具有变压器无功电流实时补偿功能的无功补偿方法及装置

摘要

本发明公开了一种具有变压器无功电流实时补偿功能的无功补偿方法及装置，属于电能质量控制领域。本发明对变压器的空载损耗、及有负载时的损耗(根据负载率变化)进行实时的计算，实现变压器无功电流的实时补偿，解决变压器无功损耗导致的功率因数低的问题；同时采用最优控制理论对静止无功发生器SVG与TSC电容补偿的投切策略进行计算，使得SVG与TSC的投切达到最优化效果，完全体现快速性、无极性的优势。

说明书

技术领域

本发明涉及一种智能动态无功补偿装置，属于电能质量控制领域。

背景技术

随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求也越来越大， 因此响应速度快、连续可调、操作简单、成本低成为了无功补偿的新要求。

早期的无功功率动态补偿装置是同步调相机，但由于它是旋转电机，因此 损耗、噪声较大，运行维护复杂、响应速度慢，因此逐渐被静止型无功补偿装 置(SVC)所取代。

SVC虽然具有快速响应、维护简单、可靠性高等优点，但同时也有设备体积 大、易产生谐波、易发生谐振、不能连续调节的缺点。

静止无功发生器(SVG)的出现，避免了SVC的缺点，SVG的基本原理是将 自换桥式电路通过电抗器并联到电网上，适当的调节桥式电路交流输出电压的 相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足 要求的无功电流，实现无功补偿的目的。虽相比SVC响应速度更快、运行范围 更宽、能够连续调节，但由于成本高，未能广泛应用。

市场上出现了TSC与SVG混合使用方式，但基本上都是简单的组合，没有 对两者之间的配合补偿进行最优化的控制，往往提及的无极补偿、空载小电流 补偿、快速性、防止过补偿都是实现不了的。

考核用户的功率因数时，通常是考核变压器一次侧的功率因数值，即变压 器消耗的功率也参与到了功率因数的计算中，变压器的无功损耗包括空载无功 损耗和随负载率变化的无功损耗。也就是说考核用户的功率因数包括了变压器 的无功损耗和负载的无功损耗。但现在所有补偿装置大部分是以补偿负载中的 无功功率，没有考虑到变压器的无功功率对功率因数的影响，这样长时间累积 用户的功率因数无法达标，导致了供电局的罚款；或者对变压器的无功补偿进 行固定的补偿，或者互感器放到变压器原边进行检测这种方式检测误差会很大， 这些都不能很好的实时的对变压器的无功功率进行补偿。

发明内容

为了解决现有补偿装置没有对变压器的无功功率进行补偿，进而导致用户 的功率因数无法达标的技术问题，本发明提供一种有变压器无功电流实时补偿 功能的智能动态无功补偿装置及补偿方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种有变压器无功电流实时补偿功能的智能动态无功补偿方法，其特殊之 处在于：包括以下步骤：

1】对网侧电流参数、静止无功发生器SVG输出的电流瞬时值、静止无功发 生器SVG的直流母线电压瞬时值进行采集，

2】根据网侧电流参数及静止无功发生器SVG输出的电流瞬时值计算负载补 偿电流iF*指令；

3】根据网侧电流参数及变压器参数计算变压器无功补偿电流iT*指令，变 压器无功补偿电流iT*指令即包含对空载无功损耗的补偿又包含对变压器随负 载率变化的无功补偿；

4】将变压器无功补充电流iT*指令叠加到负载补偿电流iF*指令上，得到 最终的补偿电流I*指令；

5】根据最终的补偿电流I*指令，输出静止无功发生器SVG的控制信息；

同时根据最终的补偿电流I*指令，计算TSC需要投入的最小电容组数量， 利用最优控制理论，选出最优的投切组合，输出TSC控制信号；

6】实时调整SVG在TSC投切前后的输出指令I*，实现控制的无极性。

上述最优控制理论的状态方程(1)及给定的初态(2)为：

x(t)＝f(x(t)，u(t)，t)，  (1)

x(t₀)＝t₀  (2)

u(t)为输入：t时刻网侧无功功率的大小；

x(t)为输出：t时刻SVG和TSC的无功功率；

x(t₀)为前一个时刻SVG和TSC输出的无功功率；

规定的目标集(3)为：

M{x(t_f):x(t_f)∈Rⁿ,g₁(x(t_f),t_f)＝0,g₁(x(t_f),t_f)≤0}  (3)

