CN110854867A - 一种低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统及其控制方法 - Google Patents

一种低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统及其控制方法。本发明中的电能质量综合优化系统包括无源无功补偿单元和多个多目标电能质量优化单元。其中，无源无功补偿单元包括无源共补型电容器，以及分补型电容器、相间跨接式电容器两者中的一种或两种。针对电能替代场景的用电特性，该系统能够有效治理电能质量的三相不平衡、无功、谐波等多种问题，在大功率快速冲击性工况下，实现快速动态响应的多目标综合优化治理，从而提高供电可靠性和电能品质。同时，本发明系统的控制方法能够根据系统实时运行情况，自动选择最优工作模式，即在保证系统治理效果的前提下，尽可能最小化系统损耗，是一种高效、节能的控制管理方法。

Description

一种低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统及其控 制方法
技术领域
本发明涉及低压配网电能替代场景下的电能质量综合优化治理技术，具体涉及一种低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统及其控制方法。
背景技术
在低压配电网，电能质量问题日渐突出，尤其是随着电能替代工程的推进，电能质量问题将变得异常严峻。电能替代场景的电能质量问题具有典型特殊性，低压配网应用电能替代元件多为单相负荷，且单个负荷功率较大，在低压负荷中份额比例高；同时，电能替代负荷由于接线、用电差异性，导致三相不平衡问题严重，造成电能替代元件在启动瞬间功率冲击大，达到额定功率的3倍多；而电能替代元件在启动瞬间，消耗了大量的无功功率，进一步加剧电压跌落，尤其是变压器边端的电压跌落情况更为严重。而随着电能替代的场景日益丰富，负荷的多样性以及电子化趋势的发展，谐波以及无功问题也越来越突出。针对上述问题，研发新型的电能质量治理系统、装置迫在眉睫。
申请号为201710279465.9的中国专利文献提出一种采用有源电力滤波器与换相开关解决配电网电能质量问题，有源电力滤波器主要解决谐波问题以及无功问题，有源电力滤波器容量相对较大，用以满足低压配电网无功补偿以及滤除谐波的需求，系统的损耗较大。针对电能替代应用背景，换相开关受开关寿命，一般适合于具有规律性的不平衡问题调节，每天最多切换1～2次，但对于电能替代应用场景，负荷频繁大幅度波动，所以该方式并不适合。
申请号为201610622366.1的中国专利文献提出一种通过补偿无功以及换相开关调节实现低压配电线路末端低电压问题，针对感性无功以及三相不平衡治理从而实现解决低电压的问题。电能替代应用场景存在无功消耗大，但更多是无功冲击和大幅度的三相不平衡波动。换相开关并不适合于该场景的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统及其控制方法，本发明电能质量综合优化系统包括无源无功补偿单元和多个多目标电能质量优化单元，无源无功补偿单元包括无源共补型电容器以及分补型电容器、相间跨接式电容器两者中的一种或两种。针对电能替代场景的用电特性，该系统能够有效治理电能质量的三相不平衡、无功、谐波等多种问题，在大功率快速冲击性工况下，实现快速动态响应的多目标综合优化治理，从而提高供电可靠性和电能品质。同时，本发明系统的控制方法能够根据系统实时运行情况，自动选择最优工作模式，即在保证系统治理效果的前提下，尽可能最小化系统损耗，是一种高效、节能的控制管理方法。
为解决电能质量的三相不平衡、无功、谐波等多种问题，本发明采用的技术方案如下。
本发明提供一种低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统，包括无源无功补偿单元和多个多目标电能质量优化单元，所述无源无功补偿单元包括无源共补型电容器以及分补型电容器、相间跨接式电容器两者中的一种或两种，所述多目标电能质量优化单元、无源共补型电容器、分补型电容器、相间跨接式电容器分别与配电网相连。
可选地，所述多目标电能质量优化单元包括相互连接的功率变换单元和储能电容器组，所述功率变换单元的直流侧与储能电容器相连、交流侧三个输出端并网连接低压配电网线路中。
