CN102427235B - 一种无源滤波器无功补偿容量分配及支路投切方法 - Google Patents

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CN102427235B CN2011104174672A CN201110417467A CN102427235B CN 102427235 B CN102427235 B CN 102427235B CN 2011104174672 A CN2011104174672 A CN 2011104174672A CN 201110417467 A CN201110417467 A CN 201110417467A CN 102427235 B CN102427235 B CN 102427235B
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Abstract

本发明涉及一种无源滤波器无功补偿容量分配及支路投切方法。所述的方法设计的无源滤波器具有多个滤波支路，滤波支路由投切继电器、电容器、电阻器、电抗器组成，所述方法的步骤：计算总无功补偿量的步骤；计算滤波支路补偿容量的步骤；计算各个滤波支路元件参数的步骤。采用本发明所述的无源滤波器无功补偿容量分配方法设计的无源滤波器进行无功补偿和滤波抑制，其各个滤波支路的无功补偿容量综合考虑了负荷运行特性和谐波源电流，各滤波支路的补偿量分配更加合理，使无源滤波器运行方式更加灵活，动态补偿性能更好。

Description

一种无源滤波器无功补偿容量分配及支路投切方法
技术领域
本发明涉及一种无源滤波器无功补偿容量分配及支路投切方法，是一种电气成套设备的参数设计方法和运行控制方法，是一种保证应用于供电系统无功补偿和谐波抑制的无源滤波器成套装置具有良好动态性能的设计方法和实现装置自动安全动作的方法。
背景技术
现代化煤矿供电系统的谐波源主要有变频胶带输送机、采煤机变频装置、提升机电控系统等，一般为3、5、7、11次谐波，煤矿负荷因煤矿生产特点呈阶梯性变化且不存在电弧炉负荷造成的三相电压电流严重不平衡现象。谐波治理及无功补偿成套装置有无源滤波器固定补偿、无源滤波器动态补偿、无源滤波器固定补偿加可调电抗、有源滤波器及其结合等形式，无源滤波器动态补偿动作可靠、维护简单、投资少，是最适合煤矿的一种谐波治理和无功补偿方式。
无源滤波器动态补偿装置由多组滤波支路组成，各支路调谐于同一频率或数个频率，每组具有固定的基波无功容量，可以同时实现滤波与无功补偿功能。目前无源滤波器的支路无功容量分配大多采用平均分配法，或单纯按照各次谐波电流大小进行分配，支路组合方式简单，无功调节性能较差，在系统负荷变化时，不能完全保证系统电能质量合格；滤波器投切操作只是简单地按照投入时由低次向高次投入，退出时由高次向低次退出，在滤波器运行方式投切过程中可能造成短时谐波放大、电流或电压波形畸变、系统功率因数越限、系统保护误动等，影响系统和设备的安全经济运行。
发明内容
为克服现有技术的问题，本发明提出一种无源滤波器无功补偿容量分配及支路投切方法。所述的方法用于解决矿井无功补偿和谐波抑制的无源滤波器设计及控制问题，兼顾矿井负荷运行特性和谐波源电流进行无源滤波支路初始无功补偿容量分配，各滤波支路分配到的无功补偿容量是滤波支路的有效补偿容量；以流入系统的谐波电流不被放大为原则，生成滤波支路所有可行组合方式；以补偿容量满足系统无功补偿要求及开关操作成本最小为目标，操作过程中不产生谐波放大、功率因数不越限为原则，提出了一种无源滤波器支路投切方法。
本发明的目的是这样实现的：一种无源滤波器无功补偿容量的分配方法，所述的方法设计的无源滤波器具有多个滤波支路，所述的滤波支路由投切继电器、电容器、电阻器、电抗器组成，所述各滤波支路的投切继电器与控制器电连接，所述方法的步骤如下：
计算总无功补偿量的步骤：用于使用公式：
Figure 60837DEST_PATH_IMAGE001
计算无源滤波器的总无功补偿量，式中，
Figure 608362DEST_PATH_IMAGE002
为滤波器总无功补偿量，
Figure 995481DEST_PATH_IMAGE003
为负载系数，
Figure 365283DEST_PATH_IMAGE004
为月最大有功负载。为补偿前后功率因数角；
计算滤波支路负载率的步骤：用于计算n次滤波支路的负载率
Figure 990616DEST_PATH_IMAGE006
；
计算滤波支路补偿容量的步骤：用于根据n次滤波支路的负载率
Figure 599452DEST_PATH_IMAGE006
使用公式：
Figure 959895DEST_PATH_IMAGE007
计算n次滤波支路的无功补偿量，式中，
Figure 970576DEST_PATH_IMAGE002
为总的无功补偿量，
Figure 938532DEST_PATH_IMAGE008
为n次滤波支路无功补偿量，
