CN107834568A - 动态补偿方法和动态补偿发生装置 - Google Patents

动态补偿方法和动态补偿发生装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种动态补偿方法，包括以下步骤：步骤1：采样系统的三相电流、三相电压、负载电流；步骤2：判断系统的三相电流是否平衡，判断功率因数是否偏离设定的功率因数目标值，判断三相电压是否超过电压设定值；步骤3：在三相电流不平衡时计算各相需要转换的电流值，在计算出的系统的功率因数偏离功率因数目标值时计算待补偿的无功电流，在三相电压超过电压设定值时计算用于调压的电流；步骤4：先采用SVC补偿方式，后采用SVG补偿方式输出补偿电流而对系统进行补偿。该动态补偿方法通过动态补偿发生装置实现。本发明综合利用了SVC补偿和SVG补偿，能够快速、准确、有效地对系统进行无功补偿、三相不平衡补偿和电压不稳定补偿，成本相对较低。

Description

动态补偿方法和动态补偿发生装置
技术领域
本发明属于供配电领域，具体涉及一种对电网系统进行动态补偿的装置。
背景技术
各种现代用电设施的大量使用，在改善人们生活的同时也使得电力系统的污染越来越严重，功率因数低、三相不平衡、谐波含量高、电压波动与闪变等电能质量问题严重威胁电力系统用户设备的正常运行。同时，以上问题对现有的电压无功补偿技术也提出了更高的要求。
经过对低压配电网中监测数据的统计分析，发现大部分功率因数较低的台区中普遍存在三相电流分配不平衡的问题。另外，近年来受各级地方政府拉动内需的影响，很多工农产品的加工企业在生产用电的同时，谐波污染也越来越严重。
以上这些电能质量问题将会引起配电变压器过热、增加低压线路损耗、降低开关设备使用寿命等设备问题，同时影响居民正常用电和供电企业的电能合格率及供电可靠性指标。
在针对上述问题的综合治理中，比较常见的做法是采用电容补偿，即SVC补偿方式。但传统SVC无功补偿装置采用分段阶梯式补偿方式，每段容量为25kvar或10kvar，投入和切除电容时易造成过补和欠补，无法使功率因数完全达标。针对末端电网多用电容器进行无功补偿，虽然提高了功率因数，但是受系统谐波影响较大，容易放大谐波，且分相补偿能力有限，只能补偿感性负载等，受其本身特性的制约，不能有效解决电网末端电能质量问题。综上，目前低压无功补偿主要采用的SVC复合开关控制电力电容投切或智能电容（直接）投切方式存在诸多不足之处：（1）对三相不平衡电流补偿效果不明显；（2）谐波抑制不理想；（3）只能进行阶梯式补偿，易发生过补或欠补；（4）补偿时间相对较长，超过100ms。
相较而言，目前技术较为先进的SVG补偿方式性能要比SVC优越得多。1、SVG具有良好的三相不平衡电流补偿效果，可对不平衡电流进行有效的补偿，其补偿能力远大于传统的电容器装置。2、SVG不产生谐波更不会放大谐波，可滤除50%以上的谐波，具备25 次以下谐波补偿功能，谐波治理效果明显；而传统无功补偿装置的电容本身会放大谐波，所以无法滤除谐波。3、SVG可输出连续的感性或容性无功功率，从0.1千法开始进行无级补偿，完全实现了对系统无功的精确双向补偿，不存在电容器补偿装置的过补偿或欠补偿问题；而电容器补偿装置基本上采用的是3—10级的有级补偿，每增减一级至少就是几千法，不能实现精确的补偿。4、高频的IGBT 开关器件保证了SVG的快速响应，可对系统电压或无功进行暂态的调节。传统无功补偿装置完成一次补偿最快也要200ms的时间，而SVG在5ms内就可以完成一次补偿。然而，SVG也存在一定不足，最大的问题是高昂的设备费用和维护成本，若完全以SVG来实现大容量补偿，显然其价格要高于同等容量的SVC几倍之多。