可选地，所述功率变换单元为二极管钳位三电平三相桥式功率变换单元。
可选地，所述二极管钳位三电平三相桥式功率变换单元的直流母线中点与配电网N线连接，且三个交流侧输出端分别通过逆变电感器、滤波电感器并网连接低压配电网线路中，所述二极管钳位三电平三相桥式功率变换单元的并网端和与配电网 N线之间并联布置有LCL型滤波网络。
可选地，所述LCL型滤波网络包括并联的滤波支路与电容器支路，所述滤波支路包括串联连接的电感器和电容器，所述电容器支路包括串联连接的电容器和阻尼电阻，所述并联的滤波支路与电容器支路一端和配电网线路中的对应相线路相连、另一端和配电网 N线连接。
可选地，所述多个多目标电能质量优化单元包括并联布置在电能替代元件与配电网相连的支路上的第一多目标电能质量优化单元、以及直接连接在配电网线路上的第二多目标电能质量优化单元。
可选地，所述无源共补型电容器采用配电网A、B、C相之间角接方式连接，三相之间的电容器同步投入切除；所述分补型电容器两端连接于配电网A、B、C各相与中性线N之间且具备独立控制投切各电容器的功能；所述相间跨接式电容器两端跨接于配电网A、B、C两相之间且具备独立控制投切各电容器的功能。
可选地，还包括系统优化控制器，所述无源无功补偿单元的投切控制端以及多目标电能质量优化单元的控制端分别与系统优化控制器相连。
可选地，所述系统优化控制器包括依次相连的采样单元、运算单元、控制单元以及通讯单元，所述采样单元采集配电网的三相电流电压数据并输出给运算单元，所述运算单元根据配电网的三相电流电压数据计算出功率因数、三相不平衡度以及各次谐波电流，所述控制单元根据运算单元输出结果生成控制参数分别控制多目标电能质量优化单元、无源共补型电容器、分补型电容器、相间跨接式电容器的工作状态以实现低压配网电能替代场景的电能质量综合优化。
此外，本发明提供一种前述的低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统的控制方法，实施步骤包括：
1）采集配电网的电流、电压；
2）根据配电网的电流、电压分别计算出配电网的功率因数、三相不平衡度以及各次谐波电流的谐波电流畸变率；
3）如果功率因数、三相不平衡度、谐波电流畸变率均合格，则判定不需要进行低压配网电能替代场景的电能质量综合优化；如果功率因数合格且三相不平衡度或谐波电流畸变率不合格，由多目标电能质量优化单元补偿治理；如果功率因数不合格且三相不平衡度合格，优先投入无源共补型电容器，剩余容量由多目标电能质量优化单元补偿治理；如果功率因数不合格且三相不平衡度不合格，优先投入分补型电容器或者相间跨接式电容器，剩余容量由多目标电能质量优化单元补偿治理。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
针对电能替代场景特性的低压配网电能替代元件大多为单相用电负荷，且单体负荷功率较大、启动过程中存在较大的功率冲击（该冲击功率无功含量占比大，存在严重的三相不平衡问题等问题，造成的低电压影响电能替代元件工作异常以及低压配网用电设备的异常，甚至造成用电负荷损坏）。本发明低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统包括无源无功补偿单元和多个多目标电能质量优化单元，无源无功补偿单元包括无源共补型电容器以及分补型电容器、相间跨接式电容器两者中的至少一种，多目标电能质量优化单元、无源共补型电容器、分补型电容器、相间跨接式电容器分别与配电网相连，可实现针对电能替代场景的用电特性，大功率快速冲击性、以快速动态响应的多目标综合优化治理，能够有效提高供电可靠性和供电品质，促进电能替代产业的发展。本发明低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统的控制方法能够根据当前运行情况，能够自动选择最优工作模式，在保证系统治理效果的前提下尽可能使得系统损耗最小的目标要求，能够有效实现电能质量综合优化，可治理三相不平衡、无功、谐波等多种电能质量问题。
附图说明
图1为本发明实施例中电能质量综合优化系统的拓扑结构示意图。
图2为本发明实施例中多目标电能质量优化单元的电路原理示意图。
图3为本发明实施例中电能质量综合优化系统的控制方法流程示意图。
具体实施方式
