162配电变压器智能动态补偿及谐波治理研究

1、配电变压器智能动态补偿及谐波治理研究，(国家电能变换与控制工程技术（湖南大学），湖南沙市 410082)摘要：利用瞬时无功功率理论，通过计算得到三相电流中的谐波分量、无功分量和不平衡分量。在直流侧提供的补偿电流有限的情况下，以配电变压器节能、安全运行及电能质量提高为综合目标建立最优化方程，求解谐波电流、无功电流及不平衡电流的最优补偿比例。并且根据负载变化情况，选择合适的优化计算周期调整补偿比例，实现配电变压器智能动态补偿及谐波治理。最后通过了该智能动态补偿及谐波治理系统在配电网三相四线制系统中的有效性。：谐波、无功和负载不平衡补偿；电能质量；变压器节能；智能动态补偿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步补偿器3（）等装置，因其良好的补偿性引言能，已得到广泛的重视和研究；有源滤波器主要用来抑随着电力电子装置的广泛应用，三相四线制配电网制非线性负载和变压器等装置所产生的谐波4，而同步补偿器则可以通过对无功的补偿提高电网和负载的中存在大量非线性负载，使得电网电流的谐波成分，特别是各相零序谐波电流以及负载的不平衡引起功率、稳定受电端和电网的电压、抑制闪变的不平衡电流在中性线上的累积，大大超过了电气规程对电网潮流的控制等。文献5提出了一种能在电网电压的设计标准，不仅造成能源的浪费，而且给配电变压器不平衡或畸变

7、时准确检测出基波正序有功电流和无功电带来严重的安全隐患。因此，电力系统的谐波和不对称流的谐波和无功电流检测算法，基于所提检测方法及控问题日益严重，对电网污染的治理，尤其是对配电网谐制方案，四桥臂三相四线并联型能在电波、无功和不平衡的综合治理，越来越受到人们的重视网电压不理想和负载不对称且非线性的条件下实现用同1。目前，三相三线制有源滤波器2（APF）和一原理同时实现谐波抑制、无功和负载不平衡补偿这几同种功能。以上对谐波、无功及不平衡综合治理段不够灵活，尤其是在直流侧所能提供的补偿容量有限的情2vd2r3况下，不能做到有选择性的补偿。假设配电变压器的额定空载损耗P0 ，额定短路损耗Pk ，额定电

8、流Ie ，额定容量SN 。恶劣工况运行条件下，三相电流有效值分别为I A、IB、IC 。各次谐波电流本文尝试在直流侧所能提供的补偿容量有限的情况下，实现对谐波电流、无功电流和负载不平衡电流选择性可变比例的灵活补偿进行研究。作为装置的重要部分，有效值为Ihn ，（率损耗为。为谐波的次数）。配电变压器的有功功谐波、无功和不平衡电流的实时检测效果直接关系到整个装置的补偿性能，i -i 法能检测出谐波电流、无功电p qI I I222流和不平衡电流6。在准确检测谐波电流、无功电流和PAP k P P(1)BC0HI 23不平衡电流以及直流侧所能提供的补偿电流有限的情况e下，本文通过比较补偿前后的节能收

9、益、电能质量改善其中， PH 为谐波引起的涡流损耗2收益以及配电变压器的安全运行，利用最优化方程求解，2nmax nmaxPHPEC R确定对谐波电流、无功电流和不平衡电流的最优补偿比其中， PEC R 表示额定正弦交流电下的绕组的涡流损耗，PSL R 表示额定正弦交流电下的杂散损耗，均可通过试验方法求得9。1.2 以节能收益和电能质量为综合评价目标的最优化方程例，实现配电变压器智能动态补偿及谐波治理的最优策略。文章最后通过仿真对所提补偿方案的有效性进行了验证。1 智能动态补偿及谐波治理系统最优补为综合考虑配电变压器的电能质量和节能收益。需偿比例的计算要计算智能动态补偿及谐波治理前后电能质量和

