162配電變壓器智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理研究

1、配電變壓器智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理研究，(國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)（湖南大學(xué)），湖南沙市 410082)摘要：利用瞬時(shí)無(wú)功功率理論，通過(guò)計(jì)算得到三相電流中的諧波分量、無(wú)功分量和不平衡分量。在直流側(cè)提供的補(bǔ)償電流有限的情況下，以配電變壓器節(jié)能、安全運(yùn)行及電能質(zhì)量提高為綜合目標(biāo)建立最優(yōu)化方程，求解諧波電流、無(wú)功電流及不平衡電流的最優(yōu)補(bǔ)償比例。并且根據(jù)負(fù)載變化情況，選擇合適的優(yōu)化計(jì)算周期調(diào)整補(bǔ)償比例，實(shí)現(xiàn)配電變壓器智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理。最后通過(guò)了該智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理系統(tǒng)在配電網(wǎng)三相四線制系統(tǒng)中的有效性。：諧波、無(wú)功和負(fù)載不平衡補(bǔ)償；電能質(zhì)量；變壓器節(jié)能；智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償Research onell

2、igent Dynamic Compensation and Harmonic Treatment ofDistribution TransformerTU Cming, WEI Long, HE Xi，WANG Lili(National Electricer ConverControl Engineering Technology Research Centeran University), 410082, China)Abstract: Using the theory of instantaneous reactiveer, the harmonic components, react

3、ive components and unbalanced componentshe three - phasecurrent are calculated.he case where the compensation current provided by theide is limited, the optimal equation is established for the comprehensive goalof the distribution transformer energy saving, safe operation ander quality improvement t

4、o solve the optimal compensation ratio of the harmonic current, thereactive current and the unbalanced current. And according to the variation of load, select the appropriate optimization calculation cycle to adjust the ratio of compensation, to achieve the goal of elligent dynamic compensation and

5、harmonic control of distribution transformer. Finally, the effectiveness of the elligentdynamic compensation and harmonic control systemhe three-phase four wire system of distribution network is verified by simulation.Keywords: harmonic, reactive and load unbalance compensation;er quality; transform

6、er energy saving;elligent dynamic compensation步補(bǔ)償器3（）等裝置，因其良好的補(bǔ)償性引言能，已得到廣泛的重視和研究；有源濾波器主要用來(lái)抑隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，三相四線制配電網(wǎng)制非線性負(fù)載和變壓器等裝置所產(chǎn)生的諧波4，而同步補(bǔ)償器則可以通過(guò)對(duì)無(wú)功的補(bǔ)償提高電網(wǎng)和負(fù)載的中存在大量非線性負(fù)載，使得電網(wǎng)電流的諧波成分，特別是各相零序諧波電流以及負(fù)載的不平衡引起功率、穩(wěn)定受電端和電網(wǎng)的電壓、抑制閃變的不平衡電流在中性線上的累積，大大超過(guò)了電氣規(guī)程對(duì)電網(wǎng)潮流的控制等。文獻(xiàn)5提出了一種能在電網(wǎng)電壓的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不僅造成能源的浪費(fèi)，而且給配電變壓器不平衡或畸變

7、時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)出基波正序有功電流和無(wú)功電帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。因此，電力系統(tǒng)的諧波和不對(duì)稱(chēng)流的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)算法，基于所提檢測(cè)方法及控問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)電網(wǎng)污染的治理，尤其是對(duì)配電網(wǎng)諧制方案，四橋臂三相四線并聯(lián)型能在電波、無(wú)功和不平衡的綜合治理，越來(lái)越受到人們的重視網(wǎng)電壓不理想和負(fù)載不對(duì)稱(chēng)且非線性的條件下實(shí)現(xiàn)用同1。目前，三相三線制有源濾波器2（APF）和一原理同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧波抑制、無(wú)功和負(fù)載不平衡補(bǔ)償這幾同種功能。以上對(duì)諧波、無(wú)功及不平衡綜合治理段不夠靈活，尤其是在直流側(cè)所能提供的補(bǔ)償容量有限的情2vd2r3況下，不能做到有選擇性的補(bǔ)償。假設(shè)配電變壓器的額定空載損耗P0 ，額定短路損耗Pk ，額定電

