CN108879678A - 配变装置有源补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

一种配变装置有源补偿控制方法，所述方法运用查表法确定补偿比例；将三相不平衡电流、无功电流、谐波电流的治理比例分别定义为k₁、k₂、k₃，其中0≤k₁,k₂,k₃≤1；将动态智能补偿及谐波治理后的电能质量改善量进行量化，列出最优化方程；其次将动态智能补偿及谐波治理前后的变压器有功损耗进行量化，列出最优化方程；将电能质量改善量优化方程和变压器有功损耗优化方程进行综合处理，得到综合评价方程；通过计算综合评价方程，得出对应不同电能质量区间的最优补偿比例k₁,k₂,k₃的值，从而制定出表格。本发明配变装置有源补偿控制方法，通过查表法确定补偿比例k₁,k₂,k₃，大大简化控制器操作，可以快速得出最优方案，使补偿之后变压器工作在安全状况、经济状况及电能质量综合最优的工作状态。

Description

配变装置有源补偿控制方法

技术领域

本发明涉及一种配变装置有源补偿控制方法，属自动控制技术领域。

背景技术

普通配电变压器常带来无功、谐波、三相不平衡等问题，这些问题对电网造成很大影响。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。无功功率的增加也会使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低；谐波的存在将影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。谐波也会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作；三相不平衡会造成末端用户的中性点发生偏移，造成有些相电压过高，用户用电器绝缘老化，使用寿命减少，有些相用户电压过低，部分用电器无法启动，直接影响了用户的用电体验。

解决配电变压器无功的问题很简单，可以用电容对其进行补偿，这也是大多数配电变压器容易做到的，但现有的配电变压器对谐波及三相不平衡问题难以解决，有鉴于此，针对配电变压器进行无功、谐波、三相不平衡问题有源补偿的控制方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是，针对配电变压器进行无功、谐波、三相不平衡问题有源补偿的控制存在的问题，提出一种配变装置有源补偿控制方法。

实现本发明的技术方案如下，一种配变装置有源补偿控制方法，所述方法运用查表法确定补偿比例；将三相不平衡电流、无功电流、谐波电流的治理比例分别定义为k₁、k₂、k₃，其中0≤k₁,k₂,k₃≤1；将动态智能补偿及谐波治理后的电能质量改善量进行量化，列出最优化方程；其次将动态智能补偿及谐波治理前后的变压器有功损耗进行量化，列出最优化方程；将电能质量改善量优化方程和变压器有功损耗优化方程进行综合处理，得到综合评价方程；通过计算综合评价方程，得出对应不同电能质量区间的最优补偿比例k₁,k₂,k₃的值，从而制定出表格；

所述表格的制定包括下列步骤：

(1)确定电能质量单相指标标准，将不同电能质量单项指标进行分级；然后对不同电能质量单项指标的分级区间进行分类组合；

(2)建立综合评价方程；

(3)根据综合评价方程求解最优补偿比例；

(4)对不同的分级区间组合一一进行计算，从而制定出表格。

所述综合评价方程的确定步骤如下：

(1)确定补偿后的三相平衡电能质量单项指标改善量，对三相不平衡电流按照治理比例为k₁治理后，电流不平衡度电能质量单相指标改善量ΔQ₁为：

ΔQ₁＝E(b_ε)-(1-k₁)E(b_ε)＝k₁E(b_ε)

式中E(b_ε)为三相电流不平衡度b_ε在一个周期内的平均值；

(2)确定补偿后无功的电能质量单项指标改善量，对无功电流按照治理比例为k₂治理后无功电流单相电能质量单相指标改善量ΔQ₂为：

ΔQ₂＝E(q_ε)-(1-k₂)E(q_ε)k₂E(q_ε)

式中E(qε)为无功电流指标qε在一个周期内的平均值；

(3)确定治理谐波后的电能质量单项指标改善量，对三相不平衡电流按照治理比例为k₃治理后谐波电流电能质量单相指标改善量ΔQ₃为：

ΔQ₃＝E(h_ε)-(1-k₃)E(h_ε)＝k₃E(h_ε)

式中E(h_ε)谐波电流指标h_ε在一个周期内的平均值；

(4)确定电能质量改善量优化方程，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)进行治理后的电能质量改善量ΔQ为：

ΔQ＝ΔQ₁+ΔQ₂+ΔQ₃＝k₁E(b_ε)+k₂E(q_ε)+k₃E(hε)

上式中ΔQ为k₁、k₂、k3的函数，上式简写为：

ΔQ＝e(k₁,k₂,k₃)；

(5)确定治理三相不平衡的节能收益，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、I_1B、I_1C；对三相不平衡电流按照治理比例为k₁治理后的节能收益为：

