CN111525574B - 一种谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法 - Google Patents

一种谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，包括以下步骤：在每个电能质量治理周期内首先根据配用电系统中的电气参数判断是否出现电压总谐波畸变率较大或存在公用零线电流的情况，然后计算谐波补偿次数和各相电流不平衡度补偿所需的基础值，再以综合节能量最大为目标，综合评估谐波抑制节能功率、三相不平衡治理节能功率和电能回馈功率，求解最优的谐波补偿方法和电流不平衡度补偿值，并生成相应的控制信号，供设备串联和并联的电力电子变换器进行相应的补偿。本发明综合考虑了谐波抑制节能和三相不平衡治理节能两种方式对节能量的影响，可有效降低配用电系统的电能损耗，且利于工程实现。

Description

一种谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法
技术领域
本发明涉及节能控制技术领域，尤其是一种谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法。
背景技术
节能控制技术是一种通过控制节能设备对企业用电过程中出现的改善企业用电过程中出现的电能质量问题从而节约企业用电成本的控制方法。通过检测负荷侧的电压和电流数据识别出电能质量问题，并针对不同的电能质量问题做出相应的补偿，减少了因电能质量问题而出现的额外损耗，从而实现节能的目的。该节能控制方法不仅可以为企业提供更优质的电能质量并且减少额外的生产用电成本，而且对于缓解区域内能源供需矛盾的问题起着重要作用，因此，研究企业配用电系统节能控制技术具有重要意义。电能回馈指的是节能设备的串联电力电子变换器与并联电力电子变换器形成电能回馈回路，当进行谐波补偿时串联侧吸收能量，经电能回馈回路回馈到并联侧，实现了电能回馈，减少了治理电能质量时所需耗能。
然而在实际解决电能质量问题时，若同时出现多种电能质量问题，如何确定补偿的容量并进行相应的控制，进而实现总体节能是一个亟待解决的问题。在这个问题的基础上，同时考虑节能设备在补偿的过程中的回馈的电能，能够更准确地评估总体节能水平，所以研究结合电能回馈原理的谐波抑制节能与三相不平衡治理节能的协调控制方法具有重要意义。
经对现有技术的文献检索发现，配电网电能损耗的原因与主要降损措施（曾重谦,廖民传,张勇军.配电网电能损耗的原因与主要降损措施[J].供用电,2009,26(02):28-31.）介绍了配电网因谐波以及三相不平衡而产生的额外损耗，并提出了相应的改进措施，但是在计算损耗时只考虑了简化的线路损耗和变压器损耗，实际应用时误差较大，降损节能效果较差；谐波附加损耗及其降损节能分析（汪彦良,岳智顺,王金全,张琦.谐波附加损耗及其降损节能分析[J].电气技术,2009(02):15-19.）分析了各类设备的谐波附加损耗，整合了相应的附加倍数，并提出了通过设置合理的设备参数进行节能的措施，但是针对配电网应用场景，未考虑线路谐波附加损耗，而调节设备参数实现节能的措施在一些应用场景较难实现，工程实用性较低。现有研究大多数未考虑节能过程中可能存在的电能回馈情况，且对多种电能质量问题较少结合在同一场景下进行讨论，关于结合电能回馈原理的多种电能质量问题治理节能协调控制方法的研究存在空缺。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，在同时出现谐波和三相不平衡的情况下同时考虑电能质量治理节能收益和电能回馈节能收益，通过最优节能算法对电能质量问题的补偿量进行最优化选择，实现了最优节能协调控制。
为实现上述的目的，本发明的技术方案为：一种谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，其中，适用于含有串联电力电子变换器及并联电力电子变换器的节能设备，包括以下步骤：
S1：以T为电能质量治理周期采集输入端变压器低压侧电压数据、负荷侧电压数据，同时采集三相负荷电流和公用零线电流数据；当电能质量治理周期内采集的负荷侧电压总谐波畸变率超过一定值 δ且公用零线存在零序电流，或者仅出现其中一种电能质量问题的情况下，系统发出调节命令，进入S2；否则系统发出待定命令，待下一个电能质量治理周期重新进入S1；
S2：根据电压电流数据，计算得到负荷侧电压电压各次谐波幅值h ul (l=2,3,…)或电流各次谐波幅值h il (l=2,3,…)，以及各相电流不平衡度补偿基础值
Figure 536811DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 401999DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 540856DEST_PATH_IMAGE003