Figure 972348DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 683952DEST_PATH_IMAGE010
分别为反映支路谐波电流、无功补偿量的权重系数，
Figure 874947DEST_PATH_IMAGE012
为次谐波电流值， 
Figure 708091DEST_PATH_IMAGE014
为第
Figure 693365DEST_PATH_IMAGE015
类谐波电流值,各类谐波按照谐波次数从低到高进行排序，
Figure 940807DEST_PATH_IMAGE015
取值为1，2，…
Figure 11531DEST_PATH_IMAGE016
；
计算各个滤波支路元件参数的步骤：用于根据n次滤波支路的无功补偿量
Figure 64937DEST_PATH_IMAGE017
计算出各滤波支路的电容、电感和电阻值；
所述的“计算滤波支路负载率的步骤”包括以下子步骤：
计算最低次谐波滤波支路的负载率
Figure 94598DEST_PATH_IMAGE018
：取矿井月度最低负荷时计算所得无功补偿量与总无功补偿量
Figure 575258DEST_PATH_IMAGE019
的比值，若最低次谐波滤波支路无功补偿量相对较大，则将其按无功补偿量2:1的比例拆分为两个最低次谐波滤波支路；
计算对其它滤波支路的负载率
Figure 867699DEST_PATH_IMAGE020
，使用公式：
Figure 724796DEST_PATH_IMAGE021
Figure 356766DEST_PATH_IMAGE022
为谐波总数，为谐波次数，
Figure 53644DEST_PATH_IMAGE024
为次谐波对应的谐波序数，取值为2，3，…。
使用上述方法设计的无源滤波器的支路投切方法，所述方法的步骤如下：
生成支路可行组合方式组的步骤：根据支路数m，自动生成2m-1种组合，将这些组合进行二进制编码，输入一种支路组合、系统阻抗参数、支路参数，计算无源滤波器是否使各次谐波放大，如不存在使需要滤除的任何次谐波放大情况，将该支路组合放入可行组合方式组，如果存在使需要滤除的任何次谐波放大情况，删除该种组合，依次判断其它组合，生成可行组合方式组；
滤波支路投切启动的步骤：用于不断的监测母线电压和进线功率因数，如果母线电压或进线功率因数低于或高于设定值并持续2-3秒，进入下一步骤； 
计算系统无功缺额的步骤：读入母线有功功率及功率因数、目标功率因数，一般可取目标功率因数为区间(
Figure 272638DEST_PATH_IMAGE025
）, 计算系统无功缺额
Figure 539671DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 676255DEST_PATH_IMAGE027
；
生成备用运行方案组的步骤：读入各支路无功补偿容量及可行组合方式组，计算各种可行组合方式与当前运行方式的无功差值，若该差值在(
Figure 79554DEST_PATH_IMAGE026
-)范围内，将该种可行组合方式放入备用运行方案组；
生成最优运行方案的步骤：对照滤波器当前运行方式，计算每种备用运行方案开关操作成本N，根据
Figure 279777DEST_PATH_IMAGE028
，其中：
Figure 16789DEST_PATH_IMAGE029
为开关操作成本系数，
Figure 540174DEST_PATH_IMAGE030
为第
Figure 907702DEST_PATH_IMAGE031
种备用运行方案的无功补偿量，对各备用运行方案进行排序，选出
Figure 883748DEST_PATH_IMAGE028
值最大的备用运行方案为最优运行方案；
生成(m1)!个操作顺序方案的步骤：将最优运行方案与当前运行方式比较，得到需要进行的分合闸操作集，其元素个数为m1，应用递归算法将需要进行分合闸的操作集分解为(m1)!个全排列组合，称为操作顺序方案组1；
生成（m1-1）个过渡运行方式的步骤：根据当前运行方式及第一步操作，得到第一步操作后的过渡运行方式，依次生成操作顺序方案组1中每一种操作顺序方案的过渡运行方式集合；
生成操作顺序方案组2的步骤：用于对操作顺序方案组1中的所有操作顺序进行“是否在操作过程中放大谐波”和“是否功率因数超出允许极大值或低于允许极小值”的判断，首先提出的一个操作顺序方案，对其进行“是否在操作过程中放大谐波”，如果“是”则删除该方案，如果“否”则进一步判断“是否功率因数超出允许极大值或低于允许极小值”，如果“是”则也要删除该方案，如果“否”则将该方案保留，依次判断操作顺序方案组1中所有操作顺序方案，将保留的操作顺序方案组合生成操作顺序方案组2，如果操作顺序方案组2只有一个操作顺序方案时，则进入“进行投切操作的步骤”，如果操作顺序方案组中有多个操作顺序方案则进入下一步骤；
生成最优操作顺序方案的步骤：将操作顺序方案组2的操作顺序方案依过渡运行方式无功补偿量总和从大至小进行排序，过渡运行方式无功补偿量总和最大的操作顺序方案即为最优操作顺序方案；
