一种厂用电动态无功补偿的多目标控制方法与流程

本发明涉及用电动态无功补偿技术，尤其是涉及一种厂用电动态无功补偿的多目标控制方法。

背景技术：

近期，在新一届国家能源委员会首次会议上，国务院总理李克强提出大力实施节约优先战略，要加快推广节能发电调度办法，提高能源利用效率。

对发电企业来说，厂用电率是节能发电的重要经济技术指标。减少和控制发电厂自身用电量，不仅变相地提高了电厂输出电量，而且能够有效地降低发电成本。与此同时，发电厂作为高耗能企业，降低厂用电率也有助于整个高耗能行业的节能降耗工作，是发电企业的一项基本社会义务。因此，目前十分有必要针对降低发电企业厂用电率、提升发电效率开展研究。

厂用电系统中包含众多感性负荷，对无功功率需求强烈，尤其在大容量辅机启动时，功率因数普遍较低。同时，无功功率的大量消耗对厂用电系统电压将会造成较为严重的波动，可能触发厂用辅机的低电压保护从而导致严重后果。若能针对大容量辅机进行动态无功补偿以增加子系统无功备用容量、提高功率因数，不但可以有效改善电压质量，保持厂用电系统电压运行于优化区间，增强子系统抵抗外部电压扰动能力；而且能够降低供电损耗与厂用电率，充分发挥发电设备的生产能力、延长使用寿命，提升厂用电能精益化管理效果，其经济及社会效益都将非常可观。

现有在线动态无功补偿控制方法主要应用于配电网，控制目标以电压为单一目标或者电压-功率因数复合目标为主。相比于配电网，厂用电系统运行电压区间较为狭窄，且用电负荷容量大且持续变化，厂用电母线功率因数、无功和电压不断波动，增加了在线无功动态补偿投切的控制难度，其中，单一或双目标控制方法容易造成补偿单元投切装置频繁动作，影响投切装置寿命，且欠缺对厂用电系统电压运行区间的考虑，无法真正做到安全、动态、无扰动控制。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种厂用电动态无功补偿的多目标控制方法，能够实现发电厂厂用电无功补偿的无扰动、实时、动态多目标协同控制，提高补偿效率和节能效果，提升补偿响应速度，减小电压波动。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种厂用电动态无功补偿的多目标控制方法，其特征在于，包括：

采集环节，用于采集厂用电系统母线电压、电流，计算功率因数及无功功率；

安全控制环节，判断厂用电系统是否处于安全状态，补偿单元是否具备投切条件，记录补偿单元开关阵列状态；

并行调控环节，通过三个并行控制对象分别根据厂用电功率因数、电压水平和无功功率目标进行循环柔性分步投切，实现无扰动、实时、多目标协同控制；

投切执行环节，根据并行调控环节的输出结果进行投切操作，并记录。

所述的采集环节的输入量和输出量分别如下：

输入量：厂用电系统电压无功补偿装置接入点处电压U_bus和电流I_bus量测信号。

输出量：无功补偿装置接入点处电压U_bus、电流I_bus、计算得到的功率因数及无功功率Q_bus。

所述的安全控制环节的输入量和输出量分别如下：

输入量：厂用电系统电压无功补偿装置接入点处电压U_bus和电流I_bus量测信号；补偿单元自检信号；补偿单元开关位置信号；

输出量：允许投切开关量；紧急退出开关量；补偿装置开关运行状态，包括识别已投入的补偿单元记录为C_{i(i＝1,2,3…n)}和识别已退出的补偿单元记录为C_{j(j＝1,2,3…k)}。

所述的安全控制环节具体过程如下：

(2-1)检测判断补偿单元状态，

状态正常，允许投切，输出允许投切确认，转入步骤(2-4)；

状态不正常，输出紧急退出开关量；

(2-2)判断厂用电电压U_bus是否超过或低于预设安全电压上下限U_{limit_H}、U_{limit_L}，

当判断为是，则电压超越安全限制，输出紧急退出开关量；

当判断为否，电压安全，允许投切，输出允许投切确认，转入步骤(2-4)；

(2-3)判断厂用电进线侧电流I_bus是否超过或低于预设安全电流上下限I_{limit_H}、I_{limit_L,.}，

当判断为是，则电流超越安全限制，输出紧急退出开关量；

当判断为否，电流安全，允许投切，输出允许投切确认，转入步骤(2-4)；

(2-4)投切安全条件判断，当且仅当同时收到(2-1)、(2-2)及(2-3)判断对象的允许投切确认时，则系统及装置状态安全，允许进行装置投切，输出允许投切开关量。

