CN105449700A - 孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统及控制方法 - Google Patents

孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统及控制方法。利用相量测量单元对发电机机端三相有功负荷的不对称情况以及大容量且容易不对称运行的负荷进行快速实时监视。当不对称程度超过阈值时，利用单相可控可调的平衡电阻对负荷偏小的1相或2相进行补偿，并且同时启动调度中心的用户负荷不对称告警系统通知用户对不对称负荷在被补偿相进行负荷的增加，在不对称用户负荷恢复对称的过程中，逐步退出补偿的平衡电阻，以备应对下次不对称负荷的出现。

Description

孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统及控制方法
技术领域
本申请属于发电机安全运行领域，特别涉及一种对发电机三相不对称有功负荷的平衡控制方法。
背景技术
在孤立运行的企业电网中，有些种类的负荷三相有功出力经常会出现严重的不平衡，例如镍铁生产企业中的矿热炉，由于电极插入矿石中的深浅不一，以及矿石材质或冶炼程度的不同，经常导致三个电极的有功功率差异很大。而且由于这类负荷的功率在孤立电网负荷中占比很大，其他三相平衡功率的负荷与其叠加后，在发电机机端表现出的有功功率和电流仍然具有很大的不平衡度。发电机在不平衡负荷功率情况下运转会导致严重的震动和发热，损坏转轴，因此在三相负荷电流不平衡严重的情况下，不平衡保护会动作，引起切机事件，导致不能正常供电。发电机三相不平衡问题，在互联大电网中，由于负荷数目和种类多样，不平衡负荷经过叠加以及被平衡负荷的稀释作用，其在发电机端产生的不平衡很小，因此可以不被考虑。然而在孤立的企业电网中，尤其是有大量矿热炉负荷的孤立企业电网中，不平衡负荷对发电机正常运行的影响必需加以考虑。
本申请利用相量测量单元对发电机机端三相有功负荷的不对称情况进行快速实时监视，当不对称程度超过阈值时，利用电阻负荷对负荷偏小的1相或2相进行补偿，并且同时通知负荷控制主站对不对称最严重的几个负荷在被补偿相进行负荷的增加，在不对称负荷恢复对称的过程中，逐步退出补偿的电阻，以备应对下次不对称负荷的出现。本申请控制系统的投入可以保障小容量孤立电网中在出现大功率的不对称运行负荷时，仍然能够维持发电机设备的正常运行。
发明内容
为了克服在孤立的企业电网中，尤其是有大量矿热炉负荷的孤立企业电网中，不平衡负荷对发电机正常运行的影响，本申请公开了一种孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统及控制方法，用于保障小容量孤立电网，在出现大功率的不对称运行负荷时，仍然能够维持发电机设备的正常运行的系统和方法。
本申请具体采用以下技术方案：
一种孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统，包括第一相量测量单元、第二相量测量单元和第三相量测量单元、一组或多组平衡电阻、平衡电阻的就地控制系统、调度控制中心主站；其特征在于：
所述第一相量测量单元PMU1设置在发电机出口侧，监测各发电机出口有功功率数据，并将监测数据上传至调度控制中心主站；
所述第二相量测量单元PMU2设置在不对称用户负荷所在变电站，监测各主要不对称负荷的有功功率数据，并将监测数据上送至调度控制中心主站；
所述第三相量测量单元PMU3设置在平衡电阻所在的变电站，监测各单相可控可调的平衡电阻支路的有功功率，并将监测数据上传至调度控制中心主站；
在发电机机端母线每一相均经过单相降压变压器接入一组或多组可调平衡电阻；
所述调度控制中心主站根据第一相量测量单元上传的有功功率数据，计算发电机机端三相有功负荷不对称度；
当发电机机端三相有功负荷不对称度超过预设阈值时，平衡电阻就地控制系统根据调度控制中心的指令向用户负荷偏小的1相或2相投入平衡电阻；随后，不对称用户负荷所在变电站根据调度控制中心的用户负荷不对称告警系统的建议指令在被补偿相增加负荷，同时逐步退出补偿的平衡电阻。
本发明进一步优选包括以下方案：
其中，所述的平衡电阻优选单相可控可调的三相水冷电阻。
