电力电容器zw

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崇许
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1 第 38 卷第 6 期年 1 月电力电容器与无功补偿 Power Capacitor & Reactive Power Compesatio Vol.38 No Dec. 017 DOI: /j pcrpc 张亮 1 徐魁陈刚 3 陈兵 4 水恒华 1 马超姜风雷 1 1. 南京工程学院江苏南京江苏南自通华电力自动化股份有限公司江苏南京江苏省电力公司徐州供电公司江苏徐州国网江苏省电力公司电力科学研究院江苏南京摘要因大量单相负荷的存在农网配电台区线路三相不平衡情况严重同时电流畸变率较大降低了变压器出力甚至影响安全运行针对上述问题提出一种用户侧智慧型电能质量综合治理装置 user-side smart power quality correct device 简称 USPC 在用户侧集中治理三相不平衡兼顾无功补偿与谐波抑制 USPC 由智能协调单元控制智能电容器和有源电力电子装置协同工作并通过合理的容量分配实现较高的性价比经现场示范和应用检验论文所提设计正确有效关键词不平衡治理电能质量智能协同控制无功补偿谐波抑制 Desig ad Applicatio of a User-side Smart Power Quality Itegrated Cotrol Device ZHANG Liag1 XU Kui CHEN Gag3 CHEN Bi4 SHUI Heghua1 MA Chao JIANG Feglei1 1. Najig Istitute of Techology Najig Chia. Jiagsu NICETOWN Electric Power Automatio Co. Ltd. Najig 1110 Chia 3. Xuzhou Power Supply Corporatio State Grid Jiagsu Electic Power Compay Xuzhou 1000 Chia 4. State Grid Jiagsu Electric Power Compay Research Istitute Najig Chia Abstract: Due to a large amout of sigle- phase load i rural area the three- phase curret ubalace problem is serious i distributio etwork which iflueces the safety ad quality. To solve it a user-side smart power quality correct device USPC is proposed which cotrols the three-phase ubalace ad also compesate the reactive power ad harmoic. By the smart uit smart capacitor ad active power quality device cooperate together. Ad by the optimizatio a cost- effective system is realized. The scheme is validated i the idustry with a ecoomic ad effective result. Keywords: ubalaced compesatio power quality smart cooperative cotrol reactive power compesatio harmoic restraiig 0 投入使用从而导致配电台区三相不平衡情况严引言重并且还存在功率因数问题与谐波畸变问题 3-4 优质可靠的供电品质是工业生产和经济发展的重要问题也是现代电网的关键特征之一加剧了供电安全和供电效率压力然而由于配电网的复杂性及单一设备的局限近几年来配电网接入大量分布式电源使得配电性难以满足对谐波无功等电能质量问题的统一系统从传统放射状无源网络变成多向复杂有源网治理要求因此提出一种用户侧智慧型电能质量络同时由于可再生电源随机波动以及大量电综合治理装置通过智能电容器和有源电能质量综力电子并网设备的使用导致配电网谐波间谐波合治理装置的协同工作实现不平衡治理无功补的频带分布更广暂态电能质量问题突出另外随偿谐波抑制的功能三合一同时通过容量的合理着农村城镇化建设的深入大量单相负荷在农网中分配实现系统的高性价比 1 收稿日期基金项目国家重点研发计划 017YFB 国家自然科学基金江苏重点研发计划 BE 江苏省工业支撑计划 BE 江苏六大人才高峰项目 015-ZNDW 年国网江苏省电力公司科技项目江苏配电网协同创新中心基金 XTCX

