功率平衡

2024-05-25

功率平衡（精选7篇）

功率平衡篇1

1 引言

与传统的二极管不控整流器和相控整流器相比,PWM整流器具有高功率因数、低谐波、能量双向流动等优点[1,2],得到越来越广泛的应用。传统的三相电压型PWM整流器的控制方法是建立在三相输入电压平衡基础上的,当电网电压不平衡时,这些控制方法的性能会受到较大影响,致使电网输入电流和直流输出电压产生大量谐波,影响PWM整流器的控制效果[3,4]。

为抑制直流输出电压的谐波,文献[5]由功率平衡关系导出了使直流电压无谐波的输入电流正负序分量,在正序同步旋转坐标系下对输入电流进行PI控制。由于电流负序分量在正序坐标系下表现为交流量,通过PI调节不能实现无静差调节。文献[6]在两相静止坐标系下对输入电流进行控制,为实现电流的无静差调节,采用了内模控制器。这种方法不需要检测电流正负序分量,简化了控制系统设计,而内模控制器设计则是一个难点。

本文以抑制直流输出电压的谐波为目的,根据功率平衡原理[7],提出了基于正负序控制器的不平衡控制策略。根据功率平衡原则,推导出输入电流正负序分量指令值。为实现对电流的无静差调节,构建正负序两个控制器,分别对输入正负序电流分量进行控制。由于在各个控制器下的控制量均为直流量,采用普通的PI调节器就可以获得良好的控制性能。在Matlab/Simulink上的仿真结果表明提出的控制策略的正确性。

2 基于功率平衡的整流器原理

三相电压型PWM整流器结构图如图1所示。

由图1可推导出在空间矢量上的电压平衡关系式:

$E_{s} = V_{s} + L \frac{d Ι_{s}}{d t} + R Ι_{s} (1)$

式中:Es,Vs,Is分别为交流侧电压和电流矢量;L,R为滤波电感和等效电阻。

电网电压不平衡时,Es可分解为正负序电压分量:

Es=ejω tE $_{d q}^{p}$ +e-jω tE $_{d q}^{n}$ (2)

式中:E $_{d q}^{p}$ ,E $_{d q}^{n}$ 分别为正负序同步旋转坐标系电压矢量,E $_{d q}^{p}$ =Epd+jE $_{q}^{p}$ ,E $_{d q}^{n}$ =E $_{d}^{n}$ +jE $_{q}^{n}$ ;ω为电压矢量的旋转角频率。

将Vs,Is也作上述分解,代入式(1),可得:

${\begin{cases} E_{d q}^{p} = V_{d q}^{p} + L \frac{d Ι_{d q}^{p}}{d t} + R Ι_{d q}^{p} + j ω L Ι_{d q}^{p} \\ E_{d q}^{n} = V_{d q}^{n} + L \frac{d Ι_{d q}^{n}}{d t} + R Ι_{d q}^{n} + j ω L Ι_{d q}^{n} \end{cases} (3)$

式中:V $_{d q}^{p}$ ,V $_{d q}^{n}$ ,I $_{d q}^{p}$ ,I $_{d q}^{n}$ 分别为交流侧电压、电流矢量的正负序分量。

在电网电压不平衡时,电网的输入功率矢量可表示为

$\begin{array}{l} S = Ρ + j Q = E_{s} Ι_{s}^{*} \\ = (e^{j ω t} E_{d q}^{p} + e^{- j ω t} E_{d q}^{n}) (e^{j ω t} Ι_{d q}^{p} + e^{- j ω t} Ι_{d q}^{n})^{*} \end{array} (4)$

代入E $_{d q}^{p}$ ,E $_{d q}^{n}$ ,I $_{d q}^{p}$ ,I $_{d q}^{n}$ ,可求得

${\begin{cases} Ρ (t) = Ρ_{0} + Ρ_{c 2} \cos (2 ω t) + Ρ_{s 2} \sin (2 ω t) \\ Q (t) = Q_{0} + Q_{c 2} \cos (2 ω t) + Q_{s 2} \sin (2 ω t) \end{cases} (5)$

其中

${\begin{cases} Ρ_{0} = 1.5 (E_{d}^{p} Ι_{d}^{p} + E_{q}^{p} Ι_{q}^{p} + E_{d}^{n} Ι_{d}^{n} + E_{q}^{n} Ι_{q}^{n}) \\ Ρ_{c 2} = 1.5 (E_{d}^{p} Ι_{d}^{n} + E_{q}^{p} Ι_{q}^{n} + E_{d}^{n} Ι_{d}^{p} + E_{q}^{n} Ι_{q}^{p}) \\ Ρ_{s 2} = 1.5 (E_{q}^{n} Ι_{d}^{p} - E_{d}^{n} Ι_{q}^{p} - E_{q}^{p} Ι_{d}^{n} + E_{d}^{p} Ι_{q}^{n}) \\ Q_{0} = 1.5 (E_{q}^{p} Ι_{d}^{p} - E_{d}^{p} Ι_{q}^{p} + E_{q}^{n} Ι_{d}^{n} - E_{d}^{n} Ι_{q}^{n}) \\ Q_{c 2} = 1.5 (E_{q}^{p} Ι_{d}^{n} - E_{d}^{p} Ι_{q}^{n} + E_{q}^{n} Ι_{d}^{p} - E_{d}^{n} Ι_{q}^{p}) \\ Q_{s 2} = 1.5 (E_{d}^{p} Ι_{d}^{n} + E_{q}^{p} Ι_{q}^{n} - E_{d}^{n} Ι_{d}^{p} - E_{q}^{n} Ι_{q}^{p}) \end{cases} (6)$

根据功率平衡原理,当忽略滤波电感和电阻的影响时,电网输入功率等于直流侧的输出功率。由式(6)可知,由于电网不平衡,导致输入有功功率和无功功率均存在2次电网频率的谐波分量。输入有功功率的2次谐波分量将导致直流电压也存在2次谐波,影响整流器的直流输出特性。

为抑制直流电压的2次谐波,可令电网输入有功功率的2次谐波分量为零,即P*c2=P*s2=0;同时为了获得单位功率因数,令输入无功功率的直流分量为零,即Q*0=0,代入式(6)的前4个式子,可求得抑制直流电压谐波的电流指令值:

$\begin{array}{l} [\begin{matrix} Ι_{d}^{p *} \\ Ι_{q}^{p *} \\ Ι_{d}^{n *} \\ Ι_{q}^{n *} \end{matrix}] = [\begin{matrix} E_{d}^{p} & E_{q}^{p} & E_{d}^{n} & E_{q}^{n} \\ E_{q}^{p} & - E_{d}^{p} & E_{q}^{n} & - E_{d}^{n} \\ E_{q}^{n} & - E_{d}^{n} & - E_{q}^{p} & E_{d}^{p} \\ E_{d}^{n} & E_{q}^{n} & E_{d}^{p} & E_{q}^{p} \end{matrix}]^{- 1} [\begin{matrix} \frac{2}{3} Ρ_{0}^{*} \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}] \\ = \frac{2 Ρ_{0}^{*}}{3 D} [\begin{matrix} E_{d}^{p} \\ E_{q}^{p} \\ - E_{d}^{n} \\ - E_{q}^{n} \end{matrix}] (7) \end{array}$

式中:P*0为设定的有功功率的直流分量;D=[(E $_{d}^{p}$ )2+(E $_{q}^{p}$ )2-(E $_{d}^{n}$ )2-(E $_{q}^{n}$ )2]≠0。

根据式(7)的电流指令值,通过合适的电流控制策略,可以使输入有功功率不含2次谐波,直流电压的谐波将得到很好的抑制。但是,由式(7)可知,输入电流的负序分量不为零,致使电网电流各相不平衡,而且输入无功功率也存在2次谐波。

3 不平衡控制策略的实现

由于在正序同步旋转坐标系中,负序分量表现为2次电网频率的交流值,当使用PI调节器时,不能实现无静差调节。所以,本文在正序坐标系下用正序控制器实现对正序分量控制的同时,增加了一个负序控制器,实现对负序分量的无静差调节。

3.1 正负序电压电流分量检测

将电压矢量Es变换到正序同步旋转坐标系,可得:

e-jω tEs=E $_{d q}^{p}$ +e-j2ω tE $_{d q}^{n}$ (8)

由式(8)可知,负序电压分量表现为频率为2倍电网频率的交流量,使用陷波频率为2次电网频率的陷波器将负序交流分量滤除,即可得到正序电压分量。同理,在负序同步旋转坐标系中,通过陷波器滤除正序交流分量,可得到负序电压分量。检测电网电压正负序分量的原理图如图2所示。

图2中,坐标系之间的转换矩阵如下:

$C_{a b c / α β} = \frac{2}{3} [\begin{matrix} 1 & - 1 / 2 & - 1 / 2 \\ 0 & \sqrt{3} / 2 & - \sqrt{3} / 2 \end{matrix}] (9)$

$C_{α β / d q_p} = [\begin{matrix} \cos (ω t) & \sin (ω t) \\ - \sin (ω t) & \cos (ω t) \end{matrix}] (10)$

$C_{α β / d q_n} = [\begin{matrix} \cos (ω t) & - \sin (ω t) \\ \sin (ω t) & \cos (ω t) \end{matrix}] (11)$

正负序电网电流的检测原理也与此相同。

3.2 输入电流指令计算

由式(7)可知,要获得电流指令值,首先要计算输入有功功率的直流分量P*0。为了保持直流输出电压Udc稳定,加入电压外环,采用PI调节器进行控制。直流电压设定为U*dc,由功率关系,电压PI调节器的输出与直流输出电流相对应,则输出功率为

$Ρ_{o u t}^{*} = [(Κ_{v Ρ} + \frac{Κ_{v Ι}}{s}) (U_{d c}^{*} - U_{d c})] U_{d c}^{*} (12)$

由功率平衡关系,输入有功功率P*0即等于输出功率P*out。根据式(7),结合检测到的正负序电压分量,即可求得输入电流指令值。

3.3 基于正负序控制器的电流控制

在正序同步旋转坐标系下,由式(3)可知正序电流的d轴和q轴分量相互耦合,所以采用基于前馈的解耦控制规律,对解耦后的d,q轴分量分别进行PI调节。经过前馈解耦和PI控制,可推导出整流器交流侧正序电压分量为

${\begin{cases} V_{d}^{p} = E_{d}^{p} - (Κ_{i Ρ} + \frac{Κ_{i Ι}}{s}) (Ι_{d}^{p *} - Ι_{d}^{p}) + ω L Ι_{q}^{p} \\ V_{q}^{p} = E_{q}^{p} - (Κ_{i Ρ} + \frac{Κ_{i Ι}}{s}) (Ι_{q}^{p *} - Ι_{q}^{p}) - ω L Ι_{d}^{p} \end{cases} (13)$

同理,在负序同步旋转坐标系下,对负序电流进行前馈解耦和PI控制,得到交流侧负序电压分量为

${\begin{cases} V_{d}^{n} = E_{d}^{n} - (Κ_{i Ρ} + \frac{Κ_{i Ι}}{s}) (Ι_{d}^{n *} - Ι_{d}^{n}) - ω L Ι_{q}^{n} \\ V_{q}^{n} = E_{q}^{n} - (Κ_{i Ρ} + \frac{Κ_{i Ι}}{s}) (Ι_{q}^{n *} - Ι_{q}^{n}) + ω L Ι_{d}^{n} \end{cases} (14)$

将交流侧电压正负序分量变换到两相静止坐标系:

$[\begin{matrix} V_{α}^{} \\ V_{β}^{} \end{matrix}] = C_{d q_p / α β} [\begin{matrix} V_{d}^{p} \\ V_{q}^{p} \end{matrix}] + C_{d q_n / α β} [\begin{matrix} V_{d}^{n} \\ V_{q}^{n} \end{matrix}] (15)$

式中:Cdq_p/α β,Cdq_n/α β分别为坐标系之间的转换矩阵,Cdq_p/α β=Cαβ/dq_n,Cdq_n/α β=Cα β/dq_p。

根据交流侧电压矢量Vα,Vβ,通过SVPWM调制方法可以得到控制功率开关的6个开关信号,实现不平衡控制策略。

不平衡电压下PWM整流器的整体控制框图如图3所示。

4 仿真分析

为了验证提出的不平衡控制策略,在Matlab/Simulink下搭建仿真平台,进行仿真分析。仿真参数如下:正序电压幅值 $E_{p} = 220 \times \sqrt{2} V$ ;负序电压幅值 $E_{n} = 22 \times \sqrt{2} V$ ;滤波电感L=2 mH;等效电阻R=0.05 Ω;滤波电容C=2 200 μF;负载电阻RL=20 Ω;直流电压设定U*dc=700 V。