发电机机端母线处经过单相降压变压器接入三相分别可调的水冷电阻。
本申请还公开了一种孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法，其方案如下：
一种孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法，其特征在于：
利用相量测量单元对发电机机端三相有功负荷的不对称情况以及大容量且容易不对称运行的负荷进行实时监视；当发电机机端三相有功负荷不对称程度超过阈值时，利用分相可控可调的平衡电阻对负荷偏小的1相或2相进行补偿，并且同时通知位于调度中心的用户负荷控制系统对不对称用户负荷在被补偿相(即负荷偏小的1相或2相)进行负荷的增加，在不对称负荷恢复对称的过程中，逐步将发电机机端用于补偿的平衡电阻退出。
一种孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：根据发电机端月出现概率大于一概率预设值时的单相最大不平衡量Pmax配置单相可控可调的平衡电阻，总容量定为3Pmax，并通过升压变压器安装到发电机出口母线；通常Pmax取为90％，所述平衡电阻可选为单相可控可调的水冷电阻。
步骤2：利用具有时间同步特性的相量测量装置PMU对孤立运行电网中发电机机端有功功率、易出现不对称运行的大负荷的有功功率以及平衡电阻的有功功率，进行在线分相实时测量，并将在线实时测量数据上送调度控制中心主站；
步骤3：调度控制中心主站接收到发电机端的有功功率数据后，实时检查三相有功的不对称程度以及持续时间，并确定需要补偿平衡电阻的相以及对应的补偿容量即有功调节量；
步骤4：调度控制中心主站将上述负荷偏小的1相或2相对应的平衡电阻调节量下发给平衡电阻就地控制系统，所述就地控制系统选择对应相对应补偿容量的平衡电阻投入运行即通过升压变压器接入到发电机出口母线的对应补偿相；
步骤5：若当前可用的平衡电阻容量小于调度控制中心主站所下发的平衡电阻调节量，则在需要补偿相投入全部平衡电阻后，剩余的有功不平衡补偿量由调度控制中心向用户负荷控制系统发出负荷调节建议，即通过直接降低或开断用户负载最大相有功功率来实现发电机侧的三相有功平衡，；
步骤6：调度控制中心的用户负荷不对称告警系统根据前述负荷偏小的1相或2相对应的平衡电阻调节量向相应相的用户负荷发出升负荷的建议指令；
步骤7：根据PMU数据实时监视不对称相升负荷的变化量，逐步退出在发电机端进行补偿的平衡电阻；
步骤8：当发电机端投入补偿的平衡电阻投运时间超过预设的最大持续投运时间时，若此时用户负荷仍然没有恢复对称，则在退出超时运行的平衡电阻的同时，切除超过相应不平衡数值的不平衡用户负荷来实现发电机的负载均衡在规定范围内；
返回步骤3。
本申请的技术方案可以保障小容量孤立电网中，在出现大功率的不对称运行负荷时，仍然能够维持发电机设备机端有功功率有安全的不平衡度，维持发电机正常的并网运行以及孤立电网的持续安全运行。通过平衡电阻的快速投入，使机端功率快速恢复平衡，然后通过对用户负荷的慢速控制，逐步恢复用户负荷本身的对称运行，同时退出在发电机端补偿的平衡电阻，从而使得这种三相不对称平衡机制可以持续运行。
附图说明
图1为本发明孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统结构框图；
图2为本发明孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。
如图1为本发明孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统结构框图；为了实施本发明所提出的技术方案，需要建立以下软硬件系统：
(1)在各发电机出口处，大容量不对称负荷所在变电站处，以及单相可控可调平衡电阻处安装相量测量装置PMU，装置上送数据的速率选为50帧/秒；
(2)在发电机机端母线处经过降压变压器接入水冷电阻群；例如在发电机端母线经过6kV/690V单相降压变接入额定电压为690V，单台容量为500kW的水冷平衡电阻，具体台数根据发电机端月出现概率大于90％的单相最大不平衡量来配置。只所以不是采用最大可能的不平衡量，是因为水电阻造价很高，因此在负荷容许切除的情况下，对于出现概率很小的不平衡量，就不用平衡电阻来进行补偿了；
