CN105226686A - 一种不平衡和无功补偿综合控制***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不平衡和无功补偿综合控制***及其方法，***包括综合控制器和多个相间补偿装置，具体方法如下：检测配变出口电压及电流，并计算有功功率、无功功率、功率因素、电压合格率和三相不平衡度ε；判断相电压是否越出电压上、下限：若相电压超过电压上限，则下发切除相-零间的补偿装置命令；若相电压低于电压下限，则下发投入相-零间的补偿装置命令；若相电压在电压下限与电压上限范围内，则判断三相不平衡度ε是否合格；若ε>ε₀，则根据不平衡补偿算法下发相-相间的补偿装置动作命令；否则根据无功补偿算法下发相-零间的补偿装置以及相-相间的补偿装置动作命令。本发明能够提高电力***的功率因数、农村电网电压合格率和供电可靠性。

Description

一种不平衡和无功补偿综合控制***及其方法

技术领域

本发明涉及一种不平衡和无功补偿综合控制***及其方法，属于配电网技术领域。

背景技术

随着农村经济的快速发展，电能需求快速增长，新农村城镇化建设进程的不断加快，特别是“家电下乡”等一系列惠农政策的实施，农村用电量和用电负荷日并益攀升，农村电力需求与日俱增。农网中配电低压线路中无功治理不理想、三相负载不平衡情况严重、配电容量严重超载，这些都导致了农网低电压问题十分严重，制约了农村经济的发展。

农网中三相负载不平衡情况严重，经常会出现单相负荷容量超出配电变压器容量，而另外两相为轻载的情况，从而导致配变容量不足，电压偏低；农网中无功补偿普及率不高，即使应用电力电容器也因为谐波等问题导致电容器易损坏，无法正常投运，同时电容器还存在补偿精度不高，响应速度不够的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种不平衡和无功补偿综合控制***及其方法，能够提高电力***的功率因数、农村电网电压合格率和供电可靠性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种不平衡和无功补偿综合控制***，包括作为主控设备的综合控制器和多个作为受控设备用于接收主控设备投切命令的补偿装置；综合控制器通过检测配变出口电压及电流，计算有功功率、无功功率、功率因素、电压合格率和三相不平衡度ε，从而控制所述补偿装置投切；接在相-相间的补偿装置用于实现有功功率在相间转移，接在相-零间的补偿装置用于无功补偿。

本发明的不平衡和无功补偿综合控制***的控制方法，具体包括以下几个步骤：

(1)所述综合控制器检测配变出口电压及电流，并计算有功功率、无功功率、功率因素、电压合格率和三相不平衡度ε；

(2)判断相电压U_an、U_bn、U_cn是否越出电压上限U_uu、电压下限U_dd：

若相电压U_an、U_bn、U_cn超过电压上限U_uu，则下发切除相-零间的补偿装置命令；

若相电压U_an、U_bn、U_cn低于电压下限U_dd，则下发投入相-零间的补偿装置命令；

(3)若相电压U_an、U_bn、U_cn在电压下限U_dd与电压上限U_uu范围内，则判断三相不平衡度ε是否合格；

若ε>ε₀代表三相不平衡度不合格，则根据不平衡补偿算法下发相-相间的补偿装置动作命令；

若ε≤ε₀代表三相不平衡度合格，则根据无功补偿算法下发相-零间的补偿装置以及相-相间的补偿装置动作命令，其中，ε₀为设定的允许不平衡度。

步骤(3)中，所述不平衡补偿算法具体步骤如下：

(a1)建立目标函数： $H=I_a^2+I_b^2+I_c^2=\frac{P_a^2+Q_a^2}{U_a^2}+\frac{P_b^2+Q_b^2}{U_b^2}+\frac{P_c^2+Q_c^2}{U_c^2},$ 计算补偿前目标函数值H₀，其中Ia、Ib、Ic、Ua、Ub、Uc表示配变出口三相电流和电压；P_a、P_b、P_c表示三相总的有功功率，Q_a、Q_b、Q_c表示三相总的无功功率，总的功率包括电容部分和负载部分；

(a2)根据叠加原理可得：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_a=\sqrt{3}(Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}}-Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}})/6+P_{aL}\\ P_b=\sqrt{3}(Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}}-Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}})/6+P_{bL}\\ P_c=\sqrt{3}(Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}}-Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}})/6+P_{cL}\\ Q_a=-(Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}})/2-Q_a^Y+Q_{aL}\\ Q_b=-(Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}})/2-Q_b^Y+Q_{bL}\\ Q_c=-(Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}})/2-Q_c^Y+Q_{cL}\end{array}\right.$