进行投切操作的步骤：用于根据最优操作顺序方案进行投切操作，投切操作完成后回到“滤波支路投切启动的步骤”。
本发明所产生的有益效果：采用本发明所述的无源滤波器无功补偿容量分配方法设计的无源滤波器进行无功补偿和滤波抑制，其各个滤波支路的无功补偿容量综合考虑了负荷运行特性和谐波源电流，各滤波支路的补偿量分配更加合理，使无源滤波器运行方式更加灵活，动态补偿性能更好。
本发明还进一步分析了表达负荷运行特性的参数：负载率
Figure 424451DEST_PATH_IMAGE018
，综合考虑了最大负荷与最小负荷的影响，负荷的阶梯性特点，进一步改善了补偿分配的合理性。
本发明所述的无源滤波器的支路投切方法，采用对投切方案进行二进制编码的方式，对所有投切方案进行优化选择，以补偿后系统无功补偿要求及开关操作成本最小为目标，综合考虑投切过程中和投切后不会使谐波放大、功率因数不越限、补偿量大的滤波支路优先操作等因素，最终实施经多层次优化选择的投切方案，有效避免操作过程中短时谐波放大、功率因数超限的问题，保证了无源滤波器在运行中安全、自动、高效的动作。
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步介绍。
附图说明
图1为按本发明实施例一所述方法设计的电路一次回路的原理图；
图2为本发明实施例四所述的无源滤波器的支路投切方法的流程图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例是一种无源滤波器无功补偿容量的分配方法，按所述的方法设计的无源滤波器具有多个滤波支路，所述的滤波支路由投切开关、电容器、电阻器、电抗器等组成，如图1所示。所述各滤波支路的二次控制、测量、保护回路与控制器连接。
本实施例所述的滤波器主要应用在三相交流供电系统中，所述的滤波支路采用星形接线，中性点不接地，支路中投切开关、电容器、电抗器串联连接，电抗器两端并联电阻、电容形成高通或C型滤波支路，也可以不并联电阻、电容形成单调谐滤波支路。滤波支路的个数根据本实施所述的方法确定，图1中是一个案例，包括了4个滤波支路，实际中可以有2、3，或者5、6、7以致更多个滤波支路。滤波器动态补偿性能的优劣，与滤波支路数及支路无功补偿量的分配方式有关，滤波支路数目越多，无功补偿级数越多，动态补偿投切方式更加灵活，动态补偿性能越好。滤波支路数太多也会造出投资成本的增加，因此，应当合理选择滤波支路的个数。
滤波支路数可以取与系统需要抑制的不同次谐波的数量和相等，也可以适当增加一个最低次谐波滤波支路。各个滤波支路的参数选择也十分重要，传统的滤波支路无功补偿容量的分配方法有按不同次谐波源电流大小分配、支路无功补偿容量平均分配等。
本实施例则是一种兼顾谐波电流大小和负荷运行特性的分配方法。将谐波电流和负荷运行特性作为补偿容量分配的重要因素考虑，是因为煤矿负荷因煤矿生产特点呈阶梯性变化，梯度可分为四个阶段，阶段一：井下未生产，其主要负荷为主要通风机、局部通风机、排水系统、地面生活用电等；阶段二：井下回采工作面检修，各掘进工作面正常作业，主要负荷包括掘进成套设备，压风设备，井下煤炭主运输系统负荷、阶段一所述负荷；阶段三：井下全面生产，主要负荷包括井下回采工作面负荷，阶段二所述负荷；阶段四：介于阶段二和阶段三负荷之间，因掘进头的增减或通风、排水、运输等辅助系统变更而产生小幅变化。煤矿负荷在阶段二、阶段三和阶段四之间频繁投切。通过公式中的参数设定，充分考虑了这种阶梯性变化。
本实施例的设计计算除确定滤波支路的个数外，还要确定各个滤波支路电阻器、电容器和电抗器的参数。
本实施例所述方法的步骤如下：
1）计算总无功补偿量的步骤：用于使用公式：
Figure 67922DEST_PATH_IMAGE032
计算无源滤波器的总无功补偿量，式中，
Figure 590039DEST_PATH_IMAGE019
为滤波器总无功补偿量，
Figure 318960DEST_PATH_IMAGE003
为负载系数，
Figure 397775DEST_PATH_IMAGE033
为月度最大有功负载。为补偿前后供电系统的功率因数角。
对于建设矿井，取矿井设计的负荷最大有功功率，对于投产后的矿井，取煤矿供电系统月或年最大有功负载；
Figure 555721DEST_PATH_IMAGE003
为月平均负载系数，即月平均负荷与月最大负荷的比值，对于最大负荷期较短的用户，可取值0.7—0.8，对于煤矿用户，最大负荷期通常是井上下全面生产阶段，为保证最大负荷期间的无功补偿要求和功率因数达标，建议取值0.8—1.0；
Figure 438226DEST_PATH_IMAGE035
为系统未安装无源滤波器成套装置进行无功补偿前的功率因数角，可取系统最大负载时的功率因数角；
Figure 940717DEST_PATH_IMAGE036
为系统安装无源滤波器成套装置进行无功补偿后的功率因数角，根据电力部门的规定，功率因数标准要求不低于0.9，所以
Figure 378651DEST_PATH_IMAGE036