(3)平衡水电阻群配置就地的控制系统，其可根据调度控制中心主站下发的投切指令，投切最接近的水电阻组合容量；
(4)在调度中心的调度自动化监控平台，接入各PMU量测数据以及通常的SCADA数据，并配置平衡电阻控制系统软件和用户负荷不对称告警系统软件；
(5)平衡电阻控制系统软件模块通过站内的调度数据网IEC60870-5-104规约将对平衡电阻群的控制决策指令下发给平衡电阻群的就地控制系统。
(6)用户负荷控制不对称告警系统软件模块通过站内的调度数据网IEC60870-5-104规约将对用户负荷的调节建议下发给用户负荷控制系统。
基于上述软硬件，可以建立一种孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统，包括第一相量测量单元、第二相量测量单元和第三相量测量单元、一组或多组平衡电阻、平衡电阻的就地控制系统、调度控制中心主站。
其中，所述第一相量测量单元PMU1设置在发电机出口侧，监测各发电机出口有功功率数据，并将监测数据上传至调度控制中心主站；
所述第二相量测量单元PMU2设置在不对称用户负荷所在变电站，监测各主要不对称负荷的有功功率数据，并将监测数据上送至调度控制中心主站；
所述第三相量测量单元PMU3设置在平衡电阻坐在的变电站，监测各单相可控可调的平衡电阻支路的有功功率，并将监测数据上传至调度控制中心主站；
在发电机机端母线每一相均经过单相降压变压器接入一组或多组可调平衡电阻；
所述调度控制中心主站根据第一相量测量单元上传的有功功率数据，计算发电机机端三相有功负荷不对称度；
当发电机机端三相有功负荷不对称度超过预设阈值时，平衡电阻就地控制系统根据调度控制中心的指令向用户负荷偏小的1相或2相投入平衡电阻；随后，不对称用户负荷所在变电站根据调度控制中心的用户负荷不对称告警系统的指令在被补偿相增加负荷，同时逐步退出补偿的平衡电阻负荷。
上述孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统可以实现对孤立电网，当发电机端出现严重的有功不对称运行负荷时，仍然能够维持发电机设备的正常运行，避免相应的不对称保护动作，减轻对发电机组寿命的损害。该系统所采用的孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法的的具体流程见图2，其各步骤的具体内容如下：
步骤1：根据发电机端月出现概率大于一概率预设值时的单相最大不平衡量Pmax配置单相可控可调的平衡电阻，总容量定为3Pmax，并通过升压变压器安装到发电机出口母线；通常Pmax可以取值为75％-95％，本申请实施例优选取为90％，所述平衡电阻可选为单相可控可调的水冷电阻。
步骤2：利用具有时间同步特性的相量测量装置PMU对孤立运行电网中发电机机端有功功率、易出现不对称运行的大负荷的有功功率以及平衡电阻的有功功率，进行在线分相实时测量，并将在线实时测量数据上送调度控制中心主站；
步骤3：调度控制中心主站接收到发电机端的有功功率数据后，实时检查三相有功的不对称程度以及持续时间，并确定需要补偿平衡电阻的相以及对应的补偿容量即有功调节量；
显而易见，本领域技术人员了解确定需要补偿平衡电阻的相以及对应的补偿容量的方法很多，包括设定有功功率最低一相或最低两相的偏差阈值，所述偏差阈值可以是相对于功率最高相的绝对值，也可以是三相功率的平均值，或者偏差阈值为有功功率最低一相或最低两相的功率相对于最高相或三相平均功率的相对值。而补偿容量的计算方法更多，包括将补偿容量设为与功率最高相有功功率的差值，或者将有功功率较小两相的功率补偿至最大功率相的95％,以及本申请实施例中所列方法。
总而言之，确定补偿平衡电阻的相以及对应的补偿容量，有很多可以实现的方式，无论哪种实现方法或对本领域技术人员而言的基本变形方式都在本申请公开的孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法的保护范围之内。
为了更好地介绍本申请技术方案，本申请通过具体实施例公开了一种优选的确定需要补偿平衡电阻的相以及对应的补偿容量的方法，显然该方法是本申请的优选实施例，不是对本申请公开的孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法的根本限定。凡是现有技术中的普遍采用的补偿容量计算方法均能实现本发明的基本方案，并取得基本的技术效果。
