CN110571810B - 一种整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法。针对整车厂低压配电系统参数及负荷电能质量特性，通过对配电变压器电能质量扰动限值以及所带负荷的电能质量扰动发生量的计算确定满足电能质量考核要求的最低电能质量补偿度，并结合电能质量治理需求确定电能质量治理装置选型，再将不同容量配置下的电能质量治理方案的经济性作为约束条件，将投资回报率最大作为优化目标，在保证电能质量满足标准要求的前提下实现投资价值的最大化，为整车厂低压配电系统电能质量治理优化提供一种切实可行的方法。

Description

一种整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法
技术领域
本发明属于电能质量技术领域，具体是涉及一种基于电能质量和经济性约束的整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法。
背景技术
电能质量是电力工业产品的重要指标，涉及发、供、用各方面的权益。随着电力电子和装备制造技术的发展，以及用电需求的变化，电网中的电能质量扰动源用户逐渐增多，使得电网中的谐波、电压波动与闪变、三相不平衡等电能质量问题尤为突出。
整车厂汽车制造过程主要涉及冲压、焊接、涂装、总装等生产工艺，整个汽车制造流程紧密衔接，具有高度集成的特点，其大量使用数控冲床、等离子切割机床、多工位冲压机床、各类焊机以及大量的基于电力电子器件的变流器设备，不仅是电能质量扰动源也是典型的电能质量敏感设备，其中，谐波会使电压和电流畸变、增加电网损耗、计量仪出错、保护装置误动、引起自动跳闸将导致生产中断。三相不平衡会导致损耗增加、变压器利用率降低、单相过载保护等问题，而无功功率不仅会造成无功损耗，还会引起电压偏低，影响设备的正常运行。而任何一个制造工艺的供电故障、电气事故都会影响到上一个工艺或下一个工艺的正常运作，造成不必要的生产损失。
目前，在进行整车厂低压配电系统电能质量治理装置设计阶段，缺乏一套切实可行的电能质量治理优化方法，造成整车厂在后期运行过程中的电能质量治理效果不佳或者治理方案的经济效益较差等问题，导致整车厂因电能质量问题造成的损失逐年增加。
发明内容
本发明的目的是针对现有的整车厂低压配电系统设计时未能从设计层面系统有效地考虑电能质量治理方案的问题，提出一种基于电能质量和经济性约束的整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法，即针对整车厂低压配电系统电能质量治理问题，以汽车制造过程产生的谐波、无功和三相不平衡等电能质量指标以及电能质量治理装置的投资回报率作为约束条件，为整车厂低压配电系统电能质量治理优化设计提供切实可行的方法。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法，包括以下步骤：
S1.根据整车厂配电变压器供电区域内各用电设备类型及参数，计算用电设备的电能质量扰动发生量，包括谐波电流发生量Ih,n、无功电流发生量IQ,n和不平衡电流发生量Iε,n；
S2.对各用电设备产生的电能质量扰动发生量进行叠加，计算配电变压器下所有电能质量扰动源产生的总电能质量扰动发生量IPQ；
S3.根据上级系统短路容量和配电变压器参数，计算该配电变压器低压系统的最小短路容量；基于该最小短路容量与电能质量考核限值标准，计算低压配电网总进线的电能质量扰动发生量限值；
S4.基于计算的配电变压器用电负荷电能质量扰动发生量以及电能质量扰动发生量限值，确定电能质量治理装置需要补偿的最小电能质量补偿需量IPQC,limt和最小电能质量补偿度KC,limt，并基于电能质量控制指标，结合电能质量治理装置的功能和经济性，进行电能质量治理装置选型；
S5.根据满足最小电能质量补偿度KC,limt下的不同电能质量治理装置选型、总电能质量扰动发生量IPQ、电能质量治理装置冗余度Kη、电能质量治理装置单价CUP，计算不同电能质量补偿度KC下的电能质量治理装置容量IPQC和总投资成本CC；
S6.根据总电能质量扰动发生量IPQ、治理装置运行时间T、治理装置损耗率ηD、电费单价Cup_kWh,计算不同电能质量补偿度KC下的治理装置运行损耗费用CD；
S7.根据电能质量扰动对汽车厂产品报废率、设备损坏率以及设备使用寿命的影响，估算不同电能质量扰动水平下由电能质量问题造成的整车厂损失费用CP；
S8.根据总电能质量扰动发生量IPQ、系统等效电阻RS，电能质量治理装置使用时间T、电费单价CUP,kWh，计算不同电能质量补偿度KC下未补偿的电能质量扰动量在系统等效电阻上产生的损耗费用CS；