2 017 年第 6 期电力电容器与无功补偿第 38 卷 1 总体设计思路本文描述的电能质量综合治理装置主要在 380 V 低压配网中应用为了得到理想的电能质量 [5-9] 控制效果, 重点关注以下几点 : 1) 综合性现代电能质量控制系统不单单针对电网的某一种电能质量问题, 而应该对多种电能质量问题具有综合治理能力 ) 经济性在实现高效率高质量控制效果的同时, 应该考虑降低装置成本, 提高性价比 3) 合理性电能质量控制系统应该合理利用现有装置, 通过改变现有装置的控制策略或增加少量其他装置, 达到提升系统整体性能 4) 全局性电能质量控制装置的安放方式装机容量等相关信息, 应该从全局出发, 实现系统最优化综合上述设计要点, 考虑系统性价比, 研发一种用户侧智慧型电能质量综合治理装置针对不同时间段或不同负荷导致的配网三相不平衡谐波以及电压波动问题, 通过系统级的协调控制与优化, 以及装置级的先进控制, 包括负序零序无功及谐波分量的分离提取, 电力电子装置和无源设备的智能控制, 实现全局综合补偿, 其总体设计思路框图如图 1 所示 Fig. 1 USPC 设有智能协调单元, 根据负载变化情况自适应地切换和控制, 如负载无功变化时, 利用有源装置快速响应无功需求, 待电容器投入后再将之前投入的有源容量切除, 最大限度地利用有源容量补偿谐波和不平衡电流控制算法研究从谐波抑制三相电流不平衡治理无功补偿 3 个方面考虑整个装置的控制算法基于瞬时无功 [10-15] 理论, 对 abc 三相电流建立如下的表达式 : i a = [I 1 si( ωt + φ 1 ) + I si( ωt + φ ) + I 0 si( ωt + φ 0 )]; i b = 4 [I 1 si æ ωt + φ ö 1 - π + I 3 ø si æ ωt + φ ö + π 3 ø 图 1 用户侧智慧型电能质量综合治理装置原理框图 The diagram of user-side smart power quality correct device (1) + I 0 si( ωt + φ 0 )]; () i c = [I 1 si æ ωt + φ ö 1 + π + I 3 ø si æ ωt + φ ö - π 3 ø + I 0 si( ωt + φ 0 )] (3) 在三相四线制配电系统中, 存在零序分量, 在进行坐标变换计算正序指令电流时, 引入瞬时零序电流坐标轴则有 : i α i a é ù é ù iβ = C abc/αβ0 i b ëi 0 û ë û = = 1 i c é 3 I 1 si( ωt + φ 1 ) + 3 I si( ωt + φ 1 ) ù - 3 I 1 si( ωt + φ 1 ) + 3 I si( ωt + φ 1 ) ë 0 û + = 1 é 0 ù 0 (4) ë 6 I 0 si( ωt + φ 0 ) û é 1-1 式中 C abc/αβ0 = ë - 1 ù - 3 (5) 1 û

3 017 年第 6 期张亮等总第 174 期从上式中可以看出正序和负序电流对 α 和 β 轴都有作用而零序电流对 0 轴起作用利用瞬时对称分量法将零序电流分量去除进行单独补偿同时对正序负序分量等同于三线制系统进行处理然后将各序分量补偿控制环进行叠加得到三相电流补偿控制的指令电流在计算正序电流的过程中需计算正序有功与无功补偿电流利用锁相环来获得正序电压相位用 ip-iq 法计算电流系统电流指令控制框图如图所示图系统电流指令控制框图 Fig. The diagram of curret cotrol 正序指令电流计算如图上半部分所示其中 Cαβ/abc= C -1 abc/αβ Udc 为装置直流侧电压 Udcref 为直流侧能质量综合治理装置具有如下特点 1 运行模式齐全治理方式灵活三相不平衡电压给定值通过 PI 控制器调节直流侧电容电压谐波无功综合治理可灵活设定模式及补偿比例在系统的三相不对称补偿中负序和零序分量有源无源容量按需配置治理方式更加灵活性价都是需要消除的分量通过控制环节使得补偿装比更高智能协调单元可实现系统的统一协调控置向系统发出与其幅值极性相反的电流制控制集成度更高基于瞬时对称分量法测得的负序零序电流通过锁相环 PLL 获得负序电压的相位经过 Clarke 变换和 dq0 坐标变换将负序零序指令电流叠加分离计算出 abc 三相指令电流检测控制原理框图如图下半部分所示先进的控制策略和拓扑结构控制器采用双 DSP+FPGA 完成智能控制算法及负序零序谐波提取算法使得补偿性能更加卓越具有谐振监测功能可在自行判断系统谐振报警的同时退出系统装置具备全面的保护功能过欠电压过欠频率 iαβ0 0 为线路中的负序和零序电流 iabc 和 iabc 0 输出过流 IGBT 过温母线过压等采用三电平电轴负序零序电流在 dq0 坐标系下的直流分量 ip 表 1 为用户侧智慧型电能质量综合治理系统之和结合负序电压锁相环相位和 ip-iq 法得出 abc T 路拓扑结构及 LCL 滤波回路十分易于模块化 iq i0 将其与理想对称网络中负序和零序电流的参数期望值作差便可获得负序和零序的补偿电流最表 1 用户侧智慧型电能质量综合治理系统参数 Table 1 The parameters of user-side smart power quality correct system 后经过 dq0 和 Clarke 逆变换将补偿电流信号转换到 abc 坐标系下得到指令电流值 i*a(0) i*b(0) i*c(0) T 将正序电流直接控制策略下电流指令 i*a(1) i*b(1) i*c(1) T 与零负序指令电流 i*a(0) i*b(0) i*c(0) T 相加得到最终的电流指令值 i*a i*b i*c T 实现三合一补偿 3 现场运行示范及结果分析根据上述分析与论证开发型用户侧智慧型电电网电压电网频率进线方式三相不平衡治理能力无功补偿范围滤波范围电容补偿方式 380 V(-40%~+0%) 50 Hz(±10%) 三相三线三相四线容量范围内治理后不平衡度<5% 从-1~+1 连续可调 ~13 次特定次谐波可指定幅值补偿共补抗谐可选 /分补抗谐可选 /混合补偿 5

