本發(fā)明屬于電力技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種配電變壓器動態(tài)智能補(bǔ)償及諧波治理方法。

背景技術(shù)：

電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求是保證可靠地持續(xù)供電、保證良好的電能質(zhì)量及保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。一方面，隨著工業(yè)生產(chǎn)中負(fù)荷數(shù)量及種類的增加，配電變壓器負(fù)載不平衡、無功及諧波等電能質(zhì)量問題越來越嚴(yán)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(dú)立，存在一定的延時并且增加大量人力成本，效果不明顯。

有源電力電子型補(bǔ)償裝置由于動作速度快、允許多次動作等特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用。然而，由于新型變壓器的直流側(cè)智能補(bǔ)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(tài)智能補(bǔ)償及諧波治理的最優(yōu)方法，此方法旨在充分利用直流側(cè)補(bǔ)償容量的情況下，合理調(diào)節(jié)不平衡電流、無功電流和諧波電流的補(bǔ)償比例，以達(dá)到兼顧負(fù)載側(cè)電能質(zhì)量和新型配電變壓器功耗的綜合最優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種配電變壓器動態(tài)智能補(bǔ)償及諧波治理方法，能實(shí)現(xiàn)在補(bǔ)償裝置直流側(cè)補(bǔ)償容量有限的情況下適當(dāng)調(diào)整不平衡電路、無功電流和諧波電流各自的補(bǔ)償比例，不但充分利用了直流側(cè)的補(bǔ)償容量，而且達(dá)到兼顧負(fù)載側(cè)電能質(zhì)量和配電變壓器功耗的綜合最優(yōu)化。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種配電變壓器動態(tài)智能補(bǔ)償及諧波治理方法，具體按照以下步驟進(jìn)行：

步驟1，實(shí)時讀取配電變壓器二次側(cè)線電流；

步驟2，根據(jù)讀取的配電變壓器二次側(cè)線電流的數(shù)值檢測不平衡電流I₁、無功電流I₂和諧波電流I_h的有效值；

步驟3.1，用k₁、k₂、k₃表示補(bǔ)償后配電變壓器損耗減少量；

步驟3.2，用k₁、k₂、k₃表示補(bǔ)償后配電變壓器二次側(cè)電能質(zhì)量改善情況；

步驟4，以直流側(cè)補(bǔ)償容量為邊界條件，建立兼顧變壓器損耗和變壓器二次側(cè)電能質(zhì)量的最優(yōu)化方程；

步驟5，由控制器求解最優(yōu)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(yōu)補(bǔ)償比例。

進(jìn)一步的，所述步驟3.1，具體按照以下步驟進(jìn)行：

其中：

其中：

ΔP表示相對沒有治理之前綜合治理后減小的損耗；

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治理后減小的損耗；

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治理后減小的損耗；

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治理后減小的損耗；

I_e表示變壓器的額定電流；

表示功率因素角；

I_hn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后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表示治理無功電流后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表示治理諧波電流后變壓器有功功率損耗；

P_EC表示治理諧波電流前諧波條件下渦流損耗；

P_SL表示治理諧波電流前諧波條件下雜散損耗；

P_3EC表示治理諧波電流后渦流損耗；

P_3SL表示治理諧波電流后雜散損耗；

P_k表示配電變壓器額定短路損耗；

I_A、I_B、I_C為三相線電流的有效值；

I_1A(k₁)、I_1B(k₁)、I_1C(k₁)為按治理比例k₁治理不平衡電流后三相電流的有效值；

P_EC-R為正弦交流電條件下的繞組的渦流損耗，P_SL-R為正弦交流電條件下的雜散損耗，均可通過試驗(yàn)方法求得；

k₁、k₂、k₃為假設(shè)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(jìn)一步的，所述步驟3.2，具體按照以下步驟進(jìn)行：