8、流Ie ，額定容量SN 。惡劣工況運(yùn)行條件下，三相電流有效值分別為I A、IB、IC 。各次諧波電流本文嘗試在直流側(cè)所能提供的補(bǔ)償容量有限的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電流、無(wú)功電流和負(fù)載不平衡電流選擇性可變比例的靈活補(bǔ)償進(jìn)行研究。作為裝置的重要部分，有效值為Ihn ，（率損耗為。為諧波的次數(shù)）。配電變壓器的有功功諧波、無(wú)功和不平衡電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)效果直接關(guān)系到整個(gè)裝置的補(bǔ)償性能，i -i 法能檢測(cè)出諧波電流、無(wú)功電p qI I I222流和不平衡電流6。在準(zhǔn)確檢測(cè)諧波電流、無(wú)功電流和PAP k P P(1)BC0HI 23不平衡電流以及直流側(cè)所能提供的補(bǔ)償電流有限的情況e下，本文通過(guò)比較補(bǔ)償前后的節(jié)能收

9、益、電能質(zhì)量改善其中， PH 為諧波引起的渦流損耗2收益以及配電變壓器的安全運(yùn)行，利用最優(yōu)化方程求解，2nmax nmaxPHPEC R確定對(duì)諧波電流、無(wú)功電流和不平衡電流的最優(yōu)補(bǔ)償比其中， PEC R 表示額定正弦交流電下的繞組的渦流損耗，PSL R 表示額定正弦交流電下的雜散損耗，均可通過(guò)試驗(yàn)方法求得9。1.2 以節(jié)能收益和電能質(zhì)量為綜合評(píng)價(jià)目標(biāo)的最優(yōu)化方程例，實(shí)現(xiàn)配電變壓器智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理的最優(yōu)策略。文章最后通過(guò)仿真對(duì)所提補(bǔ)償方案的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。1 智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理系統(tǒng)最優(yōu)補(bǔ)為綜合考慮配電變壓器的電能質(zhì)量和節(jié)能收益。需償比例的計(jì)算要計(jì)算智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理前后電能質(zhì)量和

10、變壓器本文研究的是配電變壓器智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理?yè)p耗的綜合改善。假設(shè)對(duì)三相不平衡電流、無(wú)功電流、的最優(yōu)策略，要求求出最優(yōu)補(bǔ)償比例，按照最優(yōu)補(bǔ)償比諧波電流的補(bǔ)償比例分別為k1、k2、k3 ，其中0 k1, k2 , k3 1 。例補(bǔ)償之后配電變壓器工作在電能質(zhì)量及節(jié)能收益綜合最優(yōu)的工作狀態(tài)。智能補(bǔ)償及諧波治理后電能質(zhì)量的值為1.1 電能質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)和配電變壓器損耗的計(jì)算根據(jù)文獻(xiàn)78介紹的方法，基于概率統(tǒng)計(jì)的電能質(zhì)E1 QE 2(3)其中，E 2 分別表示治理前后電能質(zhì)量綜合評(píng)量指標(biāo)量化方法，運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)原理描述電能質(zhì)量各項(xiàng)價(jià)值。QE 為k1、k2、k3 的函數(shù)，式（4）可以簡(jiǎn)寫(xiě)為指標(biāo)的主要特征

11、值。可以得到單項(xiàng)電能質(zhì)量唯一量化指標(biāo)值：電流三相平衡質(zhì)量指標(biāo)Qvb ，諧波質(zhì)量指標(biāo)Qh ， e k1, k2 , k3 QE(4)無(wú)功質(zhì)量指標(biāo)Qr 8。這三個(gè)量可以看成三維空間中同理，智能補(bǔ)償及諧波治理后配電變壓器節(jié)能為的三個(gè)向量，運(yùn)用矢量代數(shù)即可求出描述這三個(gè)量的歸P p k1, k2 , k3 (5)一量值，從而得到一個(gè)電能質(zhì)量綜合量化指標(biāo)QE 8，如下式表示標(biāo)幺值表示為 / SP p k , k, k12 3N2 智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理系統(tǒng)的工作(6) p k , k, k1 2 3利用線性和法及以上分析得出以下最優(yōu)化方程原理, k ) e k , k p k , kmax f (k ,

12、 k, k, k1 2 311 23212 3圖 1 所示為智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理系統(tǒng)的拓?fù)浼霸韴D。圖中ea , eb , ec 表示交流電源，負(fù)載為諧波源、無(wú)功及不平衡負(fù)載，產(chǎn)生不平衡、無(wú)功、諧波電流。智能(7)0 k1, k2 , k3 1s t.IA , IB , IC IeI I CD動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和其中： IC 表示所需的最大補(bǔ)償電流， ID 表示直流側(cè)能提供的最大補(bǔ)償電流。補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中指令電流運(yùn)算電路的功能有兩個(gè)，一是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的不平衡、無(wú)功和f (k1 , k2 , k3 ) 代表對(duì)不平衡電流、無(wú)功電流、諧波電流按不同比例補(bǔ)償