其中I_1A、I_1B、I_1C为k₁的函数，将其标幺化，简写为：

ΔP₁ ^*＝ΔP₁/S_N＝S₁(k₁，k₂，k₃)/S_N＝S₁ ^*(k₁，k₂，k₃)；

(6)确定治理无功的节能收益，对无功功率按照比例k₂治理后三相电流有效值为I_2A、I_2B、I_2C；对无功电流按照补偿比例为k₂补偿后的节能收益为：

将其标幺化，简写为：

ΔP₂ ^*＝ΔP₂/S_N＝S₂(k₁，k₂，k₃)/S_N＝S₂ ^*(k₁，k₂，k₃)；

(7)确定治理谐波的节能收益，对谐波电流按照治理比例为k₃补偿后的节能收益为：

式中，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，I₁为非正弦交流电的基波电流，n为谐波的次数；将其标幺化为：

ΔP₃ ^*＝ΔP₃/S_N＝S₃(k₁，k₂，k₃)/S_N＝S₃ ^*(k₁，k₂，k₃)；

(8)确定变压器有功损耗进行量化优化方程，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进行治理后的经济收益为：

(9)确定综合评价方程为：

f(k₁,k₂,k₃)＝λ₁·S^*(k₁,k₂,k₃)+λ₂·e(k₁,k₂,k₃)

其中λ₁、λ₂为节能收益和电能质量的权值，由专家根据实际情况打分确定，并且λ₁+λ₂＝1。

所述最优补偿比例的求解分为两种情况，若新型配电变压器二次侧运行工况良好，电力电子设备直流侧容量足够治理电能质量；这种情况下，采用完全补偿，即k₁＝k₂＝k₃＝1；

若新型配电变压器二次侧运行工况比较恶劣，电力电子设备直流侧容量不足，则需通过计算求解，

其步骤如下：

(1)根据目标函数及条件函数做拉格朗日函数：

其中，μ为参数，为条件函数；

(2)求拉格朗日函数对k₁,k₂,k₃的一阶偏导数，并使之为零，然后与条件函数联立起来：

(3)求解上述方程组，若求得的结果中某个比例系数大于1，则取其为1，带入方程重新计算其他未知数；如此，便可求出k₁,k₂,k₃的最优解。

本发明的有益效果是，本发明配变装置有源补偿控制方法，通过查表法确定补偿比例k₁,k₂,k₃，大大简化了控制器操作，可以快速得出最优方案，使补偿之后新型变压器工作在安全状况、经济状况及电能质量综合最优的工作状态。本发明对配电变压器进行无功、谐波、三相不平衡问题有源补偿的控制方法具有重要意义。

具体实施方式

本发明具体实施以额定空载损耗ΔP₀＝0.325kW，额定短路损耗P_k＝2.6kW，额定电流I_e＝303.9A，额定容量S_N＝200kVA的变压器为例。

1、电能质量的分级确定

1.1不平衡电流分级的确定

以A相不平衡为例，将三相不平衡度分为三级，PVUR<0.25、0.25<PVUR<0.5和0.5<PVUR。三种取值范围时的负序、零序及所需补偿电流如下表所示。

不平衡度	B、C相电流	负序电流	零序电流	需要补偿电流
					0<PVUR<0.25	202.1<I<288.7	0<I2<29	0<I0<29	0<IC<58
0.25<PVUR<0.5	144.35<I<202.1	29<I2<50	29<I0<50	58<IC<100
					0.5<PVUR	I<144.35	50<I2	50<I0	100<IC

1.2无功电流分级的确定

假设新型配电变压器满载运行，将负载功率因素分为三个等级，0.95<φ<1、0.8<φ<0.95和φ<0.8，其无功电流大小和所需补偿电流大小如下表所示。

功率因数	有功电流	无功电流	补偿电流
				0.95<Φ<1	274.3<Ip<288.7	0<Iq<90.1	0<Ic<90.1
0.8<Φ<0.95	231<Ip<274.3	90.1<Iq<173.2	90.1<Ic<173.2
				Φ<0.8	Ip<231	173.2<Iq	173.2<Ic

1.3谐波电流含量的分级确定

按照满载时谐波电流与基波电流的比例确定谐波电流含量的分级，将谐波含量分为0<w<0.1和0.1<w两种等级,其谐波电流大小和所需补偿电流大小如下所示：

谐波电流含量	谐波电流大小	补偿电流大小
			0<w<10％	0<Ih<28.8	0<Ic<28.8
10％<w	28.8<Ih	28.8<Ic

2、补偿比例表格的制定

利用求解最优化方程实时求解k₁,k₂,k₃数值的方法，对分级区间组合一一进行计算，得出查表表格。按照最大补偿电流为150A制定补偿比例表格，按照新型配电变压器满载计算，当谐波含量0<w<0.1，I_h<28.8A时。

补偿比例表格如下：

按照新型配电变压器满载计算，当谐波含量0.1<w，即28.8A<I_h时。补偿比例表格如下：

在控制器实际控制过程中，根据检测到的不平衡电流、无功电流和谐波电流的数值，查表寻找相对应的补偿比例k₁,k₂,k₃，然后在查得的补偿比例区间内适当调整补偿比例，以达到兼顾节能和电能质量并且充分利用直流侧补偿容量的目的。

Claims (3)