S9.确定满足电能质量标准考核限值的最低补偿度KC,limt要求且投资回报率最高的电能质量补偿度KC对应的电能质量治理装置容量配置，即为最优的配电网电能质量治理方案。
本发明针对整车厂低压配电系统参数及负荷电能质量特性，通过对配电变压器电能质量扰动限值以及所带负荷的电能质量扰动发生量的计算确定满足电能质量考核要求的最低电能质量补偿度，并结合电能质量治理需求确定电能质量治理装置选型，再将不同容量配置下的电能质量治理方案的经济性作为约束条件，将投资回报率最大作为优化目标，在保证电能质量满足标准要求的前提下实现投资价值的最大化，为整车厂低压配电系统电能质量治理优化提供一种切实可行的方法。
附图说明
图1基于整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法的流程图；
图2a-2c分别是相线电流转换的示意图，自左向右分别相线电流示意图、对称状态下的相线电流相量图，不对称状态下的相线电流相量图；
图3a-3b分别是不同补偿度下的电能质量治理装置容量和装置投资成本的比较图；
图4a-4d分别是不同补偿度下的治理装置损耗费用，电能质量损失费用以及经济效益、投资回报率的比较图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便相关人员能更好的理解本发明。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，都属于本发明的保护范围。
本发明的基于电能质量约束的整车厂低压配电系统优化设计方法，包括如下步骤：
(1)根据整车厂配电变压器供电区域内各用电设备类型及参数(额定功率SL、额定电流IN、运行功率因数PFL，各次谐波电流含有率HRIh,n％)，计算各用电设备的谐波电流、无功电流和不平衡电流发生量。
步骤(1)的具体步骤包括：
①对车间配电所配电变压器供电区域内各用电设备进行编号，n＝1,2,3……N；
②通过设备厂家提供的设备谐波发射特性(或通过设备典型拓扑查询相关资料)，获得车间变电所配电变压器供电区域内第n个用电设备的h次谐波电流含有率HRIh,n％(根据电能质量国标考核要求，一般地h＝2～25次)，并基于各用电设备的额定容量SL或额定电流IN，计算第n个用电设备的h次谐波电流发生量Ih,n，如下：
Ih,n＝IN×HRIh,n％ (1)
③通过设备厂家提供的设备功率因数PFL,n和额定容量SL,n(或通过设备典型拓扑查询相关资料)，获得车间变电所供电区域内第n个用电设备消耗的无功功率Qn，如下：
Figure BDA0002206227600000041
对应的无功电流IQ,n计算如下：
Figure BDA0002206227600000042
其中，UN是整车厂低压系统的标称电压，一般为UN＝0.38kV。
④通过设备厂家提供的设备额定容量SLn，获得车间变电所供电区域内第n个用电设备产生的不平衡电流Iε,n，如下：
对于三相对称负荷：
Iε,n＝0 (4)
对于单相负荷：
Figure BDA0002206227600000043
(2)对各用电设备产生的电能质量扰动发生量进行叠加，计算配电变压器下所有电能质量扰动源产生的总电能质量扰动发生量IPQ。
具体的计算方式如下：
①对于用电负荷的各次谐波电流总发生量计算方法如下：
由于整车厂低压系统采用三相三线制供电，单相负荷采用两相之间的线电压进行供电，如图2a所示。对于单相负荷群，根据其在电网中的实际分布情况，先对相电流中的单相谐波源进行叠加后再计算线电流谐波，再与三相非线性负荷线电流中的同次谐波电流进行叠加。
上述的相电流中单相谐波源叠加方法如下：对于同一相中的同类型稳态谐波源负荷的各次谐波电流叠加，按照代数和叠加法对该相中的谐波电流进行叠加，即：
Figure BDA0002206227600000044
式中：Ih,All是叠加后的总谐波电流含量，Ih,x是第x个设备的h次谐波电流含量，X是同一相中的单相非线性负荷数量。
对于同一相中的不同类型或波动性负荷的各次谐波电流叠加，按照GB/T 14549-93《电能质量公用电网谐波》中式C5的叠加方法对该相中的谐波电流进行叠加。
上述线电流计算方法如下：取上述计算结果中较大的两相相电流谐波(如IAB,h和ICA,h)计算最大的线电流谐波(如IA,h)，在不考虑相位不对称的情况下，如图2c所示，最大的线电流谐波近似计算如下：
Figure BDA0002206227600000051
如果三相用电负荷分布均匀，即IAB,h＝IBC,h＝ICA,h，则计算的线电流谐波为相电流谐波的
Figure BDA0002206227600000052
倍，如图2b所示。
上述单相非线性负荷群产生的线电流谐波与三相非线性负荷谐波电流的叠加方法如下：将单相非线性负荷群产生的谐波电流转换为线电流谐波后，再与三相用电负荷的线电流进行谐波叠加，谐波叠加方法同相电流中的谐波电流叠加方法。
