一种基于智能变压器的无功功率控制系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于智能变压器的无功功率控制系统及其控制方法，它包括：智能变压器、分布式电源和负载。解决现有常规变压器投切速度慢及常规变压器二次侧输出电压无法实现平滑调节，以及常规电力变压器的分接头、分级调节能力明显不足引起的电压不稳定问题，同时采用智能变压器的无功功率控制装置，取代静态无功补偿装置，解决在分布式电源接入系统后现有无功功率调节手段明显不足问题。
【专利说明】
一种基于智能变压器的无功功率控制系统及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种无功功率控制系统及其控制方法，特别是智能变压器的无功功率 控制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着石化电源逐渐枯竭，环境污染不断恶化，我国政府正大力支持分布式式可再 生电源利用。可大量分布式电源接入系统后，整个电网的潮流分布将会发生变化，对系统造 成了一定影响，其影响主要体现包括电能质量、电压波动及谐波等。在系统负荷不变或负荷 低估时，随着系统接入分布式电源后可能会抬高母线电压，当分布式电源与系统负荷不协 调运行时，也会加剧电压波动。
[0003] 传统的电力变压器其无功功率控制系统包括电能转换装置和控制器，采用静态无 功补偿装置，但是投切速度比较慢，而且不适合负载变化频繁的场合，容易产生欠补或者过 补偿，造成电网电压波动，比较容易损坏消费者的用电设备。且常规变压器的二次侧输出电 压无法实现平滑调节，常规电力变压器的分接头、分级调节能力明显不足
[0004] 此外，由于长距离输送所带来的有功功率损耗很大，从而增加了电网系统的线路 损耗，虽然安装了静态无功补偿装置，但触点投切装置寿命比动态无功补偿短的多，使用过 程中产生的噪声比较大，在后期维护过程中工作量比较大，会影响到电容器的使用寿命，电 容器比较容易损坏，无法保证电网系统稳定运行。在分布式电源接入系统后现有无功功率 调节手段明显不足，从而引起电压不稳定，威胁电网安全。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于智能变压器的无功功率控制系统及控 制方法，利用该无功功率控制系统解决现有常规变压器投切速度慢及常规变压器二次侧输 出电压无法实现平滑调节，以及常规电力变压器的分接头、分级调节能力明显不足引起的 电压不稳定问题，同时采用智能变压器的无功功率控制系统，取代静态无功补偿装置，解决 在分布式电源接入系统后现有无功功率调节手段明显不足问题。
[0006] 本发明解决这一技术问题的手段是提供了一种基于智能变压器的无功功率控制 系统，它包括第一电源、第二电源、第一 AC/DC变换器、第二AC/DC变换器、第三电源、第四电 源、AC/AC变换器、负载、智能变压器、公共电网、交流汇流系统、第一开关、第三开关、第二开 关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关。第一电源通过第一开关与第一 AC/ DC变换器的输入端连接，第一 AC/DC变换器的输出端通过第二开关与交流汇流系统连接;第 二电源通过第三开关与第二AC/DC变换器的输入端连接，第二AC/DC变换器的输出端通过第 四开关与交流汇流系统连接;第三电源通过第五开关与交流汇流系统相连;第四电源与AC/ AC变换器的输入端连接，AC/AC变换器的输出端通过第六开关与交流汇流系统连接;负载通 过第七开关与交流汇流系统连接;公共电网通过第八开关与智能变压器连接，智能变压器 与交流汇流系统连接。
[0007] 所述的第一电源包括燃料电池、光伏电池阵列、蓄电池。
[0008] 所述的第二电源包括小型燃气轮机、小型水力发电机。
[0009] 所述的第三电源包括交流充电粧、直流充电粧。
[0010] 所述的第四电源为小型风力发电机。
[0011] 所述的一种基于智能变压器的无功功率控制系统的控制方法，包括潮流计算、脉 冲调制和相角控制、电压约束及无功功率目标函数控制。
[0012] 所述的潮流计算式为：
[0013]
[0014]
[0015] 式中n为系统节点总数;G1J1^『分别是节点i和节点j之间的支路电导、电纳和 电相角差，j为电压节点变量，V i和Vj分别是节点i和节点j处的电压;Pi和Qi分别是节点i处 的注入有功功率和无功功率。
[0016] 所述的脉冲调制和相角控制表达式为：
