CN107394794B - 压控型无功自动补偿系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种压控型无功自动补偿系统及其方法,包括:无功补偿控制器以及依次串联于主变压器低压侧的断路器、电流互感器、自耦调压器、串联电抗器和电容器组,本发明稳定性强,不产生合闸涌流、操作过电压以及大量谐波污染,可以精准的进行无功补偿,且响应速度快,根据系统的需求进行调节,满足系统电压稳定以及无功功率就地平衡的要求,大大提高了电压无功管理水平,大幅度降低线损,提高企业的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种电网补偿领域的技术,具体是一种压控型无功自动补偿系统及其方法。
背景技术
当前有很多无功调节手段,例如TBBZ分组投切、TCR-SVC型无功补偿、MCR-SVC型无功补偿和SVG无功补偿装置等,但是都有各自的缺陷。TBBZ分组投切需要控制电容器组的投切,容易产生合闸涌流和操作过电压,并且无法精准补偿,经常会造成欠补偿或者过补偿,而且响应时间长。TCR-SVC型无功补偿不仅占地面积大,维护困难,而且谐波含量高,特别是其所产生的谐波对电力系统造成严重污染。MCR-SVC型无功补偿使用大量半导体器件,容易损坏且维修困难,自身也会产生谐波,对电力系统造成污染。SVG无功补偿装置使用大量半导体器件,容易损坏且维修困难,并且占地面积大,谐波含量高,容易对电力系统造成污染。
发明内容
本发明针对现有技术无法防止运行时产生谐波,容易造成电力系统谐波污染的缺陷,提出一种压控型无功自动补偿系统及其方法,其稳定性强,不产生合闸涌流、操作过电压以及大量谐波污染,可以精准的进行无功补偿,且响应速度快,根据系统的需求进行调节,满足系统电压稳定以及无功功率就地平衡的要求,大大提高了电压无功管理水平,大幅度降低线损,提高企业的经济效益。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明涉及一种压控型无功自动补偿系统,包括:无功补偿控制器以及依次串联于主变压器低压侧的断路器、电流互感器、自耦调压器、串联电抗器和电容器组,其中:无功补偿控制器分别采集来自主变压器低压侧的电压电流信息、来自断路器的开关信号、来自电流互感器的回路电流互感信息、来自自耦调压器的非电量监测信息,当系统出现电压或者功率因数越限时,无功补偿控制器根据控制优化算法计算出改变系统电压对电压的影响、改变无功功率对系统电压的影响、改变系统电压对功率因数的影响以及改变无功功率对功率因数的影响,并在满足限制条件的情况下,计算无功补偿的结果,即需要调节的电压或无功功率,向自耦调压器和主变压器分别输出调档指令。
所述的非电量监测信息是指:自耦调压器的运行状态,包括但不限于:自耦调压器的高温和超高温状态监测、自耦变压器的轻瓦斯和重瓦斯状态监测、自耦变压器的压力释放状态监测等。
所述的调档指令是指:根据自耦调压器或主变压器当前档位计算需要调节的次数,确定调节档位,具体为:每调节一档后,无功补偿控制器即进行一次控制优化算法处理,并发出调节指令。
所述的调档指令中:自耦变压器调节优先级最高,其次是主变压器和自耦变压器组合,即:主变压器和自耦变压器同时作为调节对象,最后是主变压器。
所述的无功补偿控制器根据是否接入自耦变压器和主变压器,根据实际情况来选择调节的对象。例如,主变压器档位电缆未接入控制器时,无功补偿控制器会自主识别当前的情况,禁止调节主变压器。
所述的控制优化算法是指:
其中:U'为需要调节的电压,Q'为需要调节的无功功率,U为母线中有效电压,I为母线中的有效电流,ρ为电压U与功率因数的相关系数,ΔUu为改变系统电压对电压的影响,单位为Kv,ΔUq为改变无功功率对系统电压的影响,单位为Kv,/>为系统的功率因数,/>为改变系统电压对功率因数的影响(余弦值,无量纲),/>为改变无功功率对功率因数的影响(余弦值,无量纲),λ1和λ2为相关的比例系数,f1和f2为无功功率和系统电压调节过程中参与计算的相关元素的函数关系;并且上述变量满足:/>其中:F1、F2、F3、F4为无功功率调节过程中的四个限制关系式,/>为功率因数调节上限值,为功率因数调节下限值,UMAX为系统电压调节的上限值,UMIN为系统电压调节的下限值。