②对于不同类型负荷产生的无功功率按照代数和叠加方法，即：
Figure BDA0002206227600000053
其中，QL,All是叠加后的总无功功率发生量。
不同类型负荷产生的无功功率对应的无功电流IQ,All计算如下：
Figure BDA0002206227600000054
③对于用电负荷的负序电流(即不平衡电流)总发生量计算方法如下：
对于同类型稳态单相负荷负序电流的叠加，针对单相负荷电流含量最大的相，按照代数和叠加法对该相中单相负荷产生的负序电流进行叠加，即：
Figure BDA0002206227600000055
对于不同类型或波动性负荷负序电流的叠加，针对单相负荷电流含量最大的相，按照正交叠加法对该相中单相负荷产生的负序电流进行叠加，即：
Figure BDA0002206227600000056
式中：Y是单相负荷电流含量最大的相中单相负荷数量，Iε,All是叠加后线电流中的总负序电流含量。
④总的电能质量扰动发生量IPQ计算如下：
Figure BDA0002206227600000061
(3)根据上级系统短路容量和配电变压器参数(容量ST、阻抗电压Ud％)，计算整车厂低压配电系统的短路容量和总进线的谐波电流、不平衡电流和无功电流等电能质量扰动发生量的限值。
具体的步骤如下：
①基于上级系统短路容量SSC,High,min、变压器参数(变压器容量为ST，短路阻抗Ud％)，计算低压系统短路容量SSC,Low,min，其中:
配电变压器等效阻抗：
Figure BDA0002206227600000062
上级系统等效阻抗：
Figure BDA0002206227600000063
则电压系统的最小短路容量计算如下：
Figure BDA0002206227600000064
②基于计算的最小短路容量SSC,Low,min、电能质量考核限值标准或规范，计算低压配电网总进线的各次谐波电流限值。
表1低压配电网总进线的各次谐波电流限值
Figure BDA0002206227600000065
当电网公共连接点的最小短路容量不同于表1中的基准短路容量时，按式(14)修正表2中的谐波电流允许值：
Figure BDA0002206227600000066
式中：Sk——基准短路容量，单位MVA；
IhP——上表中的第h次谐波电流允许值，单位A；
Ih，limt——短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值，单位A；
③基于计算的最小短路容量SSC,Low,min以及母线三相电压不平衡度限值εu2(一般εu2＝2％)，计算低压配电网总进线的不平衡电流发射限值Iε,limt，即：
Figure BDA0002206227600000071
④基于电网中运行功率因数考核限值PFlimt以及总负荷容量SL，确定无功功率限值Qlimt，即：
Figure BDA0002206227600000072
(4)基于计算的配电变压器用电负荷电能质量扰动发生量以及电能质量扰动发生量限值，确定电能质量治理装置需要补偿的最小电能质量补偿需量IPQC,limt和最小电能质量补偿度KC,limt。
具体包括以下步骤：
①基于谐波电流发射限值以及用电负荷的谐波电流发生量，确定电能质量治理装置的谐波电流最小补偿容量需求IH,C；
Figure BDA0002206227600000073
其中，HR是考核的最大谐波次数，一般HR＝25；若Ih,All-Ih，limt<0则令Ih,All-Ih，limt＝0。
②基于负序电流发射限值以及用电负荷的负序电流发生量，确定电能质量治理装置的负序电流最小补偿容量需求Iε,C；
Iε,C＝Iε,All-Iε，limt (18)
若Iε,C<0则令Iε,C＝0。
③基于功率因数考核限值PFlimit以及用电负荷的功率因数PFL及负荷功率SL，确定电能质量治理装置的无功功率最小补偿容量QC，如下：
Figure BDA0002206227600000074
若QC<0则令QC＝0。对应的最小无功补偿电流为：
Figure BDA0002206227600000081
④为了保证总进线的各相电能质量指标满足国标或相关规范的要求，电能质量治理装置需要补偿的最小电流IPQC,limt计算如下：
Figure BDA0002206227600000082
⑤定义电能质量治理装置的补偿度为
Figure BDA0002206227600000083
则电能质量治理装置需要补偿的最小电流IPQC,limt对应的电能质量补偿度KC，limt为：
Figure BDA0002206227600000084
⑥基于电能质量控制指标，结合电能质量治理装置的功能和经济性，进行电能质量治理装置选型。电能质量治理装置包括：
