CN102646988A - 低压配电系统中无功补偿控制器的控制方法 - Google Patents

低压配电系统中无功补偿控制器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低压配电系统中无功补偿控制器的控制方法，在分析谐波谐振的基础上，提出一种新的无功补偿控制器控制策略。在常规控制量（功率因数和无功功率等）之外，增加了额外控制量—谐振频率。在技术实现上，巧妙利用电容器切换测量系统侧谐波阻抗，进一步计算出不同电容器容量所对应的谐振频率，以此来控制无功电容器投入的组数，此方法从根本上避免了投入并联电容器所引起的谐振，即使不采取额外的措施，也可有效防止电容器因由谐振引起过电压或过电流而烧毁。算法简单，无需改变传统控制器的硬件电路和连线方式，可很容易移植到现有的无功补偿控制器中；系统各次谐波阻抗每切换一次电容器组都会更新，不受运行方式改变的影响。

Description

低压配电系统中无功补偿控制器的控制方法
技术领域
本发明涉及一种低压配电网控制技术，特别涉及一种低压配电系统中无功补偿控制器的控制方法。
背景技术
低压配电系统以较高的功率因数运行具有明显的经济效益，如节省电能消耗和费用、降低视在电流、延长配电线和设备的使用寿命、降低设备投资等。因此具有简单经济，灵活方便等优点的并联无功电容器装置广泛应用在低压配电网中以提高功率因数。无功补偿控制器一般采用功率因数、无功功率等作为控制物理量自动控制电容器的投切，调节无功功率，以改善功率因数等电能质量参数。控制策略简单有效：无功补偿控制器监测电容器接入点变压器侧的电压和电流信号，以计算出控制物理量（功率因数或无功功率），然后根据控制物理量控制电容器开关，以自动调节投入电容器的容量，达到自动无功补偿的目的。
随着非线性波动负荷在低压配电网络获得越来越多的使用，由非线性负荷引起的电力谐波越来越严重。并联无功电容器组的普遍应用会引起一个新的问题，即电力谐振。在谐振频率点，谐振阻抗很大，即使很小的谐波电流也会造成很大的谐振电压。此谐振电压首先施加在并联无功电容器上，可能造成电容器装置的烧坏。传统的无功补偿控制器在控制策略上没有考虑谐波谐振的影响。为了降低谐振对电容器装置的影响，目前一般采用增加电抗器或者谐波滤波器等额外措施。虽然这些额外措施能够降低谐振对无功电容器的影响，但是这些措施却存在各种各样的缺点。针对波动性的非线性负荷，改变电容器的大小和安装位置的实用效果不好。串联电抗器不能真正的避免谐振，只是调整了谐振频率点，而且串联电抗器也会抵消无功补偿的效果。增加滤波器可以滤除一定频率的谐波电流，有效降低谐波对电容器的影响；但是无源谐波滤波器一般只能滤除单个频率的谐波，多个频率的滤波器成本较高。总之，这些额外措施不仅应用场合受限，而且会增加系统的硬件、人工和维护成本。
发明内容
本发明是针对投入或切除并联电容器组时可能引起的电力谐振的问题，提出了一种低压配电系统中无功补偿控制器的控制方法，该方法可以在监测常规控制量的同时，测量计算系统谐波阻抗，并进一步确定投入电容器所对应的谐振频率，避免将引起谐波谐振的电容器组合投入到系统中。
本发明的技术方案为：一种低压配电系统中无功补偿控制器的控制方法，包括如下具体步骤：
1）无功补偿控制器初始化后，监测配电系统输出端、电容器接入点变压器侧的电压和电流信号；
2）如无功补偿控制器计算结果需投入或切除无功电容器，投入一组电容器 ，并同步记录电容器切换前后的电压和电流， 切换前的电压和电流信号，设为                                               
Figure 2012101150577100002DEST_PATH_IMAGE002
和，切换后的电压和电流信号，记为
Figure 2012101150577100002DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 2012101150577100002DEST_PATH_IMAGE008
，对录得的电压和电流进行傅里叶变换，可得到各次谐波电压和电流的各次谐波分量，记为
Figure 2012101150577100002DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 678315DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，并利用式计算出各次谐波系统阻抗
Figure 211375DEST_PATH_IMAGE020
；
3）监测变压器侧电压和电流信号，计算功率因数PF；
4）判别功率因数；
5）如果当功率因数大于设定的最大门限时：切除一组电容器，使工作电容器所对应的功率因数PF和谐振频率
Figure 222057DEST_PATH_IMAGE022
和系统典型谐波频率
Figure 750865DEST_PATH_IMAGE024
分别满足式
