配電變壓器動態智能補償及諧波治理方法與流程
2023-05-13 08:45:12
本發明屬於電力技術領域，涉及一種配電變壓器動態智能補償及諧波治理方法。
背景技術：
電力系統運行的基本要求是保證可靠地持續供電、保證良好的電能質量及保證系統運行的經濟性。一方面，隨著工業生產中負荷數量及種類的增加，配電變壓器負載不平衡、無功及諧波等電能質量問題越來越嚴重。另一方面，目前治理配變不平衡、無功及諧波問題的措施相互獨立，存在一定的延時並且增加大量人力成本，效果不明顯。
有源電力電子型補償裝置由於動作速度快、允許多次動作等特點，在電力系統中有著廣闊的應用。然而，由於新型變壓器的直流側智能補償及諧波治理的容量有限。因此，提出一種新型配電變壓器動態智能補償及諧波治理的最優方法，此方法旨在充分利用直流側補償容量的情況下，合理調節不平衡電流、無功電流和諧波電流的補償比例，以達到兼顧負載側電能質量和新型配電變壓器功耗的綜合最優化。
技術實現要素：
為實現上述目的，本發明提供一種配電變壓器動態智能補償及諧波治理方法，能實現在補償裝置直流側補償容量有限的情況下適當調整不平衡電路、無功電流和諧波電流各自的補償比例，不但充分利用了直流側的補償容量，而且達到兼顧負載側電能質量和配電變壓器功耗的綜合最優化。
本發明所採用的技術方案是，一種配電變壓器動態智能補償及諧波治理方法，具體按照以下步驟進行：
步驟1，實時讀取配電變壓器二次側線電流；
步驟2，根據讀取的配電變壓器二次側線電流的數值檢測不平衡電流I1、無功電流I2和諧波電流Ih的有效值；
步驟3.1，用k1、k2、k3表示補償後配電變壓器損耗減少量；
步驟3.2，用k1、k2、k3表示補償後配電變壓器二次側電能質量改善情況；
步驟4，以直流側補償容量為邊界條件，建立兼顧變壓器損耗和變壓器二次側電能質量的最優化方程；
步驟5，由控制器求解最優化方程，求得k1、k2、k3的值，即為不平衡電流、無功電流和諧波電流的最優補償比例。
進一步的，所述步驟3.1，具體按照以下步驟進行：
其中：
其中：
ΔP表示相對沒有治理之前綜合治理後減小的損耗；
ΔP1表示相對沒有治理三相不平衡電流之前對三相不平衡電流按照治理比例為k1治理後減小的損耗；
ΔP2表示相對沒有治理三相無功電流之前對三相無功電流按照治理比例為k2治理後減小的損耗；
ΔP3表示相對沒有治理諧波電流之前對諧波電流按照治理比例為k3治理後減小的損耗；
Ie表示變壓器的額定電流；
表示功率因素角；
Ihn表示第n次諧波電流的有效值；
ΔP11表示治理不平衡電流前變壓器有功功率損耗；
ΔP12表示治理不平衡電流後變壓器有功功率損耗；
ΔP21表示治理無功電流前變壓器有功功率損耗；
ΔP22表示治理無功電流後變壓器有功功率損耗；
ΔP31表示治理諧波電流前變壓器有功功率損耗；
ΔP32表示治理諧波電流後變壓器有功功率損耗；
PEC表示治理諧波電流前諧波條件下渦流損耗；
PSL表示治理諧波電流前諧波條件下雜散損耗；
P3EC表示治理諧波電流後渦流損耗；
P3SL表示治理諧波電流後雜散損耗；
Pk表示配電變壓器額定短路損耗；
IA、IB、IC為三相線電流的有效值；
I1A(k1)、I1B(k1)、I1C(k1)為按治理比例k1治理不平衡電流後三相電流的有效值；
PEC-R為正弦交流電條件下的繞組的渦流損耗，PSL-R為正弦交流電條件下的雜散損耗，均可通過試驗方法求得；
k1、k2、k3為假設的對三相不平衡電流、無功電流、諧波電流的治理比例，為待求量。
進一步的，所述步驟3.2，具體按照以下步驟進行：
ΔQE＝Q1E-Q2E
ΔQE的含義是相對於治理之前，綜合治理後電能質量的提升；
其中：
分別代表補償前、補償前後電能質量綜合評價值；
Q1vw為治理前諧波指數；
Q1vb為治理前不平衡指數；
Q2vw為治理後諧波指數；
Q2vb為治理後不平衡指數。
進一步的，所述步驟4，建立兼顧變壓器損耗和變壓器二次側電能質量的最優化方程具體按照以下步驟進行：
