CN102684205A - 基于电流谐波在线估算的谐波无功补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

随着电力系统以及电力用户对电能质量要求的不断提高，电能质量的问题越来越受到电力部门和用户的重视，特别是无功补偿和谐波治理成为重点要解决的问题。现有的无源型无功谐波治理方案中，有的以无功补偿为主，有的以谐波治理，而不能两者兼顾。本发明在分析现有控制方法的基础上，不改变现有的硬件拓扑结构，提出了兼顾谐波治理和无功补偿的控制方法，基于电流谐波的在线估算控制方法在有效抑制谐波的基础上，同时结合无功的具体需求，实现谐波和无功的综合控制。

Description

基于电流谐波在线估算的谐波无功补偿控制方法

技术领域

本发明属于电能控制技术领域，特别是一种基于电流谐波在线估算的谐波无功补偿控制方法。

背景技术

随着电力系统以及电力用户对于电能质量要求的不断提高，电能质量的问题越来越受到电力部门和用户的重视，特别是无功补偿和谐波治理成为重点要解决的问题。现有的无源型无功谐波治理方案中，有的以无功补偿为主，有的以谐波治理，而不能两者兼顾，且容易出现补偿设备的投切振荡。

传统的无源型无功谐波治理方案中，采取接触器的投切方式，由于接触器等开关固有的延迟时间，无法对于诸如中频炉、电弧炉、电焊机等非周期性且工况复杂的负荷作出及时快速的响应。虽然现在低压侧已经逐步使用晶闸管取代接触器，但是由于在控制策略和控制方式上存在问题，因此很容易形成投切振荡、谐波放大等造成电容器和电感器烧毁的问题。对于大部分负荷，同时存在无功补偿和谐波治理方面的要求，而目前的设备中，只能解决无功或谐波其中之一，无法兼顾两者。其中主要的问题是没有能够同时考虑无功和谐波的控制算法。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种能够满足电流谐波国标要求限值的基于电流谐波在线估算的谐波无功补偿控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电流谐波在线估算的谐波无功补偿控制方法，包括以下步骤：

步骤1、根据用户系统参数通过电流谐波的在线估算得到该系统的各次电流谐波限值，并将得到的各次电流谐波限值存储；

步骤2、将步骤1中估算的各次电流谐波限值与实测的各次电流谐波值进行比较，如果实测的谐波值小于估算的谐波限值则执行步骤3，否则执行步骤4；

步骤3、判断用户系统功率因数是否大于电力部门给定的限值，如果大于等于则将第一无功容量Q₁设定为0并返回步骤2，否则估算需要的无功容量并存储到第一无功容量Q₁，选择与第一无功容量Q₁容量相近的支路数进行投入并返回步骤2；

步骤4、根据超限谐波次数估算投入的支路以及第二无功容量Q₂；

步骤5、判断用户系统功率因数是否大于电力部门给定的限值，如果大于等于则将第一无功容量Q₁设定为0；否则估算需要的无功容量并存储到第一无功容量Q₁；

步骤6、判断无功容量Q₁和Q₂之间的关系，如果Q₁≈Q₂时，即Q₁和Q₂之差小于最小的电容配置容量则按照第二无功容量Q₂确定的支路数进行投入并返回步骤2；如果Q₁>Q₂时，即Q₁和Q₂之差大于最小的电容配置容量则先按照第二无功容量Q₂确定的支路数进行投入，然后再按照（Q₁-Q₂）的容量大小投入与其相匹配的支路并返回步骤2；当Q₁<Q₂时，即Q₁和Q₂之差大于最小的电容配置容量，则估算投入Q₂后用户系统的功率因数是否小于0；若功率因数不小于0，则按Q₂确定的支路及容量进行投入并返回步骤2；若功率因数小于0，则估算减少1条支路后的功率因数是否小于0，若小于0则继续减小1条支路，直到满足投入支路后用户系统的功率因数不小于0或Q₂容量与Q₁相近时，则投入支路并返回步骤2。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1）本发明不改变原有硬件的拓扑结构，不需要额外增加新的硬件测量设备。2）本发明能够同时满足无功补偿和谐波治理的基于电流谐波在线估算的控制策略，谐波满足国标要求，且无功不过补，并实现对各补偿支路的灵活配置。3）通过一种谐波在线估算的控制策略，实现对无功补偿和谐波治理的双重控制。通过谐波的在线估算得到实际系统的谐波限值，并以此判断谐波是否满足要求，并在此基础上根据功率因数的实际情况，对各补偿支路进行投切，最终满足无功和谐波的要求。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的智能谐波补偿系统框图。