由此可见，现有的两种补偿方式——SVC和SVG各自均具备不同的优缺点，单一装置无法很好地解决补偿问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种既能快速、准确、有效地进行补偿，同时成本也相对不太高的动态补偿装置和方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种动态补偿方法，用于对电网和负载构成的系统进行无功补偿、三相不平衡补偿和电压不稳定补偿，所述动态补偿方法包括以下步骤：
步骤1：采样所述系统的三相电流、三相电压、负载电流；
步骤2：判断所述系统的三相电流是否平衡，计算所述系统的功率因数并判断其是否偏离设定的功率因数目标值，判断三相电压是否超过电压设定值；
步骤3：在三相电流不平衡时计算各相需要转换的电流值，在计算出的系统的功率因数偏离功率因数目标值时计算待补偿的无功电流，在三相电压超过电压设定值时计算用于调压的电流；
步骤4：依据各相需要转换的电流值或待补偿的无功电流或用于调压的电流值得到补偿电流，先采用SVC补偿方式，后采用SVG补偿方式输出补偿电流而对系统进行补偿。
所述步骤2中，利用瞬时无功算法计算所述系统的功率因数。
所述步骤3中，按分量法分解电流，从而计算各相需要转换的电流值。
所述步骤4中，在计算出的系统的功率因数偏离功率因数目标值时，所述补偿电流为容性或感性无功电流。
所述步骤3中，所述电压设定值包括电压上限和电压下限；所述步骤4中，当三相电压高于所述电压上限时，所述补偿电流为感性电流，当三相电压低于所述电压下限时，所述补偿电流为容性电流。
一种动态补偿发生装置，与电网和负载构成的系统相连接，所述动态补偿发生装置包括：
对所述系统的三相电流进行采样的三相电流采样模块；
对所述系统的负载电流进行采样的负载电流采样模块；
对所述系统的三相电压进行采样的电压采样模块；
采用SVC补偿方式对系统进行初步补偿的SVC补偿模块；
采用SVG补偿方式对系统进行精确补偿的SVG补偿模块；
用于判断所述电网的三相电流是否平衡，计算所述系统的功率因数并判断其是否偏离设定的功率因数目标值，判断三相电压是否超过电压设定值，在三相电流不平衡时计算各相需要转换的电流值，在计算出的系统的功率因数偏离功率因数目标值时计算待补偿的无功电流，在三相电压超过电压设定值时计算用于调压的电流，并依据计算出的各相需要转换的电流值或待补偿的无功电流或用于调压的电流值发出控制信号给所述SVC补偿模块和所述SVG补偿模块而使所述SVC补偿模块先对系统进行初步补偿、使所述SVG补偿模块后对系统进行精确补偿而输出补偿电流的控制器。
所述SVC补偿模块包括若干个与所述电网相连接的电力电容、一一对应连接于各所述电力电容和所述电网之间的复合开关；所述SVG补偿模块包括若干个由所述控制器控制并与所述系统相连接的IGBT管。
所述动态补偿发生装置还包括为所述复合开关提供驱动信号电源的直流电源。
所述动态补偿发生装置还包括连接于所述控制器与所述复合开关之间的I/O控制板。
所述SVC补偿模块为40kvarSVC补偿模块，所述SVG补偿模块为50kvarSVG补偿模块。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明综合利用了SVC补偿和SVG补偿，同时兼具二者优点，即能够快速、准确、有效地对系统进行无功补偿、三相不平衡补偿和电压不稳定补偿，同时由于SVG补偿仅用于精确补偿，无需过大容量，从而成本也相对较低。
附图说明
附图1为本发明的动态补偿发生装置的原理示意图。
附图2为本发明的动态补偿发生装置的电路原理图。
附图3为本发明 动态补偿发生装置的电路分解示意图。
附图4为本发明的动态补偿发生装置的工作流程示意图。
附图5为本发明的动态补偿发生装置中SVG部分的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：如附图1至附图3所示，一种与电网和负载构成的系统相连接并用于进行无功补偿、三相不平衡补偿和电压不稳定补偿的动态补偿发生装置，包括三相电流采样模块、负载电流采样模块、三相电压采样模块、SVC补偿模块、SVG补偿模块和控制器。