017 年第 6 期电力电容器与无功补偿第 38 卷治理前后三相电流波形对比谐波含量如图 3 图 4 所示治理前后三相不平衡度测量数据对比如图 5 所示 Fig. 3 图 5 治理前后三相不平衡度测量数据对比 Fig.

before ad after compesatio 图 3 图 4 图 5 可以看出本文所提出的装置及控制策略能够高效地实现对三相电流不平衡的治理电流不平衡度从最大 3% 下降到 3% 以内负序电流不平衡度从 17.8% 下降到 0.

8% 零线电流从 191 A 下降到 13 A 消除了零线电流过大烧断的安全隐患同时改善电网电流波形总畸变率从最大 55% 下降到 5% 以内其中占最大比例的 3 次谐波从 50% 下降到 3% 左右其余各次谐波均有大幅下降且都在 3% 以内

4 017 年第 6 期电力电容器与无功补偿第 38 卷治理前后三相电流波形对比谐波含量如图 3 图 4 所示治理前后三相不平衡度测量数据对比如图 5 所示 Fig. 3 图 5 治理前后三相不平衡度测量数据对比 Fig. 5 The compariso of three-phase curret ubalace before ad after compesatio 图 3 治理前后三相电流波形对比 The compariso of three-phase curret before ad after compesatio 图 3 图 4 图 5 可以看出本文所提出的装置及控制策略能够高效地实现对三相电流不平衡的治理电流不平衡度从最大 3% 下降到 3% 以内负序电流不平衡度从 17.8% 下降到 0.5% 零序电流不平衡度从 17.4 下降到 0.8% 零线电流从 191 A 下降到 13 A 消除了零线电流过大烧断的安全隐患同时改善电网电流波形总畸变率从最大 55% 下降到 5% 以内其中占最大比例的 3 次谐波从 50% 下降到 3% 左右其余各次谐波均有大幅下降且都在 3% 以内符合公共配电网的相关规定 4 结束语本文讨论了用户侧智慧型电能质量综合治理装置的设计并开展了现场实验验证装置运行效果良好治理后可以看到不但低压侧三相电流均衡高压侧的三相电流也趋于均衡零序电流的消除则避免了其在变压器高压侧绕组间的内部环流减少了变压器的损耗用户侧智慧型电能质量补偿装置集不平衡治图 4 治理前后三相电流谐波含量对比 Fig. 4 The compariso of THD before ad after compesatio 6 理无功补偿谐波抑制功能于一体具有极好的工程应用价值

