一种SVG与并联电容器协调控制的方法

一种svg与并联电容器协调控制的方法
技术领域
1.本发明属于电气工程领域，具体涉及电力系统无功补偿技术领域，即一种svg与并联电容器协调控制方法。


背景技术：

2.随着社会的不断发展，各种用电设备也在飞速增长，同时电力系统的电压质量也在面临着极大的考验，由于电压质量与电力系统中的无功功率有着紧密的联系，所以无功功率的控制和优化对于确保电力系统的电压稳定性和性能至关重要。无功功率通常由无功补偿设备例如传统的并联电容器和先进的svg等装置来补偿和调节，从而来维持电压稳定、降低潮流损耗，并提高系统的功率因数。传统上，并联电容器被广泛应用于无功功率补偿，其通过切入和切除来满足电力系统的无功需求。然而，电容器组的调节和管理存在一些挑战，首先，电容器组数量和组合的复杂度随着系统规模的增大而增加，给系统运维和维护带来了困难。更加需要注意的是，由于并联电容器的响应时间较长，并联电容器对负载变化的调节需要一定的时间，不能及时的调节快速变化的无功。目前，针对电力系统无功补偿的方法主要是单一的无功补偿设备进行补偿，但是很多时候并不能满足经济性和及时性的要求。随着电力系统的无功要求不断提高，svg与其他无功补偿设备组合而成的混合无功补偿系统日益发展。近年来，svg更广泛的应用于电力系统中，svg作为一种新兴的快速响应的无功功率补偿装置，能够实时感知系统的无功功率需求，并通过电力电子器件提供快速且精确的无功功率补偿。然而，由于svg设备成本较高，维护相对困难，所以很少在无功补偿领域单独使用svg，往往结合并联电容器进行混合无功补偿。


