一种基于叠加原理的负荷补偿方法及系统与流程

[0001]
本发明属于电力系统自动化领域，尤其涉及一种基于叠加原理的负荷补偿方法及系统。


背景技术：

[0002]
电源、电力网以及负载组成的整体，称为电力系统。一般情况下，电力系统采用三相交流电方式运行，但三相电压或电流不对称会对电力系统中的发电、输电、配电设备及用电设备造成一系列的危害：如增加线路损耗；增加配电变压器的有功损耗；降低配电变压器出力；造成三相电压不对称；影响电动机输出功率并使绕组温度升高等。
[0003]
根据产生因素的不同，电力系统的不对称可以分为事故性和正常性两大类。事故性的不对称是由于三相系统中某一相或某两相出现故障所致。这种不对称工况是系统运行不允许的，一般由继电保护、自动装置切除故障元件后，在短期内使系统恢复正常。但由于故障造成的系统不对称往往比较大，因此对系统设备，尤其是故障点附近的设备造成的影响也比较大。正常性的不对称是由于系统三相元件或负荷不对称所致，根据元件或负荷的线性与否，它又可以分为线性不对称和非线性不对称两类。作为电能质量指标之一的“三相电压允许不对称度”，是针对正常不对称运行工况制定的。
[0004]
为了改善电网运行质量、提高电网功率因数，现有技术中，通过将不对称负荷分散到不同的供电点，以减小集中连接造成不对称度超标问题；或者使不对称负荷合理分配到各相，尽量使其对称化；或者将不对称负荷接到更高电压级上供电，以使连接点的短路容量足够大；或者采用不对称补偿装置。
[0005]
目前绝大多数不对称补偿方面的研究是针对三相三线制系统展开的，通常只考虑到系统存在负序分量的情况，补偿效率低，应用范围较窄。


技术实现要素：

[0006]
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于叠加原理的负荷补偿方法及系统，同时考虑了负序电流和零序电流的实际情况，通过叠加原理，建立了既适合于三相线三线制，又适合于三相四线的不平衡电流补偿模式，在仅知补偿前各相有功功率和无功功率的情况下，即可得出需要补偿的容量，补偿效率高，应用范围广。
[0007]
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种基于叠加原理的负荷补偿方法，所述方法包括以下步骤：
[0008]
s1:接收负荷补偿请求；
[0009]
s2:响应于所述补偿请求，确定负荷分布类型，利用叠加原理确定其对应的补偿方式；
[0010]
s3:利用所确定的所述补偿方式对所述负荷分布类型对应的负荷进行补偿；
[0011]
s4：补偿完成后，返回补偿确定消息。
[0012]
优选地，将零序电流作为输入参数，利用叠加原理，将基本形式的补偿模型进行反
复叠加，得到最终补偿方式；所述负荷分布类型包括：δ接法补偿时相间接纯电阻负载、δ接法补偿时相间接纯电抗负载、δ接法的不对称负荷；y接法补偿时单相对地接纯电阻、y接法补偿时单相对地接纯电感负载、y接法的不对称负荷。
[0013]
优选地，当负荷分布类型为δ接法的不对称负荷时，利用负荷线电流相量表示的补偿电纳，具体为：
[0014][0015]
其中，其中，为三相电流，u为电压。
[0016]
优选地，当负荷分布类型为y接法的不对称负荷时，利用负荷线电流和电压表示补偿电纳，并得到基于有功功率和无功功率表示的三相四线情况下不平衡负荷的补偿公式，具体为：
[0017][0018]
其中，cosθ
a
、cosθ
b
、cosθ
c
为各项功率因数，i
a
、i
b
、i
c
分别表示电流，u
a
、u
b
、u
c
分别表示电压，p
a
、p
b
、p
c
分别表示有功功率，q
a
、q
b
、q
c
分别表示无功功率。
[0019]
优选地，当负荷分布类型为δ接法补偿时相间接纯电抗负载和y接法补偿时单相对地接纯电感负载时，在负载旁并联一个与所述负荷导纳相等、符号相反的电抗元件，将其他支路设置为开路。
[0020]
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种基于叠加原理的负荷补偿系统，所述系统包括：
[0021]
接收模块，用于接收负荷补偿请求；
[0022]
确定模块，用于响应于所述补偿请求，确定负荷分布类型，利用叠加原理确定其对应的补偿方式；
[0023]
补偿模块，用于利用所确定的所述补偿方式对所述负荷分布类型对应的负荷进行
补偿；
[0024]
返回模块，用于补偿完成后，返回补偿确定消息。