一般可取0.9—0.98。
2）计算滤波支路负载率的步骤：用于计算n次滤波支路的负载率
Figure 736952DEST_PATH_IMAGE020
。
本实施例所述负载率的含义是某次滤波支路无功补偿量在无源滤波器总无功补偿量中所占的比重，鉴于根据供电系统阶梯式负荷运行特性进行滤波支路无功补偿容量分配，所以取名称为负载率。对于各种不同的负载状况，可以建立各种不同的负载率计算公式。
本实施例采用一种考虑供电系统阶梯式负荷运行特性而进行无源滤波器支路无功补偿容量分配方法。最低次滤波支路的补偿容量取月度最低负荷时的无功补偿需求量，所以最低次滤波支路的负载率取矿井月度最低负荷时计算所得无功补偿需求量与总无功补偿量
Figure 209521DEST_PATH_IMAGE019
的比值，鉴于最低次滤波支路的无功补偿量较大，为提高无源滤波器的调节级数，增加支路组合方式将最低次滤波支路按容量1：2分配成两个支路；其它滤波支路的补偿量按照4：3：2：1的比例进行分配，负载率参照高斯计算1到100的累加和的方法进行计算。假设有
Figure 57392DEST_PATH_IMAGE022
种谐波需要治理，各滤波支路可以生成种组合，可以产生
Figure 393881DEST_PATH_IMAGE037
级无功补偿，而采用平均分配法只能产生
Figure 720957DEST_PATH_IMAGE022
种组合，只有
Figure 5308DEST_PATH_IMAGE022
级无功补偿，无源滤波器支路组合数量呈指数式增长，动态调节性能极大提高。
3）计算滤波支路补偿容量的步骤：根据n次滤波支路的负载率
Figure 355518DEST_PATH_IMAGE020
使用公式：
计算n次滤波支路的无功补偿量，式中，
Figure 299520DEST_PATH_IMAGE019
为总的无功补偿量，为n次滤波支路无功补偿量，
Figure 841546DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 407656DEST_PATH_IMAGE041
分别为反映支路谐波电流、无功补偿量的权重系数，
Figure 443745DEST_PATH_IMAGE042
为次谐波电流值， 为第
Figure 655098DEST_PATH_IMAGE024
类谐波电流值,各类谐波按照谐波次数从低到高进行排序，
Figure 639103DEST_PATH_IMAGE022
为谐波总数，
Figure 247939DEST_PATH_IMAGE024
取值为1，2，…
Figure 421432DEST_PATH_IMAGE022
。
因为本实施例所述的无源滤波器同时具备无功补偿和谐波抑制功能，的计算公式包含两项，第一项主要考虑系统谐波因素，依各次谐波与系统总谐波量的比值进行滤波支路无功分配，第二项主要考虑无功补偿因素，依各滤波支路分配的无功补偿量与总无功补偿量的比值进行滤波支路无功分配，两项的权重系数
Figure 337752DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 433884DEST_PATH_IMAGE041
根据系统设计前现场测试的谐波状况确定，当谐波严重超标或接近超标时，
Figure 879909DEST_PATH_IMAGE040
可以取大一点，在0.5—1.0之间选取，当谐波较小时，
Figure 200556DEST_PATH_IMAGE040
可以取小一点，在0—0.5之间选取。本步骤是本实施例的关键步骤，在本步骤中所使用的公式充分的考虑了无功补偿和谐波抑制的因素，对无源滤波器性能提高起到关键性作用。
4）计算各个滤波支路元件参数的步骤：用于根据n次滤波支路的无功补偿量
Figure 339414DEST_PATH_IMAGE045
计算出各滤波支路的电容、电感和电阻值。（详细计算方法可以参考王兆安等编著的《谐波抑制和无功功率补偿》第四章无功补偿电容器和LC滤波器的相关内容，机械工业出版社，2005年）
首先n次滤波支路的无功补偿量
Figure 922842DEST_PATH_IMAGE045
计算滤波支路电容值
Figure 110240DEST_PATH_IMAGE046
，然后应用的值根据串联电路的谐振条件计算电抗器的电感值
Figure 405273DEST_PATH_IMAGE047
，结合品质因数计算并联电阻，最后进行校核修订。
现有的文献在应用滤波支路的无功补偿量
Figure 475997DEST_PATH_IMAGE045
计算滤波支路参数时，没有考虑滤波支路中电抗器的无功功率损耗，可能导致设计后的滤波支路实际无功补偿量减少，无源滤波器的总无功补偿量不能满足供电系统的无功补偿量需求。
计算滤波支路各个参数是应当注意的是没有考虑滤波支路本身的损耗。为方便说明，提出支路有效补偿容量、支路电容补偿容量、支路损耗补偿容量三个概念。