ΔQ_E＝Q_1E-Q_2E

ΔQ_E的含義是相對于治理之前，綜合治理后電能質(zhì)量的提升；

其中：

分別代表補(bǔ)償前、補(bǔ)償前后電能質(zhì)量綜合評價值；

Q_1vw為治理前諧波指數(shù)；

Q_1vb為治理前不平衡指數(shù)；

Q_2vw為治理后諧波指數(shù)；

Q_2vb為治理后不平衡指數(shù)。

進(jìn)一步的，所述步驟4，建立兼顧變壓器損耗和變壓器二次側(cè)電能質(zhì)量的最優(yōu)化方程具體按照以下步驟進(jìn)行：

max f(k₁,k₂,k₃)＝λ₁·ΔP^*+λ₂·ΔQ_E

其中：

I_CC＝I_1C+I_2C+I_3C；

I_1C為治理三相不平衡的最大單相補(bǔ)償電流；

I_2C為治理無功的最大單相補(bǔ)償電流；

I_3C為治理諧波的補(bǔ)償電流；

I_D為直流側(cè)補(bǔ)償器件的最大過流能力，代表補(bǔ)償裝置直流側(cè)的補(bǔ)償容量；

λ₁+λ₂＝1，λ₁、λ₂分別為損耗減小量的權(quán)值和電能質(zhì)量的權(quán)值，可根據(jù)實(shí)際情況由專家打分確定；

k₁、k₂、k₃的數(shù)值由控制器實(shí)時計(jì)算；

I_cc為所需的最大補(bǔ)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(bǔ)償之后對變壓器損耗減小量和電能質(zhì)量提高的綜合評價方程；

ΔP^*為治理后損耗減少量的標(biāo)幺值。

進(jìn)一步的，ΔP^*＝ΔP/S_N，S_N為配電變壓器的額定容量。

本發(fā)明由計(jì)算智能補(bǔ)償后配電變壓器損耗減少量、計(jì)算智能補(bǔ)償后電能質(zhì)量的改善及求解補(bǔ)償比例最優(yōu)化方程三部分組成。其中，求解補(bǔ)償比例最優(yōu)化方程計(jì)算出對不平衡電流、無功電流和諧波電流的不同補(bǔ)償比例，以得到兼顧負(fù)載側(cè)電能質(zhì)量和新型配電變壓器功耗的最優(yōu)補(bǔ)償比例。由于新型變壓器的直流側(cè)智能補(bǔ)償及諧波治理的容量有限，在電能質(zhì)量惡劣的情況下本發(fā)明對不平衡電流、無功電流、諧波電流進(jìn)行選擇性或按比例補(bǔ)償，以達(dá)到變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及電能質(zhì)量的綜合最優(yōu)化。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的流程示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例針對純電感和諧波負(fù)載的不同補(bǔ)償比例下的補(bǔ)償效果圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例針對不平衡阻感負(fù)載不同補(bǔ)償比例下的補(bǔ)償效果圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

一種配電變壓器動態(tài)智能補(bǔ)償及諧波治理方法，思路是：假設(shè)對三相不平衡電流、無功電流、諧波電流的補(bǔ)償比例分別為k₁、k₂、k₃，其中0≤k₁,k₂,k₃≤1，治理之后用k₁、k₂、k₃表示配電變壓器損耗的減少量和電能質(zhì)量的改善質(zhì)量，列出最優(yōu)化方程，然后求解出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(bǔ)償比例。

具體按照以下步驟進(jìn)行：

步驟1，實(shí)時讀取配電變壓器二次側(cè)線電流；

步驟2，根據(jù)讀取的配電變壓器二次側(cè)線電流的數(shù)值檢測不平衡電流I₁、無功電流I₂和諧波電流I_h的有效值(I_1A I_1B I_1C分別表示A、B、C三相不平衡電流有效值，I_2A I_2B I_2C分別表示A、B、C三相的無功電流有效值，I_hn表示第n次諧波的有效值。)；

