CN106410828B - 配电变压器动态智能补偿及谐波治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了配电变压器动态智能补偿及谐波治理方法，实时读取配电变压器二次侧线电流；根据读取的配电变压器二次侧线电流的数值检测不平衡电流I₁、无功电流I₂和谐波电流I_h的有效值；同时表示补偿后配电变压器损耗减少量及补偿后配电变压器二次侧电能质量改善情况；建立兼顾变压器损耗和变压器二次侧电能质量的最优化方程；求解最优化方程，即为不平衡电流、无功电流和谐波电流的最优补偿比例。在电能质量恶劣的情况下本发明对不平衡电流、无功电流、谐波电流进行选择性或按比例补偿，以达到变压器的经济运行及电能质量的综合最优化。

Description

配电变压器动态智能补偿及谐波治理方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及一种配电变压器动态智能补偿及谐波治理方法。

背景技术

电力系统运行的基本要求是保证可靠地持续供电、保证良好的电能质量及保证系统运行的经济性。一方面，随着工业生产中负荷数量及种类的增加，配电变压器负载不平衡、无功及谐波等电能质量问题越来越严重。另一方面，目前治理配变不平衡、无功及谐波问题的措施相互独立，存在一定的延时并且增加大量人力成本，效果不明显。

有源电力电子型补偿装置由于动作速度快、允许多次动作等特点，在电力系统中有着广阔的应用。然而，由于新型变压器的直流侧智能补偿及谐波治理的容量有限。因此，提出一种新型配电变压器动态智能补偿及谐波治理的最优方法，此方法旨在充分利用直流侧补偿容量的情况下，合理调节不平衡电流、无功电流和谐波电流的补偿比例，以达到兼顾负载侧电能质量和新型配电变压器功耗的综合最优化。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种配电变压器动态智能补偿及谐波治理方法，能实现在补偿装置直流侧补偿容量有限的情况下适当调整不平衡电路、无功电流和谐波电流各自的补偿比例，不但充分利用了直流侧的补偿容量，而且达到兼顾负载侧电能质量和配电变压器功耗的综合最优化。

本发明所采用的技术方案是，一种配电变压器动态智能补偿及谐波治理方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，实时读取配电变压器二次侧线电流；

