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谐波情况下电网无功补偿器容量算法的研究

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第28卷第6期 2016年6月 电力系统及其自动化学报 Proceedings of the CSU—EPSA Vt)1.28 NO.6 Jun.2016 谐波情况下电网无功补偿器容量算法的研究 赵莉华 ,雷晶晶 ,张亚超 ,张茜 (1.四川大学电气信息学院,成都610065;2.国网重庆市电力公司綦南供电公司,綦江401420;3.西 安高压电器研究院有限责任公司,西安710077) 摘要:非线性电网中传统功率定义不再适用于无功补偿电容器的容量计算,为此分析r谐波条件下频域和时域 功率定义,但频域功率定义存在不足,因此从时域功率定义的角度,推导了一种基于非线性电流正交分解的补偿 电容器容量算法。该方法将电网非线性负载侧的电流正交分解,确定补偿系统所需的无功电流,利用无功电流 与电容器容量的关系,获得能准确补偿系统无功功率的电容器电容值。Matlab仿真表明,该方法更能针对性地 ~一~一.=~一耋~一.~一 ~一.~一 ~一. 一~一 补偿系统无功功率,有效改善电网无功功率欠补偿的现状,提高系统的功率因数,从而保障电网供电质量。 关键词:谐波;功率定义;频域分析;时域分析;电容器容量;功率因数 中图分类号:TM744 文献标志码:A 文章编号:1003—8930(2016)06—0068—05 DOI:10.3969 ̄.issn.1003—8930.2016.06.012 Research on Methods of Reactive Power Compensation Capactor Capacity in Electric Networks Under Harmonic Conditions ZHA0 Lihua ,LEI Jingjing ,ZHANG Yachao ,ZHANG Qian。 (1.School of Electrical Engineering&Information,Sichuan University,Chengdu 6 1 0065,China; 2.State Grid Qinan Power Supply Company,Chongqing Electric Power Company,Qijiang 401420,China; 3.Xi an High Voltage Apparatus Research Institude Limited Liability Company.Xi an 710077,China) .为提高电网功率因数、维持电网电压稳定,电 率守恒定律,但不少学者对该定义存有异议,认为 力部门通常会根据实际的无功需求安装一定容量 它只是仿照传统正弦情况下的传统功率定义,简单 的无功补偿电容器” ,其容量选取与电网的运行环 境有关。然而,电网运行环境非线性化日趋严重, 谐波含量越来越大 。t,无功补偿电容器的容量算法 应做出相应的调整。 目前解决相关无功补偿的实际工程问题的理 论基础多是由罗马尼亚科学家Bedeanu于1927年 提出、1977年列人IEEE标准的频域功率定义 ]。该 定义的核心思想是通过对电压、电流进行傅里叶分 将基波和各次谐波的无功功率进行叠加计算,没考 虑功率的方向性。若考虑功率的方向和运算符号 后,计算结果与物理概念将会出现不相符的情况I , 解,转换到频域中观察电路的功率特性;它遵守功 收稿日期:2014—10—1l;修回日期:2015—1卜25 对电能传输的功率现象解释也不合常理 I。 为避开频域定义中傅里叶级数分解过程,且不 电压是正弦量的条件,1931年波兰科学家Fry— ze从时域角度提出新定义,将非正弦电流分解为相 互正交的有功电流和无功电流,但这里的无功电流 是广义无功电流,包含了基波和谐波成分,如果对 第28卷 赵莉华等:谐波情况下电网无功补偿器容量算法的研究 ·69· 相应的广义无功功率进行补偿时,将同时补偿基波 证工作。如:Shepherd和Zakikhani在文献[131中指  无功功率和谐波无功功率,而电力部门规定电容器 出Q 已失去度量电源和负载之间能量交换意义,只负责补偿基波无功,谐波无功不属于补偿范围, 因为Q 只是将非线性系统中各次同频的谐波电 因此Enslin在Fryze功率定义基础上,对广义无功功 压、谐波电流作用相加,未考虑不同频率的谐波电 率(Enslin将广义无功定义为虚功功率)进行了延 压及电流的相互作用,因此,Q 计量的功率不能表 伸,将其分解为两个正交量——无功功率和电钝功 达整个瞬时功率的无功分量,不能准确反映非正弦 率,清晰化虚功功率的组成成分 ,但Ensin只是对 系统中电源与负载之间的能量往返规模;另外,同 虚功功率的各成分进行定义,并没有将其应用于电 谐波源的各次谐波产生的无功功率可能既有感 气系统的无功补偿,而且也没有结合负载参数给出 性又有容性,这就可能出现同一谐波源的各次谐波 一最优补偿电容值。 