所述的并行调控环节的输入量和输出量分别如下：

输入量：无功补偿装置接入点处电压U_bus、电流I_bus、计算得到的功率因数及无功功率Q_bus；允许投切开关量、紧急退出开关量、补偿装置开关运行状态；

输出量：投切单元数、闭锁投入开关量。

所述的并行调控环节的具体过程如下：

(3-1)功率因数控制对象

(3-1-1)判断是否位于功率因数目标区间[cosα，cosβ]，其中cosα为功率因数调控下限，cosβ为功率因数调控上限；

当判断为否，则转入步骤(3-1-2)；

当判断为是，输出投入单元数m₁为0，转入投切执行环节；

(3-1-2)判断是否小于功率因数调控下限cosα，

当判断为是，计算与cosα差值，并利用PID算法计算得到补偿单元数m₁，之后转入投切执行环节；

当判断为否，则计算与cosβ差值，并利用PID算法计算得到需切除补偿单元数k₁，之后转入投切执行环节；

(3-2)厂用电电压控制对象

(3-2-1)判断厂用电电压U_bus是否低于调控下限，

当判断为是，利用电压无功潮流计算方法计算投入补偿单元数m₂，之后转入投切执行环节；

当判断为否，则转入步骤(3-2-2)；

(3-2-2)判断厂用电电压U_bus是否高于电压调控上限，

当判断为是，则输出闭锁投入开关量；

当判断为否，则投入补偿单元数记为“0”，转入投切执行环节；

(3-3)厂用电无功功率控制对象

(3-3-1)判断厂用电无功功率Q是否高于调控上限Q_max；

当判断为是，则按无功功率需求计算投入补偿单元数m₃，之后转入投切执行环节；

当判断为否，则转入步骤(3-3-2)；

(3-3-2)判断厂用电无功功率Q是否低于无功调控下限，

当判断为是，则输出闭锁投入开关量；

当判断为否，则投入补偿单元数记为“0”，转入投切执行环节。

所述的投切执行环节的输入量和输出量分别如下：

输入量：投切单元数、投入闭锁开关量；

输出量：单元投切记录。

所述的投切执行环节的具体过程如下：

(4-1)投入执行：取三个并行控制对象(3-1-1)、(3-2-1)与(3-3-1)的投入单元数m₁、m₂与m₃中最大值作为需求投入单元数m；

判断需投入单元数m是否大于等于已投入单元数n且小于补偿单元总数N；

当判断为是，依次投入补偿单元C_{j(j＝1,2,3…k)}，按投入顺序记录补偿单元序号，直至投入单元数为m或所有补偿单元均投入，输出已投入单元数；

当判断为否，补偿单元不动作；

(4-2)切除执行：依次切除补偿单元C_{k(k＝1,2,3…n)}，按切除顺序记录补偿单元序号，直至切除单元数为k₁或所有补偿单元均切除，输出已切除单元数。

本发明安全控制环节将厂用电母线电压安全运行区间、厂用电母线进线电流安全运行区间以及补偿装置状态参数作为安全运行边界，判断当前系统与装置是否具备补偿投切条件，如参数超出安全运行边界则退出无功补偿装置，保证系统及装置安全运行。

本发明并行调控环节将厂用电系统功率因数、厂用电母线电压与厂用电系统无功功率作为三个并行协同控制对象，以三者的优化运行区间为多重目标共同控制动态无功补偿装置的投切。

本发明的投切执行环节根据控制对象判断结果闭锁投入单元操作，保证补偿装置在安全运行的前提下，充分灵活控制投切。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)根据厂用电系统特点，本发明设置厂用电系统以及补偿装置的安全控制边界。保证厂用电系统以及补偿装置的独立安全运行。

2)本发明建立三个并行的控制对象模块分别以厂用电功率因数、电压和无功功率为控制目标实现针对厂用电无功动态补偿的多目标协同控制，提升补偿效果，充分发挥补偿单元能力。

3)本发明通过循环柔性投切方式进行补偿单元投切，充分发挥补偿单元能力，提升补偿效果，有效减少补偿扰动，延长补偿单元使用寿命。

附图说明

图1为本发明的控制结构图；

图2为安全控制环节流程图；

图3为协同调控环节流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种厂用电动态无功补偿的多目标控制方法，包括以下步骤：