图4为正序控制器控制时的波形。由图4可知,直流电压、输入有功功率和无功功率都存在频率为100 Hz的2次谐波。说明正序控制器不能实现对输入电流的无静差调节,从而影响PWM整流器的直流输出特性。图5为正负序控制器控制时的波形。可以看到,对电流的正负序分量分别在正序和负序控制器下进行控制,使得输出直流电压和输入有功功率的2次谐波都得到很好的抑制。输入电流中加入了负序分量,输入无功功率也存在2次谐波,与理论分析相符。当电压从平衡到不平衡变化时,正负序控制器控制时的波形如图6所示。可以看出过渡过程平缓, 过渡时间较短,直流电压和输入有功电流几乎没有波动,输入电流加入了负序分量,输入无功功率从零变化为2次谐波量。

由仿真波形可知,基于正负序控制器的控制策略可以对直流电压2次谐波起到很好的抑制作用,改善整流器的直流输出特性。

5 结论

本文提出了一种使三相电压型PWM整流器直流输出电压无谐波的不平衡控制策略。根据功率平衡原理导出输入电流的正负序分量,采用正序和负序两个控制器来分别对电流的正负序直流分量进行控制,可以达到快速而且无静差的控制效果。仿真结果表明,提出的不平衡控制策略能够很好地抑制直流输出电压的谐波,改善PWM整流器的直流输出特性。此外,提出的控制策略是在原有正序控制器的基础上只增加了一个负序控制器,并不增加额外的硬件资源,易于在平衡控制策略基础上实现。

参考文献

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[7]徐金榜,何顶新,赵金,等.电压不平衡情况下PWM整流器功率分析方法[J].中国电机工程学报,2006,26(16):80-85.

浅析无功功率的补偿与平衡篇2

关键词：发电机,同步调相机,静电电容器,静止补偿器,无功补偿

随着我国电力工业的迅猛壮大, 电网逐步扩张, 电力负荷增长很快, 电压等级越来越高, 电网、发电厂以及单机容量也越来越大, 电网覆盖的地理面积在不断扩大。但是, 由于地理环境、燃料运输、水资源及经济发展规模等诸多因素的影响, 致使电源分布不均衡, 要保证系统的稳定和优良的电能质量, 就必须解决远距离输电、电压调节及无功补偿等问题。

1 电力系统无功功率不足的危害及平衡的作用, 原则, 要求和补偿方式

1.1 无功功率不足的危害

交流电力系统需要两部分能量:一部分将用于做功而被消耗掉, 这部分称为“有功功率”;另一部分能量是用来建立磁场, 用于交换能量使用的, 对于外部电路它并没有做功, 称为“无功功率”, 无功是相对于有功而言, 不能说无功是无用之功, 没有这部分功率, 就不能建立磁场, 电动机, 变压器等设备就不能运转。无功功率不足, 无功电源和无功负荷将处于低电压的平衡状态, 将给电力系统带来诸如出力不足, 电力系统损耗增加, 设备损坏等一系列的损害, 甚至可能引起电压崩溃事故, 造成电网大面积停电。

1.2 无功补偿的作用

其一, 提高供用电系统及负载的功率因数, 降低设备容量, 减少功率损耗。其二, 稳定受电端及电网的电压, 提高供电质量。在长距离输电线路合适的地点设置动态无功补偿装置, 还可以改善输系统的稳定性, 提高输电能力。其三, 三相负载不平衡的场合, 通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。

1.3 无功功率平衡补偿原则

总体平衡与局部平衡相结合;电力补偿与用户补偿相结合;分散补偿与集中补偿相结合;降损与调压相结合, 以降损为主。

1.4 电力系统无功功率平衡的基本要求

电力系统的无功电源和无功负荷, 在正常及事故运行时, 都应实行分层分区、就地平衡的原则, 并且无功电源应具有灵活的调节能力和一定的检修备用、事故备用。在正常运行方式时, 突然跳开一条线路, 或一定容量的无功补偿设备, 或一台一定容量的发电机 (或失磁) 之后, 系统无功电源事故备用的容量及配置方式, 应能保持电压稳定和正常供电, 避免出现电压崩溃;在正常检修运行方式时, 若发生上述事故, 应允许采取切除部分负荷或并联电抗器等措施, 以维持电压稳定

1.5 电力系统无功功率平衡的方式

1.5.1 个别补偿。

个别补偿是对单台用电设备所需无功就近补偿的方法, 把电容器直接接到单台用电设备的同一电气回路, 用同一台开关控制, 同时投运或断开, 俗称随机补偿。这种补偿方法的效果最好, 它能实现就地平衡无功电流, 又能避免无负荷时的过补偿, 是农网中对异步电动机进行补偿的常用方法。

1.5.2 分散补偿。

分散补偿是将电容器组分组安装在车间配电室或变电所个分路的出线上, 形成低压电网内部的多组分散补偿方式, 它能与工厂部分负荷的变动同时投切, 适合负荷比较分散的补偿场合, 这种补偿方式效果较好, 且补偿方式灵活, 易于控制。

1.5.3 集中补偿。

集中补偿就是把电容器组集中安装在变电所的二次侧的母线上或配电变压器低压母线上, 这种补偿方式, 安装简便, 运行可靠, 利用率高, 但当电气设备不连续运转或轻负荷时, 又无自动控制装置时, 会造成过补偿, 使运行电压升高, 电压质量变坏。季节性用电较强, 空载运行较长又无人值守的配电变压器不宜采用。

2 系统中各类无功电源的调节特性

2.1 发电机

发电机即使有功电源, 同事也是最基本的无功电源, 在不影响有功功率平衡的前提下, 通过改变发电机的励磁电流也就是调节发电机的功率因数, 就可以调节无功功率的输出, 从而调整运行电压, 发电机在额定状态下运行时各参数如图1所示。

