CN112531695B - 一种电能质量分支自适应补偿方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电能质量分支自适应补偿方法，包括步骤：1)根据低压配电拓扑、配电线路以及各分支功率，建立配电拓扑模型；2)根据配电拓扑的仿真模型，分析各分支在平均负载率下，无功电流与不平衡电流对线损的影响，建立负载电流与线损的关系曲线；根据电能质量补偿装置的功耗，建立补偿电流与设备损耗的关系曲线；联合二者的关系曲线，得到适合进行补偿的无功电流阈值与不平衡电流阈值；3)采集各分支处的三相实际电流值；4)将三相实际电流值的电流成分与对应的电流阈值进行比对，根据比对结果选择对应的补偿模式；所述补偿模块包括无功补偿模式或/和不平衡补偿模式。本发明具有兼具无功补偿和三相不平衡治理且针对性强等优点。

Description

一种电能质量分支自适应补偿方法及系统
技术领域
本发明主要涉及电能质量治理技术领域，具体涉及一种电能质量分支自适应补偿方法及系统。
背景技术
在公变台区，特别是农村电网台区，由于单相负荷的存在以及用电随机性很大等缘故，不可避免地会出现三相不平衡现象。其中变压器长期三相不平衡运行，会加速变压器重过载相的老化，可能会造成变压器烧毁现象；另外农业生产所用的装置是电机类装置，会产生非常明显的无功，导致某几个分支有很大的无功电流。
目前常见的电能质量补偿方案，是集中式电能质量补偿方案，采用电力电子式补偿装置检测负载电流成分，补偿电流的不平衡成分，进而达到变压器出线电流平衡，治理无功电流。另外对于电力电子式补偿装置，根据现场的工况，设定某一个固定的补偿模式，但如果负载进行投入或切出，现场工况发生变化，当前的补偿模式对于线路的治理效果就不明显了。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种兼具无功补偿和三相不平衡治理、且针对性强的电能质量分支自适应补偿方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种电能质量分支自适应补偿方法，包括步骤：
1)根据低压配电拓扑、配电线路以及各分支功率，建立配电拓扑模型；
2)根据配电拓扑的仿真模型，分析各分支在平均负载率下，无功电流与不平衡电流对线损的影响，建立负载电流与线损的关系曲线；根据分布式电能质量补偿单元的功耗，建立补偿电流与设备损耗的关系曲线；联合二者的关系曲线，得到适合进行补偿的无功电流阈值与不平衡电流阈值；
3)采集各分支处的三相实际电流值；
4)将三相实际电流值的电流成分与对应的电流阈值进行比对，根据比对结果选择对应的补偿模式；所述补偿模块包括无功补偿模式或/和不平衡补偿模式。
作为上述技术方案的进一步改进：
在步骤1)中，在建立低压配电拓扑时，以传输线的材质、长度、线径以及接触点为考虑因素，详细计算线路电阻与电感，汇集分支处用电信息，建立详细的配电拓扑模型。
线路电阻R＝ρl/s，其中ρ是电阻率、l是线路长度；s是线路截面积；
线路电感为
Figure BDA0002804523190000021
其中Deq是互几何均距，Ds是自几何均距；
其中每个接触点的电阻值等效于5mΩ～10mΩ。
在步骤2)中，根据用户个数、用电量、功率因数以及线路型号，充分考虑无功电流与不平衡电流对于线路损耗和变压器损耗的影响，进行建模运算，设定不同的无功电流阈值和不平衡电流阈值。
在步骤3)中，采用SDFT算法以及对称分量法，提取出三相实际电流的正序无功成分、负序分量以及零序分量，以与对应的电流阈值进行比对。
在步骤4)中，若负载侧无功电流高于对应设定的电流阈值，则启用无功补偿模式；若负载侧不平衡电流阈值高于对应设定的电流阈值，则启用不平衡补偿模式。
在步骤4)中，在进行补偿模式时，设置滞环区间，即停止补偿时和启用补偿时对应的电流之间存在电流缓冲区间，以避免电流在电流阈值附近变化时而导致补偿模式频繁切换。
本发明还公开了一种电能质量分支自适应补偿系统，包括：
第一模块，用于根据低压配电拓扑、配电线路以及各分支功率，建立配电拓扑模型；
第二模块，用于根据配电拓扑的仿真模型，分析各分支在平均负载率下，无功电流与不平衡电流对线损的影响，建立负载电流与线损的关系曲线；根据分布式电能质量补偿单元的功耗，建立补偿电流与设备损耗的关系曲线；联合二者的关系曲线，得到适合进行补偿的无功电流阈值与不平衡电流阈值；