本发明涉及上述系统的自动控制方法,包括以下步骤:
1)采集母线中的电压和电流,并获得功率因数;
2)当电压或功率因数不在设定范围内,则运行控制优化算法得到主变压器或自耦调压器的档位调节指令;
3)预估档位调节后的电网运行情况;
4)无功补偿控制器监测主变压器和自耦变压器的档位电缆的接入情况,若未接入控制器,该对象禁止调节。在此基础上,无功补偿控制器依据优化控制算法,选择调节对象。
所述的档位调节指令,具体是指:当根据算法得出需要增加或减少无功功率Q,此时主要指增加或减少电容器两端电压,增加或减少无功功率的补偿,因此选择调节对象为自耦变压器,发出升高或降低档位的指令;当根据算法得出需要增加或减少无功功率Q并且要增加或减少电压U,此时不仅要增加或减少电容器两端电压,还要改变主变压器低压侧电压值,因此选择调节对象为自耦变压器和主变压器,发出升高或降低档位的指令;当根据算法得出需要增加或减少电压U,此时需要改变主变压器低压侧电压值,因此选择调节对象为主变压器,发出升高或降低档位的指令。
5)完成一次档位调节后,回到步骤1),对调节完成后的系统进行检测,当调节未完成,则继续进行二次调节。
附图说明
图1为本发明结构示意图;
图2为无功补偿控制器的结构框图;
图3为压控型无功自动补偿方法流程示意图;
图中:1无功补偿控制器、2断路器、3电流互感器、4隔离开关、5自耦调压器、6串联电抗器、7电容器组、8主变压器。
具体实施方式
如图1所示,本实施例中包括:无功补偿控制器1以及依次串联于主变压器8低压侧的断路器2、电流互感器3、自耦调压器5、串联电抗器6和电容器组7,其中:无功补偿控制器1分别采集来自主变压器1低压侧的电压电流信息、来自断路器2的开关信号、来自电流互感器3的回路电流互感信息、来自自耦调压器5的非电量监测信息,并根据控制优化算法向自耦调压器5和主变压器8分别输出调档指令。
所述的自耦调压器5与电流互感器3之间优选设有隔离开关4,该隔离开关4进一步优选设有避雷器。
所述的电容器组7连接于串联电抗器6之后,产生容性无功功率,改善电网的无功功率。
如图2所示,所述的无功补偿控制器1包括:带有主控芯片的AD(模数转换)电路、通过CAN总线与之相连的带有光电耦合器的IO(数据输入输出)电路以及AC(交流电信息采集)电路,其中:AC电路将来自主变压器低压侧的电压电流信息、来自电流互感器的回路电流互感信息转换为低压模拟信号并传输到AD电路,AD电路将AC电路送来的低压模拟信号转换为数字信号并输出至主控芯片,AD电路的主控芯片根据内置的控制优化算法,经计算后通过IO电路分别向自耦调压器和主变压器输出调档指令。
所述的AD电路将调档指令通过CAN总线输出至IO电路。
所述的IO电路收到调档指令后,通过光电耦合器和功率继电器输出开关信号。
所述的主控芯片采用Cortex-M3内核的ARM芯片,其内置Modbus、IEC60870-101、IEC60870-104等协议。
所述的无功补偿控制器1中优选设有电源模块,即POWER电路,该电源模块为整个无功补偿控制器1提供24V,+12V,-12V或5V工作电源。
所述的无功补偿控制器1设有用于显示运行数据的HMI(人机接口)电路,该HMI电路作为无功补偿控制器1的人机交互模块,HMI电路通过CAN总线与AD电路进行数据交换,AD电路通过CAN总线将运行数据、历史数据、系统参数等输出至HMI电路,HMI电路将相应的数据进行显示。
如图3所示,本实施例涉及上述装置的自动控制方法,包括以下步骤:
1)采集母线中的电压和电流,并获得功率因数。
2)当电压或功率因数不在设定范围内,则运行控制优化算法得到主变压器8和自耦调压器5的优化档位;其中设定范围为:系统电压为U时,电压的上下偏移不超过系统电压的±7%,功率因数下限默认设为0.9,上限默认设为0.98。