10、变压器本文研究的是配电变压器智能动态补偿及谐波治理损耗的综合改善。假设对三相不平衡电流、无功电流、的最优策略，要求求出最优补偿比例，按照最优补偿比谐波电流的补偿比例分别为k1、k2、k3 ，其中0 k1, k2 , k3 1 。例补偿之后配电变压器工作在电能质量及节能收益综合最优的工作状态。智能补偿及谐波治理后电能质量的值为1.1 电能质量综合评价和配电变压器损耗的计算根据文献78介绍的方法，基于概率统计的电能质E1 QE 2(3)其中，E 2 分别表示治理前后电能质量综合评量指标量化方法，运用概率统计原理描述电能质量各项价值。QE 为k1、k2、k3 的函数，式（4）可以简写为指标的主要特征

11、值。可以得到单项电能质量唯一量化指标值：电流三相平衡质量指标Qvb ，谐波质量指标Qh ， e k1, k2 , k3 QE(4)无功质量指标Qr 8。这三个量可以看成三维空间中同理，智能补偿及谐波治理后配电变压器节能为的三个向量，运用矢量代数即可求出描述这三个量的归P p k1, k2 , k3 (5)一量值，从而得到一个电能质量综合量化指标QE 8，如下式表示标幺值表示为 / SP p k , k, k12 3N2 智能动态补偿及谐波治理系统的工作(6) p k , k, k1 2 3利用线性和法及以上分析得出以下最优化方程原理, k ) e k , k p k , kmax f (k ,

12、 k, k, k1 2 311 23212 3图 1 所示为智能动态补偿及谐波治理系统的拓扑及原理图。图中ea , eb , ec 表示交流电源，负载为谐波源、无功及不平衡负载，产生不平衡、无功、谐波电流。智能(7)0 k1, k2 , k3 1s t.IA , IB , IC IeI I CD动态补偿系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和其中： IC 表示所需的最大补偿电流， ID 表示直流侧能提供的最大补偿电流。补偿电流发生电路。其中指令电流运算电路的功能有两个，一是检测出补偿对象电流中的不平衡、无功和f (k1 , k2 , k3 ) 代表对不平衡电流、无功电流、谐波电流按不同比例补偿

13、之后电能质量和节能收益提高的综合评价方程，其中1、2 表示电能质量和节能收益的权值，可根据实际情况由打分确定，并且1 2 1k1、k2、k3 的数值由控制器按照周期节点计算，根据计算结果调节补偿比例。谐波等电流分量，二是由智能动态补偿及谐波治理系统补偿比例控制模块计算出对不平衡、无功和谐波电流的补偿比例。两者相乘即为最终的指令电流。图 2 所示为智能动态补偿及谐波治理系统补偿比例控制模块的计算流程图。谐波负载LdRl线路阻抗eaisaiLaLaRa无功和ebisaiLbLbLcRb不平衡负载ecisaiLcRcica icb智能动态补偿及谐波治理系统补偿比例控制模块Ciccic0最优补偿比例计

14、算模块数据处理统计模块iLk1,k2,k3icic*e谐波、无功、不平衡电流检测电路指令电流运算电路电流控制电路a信号iLUc图 1 智能动态补偿及谐波治理系统的拓扑及原理图Fig. 1 Topology and schematic diagram ofelligent dynamic compensation and harmonicernanystem驱动电路3.1 智能动态补偿系统对不平衡纯电阻和谐波负载的开始补偿效果图 3 表示针对不平衡纯电阻和谐波负载的不同补偿实时新型配电变压器二次侧线电流。0.44S-0.48S 变压比例的补偿情况，补偿比例器二次侧电流谐波很少，电流不平衡还是很严

15、重。在根据的新型配电变压器二次侧线电流的数值检测不平衡电流、无功电流和谐波电流的大小0.48S-0.52S 之间变压器二次侧电流基本平衡，但是谐波依然存在。3.2 智能动态补偿系统对无功负载和谐波负载的补偿效果图 4 表示针对无功负载和谐波负载的不同补偿比例的补偿情况，补偿比例。0.44S-0.48S 变压器二次侧电流谐波很少，仍然存在无功电流。0.48S-0.52S 无由控制器求解最优化方程，求得k1、k2、k3的值功电流较小，但是仍存在大量谐波。这是因为补偿容量有限。结束表 1 仿真中设定的新型配电变压器主要参数图 2 智能动态补偿及谐波治理系统补偿比例控制模块的计算Tab. 1 Main