TSC：价格便宜、运行损耗小，主要补偿无功电流。
SVG：价格较高、运行损耗大，但可同时补偿谐波、三相不平衡和无功电流。
从治理效果和经济性角度考虑：当要求同时补偿谐波电流、三相不平衡电流和无功功率时，可优先考虑采用TSC+SVG的混合补偿方式；如果仅要求补偿无功功率，可采用TSC补偿装置。当仅要求补偿谐波或三相不平衡电流时，可考虑采用SVG补偿装置。
(5)根据不同补偿度下的治理装置选型、总电能质量扰动发生量IPQ、电能质量治理装置冗余度Kη、治理装置单价CUP，计算不同电能质量补偿度KC下(其中，KC>KC,limt)的电能质量治理装置容量IPQC和总投资成本CC。其中：
IPQC＝Kη*KC*IPQ (23)
Figure BDA0002206227600000085
其中：Kη为治理装置容量选取的冗余度，一般考虑20％的冗余量，即可取Kη＝1.2；CUP为治理装置的单价，单位为元/A(或kVA、kW)；m为不同类型治理装置的编号。
(6)根据总电能质量扰动发生量IPQ、治理装置运行时间T、治理装置损耗率ηD、电费单价Cup_kWh,计算不同电能质量补偿度下的治理装置运行损耗费用CD，如下：
Figure BDA0002206227600000091
其中，T是治理装置使用时间，单位：小时，可根据治理装置的投资回收期或设备的使用寿命确定。ηD,m为治理装置m的损耗率，一般SVG可取1％～3％，TSC取0.3％～0.5％。CUP,kWh是电力用户使用的电费单价，单位为：元/kWh。KC,m是治理装置m的补偿度。
(7)根据电能质量扰动对汽车厂产品报废率、设备损坏率以及设备使用寿命等的影响，估算不同电能质量扰动水平下由电能质量问题造成的整车厂损失费用CP。
其中CP是与系统的电能质量运行水平相关的量，可根据行业历史统计数据进行估算，或查询相关统计数据获得。经验表达式如下：
CP＝f((1-KC)*IPQ) (26)
其中f()表示函数关系，KC和IPQ是自变量，CP是应变量。
(8)根据总电能质量扰动发生量IPQ、系统等效电阻RS，以及治理装置使用时间T、电费单价CUP,kWh计算不同电能质量补偿度KC下未补偿的电能质量扰动量在系统等效电阻上产生的损耗费用CS。计算方式如下：
CS＝[IPQ×(1-KC)]2×RS×T×CUP,kWh (27)
其中，RS是系统等效电阻，低压系统一般可取系统阻抗XS的1/3～1/5。
(9)确定满足电能质量标准考核限值的最低补偿度KC,limt要求且投资回报率最高的电能质量补偿度KC对应的电能质量治理装置容量配置，即为最优的配电网电能质量治理方案。
其中：
①电能质量补偿后减少的系统损耗费用计算如下：
CS_R＝(IPQ×KC)2×RS×T×CUP,kWh (29)
②电能质量补偿后减少的生产或设备损失费用计算如下：
CP_R＝f(IPQ)-f((1-KC)*IPQ) (29)
③电能质量治理装置补偿后产生的总经济效益计算如下：
CALL＝CS_R+CP_R-CC-CD (30)
④投资回报率计算如下：
Figure BDA0002206227600000101
为了更好的介绍本发明，以下通过一具体的实例进行详细说明：
(1)整车厂焊装车间#1配变供电区域内的用电设备主要是各类焊机，其中：采用单相供电的工频焊机有7台，额定容量为160kVA/台，基波额定电流为421A；平均基波功率因数为0.73，单台工频焊机的2～25次谐波电流含有率见表2。
表2工频焊机2～25次谐波电流含有率统计报表
h 2 3 4 5 6 7 8 9
HRIh％ 2.9 19.1 0.6 4.3 0.5 1.4 0.3 1.3
h 10 11 12 13 14 15 16 17
HRIh％ 0.1 1 0.1 0.5 0.1 0.4 0.1 0.4
h 18 19 20 21 22 23 24 25
HRIh％ 0.1 0.3 0 0.2 0 0.2 0 0.2
采用三相供电的中频焊机有3台，额定容量为75kVA/台，基波额定电流为114A；平均基波功率因数为0.98，单台中频焊机2～25次谐波电流含有率见表3。
表3中频焊机2～25次谐波电流含有率统计报表
h 2 3 4 5 6 7 8 9
HRIh％ 1.6 9.7 1.5 24.1 1.2 14.5 1.0 5.5
h 10 11 12 13 14 15 16 17
HRIh％ 0.8 5 0.7 3.5 0.5 1.9 0.4 1.9
h 18 19 20 21 22 23 24 25
HRIh％ 0.3 1.3 0.3 0.9 0.2 1 0.2 0.8
采用三相供电的CO2保护焊机有2台，额定容量为20kVA/台，基波额定电流为30A，平均基波功率因数为0.98，单台CO2保护焊的2～25次谐波电流含有率见表4。