纵轴表示有功功率, 横轴表示无功功率, OA表示发电机的额定电压, ICN为定子电流, Φ为额定功率因数, AB表示ICN在电抗Xd上的电压降, AB在纵轴上的投影表示有功功率, 在横轴上的投影表示无功功率, OB表示额定状态下的电势, 其长度正比于转子的额定励磁电流。由图可知, 发电机在额定状态下运行时, 发出的无功功率为QCN=SCNSinΦN=PCNtanΦN。。在改变发电机运行中的功率因数是, 要注意发电机运行的受约束的条件, 从图中可以看出, 发电机只有在额定状态B点下运行时, 其有功功率, 无功功率和视在功率才能达到额定值, 容量得到最充分的利用, 当发电机发出的有功功率低于额定功率时, 可发出的无功功率虽比额定状态运行时大, 但视在功率却较额定值小。任何时刻发电机运行电都不能超出图中阴影线的范围。

2.2 同步调相机

同步调相机实际上是只发无功功率的同步发电机, 而不发有功, 因其改变同步调相机的励磁电流, 可以平滑的改变同步调相机输出的无功功率, 从而调节所在地区的电压, 由于同步调相机的有功功率损耗较大, 并且小容量的调相机投资费用也较大, 所以同步调相机宜大容量集中使用, 常安装于大型枢纽变电所。

2.3 静电电容器

静电电容器只能想系统供给感性的无功功率, 而不能吸收无功功率, 它所输出的感性无功功率与所在节点的电压平方成正比。即, XC为电容器容抗。

静电电容器的优点:静电电容器可根据用户需要由多个电容器连接组成, 容量大小可根据需求选择;运行时功率损耗小, 约为额定容量的0.3%——0.5%;维护比较方便。

静电电容器的不足:无功功率的调节性能比较差, 投入切出过程比连续, 不能连续平滑的调节电压。

2.4 静止补偿器

它由静止电容器和电抗器组成, 电容器可发出无功功率, 电抗器可吸收无功功率, 两者结合起来再配以调控电抗器的电力电子调节装置, 就成为能够平滑改变输出或吸收无功功率的静止补偿器, 与静止电容器相比, 静止补偿器能平滑调节无功功率, 克服了电容器作为无功补偿调节不连续的缺点, 与调相机相比它功率损耗小, 还能做到分相补偿以适应不平衡负荷的变化, 对冲击性负荷有较强的适应性, 在电力系统中得到越来越广泛的应用。

3 利用并联电容器进行无功补偿的计算方法

按跳调压要求选择并联电容器的补偿容量。一简单电力网如图2所示, 供电电压U1和负荷功率P+JQ已给定, 线路电容和变压励磁功率略去不计, 包括高压侧变压器阻抗在内的线路总阻抗为R+JX。在未加补偿装置前若不计电压降落的横分量, 便有, 为归算到高压侧的变压器低压母线电压。

在变压器低压侧设置容量为QC的无功补偿设备后网络传送到负荷电的无功功率为Q-QC, 这是变压器低压母线归算到高压侧的电压也相应的变为,

故有, 如果补偿前后U1保持不变, 则

由此可解得式变压器低压母线的归算电压, 电压从改变所需的无功补偿容量为

由于上式后面项数值很小可以忽略, 上式简化为:

如果变压器的变比为K补偿后变压器低压侧要求保持电压为U2C, 则=KU2C, 带人上式可得

由上式可知, 补偿容量与调压要求, 变压器变比由关系, 变比的选择原则是:在满足调压要求的基础上, 使无功补偿容量最小, 由于电容器只能发出感性无功功率, 所以在变压器母线电压偏低时可以提高电压, 但电压偏高是不能降压, 通常降压变电所在打负荷时电压偏低, 小负荷时电压偏高, 为了充分利用电容器的补偿容量, 在大负荷时电容器应全部投入, 在最小负荷时退出, 从而并联电容器补偿容量的计算可归纳为:根据调压要求, 按最小负荷时没有补偿的情况确定变压器分接头;按最大负荷时的调压要求计算补偿容量;根据确定的变比和选的补偿容量校验实际的电压变化。

功率平衡篇3

关键词：抽油机,电流,功率,平衡调整

目前常用的机采举升方式有三种, 其中抽油机作为主要的举升方式之一, 其应用数量占油田举升设备总数的90%以上[1]。抽油机的平衡状况直接影响抽油机连杆机构、减速箱和电动机的效率与寿命。在此通过改善抽油机的平衡状况来达到延长减速箱和电动机的使用寿命, 提升其工作效率。由此引入的“上、下冲程电动机做功相等”平衡判断准则, 给出了应用“功率平衡”测试结果来计算平衡半径调整的方法, 并将其与“电流平衡”计算方法进行了比对, 从而体现出“功率平衡”测试方法的优势。

1 两种平衡计算方法统计分析

依据不同的平衡判定准则可以导出不同的平衡计算方法。从简单方便的角度出发, 多采用“使上、下冲程中减速器曲柄轴扭矩相等”准则中的“电流平衡”计算方法;在此依据“上、下冲程电动机做功相等”的平衡判断准则给出了“功率平衡”测试方法。

1.1 电流平衡法

测量电动机上、下冲程中的电流峰值, 下电流与上电流的比值作为平衡率, 可由公式 (1) 表示:

式中:

ηI——单井平衡率, %;

Id max——抽油机下冲程最大电流, A;

Iu max——抽油机上冲程最大电流, A。

当比值在85%~100%之间即认为达到了平衡状态。

1.2 功率平衡法

功率法是用功率记录仪把电动机的功率变化曲线记录下来, 以判断抽油机的平衡状况和调整平衡半径的方法[2]。利用单项功率表, 依据“上、下冲程电动机做功相等”的平衡判断准则, 通过测试其功率曲线, 依据上、下冲程电动机平均功率的变化情况, 给出平衡块的调整方法。

式中:

ηT——抽油机的机械传动效率;

Ns——光杆冲速, min-1;

Gq——单块曲柄平衡块的重力, k N;

k——安装的曲柄平衡块的数目。

2 两种平衡调整方法对比分析

为了检验电动机功率法判断和调整抽油机平衡半径的可靠性与实用性, 进行了电流曲线法和电动机功率法的实测分析。两种方法分别测试调整了50口井。表1为其中两口井的测试数据。

2.1 两种调整方法对比

通过2口井的测试数据表明电流平衡法是平衡的。为了更合理些, 仍然做了调整。功率平衡法显示的平衡比是不平衡的, 将现场数据输入功率法计算公式后, 按照给出的建议, 一次调整成功。两种平衡调整方法对比见表2。