Rⁿ为电容的总支路数对应的容量；

g₁为整机的容量；

x(t_f)为t_f时刻需要投入的容量；

最优控制的控制策略需要满足投切电容支路数最少、SVG先补偿、无极补偿 的条件，按照这些限制条件，使得指标函数(4)

$J\left[u(.)\right]=S(x\left(t_f\right),t_f)+\underset{0}{\overset{t_f}{\int }}L(x\left(t\right),u\left(t\right),t)\mathrm{dt}---\left(4\right)$为最小；

其中J[u(.)]表示网侧无功功率；S(x(t_f)，t_f)表示负载的无功功率；

表是SVG无功功率；

对该函数进行求解，记为u^*(t)，称u^*(t)为最优控制。也即最优的投切组合(包 括SVG、多组电容)。

一种有变压器无功电流实时补偿功能的智能动态无功补偿装置，其特殊之 处在于：

包括静止无功发生器SVG、晶闸管控制投切电容器TSC及控制器，

所述控制器包括采样及继电板、控制板、IGBT驱动板、晶闸管驱动板，

所述采样及继电板对网测电流进行采集并将采集的电流信息反馈给控制 板，

所述控制板根据投切策略及最优控制理论得出投切组合，并实时调整静止 无功发生器SVG在晶闸管控制投切电容器TSC投切前后的输出指令；发出控制 信息给IGBT驱动板及晶闸管驱动板，

所述IGBT驱动板用于静止无功发生器SVG的控制，所述晶闸管驱动板用于 晶闸管控制投切电容器TSC的控制。

上述智能动态无功补偿装置还包括触摸屏，所述触摸屏的对整机的输出电 流、网测的情况实时监控，以及整机的状态显示，故障上报等。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

本发明可以实现无极性补偿，能够更好的提高功率因数，容量大，响应速 度快，经济效益高等优点，适用于电力系统的大面积推广，具体为：

1、本发明实现了混合控制，利用最优控制理论对SVG及电容的投切进行最 优的配置，不是简单的组合，实现了无级、快速补偿，减少电容的投切次数， 提高了电容器寿命，实现混合控制的快速性与无极性；

2、本发明同时对变压器的空载无功消耗、有负载时的无功消耗进行实时的 计算，实现变压器无功电流的实时补偿，实现了对负载无功、变压器无功同时 补偿，解决了因变压器无功功率导致的功率因数低的问题。

附图说明

图1为控制部分的电气连接图；

图2为混合控制的控制流程图。

具体实施方式

以下从本发明的原理出发，结合附图对本发明做详细说明。

本发明通过实时检测网侧电流瞬时值实现SVG和TSC混合控制的最优化， 同时实时补偿变压器的无功损耗，具体体现在以下两个方面：

1、最优控制

根据检测来的网侧无功功率的大小，确定需投入的电容器组数，再将投切 策略作为限制条件，根据最优控制理论得出唯一的、投入最少的投切组合，控 制N个支路电容器组(这N支路电容器组可以是等容量电容器组，也可以是不 等容量电容器组),以及与SVG指令的配合过程的最优选择，实现电容投切最优、 两者配合过程最优的无极补偿。静止无功发生器SVG因为响应速度快已经先于 TSC补偿了网测的无功功率，当投上了TSC后，静止无功发生器SVG减少补偿容 量，达到网测大于0.98的功率因数，这样就会避免过补和欠补现象，同时减轻 了SVG的输出容量和TSC的投切次数。

2、变压器实时无功电流补偿控制

在考核用户的功率因数时，通常是考核变压器一次侧的功率因数值，即变 压器消耗的有功和无功电量也参与功率因数的计算。对变压器一次侧功率因数 有影响的是变压器的负载率和负荷的功率因数。负载率越低，对一次功率因数 影响就越大，反之越小，负载率是由生产用电状况所决定，所以是实时变化的。 通常负荷功率因数是可以用一般的补偿装置补偿，但一般的补偿装置没有补偿 变压器的无功损耗。变压器的无功损耗和有功损耗一样，也由铁损和铜损组成。 其实也就是空载损耗和负载电流引起的损耗。空载损耗是固定的，但负载电流 引起的损耗是时受负载率影响的，是实时变化的，本发明通过实时检测网侧电 流瞬时值实现SVG和TSC混合控制的最优化，同时实时补偿变压器的无功损耗。