下文将以低压配网电能替代场景的某400V配电网为例，对本发明低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统及其控制方法进行进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例提供一种低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统，包括无源无功补偿单元1和多个多目标电能质量优化单元2，无源无功补偿单元1包括无源共补型电容器以及分补型电容器、相间跨接式电容器两者中的至少一种（具体配置可灵活组合），多目标电能质量优化单元2、无源共补型电容器、分补型电容器、相间跨接式电容器分别与配电网相连。
如图2所示，多目标电能质量优化单元2包括相互连接的功率变换单元和储能电容器组，功率变换单元的直流侧与储能电容器相连、交流侧三个输出端并网连接低压配电网线路中。参见图2，本实施例中储能电容器组为电容器组C5x、C6x，电容器组C5x、C6x分别是多个电容器并联构成的电容器组，电容器组C5x、C6x两者之间串联，电容器组C5x、C6x的另外一端分别与功率变换单元的正/负直流母线连接；功率变换单元基于电力电子技术具有高功率密度、小体积、热插拔式模块构成，具有快速动态无功补偿、实时三相不平衡调节治理、谐波滤除功能，功率变换单元的容量在50kVA以内，具体容量需求依据运行数据需求确定。
如图2所示，本实施例中功率变换单元为二极管钳位三电平三相桥式功率变换单元，参见图2，二极管钳位三电平三相桥式功率变换单元的每个三电平逆变桥臂由IGBT单管Tv1、Tv2、Tv3、Tv4串联构成，二极管T1、T2串联两端分别跨接于Tv1与Tv2的中点以及Tv3与Tv4的中点，形成二极管钳位型三电平逆变电路。此外本实施例中的功率变换单元也可以根据需要采用其他类型的功率变换单元。
如图2所示，二极管钳位三电平三相桥式功率变换单元的直流母线中点与配电网N线连接，且交流侧三个输出端分别通过逆变电感器、滤波电感器并网连接低压配电网线路中，二极管钳位三电平三相桥式功率变换单元的并网端和与配电网 N线之间并联布置有LCL型滤波网络。参见图2，滤波电感器L1/L2/L3一端与配电网连接，另外一端分别经过逆变电感器L4/L5/L6连接至二极管钳位三电平三相桥式功率变换单元的交流侧三个输出端。
如图2所示，LCL型滤波网络包括并联的滤波支路与电容器支路，滤波支路包括串联连接的电感器和电容器（例如A相为L7和C7串联），电容器支路包括串联连接的电容器和阻尼电阻（例如A相为R1和C1串联），并联的滤波支路与电容器支路一端和配电网线路中的对应相线路相连、另一端和配电网 N线连接。LCL型滤波网络通过在滤波支路与电容器串联有阻尼电阻，不仅可以有效滤除开关纹波，而且避免与系统发生谐振风险，可进一步提升多目标电能质量优化单元2治理三相不平衡、无功、谐波等多种电能质量问题的性能。
如图1所示，本实施例中的多个多目标电能质量优化单元2包括并联布置在电能替代元件与配电网相连的支路上的第一多目标电能质量优化单元、以及直接连接在配电网线路上的第二多目标电能质量优化单元。多个并联布置在电能替代元件与配电网相连的支路上的第一多目标电能质量优化单元以及直接连接在配电网线路上的第二多目标电能质量优化单元形成了分布式治理结构，多目标电能质量优化单元2应用于低压配电线路电能替代元件应用负荷功率较大的分支线路，该分支线路为三相四线供电制式，并联安装于分支线路首端。
本实施例中，无源共补型电容器采用配电网A、B、C相之间角接方式连接，三相之间的电容器同步投入切除；分补型电容器两端连接于配电网A、B、C各相与中性线N之间且具备独立控制投切各电容器的功能；相间跨接式电容器两端跨接于配电网A、B、C两相之间且具备独立控制投切各电容器的功能。无源共补型电容器由处于相线A、B、C各相间之间的电容器构成的角型结构，通常依据系统A、B、C共有无功缺额进行补偿，电容器常基于晶闸管过零投切；分补型电容器连接于相线A、B、C分别于中线N线，主要针对三相不平衡的无功缺额进行分相单独补偿，电容器常基于晶闸管过零投切；相间跨接式电容器由处于相线A、B、C各相间之间的电容器构成的角型结构，但在控制上各相之间的电容器具备单独投切控制，通常依据系统A、B、C负序无功补偿，电容器常基于晶闸管过零投切。通过分补电容器以及相间补偿电容器可以补偿无功，同时可以有效治理三相不平衡。