为此,本文借鉴Fryze、Enslin的时域功率定义 思想——电流正交分解法,推导了一种适用于电气 系统补偿电容器的无功容量计算方法。通过分解 非线性负载侧电流,导出各电流分量,确定补偿系 统的无功电流,最终推算出补偿电容器的最优补偿 电容值。该方法可将系统的无功功率完全补偿,使 系统的位移功率因数提高至最优,提高了电网电能 质量,对于电气工程中功率因数校正有显著的现实 意义和应用价值。 1基于频域功率定义的无功补偿容量算法 1.1频域功率定义 Bedeanu提出的频域功率定义中无功功率为各 次谐波分量无功功率的总和[7-121为 Q。=∑u , sin ̄o (1) n∈ 式中:n为电压和电流的谐波次数;N为自然数; 、厶为第n次谐波电压、电流的有效值; 为第 n次谐波电压与电流的相角差。 视在功率.s与有功功率P和无功功率Q 之间存 在—个剩余量,被定义为畸变功率 ,满足 D =√s 一尸 一Q (2) 式中,D 为畸变功率。 1.2基于频域功率定义的补偿容量计算方法 采用一个简单电容器对电网进行无功补偿,补 偿电容器的电容值可表示为 c:一 ∑ —_一 sin (3) nv; nEN 式中:c为电容器的电容值;∞为工频角频率。 1.3存在的问题 基于频域功率定义的电容器容量算法虽给出 了无功补偿电容器的电容值,但频域功率定义自身 存在诸多疑点,很多学者已经对相关内容进行了验 无功功率都存在时,总无功功率为零的情况,明显 与实际物理现象不符。Sharon在文献[141中指出补 偿系统按频域定义的无功功率进行补偿时,系统功 率因数不一定能提高,因为系统视在功率由无功功 率和畸变功率共同影响,不单是无功功率的影响, 因此不能确定功率因数的变化情况。 由此可见,频域功率定义中无功功率与实际系 统中往返的无功功率存有偏差,畸变功率的物理含 义尚不清晰等,这些错误和盲点使得基于频域功率 定义的无功补偿容量算法存在很大的问题,对改善 系统功率因数达不到实质性的成效。 2基于时域功率定义的无功补偿容量算法 2.1时域功率定义 Enslin根据电压和电流的相关性对广义电功率 进行了定义 ” 。 2.1.1视在功率Js和非正弦电流 视在功率.s定义为一段时间间隔内电压与电 流有效值的乘积。 S=U/=U Y (4) 式中:U、,为非线性电压、电流的有效值;Y为负 荷的等效电导。 电压和电流的自相关量R u( )、R )定义为 JR r)= 1 J,.0dT )u 一 出 (5) Rii( )= i(t)i(t—Od (6) 式中,丁为变量。 那么,非线性电压有效值 、电流有效值,可 分别用自相关量表示为 =[Ruu(0 (7) ,:[Rii(0 (8) 2.i.2有功功率P和有功电流 ) 有功功率P是—个时间间隔 内的平均值,即 P= “ 。 d = (9) ·70· 电力系统及其自动化学报 Y =G +日 + 第6期 (22) 式中,,。为有功电流ia(t)的有效值。 电压与电流的自相关量R , )为 2.2基于时域功率定义的补偿容量计算方法 (10) R ‘ )= 1 Jr。P=R 『(0) dT 0一 以Enslin时域功率定义的正交分解法为指导 思想,对电力系统非线性负荷侧的电流进行正交分 解,获取需补偿的无功电流,进而推导电容器的无 可得有功功率P的表达式为 (1 1) 功补偿电容值。图1所示为含非线性负荷的电力 有功功率P可看作有功电流io(t1从电源到负 系统结构图,利用一组电容器补偿,以获得无功补 荷等效电导G的传输功率,那么等效电导G和有功 偿电容值及最优功率因数,假设在整个过程中系统 电流i(t)存在关系为 i(t)= M(f)=Gu(t) (12) U 2.1.3无功功率Q和无功电流ir(t) 当电压与电流波形一致时,若不计时间位移, 互相关函数等同于负载功率,此时 (t『)最大,最大 值为 ),这时无功功率Q可表示为 Q 厂A,L  ( )] 一尺i(0)JI (13) 相应地,无功电流ir(t)可用电压M 的Hilbert = Mc ,,: 啪 脚 …) 式中,Hilbert变换式 {“ )}是一种正交单模变 化” ,满足 ㈤}= d ) 2.1.4 电钝功率D和电钝电流i,l(t) 电钝功率 是非正弦电压与电流波形不相似 时的功率,根据功率的正交性,可得 D=[ 。