所述的控制优化算法是指:其中:ΔUu为改变系统电压对电压的影响,U为母线中有效电压,I为母线中的有效电流,ρ为电压U与功率因数的相关系数,ΔUq为改变无功功率对系统电压的影响,/>为系统的功率因数,/>为改变系统电压对功率因数的影响,/>为改变无功功率对功率因数的影响,其中F1、F2、F3、F4为无功功率调节过程中的四个限制关系式,λ1和λ2为相关的比例系数,f1和f2为无功功率和系统电压调节过程中,参与计算的相关元素的函数关系。
以10Kv系统为例,当系统出现电压或者功率因数超越设定的限制的时候,即系统电压低于9.3Kv或大于10.7Kv,或者功率因数小于0.9或大于0.98时。
无功补偿控制器首先获取系统的电压U,电流I,功率因数假设此时的系统电压为10.3Kv,满足系统对电压的限制的要求,而功率因数为0.88,低于功率因数的最低值0.9。然后控制器利用所采集到的参数以及系统参数,计算ΔUu、ΔUq、/>
在满足限制条件F1、F2、F3、F4的情况下,即若进行调节,系统电压值不得低于9.3,不得高于10.7,功率因数要高于0.9,低于0.98,计算无功补偿的结果,即需要调节的电压U'或者无功功率Q'。
此时无功补偿控制器根据调节优先级,即自耦变压器调节优先级最高,其次是主变和自耦变压器组合,最后是调节主变,选择调节对象。根据上述假设的情况,由于电压在要求的范围内,只需要增加无功功率的值,提升功率因数,因此根据调节优先级,选择自耦变压器为调节对象。假设当前档位为3档,需要增加无功功率,也即增加电容器组两端的电压值,根据无功补偿优化控制算法,计算需要增加的电压值,进一步计算需要升档调节的次数,确定调节档位。
3)预估调档后的运行情况。
4)无功补偿控制器监测主变压器和自耦变压器的档位电缆的接入情况,若未接入控制器,该对象禁止调节。在此基础上,无功补偿控制器依据优化控制算法,选择调节对象。在此处假设情况下,由于自耦变压器档位电缆接入控制器,因而选择其作为调节对象。
5)然后控制器发出自耦变压器的升档命令,每调节一档,无功补偿控制器依据控制优化算法,对下一次升档调节进行优化处理,并发出调节指令。
6)完成一次档位优化调节后,回到步骤1),当系统不能正常运行,则进行二次调整,直至正常运行。
与现有技术相比,本发明稳定性强,不产生合闸涌流、操作过电压以及大量谐波污染,可以精准的进行无功补偿,且响应速度快,根据系统的需求进行调节,满足系统电压稳定以及无功功率就地平衡的要求,大大提高了电压无功管理水平,大幅度降低线损,提高企业的经济效益。对客户而言,本技术使得无功补偿调节的响应速度提高了两倍,电压波动小于1%,而且可以降低70%的电能损耗,提高用户的经济效益。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整,本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (9)
1.一种压控型无功自动补偿系统,其特征在于,包括:无功补偿控制器以及依次串联于主变压器低压侧的断路器、电流互感器、自耦调压器、串联电抗器和电容器组,其中:无功补偿控制器分别采集来自主变压器低压侧的电压电流信息、来自断路器的开关信号、来自电流互感器的回路电流互感信息、来自自耦调压器的非电量监测信息,当系统出现电压或者功率因数越限时,无功补偿控制器根据控制优化算法计算出改变系统电压对电压的影响、改变无功功率对系统电压的影响、改变系统电压对功率因数的影响以及改变无功功率对功率因数的影响,并在满足限制条件的情况下,计算无功补偿的结果,即需要调节的电压或无功功率,相应向自耦调压器和主变压器分别输出调档指令;
所述的非电量监测信息是指:自耦调压器的运行状态,包括:自耦调压器的高温和超高温状态监测、自耦变压器的轻瓦斯和重瓦斯状态监测、自耦变压器的压力释放状态监测;
所述的调档指令是指:根据自耦调压器或主变压器当前档位计算需要调节的次数,确定调节档位,具体为:每调节一档后,无功补偿控制器即进行一次控制优化算法处理,并发出调节指令;