表4 CO2保护焊机2～25次谐波电流含有率统计报表
h 2 3 4 5 6 7 8 9
HRIh％ 5.4 24.3 4 36.1 4 21.8 3.1 12.2
h 10 11 12 13 14 15 16 17
HRIh％ 2.8 11.1 2.5 8.1 2.1 5.2 1.7 5
h 18 19 20 21 22 23 24 25
HRIh％ 1.4 3.6 1.1 2.6 1 2.3 0.8 1.8
对各用电设备进行编号，其中#1～#7设备为单相工频焊机；#8～#10设备为三相中频焊机；#11～#12设备为三相CO2保护焊机。计算的单个工频焊机、中频焊机和CO2保护焊的2～25次谐波电流发生量计算结果如下：
表5单台工频焊机2～25次谐波电流含量Ihn计算报表(IN＝421A)
h 2 3 4 5 6 7 8 9
I<sub>h</sub>(A) 12.2 80.4 2.5 18.1 2.1 5.9 1.3 5.5
h 10 11 12 13 14 15 16 17
I<sub>h</sub>(A) 0.4 4.2 0.4 2.1 0.4 1.7 0.4 1.7
h 18 19 20 21 22 23 24 25
I<sub>h</sub>(A) 0.4 1.3 0 0.8 0 0.8 0 0.8
表6单台中频焊机2～25次谐波电流含量Ih,n计算报表(IN＝114A)
h 2 3 4 5 6 7 8 9
I<sub>h</sub>(A) 1.8 11.1 1.7 27.5 1.4 16.5 1.1 6.3
h 10 11 12 13 14 15 16 17
I<sub>h</sub>(A) 0.9 5.7 0.8 4 0.6 2.2 0.5 2.2
h 18 19 20 21 22 23 24 25
I<sub>h</sub>(A) 0.3 1.5 0.3 1 0.2 1.1 0.2 0.9
表7单台CO2保护焊机2～25次谐波电流含量Ih,n计算报表(IN＝30A)
h 2 3 4 5 6 7 8 9
I<sub>h</sub>(A) 1.6 7.3 1.2 10.8 1.2 6.5 0.9 3.7
h 10 11 12 13 14 15 16 17
I<sub>h</sub>(A) 0.8 3.3 0.8 2.4 0.6 1.6 0.5 1.5
h 18 19 20 21 22 23 24 25
I<sub>h</sub>(A) 0.4 1.1 0.3 0.8 0.3 0.7 0.2 0.5
通过设备的额定电压UN、基波功率因数PFL,n和额定容量SL,n，根据式(2)和式(3)计算该焊装车间配电变压器供电区域内各类设备(工频焊机、中频焊机和CO2保护焊机)消耗的无功功率及对应的无功电流，计算结果见表8。
表8焊装车间配电变压器供电区域内各类设备消耗的无功功率和无功电流
Figure BDA0002206227600000111
由于中频焊机和CQ2保护焊机均为三相对称用电负荷，不考虑其三相不平衡性，仅考虑单相工频焊机的不平衡电流，由于三相三线制负荷无零序电流，则单台工频焊机产生的负序电流
Figure BDA0002206227600000112
(2)根据各用电负荷的电能质量发生量及发射特性，对各单体设备产生的电能质量扰动发生量进行叠加，计算配电变压器下所有电能质量扰动源产生的总电能质量扰动发生量IPQ。
①对于用电负荷的各次谐波电流总发生量计算方法如下：
单相工频焊机为7台，接于两相之间，其中，AB相和BC相之间接2台工频焊机，CA相之间接3台工频焊机。由于单相工频焊机为随机冲击性负荷，不同焊机的谐波电流发生时刻具有一定的随机性，对于同类焊机或不同类焊机的同次谐波电流叠加均采用GB/T 14549-93《电能质量公用电网谐波》中式C5的叠加方法，则叠加后的单相工频焊机三相相电流谐波计算结果见表9。
表9三相相电流谐波叠加计算结果
h 2 3 4 5 6 7 8 9
I<sub>AB,h</sub>(A) 17.25 152.97 3.54 32.78 2.97 9.73 1.84 7.78
I<sub>BC,h</sub>(A) 17.25 152.97 3.54 32.78 2.97 9.73 1.84 7.78
I<sub>CA,h</sub>(A) 21.13 223.13 4.33 46.49 3.64 13.07 2.25 9.53
h 10 11 12 13 14 15 16 17
I<sub>AB,h</sub>(A) 0.57 6.2 0.57 3.03 0.57 2.4 0.57 2.4
I<sub>BC,h</sub>(A) 0.57 6.2 0.57 3.03 0.57 2.4 0.57 2.4