Figure 846997DEST_PATH_IMAGE026
和，原则是在满足式
Figure 486105DEST_PATH_IMAGE028
的情况下，选取较大的功率因数；
6）在切除电容器同时，记录切除前后的电压和电流，利用式更新系统侧各次谐波阻抗
Figure 270708DEST_PATH_IMAGE020
，然后返回步骤3）；
7) 如果当功率因数小于设定的最小门限时：投入一组电容器，使工作电容器所对应的功率因数PF和谐振频率分别满足式
Figure 568014DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 877772DEST_PATH_IMAGE028
，原则是在满足式的情况下，选取较大的功率因数；
8)在投入电容器组时，记录投入前后的电压和电流信号，并进行傅里叶变换，利用式
Figure 565685DEST_PATH_IMAGE030
更新系统侧各次谐波阻抗
Figure 467782DEST_PATH_IMAGE020
，然后返回步骤3）；
9) 当功率因数介于最小和最大门限之间时：电容器不做切换操作，直接返回步骤3）。
本发明的有益效果在于：本发明低压配电系统中无功补偿控制器的控制方法，算法简单，无需改变传统控制器的硬件电路和连线方式，就可以避免将引起谐波谐振的电容器组合投入到系统中，且可很容易移植到现有的无功补偿控制器中；系统各次谐波阻抗每切换一次电容器组都会更新，不受运行方式改变的影响。
附图说明
图1为无功补偿控制器的基本接线图；
图2为传统无功补偿控制器的基本控制流程图；
图3为配电系统及并联电容器的等效电路图和h次谐波源与配电系统的等效电路图；
图4为配电系统及并联电容器等效电路的频率响应图；
图5为实施例一谐振频率与并联电力电容器组个数的关系图；
图6为实施例二谐振频率与并联电力电容器组个数的关系图；
图7为本发明低压配电系统中无功补偿控制器的控制流程图；
图8为本发明配电变压器和投入电容器的等效电路图；
图9为本发明谐振次数和投入电容器个数的关系图；
图10为本发明仿真条件下的总谐波阻抗与谐波次数和切入电容器个数的关系图；
图11为本发明电容器工作电压和投入电容器个数的关系图；
图12为采用传统控制方法时投入电容器个数和补偿前后的功率因数对比图；
图13为本发明投入电容器个数和补偿前后的功率因数对比图。
具体实施方式
如图1所示无功补偿控制器的基本接线图，无功补偿控制器监测电容器接入点（图1当中的CT﹑PT点）变压器侧的电压和电流信号，以计算出控制物理量（无功功率或功率因数），然后根据控制物理量控制电容器开关，以自动调节投入电容器的容量，达到自动无功补偿的目的。
传统无功补偿控制器的基本控制流程如图2所示，传统无功补偿控制器控制策略仅根据常规控制量来确定需要投入或者切除的无功电容器，没有考虑到电容器引起的谐波谐振的影响。
    当系统中接入非线性负荷时就有谐波源存在，配电系统及并联电容器和谐波源可以用等效电路表示，如图3所示。谐波电流和网络负荷相互作用，产生电压谐波或电压畸变，即
Figure 948442DEST_PATH_IMAGE032
（
Figure 303200DEST_PATH_IMAGE034
为谐波电压计算点和谐波电流注入点之间的传输阻抗。由图3可知，从谐波电流源看的总阻抗可以表示为 
Figure 160297DEST_PATH_IMAGE036
。图4为配电系统及并联电容器等效电路的频率响应图，即
Figure DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure DEST_PATH_IMAGE042
的频率响应曲线，可知当
Figure DEST_PATH_IMAGE044
时，
Figure 540070DEST_PATH_IMAGE038
将无限大。谐振频率可由下式确定
Figure DEST_PATH_IMAGE046
。对低电配电系统来说，系统阻抗主要取决于低压变压器的参数。图5为当配电系统变压器容量为800kVA，Uk%=4.5%，单位电容器容量为20kVA时，谐振频率与并联电力电容器组个数的关系。图6为当配电系统变压器容量为1600kVA，Uk%=6%，单位电容器容量为50kVA时，谐振频率与并联电力电容器组个数的关系。由图5和6可以看出，谐振频率靠近系统典型谐波频率
Figure DEST_PATH_IMAGE048
（5、7、11、13、17等次谐波）的可能性很大。
为了避免将引起谐波谐振的电容器组合投入到系统中，本发明增加了新的控制物理量，即系统谐波阻抗。系统谐波阻抗的测量方法是：
在电容器切换前，记录下电压和电流信号，设为
Figure 253948DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 361581DEST_PATH_IMAGE004
；
切换电容器，可投入或者切出电容器；
记录下电容器切换后的电压和电流信号，记为和