2.2 两种方法调整后综合对比

两种平衡调整方法调整后都使抽油机处于平衡状态, 但是电流法工作量大, 日耗电有所增加, 而功率平衡法一次成功, 日耗电量降低。电力及能耗测试结果表明, 功率曲线和电流曲线较之前平缓了许多, 但从调整次数、精确程度及能耗角度来讲, 功率平衡法调整比电流法具有很大的优势。两种平衡法调整后综合统计见表3, 两种平衡调整方法优缺点对比见表4。

3 两种平衡调整方法经济效益对比

按照每个小队 (60个小队) 配备一个测试仪, 电价按0.638 1元/k Wh计算, 功率法较电流法多创经济效益112.56万元 (表5) 。

4 结论

1) 在实际生产过程中, 针对抽油机平衡测试存在的问题, 建议使用平衡功率测试仪来解决测试工作中存在的问题, 这不仅减轻了采油工测试调整工作量, 还提高了平衡调整的精度。

2) 功率平衡法判断抽油机的平衡比电流平衡法更具有优势, 能消除电流平衡法在一些情况下的假平衡现象。

参考文献

[1]王洪勋, 张琪.采油工艺原理[M].北京:石油工业出版社, 1989:56-61.

TSC装置中功率不平衡保护方法篇4

随着电力电子与控制技术的发展,变频调速、中频炉、电弧炉等大功率非线性负载在工业、交通等领域广泛应用,导致功率因数降低、无功波动以及谐波污染等电能质量问题[1,2]。目前多采用晶闸管投切的电容器补偿装置来进行无功动态补偿和滤除谐波。采用大功率晶闸管替代传统的开关设备,可以解决开关触点机械动作的延时性和分散性与工频正弦交流电源电压变化的快速性和周期性之间的矛盾[3,4,5]。但是作为电力电子器件,晶闸管在工作时可能会因承受较大的电压与电流而被击穿或者损坏,导致补偿装置出现故障。目前,在TSC装置中常用开口三角形电压和中性点电流不平衡保护[6,7]。这2种保护算法在TSC装置中的应用存在以下不足:开口三角形电压保护的电压传感器并接在电容器两端,TSC装置中晶闸管开关断开后,由于电容器的残压导致电压传感器要承受较大的直流电压而使其发热损坏;而中性点电流不平衡保护要测量2路中性点间的电流,在TSC装置工作过程中,各补偿支路的投切都是动态改变的,因此可能出现保护误动作[8,9]。

因此,针对TSC装置的工作特点,相应的保护算法必须要合理设计。本文结合在TSC装置正常工作过程中有功功率是平衡的这一特性设计了一种新型的不平衡保护方法,该方法可以实现对TSC装置的可靠保护。

1 方法原理

TSC装置正常工作时,忽略补偿支路的电抗器直流损耗、谐波损耗、晶闸管导通损耗后,补偿支路中基本不消耗有功功率。不正常工作时,若补偿支路中有1个或2个电容器发生断开、短路、快熔损坏等故障,补偿支路的相电流就出现不平衡。经过研究发现在补偿支路不平衡状态时,有一个非常显著的特征:虽然每个补偿支路中电容器电流超前电容器电压90°这一物理现象没变,但是三相补偿系统总的相电流和相电压却偏离90°,三相补偿系统有功功率的和不再近似为零。利用这个特征就可以产生一种新的功率不平衡保护方法。该方法采用检测补偿装置的相电压和各相总电流,计算有功功率。TSC装置正常工作时三相平衡,总的有功功率近似为零;TSC装置故障时,总的有功功率不为零,并且随着三相不平衡的严重而增加[10,11]。TSC装置中功率不平衡保护的系统结构图如图1所示。

图中,TSC装置的保护控制单元通过测量系统A、C相电压以及补偿装置A、C相电流后,可计算得到三相总功率,根据总有功功率在正常工作时近似为零可以进行相应的保护动作。忽略电压畸变,设三相电压相量分别为Ua、Ub=α2Ua、Uc=αUa,其中α=ej 2π/3为旋转量,在实际TSC装置的任一补偿支路两相间的导纳分别为Yab、Ybc和Yca,则各相的电流相量为

则可以计算出三相视在功率为

于是通过两式可以计算出各相的有功功率,从而得到总有功功率。事实上,通过测量A、C相的电压与电流即可计算得到三相总有功功率。各相有功功率取绝对值后相加为总有功功率P鄱,则有功不平衡保护的判据为其中Pset为保护定值,同时根据实际运行情况将该保护的时限整定为反时限特性。

2 方法实现

要在TSC装置中实现功率不平衡保护,必须对两相电压与电流进行测量。目前常用的TSC接线形式为采用2个晶闸管开关作为A、C相的投切开关,B相直通,所以一般在TSC装置中测量A、C相的电压和电流,B相的参数通过计算可以得到。在TSC装置工作时可能在测量的A、C相的电压与电流中有相应的谐波成分,在实际进行保护计算之前必须要把测量结果中的谐波成分滤除,以防止谐波分量导致保护误动作[12]。实际的滤波功能可以通过数字滤波器或者模拟滤波器来实现,由于数字滤波器具有延时特性,为了提高保护动作的响应速度,本文采用了模拟低通滤波器来实现。具体的电路如图2所示。

通过调节可调电阻RW1和RW2实现对输入与输出信号的幅值和相位调整后,通过设置R1～R5的阻值与C1、C2的容值后实现截止频率为60 Hz的低通滤波。信号滤波后就可以在控制器中实现保护的计算与判定。当TSC装置发生缺相或者晶闸管击穿等故障时,有功功率不平衡保护可以迅速地判断出故障,并封锁控制信号,同时通过相应的继电器发出保护跳闸及报警信号。

3 仿真与实验

为了验证所提功率不平衡保护的有效性,进行了相关的仿真和实验。其中仿真是在EMTDC/PSCAD环境中进行,实验装置是在某工业场合进行实际检测,该现场的TSC装置为了防止5次谐波对TSC装置工作的影响,补偿回路中配备电抗率为7%的电抗器,各相电容补偿容量为30 kvar,额定电压为480 V。图3为忽略谐波影响时TSC装置中某一补偿回路在1.0 s B相发生缺相时的电流仿真波形。表1为实际测量的TSC装置在正常工作和故障(缺相)运行时的实际数据(包括电流幅值Im、相位φ、有功功率P、无功功率Q)。