(101)采集环节

输入量：厂用电系统电压无功补偿装置接入点处电压U_bus和电流I_bus量测信号。

输出量：无功补偿装置接入点处电压U_bus、电流I_bus、计算得到的功率因数及无功功率Q_bus。

作用：采集厂用电系统母线电压、电流，计算功率因数及无功功率。

如图2所示，(201)安全控制环节

输入量：厂用电系统电压无功补偿装置接入点处电压U_bus和电流I_bus量测信号；补偿单元自检信号；补偿单元开关位置信号。

输出量：允许投切开关量；紧急退出开关量；补偿装置开关运行状态，识别已投入的补偿单元记录为C_{i(i＝1,2,3…n)}识别已退出的补偿单元记录为C_{j(j＝1,2,3…k)}。

判断计算步骤：

(2011)检测判断补偿单元状态，

状态正常，允许投切，输出允许投切确认，转入步骤(2014)；

状态不正常，输出紧急退出开关量。

(2012)判断厂用电电压U_bus是否超过或低于预设安全电压上下限U_{limit_H}、U_{limit_L}，

当判断为是，则电压超越安全限制，输出紧急退出开关量；

当判断为否，电压安全，允许投切，输出允许投切确认，转入步骤(2014)。

(2013)判断厂用电进线侧电流I_bus是否超过或低于预设安全电流上下限I_{limit_H}、I_{limit_L,.}，

当判断为是，则电流超越安全限制，输出紧急退出开关量；

当判断为否，电流安全，允许投切，输出允许投切确认，转入步骤(2014)

(2014)投切安全条件判断，当且仅当同时收到(2014)、(2012)及(2013)判断对象的允许投切确认时，则系统及装置状态安全，允许进行装置投切，输出允许投切开关量。

作用：判断厂用电系统是否处于安全状态，补偿单元是否具备投切条件，记录补偿单元开关阵列状态。

如图2所示，(301)协同调控环节

输入量：无功补偿装置接入点处电压U_bus、电流I_bus、计算得到的功率因数及无功功率Q_bus；允许投切开关量、紧急退出开关量、补偿装置开关运行状态(已投切单元数)。

输出量：投切单元数、闭锁投入开关量。

计算判断流程：

(3011)功率因数控制对象

(30111)判断是否位于功率因数目标区间[cosα，cosβ]；

当判断为否，则转入步骤(30112)；

当判断为是，输出投入单元数m₁为0，转入投切执行环节。

(30112)判断是否小于功率因数调控下限cosα；

当判断为是，计算与cosα差值，并利用PID算法计算得到补偿单元数m₁，之后转入投切执行环节；

当判断为否，则计算与cosβ差值，并利用PID算法计算得到需切除补偿单元数k₁，之后转入投切执行环节。

(3012)厂用电电压控制对象

(30121)判断厂用电电压U_bus是否低于调控下限；

当判断为是，利用电压无功潮流计算方法计算投入补偿单元数m₂，之后转入投切执行环节；

当判断为否，则转入步骤(30122)。

(30122)判断厂用电电压U_bus是否高于电压调控上限

当判断为是，则输出闭锁投入开关量；

当判断为否，则投入补偿单元数记为“0”，转入投切执行环节。

(3013)厂用电无功功率控制对象

(30131)判断厂用电无功功率Q是否高于调控上限Q_max；

当判断为是，则按无功功率需求计算投入补偿单元数m₃，之后转入投切执行环节；

当判断为否，则转入步骤(30132)。

(30132)判断厂用电无功功率Q是否低于无功调控下限

当判断为是，则输出闭锁投入开关量；

当判断为否，则投入补偿单元数记为“0”，转入投切执行环节。

(401)投切执行环节

输入量：投切单元数、投入闭锁开关量。

输出量：单元投切记录。

(4011)投入执行：取三个并行控制对象(30112)、(30121)与(30131)的投入单元数m₁、m₂与m₃中最大值作为需求投入单元数m。

判断需投入单元数m是否大于等于已投入单元数n,且小于补偿单元总数N当判断为是，依次投入补偿单元C_{j(j＝1,2,3…k)}，按投入顺序记录补偿单元序号，直至投入单元数为m或所有补偿单元均投入，输出已投入单元数。

当判断为否，补偿单元不动作。

(4012)切除执行：依次切除补偿单元C_{k(k＝1,2,3…n)},按切除顺序记录补偿单元序号，直至切除单元数为k₁或所有补偿单元均切除，输出已切除单元数。