max f(k1,k2,k3)＝λ1·ΔP*+λ2·ΔQE
其中：
ICC＝I1C+I2C+I3C；
I1C為治理三相不平衡的最大單相補償電流；
I2C為治理無功的最大單相補償電流；
I3C為治理諧波的補償電流；
ID為直流側補償器件的最大過流能力，代表補償裝置直流側的補償容量；
λ1+λ2＝1，λ1、λ2分別為損耗減小量的權值和電能質量的權值，可根據實際情況由專家打分確定；
k1、k2、k3的數值由控制器實時計算；
Icc為所需的最大補償電流；
f(k1,k2,k3)表示對不平衡電流、無功電流、諧波電流按不同比例k1,k2,k3補償之後對變壓器損耗減小量和電能質量提高的綜合評價方程；
ΔP*為治理後損耗減少量的標么值。
進一步的，ΔP*＝ΔP/SN，SN為配電變壓器的額定容量。
本發明由計算智能補償後配電變壓器損耗減少量、計算智能補償後電能質量的改善及求解補償比例最優化方程三部分組成。其中，求解補償比例最優化方程計算出對不平衡電流、無功電流和諧波電流的不同補償比例，以得到兼顧負載側電能質量和新型配電變壓器功耗的最優補償比例。由於新型變壓器的直流側智能補償及諧波治理的容量有限，在電能質量惡劣的情況下本發明對不平衡電流、無功電流、諧波電流進行選擇性或按比例補償，以達到變壓器的經濟運行及電能質量的綜合最優化。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明實施例的流程示意圖。
圖2是本發明實施例針對純電感和諧波負載的不同補償比例下的補償效果圖。
圖3是本發明實施例針對不平衡阻感負載不同補償比例下的補償效果圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
一種配電變壓器動態智能補償及諧波治理方法，思路是：假設對三相不平衡電流、無功電流、諧波電流的補償比例分別為k1、k2、k3，其中0≤k1,k2,k3≤1，治理之後用k1、k2、k3表示配電變壓器損耗的減少量和電能質量的改善質量，列出最優化方程，然後求解出k1、k2、k3的值，即可得出不平衡電流、無功電流和諧波電流的最佳補償比例。
具體按照以下步驟進行：
步驟1，實時讀取配電變壓器二次側線電流；
步驟2，根據讀取的配電變壓器二次側線電流的數值檢測不平衡電流I1、無功電流I2和諧波電流Ih的有效值(I1A I1B I1C分別表示A、B、C三相不平衡電流有效值，I2A I2B I2C分別表示A、B、C三相的無功電流有效值，Ihn表示第n次諧波的有效值。)；
步驟3.1，用k1、k2、k3表示補償後配電變壓器損耗減少量；
步驟3.2，用k1、k2、k3表示補償後配電變壓器二次側電能質量改善情況；
步驟4，以直流側補償容量為邊界條件，建立兼顧變壓器損耗和變壓器二次側電能質量的最優化方程；
步驟5，由控制器求解最優化方程，求得k1、k2、k3的值，即為不平衡電流、無功電流和諧波電流的最優補償比例。
進一步的，步驟3.1中，具體按照以下步驟進行：
其中：
其中：
ΔP表示相對沒有治理之前綜合治理後減小的損耗。
ΔP1表示相對沒有治理三相不平衡電流之前對三相不平衡電流按照治理比例為k1治理後減小的損耗。
ΔP2表示相對沒有治理三相無功電流之前對三相無功電流按照治理比例為k2治理後減小的損耗。
ΔP3表示相對沒有治理諧波電流之前對諧波電流按照治理比例為k3治理後減小的損耗。
Ie表示變壓器的額定電流。
表示功率因素角。
Ihn表示第n次諧波電流的有效值。
ΔP11表示治理不平衡電流前變壓器有功功率損耗。
ΔP12表示治理不平衡電流後變壓器有功功率損耗。
ΔP21表示治理無功電流前變壓器有功功率損耗。
ΔP22表示治理無功電流後變壓器有功功率損耗
ΔP31表示治理諧波電流前變壓器有功功率損耗。
ΔP32表示治理諧波電流後變壓器有功功率損耗。
PEC表示治理諧波電流前諧波條件下渦流損耗。