由图3和表1可知,在1.0 s之前未发生缺项时,三相电流平衡,相差120°,此时各相电流与电压之间基本成90°,因此各相有功功率绝对值相加后总有功功率较小,为0.36 kW;在1.0 s发生缺相运行时,A、B相的电流相位发生变化,从而导致总有功功率较大,为4.91 kW。因此,通过有功功率不平衡保护方法可以迅速地进行判定,从而实现保护动作。因此,所提出的有功功率不平衡方法可以对TSC装置进行快速、可靠的保护。

4 结论

新型的功率不平衡保护方法检测硬件电路简单,只需要对一套TSC装置总的电流与系统电压进行测量,然后通过计算判断有功功率是否平衡就可以对该套TSC装置进行故障判定进而实施保护。该保护方法整定简单,通过整定计算就可以确定保护定值。目前该保护方法已应用在数套中、低压TSC装置,现场运行可靠。

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功率平衡篇5

1 电压系统无功功率的平衡与调整的必要性

电力系统的电压需要经常调整, 如果电压偏移超过极限值时对电力系统本身及其用电设备都会带来不良影响, 这会在一定程度上使电力系统效率下降, 经济性变差, 当系统电压降低时, 各类负荷中占比重最大的异步电动机的转差率增大, 进而电动机各绕组中的电流将增大, 温升将增加, 效率将降低, 寿命将缩短, 同时同时电压过高, 照明设备寿命就会大大的下降, 影响绝缘, 因此电力系统中无功功率的平衡与电压调整就显得十分重要了。而电力系统中无功功率平衡原则就是按地区并按电压等级对无功电源和无功负荷进行平衡, 避免经长距离线路或多级变压器传送大量无功功率, 以降低电力网损耗, 实现经济运行。

2 无功功率平衡对电压的影响

在正常的情况下, 运行的电力系统, 要求电源的无功出力应时刻都同负荷的无功功率和网络无功损耗之和相等, 也就是说系统中的无功电源对系统中的电压的影响为当无功电源比较充足时, 就能很大程度上满足较高电压水平下的无功平衡需要, 系统就有比较高的运行电压水平, 但是当无功电源不足时就会造成运行电压水平偏低, 因此, 应该在保证额定电压的基础之上保持电力系统无功功率平衡, 然后根据要求选择必要的无功补偿装置。

3 电力系统中无功功率的平衡

电力系统中送电线路不仅仅能产生无功功率, 同时还能能消耗一定的无功功率, 因此只有电力系统中线路所产生的无功功率恰好与线路上所消耗的无功功率相互平衡时, 这是才能保证电力系统供电的质量。

电力系统中无功功率平衡的基本要求就是无功功率电源可能发出的无功功率应该大于或者至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗, 同时为了保证运行可靠性和适应无功负荷的增长, 系统必须配置一定的无功备用容量。同时电力系统中一般要求发电机接近于额定功率因数运行, 可按额定功率因数计算发电机所发出的无功功率, 此时如系统的无功功率能够平衡, 则发电机就保持有一定的无功备用, 其它的无功补偿装置按额定容量来计算其无功功率。在电力系统中当系统的无功功率电源比较充足时系统就能具有较高的运行电压水平, 但是当系统中的无功功率电源不足时就应该采取一些措施进行无功补偿。例如可以设置一些由电力电容器和可调电抗器组成的静止补偿器, 它可以根据母线电压的高低自动控制可调电抗器吸收的感性无功功率的大小, 从而控制装置发出或吸收的感性无功功率的大小, 进而达到稳定电压的目的。同时还可以采用将低压电容器组与电动机并接, 通过控制、保护装置与电机同时投切的方式进行无功补偿, 它具有电力系统中用电设备运行时, 无功补偿就会投入, 但是当用电设备停运时, 补偿设备也跟着退出, 不需频繁调整补偿容量的优点。同时还可以采用以无功补偿投切装置作为控制保护装置, 将低压电容器组补偿在大用户0.4k V母线上的补偿方式, 此种方式可以比较好地跟踪无功负荷变化, 运行方式灵活, 运行维护工作量小。

4 电力系统中电压的调整

在电力系统中无功功率平衡是电网管理的首要条件, 电压调整只是对变压器传输不同功率时引起电压变化的平衡, 但是当电力系统中的无功补偿和调节能力暂时还达不到理想程度的时候, 就应该采取别的措施进行电压的调整, 只有这样才能保证系统中所有的设备电压保持在容许极限内, 因此电压调整就成为电力系统有效与可靠运行的最重要的条件之一。在电力系统中经常采用的就是利用变压器分接头调压, 因为变压器低压绕组的额定电压是一定的, 因此只要改变高压绕组的分接头, 即可改变变压器的变比, 从而使变压器二次侧的电压得到调整, 但是这种电压调整方式一般仅用于具有停电条件的供给季节性用户的变电所, 或者具有多台变压器并列运行容许经常进行切投操作的变电所。除此之外还可以采用并联静止补偿器的方式进行电压的调整, 它反应比较快、谐波量比较小、准确度也比较高, 同时重量比较轻, 安装简便, 运行与维护费用比较低, 既可以户外布置, 也可置于变电所内, 还有它可以进行平滑无级调压, 因而调节性能好。

5 结语

电压是衡量电能质量的一个重要指标, 但是在电力系统的正常运行中, 用电负荷和系统运行方式是经常变化的, 由此引起电压发生变化, 不可避免地出现电压偏移, 同时无功功率的平衡直接影响到电力系统的稳定性, 因此必须要随地进行无功功率平衡与电压调整, 只有这样才能保证电力系统的稳定运行。

摘要：电压是衡量电能质量的一个非常重要的指标之一, 电压的波动超过允许范围对电力系统的影响很大, 因此保证供给用户的电压与其额定值的偏移不超过规定的数值是电力系统运行调整的基本任务之一。同时由于电力系统中节点比较多, 网络结构也比较复杂, 负荷分布十分的不均匀, 因此各节点的负荷在变动时就会引起各节点电压的波动, 其中电压的波动又是由于系统中无功功率的不平衡引起的, 系统中感性无功过剩就会引起电压升高, 感性无功不足就会使电压降低。所以, 电力系统的无功功率必须保持平衡, 这是维持电力系统电压水平的必要条件。本文重点分析了电力系统无功功率与电压调整方面的问题, 以供有关人士进行参考。