步骤2，根据读取的配电变压器二次侧线电流的数值检测不平衡电流I₁、无功电流I₂和谐波电流I_h的有效值；

步骤3.1，用k₁、k₂、k₃表示补偿后配电变压器损耗减少量；

步骤3.2，用k₁、k₂、k₃表示补偿后配电变压器二次侧电能质量改善情况；

步骤4，以直流侧补偿容量为边界条件，建立兼顾变压器损耗和变压器二次侧电能质量的最优化方程；

步骤5，由控制器求解最优化方程，求得k₁、k₂、k₃的值，即为不平衡电流、无功电流和谐波电流的最优补偿比例。

进一步的，所述步骤3.1，具体按照以下步骤进行：

其中：

其中：

ΔP表示相对没有治理之前综合治理后减小的损耗；

ΔP₁表示相对没有治理三相不平衡电流之前对三相不平衡电流按照治理比例为k₁治理后减小的损耗；

ΔP₂表示相对没有治理三相无功电流之前对三相无功电流按照治理比例为k₂治理后减小的损耗；

ΔP₃表示相对没有治理谐波电流之前对谐波电流按照治理比例为k₃治理后减小的损耗；

I_e表示变压器的额定电流；

表示功率因素角；

I_hn表示第n次谐波电流的有效值；

ΔP₁₁表示治理不平衡电流前变压器有功功率损耗；

ΔP₁₂表示治理不平衡电流后变压器有功功率损耗；

ΔP₂₁表示治理无功电流前变压器有功功率损耗；

ΔP₂₂表示治理无功电流后变压器有功功率损耗；

ΔP₃₁表示治理谐波电流前变压器有功功率损耗；

ΔP₃₂表示治理谐波电流后变压器有功功率损耗；

P_EC表示治理谐波电流前谐波条件下涡流损耗；

P_SL表示治理谐波电流前谐波条件下杂散损耗；

P_3EC表示治理谐波电流后涡流损耗；

P_3SL表示治理谐波电流后杂散损耗；

P_k表示配电变压器额定短路损耗；

I_A、I_B、I_C为三相线电流的有效值；

I_1A(k₁)、I_1B(k₁)、I_1C(k₁)为按治理比例k₁治理不平衡电流后三相电流的有效值；

P_EC-R为正弦交流电条件下的绕组的涡流损耗，P_SL-R为正弦交流电条件下的杂散损耗，均可通过试验方法求得；

k₁、k₂、k₃为假设的对三相不平衡电流、无功电流、谐波电流的治理比例，为待求量。

进一步的，所述步骤3.2，具体按照以下步骤进行：

ΔQ_E＝Q_1E-Q_2E

ΔQ_E的含义是相对于治理之前，综合治理后电能质量的提升；

其中：

分别代表补偿前、补偿前后电能质量综合评价值；

Q_1vw为治理前谐波指数；

Q_1vb为治理前不平衡指数；

Q_2vw为治理后谐波指数；

Q_2vb为治理后不平衡指数。

进一步的，所述步骤4，建立兼顾变压器损耗和变压器二次侧电能质量的最优化方程具体按照以下步骤进行：

max f(k₁,k₂,k₃)＝λ₁·ΔP^*+λ₂·ΔQ_E

其中：

I_CC＝I_1C+I_2C+I_3C；

I_1C为治理三相不平衡的最大单相补偿电流；

I_2C为治理无功的最大单相补偿电流；

I_3C为治理谐波的补偿电流；

I_D为直流侧补偿器件的最大过流能力，代表补偿装置直流侧的补偿容量；

λ₁+λ₂＝1，λ₁、λ₂分别为损耗减小量的权值和电能质量的权值，可根据实际情况由专家打分确定；

k₁、k₂、k₃的数值由控制器实时计算；

I_cc为所需的最大补偿电流；

f(k₁,k₂,k₃)表示对不平衡电流、无功电流、谐波电流按不同比例k₁,k₂,k₃补偿之后对变压器损耗减小量和电能质量提高的综合评价方程；

ΔP^*为治理后损耗减少量的标幺值。

进一步的，ΔP^*＝ΔP/S_N，S_N为配电变压器的额定容量。

本发明由计算智能补偿后配电变压器损耗减少量、计算智能补偿后电能质量的改善及求解补偿比例最优化方程三部分组成。其中，求解补偿比例最优化方程计算出对不平衡电流、无功电流和谐波电流的不同补偿比例，以得到兼顾负载侧电能质量和新型配电变压器功耗的最优补偿比例。由于新型变压器的直流侧智能补偿及谐波治理的容量有限，在电能质量恶劣的情况下本发明对不平衡电流、无功电流、谐波电流进行选择性或按比例补偿，以达到变压器的经济运行及电能质量的综合最优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的流程示意图。

图2是本发明实施例针对纯电感和谐波负载的不同补偿比例下的补偿效果图。

图3是本发明实施例针对不平衡阻感负载不同补偿比例下的补偿效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种配电变压器动态智能补偿及谐波治理方法，思路是：假设对三相不平衡电流、无功电流、谐波电流的补偿比例分别为k₁、k₂、k₃，其中0≤k₁,k₂,k₃≤1，治理之后用k₁、k₂、k₃表示配电变压器损耗的减少量和电能质量的改善质量，列出最优化方程，然后求解出k₁、k₂、k₃的值，即可得出不平衡电流、无功电流和谐波电流的最佳补偿比例。

具体按照以下步骤进行：

步骤1，实时读取配电变压器二次侧线电流；

步骤2，根据读取的配电变压器二次侧线电流的数值检测不平衡电流I₁、无功电流I₂和谐波电流I_h的有效值(I_1A I_1B I_1C分别表示A、B、C三相不平衡电流有效值，I_2A I_2B I_2C分别表示A、B、C三相的无功电流有效值，I_hn表示第n次谐波的有效值。)；