5 017 年第 6 期张亮等参考文献总第 174 期 1 周林甘元兴雷鹏等. 基于瞬时无功功率理论的谐 1 王兆安杨君刘进军. 谐波抑制与无功功率补偿 M. 波检测新方法 J. 高电压技术吕志鹏. 含分布式发电的配电网电能质量综合控制研 moics detectig methods based o the istataeous reac 北京机械工业出版社 1998 究 D. 长沙湖南大学程浩忠. 电能质量概论 M. 北京中国电力出版社林海雪. 电力系统的三相不平衡 M. 北京中国电力出 ZHOU Li GAN Yuaxig LEI Peg et al. Novel har tive power theory J. High Voltage Egieerig : 罗安付青王丽娜等. 变电站谐波抑制与无功补偿版社 1998 的大功率混合型电力滤波器 J. 中国电机工程学报联性分析 J. 电源学报 LUO A FU Qig WANG Lia et al. Highcapacity hy 5 袁晓冬史明明陈兵. 电网谐波与无功电容器组的关 YUAN Xiaodog SHI Migmig CHEN Big. Relatio ship aalysis betwee power grid harmoics ad reactive power capacitor baks J. Joural of Power Supply : 穆瑜陈乐柱杜荣权. 有源电力滤波和电容器组混合补偿技术的研究 J. 电源学报 MU Yu CHEN Lezhu DU Rogqua. Research o hybrid compesatio techology of APF ad capacitors J. Jour al of Power Supply : 徐永海肖湘宁刘昊等. 混合型有源电力滤波器与并联电容器组联合补偿技术研究 J. 电工技术学报 brid power filter for harmoic suppressio ad reactive power compesatio i the power substatio J. Proceed igs of the CSEE : 张定华桂卫华王卫安等. 新型电气化铁道电能质量综合补偿系统的研究及工程应用 J. 电工技术学报 ZHANG Dighua GUI Weihua WANG Weia et al. Study ad applicatio of a ew power quality combied compesatio system for electrified railway J. Trasac tios of Chia Electrotechical Society : 李葆申. 一种新的不平衡负荷的低压无功功率混合补偿 XU Yoghai XIAO Xiagig LIU Hao et al. Shut 方式 J. 现代建筑电气 compesatio J. Trasactios of Chia Electrotechical scheme J. Moder Architecture Electric : hybrid filter for harmoic suppressio ad reactive power LI Baoshe. A ew bled reactive power compesatio Society : 作者简介并网系统研究进展 J. 电力系统保护与控制先进储能技术交直流电网运行与保护技术 ZHOU Li ZENG Yi GUO Ke et al. Developmet of 源管理工作 latory fuctio J. Power System Protectio ad Cotrol 化专业工作 9 罗安. 电网谐波治理和无功补偿技术及装备 M. 北京制技术工作 10 王兆安黄俊. 电力电子技术 M. 北京机械工业出版网运行与控制技术工作 8 周林曾意郭珂等. 具有电能质量调节功能的光伏 photovoltaic gridcoected system with power quality regu : 中国电力出版社 006 社姜齐荣赵东元陈建业. 有源电力滤波器一结构原张亮 198 男副教授研究方向为电能质量控制徐魁 1968 男高级工程师从事电能质量控制能陈刚 197 男高级工程师从事电力系统及其自动陈兵 1977 男高级工程师从事电能质量分析与控水恒华 1980 女实验师从事电能质量控制微电马超 1986 男硕士主要从事电力电子技术工作姜风雷 199 男硕士生研究方向为电力电子技术理控制 M. 北京科学出版社 005 上接第页 of the CSEE : 作者简介张培远 1987 男工程师从事谐波抑制与无功补偿工作蒋伟 1991 男助理工程师从事电力电子技术在电力系统中的应用工作吴应华 1986 男工程师从事变电运维管理工作郭其锋 1987 男工程师从事电力电子技术在电力系统中的应用工作邢正军 1989 男工程师从事谐波抑制与无功补偿技术工作 7

第 5 卷第 9 期 3 9 年月电力电容器与无功补偿 &+ 1 ) + ; & ).& &+ 1 & / ) 5 93 & 9 67893: + 99: 单相谐波补偿电流对直流侧电压和电流纹波的影响分析!"#$%&'!"#$%&' '& ( ')&+,& '(-./01 &

第 5 卷第 9 期 3 9 年月电力电容器与无功补偿 &+ 1 ) + ; & ).& &+ 1 & / ) 5 93 & 9 *67893: + 99: 单相谐波补偿电流对直流侧电压和电流纹波的影响分析!#$%&'!#$%&' '& ( ')*&+,& '(-./01 & 第 5 卷第 9 期 3 9 年月电力电容器与无功补偿 &+ 1)+ ; &).& &+ 1&/) 593 & 9 *67893:+99: 单相谐波补偿电流对直流侧电压和电流纹波的影响分析!#$%&'!#$%&''&(')*&+,& '(-./01&+ -2 3456-78&9:;'& &'