关键词：电力系统,无功功率,平衡,电压调整

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功率平衡篇6

随着经济的快速发展, 电能质量问题越来越突出, 在低压三相三线或者三相四线供配电网, 存在着严重的电能质量问题:三相功率不平衡、无功问题, 这些电能质量问题已经严重影响了电力配网系统供电的可靠性以及用电安全。低压配电网存在的三相功率不平衡问题, 将导致变压器出力不足, 线损增大, 变压器损耗增大, 甚至变压器烧毁;无功问题导致无功消耗大, 功率因数低, 线损率高;有源功率平衡装置针对电力配网系统电能质量问题进行治理, 实现三相功率平衡, 对于三相四线制配电系统, 实现三相功率平衡的同时, 消除零线电流, 补偿无功, 提高功率因数, 降低线路损耗。

一直以来, 配电网中解决三相不平衡问题主要依靠人为经验。工作人员通过观测台区变压器出线端三相电流大小来判断不平衡电流, 然而中性线电流往往被忽视, 造成较大的电能损失。随着国家对节能的要求以及人民群众对用电可靠性的要求不断提高, 需要对电力配网中存在的三相功率不平衡问题进行更加深入的分析, 同时采用先进的技术手段, 尽可能减少人为参与因素, 解决三相功率不平衡问题。

2 理论分析和仿真

由于配电网中功率的不平衡是由负载电流中的负序分量和零序分量叠加在正序分量上造成的。为了使功率平衡, 就要把这些不平衡分量从总电流中提取出来。首先利用对称分量法, 将测量的三相负载电流由相分量变换为序分量, 得到需要补偿的负序分量电流和零序分量电流的值。

有源功率平衡装置, 采用先进的电力电子技术, 通过智能化控制方式, 自动平衡三相功率 (包括平衡有功功率及无功功率) , 同时消除中性线的基波电流以及零序谐波电流, 从而解决电力配网的三相不平衡问题, 无功消耗大功率因数低问题, 同时实现降低线路损耗、提高输电能力、提高电网的可靠性。在实施上, 主要是通过在台区变压器低压配电网配电线路上安装有源功率平衡装置, 优化配电网络三相功率平衡、补偿无功, 提高功率因数, 消除零线电流, 起到降低线路损耗以及提高配电网络可靠性的目标。

3 补偿无功和不平衡

补偿负载无功电流时的等效电路图如图1所示。图中下标p和q分别表示有功分量与无功分量。

通过仿真验证补偿无功以及三相电流不平衡补偿:

负荷使用单相电阻负荷, 0.1s负荷开始运行, 0.2s有源功率平衡装置开始工作,

0.2~0.3s补偿负序电流, 0.3s开始负序、零序全补偿。

通过以上仿真, 在投入有源功率平衡装置之前, 负载三相电流不平衡, 三相电流相位不再呈现互差120°, 而且N线电流大, 有源功率平衡装置投入运行以后, 三相电流平衡, 而且三相电流相位互差120°, 消除了N线电流, 有效实现了电力配网三相不平衡问题。

4 应用案例

某供电公司低压配电台区, 台区距变电站10KV线路长度为2.2km, 10KV主干线路型号为LGJ-35。该台区配变容量为200k VA, 供电用户总数188户, 低压供电半径800m, 低压主干线缆型号为LGJ35-50。2013年度, 台区最大负荷时刻电流值分别为111A (A相) 、150A (B相) 、221A (C相) 、91A (零相) , 存在严重的三相电流不平衡现象、较大N线电流, 无功消耗导致功率因数为0.7~0.8。为解决该台区电能质量问题, 以往需要每半个月去台区测试并调配三相负荷, 但由于农村居民用电存在着较大的不确定性, 通过调配负荷的方式难以解决三相不平衡问题, 另外电力配网N线电流 (零序电流, 导致N线电流增大, 增加线损, 给电力配网带来了安全风险) 目前还缺乏相应的解决措施。

为彻底解决该台区的三相电流不平衡、无功以及N线电流问题, 本次安装了WSPB-50/0.4有源功率平衡装置, 该装置安装于台区低压配电柜旁电杆上, 并联接入配电线路。

设备投运前后的数据对比如表1所示。

具体治理前后的配电网测试数据见图2、图3所示。

5 结论

通过仿真分析以及实际应用案例, 应用有功功率平衡装置, 对于配网电能质量问题治理效果良好, 三相不平衡度由60.6%降低到1.90%, 功率因数由0.8185提高到0.953, 治理效果明显取得了良好的社会效益和经济效益。

摘要：随着国民经济的快速发展, 电力配网系统的电能质量问题越发突出。电力配网多为单相负荷, 运行时间上的差异性以及负荷分布不均匀均会导致三相功率不平衡;有源功率平衡装置, 采用先进的控制策略, 在低压配电台区应用, 能够有效改善电力配网存在的三相不平衡问题。该装置不仅使不平衡度降低明显, 同时可消除零线电流, 具有良好的技术效应和经济效应。

功率平衡篇7

煤矿井下带式输送机采用多电动机驱动时,由于相同规格的驱动电动机其实际机械特性存在差异,各驱动滚筒的实际直径存在偏差,再加上安装时的误差率、输送带伸长率及其他环境因素的影响,会造成各电动机输出功率不平衡,即电动机负荷分配不均,严重危害带式输送机的安全运行,影响煤矿安全生产[1]。

调节带式输送机功率平衡的常用驱动装置有变频调速驱动装置、CST驱动装置、调速型液力偶合器驱动装置和液体黏性软启动装置等[2],其中液体黏性软启动装置成本低、易于维护、传递效率高,满足煤矿对带式输送机驱动装置高性价比的要求。针对采用液体黏性软启动装置的多机驱动带式输送机,本文提出了一种将电流预测算法和比例微分(Proportional Derivative,PD)控制算法相结合的功率平衡控制方法,根据各电动机之间的预测电流偏差,对液体黏性软启动装置所配用的控制泵给定频率进行PD控制,进而动态调节各电动机电流,实现多电动机驱动的带式输送机在启动过程中的功率平衡。