[0025]
优选地，将零序电流作为输入参数，利用叠加原理，将基本形式的补偿模型进行反复叠加，得到最终补偿方式；所述负荷分布类型包括：δ接法补偿时相间接纯电阻负载、δ接法补偿时相间接纯电抗负载、δ接法的不对称负荷；y接法补偿时单相对地接纯电阻、y接法补偿时单相对地接纯电感负载、y接法的不对称负荷。
[0026]
优选地，当负荷分布类型为δ接法的不对称负荷时，利用负荷线电流相量表示的补偿电纳，具体为：
[0027][0028]
其中，其中，为三相电流，u为电压。
[0029]
优选地，当负荷分布类型为y接法的不对称负荷时，利用负荷线电流和电压表示补偿电纳，并得到基于有功功率和无功功率表示的三相四线情况下不平衡负荷的补偿公式，具体为：
[0030][0031]
其中，cosθ
a
、cosθ
b
、cosθ
c
为各项功率因数，i
a
、i
b
、i
c
分别表示电流，u
a
、u
b
、u
c
分别表示电压，p
a
、p
b
、p
c
分别表示有功功率，q
a
、q
b
、q
c
分别表示无功功率。
[0032]
优选地，当负荷分布类型为δ接法补偿时相间接纯电抗负载和y接法补偿时单相对地接纯电感负载时，在负载旁并联一个与所述负荷导纳相等、符号相反的电抗元件，将其他支路设置为开路。
[0033]
有益效果：本发明同时考虑了负序电流和零序电流的实际情况，通过叠加原理，建立了既适合于三相线三线制，又适合于三相四线的不平衡电流补偿模式，在仅知补偿前各相有功功率和无功功率的情况下，即可得出需要补偿的容量，补偿效率高，应用范围广。
[0034]
通过参照以下附图及对本发明的具体实施方式的详细描述，本发明的特征及优点将会变得清楚。
附图说明
[0035]
图1是基于叠加原理的负荷补偿方法流程图；
[0036]
图2是ab相接纯电阻负载示意图；
[0037]
图3是ab相接纯电阻补偿情况示意图；
[0038]
图4是另一ab相接纯电阻补偿后情况示意图；
[0039]
图5是ab相接纯电感补偿前情况示意图；
[0040]
图6是ab相接纯电感补偿后情况示意图；
[0041]
图7是不对称负荷为δ接法补偿情况示意图；
[0042]
图8是相接纯电阻补偿前情况示意图；
[0043]
图9是a电阻接地补偿情况图示意图；
[0044]
图10是a电阻接地补偿后示意图；
[0045]
图11是a相对地接纯电感补偿前情况示意图；
[0046]
图12是a相对地接纯电感补偿后情况示意图；
[0047]
图13是不对称负荷y接法补偿情况示意图；
[0048]
图14是基于叠加原理的负荷补偿系统示意图。
具体实施方式
[0049]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
实施例1
[0051]
图1是基于叠加原理的负荷补偿方法流程图。如图1所示，本发明提供了一种基于叠加原理的负荷补偿方法，所述方法包括以下步骤：
[0052]
s1:接收负荷补偿请求；
[0053]
本步骤中，系统可以接收管理人员通过用户界面输入的负荷补偿请求。
[0054]
s2:响应于所述补偿请求，确定负荷分布类型，利用叠加原理确定其对应的补偿方式；
[0055]
本步骤中，系统可以根据接收到的补偿请求，调用数据库确定负荷分布的类型，所述类型包括：所述负荷分布类型包括：δ接法补偿时相间接纯电阻负载、δ接法补偿时相间接纯电抗负载、δ接法的不对称负荷；y接法补偿时单相对地接纯电阻、y接法补偿时单相对地接纯电感负载、y接法的不对称负荷。然后将零序电流作为输入参数，利用叠加原理，将基本形式的补偿模型进行反复叠加，得到最终补偿方式。
[0056]
s3:利用所确定的所述补偿方式对所述负荷分布类型对应的负荷进行补偿；
[0057]
本步骤中，在确定了负荷分布类型，以及确定了该分布类型对应的负荷补偿方式后，允许负荷补偿方式对该负荷进行补偿。
[0058]
s4：补偿完成后，返回补偿确定消息。
[0059]
本步骤中，在补偿完成后，向管理人员返回补偿确定消息，具体可以通过人机界面返回ack消息，比如显示补偿成功的提示信息等。
[0060]
优选地，当负荷分布类型为δ接法的不对称负荷时，利用负荷线电流相量表示的补偿电纳，具体为：
[0061][0062]
其中，其中，为三相电流，u为电压。
[0063]
优选地，当负荷分布类型为y接法的不对称负荷时，利用负荷线电流和电压表示补偿电纳，并得到基于有功功率和无功功率表示的三相四线情况下不平衡负荷的补偿公式，具体为：