图2为本发明的主电路拓扑示意图。

图3为本发明的基于电流谐波在线估算的谐波无功补偿控制方法流程图。

图4为补偿前后的谐波效果示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的智能谐波补偿系统包括快速检测系统、双CPU系统、保护系统和监控系统。具体为：1）检测电路；作为整个系统控制的基础，要求能够快速准确的检测出系统电压、电流及其谐波以及支路电流和电容上电压的检测。通过电压电流的快速测量，应用优化算法得到电压电流的基波和谐波，并计算出功率因数，可以实时的通过控制器调整需要投入或切除的支路。2）双CPU结构系统；双CPU结构可以很好处理信号数据处理和监控管理。主控CPU完成对特性参数的采集，CPU应用特定的算法对采集的数据进行运算，实现自适应控制算法。管理CPU主要完成与主控CPU的通讯，另外通过RS485或者internet或者无线网络将现场的数据传送至远程监控终端或者移动终端，真正实现智能化的管理。3）保护系统；保护系统主要通过检测到得系统参数与设定的限值进行判断，其中包括了系统电压、电流和支路电流以及电容器的电压。

结合图2，本发明主电路拓扑由电容电感串联而成的支路构成，分别包括用于消除不同次电流谐波的支路，图2中包括了3次谐波电流支路，支路数为T2_3m（即3次谐波支路数为m条），每条支路的无功容量为Q_3m，3次谐波支路总的补偿容量为Q₃₁+Q₃₂+...+Q_3m；同样图中还给出了5次和7次谐波的相应支路；根据具体的用户系统可以灵活配置不同次谐波的支路容量及支路数。

结合图3，本发明的一种基于电流谐波在线估算的谐波无功补偿控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、根据用户系统参数通过电流谐波的在线估算得到该系统的电流谐波限值，并将该电流谐波限值存储；上述用户系统参数包括公共连接点的最小短路容量S_k1/MVA，基准短路容量S_k2/MVA，用户的用电协议容量S_i/MVA，公共连接点的供电设备容量S_t/MVA；电力部门要求的最低功率因数cosφ；

谐波的在线估算具体包括以下步骤：

步骤1-1、判断公共连接点最小短路容量是否与基准的短路容量相同，如果相同则直接应用国标GB/T14549-93规定的限值，如果不同则利用下述公式进行处理：

$I_n=\frac{S_{k1}}{S_{k2}}{I}_{\mathrm{hp}}$

S_k1-公共连接点的最小短路容量(MVA）

S_k2-基准短路容量（MVA）

式中：

I_hp-第n次谐波电流允许值（A）

I_n-短路容量为S_k1是的第n次谐波电流允许值（A）

步骤1-2、由于在同一个公共连接点有多个用户时，每个用户向电网注入谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，对第i个用户的第n次谐波电流允许值I_ni（A）按式下述公式进行修正：

I_ni＝I_n(S_i/S_t)^1/α

式中：I_n-第n次总的谐波电流允许值（A）

S_i-第i个用户的用电协议容量（MVA）

S_t-公共连接点的供电设备容量（MVA）

α-相位叠加系数

其中相位叠加系数α按下表选取：

n	3	5	7	11	13	9，>13，偶次
							α	1.1	1.2	1.4	1.8	1.9	2

步骤2、将步骤1中估算的电流谐波限值与实测的电流谐波值进行比较，如果实测的谐波值小于估算的谐波限值则执行步骤3，否则执行步骤4；

步骤3、判断用户系统功率因数是否大于电力部门给定的限值，如果大于等于则将第一无功容量Q₁设定为0并返回步骤2，否则估算需要的无功容量并存储到第一无功容量Q₁，选择与第一无功容量Q₁容量相近的支路数进行投入并返回步骤2；估算需要的无功功率Q₁所用公式为：

Q₁＝βP_c(tgφ₁-tgφ₂)

P_c-最大有功计算负荷（kW）

β-月平均负载率，一般取0.7-0.8

式中：

φ₁-补偿前的功率因数角

φ₂-补偿后的功率因数角

其中要求：补偿后的功率因数cosφ₂≥cosφ；cosφ为电力部门对不同用户系统要求达到的最低功率因数，如果用户系统的功率因数低于cosφ，则用户将会受到电力部门的处罚。

步骤4、根据超限谐波次数估算投入的第二无功容量Q₂；所用公式为：

Q₂＝Q₂₃+Q₂₃+...+Q_2n    (n＝3,5,7...)