本申请公开的优选方法如下：
3.1，对发电机三相有功功率Pa，Pb和Pc按数值从小到大进行排序得到Pi，Pii，Piii；
3.2，若且持续时间超过指定时间阈值T1，其中e1为低偏差阈值，e2为高偏差阈值，则计算出用水电阻对Pi所对应相的有功负荷补偿量为大于e1Piii且小于e2Piii的最小水电阻实现方式，表示为
3.3，若且且持续时间超过指定时间阈值T2,则用水电阻对Pi所对应相的有功负荷补偿量为
3.4，若且且持续时间超过指定时间阈值T3,则用水电阻对Pi所对应相的有功负荷补偿量为用水电阻对Pii所对应相的有功负荷补偿量为
3.5，其他情况时，不需要进行平衡电阻补偿。
利用上述方法可以实现用最小的补偿容量，将三相最大不平衡程度限制在e2之内。
本步骤中低偏差阈值e1和高偏差阈值e2应满足e1<e2，且在5％～15％之内，可分别取为5％和8％；所述指定时间阈值T1，T2，T3,满足T1>T2>T3,且均在15秒～0.5秒范围之内,可分别取为8秒，3秒和1秒。
步骤4：调度控制中心主站将上述负荷偏小的1相或2相对应的平衡电阻调节量下发给平衡电阻就地控制系统，所述就地控制系统选择对应相对应补偿容量的平衡电阻投入运行即通过升压变压器接入到发电机出口母线的对应补偿相；
步骤5：若当前可用的平衡电阻容量小于调度控制中心主站所下发的平衡电阻调节量，则在需要补偿相投入全部平衡电阻后，剩余的有功不平衡补偿量由调度控制中心向用户负荷控制系统发出负荷调节建议，即通过直接降低或开断用户负载最大相有功功率来实现发电机侧的三相有功平衡；
步骤6：调度控制中心的用户负荷不对称告警系统根据前述负荷偏小的1相或2相对应的平衡电阻调节量向相应相的用户负荷发出升负荷的指令；
步骤7：根据PMU数据实时监视不对称相升负荷的变化量，逐步退出在发电机端进行补偿的平衡电阻；
步骤8：当发电机端投入补偿的平衡电阻投运时间超过预设的最大持续投运时间时，若此时用户负荷仍然没有恢复对称，则在退出超时运行的平衡电阻的同时，切除超过相应不平衡数值的不平衡用户负荷来实现发电机的负载均衡在规定范围内；
返回步骤3。
申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统，包括第一相量测量单元、第二相量测量单元和第三相量测量单元、一组或多组平衡电阻、平衡电阻的就地控制系统、调度控制中心主站；其特征在于：
所述第一相量测量单元PMU1设置在发电机出口侧，监测各发电机出口有功功率数据，并将监测数据上传至调度控制中心主站；
所述第二相量测量单元PMU2设置在不对称用户负荷所在变电站，监测各主要不对称负荷的有功功率数据，并将监测数据上送至调度控制中心主站；
所述第三相量测量单元PMU3设置在平衡电阻所在的变电站，监测各单相可控可调的平衡电阻支路的有功功率，并将监测数据上传至调度控制中心主站；
在发电机机端母线每一相均经过单相降压变压器接入一组或多组可调平衡电阻；
所述调度控制中心主站根据第一相量测量单元上传的有功功率数据，计算发电机机端三相有功负荷不对称度；
当发电机机端三相有功负荷不对称度超过预设阈值时，平衡电阻就地控制系统根据调度控制中心的指令向用户负荷偏小的1相或2相投入平衡电阻；随后，不对称用户负荷所在变电站根据调度控制中心的用户负辅助荷控制系统的指令在被补偿相增加负荷，同时逐步退出补偿的平衡电阻。
2.根据权利要求1所述的孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统，其特征在于：
其中，所述的平衡电阻优选单相可控可调的水冷电阻。
3.根据权利要求2所述的孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统，其特征在于：
发电机机端母线处经过单相降压变压器接入三相分别可控可调的水冷电阻。
4.一种孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法，其特征在于：