技术实现要素：

3.发明的目的是针对上述不足而提供一种svg与并联电容器协调控制方法。旨在利用svg和并联电容器的响应时间不同，合理配合实现精确且高效的无功功率补偿和调节。该方法通过集合经验模态分解技术将测量得到的无功功率信号分解成高频和低频成分，并分别用响应时间快的svg和响应时间慢的并联电容器进行补偿。这样可以发挥svg的性能优点并且提高了并联电容器的使用寿命，同时实现全面且精确的无功功率控制。
4.本发明的技术解决方案是：一种svg与并联电容器协调控制的方法，包括如下步骤：
5.以某地区的10/0.4kv变压器低压母线负载就地补偿为例，说明本发明提出的无功补偿具体解决方案：
6.1)首先使用精密的测量设备对某地区的10/0.4kv的变压器的低压母线的无功功率进行实时的数据采集，并且进一步的计算出当前时刻的所需补偿的无功功率；由于电力系统每时每刻都有负荷的投入与退出，所以说此系统某一时刻所需要的无功功率是一个是关于时间的一个非线性函数为q(t)。
7.2)将此系统中的测量设备采集并计算得到的无功功率信号传输给协调控制系统，
从而进行信号的分解；信号分解的方法是采用集合经验模态分解(eemd)，其实现的原理就是对原始的无功功率信号q(t)附加多次白噪声信号形成新的无功功率信号序列qi(t)，此处不妨假设添加白噪声信号次数为k次，协调控制系统分解信号的步骤如下：
8.进行信号的初步处理：把一个为标准正态分布的白噪声ni(t)添加到此系统所需的原始的无功功率信号q(t)上，形成k个序列：
9.qi(t)＝ni(t)+q(t),i＝1,2,3,......k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
10.式中，ni(t)意味第i次所加的白噪声序列，而qi(t)意为第i次附加白噪声序列的无功信号。
11.进一步的，将所得到的含有噪声信号的序列qi(t)分别进行eemd分解，得到和的形式：
[0012][0013]
式中，q
i，j
(t)为第i次加入白噪声后分解得到的第j个固有模态分量(imf)，r
i，j
(t)为残余函数，j是固有模态分量(imf)的数量。
[0014]
进一步的，对序列qi(t)中的每个信号都进行分解直至全部分解完毕；得到每次分解含有不同白噪声的无功信号得到固有模态分量(imf)的集合：
[0015]q1，j
(t)，q
2，j
(t)，q
3，j
(t)......q
k，j
(t)，j＝1，2......j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0016]
式中，q
k，j
(t)为经过处理后得到的无功功率序列qi(t)的固有模态分量。
[0017]
进一步的，进行统计平均运算；把上面的集合进行平均运算，得到eemd分解后的最终的固有模态分量。
[0018][0019]
式中，qj(t)是原始无功信号q(t)的第j个固有模态分量。
[0020]
3)某地区的系统所需要的无功功率信号通过协调控制系统对上述的信号进行分解之后，需要进行无功功率信号重组；此系统所需要的无功功率信号经过上述的集合经验模态分解之后，得到各个分量，即固有模态分量，排列的顺序是按照频率由高到低进的，被分解的信号中除了含有各个固有模态分量外还包含了残余分量，这是由信号本身的性质决定的，残余分量是信号中的趋势项，往往可以用来进行信号的预测；下式为此系统所需无功功率信号，等式右边为组成形式：
[0021][0022]
式中，q(t)为原始无功信号，qj(t)为各个固有模态分量，r(t)为残余分量，可以作为趋势项。
[0023]
4)协调控制系统进行高频无功功率和低频无功功率的识别；假设此地区的系统所采用的装置为svg与真空接触器类型的并联电容器，取两者的临界响应时间为tc，由于频率与时间的关系为倒数关系，所以当无功功率信号中的信号频率大于fc时，定义为高频无功功率，当无功功率信号中的信号频率小于fc时，定义为低频无功功率：
[0024][0025]fh
＞＞fcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0026]fh
→qhigh
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0027]fl
＜fcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0028]fl
→qlow
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0029]
式中fc是临界频率，tc为临界响应时间，fh为高频率，f
l
为低频率，q
high
(t)为无功功率信号中对应的高频部分，q
low
(t)为无功功率信号中对应的低频部分。
[0030]
5)无功功率分配；高频无功功率部分由协调控制系统控制svg来补偿，而低频无功功率部分由协调控制系统控制并联电容器来补偿：
[0031]
对于高频无功功率成分，利用响应时间快的svg进行补偿。通过实时感知和监测高频无功功率变化，并利用电力电子器件控制svg的无功功率输出，实现快速而准确的补偿，此系统高频无功功率表达式如下：
[0032][0033]
式中，q
high
(t)为高频的无功功率部分。e为第e个固有模态分量，是最后一个高频的固有模态分量。
[0034]
进一步的，对于低频无功功率成分，采用响应时间较慢的并联电容器进行补偿，以满足系统稳定性和无功功率控制的要求，同时提高电容器使用寿命，此系统低频无功功率表达式如下：
[0035][0036]
式中，q
low
(t)为低频的无功功率部分。
[0037]
6)经过将上述的解决方案进行系统集成，最终实现对某地区10/0.4kv系统低压母线负载就地补偿的svg与并联电容器的协调控制。协调控制系统应具有稳定性、实时性和可靠性，以满足电力系统的无功功率补偿需求。
[0038]
本发明优点是：1、将上述技术方案进行系统集成，并利用现代控制理论和实时控制技术，实现对svg和并联电容器的协调控制。确保控制系统的稳定性、实时性和可靠性，以满足电力系统的无功功率补偿需求。2、本发明根据svg与并联电容器的响应时间不同，采用信号处理技术更精确的分配电力系统中某一时刻的所需无功补偿容量，从而更合理的协调svg与并联电容器配合工作。为了更加精确及时的调整无功功率，引入信号处理技术中的集合经验模态分解技术(eemd)，将测量设备获得的所需无功信号分解成高频信号和低频信号，其中高频成分对应于快速变化的无功功率，而低频成分对应于缓慢变化的无功功率，然后利用响应时间较快的svg对高频无功进行补偿，以实现快速响应和准确控制，同时，使用响应时间稍慢的并联电容器对低频无功进行补偿，以满足长期调节需求。3、本发明内容有效的协调svg与并联电容器配合工作，发挥了svg设备的优点，同时提高了并联电容器的使用寿命，为无功功率控制提供了一种创新且有效的解决方案，具有广泛的应用前景和经济效益。