将滤波支路三相电容产生的无功补偿量，称为支路电容补偿容量；将滤波支路串联电抗器消耗的无功补偿量，称为支路损耗补偿容量；将支路电容补偿容量减去支路损耗补偿容量所得称为支路有效补偿容量。
滤波支路分配的无功补偿容量是指滤波支路有效补偿容量，一般将*（1.04—1.13）作为滤波支路电容补偿容量。
实施例二：
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于所述的计算滤波支路负载率的步骤的细化。本实施例所述的计算滤波支路负载率的步骤包括以下子步骤：
计算最低次谐波滤波支路的负载率
Figure 36794DEST_PATH_IMAGE018
：取矿井月最低负荷时计算所得无功补偿量与总无功补偿量的比值，若最低次谐波滤波支路无功补偿量相对较大，可以将其按无功补偿量2:1的比例拆分为两个最低次谐波滤波支路；
计算对其它滤波支路的负载率，使用公式
Figure 818302DEST_PATH_IMAGE048
Figure 656814DEST_PATH_IMAGE022
为谐波总数，
Figure 702131DEST_PATH_IMAGE023
为谐波次数，
Figure 97340DEST_PATH_IMAGE024
为次谐波对应的谐波序数，取值为2，3，…
Figure 671858DEST_PATH_IMAGE022
。
其它滤波支路的补偿量按照4：3：2：1的比例进行分配，各滤波支路可以生成
Figure 938891DEST_PATH_IMAGE049
种组合，而采用平均分配法只能产生n种组合，无源滤波器支路组合数量呈指数式增长，动态调节性能极大提高。负载率
Figure 872212DEST_PATH_IMAGE020
的计算借鉴数学家高斯计算1到100的累加和的方法，假设供电系统存在
Figure 728041DEST_PATH_IMAGE022
种谐波，最低次谐波的负载率已根据月最低负荷时需求的无功补偿量计算得值，在此需要考虑其余
Figure 986984DEST_PATH_IMAGE022
-1个谐波支路的负载率，其余
Figure 475735DEST_PATH_IMAGE022
-1个谐波支路补偿量按照
Figure 478326DEST_PATH_IMAGE022
-1，
Figure 939394DEST_PATH_IMAGE022
-2，…，3，2：1的比例分配 的无功补偿量，最高次谐波滤波支路的负载率，对于
Figure 447900DEST_PATH_IMAGE023
次谐波滤波支路的负载率为，式中分母
Figure 449671DEST_PATH_IMAGE053
，等式右边可简化为
Figure 794065DEST_PATH_IMAGE054
，所以，可得：
Figure 292042DEST_PATH_IMAGE048
实施例三：
本实施例是上述实施例的细化，是上述实施例所述的计算各个滤波支路元件参数的步骤中的n次滤波支路的无功补偿量的细化。本实施例所述的无功补偿量所述的计算各个滤波支路元件参数的步骤中的n次滤波支路的无功补偿量
Figure 985061DEST_PATH_IMAGE008
乘以系数1.04-1.13。
电抗率是串联滤波支路的电抗值与电容器组的容抗值之比，用
Figure 201278DEST_PATH_IMAGE055
表示。在滤波支路中，支路损耗补偿容量和支路电容补偿容量的比值就等于电抗率的值。滤波支路分配的无功补偿容量是指滤波支路有效补偿容量，支路电容补偿容量=（1+
Figure 21467DEST_PATH_IMAGE055
）支路有效补偿容量。一般来说，3次谐波多选用13%的电抗率，5次谐波，多选用4.5%的电抗率；7次谐波，多选用6%的电抗率，如果电抗率过大或过小就可能产生系统谐波放大。所以，滤波支路的无功补偿量
Figure 373951DEST_PATH_IMAGE017
乘以系数1.04-1.13作为支路电容补偿容量来计算滤波支路参数。
实施例四：
本实施例是根据上述实施例所述方法设计的无源滤波器的支路投切方法。滤波支路投切过程中及支路投切后应当满足以下条件：
（1）滤波支路投切后系统功率因数达到目标要求。理想目标是功率因数接近1，但一般很难达到理想的状态，因此，设定一个符合国家标准的功率因数范围，达到这个标准即认为是达到了目标。
（2）滤波支路投切后不会使谐波放大，流入供电系统的谐波含量满足国标要求。在功率补偿中，投切的补偿滤波支路由于参数的原因，可能放大谐波，对电源产生严重的干扰，这是不能允许的。因此，投切之后的各个相互配合的滤波支路的参数都必须符合减小谐波的要求。
（3）增加投运时先投低次滤波支路，再投高次滤波支路；减少投运支路数时，先停高次滤波支路，再停低次滤波支路。这个顺序实际也是为了减少在投切过程中放大谐波的风险。 
（4）某一滤波支路发生故障跳闸或手动分闸时，自动切除其它高次谐波支路。这一措施也是为了减少在投切过程中放大谐波的风险。
（5）低次谐波支路未投运时自动闭锁高次谐波支路合闸。
（6）滤波支路投切过程中不产生短时谐波放大。