[0017]
[0018]
[0019] 式中M1为脉冲调制系数;S1为调制相角;M2为脉冲调制系数;δ 2为调制相角; P2、Q2分别为智能变压器一次侧、二次侧的有功功率和无功功率，S为智能变压器的额定容 量。
[0020] 所述的电压约束方式为：
[0021] Vimin^ Vi ^ Vimax
[0022 ]式中Vi是节点i的电压;Vimin、Vimax分别是节点电压的最小值和最大值。
[0023] 所述的无功功率目标函数Ω控制计算式为
[0028] 式中Ω为目标函数;Pu3为系统有功功率损失J ? |A「/ Δ「为电压越界的惩窃函 数;λ为电压的越界惩罚因子；AVi为电压越界量；AVim为节点电压的变化范围;η为系统节
[0024]
[0025]
[0026]
[0027] 点数；i、j为电压节点变量，Vimin节点i处电压的最小值、Vimax是节点i处电压的最大值，V i为 节点i处的电压，Vj为节点j处的电压，Gi j、Bi j、Si分别是节点i和节点j之间的支路电导、电 纳和电相角差。
[0029] 采用本发明的上述技术方案，通过第一电源、第二电源、第一AC/DC变换器、第二 AC/DC变换器、第三电源、第四电源、AC/AC变换器、负载、智能变压器、公共电网、交流汇流系 统组成的系统。在分布式的第一电源、第二电源、第三电源、第四电源单独或部分经智能变 压器接入系统，或者分布式电源同时经智能变压器接入系统后，电网的结构和参数随即发 生变化，智能变压器根据电网的结构和参数以及系统的运行状态，先进行控制前潮流计算， 进而计算脉冲调制和相角，再根据电网负荷变化和网络结构改变自动判断系统母线电压是 否在允许范围之内，最后根据无功功率控制目标函数即可计算出系统的无功功率控制目 标，及时将无功功率补偿给电网，从而实现智能变压器二次侧输出电压平滑调节，解决常规 电力变压器的分接头、分级调节能力明显不足引起的电压不稳定问题。此外，采用智能变压 器的无功功率控制系统，由于系统为电网提供无功功率补偿，可以取代传统变压器所需的 静态无功补偿装置，进而解决在分布式电源接入系统后现有无功功率调节手段明显不足问 题。
[0030] 本发明采用的分布式电源包括燃料电池、光伏电池阵列、蓄电池、小型燃气轮机、 小型水力发电机、交流充电粧、直流充电粧或小型风力发电机。由于所选的分布式电源种类 齐全，各种电源负荷的变化情况复杂，对于智能变压器的无功功率控制调节在试验时起到 明显效果。
[0031] 本发明采用的智能变压器得控制方法在电网实际运行过程中，一旦电网有新的分 布式电源接入，电网因负荷发生变化导致电网运行参数发生变化，智能变压器自动读取系 统内新的网络节点参数、控制变量、状态变量和约束条件数据，智能变压器就根据电网的结 构和参数以及运行状态，先进行潮流计算，算出新的分布式电源接入时该节点处注入的有 功功率和无功功率，进而计算脉冲调制和相角，智能变压器通过控制调节两侧的脉冲调制 和相角对电网作无功补偿，再根据电网负荷变化和网络结构改变自动判断系统母线电压是 否在允许范围之内，选出最佳的系统母线电压值，最后根据之前获得的其它已知参数代入 无功功率控制目标函数，即可计算出系统的无功功率控制目标，并及时将无功功率补偿给 电网可以有效减少负荷倒送给电网的无功功率。由于倒送给电网的无功功率，因此还可以 充当电网的无功源，可以有效减少负荷向系统吸收大量的无功功率，通过本发明提供智能 变压器无功功率控制系统的控制方法，即可保证智能变压器的二次侧输出电压平滑调节。
[0032] 综上所述，采用本发明提供的智能变压器无功功率控制系统及控制方法可实现某 区域的无功负荷就地平衡或就近平衡。通过吸收无功负荷倒送给电网的无功，同时还可以 充当电网的无功源，可以有效减少负荷向系统吸收的大量无功功率，减小了无功功率由于 长距离输送所带来的有功功率损耗，从而降低电网系统的线路损耗。运行时智能变压器的 二次侧输出电压可实现平滑调节，可有效的弥补常规电力变压器的分接头分级调节能力不 足。经过无功控制后，智能变压器为系统提供无功补偿，可替代静态无功补偿装置，由于不 再需要静态无功补偿装置，从而大大节约了成本，经济效益好。
【附图说明】
[0033]图1智能变压器无功功率控制系统示意图，
[0034]图2智能变压器的结构原理图，
[0035]图3智能变压器的潮流示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以使本领域技术人员能参照说明书 得以实施。