PSL表示治理諧波電流前諧波條件下雜散損耗。
P3EC表示治理諧波電流後渦流損耗
P3SL表示治理諧波電流後雜散損耗。
Pk表示配電變壓器額定短路損耗；
IA、IB、IC為三相線電流的有效值；
I1A(k1)、I1B(k1)、I1C(k1)為按治理比例k1治理不平衡電流後三相電流的有效值；
PEC-R為正弦交流電條件下的繞組的渦流損耗，PSL-R為正弦交流電條件下的雜散損耗，均可通過試驗方法求得；
k1、k2、k3為假設的對三相不平衡電流、無功電流、諧波電流的治理比例，為待求量。
進一步的，步驟3.2中，具體按照以下步驟進行：
ΔQE＝Q1E-Q2E
ΔQE的含義是相對於治理之前，綜合治理後電能質量的提升。
其中：
分別代表補償前、補償前後電能質量綜合評價值。
Q1vw為治理前諧波指數；
Q1vb為治理前不平衡指數；
Q2vw為治理後諧波指數；
Q2vb為治理後不平衡指數。
進一步的，步驟4中，建立兼顧變壓器損耗和變壓器二次側電能質量的最優化方程具體按照以下步驟進行：
max f(k1,k2,k3)＝λ1·ΔP*+λ2·ΔQE
其中：
Ie為變壓器的額定電流；
ICC＝I1C+I2C+I3C；
I1C為治理三相不平衡的最大單相補償電流；
I2C為治理無功的最大單相補償電流；
I3C為治理諧波的補償電流；
ID為直流側補償器件的最大過流能力，代表補償裝置直流側的補償容量；
λ1+λ2＝1，λ1、λ2分別為損耗減小量的權值和電能質量的權值，可根據實際情況由專家打分確定；
k1、k2、k3的數值由控制器實時計算。
Icc為所需的最大補償電流；
f(k1,k2,k3)表示對不平衡電流、無功電流、諧波電流按不同比例k1,k2,k3補償之後對變壓器損耗減小量和電能質量提高的綜合評價方程；
ΔP*為治理後損耗減少量的標么值。
其中，ΔP*＝ΔP/SN，SN為配電變壓器的額定容量。
這樣就可以得到最優補償策略的不平衡電流、無功電流和諧波電路的補償比例。
實施例
假設配電變壓器的額定空載損耗ΔP0，額定短路損耗Pk，額定電流Ie，額定容量SN。惡劣工況運行條件下，三相電流有效值分別為IA、IB、IC。對三相不平衡電流、無功電流、諧波電流的治理比例分別為k1、k2、k3，其中0≤k1,k2,k3≤1。
一、治理三相不平衡後配電變壓器損耗降低量
1.治理前有功功率損耗為
其中，βA、βB、βC表示變壓器A、B、C三相的負載係數。
βA＝IA/Ie
βB＝IB/Ie
βC＝IC/Ie
2.假定對三相不平衡電流的治理比例為k1，治理後三相電流分別為I1A(k1)、I1B(k1)、I1C(k1)。治理後的有功功率損耗為
3.對三相不平衡電流按照治理比例為k1治理後損耗降低量
4.治理三相不平衡的補償電流
各項的補償電流分別為
I1AC＝IA-I1A(k1) (4a)
I1BC＝IB-I1B(k1) (4b)
I1CC＝IC-I1C(k1) (4c)
治理三相不平衡的最大單相補償電流為
I1C＝max[I1AC,I1BC,I1CC] (5)
二、治理無功的後配電變壓器損耗降低量
在惡劣工況運行條件下，三相電流有效值分別為IA、IB、IC。功率因數對無功功率按照比例k2治理後三相電流有效值為I2A(k2)、I2B(k2)、I2C(k2)。
1.治理之前有功功率損耗
2.治理之後三相電流有效值為I2A(k2)、I2B(k2)、I2C(k2)。
有功功率損耗為
3.對無功電流按照補償比例為k2補償後的損耗的降低量
4.治理無功的補償電流
各項的補償電流分別為
I2AC＝IA-I2A(k2) (10a)
I2BC＝IB-I2B(k2) (10b)
I2CC＝IC-I2C(k2) (10c)
治理無功的最大單相補償電流為
I2C＝max[I2AC,I2BC,I2CC] (11)
三、根據檢測設備可知各次諧波的含量，假設補償比例為k3。
諧波治理之前各次諧波電流有效值為Ih，按治理比例k3治理之後各次諧波電流有效值為(1-k3)Ih(h為諧波的次數)。