13、之后電能質(zhì)量和節(jié)能收益提高的綜合評(píng)價(jià)方程，其中1、2 表示電能質(zhì)量和節(jié)能收益的權(quán)值，可根據(jù)實(shí)際情況由打分確定，并且1 2 1k1、k2、k3 的數(shù)值由控制器按照周期節(jié)點(diǎn)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)節(jié)補(bǔ)償比例。諧波等電流分量，二是由智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理系統(tǒng)補(bǔ)償比例控制模塊計(jì)算出對(duì)不平衡、無(wú)功和諧波電流的補(bǔ)償比例。兩者相乘即為最終的指令電流。圖 2 所示為智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理系統(tǒng)補(bǔ)償比例控制模塊的計(jì)算流程圖。諧波負(fù)載LdRl線路阻抗eaisaiLaLaRa無(wú)功和ebisaiLbLbLcRb不平衡負(fù)載ecisaiLcRcica icb智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理系統(tǒng)補(bǔ)償比例控制模塊Ciccic0最優(yōu)補(bǔ)償比例計(jì)

14、算模塊數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)模塊iLk1,k2,k3icic*e諧波、無(wú)功、不平衡電流檢測(cè)電路指令電流運(yùn)算電路電流控制電路a信號(hào)iLUc圖 1 智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理系統(tǒng)的拓?fù)浼霸韴DFig. 1 Topology and schematic diagram ofelligent dynamic compensation and harmonicernanystem驅(qū)動(dòng)電路3.1 智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)不平衡純電阻和諧波負(fù)載的開(kāi)始補(bǔ)償效果圖 3 表示針對(duì)不平衡純電阻和諧波負(fù)載的不同補(bǔ)償實(shí)時(shí)新型配電變壓器二次側(cè)線電流。0.44S-0.48S 變壓比例的補(bǔ)償情況，補(bǔ)償比例器二次側(cè)電流諧波很少，電流不平衡還是很?chē)?yán)

15、重。在根據(jù)的新型配電變壓器二次側(cè)線電流的數(shù)值檢測(cè)不平衡電流、無(wú)功電流和諧波電流的大小0.48S-0.52S 之間變壓器二次側(cè)電流基本平衡，但是諧波依然存在。3.2 智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)無(wú)功負(fù)載和諧波負(fù)載的補(bǔ)償效果圖 4 表示針對(duì)無(wú)功負(fù)載和諧波負(fù)載的不同補(bǔ)償比例的補(bǔ)償情況，補(bǔ)償比例。0.44S-0.48S 變壓器二次側(cè)電流諧波很少，仍然存在無(wú)功電流。0.48S-0.52S 無(wú)由控制器求解最優(yōu)化方程，求得k1、k2、k3的值功電流較小，但是仍存在大量諧波。這是因?yàn)檠a(bǔ)償容量有限。結(jié)束表 1 仿真中設(shè)定的新型配電變壓器主要參數(shù)圖 2 智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理系統(tǒng)補(bǔ)償比例控制模塊的計(jì)算Tab. 1 Main

16、 parameters of the new distribution transformer sethe simulation流程圖Fig. 2elligent dynamic compensation and Harmonic參數(shù)數(shù)值ernanystem compensation proportional control module200變壓器額定容量/kVAcalculation flow chart變壓器一次側(cè)額定電100.38變壓器二次側(cè)額定電3 智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理系統(tǒng)的仿真429變壓器二次側(cè)額定電驗(yàn)證變壓器額定短路損耗2.6變壓器額定空載損耗0.325為驗(yàn)證智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)在

17、不同負(fù)載情況下補(bǔ)償?shù)挠行裕謩e對(duì)以下兩種負(fù)載情況進(jìn)行驗(yàn)證。表 2 智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)不平衡純電阻和諧波負(fù)載補(bǔ)償響應(yīng)及配變損耗Tab. 2elligent dynamic compensation system for unbalanced pureand harmonic load compensation response and distribution loss時(shí)間/S補(bǔ)償比例充分利用補(bǔ)償容量配變損耗0.4S-0.44K1=0，K2=0，K3=02.917kW0.44-0.48K1=0.5，K2=0，K3=0.92.589kW0.48-0.522.650kWK1=0.9，K2=0，K3