1.一种配变装置有源补偿控制方法，其特征在于，所述方法运用查表法确定补偿比例；将三相不平衡电流、无功电流、谐波电流的治理比例分别定义为k₁、k₂、k₃，其中0≤k₁,k₂,k₃≤1；将动态智能补偿及谐波治理后的电能质量改善量进行量化，列出最优化方程；其次将动态智能补偿及谐波治理前后的变压器有功损耗进行量化，列出最优化方程；将电能质量改善量优化方程和变压器有功损耗优化方程进行综合处理，得到综合评价方程；通过计算综合评价方程，得出对应不同电能质量区间的最优补偿比例k₁,k₂,k₃的值，从而制定出表格；

表格的制定包括下列步骤：

(1)确定电能质量单相指标标准，将不同电能质量单项指标进行分级；然后对不同电能质量单项指标的分级区间进行分类组合；

(2)建立综合评价方程；

(3)根据综合评价方程求解最优补偿比例；

(4)对不同的分级区间组合一一进行计算，从而制定出表格。

2.根据权利要求1所述的配变装置有源补偿控制方法，其特征在于，所述综合评价方程的确定步骤如下：

(1)确定补偿后的三相平衡电能质量单项指标改善量，对三相不平衡电流按照治理比例为k₁治理后，电流不平衡度电能质量单相指标改善量ΔQ₁为：

ΔQ₁＝E(b_ε)-(1-k₁)E(b_ε)＝k₁E(b_ε)

式中E(b_ε)为三相电流不平衡度b_ε在一个周期内的平均值；

(2)确定补偿后无功的电能质量单项指标改善量，对无功电流按照治理比例为k₂治理后无功电流单相电能质量单相指标改善量ΔQ₂为：

ΔQ₂＝E(q_ε)-(1-k₂)E(q_ε)＝k₂E(q_ε)

式中E(q_ε)为无功电流指标q_ε在一个周期内的平均值；

(3)确定治理谐波后的电能质量单项指标改善量，对三相不平衡电流按照治理比例为k₃治理后谐波电流电能质量单相指标改善量ΔQ₃为：

ΔQ₃＝E(h_ε)(1-k₃)E(h_ε)＝k₃E(h_ε)

式中E(h_ε)谐波电流指标h_ε在一个周期内的平均值；

(4)确定电能质量改善量优化方程，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)进行治理后的电能质量改善量ΔQ为：

ΔQ＝ΔQ₁+ΔQ₂+ΔQ₃＝k₁E(b_ε)+k₂E(q_ε)+k₃E(h_ε)

上式中ΔQ为k₁、k₂、k₃的函数，上式简写为：

ΔQ＝e(k₁,k₂,k₃)；

(5)确定治理三相不平衡的节能收益，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、I_1B、I_1C；对三相不平衡电流按照治理比例为k₁治理后的节能收益为：

其中I_1A、I_1B、I_1C为k₁的函数，将其标幺化，简写为：

ΔP₁ ^*＝ΔP₁/S_N＝S₁(k₁,k₂,k₃)/S_N＝S₁ ^*(k₁,k₂,k₃)；

(6)确定治理无功的节能收益，对无功功率按照比例k₂治理后三相电流有效值为I_2A、I_2B、I_2C；对无功电流按照补偿比例为k₂补偿后的节能收益为：

将其标幺化，简写为：

ΔP₂ ^*＝ΔP₂/S_N＝S₂(k₁,k₂,k₃)/S_N＝S₂ ^*(k₁,k₂,k₃)；

(7)确定治理谐波的节能收益，对谐波电流按照治理比例为k₃补偿后的节能收益为：

式中，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，I₁为非正弦交流电的基波电流，n为谐波的次数；将其标幺化为：

ΔP₃ ^*＝ΔP₃/S_N＝S₃(k₁,k₂,k₃)/S_N＝S₃ ^*(k₁,k₂,k₃)；

(8)确定变压器有功损耗进行量化优化方程，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)进行治理后的经济收益为：

(9)确定综合评价方程为：

f(k₁,k₂,k₃)＝λ₁·S^*(k₁,k₂,k₃)+λ₂·e(k₁,k₂,k₃)

其中λ₁、λ₂为节能收益和电能质量的权值，由专家根据实际情况打分确定，并且λ₁+λ₂＝1。

3.根据权利要求1所述的配变装置有源补偿控制方法，其特征在于，所述最优补偿比例的求解分为两种情况，若新型配电变压器二次侧运行工况良好，电力电子设备直流侧容量足够治理电能质量；这种情况下，采用完全补偿，即k₁＝k₂＝k₃＝1；

若新型配电变压器二次侧运行工况比较恶劣，电力电子设备直流侧容量不足，则需通过计算求解，其步骤如下：

(1)根据目标函数及条件函数做拉格朗日函数：

其中，μ为参数，为条件函数；

(2)求拉格朗日函数对k₁,k₂,k₃的一阶偏导数，并使之为零，然后与条件函数联立起来：

(3)求解上述方程组，若求得的结果中某个比例系数大于1，则取其为1，带入方程重新计算其他未知数；如此，便可求出k₁,k₂,k₃的最优解。