[0037] 图1示出了本发明提供了一种基于智能变压器的无功功率控制系统示意图，它包 括第一电源1、第二电源2、第一 AC/DC变换器3、第二AC/DC变换器4、第三电源5、第四电源6、 AC/AC变换器7、负载8、智能变压器9、公共电网10、交流汇流系统11、第一开关12、第三开关 13、、第二开关14、第四开关15、第五开关16第六开关17、第七开关18、第八开关19。
[0038] 第一电源1通过第一开关12与第一 AC/DC变换器3的输入端连接，第一 AC/DC变换器 3的输出端通过第二开关14与交流汇流系统11连接；
[0039] 第二电源2通过第三开关13与第二AC/DC变换器4的输入端连接，第二AC/DC变换器 4的输出端通过第四开关15与交流汇流系统11连接；
[0040] 第三电源5通过第五开关16与交流汇流系统11相连;第四电源6与AC/AC变换器7的 输入端连接，AC/AC变换器7的输出端通过第六开关17与交流汇流系统11连接；
[0041 ]负载8通过第七开关18与交流汇流系统11连接；
[0042] 公共电网10通过第八开关19与智能变压器9连接，智能变压器9与交流汇流系统11 连接。
[0043] 所述的电源1包括燃料电池、光伏电池阵列、蓄电池。
[0044]所述的电源2包括小型燃气轮机、小型水力发电机。
[0045]所述的第三电源(5)包括交流充电粧或直流充电粧。
[0046]所述的电源6为小型风力发电机。
[0047] 试验时可任意单独接入分布式第一电源1、第二电源2、第三电源5、第四电源6,也 可任意选择几种分布式电源单独组合接入或所有分布式电源同时接入方式。只需系统内的 其余设备处于正常运行状态即可。试验前需在智能变压器里设置好系统网络节点参数、控 制变量、状态变量、约束条件等初始化数据。
[0048]在试验时由于有新的电源节点接入，智能变压器因新的电源节点接入而接收到变 化的网络节点参数、控制变量、状态变量、约束条件等新数据。
[0049]图2示出了智能变压器的原理结构图，根据智能变压器的原理结构图可以看出，即 先将一次侧的工频交流电通过电力电子变换器转化为一次侧的高频交流电，然后通过中间 的高频变压器将一次侧的高频交流电稱合到二次侧，再通过电力电子变换器将二次侧的高 频交流电转换成二次侧的工频交流电供用户使用，对可能出现的过负荷，事先采取预防措 施。。
[0050]图3示出了智能变压器潮流示意图，式中Ps和Qs分别为电力电子变压器的一次侧与 系统进行交换的有功功率与无功功率;Po和Qo分别是电力电子变压器二次侧输出的有功功 率与无功功率和Us分别是电力电子变压器原副方电压源变换器的交流侧电压;1] 2和1]〇。 分别是系统和的输出电压;X^X2分别是一二次侧的等效换相电抗;C是直流环节电容。
[0051] 试验时，根据智能变压器潮流示意图可以看出，一旦有分布式电源接入电网，智能 变压器因新的电源节点接入而接收到变化的网络节点参数、控制变量、状态变量、约束条件 等新数据，则智能变压器就开始进行控制前潮流计算。其潮流方程约束计算式为：
[0052]
[0053]
[0054] 根据潮流方程约束计算式可以算出Pi和Qi在节点i处注入的有功功率和无功功率。
[0055] 同时智能变压器通过控制调节两侧的脉冲调制系数和调制相角即仏(脉冲调制系 数）、心(调制相角)和M2(脉冲调制系数）、δ 2(调制相角)实现对电网的无功补偿。
[0056]
[0057]
[0058] 再根据所得的计算，智能变压器根据电网负荷变化和网络结构改变自动判断系统 母线电压是否在允许范围之内，判断电压约束的方式为：
[0059] Vimin^ Vi ^ Vimax
[0060] 根据电压约束的式子，即可判断出V1节点i处的电压是否在系统母线电压的允许 范围之内。
[0061] 完成上述计算和判断后，系统各节点电压、系统无功功率控制均在系统运行电压 满足其电压合格以及系统功率损失最小的情况下，最后就依据无功功率控制目标函数计算 其无功功率控制目标，其计算方式为：
[0062]
[0063]
[0064]
[0065]
[0066] 从上述公式可以看出，将前面步骤求得的各变量带入无功功率控制目标计算式， 就得到了无功功率控制目标函数计算的无功功率控制目标参数。
[0067] 本技术方案所述的一种基于智能变压器的无功功率控制系统，其控制方法包括以 下步骤：
[0068] 步骤一、智能变压器读取系统网络节点参数、控制变量、状态变量、约束条件原始 数据设置算法的操作参数；