一p2_Q r (16) 电钝电流i,t(t)为从电源至负荷等效电纳 传 输电钝功率D的电流,可表示为 i,t(t)=i(t)_ ( )一i r(t) (17) 等效电纳K叮表示为 人:一D (is) U一 总之,这几部分的功率、相应电流及负荷参数 负荷满足关系为 S :P +Q。+D。 (19) =1 2+1,2+, (20) i,:i i,=i i :irid=0 (21) 电压和非线性负荷侧电流是一定的。 — —— — 非 系 线 统 性 倾0 负 载 图1含非线性负载和并联电容器的简单电力系统 Fig.1 A power system structure containing nonlinear loads and a capacitor 与系统电压 ( 波形相似、相位相同的有功电 流i(t)的瞬时值和有效值,可推导得 U ol n+ U I cosq ̄11 f = l(24) 根据定义可得有功功率P对应的负荷等效电 导G为 +∑ , c。s G= (25) 流过电容器的电流值 ( )根据电容性质,由非 正弦电压u 与电容器等效阻抗 可表示为 :∑T42nU,, in( flc+ +号) (26) 那么,无功功率对应的负荷等效电纳B,根据 式(14)可表示为 n∑nU sin 肛 7’ 从图1中节点处,可列写出线路电流 (f)、非 线性负荷电流i(t)和电容器电流ic(t)的KCL关系 式,那么线路电流的瞬时值和有效值可表示为 第28卷 赵莉华等:谐波情况下电网无功补偿器容量算法的研究 ·71· 。( )=i(t)+ic(t) =、 (28) 2 3仿真验证 本文在Matlab/Simulink中搭建了一个含非线 性负荷的10 kV系统仿真模型。负荷基波容量为 [1i]T ne(29) 式中,,li 。为线路电流有效值。 为完全补偿系统的无功功率,令补偿无功的电 P=3 275 kW、Q=1 914 kvar,系统电压和负荷侧电 容器电流ic(t)与系统无功电流ir(t)大小相等、方向 流的谐波量及相角差见表1。 相反,则有 表1 系统电压和电流的直流量、谐波含量及相角差 (t)=-ic = 可.J2-nU.sin ,一 (3。) Tab.1 Content and phase ngle adifference of system ,r 警) (31) 式中,, 为系统无功电流有效值。 为提高系统的功率因数,提高电压供电可靠 性,需将系统无功功率减至最小,结合式(29)~ (31),对线路电流,¨ 。进行求导,电路电流最小,即 d/li面ne:0 (32) 由式(32)可得补偿电容器的最优电抗与电容 值为 ∑n2u 2 n EN* ‘33 :一 电钝电流 与无功电流Jr(t)为正交关系,可 得电钝电流ia(t)的表达式为 d :(G。一G)Uo+ ∑ (G 一G)U.sin(to t+O )+ ∑ (8 一B)U sin(to t+O 一 "IT) (35) 式中:G。为直流电导;G 、B 为第n次谐波的负荷 等效电导和电纳,可分别表示为 G :—UnIn cos ̄n (36) L, 一—————■■—一— \Ju/ Bn- (37) 从式(35)可以看出,电钝电流 可分解为电 导对应电流和电纳对应电流,且两部分相互正交。 通过对非正弦电流一系列的正交分解,明确系 统无功电流后,对其进行补偿,可使系统的基波无 功功率完全补偿,系统的基波功率因数可几乎达到 单位功率因数。 voltage nad current 设补偿系统的目标功率因数为1.o0,按两种无 功补偿容量的计算方法得到的电容器电容值分别 为C:14.16 F、C。pI=21.24 F。在0.5 s和1.0 s 时投入两组不同容量的电容器,系统无功功率和功 率因数变化情况分别如图2和图3所示。 从图2中可以看出,根据时域算法对系统进行 无功补偿后,系统从开始的欠补偿状态变化到无功 功率接近于O的状态,系统保持平衡状态;说明时 域算法相比频域算法计算的无功容量更接近补偿 系统所需无功功率。另外,从图3中可以看出,分 别采用频域和时域两种算法进行补偿后,系统的基 波功率因数由初始的0.86分别提高到0.92和1.00, 均满足电网标准0.9O,但时域算法可使系统的基波 t,s 图2补偿前后系统无功功率变化情况 Fig.2 Reactive power changes of the system t,s 图3补偿前后系统功率因数变化情况 Fig.3 Power factor changes of the system ·72· 电力系统及其自动化学报 第6期 功率L大J数提高到单位功率因数。 system)lJ1.