其中,P_al、P_bL，P_cL表示负载的三相有功功率，Q_aL，Q_bL，Q_cL表示负载的三相无功功率，表示相-相间补偿装置容量， 表示相-零间补偿装置容量；

无功补偿过程中，无功功率越小越好，无功为零的情况下得出以下公式：

建立相对相-零间装置与相-相间装置关系；

(a3)由于多个补偿装置的容量都是取离散的若干个值，根据步骤(a2)的约束条件用枚举法把和的值代入H，使得H最小，作为综合控制器的投切策略。

步骤(3)中，所述无功补偿算法具体步骤如下：

(b1)用九区图算法分别计算三相无功投切策略；

(b2)若三相无功投切策略相同，则选择控制相-相间补偿装置投切；

(b3)如三相无功投切策略不同，则选择控制相-零间补偿装置分别对三相进行投切补偿。

本发明可以提高电力***的功率因数，减少无功电流流动，减少功率损耗，提高设备的使用率；减少线路电压损耗，保证供配电***的电压稳定，提高电能质量，提高***的稳定性，有利于电力的合理传输和应用；提高农村电网电压合格率、供电可靠性。

附图说明

图1为本发明的一种不平衡和无功补偿综合控制***结构框图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明的一种不平衡和无功补偿综合控制***，包括作为主控设备的综合控制器和多个作为受控设备用于接收主控设备投切命令的补偿装置；综合控制器通过检测配变出口电压及电流，计算有功功率、无功功率、功率因素、电压合格率和三相不平衡度ε，从而控制所述补偿装置投切；接在相-相间的补偿装置用于实现有功功率在相间转移，接在相-零间的补偿装置用于无功补偿。

本发明的不平衡和无功补偿综合控制***的控制方法，具体包括以下几个步骤：

(1)所述综合控制器检测配变出口电压及电流，并计算有功功率、无功功率、功率因素、电压合格率和三相不平衡度ε；本实施例中，相电压为223V,无功功率为20KVAR，功率因数为0.7，三相不平衡度为3％

(2)判断相电压U_an、U_bn、U_cn是否越出电压上限U_uu、电压下限U_dd：

若相电压U_an、U_bn、U_cn超过电压上限U_uu，则下发切除相-零间的补偿装置命令；

若相电压U_an、U_bn、U_cn低于电压下限U_dd，则下发投入相-零间的补偿装置命令；

(3)若相电压U_an、U_bn、U_cn在电压下限U_dd与电压上限U_uu范围内，则判断三相不平衡度ε是否合格；

若ε>ε₀代表三相不平衡度不合格，则根据不平衡补偿算法下发相-相间的补偿装置动作命令；

若ε≤ε₀代表三相不平衡度合格，则根据无功补偿算法下发相-零间的补偿装置以及相-相间的补偿装置动作命令，其中，ε₀为设定的允许不平衡度。

因无功功率为20KVAR，功率因数为0.7符合条件，则投入电容器。

步骤(3)中，所述不平衡补偿算法具体步骤如下：

(a1)建立目标函数： $H=I_a^2+I_b^2+I_c^2=\frac{P_a^2+Q_a^2}{U_a^2}+\frac{P_b^2+Q_b^2}{U_b^2}+\frac{P_c^2+Q_c^2}{U_c^2},$ 计算补偿前目标函数值H₀，其中Ia、Ib、Ic、Ua、Ub、Uc表示配变出口三相电流和电压；P_a、P_b、P_c表示三相总的有功功率，Q_a、Q_b、Q_c表示三相总的无功功率，总的功率包括电容部分和负载部分；

(a2)根据叠加原理可得：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_a=\sqrt{3}(Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}}-Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}})/6+P_{aL}\\ P_b=\sqrt{3}(Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}}-Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}})/6+P_{bL}\\ P_c=\sqrt{3}(Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}}-Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}})/6+P_{cL}\\ Q_a=-(Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}})/2-Q_a^Y+Q_{aL}\\ Q_b=-(Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}})/2-Q_b^Y+Q_{bL}\\ Q_c=-(Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}})/2-Q_c^Y+Q_{cL}\end{array}\right.$

其中,P_al、P_bL，P_cL表示负载的三相有功功率，Q_aL，Q_bL，Q_cL表示负载的三相无功功率，表示相-相间补偿装置容量， 表示相-零间补偿装置容量；

无功补偿过程中，无功功率越小越好，无功为零的情况下得出以下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_a^Y=Q_{aL}-(Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}})/2\≥0\\ Q_b^Y=Q_{bL}-(Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}})/2\≥0\\ Q_c^Y=Q_{cL}-(Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}})/2\≥0\end{array}\right.$