，若仅有一种电能质量问题，则将另一种的补偿基础值设为0；
S3：设k 1为谐波次数补偿系数，表征补偿的最高谐波次数，补偿时考虑补偿2~k 1次谐波，设b l (l=2,3,…,k 1)为对应第l次谐波的谐波幅值补偿系数，表征各次谐波的补偿幅值与谐波幅值之比；同时设k 2-i （i=A,B,C）为各相电流不平衡度补偿系数，通过最优节能算法综合考虑抑制谐波和三相不平衡治理节能量与电能回馈效果计算得到最优的谐波次数补偿系数、谐波幅值补偿系数和电流不平衡度补偿系数，并根据所得结果向串联电力电子变换器发送补偿电压控制信号，向并联电力电子变换器发送补偿电流控制信号；
S4：设备串联和并联的电力电子变换器根据接收到的补偿信号进行相应的补偿，达到节能效果。
所述的谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，其中，所述S2中各相电流不平衡度补偿基础值
Figure 61967DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 311683DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 234640DEST_PATH_IMAGE003
由采集到的各相电流决定，其计算公式为：
Figure 544398DEST_PATH_IMAGE004
，
式中，Iavg为三相电流有效值的平均值，I i （i=A,B,C）为A，B，C三相电流。
所述的谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，其中，所述S3中的最优节能算法的具体步骤为：
S31：计算谐波抑制节能功率P vS：
Figure 552806DEST_PATH_IMAGE005
，
式中，P T为变压器谐波附加损耗，P L为线路谐波附加损耗，P M为电机谐波附加损耗；
S32：计算三相不平衡治理节能功率P TS：
Figure 606212DEST_PATH_IMAGE006
，
式中，
Figure 445992DEST_PATH_IMAGE007
(i=A,B,C)为各项电流不平衡度补偿值，
Figure 864335DEST_PATH_IMAGE008
(i=A,B,C)为各项电流不平衡度补偿基础值，k 2-i （i=A,B,C）为各相电流不平衡度补偿系数，Iavg为三相电流有效值的平均值，RL为中性点接地电阻阻值；
S33：计算电能回馈功率P FB：
Figure 156776DEST_PATH_IMAGE009
，
式中，P I、P P为串联侧和并联侧在补偿系数为k 1和k 2-i （i=A,B,C）时的调节消耗功率；
S34：计算综合节能功率E：
Figure 13874DEST_PATH_IMAGE010
，
并求解补偿系数k 1、b l (l=2,3,…,k 1)和k 2-i （i=A,B,C）的最优配置值k 1 ' 、b l '(l=2,3,…,k 1 ')和k 2-i '（i=A,B,C），使得综合节能功率E取得最大值；补偿系数k 1的取值范围为{k 1|k 1≥2}，b l (l=2,3,…,k 1)的取值范围为[0,1]，而k 2-i （i=A,B,C）的取值范围为[0,1]；
S35：基于步骤S34的最优配置参数，得到谐波最高补偿次数k 1 '，各次谐波补偿幅值h ul ' =b l ' h ul 或h il ' =b l ' h il (l=2,3,…,k 1 ')和各相电流不平衡度补偿值
Figure 645844DEST_PATH_IMAGE011
。
所述的谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，其中，所述S31中变压器谐波附加损耗、线路谐波附加损耗和机谐波附加损耗的附加损耗计算公式为：
Figure 297405DEST_PATH_IMAGE012
，
式中，n为谐波次数，b n 为第n次谐波的谐波幅值补偿系数，HRI n 为第n次谐波含有量，P T1为变压器基波损耗，P L1为线路基波损耗，P M1为电机基波损耗。
所述的谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，其中，所述电能质量问题是指：电能质量治理周期内采集的负荷侧电压总谐波畸变率超过一定值
Figure 280404DEST_PATH_IMAGE013
和公用零线存在零序电流。