变压器的无功损耗计算公式：

$\mathrm{\Delta Q}=Q_0+Q_F=\sqrt{{\left(\frac{I_0\%S_0}{100}\right)}^2\_P^2}+\frac{P^2+Q^2}{U^2}{X}_B$

为实现上述目的，本发明的补偿装置包括静止无功发生器SVG、晶闸管控制 投切电容器TSC及控制器，控制器包括采样及继电板、控制板、IGBT驱动板、 晶闸管驱动板，采样及继电板对网测电流进行采集并将采集的电流信息反馈给 控制板，控制板根据投切策略及最优控制理论得出投切组合，并实时调整静止 无功发生器SVG在晶闸管控制投切电容器TSC投切前后的输出指令；发出控制 信息给IGBT驱动板及晶闸管驱动板，IGBT驱动板用于静止无功发生器SVG的 控制，晶闸管驱动板用于晶闸管控制投切电容器TSC的控制。

我们可以通过检测实时变化的网侧电流计算出实时变化的变压器无功损 耗，进行实时补偿，以满足用户实际的功率因数要求。

补偿步骤：

步骤一、根据用户系统变压器的铭牌设置变压器的参数；

步骤二、根据检测到网测电流的瞬时值i_na,i_nb,i_nc,计算出变压器的无功损 耗；

步骤三、叠加变压器实时无功电流补偿指令到静止无功发生器SVG补偿负 载无功电流的指令上，输出IGBT的驱动信号。

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

假设有N个支路电容器组(最多可控制12支电容器支路)，具体的混合控 制步骤如下：

步骤一、检测电网电流瞬时值i_na,i_nb,i_nc,电网电压瞬时值u_a,u_b,u_c,静止 无功发生器SVG输出电流瞬时值i_a,i_b,i_c以及静止无功发生器SVG的直流母线电 压瞬时值u_dc。

步骤二、根据检测的电网电流的瞬时值i_na,i_nb,i_nc,静止无功发生器SVG 输出电流的瞬时值i_a,i_b,i_c以及电网电压瞬时值u_a,u_b,u_c,控制器应用瞬时无功 理论计算出静止无功发生器SVG的指令i^*_F；同时控制器根据设置的关于变压器 的参数、电网电流的瞬时值计算出需要补偿的变压器无功损耗i^*_T，得到最终的 静止无功发生器的指令i^*，根据SPWM方式得到PWM，到IGBT驱动板控制IGBT 工作。

步骤三、在进行步骤二的同时，根据最优控制理论决定的最优投切策略，得 到N组电容器的最优投切组合，晶闸管驱动板发出K₁K₂…K_N的控制信号，同时电 容板可以检测电容器组的故障，实时反馈给控制器，实现电容器组的实时控制。

步骤四、根据最优控制理论实时调整SVG在TSC投切前后的输出指令，实 现控制的无极性。

本发明的最优控制的状态方程及给定的初态：

x(t)＝f(x(t),u(t),t),x(t₀)＝t₀

u(t)为输入：网侧无功功率的大小；

x(t)为输出：混合整机的无功功率；

x(t₀)为前一个时刻混合整机输出的无功功率。

规定的目标集：

M{x(t_f):x(t_f)∈Rⁿ,g₁(x(t_f),t_f)＝0,g₁(x(t_f),t_f)≤0}

Rⁿ为电容的总支路数对应的容量；

g₁为整机的容量；

控制策略：1、投切电容支路数最少；

2、SVG先补偿；

3、无极补偿；

按照以上这些限制条件，使得指标函数

$J\left[u(.)\right]=S(x\left(t_f\right),t_f)+\underset{0}{\overset{t_f}{\int }}L(x\left(t\right),u\left(t\right),t)\mathrm{dt}---\left(4\right)$为最小；

其中J[u(.)]表示网侧无功功率；S(x(t_f)，t_f)表示负载的无功功率；

表是SVG无功功率；

对函数进行求解，记为u^*(t)，称u^*(t)为最优控制。也即最优的投切组合(包 括SVG、多组电容)。