[0064][0065]
其中，cosθ
a
、cosθ
b
、cosθ
c
为各项功率因数，i
a
、i
b
、i
c
分别表示电流，u
a
、u
b
、u
c
分别表示电压，p
a
、p
b
、p
c
分别表示有功功率，q
a
、q
b
、q
c
分别表示无功功率。
[0066]
优选地，当负荷分布类型为δ接法补偿时相间接纯电抗负载和y接法补偿时单相对地接纯电感负载时，在负载旁并联一个与所述负荷导纳相等、符号相反的电抗元件，将其他支路设置为开路。
[0067]
以下给出一个优选的具体实现过程：
[0068]
首先假设补偿前负荷的电压电流可测。负载的情况可以由负载的电压电流获得。三相电流不平衡，分别为各相功率因数分别为：cosθ
a
，cosθ
b
，cosθ
c
。存在负序和零序分量。且补偿前后电源电压均对称，即：
[0069]
[0070]
式中
[0071]
则：
[0072][0073]
补偿后各相功率因数为1，三相电流平衡，不含有负、零序分量，所以补偿后：(i为未知量)
[0074]
相间接纯电阻负载情况：
[0075]
假设补偿前ab相接纯电阻负载，如图2所示。负载为：
[0076][0077]
图中表示ab相间电导，下文中表示ab相间电纳，下标1表示第一种情况，电流下标1表示第一条支路。以下类推。
[0078]
补偿后电路如图3所示：(电流参考方向如图所示)。由kcl定理知：
[0079][0080][0081][0082][0083]
由补偿要求可知，补偿前后负荷的电流保持不变，仍可由(1-1)式得出。
[0084][0085][0086][0087][0088][0089][0090]
联立方程(1-5)
--
(1-14)式，可以得出：
[0091]
[0092][0093][0094]
所以在此情况下，ac相补偿电感，bc相补偿电容，其他支路无导纳，表示该支路开路。补偿后情况如图4所示。
[0095]
相间接纯电抗负载情况：
[0096]
假设补偿前ab相接纯电抗(电感或电容)，补偿前负载为b
ab2i
。如图5所示。由补偿原理可知，对其补偿只需要在负载旁并联一个与其导纳相等、符号相反的电抗元件(电容或电感)-b
ab2i
即可。其他支路开路。此时i＝0。补偿后情况如图6所示。
[0097]
不对称负荷为δ接法：
[0098]
如图7所示，假设补偿前电压电流为已知量，即：如图7所示，假设补偿前电压电流为已知量，即：均为已知。
[0099]
通过叠加原理及上面1.1.1和1.1.2分析可得：
[0100][0101]
式(1-18)只能作为补偿原理的说明，因为要求的补偿器的导纳是用负荷导纳来表示的，而在此种接线方式中，负荷的导纳却不像线电流和电压那么容易测量。
[0102]
下面将用对称分量法导出用线电流和电压表示的补偿导纳的公式。由假设知：补偿前各相电流电压分别为：和各相功率因数分别为：cosθ
a
、cosθ
b
和cosθ
c
。
[0103]
对于负荷部分，在图1-6中，每支路的负荷电流为：
[0104][0105]
而线电流为：
[0106][0107]
线电流的对称分量由下式给定：
[0108][0109]
式(1-21)中含有因子是为了使对称分量变换成为正交变换，即(*表示共轭)，这就保证了功率不变，使变换化简。将(1-20)带入(1-21)，可得：
[0110][0111]
由式(1-22)可知，对于平衡负荷，即则对于三角形接法的补偿部分来说，按照上述分析方法可得：
[0112][0113]
为了使补偿前后对称，即总的负序电流为零，必须：
[0114][0115]
如果正序线电流的虚部等于零，则补偿后总功率因数将等于1，这就要求：
[0116][0117]
所以对于理想补偿模型，应满足如下关系：
[0118][0119]
其中式(1-26)第二行可保证系统功率因数在经过补偿后达到完全校正，第三行可保证系统三相平衡。联立(1-22)、(1-23)和(1-26)，并把这些方程对和求解，得到理想补偿器电纳可用以下公式求出：
[0120]
[0121]
利用式(1-21)的逆变换将式(1-27)右边变回到相坐标系中。若没有零序电流，则得：
[0122][0123]
式(1-28)就是希望得到的用负荷线电流相量和表示的补偿电纳。
[0124]
因为负荷电流电压在补偿前后瞬间基本保持不变，所以便可在补偿前根据负荷电流电压计算出各项所需补偿导纳。
[0125]