三相电流采样模块用于对系统中的三相电流进行采样，负载电流采样模块用于对系统的负载电流进行采样，电压采样模块用于对系统的三相电压进行采样。三相电流采样模块、负载电流采样模块、三相电压采样模块均与控制器相连接从而将对应的采样信号送入控制器中。
SVC补偿模块与控制器相连接，也与系统相连接，从而在控制器的控制下采用SVC补偿方式对系统进行初步补偿。SVC补偿模块包括若干个与电网相连接的电力电容、一一对应连接于各电力电容和电网之间的复合开关。其中，电力电容为若干电容串并混联构成的电容组。当电力电容对应的复合开关闭合时则将该电力电容接入系统中用于补偿。在本实施例，采用40kvarSVC补偿模块，它包括两个20kvar电力电容1C1、2C1及它们各自对应的复合开关，从而可以实现20kvar的阶梯补偿。
SVG补偿模块与控制器相连接，也与系统相连接，从而在控制器的控制下采用SVG补偿方式对系统进行精确补偿。它包括若干个由控制器控制并与系统相连接的IGBT管，在控制器的控制下输出不同的电流而达到补偿目的。本实施例中采用50kvarSVG补偿模块。
控制器是本装置的核心部件，它的功能包括：判断电网的三相电流是否平衡，计算系统的功率因数并判断其是否偏离设定的功率因数目标值，判断三相电压是否超过电压设定值，在三相电流不平衡时计算各相需要转换的电流值，在计算出的系统的功率因数偏离功率因数目标值时计算待补偿的无功电流，在三相电压超过电压设定值时计算用于调压的电流，依据计算出的各相需要转换的电流值或待补偿的无功电流或用于调压的电流值发出控制信号给SVC补偿模块和SVG补偿模块而使SVC补偿模块先对系统进行初步补偿、使SVG补偿模块后对系统进行精确补偿而输出补偿电流。
通常情况下可以采用外购SVG装置U1，其包括了本方案中的SVG模块和控制器且具有扩展外接装置的功能，从而可以连接至各复合开关并对它们进行控制。SVG装置U1通常具有三组接线端J1、J2、J3，其中J1用于连接三相电流采样模块、三相电压采样模块；J2用于连接复合开关，通常在控制器，即SVG装置U1与复合开关之间设置I/O控制板用于实现二者的连接；J3用于连接负载电流采样模块。这就使得SVG装置U1同时也能够控制SVC模块。考虑到动态补偿发生装置一般是设置在室外，夏天环境温度较高，SVG装置谁让具有温控风扇散热系统，但为了减轻它的实际功耗，再增设一个DC12V、100VA的直流电源，用于为复合开关提供驱动信号电源。这样SVG装置U1只要通过I/O控制板输出一个无缘触点信号就可以根据需求控制复合开关的投切，减轻了SVG的工作负荷，从而确保SVG的稳定运行。
如附图4和附图5所示，上述动态补偿发生装置采用的动态补偿方法包括以下步骤：
步骤1：分别通过三相电流采样模块、负载电流采样模块、三相电压采样模块来采样系统的三相电流、三相电压、负载电流。采样获得的信号送入控制器中。
步骤2：控制器判断系统的三相电流是否平衡，利用瞬时无功算法计算系统的功率因数并判断其是否偏离设定的功率因数目标值，判断三相电压是否超过电压设定值。
步骤3：控制器在三相电流不平衡时按分量法分解电流从而计算各相需要转换的电流值，在计算出的系统的功率因数偏离功率因数目标值时计算待补偿的无功电流，在三相电压超过电压设定值（包括电压上限和电压下限）时计算用于调压的电流；
步骤4：控制器依据各相需要转换的电流值或待补偿的无功电流或用于调压的电流值得到所需的补偿电流，从而分别控制SVC模块和SVG模块，先采用SVC补偿方式，后采用SVG补偿方式输出补偿电流而对系统进行补偿。
对于SVG补偿部分，具体的功能实现方式如下：
（1）三相电流不平衡补偿：通过外部三相电流采样模块检测系统的三相电流，并将三相电流信息发送给内部控制器做分析处理，以判断系统是否处于三相电流不平衡状态。若三相电流不平衡，则计算出达到平衡状态时各相所需要转换的电流值，然后将对应信号发给内部IGBT管并驱动其工作，将不平衡电流从电流大的相转移到电流小的相，最后达到三相平衡。