（7）滤波支路投切过程中不会造成系统功率因数短时越限。
根据上述要求制定了投切的方法过程。基本原理是：
当系统功率因数或电压不符合设定参数时，启动无源滤波器支路投切程序，根据供电系统无功功率补偿量的需求，选择满足无功补偿量需求同时不会产生系统谐波放大的无源滤波器所有滤波支路组合方式作为滤波支路备用运行方案组，然后将各备用运行方案组中的各个备用运行方案与当前运行方式（当前运行方式指的是：当前正在运行的无源滤波器各个支路与供电系统的连接状态。 即当前正在运行的无源滤波器各个支路的投切状态）进行比较，计算各种投切操作需要的开关操作成本，选取操作成本小无功补偿容量大的备用运行方案为最优运行方案。
将最优运行方案与当前运行方式进行比较，得到投切无源滤波器的操作方案，操作方案中的一系列分或合开关的操作指令需要逐一进行，每操作一次开关（投切一个滤波支路）就会产生一个滤波支路过渡运行方式，过渡运行方式虽然时间很短，但也可能产生短时系统谐波放大、系统功率因数越限情况，会造成不必要的安全隐患和经济损失，假设操作方案中有m1条操作指令，可以生成（m1）！种操作顺序方案，生成（m1—1）（m1）！个过渡运行方式，如果某一种操作顺序方案会产生不可行的过渡运行方式，就将该种操作顺序方案删除，得到操作过程中不会产生短时系统谐波放大、系统功率因数越限情况的一个或若干操作顺序方案，最后将这些操作顺序方案按照过渡运行方式无功补偿量总和进行大小排序，过渡运行方式无功补偿量总和最大的操作顺序方案即为最优操作顺序。（将操作顺序方案在操作过程中产生的所有过渡运行方式对应的无源滤波器无功补偿量相加，得到过渡运行方式无功补偿量总和）
所述方法的步骤如下（流程见图2）：
生成支路可行组合方式组的步骤：根据支路数m，自动生成2m-1种组合，将这些组合进行二进制编码（1表示支路投入，0表示支路退出），输入一种支路组合、系统阻抗参数、支路参数，计算无源滤波器是否使各次谐波放大，如不存在使需要滤除的任何次谐波放大情况，将该支路组合放入可行组合方式组，如果存在使需要滤除的任何次谐波放大情况，删除该种组合，依次判断其它组合，生成可行组合方式组。
滤波支路投切启动的步骤：用于不断的监测母线电压和进线功率因数，如果母线电压或进线功率因数低于或高于设定值并持续2-3秒，进入下一步骤； 
计算系统无功缺额的步骤：读入母线有功功率及功率因数、目标功率因数，一般可取目标功率因数为区间(）, 计算系统无功缺额（取
Figure 488854DEST_PATH_IMAGE003
值为1）
Figure 362001DEST_PATH_IMAGE026
、；
生成备用运行方案组的步骤：读入各支路无功补偿容量及可行组合方式组，计算各种可行组合方式与当前运行方式的无功差值，若该差值在(-)范围内，将该种可行组合方式放入备用运行方案组；
生成最优运行方案的步骤：对照滤波器当前运行方式，计算每种备用运行方案开关操作成本N，根据
Figure 769663DEST_PATH_IMAGE028
（
Figure 96739DEST_PATH_IMAGE029
为开关操作成本系数，
Figure 381090DEST_PATH_IMAGE030
为第
Figure 714988DEST_PATH_IMAGE031
种备用运行方案的无功补偿量）对各备用运行方案进行排序，选出
Figure 742987DEST_PATH_IMAGE028
值最大的备用运行方案为最优运行方案；
生成(m1)!个操作顺序方案的步骤：将最优运行方案与当前运行方式比较，得到需要进行的分合闸操作集，其元素个数为m1，应用递归算法将需要进行分合闸的操作集分解为(m1)!个全排列组合，称为操作顺序方案组1；
生成（m1-1）个过渡运行方式的步骤：根据当前运行方式及第一步操作，得到第一步操作后的过渡运行方式，依次生成操作顺序方案组1中每一种操作顺序方案的过渡运行方式集合；
生成操作顺序方案组2的步骤：用于对操作顺序方案组1中的所有操作顺序进行“是否在操作过程中放大谐波”和“是否功率因数超出允许极大值或低于允许极小值”的判断，首先提出的一个操作顺序方案，对其进行“是否在操作过程中放大谐波”，如果“是”则删除该方案，如果“否”则进一步判断“是否功率因数超出允许极大值或低于允许极小值”，如果“是”则也要删除该方案，如果“否”则将该方案保留，依次判断操作顺序方案组1中所有操作顺序方案，将保留的操作顺序方案组合生成操作顺序方案组2，如果操作顺序方案组2只有一个操作顺序方案时，则进入“进行投切操作的步骤”，如果操作顺序方案组中有多个操作顺序方案则进入下一步骤；
生成最优操作顺序方案的步骤：将操作顺序方案组2的操作顺序方案依过渡运行方式无功补偿量总和从大至小进行排序，过渡运行方式无功补偿量总和最大的操作顺序方案即为最优操作顺序方案。
进行投切操作的步骤：用于根据最优操作顺序方案进行投切操作，投切操作完成后回到“滤波支路投切启动的步骤”。
实例：
某矿井最大负荷13000KW，最低负荷4946KW，
Figure 924570DEST_PATH_IMAGE003
取1，取