步驟3.1，用k₁、k₂、k₃表示補(bǔ)償后配電變壓器損耗減少量；

步驟3.2，用k₁、k₂、k₃表示補(bǔ)償后配電變壓器二次側(cè)電能質(zhì)量改善情況；

步驟4，以直流側(cè)補(bǔ)償容量為邊界條件，建立兼顧變壓器損耗和變壓器二次側(cè)電能質(zhì)量的最優(yōu)化方程；

步驟5，由控制器求解最優(yōu)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(yōu)補(bǔ)償比例。

進(jìn)一步的，步驟3.1中，具體按照以下步驟進(jìn)行：

其中：

其中：

ΔP表示相對沒有治理之前綜合治理后減小的損耗。

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治理后減小的損耗。

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治理后減小的損耗。

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治理后減小的損耗。

I_e表示變壓器的額定電流。

表示功率因素角。

I_hn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后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表示治理無功電流后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表示治理諧波電流后變壓器有功功率損耗。

P_EC表示治理諧波電流前諧波條件下渦流損耗。

P_SL表示治理諧波電流前諧波條件下雜散損耗。

P_3EC表示治理諧波電流后渦流損耗

P_3SL表示治理諧波電流后雜散損耗。

P_k表示配電變壓器額定短路損耗；

I_A、I_B、I_C為三相線電流的有效值；

I_1A(k₁)、I_1B(k₁)、I_1C(k₁)為按治理比例k₁治理不平衡電流后三相電流的有效值；

P_EC-R為正弦交流電條件下的繞組的渦流損耗，P_SL-R為正弦交流電條件下的雜散損耗，均可通過試驗(yàn)方法求得；

k₁、k₂、k₃為假設(shè)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(jìn)一步的，步驟3.2中，具體按照以下步驟進(jìn)行：

ΔQ_E＝Q_1E-Q_2E

ΔQ_E的含義是相對于治理之前，綜合治理后電能質(zhì)量的提升。

其中：

分別代表補(bǔ)償前、補(bǔ)償前后電能質(zhì)量綜合評價值。

Q_1vw為治理前諧波指數(shù)；

Q_1vb為治理前不平衡指數(shù)；

Q_2vw為治理后諧波指數(shù)；

Q_2vb為治理后不平衡指數(shù)。

進(jìn)一步的，步驟4中，建立兼顧變壓器損耗和變壓器二次側(cè)電能質(zhì)量的最優(yōu)化方程具體按照以下步驟進(jìn)行：

max f(k₁,k₂,k₃)＝λ₁·ΔP^*+λ₂·ΔQ_E

其中：

I_e為變壓器的額定電流；

I_CC＝I_1C+I_2C+I_3C；

I_1C為治理三相不平衡的最大單相補(bǔ)償電流；

I_2C為治理無功的最大單相補(bǔ)償電流；

I_3C為治理諧波的補(bǔ)償電流；

I_D為直流側(cè)補(bǔ)償器件的最大過流能力，代表補(bǔ)償裝置直流側(cè)的補(bǔ)償容量；

λ₁+λ₂＝1，λ₁、λ₂分別為損耗減小量的權(quán)值和電能質(zhì)量的權(quán)值，可根據(jù)實(shí)際情況由專家打分確定；

k₁、k₂、k₃的數(shù)值由控制器實(shí)時計(jì)算。

I_cc為所需的最大補(bǔ)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(bǔ)償之后對變壓器損耗減小量和電能質(zhì)量提高的綜合評價方程；

ΔP^*為治理后損耗減少量的標(biāo)幺值。

其中，ΔP^*＝ΔP/S_N，S_N為配電變壓器的額定容量。

這樣就可以得到最優(yōu)補(bǔ)償策略的不平衡電流、無功電流和諧波電路的補(bǔ)償比例。

實(shí)施例

假設(shè)配電變壓器的額定空載損耗ΔP₀，額定短路損耗P_k，額定電流I_e，額定容量S_N。惡劣工況運(yùn)行條件下，三相電流有效值分別為I_A、I_B、I_C。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、治理三相不平衡后配電變壓器損耗降低量

