响应周期预测值的差值；令Δt₀′＝0；

步骤63、根据公式

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{\mathrm{dA}-k}=n/2f-t_{\mathrm{on}-k}+8.33\\ t_{\mathrm{dB}-k}=n/2f-t_{\mathrm{on}-k}+5\\ t_{\mathrm{dC}-k}=n/2f-t_{\mathrm{on}-k}+1.67\end{array}\right.$

获取三相补偿电容器对应的接触器分闸的最小延时时间t_dA-k，t_dB-k，t_dC-k；

步骤64、以步骤61确定的A相电压过零点为基点，按步骤63获取的三相补偿电容器对应的接触器分闸的最小延时时间进行延时，然后根据控制模块发出的指令来启动三相接触器的分闸操作。

步骤62中记载的本次投切接触器时的接触器关断响应周期真实值是在本次分闸操作完成后，由控制模块测量出的数值，是控制模块发出指令到接触器线圈断电所经历的时间。

本实施方式所述计算第j次投切接触器时的接触器关断响应周期预测值的公式适用于环境温度在(-35℃，40℃)之间。当环境温度位于(-35℃，40℃)之外时，在环境温度低于-35℃时，响应周期预测值采用-35℃的值，在环境温度高于40℃与时，响应周期预测值采用40℃的值。

当接触器分闸时，根据接触器当前的环境温度对其响应时间t_off-k进行预测，则确定了参考过零点A₀后，三相补偿电容器组的分闸顺序为C相-A相-B相，与参考相位点的相角差分别为60°、120°和180°，投切延时的具体情况如图5所示。

本实施方式给出了一个具体实施例，按图2所示设置HVC装置，按本发明所述方法进行投切试验，则获得了图10至图15的曲线关系，由图10-图15可以得出接触器在非过零点的随机投切对维护HVC装置的稳定运行是十分不利的，而采用本发明所设计的同步投切控制方式，基于接触器响应时间预测，把本次响应周期入库最为下次的参考达到响应周期自跟随控制，可以有效避免接触器投切瞬间产生的电压电流冲击情况。通过对比接触器的两次投切效果，验证了响应时间自跟随控制策略，能够控制接触器的动作时刻在其两端电压电流真实过零点的±1ms误差范围内，从而有效的避免了投切瞬间可能产生的涌流冲击问题。

Claims (4)

1.基于响应周期预测的接触器投切无功补偿方法，采用接触器投切电容器的方式进行无功补偿，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采集所述接触器所在电网的三相电压信号u_a，u_b，u_c和三相电流信号i_a，i_b，i_c、接触器两端电压的过零检测信号和装置当前工作的环境温度，作为检测信号；

步骤二、通过信号调理模块对步骤一获取的检测信号进行处理，并将处理后的检测信号送入控制模块；

步骤三、在控制模块中，根据处理后的检测信号，并采用瞬时无功功率理论计算当前***的功率因数；

步骤四、判断当前***的功率因数的大小，根据条件执行相应操作；

当功率因数小于或等于开通阈值时，执行步骤五；

当功率因数大于或等于关断阈值时，执行步骤六；

当功率因数介于开通阈值和关断阈值之间时，保持上一状态；

步骤五、控制模块发出投入补偿指令，通过驱动电路令接触器执行合闸操作，进行无功补偿；返回执行步骤四；

步骤六、控制模块发出投切指令，通过驱动电路令接触器执行分闸操作，然后返回执行步骤三，

步骤五中的控制模块发出投入补偿指令，通过驱动电路令接触器执行合闸操作的过程为：

步骤51、确定与投入补偿指令发出时刻最接近的A相电压过零点；

步骤52、根据公式 $t_{on-j}=0.0002T_j^3-0.0002T_j^2-0.0981T_j+148.7423+{\mathrm{\Δt}}_{j-1}$ 计算第j次投入接触器时的接触器开通响应周期预测值t_on-j；j＝1，2，...

式中：T_j为第j次投入接触器时的环境温度；Δt_j-1为本次投入接触器时的接触器开通响应周期真实值与上一次投入接触器时的接触器开通响应周期预测值的差值；令Δt₀＝0；

步骤53、根据公式

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{dA-j}=n/2f-t_{on-j}+8.33\\ t_{dB-j}=n/2f-t_{on-j}+5\\ t_{dC-j}=n/2f-t_{on-j}+1.67\end{array}\right.$

获取三相补偿电容器对应的接触器合闸的最小延时时间t_dA-j，t_dB-j，t_dC-j；

式中：n为接触器合闸的最小延时时间t_dA-j，t_dB-j，t_dC-j为正的最小整数值；

步骤54、以步骤51确定的A相电压过零点为基点，按步骤53获取的三相补偿电容器对应的接触器合闸的最小延时时间进行延时，然后根据控制模块发出的指令来启动三相接触器的合闸操作。

2.根据权利要求1所述基于响应周期预测的接触器投切无功补偿方法，其特征在于，步骤三中获取功率因数的过程为：

步骤31、将三相电流信号i_a，i_b，i_c按公式

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

变换为α-β两相正交坐标系上瞬时电流i_α，i_β；

式中，C_3/2表示3/2坐标变换矩阵；

步骤32、将α-β两相正交坐标系上瞬时电流i_α，i_β按公式

$\left[\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{3}{2}}{E}_m\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{3}{2}}{E}_m\left[\begin{array}{cc}sin\mathrm{\ω}t& -cos\mathrm{\ω}t\\ -cos\mathrm{\ω}t& -sin\mathrm{\ω}t\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

获取瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；

式中：E_m表示***电压峰值；

步骤33、根据公式

$\mathrm{\α}=\frac{p}{\sqrt{p^2+q^2}}$

获取功率因数α。

3.根据权利要求1所述基于响应周期预测的接触器投切无功补偿方法，其特征在于，本次投入接触器时的接触器开通响应周期真实值是在本次合闸操作完成后，由控制模块测量出的数值，是控制模块发出指令到接触器线圈上电所经历的时间。

4.根据权利要求1所述基于响应周期预测的接触器投切无功补偿方法，其特征在于，开通阈值＝[0.7，0.8]；关断阈值＝[0.93，0.95]。