16、 parameters of the new distribution transformer sethe simulation流程图Fig. 2elligent dynamic compensation and Harmonic参数数值ernanystem compensation proportional control module200变压器额定容量/kVAcalculation flow chart变压器一次侧额定电100.38变压器二次侧额定电3 智能动态补偿及谐波治理系统的仿真429变压器二次侧额定电验证变压器额定短路损耗2.6变压器额定空载损耗0.325为验证智能动态补偿系统在

17、不同负载情况下补偿的有效性，分别对以下两种负载情况进行验证。表 2 智能动态补偿系统对不平衡纯电阻和谐波负载补偿响应及配变损耗Tab. 2elligent dynamic compensation system for unbalanced pureand harmonic load compensation response and distribution loss时间/S补偿比例充分利用补偿容量配变损耗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以直流侧补偿容量为边界条件，建立兼顾变压器损耗和变压器二次侧电能质量的最优化方程k1、k2、k3表示补偿后新型配电变压器损耗减少量k1、k2、k3表示补偿后新型配电变压器二次侧电能质量改善情况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图 3 智能动态补偿系统对不平衡纯电阻和谐波负载不同补偿比例波形Fig. 3elligent dynamic compensation system for unbal

19、anced pureand harmonic loaddifferent compensation proportional waveform表 3 智能动态补偿系统对无功负载和谐波负载补偿响应及配变损耗Tab. 3elligent dynamic compensation system for reactive load and harmonic load compensation response and distribution loss时间/S补偿比例充分利用补偿容量配变损耗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图 4 智能动态补偿系统对无功负载和谐波负载不同补偿比例波形Fig. 4elligent dynamic compensation system for reactive load and harmonic loaddifferent compensation ratio wavefo

21、rm由以上可以得出，在配电变压器二次侧运智能动态补偿及谐波治理系统可以按照对电能质量、变行工况恶劣，并且因为基于电力电子技术的电能治理装压器节能的不同要求对不平衡电流、无功电流、谐波电置容量有限不能完全治理不平衡、无功和谐波的情况下。路进行选择性按比例补偿和治理。APF-J. 电力系统保护与控制, 2010, 38(16):11-17.4 结论LIU Hai-bo, MAO Cheng-xiong, LU Ji-ming, WANG Dan. 本文提出了一种智能动态补偿及谐波治理方案，它Three-phase four-wire stusing a four-leg 能在配电变压器二次侧运行工

22、况恶劣并且基于电力电子converterJ.er System Protection and Control, 2010, 技术的电能治理装置直流侧补偿容量有限的情况下，有38(16):11-17(in Chi).选择的按照不同比例补偿不平衡电流、无功电流和谐波6,刘进军.电力电子技术M.5 版.:机械工业电流，其中的补偿比例能够达到使电能质量的和配电变压器节能综合最优的目的。仿真结果验证本文所提社,2009.出的智能动态补偿及谐波治理系统对不同的负载情况具Wang Zhaoan, Liu Jingjun.er ElectronicsM.5th edition. 有良好的按不同比例选择补偿的响

23、应。Beijing: China Machine Press,2009(in Chi).7参考文献电1 Lamedica R, Esito G, Tironi E, et al. A survey oner quality气技术, 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 陈国柱, 有源电力滤波器的一般原理及应用J. 中国Engineering, 2006(1):27-30(in Chi).电8 彭建春, 欧亚 基于概率统计和矢量代数的电能质机工程学报, 2000, 20(9):17-21.量归一量化与评价J. 湖南大学学报(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. 用改善系统电压调节特and Vector AlgebraJ. Journal ofan University(Natural 性的动模实验J. 中国电机工程学报, 1999, 19(9):46-49.Scien), 2003, 30(1):66-70(in Chi