1.治理前有功功率損耗為

其中，β_A、β_B、β_C表示變壓器A、B、C三相的負(fù)載系數(shù)。

β_A＝I_A/I_e

β_B＝I_B/I_e

β_C＝I_C/I_e

2.假定對三相不平衡電流的治理比例為k₁，治理后三相電流分別為I_1A(k₁)、I_1B(k₁)、I_1C(k₁)。治理后的有功功率損耗為

3.對三相不平衡電流按照治理比例為k₁治理后損耗降低量

4.治理三相不平衡的補(bǔ)償電流

各項(xiàng)的補(bǔ)償電流分別為

I_1AC＝I_A-I_1A(k₁) (4a)

I_1BC＝I_B-I_1B(k₁) (4b)

I_1CC＝I_C-I_1C(k₁) (4c)

治理三相不平衡的最大單相補(bǔ)償電流為

I_1C＝max[I_1AC,I_1BC,I_1CC] (5)

二、治理無功的后配電變壓器損耗降低量

在惡劣工況運(yùn)行條件下，三相電流有效值分別為I_A、I_B、I_C。功率因數(shù)對無功功率按照比例k₂治理后三相電流有效值為I_2A(k₂)、I_2B(k₂)、I_2C(k₂)。

1.治理之前有功功率損耗

2.治理之后三相電流有效值為I_2A(k₂)、I_2B(k₂)、I_2C(k₂)。

有功功率損耗為

3.對無功電流按照補(bǔ)償比例為k₂補(bǔ)償后的損耗的降低量

4.治理無功的補(bǔ)償電流

各項(xiàng)的補(bǔ)償電流分別為

I_2AC＝I_A-I_2A(k₂) (10a)

I_2BC＝I_B-I_2B(k₂) (10b)

I_2CC＝I_C-I_2C(k₂) (10c)

治理無功的最大單相補(bǔ)償電流為

I_2C＝max[I_2AC,I_2BC,I_2CC] (11)

三、根據(jù)檢測設(shè)備可知各次諧波的含量，假設(shè)補(bǔ)償比例為k₃。

諧波治理之前各次諧波電流有效值為I_h，按治理比例k₃治理之后各次諧波電流有效值為(1-k₃)I_h(h為諧波的次數(shù))。

1.治理前諧波引起的有功功率損耗為ΔP₃₁

ΔP₃₁＝P_EC+P_SL (12)

其中，P_EC為諧波引起的渦流損耗

P_SL為雜散損耗

上兩個式子中，P_EC-R為正弦交流電下的繞組的渦流損耗，P_SL-R為正弦交流電下的雜散損耗，均可通過試驗(yàn)方法求得。

2.以補(bǔ)償比例k₃進(jìn)行諧波治理之后，由諧波引起的有功功率損耗

ΔP₃₂＝P_3EC+P_3SL (15)

其中，

3.則對諧波電流按照治理比例為k₃補(bǔ)償后損耗的降低量

4.治理諧波的補(bǔ)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(jìn)行治理后的損耗的降低量為。

其中，k₁、k₂、k₃為待求量。

四、動態(tài)智能補(bǔ)償及諧波治理后對電能質(zhì)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(jù)國標(biāo)劃分等級：

Δu＝0.7/m (21)

其中：m為所分等級個數(shù)，0.7為國標(biāo)允許的電壓偏差絕對值。Δu為電壓偏移量。

第k級的范圍為

根據(jù)電壓偏差實(shí)測值求取其絕對值在第i級的時間

其中：t_i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(shù)。

求取電壓偏差處于第k級的概率分布

p_k＝τ(k)/T (24)