[0039]
下面将结合实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。
附图说明
[0040]
图1是本发明方法流程图。
[0041]
图2是本发明无功补偿系统示意图。
具体实施方式
[0042]
参见图2，是本发明无功补偿系统示意图，一种svg与并联电容器，该系统组成是：10/0.4kv变压器、svg、并联电容器、负载、协调控制系统以及测量设备。其中10/0.4kv变压器低压侧接有负载，而svg与并联电容器采用就地补偿的形式并联在低压母线上，此外测量设备连接在变压器低压母线上对信号进行采集，进一步连接协调控制系统，协调控制系统同时连接svg与并联电容器进行进一步的协调控制。实现步骤概括为：1)首先采用测量设备对如图2所示的10/0.4kv变压器低压母线侧的线路进行实时的采集与计算，得到某一时刻所需要的无功功率信号；2)将测量设备得到的无功功率信号进一步传输给协调控制系统，协调控制系统进一步的利用本发明所提出的协调控制算法对信号进行处理并且实现对svg和并联电容器协调控制，最终达到无功补偿的目的。
[0043]
参见图1、2，一种svg与并联电容器协调控制方法，包括如下步骤：1)数据采集。
[0044]
使用适当的测量设备对系统的无功功率进行实时采集，进而测量设备计算出当前时刻的所需无功功率，由于电力系统负荷的频繁投入和切除，所以电力系统的无功功率无时无刻不在发生变化，所以系统某一时刻所需要的无功功率是一个是关于时间的一个非线性函数为q(t)。
[0045]
2)给定实验次数。
[0046]
本方法的核心是对无功信号进行分解，分解的方法是采用集合经验模态分解(eemd)，由于eemd技术首先是需要对原始的无功功率信号进行处理，也就是附加多次白噪声信号形成新的序列，此处设总共的实验次数为k次。
[0047]
3)形成处理后的无功信号。
[0048]
把一个为标准正态分布的白噪声ni(t)添加到原始的无功信号q(t)上，形成k个序列：
[0049]
qi(t)＝ni(t)+q(t),i＝1,2,3,......k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0050]
式中，ni(t)意味第i次所加的白噪声序列，而qi(t)意为第i次附加白噪声序列的无功信号。
[0051]
4)eemd分解。
[0052]
将所得到的含有噪声信号的qi(t)分别进行eemd分解，得到和的形式：
[0053][0054]
式中，q
i，j
(t)为第i次加入白噪声后分解得到的第j个固有模态分量(imf)，r
i，j
(t)为残余函数，j是固有模态分量(imf)的数量。
[0055]
5)重复进行步骤3)和4)。
[0056]
一直进行k次，每次分解含有不同白噪声的无功信号得到固有模态分量(imf)的集合：
[0057]q1，j
(t)，q
2，j
(t)，q
3，j
(t)......q
k，j
(t)，j＝1，2......j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0058]
6)进行统计平均运算。
[0059]
根据不相关序列的统计平均值为零的原理，把上面的集合进行平均运算，得到eemd分解后的最终的固有模态分量。
[0060]
[0061]
式中，qj(t)是原始无功信号的第j个固有模态分量。
[0062]
7)无功信号重组。
[0063]
经过分解之后，得到的各个固有模态分量，是按照频率由高到低进行排列的，被分解的信号中除了含有各个固有模态分量外还包含了残余分量，这是由信号本身的性质决定的，残余分量是信号中的趋势项，往往可以用来进行信号的预测：
[0064][0065]
式中，q(t)为原始无功信号，qj(t)为各个固有模态分量，r(t)为残余分量，可以作为趋势项。
[0066]
8)划分高频和低频。
[0067]
鉴于svg的响应时较快而并联电容器响应时间较慢，此处以svg与真空接触器类型的并联电容器配合为例，取临界响应时间为tc，由于频率与时间的关系为倒数关系，所以当无功信号中的频率大于fc时，定义为高频，高频对应的无功功率部分由svg来补偿，而低频对应的无功功率部分由并联电容器来补偿：
[0068][0069]fh
＞＞fcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0070]fh
→qhigh
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0071]
f1＜fcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0072]
f1→qlow
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0073]
式中fc是临界频率，tc为临界响应时间，fh为高频率，f
l
为低频率，q
high
(t)为无功功率信号中对应的高频部分，q
low
(t)为无功功率信号中对应的低频部分。
[0074]
9)高频无功功率分配。
[0075]
针对高频成分，利用响应时间快的svg进行补偿。通过实时感知和监测高频无功功率变化，并利用电力电子器件控制svg的无功功率输出，实现快速而准确的补偿。
[0076][0077]
式中，q
high
(t)为高频的无功功率部分。e为第e个固有模态分量，是最后一个高频的固有模态分量。
[0078]
10)低频无功功率分配。
[0079]
对于低频成分，采用响应时间较慢的并联电容器进行补偿，以满足系统稳定性和无功功率控制的要求，同时提高电容器使用寿命。
[0080][0081]
式中，q
low
(t)为低频的无功功率部分。
[0082]
11)系统集成与实时控制。
[0083]
将上述技术方案进行系统集成，实现对svg和并联电容器的协调控制。确保控制系统的稳定性、实时性和可靠性，以满足电力系统的无功功率补偿需求。
[0084]
上面描述，只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制。