1 液体黏性软启动装置工作原理

液体黏性软启动装置根据牛顿内摩擦定律,利用液体的黏性,通过油膜的剪切作用来传递动力,其主要由主、从动摩擦片,控制油缸,弹簧,壳体及密封件等组成。当主动轴带动主动摩擦片旋转时,摩擦片之间的黏性流体形成油膜带动从动摩擦片旋转[3]。由油膜剪切理论可知,液体黏性软启动装置的输出转矩为

式中:μ为油膜的动力黏度,Pa·s;n为油膜数;h为油膜厚度,m;ω1为主动摩擦片的角速度,rad/s;ω2为从动摩擦片的角速度,rad/s;R1为主、从动摩擦片的接触面内径,m;R2为主、从动摩擦片的接触面外径,m;i为主、从动摩擦片的角速度比,。

由式(1)可知,对于确定的液体黏性软启动装置,μ,n,R1,R2均为定值,液体黏性软启动装置的输出转矩与主、从动摩擦片的角速度差呈正比,与油膜厚度呈反比。因此,可通过控制油缸内油压大小来调节主、从动摩擦片之间的油膜厚度,进而改变从动轴输出转矩和转速的大小,实现带式输送机的平稳启动及速度调节[4]。

2 功率平衡控制原理

功率平衡控制原理如图1所示。控制器接收到上位机发送的启动命令后,输出模拟量信号作为变频器的给定频率输入信号,同时变频器将其输出频率反馈至控制器。变频器驱动控制泵给定频率逐步增加,而控制泵油压与其频率呈正比,因此控制泵油压同步增加,同时将油压信号反馈至控制器。液体黏性软启动装置中主、从动摩擦片之间的油膜厚度与控制泵油压呈反比,随着控制泵油压的增大,油膜厚度减小,液体黏性软启动装置输出转矩变大,电动机输出功率增加,电动机输出转矩通过液体黏性软启动装置传递到驱动滚筒,从而拖动带式输送机启动运行。

由于电动机输出功率与电动机电流呈正比,可将各电动机电流作为功率平衡调节的依据。电动机的功率平衡度通过各电动机间的电流差来体现。控制器预先设定功率平衡度阈值,即各电动机电流差的阈值。带式输送机在启动过程中,电动机电流反馈至控制器,当各电动机电流差大于设定的阈值时,控制器根据电流差大小调节对应电动机的控制泵给定频率,以改变电动机电流,进而改变电动机输出功率,实现各电动机之间的功率平衡。

3 功率平衡控制方法

多机驱动的带式输送机功率平衡控制,就是根据电动机反馈的电流来调节控制泵给定频率。然而控制泵油压的调节与反馈,主、从动摩擦片之间的油膜厚度改变等环节具有滞后性与非线性的特性,影响功率平衡控制的稳定与可靠。本文将电流预测算法和PD控制算法相结合,对电动机输出功率进行快速、准确控制,实现多电动机间的功率平衡。

3.1 电流预测算法

已知采样点x0—x3及其对应的电动机电流采样值f(x0)—f(x3),采用T/2预测算法(T为采样周期)[5]预测采样点xi的电动机电流f(xi),如图2所示。

由四阶牛顿插值公式可得

式中:f[x0,x1]为一阶差商,

为二阶差商,

为三阶差商,

。

由于x3-x2=x2-x1=x1-x0=T,根据式(2)可得

由此,控制器可根据已知采样点的电流计算出下半个周期的电动机电流预测值。

3.2 PD控制算法

PD控制算法能预测误差变化的趋势,避免被控量的严重超调,改善调节过程中的动态特性[6]。因此,本文采用PD控制算法调节控制泵给定频率。

PD控制算法微分方程为

式中:u(t)为PD控制输出量;KP为比例系数;e(t)为PD控制输入量;TD为微分时间常数;t为时间。

通过离散化,可推导出增量式PD控制算法差分方程:

式中:Δu(k)为PD控制输出量的增量;e(k),e(k-1),e(k-2)分别为PD控制在k,k-1,k-2采样时刻的输入量;KD为微分系数。

当2台电动机电流差超出阈值时,电流较大的电动机对应的控制泵给定频率调整公式如下:

式中:f(k),f(k-1)分别为控制泵在k,k-1采样时刻的给定频率。

4 实际应用

在川煤集团广能公司绿水洞煤矿主平硐5.6km长带式输送机上对本文控制方法进行验证。带式输送机由4台250kW电动机及相应的4台液体黏性软启动装置驱动,如图3所示。设采样周期为1s,电动机电流差阈值为5A,KP=0.2,KD=0.05。当控制泵给定频率小于25Hz时,控制泵给定频率以2 Hz/s自增;当控制泵给定频率大于等于25Hz且小于40 Hz时,若任意2台电动机预测电流偏差小于阈值,控制泵给定频率以0.2 Hz/s自增,若任意2台电动机预测电流偏差大于阈值,则电流较大的电动机对应的控制泵给定频率以PD控制算法计算出的|Δu(k)|逐秒减小;当控制泵给定频率大于等于40Hz且小于50 Hz时,控制泵给定频率以1Hz/s自增。

空载和重载启动时4台电动机电流及控制泵给定频率曲线分别如图4、图5所示。从图4可看出,1号电动机电流在启动后快速增大,超出阈值,1号控制泵给定频率减小从而调节1 号电动机电流减小;当3 号控制泵给定频率增大至31 Hz左右时,3号电动机电流猛增,此时1 号电动机电流骤降,3号控制泵给定频率开始减小,3号电动机电流迅速减小;直到3号控制泵给定频率重新上升从而调节3号电动机电流与其他3台电动机电流接近时,4台控制泵给定频率开始同步增加,直至到达工频。从图5可看出,由于重载启动惯性更大,在启动过程中3号电动机电流有2次较大的波动,启动时间也比空载时延长了42s,但本文控制方法依然起到了有效的调节作用,启动完成时4台电动机电流趋于一致,有效控制了4 台电动机在启动过程中的功率平衡。

5 结语

在采用液体黏性软启动装置的多机驱动带式输送机启动过程中,利用电流预测算法及PD控制算法将各电动机电流差控制在一定范围内,平衡各电动机的输出功率,保证了多机驱动带式输送机的平稳启动和功率平衡,满足煤矿对带式输送机启动及运行经济性、高效性的需求。

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