步骤3.1，用k₁、k₂、k₃表示补偿后配电变压器损耗减少量；

步骤3.2，用k₁、k₂、k₃表示补偿后配电变压器二次侧电能质量改善情况；

步骤4，以直流侧补偿容量为边界条件，建立兼顾变压器损耗和变压器二次侧电能质量的最优化方程；

步骤5，由控制器求解最优化方程，求得k₁、k₂、k₃的值，即为不平衡电流、无功电流和谐波电流的最优补偿比例。

进一步的，步骤3.1中，具体按照以下步骤进行：

其中：

其中：

ΔP表示相对没有治理之前综合治理后减小的损耗。

ΔP₁表示相对没有治理三相不平衡电流之前对三相不平衡电流按照治理比例为k₁治理后减小的损耗。

ΔP₂表示相对没有治理三相无功电流之前对三相无功电流按照治理比例为k₂治理后减小的损耗。

ΔP₃表示相对没有治理谐波电流之前对谐波电流按照治理比例为k₃治理后减小的损耗。

I_e表示变压器的额定电流。

表示功率因素角。

I_hn表示第n次谐波电流的有效值。

ΔP₁₁表示治理不平衡电流前变压器有功功率损耗。

ΔP₁₂表示治理不平衡电流后变压器有功功率损耗。

ΔP₂₁表示治理无功电流前变压器有功功率损耗。

ΔP₂₂表示治理无功电流后变压器有功功率损耗

ΔP₃₁表示治理谐波电流前变压器有功功率损耗。

ΔP₃₂表示治理谐波电流后变压器有功功率损耗。

P_EC表示治理谐波电流前谐波条件下涡流损耗。

P_SL表示治理谐波电流前谐波条件下杂散损耗。

P_3EC表示治理谐波电流后涡流损耗

P_3SL表示治理谐波电流后杂散损耗。

P_k表示配电变压器额定短路损耗；

I_A、I_B、I_C为三相线电流的有效值；

I_1A(k₁)、I_1B(k₁)、I_1C(k₁)为按治理比例k₁治理不平衡电流后三相电流的有效值；

P_EC-R为正弦交流电条件下的绕组的涡流损耗，P_SL-R为正弦交流电条件下的杂散损耗，均可通过试验方法求得；

k₁、k₂、k₃为假设的对三相不平衡电流、无功电流、谐波电流的治理比例，为待求量。

进一步的，步骤3.2中，具体按照以下步骤进行：

ΔQ_E＝Q_1E-Q_2E

ΔQ_E的含义是相对于治理之前，综合治理后电能质量的提升。

其中：

分别代表补偿前、补偿前后电能质量综合评价值。

Q_1vw为治理前谐波指数；

Q_1vb为治理前不平衡指数；

Q_2vw为治理后谐波指数；

Q_2vb为治理后不平衡指数。

进一步的，步骤4中，建立兼顾变压器损耗和变压器二次侧电能质量的最优化方程具体按照以下步骤进行：

max f(k₁,k₂,k₃)＝λ₁·ΔP^*+λ₂·ΔQ_E

其中：

I_e为变压器的额定电流；

I_CC＝I_1C+I_2C+I_3C；

I_1C为治理三相不平衡的最大单相补偿电流；

I_2C为治理无功的最大单相补偿电流；

I_3C为治理谐波的补偿电流；

I_D为直流侧补偿器件的最大过流能力，代表补偿装置直流侧的补偿容量；

λ₁+λ₂＝1，λ₁、λ₂分别为损耗减小量的权值和电能质量的权值，可根据实际情况由专家打分确定；

k₁、k₂、k₃的数值由控制器实时计算。

I_cc为所需的最大补偿电流；

f(k₁,k₂,k₃)表示对不平衡电流、无功电流、谐波电流按不同比例k₁,k₂,k₃补偿之后对变压器损耗减小量和电能质量提高的综合评价方程；

ΔP^*为治理后损耗减少量的标幺值。