Figure 317505DEST_PATH_IMAGE040
=0，代入公式得各支路无功补偿容量初值为3次谐波滤波支路1100 Kvar，5次谐波滤波支路1200 Kvar，7次谐波滤波支路600 Kvar，将3次谐波滤波支路拆分为31支路和32支路，按1：2比例求得31支路和32支路无功补偿容量，得到滤波支路参数如下：
 
电路原理图如图1所示。
以注入系统谐波电流不被放大为目标，得到的支路组合方式如表2所示，可行组合方式有九种，用二进制编码可表示为（ 0100，0110，0111，1000， 1010，1011，1100 ，1110，1111），其余组合方式不可行。
Figure 783438DEST_PATH_IMAGE057
操作顺序生成：
设系统有功7500KW，功率因数0.89，系统目标功率因数0.95-0.97，滤波器当前运行方式为（0100），系统无功缺额1378Kvar-1963Kvar，备用运行方案组为（ 0111，1011，1110）三种，各种备用运行方案对应的滤波支路操作方案分别为（合上支路5，合上支路7）（合上滤波支路31、合上支路5，合上支路7、拉开支路32），（合上支路31，合上支路5）；以满足无功补偿容量要求及开关操作数最少为目标，最优运行方案为（ 0111）， 将滤波器当前运行方式与最优运行方案进行比较，可得支路操作集为（合上支路5，合上支路7），操作顺序方案组1为（（合上支路5，合上支路7）（合上支路7，合上支路5）），对应的过渡运行方式分别为（0110）和（0101），过渡运行方式（0101）会产生5次谐波放大，不可行，得最优操作顺序方案 为（合上支路5，合上支路7）。
设系统有功8000KW，功率因数0.99，系统目标功率因数0.95-0.97，滤波器当前运行方式为（1011），系统无功多余865Kvar-1490Kvar，备用运行方案组为（0100，1100），各种备用运行方案对应的滤波支路操作方案分别为（断开支路7，合上支路32，断开支路5，断开支路31）（断开支路7、合上支路32，断开支路5），以满足无功补偿容量要求及开关操作数最少为目标，最优组合方式为（1100），操作顺序方案组1为（（合上支路32，断开支路5，断开支路7），（合上支路32，断开支路7，断开支路5），（断开支路5，合上支路32，断开支路7），（断开支路5，断开支路7，合上支路32），（断开支路7，合上支路32，断开支路5），（断开支路7，断开支路5，合上支路32）），共六种，对应的过渡运行方式分别为（（1111，1101），（1111，1110），（1001，1101），（1001，1000）（1010，1110），（1010，1000）），因过渡运行方式（1001）会产生5次谐波放大，不可行， 因过渡运行方式（1000）（1111）会造成功率因数超出允许极大值和低于允许极小值，得最优操作顺序方案为（断开滤波支路7，合上支路32，断开支路5）。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如无源滤波器的形式、支路的个数，各个步骤之间的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 

Claims (3)

1.一种无源滤波器无功补偿容量的分配方法，所述的方法设计的无源滤波器具有多个滤波支路，所述的滤波支路由投切继电器、电容器、电阻器、电抗器组成，所述各滤波支路的投切继电器与控制器电连接，所述方法的步骤如下：
计算总无功补偿量的步骤：用于使用公式：
Figure 93533DEST_PATH_IMAGE001
计算无源滤波器的总无功补偿量，式中，
Figure 948356DEST_PATH_IMAGE002
为滤波器总无功补偿量，
Figure 728093DEST_PATH_IMAGE003
为负载系数，
Figure 123303DEST_PATH_IMAGE004
为月最大有功负载；
Figure 124626DEST_PATH_IMAGE005
为补偿前后功率因数角；
计算滤波支路负载率的步骤：用于计算n次滤波支路的负载率
Figure 947088DEST_PATH_IMAGE006
；
其特征在于：
计算滤波支路补偿容量的步骤：用于根据n次滤波支路的负载率使用公式：
Figure 350705DEST_PATH_IMAGE007
计算n次滤波支路的无功补偿量，式中，
Figure 19583DEST_PATH_IMAGE002
为总的无功补偿量，为n次滤波支路无功补偿量，
Figure 954227DEST_PATH_IMAGE009
、分别为反映支路谐波电流、无功补偿量的权重系数，
Figure 214624DEST_PATH_IMAGE011
Figure 582152DEST_PATH_IMAGE012
为次谐波电流值， 
Figure 98901DEST_PATH_IMAGE014
为第
Figure 926393DEST_PATH_IMAGE015