I<sub>CA,h</sub>(A) 0.69 7.8 0.69 3.75 0.69 2.94 0.69 2.94
h 18 19 20 21 22 23 24 25
I<sub>AB,h</sub>(A) 0.57 1.84 0 1.13 0 1.13 0 1.13
I<sub>BC,h</sub>(A) 0.57 1.84 0 1.13 0 1.13 0 1.13
I<sub>CA,h</sub>(A) 0.69 2.25 0 1.39 0 1.39 0 1.39
根据单相工频焊机三相相电流谐波计算结果，根据式(7)计算的单相工频焊机产生的最大线电流谐波计算结果见表10。
表10单相工频焊机产生的最大线电流谐波计算结果
h 2 3 4 5 6 7 8 9
I<sub>A</sub>(A) 33.29 327.6 6.83 68.99 5.73 19.82 3.55 15.02
h 10 11 12 13 14 15 16 17
I<sub>A</sub>(A) 1.09 12.15 1.09 5.88 1.09 4.63 1.09 4.63
h 18 19 20 21 22 23 24 25
I<sub>A</sub>(A) 1.09 3.55 0 2.19 0 2.19 0 2.19
将计算的工频焊机最大线电流谐波与中频焊机、CQ2保护焊机产生的谐波电流进行叠加，得到所有焊机设备的谐波电流发生量Ih,All计算结果见表11。
表11谐波电流发生量计算报表
Figure BDA0002206227600000121
Figure BDA0002206227600000131
对应的总谐波电流含量
Figure BDA0002206227600000132
②所有焊机的消耗的总无功功率计算如下：
Figure BDA0002206227600000133
对应的基波无功电流为：
Figure BDA0002206227600000134
③对于不同类型负荷产生的不平衡电流按照正交叠加方法，由于CQ2焊机和中频焊机均为三相对称负荷，不平衡电流仅考虑工频焊机，单相中最多含有3台工频焊机，则其产生的最大负序电流计算如下：
Figure BDA0002206227600000135
④根据上述计算，该配电变压器下所有焊机产生的谐波、无功和不平衡电流总量如下：
Figure BDA0002206227600000136
(3)根据上级系统短路容量和配电变压器参数(容量ST、二次侧额定电压U2N、阻抗电压Ud％)，计算整车厂低压配电系统的短路容量和总进线的谐波电流、不平衡电流和无功电流等电能质量扰动发生量限值。
①变压器容量为1.6MVA，短路阻抗为5.5％，变压器的等效阻抗为：
Figure BDA0002206227600000137
配电变压器10kV侧的最小短路容量为200MVA，则
Figure BDA0002206227600000138
配电变压器最小短路容量为：
Figure BDA0002206227600000139
②基于计算的最小短路容量，计算低压配电网总进线的各次谐波电流限值，见表12。
表12低压配电系统总进线的各次谐波电流限值
h 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
I<sub>h,limit</sub> 196.8 156.4 98.4 156.4 65.6 111 47.9 53 40.4 70.6 32.8 60.6
h 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
I<sub>h,limit</sub> 27.8 30.3 24.5 45.4 21.7 40.4 19.7 22.5 17.9 35.3 16.4 30.3
计算出对应的总谐波电流含量限值IH,limit＝374.9A。
③基于计算的最小短路容量SSC,Low,min以及母线三相电压不平衡度限值εu2(一般εu2＝2％)，计算低压配电系统总进线的负序电流发射限值如下：
Figure BDA0002206227600000141
④基于电网中运行功率因数考核需求PFlimt(一般PFlimt＝0.9)以及负荷容量PL,n和QL,n确定无功功率限值为Qlimt。其中：
Figure BDA0002206227600000142
Figure BDA0002206227600000143
计算的无功功率限值为
Figure BDA0002206227600000144
对应的基波无功电流为
Figure BDA0002206227600000145
(4)基于计算的配电变压器用电负荷电能质量扰动发生量以及电能质量扰动发生量限值，确定电能质量治理装置的类型、最小电能质量治理装置容量IPQC,limt和最小电能质量补偿度KC,limt。包括：