其中，ΔP^*＝ΔP/S_N，S_N为配电变压器的额定容量。

这样就可以得到最优补偿策略的不平衡电流、无功电流和谐波电路的补偿比例。

实施例

假设配电变压器的额定空载损耗ΔP₀，额定短路损耗P_k，额定电流I_e，额定容量S_N。恶劣工况运行条件下，三相电流有效值分别为I_A、I_B、I_C。对三相不平衡电流、无功电流、谐波电流的治理比例分别为k₁、k₂、k₃，其中0≤k₁,k₂,k₃≤1。

一、治理三相不平衡后配电变压器损耗降低量

1.治理前有功功率损耗为

其中，β_A、β_B、β_C表示变压器A、B、C三相的负载系数。

β_A＝I_A/I_e

β_B＝I_B/I_e

β_C＝I_C/I_e

2.假定对三相不平衡电流的治理比例为k₁，治理后三相电流分别为I_1A(k₁)、I_1B(k₁)、I_1C(k₁)。治理后的有功功率损耗为

3.对三相不平衡电流按照治理比例为k₁治理后损耗降低量

4.治理三相不平衡的补偿电流

各项的补偿电流分别为

I_1AC＝I_A-I_1A(k₁) (4a)

I_1BC＝I_B-I_1B(k₁) (4b)

I_1CC＝I_C-I_1C(k₁) (4c)

治理三相不平衡的最大单相补偿电流为

I_1C＝max[I_1AC,I_1BC,I_1CC] (5)

二、治理无功的后配电变压器损耗降低量

在恶劣工况运行条件下，三相电流有效值分别为I_A、I_B、I_C。功率因数对无功功率按照比例k₂治理后三相电流有效值为I_2A(k₂)、I_2B(k₂)、I_2C(k₂)。

1.治理之前有功功率损耗

2.治理之后三相电流有效值为I_2A(k₂)、I_2B(k₂)、I_2C(k₂)。

有功功率损耗为

3.对无功电流按照补偿比例为k₂补偿后的损耗的降低量

4.治理无功的补偿电流

各项的补偿电流分别为

I_2AC＝I_A-I_2A(k₂) (10a)

I_2BC＝I_B-I_2B(k₂) (10b)

I_2CC＝I_C-I_2C(k₂) (10c)

治理无功的最大单相补偿电流为

I_2C＝max[I_2AC,I_2BC,I_2CC] (11)

三、根据检测设备可知各次谐波的含量，假设补偿比例为k₃。

谐波治理之前各次谐波电流有效值为I_h，按治理比例k₃治理之后各次谐波电流有效值为(1-k₃)I_h(h为谐波的次数)。

1.治理前谐波引起的有功功率损耗为ΔP₃₁

ΔP₃₁＝P_EC+P_SL (12)

其中，P_EC为谐波引起的涡流损耗

P_SL为杂散损耗

上两个式子中，P_EC-R为正弦交流电下的绕组的涡流损耗，P_SL-R为正弦交流电下的杂散损耗，均可通过试验方法求得。

2.以补偿比例k₃进行谐波治理之后，由谐波引起的有功功率损耗

ΔP₃₂＝P_3EC+P_3SL (15)

其中，

3.则对谐波电流按照治理比例为k₃补偿后损耗的降低量

4.治理谐波的补偿电流

所以，对三相不平衡电流、无功电流、谐波电流分别按照比例k₁、k₂、k₃(0≤k₁,k₂,k₃≤1)进行治理后的损耗的降低量为。

其中，k₁、k₂、k₃为待求量。

四、动态智能补偿及谐波治理后对电能质量的改善

以电压偏差为例，定义评价时间：

T＝1440(分钟)(以一天为周期)

依据国标划分等级：

Δu＝0.7/m (21)

