CN111525576B - 一种无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法 - Google Patents

一种无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法，在每个电能质量治理周期内首先采集输入侧、负荷侧的电能数据信息，并判断是否出现无功过大和电压、电流谐波畸变的问题；其次利用以上数据，在补偿装置间能量动态平衡的限制下，以节能量最大化为最终目标，通过优化算法计算得到最优的功率因数值以及谐波频率补偿值，并生成协调两种节能方式的控制参数，从而调整串联电力电子变换装置和并联电力电子变换装置的补偿输出，对电路进行无功补偿节能和谐波抑制节能。本发明能够基于电能回馈原理协调无功补偿节能和谐波抑制节能两种节能方法，使得节能量最大化；同时考虑到两种节能方法的补偿装置能量损耗问题，有效降低配用电系统的电能损耗。

Description

一种无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法
技术领域
本发明涉及节能控制技术领域，具体涉及一种无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法。
背景技术
电力系统中不同类型的负荷特性差异较大，多种类型负荷的接入会影响电网运行的稳定性。如电动汽车等充电负荷、工厂供电负荷以及风电、光伏等分布式能源的接入为电网运行带来了更多不确定因素。此外，电力电子设备在运行的过程中会消耗较多的无功功率，并带来含量较高的谐波分量。电网运行时的功率因数值不断下降，谐波水平不断上升，引发了运行过程中的能量损耗问题。
为解决以上能量损耗问题，目前的技术方案主要采用交流输电技术（FACTS）装置电能质量问题进行针对性治理。如串联有源电力滤波器补偿谐波电压；并联有源电力滤波器补偿谐波电流；利用静止无功补偿装置（SVC）补偿无功等。通过对单一电能质量问题的治理，减小电网运行过程中一部分的能量损耗。
现有的技术大多仅考虑从单一角度进行电能治理节能，如电网稳压节能、无功补偿节能、谐波抑制节能，而没有协调多种节能方法。此外，在优化过程中对补偿装置的能量损耗问题考虑不足，无法实现节能效益最大化。
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无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法，在考虑设备容量前提下，基于补偿装置和系统间的能量输入、输出平衡，采用无功补偿节能与谐波抑制节能的装置，实现协调控制下的节能效益最大化目标。
为实现上述的目的，本发明的技术方案为：一种无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法，其中，考虑节能设备容量前提下，基于无功补偿节能和谐波抑制节能的特性，计算两种节能方法的最优调整控制方法，包括以下步骤：
S1：以T为电能质量治理周期采集输入端电流数据、电压数据，负荷侧电流、电压数据、有功功率数据、无功功率数据以及直流侧电容电压数据；
S2：计算并判断负荷功率因数是否小于设定阈值或负荷侧电压总谐波畸变率是否超过设定阈值；若是，进入S3；否则待下一个电能质量治理周期重新进入S1；
S3：将S1和S2得到的数据输入优化算法中得出的串联电力电子变换装置与并联电力电子变换装置输出最优调整参数，得到相应的补偿信号；
S4：基于S3得到的补偿信号，对串联电力电子变换装置补偿电压与并联电力电子变换装置补偿电流的输出进行调整。
所述的无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法，其中，所述S3中的优化算法包括以下步骤：
S31：计算串联电力电子变换装置的视在功率，其计算公式为：
Figure 301351DEST_PATH_IMAGE001
，
式中， S series_APF 为串联电力电子变换装置的视在功率， U comp0 为加在串联电力电子变换装置两端的基波电压，I s0 为串联电力电子变换装置的输出基波电流，U compi 为加在串联电力电子变换装置两端的各次谐波电压， I si 为串联电力电子变换装置的输出各次谐波电流，λ为串联电力电子变换装置的补偿谐波频率上限；
S32：计算并联电力电子变换装置的视在功率，其计算公式为：
Figure 653835DEST_PATH_IMAGE002
，
式中， S shunt_APF 为并联电力电子变换装置的输入视在功率，U L0 为并联电力电子变换装置两端的基波电压，I comp0 为流过并联电力电子变换装置的基波电流，U Li 为并联电力电子变换装置两端的各次谐波电压，I compi 为流过并联电力电子变换装置的各次谐波电流， I p 为维持直流侧电容电压恒定电流分量；
S33：计算节能设备运行时的损耗功率，其计算公式为：
S d = S series_APF - S shunt_APF ，
S34：设定总节能效益优化目标函数，其计算公式为：
W=αS rc +βS hs -S d ，
式中，W为总节能效益，α为无功补偿系数，β为谐波抑制系数， α+β=1，S rc 为无功补偿可产生的最大节能功率， S hs 为谐波抑制产生的最大节能功率；