次谐波电流值,各次谐波按照谐波次数从低到高进行排序，取值为1，2，…
Figure 990481DEST_PATH_IMAGE016
；
计算各个滤波支路元件参数的步骤：用于根据n次滤波支路的无功补偿量
Figure 6978DEST_PATH_IMAGE008
计算出各滤波支路的电容、电感和电阻值；
所述的“计算滤波支路负载率的步骤”包括以下子步骤：
计算最低次谐波滤波支路的负载率
Figure 504956DEST_PATH_IMAGE017
：取矿井月度最低负荷时计算所得无功补偿量与总无功补偿量
Figure 276603DEST_PATH_IMAGE002
的比值，若最低次谐波滤波支路无功补偿量相对较大，则将其按无功补偿量2:1的比例拆分为两个最低次谐波滤波支路；
计算对其它滤波支路的负载率
Figure 414192DEST_PATH_IMAGE006
，使用公式：
Figure 296697DEST_PATH_IMAGE018
Figure 649181DEST_PATH_IMAGE016
为谐波总数，
Figure 529412DEST_PATH_IMAGE013
为谐波次数，
Figure 967347DEST_PATH_IMAGE015
为
Figure 387964DEST_PATH_IMAGE013
次谐波对应的谐波序数，取值为2，3，…
Figure 47484DEST_PATH_IMAGE016
。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的计算各个滤波支路元件参数的步骤中的n次滤波支路的无功补偿量
Figure 160934DEST_PATH_IMAGE019
乘以系数1.04-1.13。
3.使用权利要求2所述方法设计的无源滤波器的支路投切方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：
生成支路可行组合方式组的步骤：根据支路数m，自动生成2m-1种组合，将这些组合进行二进制编码，输入一种支路组合、系统阻抗参数、支路参数，计算无源滤波器是否使各次谐波放大，如不存在使需要滤除的任何次谐波放大情况，将该支路组合放入可行组合方式组，如果存在使需要滤除的任何次谐波放大情况，删除该种组合，依次判断其它组合，生成可行组合方式组；
滤波支路投切启动的步骤：用于不断的监测母线电压和进线功率因数，如果母线电压或进线功率因数低于或高于设定值并持续2-3秒，进入下一步骤； 
计算系统无功缺额的步骤：读入母线有功功率及功率因数、目标功率因数，一般可取目标功率因数为区间(
Figure 86165DEST_PATH_IMAGE020
）, 计算系统无功缺额、
Figure 309653DEST_PATH_IMAGE022
；
生成备用运行方案组的步骤：读入各支路无功补偿容量及可行组合方式组，计算各种可行组合方式与当前运行方式的无功差值，若该差值在(-)范围内，将该种可行组合方式放入备用运行方案组；
生成最优运行方案的步骤：对照滤波器当前运行方式，计算每种备用运行方案开关操作成本N，根据
Figure 221480DEST_PATH_IMAGE023
，其中：为开关操作成本系数，
Figure 592735DEST_PATH_IMAGE025
为第种备用运行方案的无功补偿量，对各备用运行方案进行排序，选出
Figure 996352DEST_PATH_IMAGE023
值最大的备用运行方案为最优运行方案；
生成(m1)!个操作顺序方案的步骤：将最优运行方案与当前运行方式比较，得到需要进行的分合闸操作集，其元素个数为m1，应用递归算法将需要进行分合闸的操作集分解为(m1)!个全排列组合，称为操作顺序方案组1；
生成（m1-1）个过渡运行方式的步骤：根据当前运行方式及第一步操作，得到第一步操作后的过渡运行方式，依次生成操作顺序方案组1中每一种操作顺序方案的过渡运行方式集合；
生成操作顺序方案组2的步骤：用于对操作顺序方案组1中的所有操作顺序进行“是否在操作过程中放大谐波”和“是否功率因数超出允许极大值或低于允许极小值”的判断，首先提出的一个操作顺序方案，对其进行“是否在操作过程中放大谐波”，如果“是”则删除该方案，如果“否”则进一步判断“是否功率因数超出允许极大值或低于允许极小值”，如果“是”则也要删除该方案，如果“否”则将该方案保留，依次判断操作顺序方案组1中所有操作顺序方案，将保留的操作顺序方案组合生成操作顺序方案组2，如果操作顺序方案组2只有一个操作顺序方案时，则进入“进行投切操作的步骤”，如果操作顺序方案组中有多个操作顺序方案则进入下一步骤；
生成最优操作顺序方案的步骤：将操作顺序方案组2的操作顺序方案依过渡运行方式无功补偿量总和从大至小进行排序，过渡运行方式无功补偿量总和最大的操作顺序方案即为最优操作顺序方案；
进行投切操作的步骤：用于根据最优操作顺序方案进行投切操作，投切操作完成后回到“滤波支路投切启动的步骤”。
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