第三模块，用于采集各分支处的三相实际电流值；
第四模块，用于将三相实际电流值的电流成分与对应的电流阈值进行比对，根据比对结果选择对应的补偿模式；所述补偿模块包括无功补偿模式或/和不平衡补偿模式。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过低压配电拓扑、配电线路以及各分支功率，建立配电拓扑模型；在分支处安装分布式电能质量治理单元，根据其所在的位置，设定无功电流与不平衡电流的阈值，作为启用不同补偿模式的依据；电能治理治理装置检测负载电流成分，并根据设定的阈值与检测的对应项的电流，判断要启用的补偿模式，有针对性地进行不同模式的补偿，以此合理利用电能质量治理单元的容量，高效解决由于三相不平衡和无功功率造成的线路损耗与变压器损耗。
本发明在进行补偿模式时设置滞环区间，即停止补偿时和启用补偿时对应的电流之间存在电流缓冲区间，以避免电流在电流阈值附近变化时而导致补偿模式频繁切换。
附图说明
图1为本发明的方法在实施例的流程图。
图2为本发明的配电拓扑在实施例的结构图。
图3为本发明中的滞环区间示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本实施例的电能质量分支自适应补偿方法，包括步骤：
1)选取具有功率因数低以及三相不平衡度大的台区，根据低压配电拓扑、配电线路以及各分支功率，建立配电拓扑模型；
2)根据配电拓扑的仿真模型，分析各分支在平均负载率下，无功电流与不平衡电流对线损的影响，建立负载电流与线损的关系曲线；根据分布式电能质量补偿单元的功耗，建立补偿电流与设备损耗的关系曲线；联合二者的关系曲线，得到适合进行补偿的无功电流阈值与不平衡电流阈值；
3)采集各分支处的三相实际电流值；
4)将三相实际电流值的电流成分与对应的电流阈值进行比对，根据比对结果选择对应的补偿模式；所述补偿模块包括无功补偿模式或/和不平衡补偿模式。
在一具体实施例中，电能质量补偿单元为常规的电能质量补偿装置，可以进行无功电流和不平衡电流的补偿；其安装于对应各分支处，保证分支处和总网侧的三相平衡，提高分支处和总网侧的功率因数；分支处补偿的优势是保证线路和变压器都没有无功和不平衡，也可以在一定程度上降低线路损耗。
在一具体实施例中，在步骤1)中，在建立低压配电拓扑时，以传输线的材质、长度、线径以及接触点为考虑因素，详细计算线路电阻与电感，汇集分支处用电信息，建立详细的配电拓扑模型。具体地，线路电阻大小为R＝ρl/s，其中ρ是电阻率，根据线路材质不同而不同，对于铝导线而言，ρ＝31.5Ω·mm2/km，对于铜导线而言，ρ＝18.8Ω·mm2/km；l是线路长度；s是线路截面积；在带有接触点的线路中，可以适当提高电阻值，近似以每个接触点提高5mΩ～10mΩ；线路电感大小为
Figure BDA0002804523190000041
其中Deq是互几何均距，Ds是自几何均距。
在一具体实施例中，在步骤2)中，根据用户个数、用电量、功率因数以及线路型号，充分考虑无功电流与不平衡电流对于线路损耗和变压器损耗的影响，进行建模运算，设定不同的无功电流阈值和不平衡电流阈值。具体地，电流阈值的设定是基于线损和设备损耗的相对关系，以图2中的末端分支5的无功补偿为例：分支5独有的线路阻抗为r4，设备的损耗可认为是
Figure BDA0002804523190000042
该段线路的损耗
Figure BDA0002804523190000051
其中下标P是相数，对于设备损耗而言，P为A相/B相/C相；对于线路损耗而言，PL为A相/B相/C相/N相。而线路电流ILP与设备电流的关系为ILP＝IP-IAUC-P，运算为矢量运算，其中IP为图2中的IA/IB/IC，为线路上补偿前的电；如若在常规情况下，r4＝0.2Ω，UA＝UB＝UC＝210V，PF＝0.707，若当前电流IA＝IB＝IC＝14A，则IAUC-A＝IAUC-B＝IAUC-C＝10A，ILA＝ILB＝ILC＝10A，ILN＝0，则设备损耗
Figure BDA0002804523190000052
无功补偿前线路损耗