求取p_k的期望和方差

對期望和方差標(biāo)幺化

E^*(K)＝E(K)/E_B(K) (27)

σ^*(K)＝σ(K)/σ_B(K) (28)

其中：E_B(K)、σ_B(K)分別為期望和方差的基準(zhǔn)值，可由專家打分確定。

求取期望和方差的矢量和

Q_v即視為描述電壓偏差質(zhì)量的唯一量化指標(biāo)值。

其他的單項(xiàng)質(zhì)量均可以通過此方法得到唯一量化指標(biāo)值。

由于要得到的是電能質(zhì)量的一個綜合評價值，如前式所示，已經(jīng)得到了各單項(xiàng)指標(biāo)的唯一量化指標(biāo)。但是他們是具有不同量綱的，因此可用矢量代數(shù)的方法將各項(xiàng)指標(biāo)歸一量化，從而得到一個電能質(zhì)量綜合量化指標(biāo)Q_E，如下式。

這里電能質(zhì)量的綜合評價指標(biāo)可以只考慮治理三相不平衡和諧波電流對電能質(zhì)量的改善，從而可以把上式簡化為

得到的Q_E在1以下時，可以說是被考察的電能質(zhì)量是合格的，且Q_E越小，綜合電能質(zhì)量越高。

則按照上述介紹的電能質(zhì)量綜合評價介紹的方法，治理前、治理后電能質(zhì)量綜合評價值分別為

所以對電能質(zhì)量的提升為

五、動態(tài)智能補(bǔ)償及諧波治理最優(yōu)解的求取

為綜合考慮變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和負(fù)載側(cè)電能質(zhì)量，達(dá)到最優(yōu)補(bǔ)償?shù)哪康?。必須將按照不同比例對不平衡電流、無功電流、諧波電流治理后降低的損耗和對電能質(zhì)量的提高兩種指標(biāo)統(tǒng)一單位。由于對電能質(zhì)量的提升這一指標(biāo)已經(jīng)標(biāo)幺化，所以現(xiàn)在將治理后帶來的經(jīng)濟(jì)收益標(biāo)幺化。

ΔP^*＝ΔP/S_N (34)

其中：S_N為配電變壓器的額定容量。

令

f(k₁,k₂,k₃)＝λ₁·ΔP^*+λ₂·ΔQ_E (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(bǔ)償之后經(jīng)濟(jì)收益和電能質(zhì)量提高的綜合評價方程，其中λ₁、λ₂為經(jīng)濟(jì)收益和電能質(zhì)量的權(quán)值，可根據(jù)實(shí)際情況由專家打分確定。

利用線性加權(quán)法及以上分析得出以下最優(yōu)化方程

maxf(k₁,k₂,k₃)＝λ₁·ΔP^*+λ₂·ΔQ_E (36)

其中：I_CC＝I_1C+I_2C+I_3C，λ₁+λ₂＝1

I_D為直流側(cè)補(bǔ)償器件的最大過流能力。

k₁、k₂、k₃的數(shù)值由控制器實(shí)時計(jì)算。

這樣就可以得到最優(yōu)補(bǔ)償策略的不平衡電流、無功電流和諧波電路的補(bǔ)償比例。

圖2為本發(fā)明針對純電感和諧波負(fù)載的不同補(bǔ)償比例下的補(bǔ)償效果，由圖可以看出對無功電流和諧波電流進(jìn)行不同比例補(bǔ)償時電流波形和電流有效值的大小有不同的變化，本發(fā)明的目的就是找到最優(yōu)的補(bǔ)償比例。

圖3為本發(fā)明針對不平衡阻感負(fù)載不同補(bǔ)償比例下的補(bǔ)償效果，由圖可以看出對不平衡電流和無功電流進(jìn)行不同比例補(bǔ)償時電流波形和電流有效值的大小有不同的變化，本發(fā)明的目的就是找到最優(yōu)的補(bǔ)償比例。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。