S35：求解无功补偿系数α，谐波抑制系数β，进而求解补偿电压U comp 、补偿电流I comp 以及直流侧电容电压恒定电流分量I p ，使S34总节能效益W取得最大值。
所述的无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法，其中，基于电能回馈的原理，节能设备进行电能质量治理后，若经计算得出仍有能量剩余，应通过并联电力电子变换装置进行电能回馈，使得电能质量治理后的负荷系统满足以下公式：
Figure 596383DEST_PATH_IMAGE003
，
式中， I Si 为企业配电变压器输入电流， U Si 为企业配电变压器两端电压， I Li 为负荷侧电流， U Li 为负荷侧电压。
有益效果：本发明在考虑设备容量前提下，基于补偿装置和系统间的能量输入、输出平衡，采用无功补偿节能与谐波抑制节能的装置，实现协调控制下的节能效益最大化目标；采用无功补偿节能和谐波抑制节能两种节能方法进行协调；在优化过程中对补偿装置的能量损耗问题，从而实现节能效益最大化。
附图说明
图1是本发明的无功补偿节能与谐波抑制节能协调控制方法的流程图。
图2是谐波等效电路图。
图3是串联电力电子变换装置控制示意图。
图4是并联电力电子变换装置控制示意图。
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。
本发明公开了一种无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法，其适用于含有串联电力电子变换装置、并联电力电子变换装置的节能设备，并联电力电子变换装置并接在主电路配电变压器低压侧出口处且与串联电力电子变换装置相连，串联电力电子变换装置通过耦合变压器与负荷串接。
图2是本发明应用在设备当中的谐波等效电路图，图3是应用本发明的串联电力电子变换装置控制示意图，图4是应用本发明的并联电力电子变换装置控制示意图。
如图1-4所示，本发明公开了一种无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法，在考虑节能设备容量前提下，基于补偿装置和系统间的能量输入、输出平衡，采用无功补偿节能与谐波抑制节能的装置，实现协调控制下的节能效益最大化目标。
如图1所示，为实现上述的目的，本发明的技术方案为：一种无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法，其中，考虑节能设备容量前提下，基于无功补偿节能和谐波抑制节能的特性，计算两种节能方法的最优调整控制方法，包括以下步骤：
S1：以T为电能质量治理周期采集输入端电流数据、电压数据，负荷侧电流、电压数据、有功功率数据、无功功率数据以及直流侧电容电压数据；
S2：计算并判断负荷功率因数是否小于设定阈值或负荷侧电压总谐波畸变率是否超过设定阈值；若是，进入S3；否则待下一个电能质量治理周期重新进入S1；
S3：将S1和S2得到的数据输入优化算法中得出的串联电力电子变换装置1与并联电力电子变换装置2输出最优调整参数，得到相应的补偿信号；
S4：基于S3得到的补偿信号，对串联电力电子变换装置1补偿电压与并联电力电子变换装置2补偿电流的输出进行调整。
所述S2中的负荷的功率因数由测得的负荷侧有功功率和无功功率得到，具体的计算公式为：
Figure 972001DEST_PATH_IMAGE004
。
所述S2中判断负荷功率因数的设定阈值为0.85-0.95，在实际操作中，优选为0.95。
所述S2中负荷侧电压总谐波畸变率是谐波含量的方均根值与基波分量的方均根值之比（用百分数表示），总谐波畸变率越低，电能质量越高的同时节能效果越好。
所述S2中负荷侧电压总谐波畸变率的设定阈值为0%-2%，在实际操作中，优选为1%。
所述S2中负荷功率因数小于设定阈值、负荷侧电压总谐波畸变率超过设定阈值，满足以上其中一个条件，则可进入S3。
所述的无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法，其中，所述S3中的优化算法包括以下步骤：
S31：计算串联电力电子变换装置1的视在功率，其计算公式为：
Figure 392618DEST_PATH_IMAGE001
，
式中， S shunt_APF 为串联电力电子变换装置1的视在功率， U comp0 为加在串联电力电子变换装置1两端的基波电压， I s0 为串联电力电子变换装置1的输出基波电流，U compi 为加在串联电力电子变换装置1两端的各次谐波电压， I si 为串联电力电子变换装置1的输出各次谐波电流，λ为串联电力电子变换装置1的补偿谐波频率上限；
S32：计算并联电力电子变换装置2的视在功率，其计算公式为：
Figure 52138DEST_PATH_IMAGE002
，
式中， S shunt_APF 为并联电力电子变换装置2的输入视在功率，U L0 为并联电力电子变换装置2两端的基波电压，I comp0 为流过并联电力电子变换装置2的基波电流，U Li 为并联电力电子变换装置2两端的各次谐波电压，I compi 为流过并联电力电子变换装置2的各次谐波电流， I p 为维持直流侧电容电压恒定电流分量；
S33：计算节能设备运行时的损耗功率，其计算公式为：
S d = S series_APF - S shunt_APF ，