Q_2n＝Q_n1+Q_n2+...+Q_nm    (n＝3,5,7...;m＝1,2,3...)

Q₂-根据超限谐波估算的总的无功补偿容量

式中：Q_2n-第n次谐波支路总的无功补偿容量

Q_nm-第n次谐波第m条支路的无功补偿容量

步骤5、判断用户系统功率因数是否大于电力部门给定的限值，如果大于等于则将第一无功容量Q₁设定为0；否则估算需要的无功容量并存储到第一无功容量Q₁；

步骤6、判断无功容量Q₁和Q₂之间的关系，如果Q₁≈Q₂时，即Q₁和Q₂之差小于最小的电容配置容量则按照第二无功容量Q₂确定的支路数进行投入并返回步骤2；如果Q₁>Q₂时，即Q₁和Q₂之差大于最小的电容配置容量则先按照第二无功容量Q₂确定的支路数进行投入，然后再按照（Q₁-Q₂）的容量大小投入与其相匹配的的支路并返回步骤2；当Q₁<Q₂时，即Q₁和Q₂之差大于最小的电容配置容量，则估算投入Q₂后用户系统的功率因数是否小于0；若功率因数不小于0，则按Q₂确定的支路及容量进行投入并返回步骤2；若功率因数小于0，则估算减少1条支路后的功率因数是否小于0，若小于0则继续减小1条支路，直到满足投入支路后用户系统的功率因数不小于0或Q₂容量与Q₁相近时，则投入支路并返回步骤2。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例

设S_k1＝240MVA；S_k2＝100MVA；S_t＝63MVA；S_i＝2.5MVA；cosφ＝0.94

设主电路中分别有3次支路1条，容量150kVar；5次支路6条，每条容量为150kVar；7次支路1条，每条容量为150kVar

根据步骤1可以得到该系统的电力谐波限值，如下表所示：

情况1：3次和5次谐波超标，实测系统功率因数为0.83

1）由于3次和5次谐波超标，则根据谐波支路的容量配置可知，3次的补偿容量为150kVar；5次总的补偿容量为5×150=900kVar；可以得到Q₂＝1050kVar；

2）由于系统实测功率因数为cosφ₁＝0.83，小于电力部门规定的功率因数cosφ＝0.94，根据步骤3可以得到需要补偿无功容量为Q₁＝581kVar；

3）上面计算可以知道Q₁＜Q₂，且其差大于1条支路的容量；估算投入Q₂后功率因数是否小于0，根据功率因数达到1可以计算出需要投入的最大无功容量为1260kVar，可知在投入Q₂（1050kVar）后不会出现过补，即功率因数不会小于0。因此最终投入的支路为：1条3次支路，和6条5次支路。补偿前后的谐波效果见图4。

4）然后返回到初始位置继续对谐波和功率因数进行判断。

情况2：3次超标，系统功率因数为0.83

1）3次超标，可得到Q₁＝583kVar；

2）系统功率因数为0.83，可以得到Q₂＝150kVar；

3）上面计算知道Q₁＞Q₂，且其差值超过1条支路的容量；这样先投入3次支路，然后在5次支路中选择与Q₁-Q₂＝433kVar容量相近的支路，选择3条5次支路容量为450kVar即可。

4）然后返回到初始位置继续对谐波和功率因数进行判断。

情况3：5次超标，系统功率因数为0.9

1）5次超标，可知道Q₂＝900kVar；

2）系统功率因数为0.9，可以得到Q₁＝229kVar；

3）上面计算可以知道Q₁＜Q₂，且其差大于1条支路的容量；估算投入Q₂后功率因数是否小于0，根据功率因数达到1可以计算出需要投入的最大无功容量为850kVar，由于Q₂（900kVar）大于850kVar，因此投入Q₂将出现过补，即功率因数小于0；因此，可以减少5次支路的投入数量，如果减少1条5次支路的投入，则Q₂＝750kVar；其值小于850kVar，因此最终投入的支路为：5条5次支路。

4）然后返回到初始位置继续对谐波和功率因数进行判断。

Claims (4)