[0069] 步骤二、在分布式电源接入系统后，智能变压器自动读取系统内新的网络节点参 数、控制变量、状态变量和约束条件数据，根据预设置算法的操作参数，智能变压器进行控 制前潮流、网损、电压合格率计算分析；
[0070] 步骤三、智能变压器计算出一组初始解；
[0071] 步骤四、智能变压器以当前控制变量去迭代重新进行潮流计算，并得到各节点的 有功功率、无功功率和电压；
[0072] 步骤五、智能变压器根据迭代后潮流计算结果计算目标函数适应值；
[0073] 步骤六、智能变压器评价选择最优个体；
[0074]步骤七、智能变压器判断收敛情况，满足收敛条件则执行步骤十，不满足收敛条件 则执行步骤八；
[0075]步骤八、智能变压器繁殖个体；
[0076] 步骤九、智能变压器将繁殖库中的个体复制到母体库中，产生新一代母体参与遗 传操作；
[0077] 步骤十、智能变压器将选出的最优个体进行解码，然后修正网络参数、计算潮流、 网损及电压合格率，并将结果写入无功功率控制输出文件中。
【主权项】
1. 一种基于智能变压器的无功功率控制系统，它包括:智能变压器(9)，其特征在于:第 一电源（1)通过第一开关（12)与第一 AC/DC变换器(3)的输入端连接，第一 AC/DC变换器(3) 的输出端通过第二开关（14)与交流汇流系统（11)连接;第二电源(2)通过第三开关（13)与 第二AC/DC变换器(4)的输入端连接，第二AC/DC变换器(4)的输出端通过第四开关（15)与交 流汇流系统（11)连接;第三电源(5)通过第五开关（16)与交流汇流系统（11)相连;第四电源 (6)与AC/AC变换器(7)的输入端连接，AC/AC变换器(7)的输出端通过第六开关（17)与交流 汇流系统（11)连接;负载(8)通过第七开关(18)与交流汇流系统（11)连接;公共电网（10)通 过第八开关(19)与智能变压器(9)连接，智能变压器(9)与交流汇流系统（11)连接。2. 根据权利要求1所述的一种基于智能变压器的无功功率控制系统，其特征在于:所述 的第一电源(1)包括燃料电池、光伏电池阵列或蓄电池。3. 根据权利要求1所述的一种基于智能变压器的无功功率控制系统，其特征在于:所述 的第二电源(2)包括小型燃气轮机或小型水力发电机。4. 根据权利要求1所述的一种基于智能变压器的无功功率控制系统，其特征在于:所述 的第三电源(5)包括交流充电粧或直流充电粧。5. 根据权利要求1所述的一种基于智能变压器的无功功率控制系统，其特征在于:所述 的第四电源(6)为小型风力发电机。6. 根据权利要求1至5中任意项所述的一种基于智能变压器的无功功率控制系统的控 制方法，其特征在于:其包括潮流计算、脉冲调制和相角控制、电压约束及无功功率目标函 数控制。7. 根据权利要求6中所述的一种基于智能变压器的无功功率控制系统的控制方法，其 特征在于:潮流计算为：式中η为系统节点总数;『分别是节点i和节点j之间的支路电导、电纳和电相 角差，j为电压节点变量，Vi和Vj分别是节点i和节点j处的电压;Pi和Qi分别是节点i处的注 入有功功率和无功功率。8. 根据权利要求6中所述的一种基于智能变压器的无功功率控制系统的控制方法，其 特征在于:脉冲调制和相角控制其表达式为：式中W为脉冲调制系数;δ:为调制相角;M2为脉冲调制系数;δ2为调制相角; 分别为智能变压器一次侧、二次侧的有功功率和无功功率，S为智能变压器的额定容量。9. 根据权利要求6中所述的一种基于智能变压器的无功功率控制系统的控制方法，其 特征在于:电压约束的方式为： Vimin ^ V i ^ V imax 式中Vi是节点i的电压;Vimin、v-分别是节点电压的最小值和最大值。10.根据权利要求6中所述的一种基于智能变压器的无功功率控制系统的控制方法，其 特征在于:无功功率目标函数控制的计算式为式中Ω为目标函数;Pu)为系统有功功率损失，为电i：f / a 卩压越界的惩窃函数;λ ? -1 为电压的越界惩罚因子；△ Vi为电压越界量；AVim为节点电压的变化范围;η为系统节点数； i、j为电压节点变量，Vimin节点i处电压的最小值、Vimax是节点i处电压的最大值，Vi为节点i 处的电压，V」为节点j处的电压，分别是节点i和节点j之间的支路电导、电纳和 电相角差。
【文档编号】H02J3/18GK106058883SQ201610527817
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】刘君, 曾鹏, 曾华荣, 马晓红, 陈仕军, 张迅, 刘宇, 陈沛龙, 田承越
【申请人】贵州电网有限责任公司电力科学研究院