Figure 869365DEST_PATH_IMAGE008
；
对记录到的信号分别进行傅里叶变换（DFT或FFT），可得到各次谐波电压和电流的各次谐波分量，记为
Figure 957407DEST_PATH_IMAGE010
，，
Figure 485657DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 888957DEST_PATH_IMAGE016
；
系统侧各次谐波阻抗可用下式计算：
Figure 210217DEST_PATH_IMAGE030
     
引入新的控制物理量后的无功补偿控制流程图如图7所示，
1）控制器初始化；
2）投入一组电容器，并同步记录电容器切换前后的电压和电流。对录得的电压和电流进行傅里叶变换，并利用式
Figure 964546DEST_PATH_IMAGE018
计算出各次谐波系统阻抗
Figure 763875DEST_PATH_IMAGE020
；
3）监测变压器侧电压和电流信号，计算功率因数PF；
4）判别功率因数；
5）如果当功率因数大于设定的最大门限时：切除一定的电容器，使工作电容器所对应的功率因数PF和谐振频率
Figure 287260DEST_PATH_IMAGE022
分别满足式和
Figure 254003DEST_PATH_IMAGE028
。原则是在满足式
Figure 857022DEST_PATH_IMAGE028
的情况下，选取较大的功率因数。
6）在切除电容器同时，记录切除前后的电压和电流，利用式
Figure 500493DEST_PATH_IMAGE030
更新系统侧各次谐波阻抗
Figure 897977DEST_PATH_IMAGE020
，然后返回步骤3）；
7) 如果当功率因数小于设定的最小门限时：投入一定的电容器，使工作电容器所对应的功率因数PF和谐振频率
Figure 626898DEST_PATH_IMAGE022
分别满足式（
Figure 768029DEST_PATH_IMAGE026
和。原则是在满足式
Figure 335856DEST_PATH_IMAGE028
的情况下，选取较大的功率因数。
8)在投入电容器组时，记录投入前后的电压和电流信号，并进行傅里叶变换，利用式
Figure 552074DEST_PATH_IMAGE030
更新系统侧各次谐波阻抗
Figure 434579DEST_PATH_IMAGE020
，然后返回步骤3）；
9) 当功率因数介于最小和最大门限之间时：电容器不做切换操作，直接返回步骤3）。
仿真的低压配电系统电力变压器的参数如表1所示，且并联电容器的单组容量为20kVAR，电容器的损耗角正切值
Figure DEST_PATH_IMAGE050
等于0.0002。
表1 
参数 含义 值
S N (kVA) 变压器容量 1000
U 1N/U2N (kV) 电容器变比 10/0.4
P k (kW) 短路试验输入功率 15.0
U k (%) 短路试验一次侧电压 6
I k (A) 短路试验电流 33
配电变压器和并联电容器的等效电路图，如图8所示。根据系统谐波阻抗和电容器阻抗参数，可计算出投入不同电容器个数
Figure DEST_PATH_IMAGE052
时的谐振频率
Figure 911697DEST_PATH_IMAGE022
，如图9所示。可明显地看出，当投入电容器个数等于5、7或17时，对应的谐振次数
Figure 916562DEST_PATH_IMAGE022
分别等于12.91、10.91和7，分别和系统特征谐波次数13、11和7比较。所以，当投入电容器个数为5、7或17时，谐振频率非常接近系统特征频率，很容易造成电容的过电压或过电流。根据图8可计算出在不同投入电容器个数
Figure 354497DEST_PATH_IMAGE052
和谐波次数
Figure DEST_PATH_IMAGE054
的情况下总等效阻抗
Figure 335966DEST_PATH_IMAGE038
（单位采用标幺值），如图10所示。可以看出，在不同投入电容器个数
Figure 808536DEST_PATH_IMAGE052
和谐波次数
Figure 718723DEST_PATH_IMAGE054
情况下，总等效阻抗具有明显的变化。
  国标GB/T14549-1993规定了低压配电系统的不同谐波次数的谐波电流限值，标准中的参考系统容量为10MVA。当前系统短路容量为1.67MVA，可计算出系统短路容量相对应的电流谐波限值的标幺值
Figure DEST_PATH_IMAGE056
，如表2 所示基于GB/T14519-1993的当前系统的谐波电流标幺限值。
表2 
谐波次数 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
谐波电流标幺限值I h (10-2) 8.5 6.8 4.3 6.8 2.8 4.8 2 2.3 1.7 3 1.5 2.7 1.2 1.3 1 2 1.0 1.8 0.8 1.0 0.8 1.5 0.7 1.3