①基于用电负荷的电能质量发生量以及电能质量发射限值，确定最小电能质量治理装置容量计算结果见表13。
表13不同电网运行方式下的最小电能质量治理装置容量计算
Figure BDA0002206227600000146
注：对比谐波电流发生量和谐波电流限值，仅有3次谐波电流超标，其中并3次谐波电流发生量和限值分别为364.4A和156.4A，因此谐波电流补偿量为208.0A。
为了保证总进线的各相电能质量指标满足国标或相关规范的要求，电能质量治理装置需要补偿的最小电流为
Figure BDA0002206227600000147
满足电能质量考核指标的最小电能质量补偿度为/>
Figure BDA0002206227600000151
②为了满足电能质量考核要求，需要同步补偿谐波电流和无功电流，考虑治理装置的控制效果以及投资经济性，应采用TSC+SVG的混合补偿方式。
(5)对于TSC+SVG混合补偿方式，SVG主要用于补偿负序电流和谐波电流，而TSC主要用于补偿无功电流。由于TSC损耗低、投资成本小，在补偿度满足电能质量指标考核要求后，继续提高电能质量补偿度时优先考虑TSC进行无功补偿，然后再考虑采用增大SVG容量进行谐波滤波和不平衡治理。SVG装置单价CUP,SVG＝300元/A，TSC装置单价CUP,TSC＝80元/A，同时考虑治理装置容量冗余度Kη＝1.2,总电能质量扰动发生量IPQ＝1371.1A，则根据式(21)和(22)计算的不同电能质量补偿度KC下(其中，KC>KC,limt)电能质量治理装置投资成本CC如图3b所示。
(6)治理装置的使用年限按照10年计算，即T＝10×365×24＝87600小时，SVG的损耗率ηD,SVG＝1.5％、TSC的损耗率ηD,TSC＝0.5％、电费单价CUP,kWh＝1元/kWh，则不同补偿度下的治理装置运行损耗费用CD计算如图4a所示。
(7)根据电能质量扰动对汽车厂产品报废率、设备损坏率以及设备使用寿命等的影响，估算不同电能质量扰动水平下由电能质量问题造成的整车厂损失费用CP。
假设该汽车厂因电能质量造成的影响与电能质量扰动源电流的大小呈指数增长趋势，满足
Figure BDA0002206227600000152
计算的不同补偿度下由电能质量问题造成的整车厂损失费用如图4b所示。其中，CUP为每安培的电能质量扰动在时间T内造成的生产或设备损失费用，取60元/A。
(8)根据总电能质量扰动发生量IPQ＝1371.1A、系统等效电阻RS＝XS/4，治理装置使用时间T＝87600小时、电费单价CUP,kWh＝1元/kWh,计算不同电能质量补偿度KC下未补偿的电能质量扰动量在系统等效电阻上产生的损耗费用CS，如图4b所示。
(9)根据各参数，结合式(26)、式(27)和式(28)，计算出不同补偿度下减小的系统损耗费用、减少的生产或设备损失费用、以及考虑治理设备投资和损耗的总经济效益，如图4c所示。再根据式(29)计算不同补偿度下的投资回报率，如图4d所示，可以看出，当电能质量补偿度为0.8时对应的电能质量治理装置容量配置，即为最优的配电网电能质量治理方案。
由于电能质量治理是一个系统工程，因此本发明针对整车厂的低压配电系统电能质量治理优化设计时，以电能质量指标为约束条件，在电能质量满足约束条件的前提下，从治理装置投资和电网运行的角度考虑投资的经济性，从而实现整车厂低压配电系统的安全和经济运行。

Claims (7)

1.一种整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法，其特征在于，包括步骤：
S1.根据整车厂配电变压器供电区域内各用电设备类型及参数，计算用电设备的电能质量扰动发生量，包括谐波电流发生量Ih,n、无功电流发生量IQ,n和不平衡电流发生量Iε,n；
S2.对各用电设备产生的电能质量扰动发生量进行叠加，计算配电变压器下所有电能质量扰动源产生的总电能质量扰动发生量IPQ；
S3.根据上级系统短路容量和配电变压器参数，计算该配电变压器低压系统的最小短路容量；基于该最小短路容量与电能质量考核限值标准，计算低压配电网总进线的电能质量扰动发生量限值；
S4.基于计算的配电变压器用电负荷电能质量扰动发生量以及电能质量扰动发生量限值，确定电能质量治理装置需要补偿的最小电能质量补偿需量IPQC,limt和最小电能质量补偿度KC,limt，并基于电能质量控制指标，结合电能质量治理装置的功能和经济性，进行电能质量治理装置选型；
S5.根据满足最小电能质量补偿度KC,limt下的不同电能质量治理装置选型、总电能质量扰动发生量IPQ、电能质量治理装置冗余度Kη、电能质量治理装置单价CUP，计算不同电能质量补偿度KC下的电能质量治理装置容量IPQC和总投资成本CC；