Figure BDA0002804523190000053
无功补偿后
Figure BDA0002804523190000054
所以线路降损60W，设备损耗126W，无功10A并不在阈值范围内；若当前电流IA＝IB＝IC＝42.5A，则IAUC-A＝IAUC-B＝IAUC-C＝30A，ILA＝ILB＝ILC＝30A，ILN＝0，则设备损耗
Figure BDA0002804523190000055
无功补偿前线路损耗
Figure BDA0002804523190000056
无功补偿后
Figure BDA0002804523190000057
所以线路降损540W，设备损耗378W，无功30A在阈值范围内。
考虑到电能质量治理对线损以及电能质量治理均有要求等原因，可以容许在电能质量治理的同时使得线路损耗有略微增加，上述例子，可认为无功电流阈值为15A～20A。不平衡电流阈值的计算同理，但不平衡电流阈值的降损主要体现在零线的降损上。
在一具体实施例中，在步骤3)中，采用SDFT算法以及对称分量法，提取出三相实际电流的正序无功成分、负序分量以及零序分量，以与对应的电流阈值进行比对。
在一具体实施例中，在步骤4)中，若负载侧无功电流高于对应设定的电流阈值，则启用无功补偿模式；若负载侧不平衡电流阈值高于对应设定的电流阈值，则启用不平衡补偿模式。
在一具体实施例中，在步骤4)中，在进行补偿模式时，设置滞环区间，如图3所示，即停止补偿时和启用补偿时对应的电流之间存在电流缓冲区间，以避免电流在电流阈值附近变化时而导致补偿模式频繁切换。
本发明通过主站数据导出等方式，查找一些具有严重不平衡和低功率因数的农网台区，并进行实地勘察，对这些台区建立低压配电拓扑；在分支处安装分布式电能质量治理单元，根据其所在的位置，设定无功电流与不平衡电流的阈值，作为启用不同补偿模式的依据；电能治理治理装置检测负载电流成分，并根据设定的阈值与检测的对应项的电流，判断要启用的补偿模式，有针对性地进行不同模式的补偿，以此合理利用电能质量治理单元的容量，高效解决由于三相不平衡和无功功率造成的线路损耗与变压器损耗。
本发明还公开了一种电能质量分支自适应补偿系统，包括：
第一模块，用于根据低压配电拓扑、配电线路以及各分支功率，建立配电拓扑模型；
第二模块，用于根据配电拓扑的仿真模型，分析各分支在平均负载率下，无功电流与不平衡电流对线损的影响，建立负载电流与线损的关系曲线；根据分布式电能质量补偿装置的功耗，建立补偿电流与设备损耗的关系曲线；联合二者的关系曲线，得到适合进行补偿的无功电流阈值与不平衡电流阈值；
第三模块，用于采集各分支处的三相实际电流值；
第四模块，用于将三相实际电流值的电流成分与对应的电流阈值进行比对，根据比对结果选择对应的补偿模式；所述补偿模块包括无功补偿模式或/和不平衡补偿模式。
本发明的补偿系统，用于执行如上所述的补偿方法，同样具有如上补偿方法所述的优点。
下面结合附图和完整的实施例对上述发明做进一步说明：
如图1和图2所示，分布式电能质量补偿装置安装于低压台区各个分支处，对分支进行就地补偿，由于分支处的电流小，因此设备容量小，可以在硬件上低功耗设计；采集三相电网电压以及三相负载侧电流，通过SDFT算法检测负载电流的基波成分，根据对称分量法提取基波电流的正序、负序以及零序成分，对于正序分量，结合电网电压相位，得到正序无功分量；
设定无功电流与不平衡电流阈值依据所处分支的参数特点，粗略建模计算不同大小的无功电流和不平衡电流对于线损的影响，在此基础上设定无功电流与不平衡电流的阈值；具体地，根据配电拓扑的仿真模型，分析各分支在平均负载率下，无功电流与不平衡电流对线损的影响，建立负载电流与线损的关系曲线；根据分布式电能质量补偿装置的功耗，建立补偿电流与设备损耗的关系曲线；联合二者的关系曲线，得到适合进行补偿的无功电流阈值与不平衡电流阈值；
根据设定的无功电流与不平衡电流阈值，判断电流成分与对应阈值的关系，自适应修改补偿目标，从而保证容量一定时，电流补偿的价值；
如图3所示，启用补偿的阈值与停止补偿的阈值具有一个滞环区间，当检测到负载侧电流达到启动补偿阈值时，分布式电能质量补偿装置开始补偿；由于负载电流是不断变化的，当检测到负载电流低于停止补偿阈值时，分布式电能质量补偿装置停止补偿；设定了启动补偿阈值与停止补偿阈值的滞环区间，可以有效避免由于负载电流在阈值附近波动时的补偿模式频繁切换问题。