如图1所示，本实施例还包括系统优化控制器3，无源无功补偿单元1的投切控制端以及多目标电能质量优化单元2的控制端分别与系统优化控制器3相连。多目标电能质量优化单元2接受由系统优化控制器3下发的运行控制使能信号同时上传运行状态和故障信号。需要说明的是，系统优化控制器3的实现可以有多种形式，例如还可以根据需要采用远程、或者云端、或者分布式等形式。系统优化控制器3用于根据检测负荷数据控制无源无功补偿单元1与多目标电能质量优化单元2的运行模式以及补偿容量。
无源无功补偿单元1、系统优化控制器3以及多目标电能质量优化单元2构成混合式电能质量优化单元，如图1所示。系统优化控制器3集成于混合式电能质量优化单元内部，系统优先由无源无功补偿单元1投入运行补偿，剩余容量或者由于有功造成的不平衡、谐波问题、不足的无功由多目标电能质量优化单元2治理。
本实施例中，系统优化控制器3包括依次相连的采样单元、运算单元、控制单元以及通讯单元，采样单元采集配电网的三相电流电压数据并输出给运算单元，运算单元根据配电网的三相电流电压数据计算出功率因数、三相不平衡度以及各次谐波电流，控制单元根据运算单元输出结果生成控制参数分别控制多目标电能质量优化单元2、无源共补型电容器、分补型电容器、相间跨接式电容器的工作状态以实现低压配网电能替代场景的电能质量综合优化。系统优化控制器3是整个系统的核心控制器，用于协调控制各个功能单元的协调控制运作；运算单元通过三相互感器采集系统三相电流实时数据，以及电网三相电压采样信号；运算单元将负荷数据进行计算，得出不平衡度、功率因数、各次谐波等相关参量；控制单元将运算单元运算数据作为系统控制的输入，通过控制算法，得出相应的控制策略，在优化治理系统电能质量问题的前提下，实现系统的高效节能目标；通讯单元通过RS485实现与无源无功补偿单元与多目标有源电能质量优化单元进行数据通讯以及控制策略参数的下发和指令下发。
如图3所示，本实施例提供一种前述的低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统的控制方法，实施步骤包括：
1）采集配电网的电流、电压；
2）根据配电网的电流、电压分别计算出配电网的功率因数、三相不平衡度以及各次谐波电流的谐波电流畸变率；其中，功率因数的计算方式为有功功率/视在功率，三相不平衡度为补平衡态三相电流相对于平衡态的三相电流的程度，谐波电流具体是指频率为基波频率整数倍的电流，谐波电流畸变率具体是指定义为总谐波电流有效值与基波电流有效值之比；
3）如果功率因数、三相不平衡度、谐波电流畸变率均合格，则判定不需要进行低压配网电能替代场景的电能质量综合优化；如果功率因数合格且三相不平衡度或谐波电流畸变率不合格，由多目标电能质量优化单元2补偿治理；如果功率因数不合格且三相不平衡度合格，优先投入无源共补型电容器，剩余容量由多目标电能质量优化单元2补偿治理；如果功率因数不合格且三相不平衡度不合格，优先投入分补型电容器或者相间跨接式电容器，剩余容量由多目标电能质量优化单元2补偿治理。
在实施前述步骤1）之前还需要对配电网进行下述优化：S1）根据低压配网典型设计规范，对供电线路不符合典型设计的优先进行线路改造，缩短供电半径，增大线缆线径；S2）对配电线路负荷典型设计规范或者进行改造后的低压线路依然存在问题的低压台区，进行技术改造治理。通过上述方式，能够进一步提升本实施例前述的低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统的控制方法的效果。
综上所述，本实施例前述的低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统的控制方法够根据当前运行情况，能够自动选择最优工作模式，在保证系统治理效果的前提下尽可能使得系统损耗最小的目标要求，能够有效实现电能质量综合优化，可治理三相不平衡、无功、谐波等多种电能质量问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统，其特征在于，包括无源无功补偿单元（1）和多个多目标电能质量优化单元（2），所述无源无功补偿单元（1）包括无源共补型电容器，以及分补型电容器、相间跨接式电容器两者中的一种或者两种，所述多目标电能质量优化单元（2）、无源共补型电容器、分补型电容器、相间跨接式电容器分别与配电网相连。