1.治理前諧波引起的有功功率損耗為ΔP31
ΔP31＝PEC+PSL (12)
其中，PEC為諧波引起的渦流損耗
PSL為雜散損耗
上兩個式子中，PEC-R為正弦交流電下的繞組的渦流損耗，PSL-R為正弦交流電下的雜散損耗，均可通過試驗方法求得。
2.以補償比例k3進行諧波治理之後，由諧波引起的有功功率損耗
ΔP32＝P3EC+P3SL (15)
其中，
3.則對諧波電流按照治理比例為k3補償後損耗的降低量
4.治理諧波的補償電流
所以，對三相不平衡電流、無功電流、諧波電流分別按照比例k1、k2、k3(0≤k1,k2,k3≤1)進行治理後的損耗的降低量為。
其中，k1、k2、k3為待求量。
四、動態智能補償及諧波治理後對電能質量的改善
以電壓偏差為例，定義評價時間：
T＝1440(分鐘)(以一天為周期)
依據國標劃分等級：
Δu＝0.7/m (21)
其中：m為所分等級個數，0.7為國標允許的電壓偏差絕對值。Δu為電壓偏移量。
第k級的範圍為
根據電壓偏差實測值求取其絕對值在第i級的時間
其中：ti為電壓偏差絕對值在第k級的第i個時間段的時間；n為電壓偏差絕對值在第k級的時間段的個數。
求取電壓偏差處於第k級的概率分布
pk＝τ(k)/T (24)
求取pk的期望和方差
對期望和方差標么化
E*(K)＝E(K)/EB(K) (27)
σ*(K)＝σ(K)/σB(K) (28)
其中：EB(K)、σB(K)分別為期望和方差的基準值，可由專家打分確定。
求取期望和方差的矢量和
Qv即視為描述電壓偏差質量的唯一量化指標值。
其他的單項質量均可以通過此方法得到唯一量化指標值。
由於要得到的是電能質量的一個綜合評價值，如前式所示，已經得到了各單項指標的唯一量化指標。但是他們是具有不同量綱的，因此可用矢量代數的方法將各項指標歸一量化，從而得到一個電能質量綜合量化指標QE，如下式。
這裡電能質量的綜合評價指標可以只考慮治理三相不平衡和諧波電流對電能質量的改善，從而可以把上式簡化為
得到的QE在1以下時，可以說是被考察的電能質量是合格的，且QE越小，綜合電能質量越高。
則按照上述介紹的電能質量綜合評價介紹的方法，治理前、治理後電能質量綜合評價值分別為
所以對電能質量的提升為
五、動態智能補償及諧波治理最優解的求取
為綜合考慮變壓器的經濟運行和負載側電能質量，達到最優補償的目的。必須將按照不同比例對不平衡電流、無功電流、諧波電流治理後降低的損耗和對電能質量的提高兩種指標統一單位。由於對電能質量的提升這一指標已經標么化，所以現在將治理後帶來的經濟收益標么化。
ΔP*＝ΔP/SN (34)
其中：SN為配電變壓器的額定容量。
令
f(k1,k2,k3)＝λ1·ΔP*+λ2·ΔQE (35)
f(k1,k2,k3)為對不平衡電流、無功電流、諧波電流按不同比例補償之後經濟收益和電能質量提高的綜合評價方程，其中λ1、λ2為經濟收益和電能質量的權值，可根據實際情況由專家打分確定。
利用線性加權法及以上分析得出以下最優化方程
maxf(k1,k2,k3)＝λ1·ΔP*+λ2·ΔQE (36)
其中：ICC＝I1C+I2C+I3C，λ1+λ2＝1
ID為直流側補償器件的最大過流能力。
k1、k2、k3的數值由控制器實時計算。
這樣就可以得到最優補償策略的不平衡電流、無功電流和諧波電路的補償比例。
圖2為本發明針對純電感和諧波負載的不同補償比例下的補償效果，由圖可以看出對無功電流和諧波電流進行不同比例補償時電流波形和電流有效值的大小有不同的變化，本發明的目的就是找到最優的補償比例。
圖3為本發明針對不平衡阻感負載不同補償比例下的補償效果，由圖可以看出對不平衡電流和無功電流進行不同比例補償時電流波形和電流有效值的大小有不同的變化，本發明的目的就是找到最優的補償比例。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護範圍內。