技术特征：
1.一种svg与并联电容器协调控制的方法，其特征在于包括如下步骤：1)数据采集使用测量设备对系统的无功功率进行实时采集，进而测量设备计算出当前时刻的所需无功功率，系统某一时刻所需要的无功功率是一个是关于时间的一个非线性函数为q(t)；2)给定实验次数对无功信号进行分解，分解的方法是采用集合经验模态分解eemd，附加多次白噪声信号形成新的序列，此处设总共的实验次数为k次；3)形成处理后的无功信号把一个为标准正态分布的白噪声n
i
(t)添加到原始的无功信号q(t)上，形成k个序列：q
i
(t)＝n
i
(t)+q(t)，i＝1，2，3，......k
ꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，n
i
(t)意味第i次所加的白噪声序列，而q
i
(t)意为第i次附加白噪声序列的无功信号；4)eemd分解；将所得到的含有噪声信号的q
i
(t)分别进行eemd分解，得到和的形式：式中，q
i，j
(t)为第i次加入白噪声后分解得到的第j个固有模态分量(imf)，r
i，j
(t)为残余函数，j是固有模态分量(imf)的数量；5)重复进行步骤3)和4)一直进行k次，每次分解含有不同白噪声的无功信号得到固有模态分量(imf)的集合：q
1，j
(t)，q
2，j
(t)，q
3，j
(t)......q
k，j
(t)，j＝1，2......j
ꢀꢀꢀꢀ
(3)6)进行统计平均运算把上面的集合进行平均运算，得到eemd分解后的最终的固有模态分量；式中，q
j
(t)是原始无功信号的第j个固有模态分量；7)无功信号重组经过分解之后，得到的各个固有模态分量，是按照频率由高到低进行排列的，被分解的信号中除了含有各个固有模态分量外还包含了残余分量，这是由信号本身的性质决定的，残余分量是信号中的趋势项，往往可以用来进行信号的预测：式中，q(t)为原始无功信号，q
j
(t)为各个固有模态分量，r(t)为残余分量，可以作为趋势项；8)划分高频和低频以svg与真空接触器类型的并联电容器配合为例，取临界响应时间为t
c
，由于频率与时间的关系为倒数关系，所以当无功信号中的频率大于f
c
时，定义为高频，高频对应的无功功率部分由svg来补偿，而低频对应的无功功率部分由并联电容器来补偿：f
h
＞＞f
c
ꢀꢀꢀꢀ
(7)f
h
→
q
high
(t)
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
f
l
＜f
c
ꢀꢀꢀꢀ
(9)f
l
→
q
low
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)式中f
c
是临界频率，t
c
为临界响应时间，f
h
为高频率，f
l
为低频率，q
high
(t)为无功功率信号中对应的高频部分，q
low
(t)为无功功率信号中对应的低频部分；9)高频无功功率分配针对高频成分，利用响应时间快的svg进行补偿；通过实时感知和监测高频无功功率变化，并利用电力电子器件控制svg的无功功率输出，实现快速而准确的补偿；式中，q
high
(t)为高频的无功功率部分；e为第e个固有模态分量，是最后一个高频的固有模态分量；10)低频无功功率分配对于低频成分，采用响应时间较慢的并联电容器进行补偿，以满足系统稳定性和无功功率控制的要求，同时提高电容器使用寿命；式中，q
low
(t)为低频的无功功率部分；11)系统集成与实时控制将上述技术方案进行系统集成，实现对svg和并联电容器的协调控制；确保控制系统的稳定性、实时性和可靠性，以满足电力系统的无功功率补偿需求。

技术总结
本发明属于电力系统无功补偿技术领域，即一种SVG与并联电容器协调控制方法。其步骤如下：1)数据采集。2)给定实验次数。3)形成处理后的无功信号。4)EEMD分解。5)重复进行步骤3)和4)。6)进行统计平均运算。7)无功信号重组。8)划分高频和低频。9)高频无功功率分配。10)低频无功功率分配。11)系统集成与实时控制。将上述技术方案进行系统集成，根据SVG与并联电容器的响应时间不同，采用信号处理技术更精确的分配电力系统中某一时刻的所需无功补偿容量，从而更合理的协调SVG与并联电容器配合工作，实现对SVG和并联电容器的协调控制，确保控制系统的稳定性、实时性和可靠性，以满足电力系统的无功功率补偿需求。无功功率补偿需求。无功功率补偿需求。


技术研发人员：吕越 宫福兴 王超 辛业春 刘森 刘宇 苏新 赫明松 李博 宋冠华 王宏星 郑喆 艾厚岩 张天铭
受保护的技术使用者：东北电力大学
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/10/15