所述的控制优化算法是指:其中:U'为需要调节的电压,Q'为需要调节的无功功率,U为母线中有效电压,I为母线中的有效电流,ρ为电压U与功率因数的相关系数,ΔUu为改变系统电压对电压的影响,单位为Kv,ΔUq为改变无功功率对系统电压的影响,单位为Kv,/>为系统的功率因数,/>为改变系统电压对功率因数的影响,/>为改变无功功率对功率因数的影响,λ1-λ4为相关的比例系数,f1-f4为无功功率和系统电压调节过程中参与计算的相关元素的函数关系;并且上述变量满足:/>其中:F1、F2、F3、F4为无功功率调节过程中的四个限制关系式,/>为功率因数调节上限值,/>为功率因数调节下限值,UMAX为系统电压调节的上限值,UMIN为系统电压调节的下限值。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征是,所述的调档指令中:自耦变压器调节优先级最高,其次是主变压器和自耦变压器组合,即:主变压器和自耦变压器同时作为调节对象,最后是主变压器。
3.根据权利要求1所述的系统,其特征是,所述的无功补偿控制器根据是否接入自耦变压器和主变压器,根据实际情况来选择调节的对象。
4.根据权利要求1所述的系统,其特征是,所述的无功补偿控制器包括:带有主控芯片的AD电路、通过CAN总线与之相连的带有光电耦合器的IO电路以及AC电路,其中:AC电路将来自主变压器低压侧的电压电流信息、来自电流互感器的回路电流互感信息转换为低压模拟信号并传输到AD电路,AD电路将AC电路送来的低压模拟信号转换为数字信号并输出至主控芯片,AD电路的主控芯片根据内置的控制优化算法,经计算后通过IO电路分别向自耦调压器和主变压器输出调档指令。
5.根据权利要求4所述的系统,其特征是,所述的AD电路将调档指令通过CAN总线输出至IO电路。
6.根据权利要求4所述的系统,其特征是,所述的IO电路收到调档指令后,通过光电耦合器和功率继电器输出开关信号。
7.根据权利要求4所述的系统,其特征是,所述的无功补偿控制器中设有电源模块,即POWER电路,该电源模块为整个无功补偿控制器1提供24V,+12V,-12V或5V工作电源;
所述的无功补偿控制器设有用于显示运行数据的HMI电路,该HMI电路通过CAN总线与AD电路进行数据交换,AD电路通过CAN总线将运行数据、历史数据、系统参数输出至HMI电路,HMI电路将相应的数据进行显示。
8.一种基于权利要求1或4-7中任一所述系统的自动控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)采集母线中的电压和电流,并获得功率因数;
2)当电压或功率因数不在设定范围内,则运行控制优化算法得到主变压器或自耦调压器的档位调节指令;
3)预估档位调节后的电网运行情况;
4)无功补偿控制器监测主变压器和自耦变压器的档位电缆的接入情况,若未接入控制器,该对象禁止调节;无功补偿控制器依据优化控制算法,选择调节对象;
所述的调档指令中:自耦变压器调节优先级最高,其次是主变压器和自耦变压器组合,即:主变压器和自耦变压器同时作为调节对象,最后是主变压器;
所述的无功补偿控制器根据是否接入自耦变压器和主变压器,根据实际情况来选择调节的对象;
5)完成一次档位调节后,回到步骤1),对调节完成后的系统进行检测,当调节未完成,则继续进行二次调节。
9.根据权利要求8所述的自动控制方法,其特征是,所述的档位调节指令,具体是指:当根据算法得出需要增加或减少无功功率Q,此时主要指增加或减少电容器两端电压,增加或减少无功功率的补偿,因此选择调节对象为自耦变压器,发出升高或降低档位的指令;当根据算法得出需要增加或减少无功功率Q并且要增加或减少电压U,此时不仅要增加或减少电容器两端电压,还要改变主变压器低压侧电压值,因此选择调节对象为自耦变压器和主变压器,发出升高或降低档位的指令;当根据算法得出需要增加或减少电压U,此时需要改变主变压器低压侧电压值,因此选择调节对象为主变压器,发出升高或降低档位的指令。
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