以上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，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电能质量分支自适应补偿方法，其特征在于，包括步骤：
1)根据低压配电拓扑、配电线路以及各分支功率，建立配电拓扑模型；
2)根据配电拓扑的仿真模型，分析各分支在平均负载率下，无功电流与不平衡电流对线损的影响，建立负载电流与线损的关系曲线；根据分布式电能质量补偿单元的功耗，建立补偿电流与设备损耗的关系曲线；联合二者的关系曲线，得到适合进行补偿的无功电流阈值与不平衡电流阈值；
3)采集各分支处的三相实际电流值；
4)将三相实际电流值的电流成分与对应的电流阈值进行比对，根据比对结果选择对应的补偿模式；所述补偿模式包括无功补偿模式或/和不平衡补偿模式；
在步骤2)中，根据用户个数、用电量、功率因数以及线路型号，充分考虑无功电流与不平衡电流对于线路损耗和变压器损耗的影响，进行建模运算，设定不同的无功电流阈值和不平衡电流阈值；
具体地，各电流阈值的设定是基于线损和设备损耗的相对大小关系来定的；其中在无功电流阈值的设定时，当无功补偿后的线路降损量大于设备损耗时，则对应的无功电流在阈值范围内，进入无功补偿模式，否则不在阈值范围内，不进入无功补偿模式；不平衡电流阈值的计算同理，但不平衡电流阈值的降损主要体现在零线的降损上。
2.根据权利要求1所述的电能质量分支自适应补偿方法，其特征在于，在步骤1)中，在建立低压配电拓扑时，以传输线的材质、长度、线径以及接触点为考虑因素，详细计算线路电阻与电感，汇集分支处用电信息，建立详细的配电拓扑模型。
3.根据权利要求2所述的电能质量分支自适应补偿方法，其特征在于，线路电阻R＝ρl/s，其中ρ是电阻率、l是线路长度；s是线路截面积；
线路电感为
Figure FDA0003765698030000011
其中Deq是互几何均距，Ds是自几何均距；
其中每个接触点的电阻值等效于5mΩ～10mΩ。
4.根据权利要求1所述的电能质量分支自适应补偿方法，其特征在于，在步骤3)中，采用SDFT算法以及对称分量法，提取出三相实际电流的正序无功、负序分量以及零序分量，以与对应的电流阈值进行比对。
5.根据权利要求4所述的电能质量分支自适应补偿方法，其特征在于，在步骤4)中，若负载侧无功电流高于对应设定的电流阈值，则启用无功补偿模式；若负载侧不平衡电流高于对应设定的电流阈值，则启用不平衡补偿模式。
6.根据权利要求1～3中任意一项所述的电能质量分支自适应补偿方法，其特征在于，在步骤4)中，在进行补偿模式切换时，设置滞环区间，即停止补偿时和启用补偿时对应的电流之间存在电流缓冲区间，以避免电流在电流阈值附近变化时而导致补偿模式频繁切换。
7.一种电能质量分支自适应补偿系统，其特征在于，包括：
第一模块，用于根据低压配电拓扑、配电线路以及各分支功率，建立配电拓扑模型；
第二模块，用于根据配电拓扑的仿真模型，分析各分支在平均负载率下，无功电流与不平衡电流对线损的影响，建立负载电流与线损的关系曲线；根据分布式电能质量补偿单元的功耗，建立补偿电流与设备损耗的关系曲线；联合二者的关系曲线，得到适合进行补偿的无功电流阈值与不平衡电流阈值；
第三模块，用于采集各分支处的三相实际电流值；
第四模块，用于将三相实际电流值的电流成分与对应的电流阈值进行比对，根据比对结果选择对应的补偿模式；所述补偿模式包括无功补偿模式或/和不平衡补偿模式；
在第二模块中，根据用户个数、用电量、功率因数以及线路型号，充分考虑无功电流与不平衡电流对于线路损耗和变压器损耗的影响，进行建模运算，设定不同的无功电流阈值和不平衡电流阈值；
具体地，各电流阈值的设定是基于线损和设备损耗的相对大小关系来定的；其中在无功电流阈值的设定时，当无功补偿后的线路降损量大于设备损耗时，则对应的无功电流在阈值范围内，进入无功补偿模式，否则不在阈值范围内，不进入无功补偿模式；不平衡电流阈值的计算同理，但不平衡电流阈值的降损主要体现在零线的降损上。
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