电流标幺限值分别乘以图11电容器工作电压和投入电容器个数的关系图中所对应的总等效阻抗值
Figure 992895DEST_PATH_IMAGE038
，可以计算各个谐波次数的谐波电压标幺值
Figure DEST_PATH_IMAGE058
。已知电容器的工作电压可表示为： 。式中
Figure DEST_PATH_IMAGE062
是基波电压（标幺值为1）；
Figure DEST_PATH_IMAGE064
是各次谐波电压。则可以计算出不同投入电容器个数
Figure 946070DEST_PATH_IMAGE052
时的最大电容器工作电压，如图11所示。由图11可以看出，当切入电容器个数
Figure 292738DEST_PATH_IMAGE052
为3、5、7或17时，电容器的最大工作电压大于表1中所示的允许电压（110%）。特别是当为5或7时，电容器工作电压远大于允许电压。
利用传统的控制方法的效果见图12，由图12可以看出，在数据点（1、2和6），需投入的电容器个数为5；在数据点（3、4和5），需投入的电容器个数为7；在数据点（7、8和9），需投入的电容器个数为3。通过图11已知，在电容器为3、特别是5或7时，电容器的最大工作电压大于标准允许值，容易造成电容器的损坏。可见，如果采用传统无功电容器控制策略，在不采取其它额外保护措施（增加电抗器或滤波器）的情况下，在实际应用中容易造成电容器的烧毁。
利用本发明的控制方法的效果见图13。
比较图12和图13可知，本发明的控制方法避免了投入会引起谐振的电容器容量，从根本上避免了电容器引起的谐波谐振对电容器的影响。

Claims (1)

1.一种低压配电系统中无功补偿控制器的控制方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
1）无功补偿控制器初始化后，监测配电系统输出端、电容器接入点变压器侧的电压和电流信号；
2）如无功补偿控制器计算结果需投入或切除无功电容器，投入一组电容器 ，并同步记录电容器切换前后的电压和电流， 切换前的电压和电流信号，设为                                               
Figure 2012101150577100001DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 2012101150577100001DEST_PATH_IMAGE004
，切换后的电压和电流信号，记为和
Figure 128662DEST_PATH_IMAGE008
，对录得的电压和电流进行傅里叶变换，可得到各次谐波电压和电流的各次谐波分量，记为
Figure 116209DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 340517DEST_PATH_IMAGE012
，和
Figure 250147DEST_PATH_IMAGE016
，并利用式
Figure 724990DEST_PATH_IMAGE018
计算出各次谐波系统阻抗
Figure 752989DEST_PATH_IMAGE020
；
3）监测变压器侧电压和电流信号，计算功率因数PF；
4）判别功率因数；
5）如果当功率因数大于设定的最大门限时：切除一组电容器，使工作电容器所对应的功率因数PF和谐振频率
Figure 996889DEST_PATH_IMAGE022
和系统典型谐波频率分别满足式和，原则是在满足式
Figure 714812DEST_PATH_IMAGE028
的情况下，选取较大的功率因数；
6）在切除电容器同时，记录切除前后的电压和电流，利用式
Figure DEST_PATH_IMAGE030
更新系统侧各次谐波阻抗
Figure 577332DEST_PATH_IMAGE020
，然后返回步骤3）；
7) 如果当功率因数小于设定的最小门限时：投入一组电容器，使工作电容器所对应的功率因数PF和谐振频率
Figure DEST_PATH_IMAGE032
分别满足式
Figure 223DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 449659DEST_PATH_IMAGE028
，原则是在满足式的情况下，选取较大的功率因数；
8)在投入电容器组时，记录投入前后的电压和电流信号，并进行傅里叶变换，利用式
Figure DEST_PATH_IMAGE034
更新系统侧各次谐波阻抗
Figure 772373DEST_PATH_IMAGE020
，然后返回步骤3）；
9) 当功率因数介于最小和最大门限之间时：电容器不做切换操作，直接返回步骤3）。
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