（2）无功补偿：通过外部负载电流采样模块实时检测系统或者负载电流，利用瞬时无功算法计算系统当前的功率因数，当系统功率因数低于设定的功率因数目标值时，快速计算出待补偿的无功电流，生成 IGBT 的 PWM 控制信号，使装置发出容性或感性的无功电流作为补偿电流注入系统，实现动态无功补偿，保证系统功率因数始终不低于设置值。
（3）电压不稳定补偿：对补偿点电压进行采样，将三相电压信息传递给内部控制器，以判断补偿点电压是否超过设定值，电压设定值包括电压上限和电压下限，当电压超过电压上限Umax时，输出感性电流作为补偿电流而降低电压；当电压低于调压下限时Umin，输出容性电流作为补偿电流而提升电压，最终使各相电压稳定在正常范围。
上述动态补偿发生装置及其采用的动态补偿方法，先将SVC电力电容投入运行进行初步补偿，补偿不足实再将SVG投入运行进行精确补偿，在方案具体实施过程中，将该控制器的工作模式设置为不平衡调补、功率因数补偿及谐波抑制工作状态，这样不仅可以对线路进行电流不平衡补偿，亦可适当补偿无功功率，对谐波也有一定的抑制。
本方案与传统补偿装置相比：
1、本方案采用模块化设计理念，可平滑调节无功，补偿感性和容性负载，达到0.99级补偿效果。而传统补偿装置为分立式元器件自由组装，电容分组投切，无功输出容量呈台阶式，补偿容量不能连续可调，涌流大，投切时对电网冲击较大。
2、本方案全响应时间小于5ms，动态响应时间小于50us，特别适合负载快速变化场合。而传统补偿装置投切速度较慢，无法快速跟踪无功变化。
3、本方案不存在谐振放大现象；且SVG是采用IGBT构成的有源型补偿装置，从机理上避免了谐振现象，安全性大大提高。而传统补偿装置采用多组电容器作为无功补偿主要手段，易发生谐振放大，导致安全事故。
4、本方案可动态双向连续调节无功功率，即从额定感性工况到额定容性工况连续输出无功，和固定电容器组合可构成任意范围的连续补偿。而传统补偿装置采用电力电容器提供无功功率，只能补偿感性负载，在系统呈容性或容感性反复变化的状态，则失去补偿效果。
5、本方案采用模块化设计和柜式安装，无需大量电抗器及电容器作为储能元件，工程设计和安装工作量小。而传统补偿装置需大量电抗器及电容器作为储能元件,占用空间较大，安装接线不便。
6、本方案采用有源型补偿电路，补偿容量受系统电压影响很小，在系统电压变低时也能够输出与额定工况相近的无功电流。而传统补偿装置靠电容器提供容性无功，由于输出的无功电流与电网电压成正比，若电网电压较低其输出的无功电流也变低，导致补偿容量下降，难以给予足够补偿。
7、本方案自身损耗极小且基本不维护，不存在谐振过电压问题设计寿命长。而传统补偿装置补偿投切频繁，电力电容器寿命受谐波、温度影响较大，需经常进行维护。
8、本方案补偿容量即安装容量，达到同等补偿效果SVG容量可比传统无功补偿装置容量小20%~30%。而传统补偿装置为了能达到较好的补偿效果，通常要求安装容量要大于补偿容量。
本方案的有益效果在于：
1、可输出连续的感性或容性无功功率，实现对系统无功的双向补偿，不存在电容器补偿装置的过补偿或欠补偿问题。
2、无功功率的双向输出功能保证装置对系统电压的调节也是双向的，不存在电容器补偿装置在系统电压偏高时无法调节的缺点。
3、高频的IGBT 开关器件保证了装置的快速响应，可对系统电压或无功进行暂态的调节，其响应时间在5ms以内。
4、SVG 装置可对变压器的不平衡电流（负序和零线）电流进行有效的补偿，避免变压器单相过载或零线电流过大烧毁，远大于传统的电容器装置对不平衡的补偿能力。
5、体积小、重量轻，对于现有台区改造方便。
6、可以补偿负荷的三相不平衡电流。
7、具备谐波补偿功能。
经实际运行检验，对于平均功率因数为0.8754，三相不平衡度（%）为15.72的台区应用本方案后，平均功率因数提升到0.9999，三相不平衡度（%）降低为0.08，改善效果显著。而日功率因数则由0.85左右提升到1，改善效果明显，日三相不平衡数也得到明显改善。