有益效果：本发明从治理电能质量问题和电能回馈两方面实现节能，相比于传统节能控制方法而言，在同时出现谐波和三相不平衡的情况下同时考虑电能质量治理节能收益和电能回馈节能收益，通过最优节能算法对补偿量进行最优化选择，最大程度实现了该情况下的节能效果。该控制方法一方面通过对三相不平衡和谐波两种电能质量问题的治理，减少相应的电能损耗，另一方面基于节能设备电力电子变换器实现功率平衡，串联和并联电力电子变换器形成电能回馈回路，减少治理电能质量时所需耗能，进而达到节能的目的。
附图说明
图1是本发明的谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法流程图。
图2是适用本发明的一种节能设备结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
本发明主要适用于含有串联电力电子变换器、并联电力电子变换器的节能设备。
如图2所示，节能设备主要由串联电力电子变换器、并联电力电子变换器组成，并联电力电子变换器并接在主电路配电变压器低压侧出口处，同时与串联电力电子变换器相接，串联电力电子变换器通过耦合变压器与负荷串接。所述节能设备包括整流逆变模块1、并联侧开关S1、串联侧开关S2、串联侧耦合变压器T1、耦合变压器旁路开关S3以及主电路旁路开关S4，所述整流逆变模块1通过并联侧开关S1并接在主电路变压器2低压侧出口处，所述整流逆变模块1通过串联侧开关S2与串联侧耦合变压器T1相连，所述串联侧耦合变压器T1二次侧绕组与主电路三相负荷3串联，所述耦合变压器旁路开关S3与串联侧耦合变压器T1并联，所述主电路旁路开关S4并接在配电变压器的低压侧出口与主电路三相负荷3之间，与主电路开关4及串联侧耦合变压器T1二次侧绕组并联，所述主电路变压器2与进线端连接。
如图1所示，本发明公开了一种谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，其包括以下步骤：
S1：以T为电能质量治理周期采集输入端变压器低压侧电压数据、负荷侧电压数据，同时采集三相负荷电流和公用零线电流数据；当电能质量治理周期内采集的负荷侧电压总谐波畸变率超过一定值δ且公用零线存在零序电流，或者仅出现其中一种电能质量问题的情况下，系统发出调节命令，进入S2；否则系统发出待定命令，待下一个电能质量治理周期重新进入S1；
S2：根据电压电流数据，计算得到负荷侧电压各次谐波幅值h ul (l=2,3,…)或电流各次谐波幅值h il (l=2,3,…)，以及各相电流不平衡度补偿基础值
Figure 675614DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 224407DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 250131DEST_PATH_IMAGE003
，若仅有一种电能质量问题，则将另一种的补偿基础值设为0；
S3：设k 1为谐波次数补偿系数，表征补偿的最高谐波次数，补偿时考虑补偿2~k 1次谐波，设b l (l=2,3,…,k 1)为对应第l次谐波的谐波幅值补偿系数，表征各次谐波的补偿幅值与谐波幅值之比。同时设k 2-i （i=A,B,C）为各相电流不平衡度补偿系数，通过最优节能算法综合考虑抑制谐波和三相不平衡治理节能量与电能回馈效果计算得到最优的谐波次数补偿系数、谐波幅值补偿系数和电流不平衡度补偿系数，并根据所得结果向串联电力电子变换器发送补偿电压控制信号，向并联电力电子变换器发送补偿电流控制信号；
S4：设备串联和并联电力电子变换器根据接收到的补偿信号进行相应的补偿，达到节能效果。
如图1所示，本发明协调控制方法的流程为：电能质量治理周期开始，采集输入端变压器低压侧电压数据、负荷侧电压数据，同时采集三相负荷电流和公用零线电流数据，检测到负荷侧电压总谐波畸变率超过4%且公用零线存在零序电流，系统发出调节命令；根据电压电流数据，计算分析得到负荷侧电压、电流的2-19次谐波分量和各相电流不平衡度补偿基础值
Figure 517165DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 716065DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 57048DEST_PATH_IMAGE003
，计算公式为：
Figure 315991DEST_PATH_IMAGE004
，
式中，Iavg为三相电流有效值的平均值，I i （i=A,B,C）为A，B，C三相电流；计算最优的谐波补偿次数k 1和最优的电流不平衡度补偿值
Figure 70320DEST_PATH_IMAGE008
(i=A,B,C)；然后向串联电力电子变换器发送补偿电压控制信号，向并联电力电子变换器发送补偿电流控制信号；最后，设备串联和并联的电力电子变换器根据接收到的补偿信号进行相应的补偿。