2.根据权利要求1所述的低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统，其特征在于，所述多目标电能质量优化单元（2）包括相互连接的功率变换单元和储能电容器组，所述功率变换单元的直流侧与储能电容器相连、交流侧三个输出端并网连接低压配电网线路中。
3.根据权利要求2所述的低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统，其特征在于，所述功率变换单元为二极管钳位三电平三相桥式功率变换单元。
4.根据权利要求3所述的低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统，其特征在于，所述二极管钳位三电平三相桥式功率变换单元的直流母线中点与配电网 N线连接，且交流侧三个输出端分别通过逆变电感器、滤波电感器并网连接低压配电网线路中，所述二极管钳位三电平三相桥式功率变换单元的并网端和与配电网 N线之间并联布置有LCL型滤波网络。
5.根据权利要求4所述的低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统，其特征在于，所述LCL型滤波网络包括并联的滤波支路与电容器支路，所述滤波支路包括串联连接的电感器和电容器，所述电容器支路包括串联连接的电容器和阻尼电阻，所述并联的滤波支路与电容器支路一端和配电网线路中的对应相线路相连、另一端和配电网 N线连接。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统，其特征在于，所述多个多目标电能质量优化单元（2）包括并联布置在电能替代元件与配电网相连的支路上的第一多目标电能质量优化单元、以及直接连接在配电网线路上的第二多目标电能质量优化单元。
7.根据权利要求1所述的低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统，其特征在于，所述无源共补型电容器采用配电网A、B、C相之间角接方式连接，三相之间的电容器同步投入切除；所述分补型电容器两端连接于配电网A、B、C各相与中性线N之间且具备独立控制投切各电容器的功能；所述相间跨接式电容器两端跨接于配电网A、B、C两相之间且具备独立控制投切各电容器的功能。
8.根据权利要求1所述的低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统，其特征在于，还包括系统优化控制器（3），所述无源无功补偿单元（1）的投切控制端以及多目标电能质量优化单元（2）的控制端分别与系统优化控制器（3）相连。
9.根据权利要求8所述的低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统，其特征在于，所述系统优化控制器（3）包括依次相连的采样单元、运算单元、控制单元以及通讯单元，所述采样单元采集配电网的三相电流电压数据并输出给运算单元，所述运算单元根据配电网的三相电流电压数据计算出功率因数、三相不平衡度以及各次谐波电流，所述控制单元根据运算单元输出结果生成控制参数分别控制多目标电能质量优化单元（2）、无源共补型电容器、分补型电容器、相间跨接式电容器的工作状态以实现低压配网电能替代场景的电能质量综合优化。
10.一种权利要求1～9中任意一项所述的低压配网电能替代场景的电能质量综合优化系统的控制方法，其特征在于实施步骤包括：
1）采集配电网的电流、电压；
2）根据配电网的电流、电压分别计算出配电网的功率因数、三相不平衡度以及各次谐波电流的谐波电流畸变率；
3）如果功率因数、三相不平衡度、谐波电流畸变率均合格，则判定不需要进行低压配网电能替代场景的电能质量综合优化；如果功率因数合格且三相不平衡度或谐波电流畸变率不合格，由多目标电能质量优化单元（2）补偿治理；如果功率因数不合格且三相不平衡度合格，优先投入无源共补型电容器，剩余容量由多目标电能质量优化单元（2）补偿治理；如果功率因数不合格且三相不平衡度不合格，优先投入分补型电容器或者相间跨接式电容器，剩余容量由多目标电能质量优化单元（2）补偿治理。
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