18、=0.4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k1、k2、k3表示補(bǔ)償后新型配電變壓器損耗減少量k1、k2、k3表示補(bǔ)償后新型配電變壓器二次側(cè)電能質(zhì)量改善情況ISaISbIScK1=0，K2=0，K3=0K1=0.5，K2=0，K3=0.9K1=0.9，K2=0，K3=0.40.600.300.00-0.30-0.600.4000.4200.4400.4600.4800.5000.520圖 3 智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)不平衡純電阻和諧波負(fù)載不同補(bǔ)償比例波形Fig. 3elligent dynamic compensation system for unbal

19、anced pureand harmonic loaddifferent compensation proportional waveform表 3 智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)無(wú)功負(fù)載和諧波負(fù)載補(bǔ)償響應(yīng)及配變損耗Tab. 3elligent dynamic compensation system for reactive load and harmonic load compensation response and distribution loss時(shí)間/S補(bǔ)償比例充分利用補(bǔ)償容量配變損耗0.4-0.44K1=0，K2=0，K3=00.868kW0.44-0.48K1=0，K2=0.5，K3=0.9

20、0.710kW0.48-0.52K1=0，K2=0.8，K3=0.60.664kWISaISbISc0.30K1=0，K2=0，K3=0K1=0，K2=0.5，K3=0.9K1=0，K2=0.8，K3=0-0.15-0.300.4000.4200.4400.4600.4800.5000.520圖 4 智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)無(wú)功負(fù)載和諧波負(fù)載不同補(bǔ)償比例波形Fig. 4elligent dynamic compensation system for reactive load and harmonic loaddifferent compensation ratio wavefo

21、rm由以上可以得出，在配電變壓器二次側(cè)運(yùn)智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理系統(tǒng)可以按照對(duì)電能質(zhì)量、變行工況惡劣，并且因?yàn)榛陔娏﹄娮蛹夹g(shù)的電能治理裝壓器節(jié)能的不同要求對(duì)不平衡電流、無(wú)功電流、諧波電置容量有限不能完全治理不平衡、無(wú)功和諧波的情況下。路進(jìn)行選擇性按比例補(bǔ)償和治理。APF-J. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(16):11-17.4 結(jié)論LIU Hai-bo, MAO Cheng-xiong, LU Ji-ming, WANG Dan. 本文提出了一種智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理方案，它Three-phase four-wire stusing a four-leg 能在配電變壓器二次側(cè)運(yùn)行工

22、況惡劣并且基于電力電子converterJ.er System Protection and Control, 2010, 技術(shù)的電能治理裝置直流側(cè)補(bǔ)償容量有限的情況下，有38(16):11-17(in Chi).選擇的按照不同比例補(bǔ)償不平衡電流、無(wú)功電流和諧波6,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)M.5 版.:機(jī)械工業(yè)電流，其中的補(bǔ)償比例能夠達(dá)到使電能質(zhì)量的和配電變壓器節(jié)能綜合最優(yōu)的目的。仿真結(jié)果驗(yàn)證本文所提社,2009.出的智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及諧波治理系統(tǒng)對(duì)不同的負(fù)載情況具Wang Zhaoan, Liu Jingjun.er ElectronicsM.5th edition. 有良好的按不同比例選擇補(bǔ)償?shù)捻?/p>

23、應(yīng)。Beijing: China Machine Press,2009(in Chi).7參考文獻(xiàn)電1 Lamedica R, Esito G, Tironi E, et al. A survey oner quality氣技術(shù), 2006(1):27-30.cost in industrial customersCer Engineering Society W erJin Yan, Liu Yingying, Xu Yonghai.ysis and Research on Meeting. IEEE, 2001:938-943 vol.2.Comprehensive Evaluation

24、ofer QualityJ. Electrical 2 陳國(guó)柱, 有源電力濾波器的一般原理及應(yīng)用J. 中國(guó)Engineering, 2006(1):27-30(in Chi).電8 彭建春, 歐亞 基于概率統(tǒng)計(jì)和矢量代數(shù)的電能質(zhì)機(jī)工程學(xué)報(bào), 2000, 20(9):17-21.量歸一量化與評(píng)價(jià)J. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2003, CHEN Guo-zhu,L Zheng-yu, QIAN Zhao-ming. Teral30(1):66-70.principle of active filter and its applicationJ. Proceedings of theJIANG Hui,PENG Jian-c,OU Ya-er CSEE, 2000, 20(9): 17-21(in Chi).Quality Unitaryfication and Evaluation Based on Probability3,等. 用改善系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)特and Vector AlgebraJ. Journal ofan University(Natural 性的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)J. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 1999, 19(9):46-49.Scien), 2003, 30(1):66-70(in Chi