其中：m为所分等级个数，0.7为国标允许的电压偏差绝对值。Δu为电压偏移量。

第k级的范围为

根据电压偏差实测值求取其绝对值在第i级的时间

其中：t_i为电压偏差绝对值在第k级的第i个时间段的时间；n为电压偏差绝对值在第k级的时间段的个数。

求取电压偏差处于第k级的概率分布

p_k＝τ(k)/T (24)

求取p_k的期望和方差

对期望和方差标幺化

E^*(K)＝E(K)/E_B(K) (27)

σ^*(K)＝σ(K)/σ_B(K) (28)

其中：E_B(K)、σ_B(K)分别为期望和方差的基准值，可由专家打分确定。

求取期望和方差的矢量和

Q_v即视为描述电压偏差质量的唯一量化指标值。

其他的单项质量均可以通过此方法得到唯一量化指标值。

由于要得到的是电能质量的一个综合评价值，如前式所示，已经得到了各单项指标的唯一量化指标。但是他们是具有不同量纲的，因此可用矢量代数的方法将各项指标归一量化，从而得到一个电能质量综合量化指标Q_E，如下式。

这里电能质量的综合评价指标可以只考虑治理三相不平衡和谐波电流对电能质量的改善，从而可以把上式简化为

得到的Q_E在1以下时，可以说是被考察的电能质量是合格的，且Q_E越小，综合电能质量越高。

则按照上述介绍的电能质量综合评价介绍的方法，治理前、治理后电能质量综合评价值分别为

所以对电能质量的提升为

五、动态智能补偿及谐波治理最优解的求取

为综合考虑变压器的经济运行和负载侧电能质量，达到最优补偿的目的。必须将按照不同比例对不平衡电流、无功电流、谐波电流治理后降低的损耗和对电能质量的提高两种指标统一单位。由于对电能质量的提升这一指标已经标幺化，所以现在将治理后带来的经济收益标幺化。

ΔP^*＝ΔP/S_N (34)

其中：S_N为配电变压器的额定容量。

令

f(k₁,k₂,k₃)＝λ₁·ΔP^*+λ₂·ΔQ_E (35)

f(k₁,k₂,k₃)为对不平衡电流、无功电流、谐波电流按不同比例补偿之后经济收益和电能质量提高的综合评价方程，其中λ₁、λ₂为经济收益和电能质量的权值，可根据实际情况由专家打分确定。

利用线性加权法及以上分析得出以下最优化方程

maxf(k₁,k₂,k₃)＝λ₁·ΔP^*+λ₂·ΔQ_E (36)

其中：I_CC＝I_1C+I_2C+I_3C，λ₁+λ₂＝1

I_D为直流侧补偿器件的最大过流能力。

k₁、k₂、k₃的数值由控制器实时计算。

这样就可以得到最优补偿策略的不平衡电流、无功电流和谐波电路的补偿比例。

图2为本发明针对纯电感和谐波负载的不同补偿比例下的补偿效果，由图可以看出对无功电流和谐波电流进行不同比例补偿时电流波形和电流有效值的大小有不同的变化，本发明的目的就是找到最优的补偿比例。

图3为本发明针对不平衡阻感负载不同补偿比例下的补偿效果，由图可以看出对不平衡电流和无功电流进行不同比例补偿时电流波形和电流有效值的大小有不同的变化，本发明的目的就是找到最优的补偿比例。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种配电变压器动态智能补偿及谐波治理方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤1，实时读取配电变压器二次侧线电流；