1.一种基于电流谐波在线估算的谐波无功补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据用户系统参数通过电流谐波的在线估算得到该系统的各次电流谐波限值，并将得到的各次电流谐波限值存储；

步骤2、将步骤1中估算的各次电流谐波限值与实测的各次电流谐波值进行比较，如果实测的谐波值小于估算的谐波限值则执行步骤3，否则执行步骤4；

步骤3、判断用户系统功率因数是否大于电力部门给定的限值，如果大于等于则将第一无功容量Q₁设定为0并返回步骤2，否则估算需要的无功容量并存储到第一无功容量Q₁，选择与第一无功容量Q₁容量相近的支路数进行投入并返回步骤2；

步骤4、根据超限谐波次数估算投入的支路以及第二无功容量Q₂；

步骤5、判断用户系统功率因数是否大于电力部门给定的限值，如果大于等于则将第一无功容量Q₁设定为0；否则估算需要的无功容量并存储到第一无功容量Q₁；

步骤6、判断无功容量Q₁和Q₂之间的关系，如果Q₁≈Q₂时，即Q₁和Q₂之差小于最小的电容配置容量则按照第二无功容量Q₂确定的支路数进行投入并返回步骤2；如果Q₁>Q₂时，即Q₁和Q₂之差大于最小的电容配置容量则先按照第二无功容量Q₂确定的支路数进行投入，然后再按照（Q₁-Q₂）的容量大小投入与其相匹配的支路并返回步骤2；当Q₁<Q₂时，即Q₁和Q₂之差大于最小的电容配置容量，则估算投入Q₂后用户系统的功率因数是否小于0；若不小于0，则按Q₂确定的支路及容量进行投入并返回步骤2；若功率因数小于0，则估算减少1条支路后的功率因数是否小于0，若小于0则继续减小1条支路，直到满足投入支路后用户系统的功率因数不小于0或Q₂容量与Q₁相近时，则投入支路并返回步骤2。

2.根据权利要求1所述的基于电流谐波在线估算的谐波无功补偿控制方法， 其特征在于，步骤1中用户系统参数包括公共连接点的最小短路容量S_k1/MVA，基准短路容量S_k2/MVA，用户的用电协议容量S_i/MVA，公共连接点的供电设备容量S_t/MVA；电力部门要求的最低功率因数cosφ；

电流谐波的在线估算具体包括以下步骤：

步骤1-1、判断公共连接点最小短路容量是否与基准的短路容量相同，如果相同则直接应用国标GB/T14549-93中规定的电流谐波限值，如果不同则利用下述公式进行处理：

S_k1-公共连接点的最小短路容量(MVA）

S_k2-基准短路容量（MVA）

式中：

I_hp-第n次谐波电流允许值（A）

I_n-短路容量为S_k1是的第n次谐波电流允许值（A）

步骤1-2、对第i个用户的第n次谐波电流允许值I_ni（A）按式下述公式进行修正：

I_ni＝I_n(S_i/S_t)^1/α

式中：I_n-第n次总的谐波电流允许值（A）

S_i-第i个用户的用电协议容量（MVA）

                                  ，

S_t-公共连接点的供电设备容量（MVA）

α-相位叠加系数

其中相位叠加系数α按下表选取：

  n   3   5   7   11   13   9，>13，偶次   α   1.1   1.2   1.4   1.8   1.9   2

。

3.根据权利要求1所述的基于电流谐波在线估算的谐波无功补偿控制方法，其特征在于，步骤3中估算需要的无功功率Q₁所用公式为：

Q₁=βP_c(tgφ₁-tgφ₂) 

P_c-最大有功计算负荷（kW）

β-月平均负载率，一般取0.7-0.8

式中：                        。

φ₁-补偿前的功率因数角

φ₂-补偿后的功率因数角。

4.根据权利要求1所述的基于电流谐波在线估算的谐波无功补偿控制方法，其特征在于，步骤4根据超限谐波次数估算投入的第二无功容量Q₂所用公式为：

Q₂＝Q₂₃+Q₂₃+...+Q_2n     (n＝3,5,7...)

Q_2n＝Q_n1+Q_n2+...+Q_nm    (n＝3,5,7...;m＝1,2,3...)

Q₂-根据超限谐波估算的总的无功补偿容量

式中：Q_2n-第n次谐波支路总的无功补偿容量。

Q_nm-第n次谐波第m条支路的无功补偿容量。 

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