利用相量测量单元对发电机机端三相有功负荷的不对称情况以及大容量且容易不对称运行的负荷进行实时监视；当发电机机端三相有功负荷不对称程度超过阈值时，利用分相可控可调的平衡电阻对负荷偏小的1相或2相进行补偿，并且同时通知位于调度中心的用户负荷不对称告警系统对不对称用户负荷在被补偿相进行负荷的增加，在不对称负荷恢复对称的过程中，逐步将发电机机端用于补偿的平衡电阻退出。
5.一种孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：根据发电机端月出现概率大于一概率预设值时的单相最大不平衡量Pmax配置单相可控可调的平衡电阻，总容量定为3Pmax，并通过升压变压器安装到发电机出口母线；
步骤2：利用具有时间同步特性的相量测量装置PMU对孤立运行电网中发电机机端有功功率、易出现不对称运行的大负荷的有功功率以及平衡电阻的有功功率，进行在线分相实时测量，并将在线实时测量数据上送调度控制中心主站；
步骤3：调度控制中心主站接收到发电机端的有功功率数据后，实时检查三相有功的不对称程度以及持续时间，并确定需要补偿平衡电阻的相以及对应的补偿容量即有功调节量；
步骤4：调度控制中心主站将上述负荷偏小的1相或2相对应的平衡电阻调节量下发给平衡电阻就地控制系统，所述就地控制系统选择对应相对应补偿容量的平衡电阻投入运行即通过升压变压器接入到发电机出口母线的对应补偿相；
步骤5：若当前可用的平衡电阻容量小于调度控制中心主站所下发的平衡电阻调节量，则在需要补偿相投入全部平衡电阻后，剩余的有功不平衡补偿量由调度控制中心向用户负荷控制系统发出负荷调节建议，即通过直接降低或开断用户负载最大相有功功率来实现发电机侧的三相有功平衡；
步骤6：调度控制中心的用户负荷不对称告警系统根据前述负荷偏小的1相或2相对应的平衡电阻调节量向相应相的用户负荷发出升负荷的建议指令；
步骤7：根据PMU数据实时监视不对称相升负荷的变化量，逐步退出在发电机端进行补偿的平衡电阻；
步骤8：当发电机端投入补偿的平衡电阻投运时间超过预设的最大持续投运时间时，若此时用户负荷仍然没有恢复对称，则在退出超时运行的平衡电阻的同时，切除超过相应不平衡数值的不平衡用户负荷来实现发电机的负载均衡在规定范围内；
返回步骤3。
6.根据权利要求5所述的孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法，其特征在于：
其中，在步骤1中所述概率预设值为发电机端单相最大不平衡量Pmax的90％。
7.根据权利要求5所述的孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法，其特征在于：
在步骤3中，需要补偿平衡电阻的相以及对应的补偿容量即有功调节量，优选采用以下方法：
3.1，对发电机三相有功功率Pa，Pb和Pc按数值从小到大进行排序得到Pi，Pii，Piii；
3.2，若且持续时间超过指定时间阈值T1，其中e1为低偏差阈值，e2为高偏差阈值，则计算出用水电阻对Pi所对应相的有功负荷补偿量Pic为大于e1Piii且小于e2Piii的最小水电阻实现方式，表示为
3.3，若且且持续时间超过指定时间阈值T2,则用水电阻对Pi所对应相的有功负荷补偿量为
3.4，若且且持续时间超过指定时间阈值T3,则用水电阻对Pi所对应相的有功负荷补偿量为用水电阻对Pii所对应相的有功负荷补偿量为
3.5，其他情况时，不需要进行平衡电阻补偿。
8.根据权利要求7所述的孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法，其特征在于：
平衡电阻为单相可控可调的水冷电阻，且由多个小的固定水冷电阻组合成大的可调容量电阻，即电阻阻值或功率的调节是分段调节的。
9.根据权利要求7所述的孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法，其特征在于：
其中，所述低偏差阈值e1和高偏差阈值e2应满足e1<e2，且均在5％～15％之内，优选低偏差阈值e1和高偏差阈值e2分别取为5％和8％。
10.根据权利要求7所述的孤立电网发电机三相有功不对称负荷平衡控制方法，其特征在于：
其中，所述指定时间阈值T1，T2，T3满足T1>T2>T3,且均在0.5秒～15秒范围之内，优选T1，T2，T3分别取为8秒，3秒和1秒。
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