本方案的动态补偿发生装置代传统无功补偿装置在配电系统中大面积推广应用，将具有非常大的潜力。另外，SVG的核心器件为IGBT和DSP等电力电子元器件，其价格成本随着材料应用的成熟有下行趋势，有助于该装置的推广应用。
综合所述，该低压无功补偿发生装置适应了现代电网配电特征，保证良好的三相不平衡电流补偿和谐波治理效果的同时，其价格成本也很经济合理，可广泛应用于现代配电系统，使供电企业能够为用户提供更高质量的电能，体现供电公司优质服务的理念。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动态补偿方法，用于对电网和负载构成的系统进行无功补偿、三相不平衡补偿和电压不稳定补偿，其特征在于：所述动态补偿方法包括以下步骤：
步骤1：采样所述系统的三相电流、三相电压、负载电流；
步骤2：判断所述系统的三相电流是否平衡，计算所述系统的功率因数并判断其是否偏离设定的功率因数目标值，判断三相电压是否超过电压设定值；
步骤3：在三相电流不平衡时计算各相需要转换的电流值，在计算出的系统的功率因数偏离功率因数目标值时计算待补偿的无功电流，在三相电压超过电压设定值时计算用于调压的电流；
步骤4：依据各相需要转换的电流值或待补偿的无功电流或用于调压的电流值得到补偿电流，先采用SVC补偿方式，后采用SVG补偿方式输出补偿电流而对系统进行补偿。
2.根据权利要求1所述的动态补偿方法，其特征在于：所述步骤2中，利用瞬时无功算法计算所述系统的功率因数。
3.根据权利要求1所述的动态补偿方法，其特征在于：所述步骤3中，按分量法分解电流，从而计算各相需要转换的电流值。
4.根据权利要求1所述的动态补偿方法，其特征在于：所述步骤4中，在计算出的系统的功率因数偏离功率因数目标值时，所述补偿电流为容性或感性无功电流。
5.根据权利要求1所述的动态补偿方法，其特征在于：所述步骤3中，所述电压设定值包括电压上限和电压下限；所述步骤4中，当三相电压高于所述电压上限时，所述补偿电流为感性电流，当三相电压低于所述电压下限时，所述补偿电流为容性电流。
6.一种动态补偿发生装置，与电网和负载构成的系统相连接，其特征在于：所述动态补偿发生装置包括：
对所述系统的三相电流进行采样的三相电流采样模块；
对所述系统的负载电流进行采样的负载电流采样模块；
对所述系统的三相电压进行采样的电压采样模块；
采用SVC补偿方式对系统进行初步补偿的SVC补偿模块；
采用SVG补偿方式对系统进行精确补偿的SVG补偿模块；
用于判断所述电网的三相电流是否平衡，计算所述系统的功率因数并判断其是否偏离设定的功率因数目标值，判断三相电压是否超过电压设定值，在三相电流不平衡时计算各相需要转换的电流值，在计算出的系统的功率因数偏离功率因数目标值时计算待补偿的无功电流，在三相电压超过电压设定值时计算用于调压的电流，并依据计算出的各相需要转换的电流值或待补偿的无功电流或用于调压的电流值发出控制信号给所述SVC补偿模块和所述SVG补偿模块而使所述SVC补偿模块先对系统进行初步补偿、使所述SVG补偿模块后对系统进行精确补偿而输出补偿电流的控制器。
7.根据权利要求6所述的动态补偿发生装置，其特征在于：所述SVC补偿模块包括若干个与所述电网相连接的电力电容、一一对应连接于各所述电力电容和所述电网之间的复合开关；所述SVG补偿模块包括若干个由所述控制器控制并与所述系统相连接的IGBT管。
8.根据权利要求7所述的动态补偿发生装置，其特征在于：所述动态补偿发生装置还包括为所述复合开关提供驱动信号电源的直流电源。
9.根据权利要求6所述的动态补偿发生装置，其特征在于：所述动态补偿发生装置还包括连接于所述控制器与所述复合开关之间的I/O控制板。
10.根据权利要求6所述的动态补偿发生装置，其特征在于：所述SVC补偿模块为40kvarSVC补偿模块，所述SVG补偿模块为50kvarSVG补偿模块。
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