所述的谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，其中，所述S2中各相电流不平衡度补偿基础值
Figure 745015DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 268400DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 698244DEST_PATH_IMAGE003
由采集到的各相电流决定，其计算公式为：
Figure 674291DEST_PATH_IMAGE004
，
式中，I avg 为三相电流有效值的平均值。
所述的基于谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，其中，所述S3中的最优节能算法的具体步骤为：
S31：计算谐波抑制节能功率P vS：
Figure 152677DEST_PATH_IMAGE014
，
式中，P T为变压器谐波附加损耗，P L为线路谐波附加损耗，P M为电机谐波附加损耗；
S32：计算三相不平衡治理节能功率P TS：
Figure 796148DEST_PATH_IMAGE015
，
式中，
Figure 131314DEST_PATH_IMAGE007
(i=A,B,C)为各项电流不平衡度补偿值，
Figure 797919DEST_PATH_IMAGE008
(i=A,B,C)为各项电流不平衡度补偿基础值，k 2-i （i=A,B,C）为各相电流不平衡度补偿系数，Iavg为三相电流有效值的平均值，RL为中性点接地电阻阻值；
S33：计算电能回馈功率P FB：
Figure 876733DEST_PATH_IMAGE009
，
式中，P I、P P为串联和并联电力电子变换器在补偿系数为k 1和k 2-i （i=A,B,C）时的调节消耗功率；
S34：计算综合节能功率E：
Figure 374711DEST_PATH_IMAGE016
，
并求解补偿系数k 1、b l (l=2,3,…,k 1)和k 2-i （i=A,B,C）的最优配置值k 1 '、b l '(l=2,3,…,k 1 ')和k 2-i '（i=A,B,C），使得综合节能功率E取得最大值；补偿系数k 1的取值范围为{k 1|k 1≥2}，b l (l=2,3,…,k 1)的取值范围为[0,1]，而k 2-i （i=A,B,C）的取值范围为[0,1]；
S35：基于S34的最优配置参数，得到谐波最高补偿次数k 1 '，各次谐波补偿幅值h ul ' =b l ' h ul 或h il ' =b l ' h il (l=2,3,…,k 1 ')和各相电流不平衡度补偿值
Figure 880778DEST_PATH_IMAGE017
。
所述的基于谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，其中，所述S31中变压器谐波附加损耗、线路谐波附加损耗和机谐波附加损耗的附加损耗计算公式为：
Figure 22960DEST_PATH_IMAGE018
，
式中，n为谐波次数，b n 为第n次谐波的谐波幅值补偿系数，HRI n 为第n次谐波含有量，P T1为变压器基波损耗，P L1为线路基波损耗，P M1为电机基波损耗。
所述的谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，其中，所述电能质量问题是指：电能质量治理周期内采集的负荷侧电压总谐波畸变率超过一定值δ和公用零线存在零序电流。
本发明基于节能设备拓扑和检测的电压电流数据，在同时出现电压波动和三相不平衡的情况下同时考虑电能质量治理节能收益和电能回馈节能收益，通过最优节能算法对电能质量问题的补偿量进行最优化选择，实现了最优节能协调控制；一方面通过对电压波动和三相不平衡两种电能质量问题的治理，减少相应的电能损耗，另一方面基于节能设备电力电子变换器实现功率平衡，串联和并联电力电子变换器形成电能回馈回路，减少治理电能质量时所需耗能，进而达到节能的目的。
以上是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，不付出创造性劳动对本发明技术方案的修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，其特征在于，适用于含有串联电力电子变换器及并联电力电子变换器的节能设备，包括以下步骤：
S1：以T为电能质量治理周期采集输入端变压器低压侧电压数据、负荷侧电压数据，同时采集三相负荷电流和公用零线电流数据；当电能质量治理周期内采集的负荷侧电压总谐波畸变率超过一定值 δ且公用零线存在零序电流，或者仅出现其中一种电能质量问题的情况下，系统发出调节命令，进入S2；否则系统发出待定命令，待下一个电能质量治理周期重新进入S1；