S34：设定总节能效益优化目标函数，其计算公式为：
W=αS rc +βS hs -S d ，
式中，W为总节能效益，α为无功补偿系数，β为谐波抑制系数， α+β=1，S rc 为无功补偿可产生的最大节能功率， S hs 为谐波抑制产生的最大节能功率。
S35：求解无功补偿系数α，谐波抑制系数β，进而求解补偿电压U comp 、补偿电流I comp 以及维持直流侧电容电压恒定电流分量I p ，使S34总节能效益W取得最大值。
进一步说，λ作为一个优化变量，其参考值为范围是[3,11]之间的整数。
进一步说，所述S rc 是将无功功率全部补偿后与补偿前的有功功率的差值，S hs 为将全部谐波量进行补偿后与补偿前的有功功率的差值。
所述的无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法，其中，基于电能回馈的原理，节能设备进行电能质量治理后，若经计算得出仍有能量剩余，应通过电力电子变换装置进行电能回馈，使得电能质量治理后的负荷系统满足以下公式：
Figure 165588DEST_PATH_IMAGE003
，
式中， I Si 为企业配电变压器输入电流， U Si 为企业配电变压器两端电压， I Li 为负荷侧电流， U Li 为负荷侧电压。
本发明适用于由串联电力电子变换装置、并联电力电子变换装置组成的节能设备，这种节能设备接在企业配电变压器与负荷之间；所以企业配电变压器输入电流I Si 是可以被直接获取或者读取。
本发明在考虑设备容量前提下，基于补偿装置和系统间的能量输入、输出平衡，采用无功补偿节能与谐波抑制节能的装置，实现协调控制下的节能效益最大化目标；采用无功补偿节能和谐波抑制节能两种节能方法进行协调；在优化过程中对补偿装置的能量损耗问题，从而实现节能效益最大化。
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 (2)

1.一种无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法，其特征在于，考虑节能设备容量前提下，基于无功补偿节能和谐波抑制节能的特性，计算两种节能方法的最优调整控制方法，包括以下步骤：
S1：以T为电能质量治理周期采集输入端电流数据、电压数据，负荷侧电流、电压数据、有功功率数据、无功功率数据以及直流侧电容电压数据；
S2：计算并判断负荷功率因数是否小于设定阈值或负荷侧电压总谐波畸变率是否超过设定阈值；若是，进入S3；否则待下一个电能质量治理周期重新进入S1；
S3：将S1和S2得到的数据输入优化算法中得出的串联电力电子变换装置与并联电力电子变换装置输出最优调整参数，得到相应的补偿信号；
S4：基于S3得到的补偿信号，对串联电力电子变换装置补偿电压与并联电力电子变换装置补偿电流的输出进行调整；
其中，所述S3的优化算法包括以下步骤：
S31：计算串联电力电子变换装置的视在功率，其计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
式中， S series_APF 为串联电力电子变换装置的视在功率， U comp0 为加在串联电力电子变换装置两端的基波电压， I s0 为串联电力电子变换装置的输出基波电流， U compi 为加在串联电力电子变换装置两端的各次谐波电压， I si 为串联电力电子变换装置的输出各次谐波电流；
S32：计算并联电力电子变换装置的视在功率，其计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
式中， S shunt_APF 为并联电力电子变换装置的输入视在功率， U L0 为并联电力电子变换装置两端的基波电压，I comp0 为流过并联电力电子变换装置的基波电流，U Li 为并联电力电子变换装置两端的各次谐波电压， I compi 为流过并联电力电子变换装置的各次谐波电流，I p 为维持直流侧电容电压恒定电流分量，λ为补偿谐波频率上限；
S33：计算节能设备运行时的损耗功率，其计算公式为：
S d = S series_APF - S shunt_APF ，
S34：设定总节能效益优化目标函数，其计算公式为：
W=αS rc +βS hs -S d ，
式中，W为总节能效益，α为无功补偿系数，β为谐波抑制系数， α+β=1，S rc 为无功补偿可产生的最大节能功率， S hs 为谐波抑制产生的最大节能功率；
S35：求解无功补偿系数α，谐波抑制系数β，进而求解补偿电压U comp 、补偿电流I comp 以及维持直流侧电容电压恒定电流分量I p ，使S34总节能效益W取得最大值。
2.根据权利要求1所述的无功补偿与谐波抑制节能协调控制方法，其特征在于，基于电能回馈的原理，节能设备进行电能质量治理后，若经计算得出仍有能量剩余，应通过并联电力电子变换装置进行电能回馈，使得电能质量治理后的负荷系统满足以下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
式中， I si 为企业配电变压器输入电流，U si 为企业配电变压器两端电压， I Li 为负荷侧电流，U Li 为负荷侧电压，n为谐波次数。
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