下面研究用有功功率表示的负荷补偿，实际上，负荷常用有功功率和无功功率来表示，将公式(1-18)两端同时乘以u2，变成如下形式：
[0126][0127]
这就是用功率表示的负荷补偿，其中p前面的负号表示感性负荷，正号表示容性负荷。
[0128]
单相对地接纯电阻情况：
[0129]
补偿前a相接纯电阻负载，如图8所示。负载情况为：
[0130][0131]
假设补偿后电路如图9所示
[0132][0133][0134][0135][0136]
补偿后流过负荷的电流也由(2-1)式得出。
[0137][0138]
其中：与(1-10)-(1-14)表达式相同，联立(1-7)～(1-11)和(1-30)～(1-35)可以得出：
[0139][0140][0141][0142][0143][0144]
补偿后电路如图10所示。
[0145]
单相对地接纯电感负载情况：
[0146]
补偿前a相对地负荷为ba4i，由补偿原理可知，对其补偿只需在负载旁并联一个与其导纳相等、符号相反的电抗元件(电容或电感)-ba4i即可。其他支路开路。此时i＝0。补偿前后情况如图11和12所示。
[0147]
不对称符合为y接法情况：
[0148]
如图13所示，补偿前负荷情况分别为：和
[0149]
通过叠加原理及上面的分析可得:
[0150][0151]
式(2-12)只能作为补偿原理的说明，因为要求的电纳是用负荷导纳来表示的，而在此种接线方式中，负荷的导纳却不象线电流和电压那么容易测量。
[0152]
下面将导出用线电流和电压表示的补偿电纳的公式。设补偿前各相电流电压分别为：和各项功率因数分别为：cosθ
a
、cosθ
b
、cosθ
c
。
[0153]
由图13可知：
[0154]
即：
[0155][0156]
将(2-13)代入(2-14)我们就可以得到基于相电压和电流的不平衡补偿公式。通过相应变形，即可得到基于有功功率和无功功率表示的形式，如下：
[0157][0158]
式(2-15)即为三相四线情况下，不平衡负荷的补偿公式。
[0159]
实施例2
[0160]
图14是本发明的基于储能用户的电力出清自动优化系统示意图。如图4所示，本发明还提供了一种基于叠加原理的负荷补偿系统，所述系统包括：
[0161]
接收模块，用于接收负荷补偿请求；
[0162]
确定模块，用于响应于所述补偿请求，确定负荷分布类型，利用叠加原理确定其对应的补偿方式；
[0163]
补偿模块，用于利用所确定的所述补偿方式对所述负荷分布类型对应的负荷进行补偿；
[0164]
返回模块，用于补偿完成后，返回补偿确定消息。
[0165]
优选地，将零序电流作为输入参数，利用叠加原理，将基本形式的补偿模型进行反复叠加，得到最终补偿方式；所述负荷分布类型包括：δ接法补偿时相间接纯电阻负载、δ接法补偿时相间接纯电抗负载、δ接法的不对称负荷；y接法补偿时单相对地接纯电阻、y接法补偿时单相对地接纯电感负载、y接法的不对称负荷。
[0166]
优选地，当负荷分布类型为δ接法的不对称负荷时，利用负荷线电流相量表示的补偿电纳，具体为：
[0167][0168]
其中，其中，为三相电流，u为电压。
[0169]
优选地，当负荷分布类型为y接法的不对称负荷时，利用负荷线电流和电压表示补偿电纳，并得到基于有功功率和无功功率表示的三相四线情况下不平衡负荷的补偿公式，具体为：
[0170][0171]
其中，cosθ
a
、cosθ
b
、cosθ
c
为各项功率因数，i
a
、i
b
、i
c
分别表示电流，u
a
、u
b
、u
c
分别表示电压，p
a
、p
b
、p
c
分别表示有功功率，q
a
、q
b
、q
c
分别表示无功功率。
[0172]
优选地，当负荷分布类型为δ接法补偿时相间接纯电抗负载和y接法补偿时单相对地接纯电感负载时，在负载旁并联一个与所述负荷导纳相等、符号相反的电抗元件，将其他支路设置为开路。
[0173]
本发明实施例2中各个模块所执行的方法步骤的具体实施过程与实施例1中的各个步骤的实施过程相同，在此不再赘述。
[0174]
本发明同时考虑了负序电流和零序电流的实际情况，通过叠加原理，建立了既适合于三相线三线制，又适合于三相四线的不平衡电流补偿模式，在仅知补偿前各相有功功率和无功功率的情况下，即可得出需要补偿的容量，补偿效率高，应用范围广。
[0175]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。