S2：根据电压电流数据，计算得到负荷侧电压各次谐波幅值h ul ，l=2,3,…，或电流各次谐波幅值h il ，l=2,3,…，以及各相电流不平衡度补偿基础值
Figure 650812DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 611815DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 119020DEST_PATH_IMAGE003
，若仅有一种电能质量问题，则将另一种的补偿基础值设为0；
S3：设k1为谐波次数补偿系数，表征补偿的最高谐波次数，补偿时考虑补偿2~k1次谐波，设b l ，l=2,3,…,k1，为对应第l次谐波的谐波幅值补偿系数，表征各次谐波的补偿幅值与谐波幅值之比；同时设k2-i，i=A,B,C，为各相电流不平衡度补偿系数，通过最优节能算法综合考虑抑制谐波和三相不平衡治理节能量与电能回馈效果计算得到最优的谐波次数补偿系数、谐波幅值补偿系数和电流不平衡度补偿系数，并根据所得结果向串联电力电子变换器发送补偿电压控制信号，向并联电力电子变换器发送补偿电流控制信号；
S4：设备串联和并联的电力电子变换器根据接收到的补偿信号进行相应的补偿，达到节能效果；
其中，所述S3中的最优节能算法的具体步骤为：
S31：计算谐波抑制节能功率 Pv S ：
P VS= P T+ P L+ P M，
式中， P T为变压器谐波附加损耗， P L为线路谐波附加损耗，P M为电机谐波附加损耗；
S32：计算三相不平衡治理节能功率P TS：
Figure 659722DEST_PATH_IMAGE004
，
式中，
Figure 568772DEST_PATH_IMAGE005
，i=A,B,C，为各项电流不平衡度补偿值，
Figure 169518DEST_PATH_IMAGE006
，i=A,B,C，为各项电流不平衡度补偿基础值，k2-i，i=A,B,C，为各相电流不平衡度补偿系数，I avg为三相电流有效值的平均值，RL为中性点接地电阻阻值；
S33：计算电能回馈功率PFB：
P FB= P I －P P，
式中，P I、P P为串联和并联电力电子变换器在补偿系数为k1和k2-i，i=A,B,C，时的调节消耗功率；
S34：计算综合节能功率E：
E= P VS+ P TS+ P FB，
并求解补偿系数k 1、b l ，l=2,3,…,k 1，和k 2-i ，i=A,B,C，的最优配置值k 1 ' 、b l '，l=2,3,…,k 1 '，和k 2-i '，i=A,B,C，使得综合节能功率E取得最大值；补偿系数k 1的取值范围为{k 1|k 1≥2}，b l ，l=2,3,…,k 1，的取值范围为[0,1]，而k 2-i ，i=A,B,C，的取值范围为[0,1]；
S35：基于步骤S34的最优配置参数，得到谐波最高补偿次数k 1 '，各次谐波补偿幅值h ul ' =b l ' h ul 或h il ' =b l ' h il ，l=2,3,…,k 1 '，和各相电流不平衡度补偿值
Figure 404497DEST_PATH_IMAGE007
，i=A,B,C；
所述电能质量问题是指：电能质量治理周期内采集的负荷侧电压总谐波畸变率超过一定值和公用零线存在零序电流。
2.根据权利要求1所述的谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，其特征在于，所述S2中各相电流不平衡度补偿基础值
Figure 748891DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 778027DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 815253DEST_PATH_IMAGE003
由采集到的各相电流决定，其计算公式为：
Figure 31471DEST_PATH_IMAGE008
，
式中，I avg为三相电流有效值的平均值，I i，i=A,B,C，为A，B，C三相电流。
3.根据权利要求1所述的谐波抑制节能与三相不平衡治理节能协调控制方法，其特征在于，所述S31中的附加损耗计算公式为：
Figure 179555DEST_PATH_IMAGE009
，
式中，n为谐波次数，b n 为第n次谐波的谐波幅值补偿系数，HRI n 为第n次谐波含有量，P T1为变压器基波损耗，P L1为线路基波损耗，P M1为电机基波损耗。
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