电工技术学报(Transactions ofChina Electro. technical Society),2013,28(9):l—l0. 【8】 Enslin J H R,Van Wyk J D.Measurement and compensa— tion of fictitious power under nonsinusoidal voltage and 4结语 本文推导了一种基于时域功率定义的电网补 current conditions[J】.IEEE Trans on Instrumentation and Measurement,1988.37(3):403-408. 偿电容器的无功容量算法。该算法分析了电网负 载侧非正弦电流的各电流成分,明确无功电流后确 定电网的无功补偿容量,针对性地对系统进行补偿 后可使系统基波功率因数得到最大提升。仿真结 果也表明,在补偿系统目标功率因数相同时,基于 【9】 Czarnecki L S.Considerations on the reactive power in nonsinusoidal situations[J].IEEE Trans on lnstrumenta— tion and Measurement。1985,34(3):399-404. 【lO】王学伟,高朝(Wang Xuewei,Gao Zhao).畸变波形下功 率定义问题的探讨(A research on power definition un— 时域功率定义的无功补偿容量算法可使系统功率 因数达到单位功率因数,对提高系统电能质量更 有利。本文的研究算法基于实际电网系统,为工 程中传统无功电容器选取无功容量提供了一定的 理论依据,将其应用于实际工程将会有更好的收益 价值. 参考文献: [1】王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[MI. 北京:机械工业出版社,1998. 『2]李学福,胡高峰,冯光(Li Xuefu,Hu Gaofeng,Feng Guang).基于细菌群体趋药性算法的配电网无功补偿 优化(Reactive power compensation of distribution net— work based on bacterial colony chemotaxis algorithm)『J]. 电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU—EP— SA),2013,25(1):130—135. 【3】李永丽,范群芳,李岐虎(Li Yongli,Fan Qunfang,Li Qihu).静止无功补偿器的最优电容投切阈值分析 (Analysis of optimal capacitors switching—threshold for static vat compensator)[J】.电力系统及其自动化学报 (Proceedings ofthe CSU—EPSA),2007,19(3):77—81. f4J李晓明,张英,朱帅(Li Xiaoming,Zhang Ying,Zhu Sh— uai).计及其波动的无功功率考核方法(Estimated Ineans of reactive power considering its lfuctuation)【JI.电 力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU—EP SA),2005,17(2):76—79. 【5】凌志斌,邓超平,叶芄生(Ling Zhibin,Deng Chaoping, Ye Pengsheng).单相任意周期波形系统中功率因数定 义的探讨(The discussion Oll power factor definiti0n in single phase system with arbitrary waveform)[J1.中国电机 J 程学报(Proceedings ofthe CSEE),2003,23(9):39 43 【6J闰华光,杨林,宗建华(Yan Huaguang,Yang Lin,Zong Jianhua).无功及视在功率物理意义的剖析(Analysis of physical meaning of reactive power and apparent power) lJI_电力自动化设备(E1ectric Power Automation Equip— ment),2003,23(11):17—18.22. 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