建立相对相-零间装置与相-相间装置关系；

(a3)由于多个补偿装置的容量都是取离散的若干个值，根据步骤(a2)的约束条件用枚举法把和的值代入H，使得H最小，作为综合控制器的投切策略。

步骤(3)中，所述无功补偿算法具体步骤如下：

(b1)用九区图算法分别计算三相无功投切策略；

(b2)若三相无功投切策略相同，则选择控制相-相间补偿装置投切；

(b3)如三相无功投切策略不同，则选择控制相-零间补偿装置分别对三相进行投切补偿。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种不平衡和无功补偿综合控制***，其特征在于，包括作为主控设备的综合控制器和多个作为受控设备用于接收主控设备投切命令的补偿装置；

所述综合控制器通过检测配变出口电压及电流，计算有功功率、无功功率、功率因素、电压合格率和三相不平衡度ε，从而控制所述补偿装置投切；

接在相-相间的补偿装置用于实现有功功率在相间转移，接在相-零间的补偿装置用于无功补偿。

2.根据权利要求1所述不平衡和无功补偿综合控制***的控制方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：

(1)所述综合控制器检测配变出口电压及电流，并计算有功功率、无功功率、功率因素、电压合格率和三相不平衡度ε；

(2)判断相电压U_an、U_bn、U_cn是否越出电压上限U_uu、电压下限U_dd：

若相电压U_an、U_bn、U_cn超过电压上限U_uu，则下发切除相-零间的补偿装置命令；

若相电压U_an、U_bn、U_cn低于电压下限U_dd，则下发投入相-零间的补偿装置命令；

(3)若相电压U_an、U_bn、U_cn在电压下限U_dd与电压上限U_uu范围内，则判断三相不平衡度ε是否合格；

若ε>ε₀代表三相不平衡度不合格，则根据不平衡补偿算法下发相-相间的补偿装置动作命令；

若ε≤ε₀代表三相不平衡度合格，则根据无功补偿算法下发相-零间的补偿装置以及相-相间的补偿装置动作命令，其中，ε₀为设定的允许不平衡度。

3.根据权利要求2所述不平衡和无功补偿综合控制***的控制方法，其特征在于，步骤(3)中，所述不平衡补偿算法具体步骤如下：

(a1)建立目标函数： $H=I_a^2+I_b^2+I_c^2=\frac{P_a^2+Q_a^2}{U_a^2}+\frac{P_b^2+Q_b^2}{U_b^2}+\frac{P_c^2+Q_c^2}{U_c^2},$ 计算补偿前目标函数值H₀，其中Ia、Ib、Ic、Ua、Ub、Uc表示配变出口三相电流和电压；P_a、P_b、P_c表示三相总的有功功率，Q_a、Q_b、Q_c表示三相总的无功功率，总的功率包括电容部分和负载部分；

(a2)根据叠加原理可得：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_a=\sqrt{3}(Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}}-Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}})/6+P_{aL}\\ P_b=\sqrt{3}(Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}}-Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}})/6+P_{bL}\\ P_c=\sqrt{3}(Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}}-Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}})/6+P_{cL}\\ Q_a=-(Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}})/2-Q_a^Y+Q_{aL}\\ Q_b=-(Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}})/2-Q_b^Y+Q_{bL}\\ Q_c=-(Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}})/2-Q_c^Y+Q_{cL}\end{array}\right.$

其中,P_al、P_bL，P_cL表示负载的三相有功功率，Q_aL，Q_bL，Q_cL表示负载的三相无功功率，表示相-相间补偿装置容量， 表示相-零间补偿装置容量；

无功补偿过程中，无功功率越小越好，无功为零的情况下得出以下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_a^Y=Q_{aL}-(Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}})/2\≥0\\ Q_b^Y=Q_{bL}-(Q_{ab}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}})/2\≥0\\ Q_c^Y=Q_{cL}-(Q_{bc}^{\mathrm{\Δ}}+Q_{ca}^{\mathrm{\Δ}})/2\≥0\end{array}\right.$

建立相对相-零间装置与相-相间装置关系；

(a3)由于多个补偿装置的容量都是取离散的若干个值，根据步骤(a2)的约束条件用枚举法把和的值代入H，使得H最小，作为综合控制器的投切策略。

4.根据权利要求2所述不平衡和无功补偿综合控制***的控制方法，其特征在于，步骤(3)中，所述无功补偿算法具体步骤如下：

(b1)用九区图算法分别计算三相无功投切策略；

(b2)若三相无功投切策略相同，则选择控制相-相间补偿装置投切；

(b3)如三相无功投切策略不同，则选择控制相-零间补偿装置分别对三相进行投切补偿。