S6.根据总电能质量扰动发生量IPQ、治理装置运行时间T、治理装置损耗率ηD、电费单价Cup_kWh,计算不同电能质量补偿度KC下的治理装置运行损耗费用CD；
S7.根据电能质量扰动对汽车厂产品报废率、设备损坏率以及设备使用寿命的影响，估算不同电能质量扰动水平下由电能质量问题造成的整车厂损失费用CP；
S8.根据总电能质量扰动发生量IPQ、系统等效电阻RS，电能质量治理装置使用时间T、电费单价CUP,kWh，计算不同电能质量补偿度KC下未补偿的电能质量扰动量在系统等效电阻上产生的损耗费用CS；
S9.确定满足电能质量标准考核限值的最低补偿度KC,limt要求且投资回报率最高的电能质量补偿度KC对应的电能质量治理装置容量配置，即为最优的配电网电能质量治理方案。
2.根据权利要求1所述整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法，其特征在于，
其中，第n个用电设备的h次谐波电流发生量Ih,n，计算方式如下：
Ih,n＝IN×HRIh,n％，IN为额定电流，HRIh,n％为各次谐波电流含有率，
第n个用电设备消耗的无功功率Qn，计算方式如下：
Figure FDA0004039131760000021
PFL,n为设备功率因数，SL,n为额定容量；
对应的无功电流IQ,n计算方式如下：
三相为
Figure FDA0004039131760000022
单相为/>
Figure FDA0004039131760000023
其中，UN是整车厂低压系统的标称电压，UN＝0.38kV，
第n个用电设备产生的不平衡电流Iε,n，计算方式如下：
对于三相对称负荷：Iε,n＝0，对于单相负荷：
Figure FDA0004039131760000024
3.根据权利要求1所述整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法，其特征在于，所述总电能质量扰动发生量IPQ计算方式如下：
Figure FDA0004039131760000025
其中，Ih,All是叠加后的总谐波电流含量，IQ,All叠加后的无功功率对应的无功电流，Iε,All是叠加后线电流中的不平衡电流含量。
4.根据权利要求1所述整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法，其特征在于，所述最小电能质量补偿需量IPQC,limt的计算方式如下：
Figure FDA0004039131760000026
其中，IH,C为确定的电能质量治理装置的谐波电流最小补偿容量需求，Iε,C为确定的电能质量治理装置的最小负序电流补偿容量需求，IQ,C为确定的电能质量治理装置的最小无功功率补偿电流；
所述最小电能质量补偿度KC,limt计算方式如下：
Figure FDA0004039131760000027
5.根据权利要求1所述整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法，其特征在于，
所述电能质量治理装置容量IPQC和总投资成本CC，计算方式如下：
IPQC＝Kη*KC*IPQ,
Figure FDA0004039131760000028
m为不同类型治理装置的编号。
6.根据权利要求5所述整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法，其特征在于，所述不同电能质量补偿度下的治理装置运行损耗费用CD，计算方式如下：
Figure FDA0004039131760000031
ηD,m为电能质量治理装置m的损耗率，KC,m是电能质量治理装置m的补偿度。
7.根据权利要求5所述整车厂低压配电系统电能质量治理优化方法，其特征在于，估算不同电能质量扰动水平下由电能质量问题造成的整车厂损失费用CP，计算方式如下：
CP＝f((1-KC)*IPQ),
其中f()表示函数关系，是根据行业历史统计数据进行估算或查询统计数据获得的经验函数关系，KC和IPQ是自变量，CP是应变量；
不同电能质量补偿度KC下未补偿的电能质量扰动量在系统等效电阻上产生的损耗费用CS,计算方式如下：
CS＝[IPQ×(1-KC)]2×RS×T×CUP,kWh，
投资回报率计算如下：
Figure FDA0004039131760000032
电能质量治理装置补偿后产生的总经济效益CALL＝CS_R+CP_R-CC-CD,电能质量补偿后减少的系统损耗费用CS_R＝(IPQ×KC)2×RS×T×CUP,kWh电能质量补偿后减少,的生产或设备损失费用CP_R＝f(IPQ)-f((1-KC)*IPQ)。
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