步骤2，根据读取的配电变压器二次侧线电流的数值检测不平衡电流I₁、无功电流I₂和谐波电流I_h的有效值；

步骤3.1，用k₁、k₂、k₃表示补偿后配电变压器损耗减少量；

步骤3.2，用k₁、k₂、k₃表示补偿后配电变压器二次侧电能质量改善情况；

步骤4，以直流侧补偿容量为边界条件，建立兼顾变压器损耗和变压器二次侧电能质量的最优化方程；

步骤5，由控制器求解最优化方程，求得k₁、k₂、k₃的值，即为不平衡电流、无功电流和谐波电流的最优补偿比例；

所述步骤3.1，具体按照以下步骤进行：

其中：

其中：

ΔP表示相对没有治理之前综合治理后减小的损耗；

ΔP₁表示相对没有治理三相不平衡电流之前对三相不平衡电流按照治理比例为k₁治理后减小的损耗；

ΔP₂表示相对没有治理三相无功电流之前对三相无功电流按照治理比例为k₂治理后减小的损耗；

ΔP₃表示相对没有治理谐波电流之前对谐波电流按照治理比例为k₃治理后减小的损耗；

I_e表示变压器的额定电流；

表示功率因素角；

I_hn表示第n次谐波电流的有效值；

ΔP₁₁表示治理不平衡电流前变压器有功功率损耗；

ΔP₁₂表示治理不平衡电流后变压器有功功率损耗；

ΔP₂₁表示治理无功电流前变压器有功功率损耗；

ΔP₂₂表示治理无功电流后变压器有功功率损耗；

ΔP₃₁表示治理谐波电流前变压器有功功率损耗；

ΔP₃₂表示治理谐波电流后变压器有功功率损耗；

P_EC表示治理谐波电流前谐波条件下涡流损耗；

P_SL表示治理谐波电流前谐波条件下杂散损耗；

P_3EC表示治理谐波电流后涡流损耗；

P_3SL表示治理谐波电流后杂散损耗；

P_k表示配电变压器额定短路损耗；

I_A、I_B、I_C为三相线电流的有效值；

I_1A(k₁)、I_1B(k₁)、I_1C(k₁)为按治理比例k₁治理不平衡电流后三相电流的有效值；

P_EC-R为正弦交流电条件下的绕组的涡流损耗，P_SL-R为正弦交流电条件下的杂散损耗，均通过试验方法求得；

k₁、k₂、k₃为假设的对三相不平衡电流、无功电流、谐波电流的治理比例，为待求量；

所述步骤3.2，具体按照以下步骤进行：

ΔQ_E＝Q_1E-Q_2E

ΔQ_E的含义是相对于治理之前，综合治理后电能质量的提升；

其中：

分别代表补偿前、补偿前后电能质量综合评价值；

Q_1vw为治理前谐波指数；

Q_1vb为治理前不平衡指数；

Q_2vw为治理后谐波指数；

Q_2vb为治理后不平衡指数；

所述步骤4，建立兼顾变压器损耗和变压器二次侧电能质量的最优化方程具体按照以下步骤进行：

max f(k₁,k₂,k₃)＝λ₁·ΔP^*+λ₂·ΔQ_E

其中：

I_e表示变压器的额定电流；

I_A、I_B、I_C为三相线电流的有效值；

ΔQ_E的含义是相对于治理之前，综合治理后电能质量的提升；

I_CC＝I_1C+I_2C+I_3C；

I_1C为治理三相不平衡的最大单相补偿电流；

I_2C为治理无功的最大单相补偿电流；

I_3C为治理谐波的补偿电流；

I_D为直流侧补偿器件的最大过流能力，代表补偿装置直流侧的补偿容量；

λ₁+λ₂＝1，λ₁、λ₂分别为损耗减小量的权值和电能质量的权值，根据实际情况由专家打分确定；

k₁、k₂、k₃的数值由控制器实时计算；

I_cc为所需的最大补偿电流；

f(k₁,k₂,k₃)表示对不平衡电流、无功电流、谐波电流按不同比例k₁,k₂,k₃补偿之后对变压器损耗减小量和电能质量提高的综合评价方程；

ΔP^*为治理后损耗减少量的标幺值。

2.根据权利要求1所述的配电变压器动态智能补偿及谐波治理方法，其特征在于，ΔP^*＝ΔP/S_N，S_N为配电变压器的额定容量，ΔP^*为治理后损耗减少量的标幺值。