王翰陽(yáng)

(華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院， 河南 鄭州 450000 )

0 引言

無(wú)功負(fù)荷的增加和分布式發(fā)電機(jī)組在低壓電網(wǎng)中的普遍應(yīng)用已經(jīng)成為一個(gè)十分普遍的問(wèn)題。分布式發(fā)電在配電網(wǎng)中可以帶來(lái)許多優(yōu)勢(shì)，但隨著分布式電源在配電網(wǎng)中的比例逐漸升高，現(xiàn)代電力系統(tǒng)面臨著輸電線路能耗大幅提高、低壓電網(wǎng)電壓振蕩、電力系統(tǒng)無(wú)功功率不足和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較差等復(fù)雜問(wèn)題。靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)等不同類(lèi)型的柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)裝置被廣泛應(yīng)用于補(bǔ)償無(wú)功功率。為了提高無(wú)功控制優(yōu)化精度以及響應(yīng)速度，衍生了基于智能算法、內(nèi)點(diǎn)法、梯度法、線性規(guī)劃法等算法系統(tǒng)，提高了無(wú)功功率控制與補(bǔ)償?shù)木珳?zhǔn)性和即時(shí)性。通過(guò)這些技術(shù)，電網(wǎng)在改善功率因數(shù)、電壓調(diào)節(jié)、潮流控制等方面的效率得到了提高。

在本文中，考慮建立一個(gè)能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)各個(gè)電源潮流的裝置來(lái)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)、變壓器和用戶負(fù)荷，并在實(shí)際條件下，通過(guò)對(duì)三戶住宅實(shí)際無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)墓芾?，利用?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使用算法模型來(lái)管理無(wú)功功率，并進(jìn)行適時(shí)、適量的無(wú)功功率補(bǔ)償。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

在變電站中，有多種負(fù)載類(lèi)型，這就需要針對(duì)用戶的用電時(shí)間和負(fù)載類(lèi)型做出不同的響應(yīng)。如果能夠確定每個(gè)單位的需求并將其信息提供給系統(tǒng)，則系統(tǒng)將通過(guò)數(shù)學(xué)算法來(lái)分析此種無(wú)功功率和電壓場(chǎng)景下所需的無(wú)功補(bǔ)償。無(wú)論是有功負(fù)荷還是無(wú)功負(fù)荷，基本上每個(gè)用戶的電力需求都有不同的響應(yīng)。另一方面，用戶端的負(fù)荷需求隨時(shí)間而變化。在大多數(shù)情況下，家庭需求的反應(yīng)彼此相差不大，例如在夏季的用電情境中，人們?cè)谙掳嗷丶液笫褂梦⒉t、空調(diào)、洗衣機(jī)等大型用電器的時(shí)間段基本一致，即一個(gè)用戶的電力負(fù)荷達(dá)到峰值時(shí)，其他用戶也會(huì)達(dá)到基本需求。但如果考慮家庭位于城市的住宅區(qū)，則工作日的電力需求與周末不同，而偏遠(yuǎn)地區(qū)的需求響應(yīng)在一周內(nèi)幾乎每天都是相同的。這就需要得到每個(gè)用戶的需求來(lái)確定無(wú)功補(bǔ)償?shù)拇笮?。如一個(gè)配電變電站有一些公共線和節(jié)點(diǎn)，其中一些房屋直接連接到這個(gè)系統(tǒng)中。不同類(lèi)型的負(fù)載通過(guò)每個(gè)房屋的總線和節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)連接。感性負(fù)載和容性負(fù)載可通過(guò)線路總阻抗來(lái)計(jì)算，同樣，阻感負(fù)載、阻容負(fù)載、阻容負(fù)載串聯(lián)或并聯(lián)均可由電路的串并聯(lián)關(guān)系來(lái)確定。那么總用電負(fù)荷可定義為每個(gè)電力用戶的用電負(fù)荷之和，其取決于在配電饋線下連接的用戶數(shù)量。通過(guò)了解線路上的用電用戶數(shù)量以及線路的基本參數(shù)如阻抗等，可以使用電力系統(tǒng)分析中的基本公式計(jì)算出輸電線路上的總負(fù)荷。因此，考慮到這一點(diǎn)，每個(gè)用戶的總視在功率可定義為該用戶有功功率和無(wú)功功率的矢量和。如果該配電網(wǎng)絡(luò)有b條母線和i個(gè)節(jié)點(diǎn)，則總有功和無(wú)功功率可表示為該條母線單個(gè)節(jié)點(diǎn)中流入流出功率的代數(shù)和，由于一共有i個(gè)節(jié)點(diǎn)，將各個(gè)支路的各個(gè)支點(diǎn)功率相加即為總的視在功率。

在采用自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置(ARPCD)的情況下，根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)的需求響應(yīng)確定無(wú)功裝機(jī)容量。為了保持系統(tǒng)功率因數(shù)的持續(xù)恒定，ARPCD提供的無(wú)功功率取決于系統(tǒng)的電壓和電流。通過(guò)前面計(jì)算出的有功功率和無(wú)功功率的矢量和一起來(lái)共同表示ARPCD的狀態(tài)。但是，由于用戶需求響應(yīng)的突然變化，配電網(wǎng)絡(luò)和ARPCD供電的無(wú)功功率可能不能得到完全的補(bǔ)償。在這里加入了一個(gè)反饋機(jī)制，當(dāng)系統(tǒng)快速變化，ARPCD補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功小于系統(tǒng)總無(wú)功需求時(shí)，通過(guò)計(jì)算需求量和補(bǔ)償量之差給出系統(tǒng)剩余無(wú)功功率，并補(bǔ)發(fā)無(wú)功，直至供需達(dá)到平衡。

2 無(wú)功功率的管理和控制機(jī)制

利用仿真軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)考慮24 h負(fù)荷變化的計(jì)量數(shù)據(jù)無(wú)功計(jì)算模型。這是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通過(guò)上述方程進(jìn)行監(jiān)控和匯總。在Simulink模型中，根據(jù)實(shí)際用電情況，負(fù)載被設(shè)計(jì)成具有連續(xù)變化特性的相量測(cè)量單元。該模型考慮了以小區(qū)為單位的用戶真實(shí)數(shù)據(jù)。以前的輸配電系統(tǒng)是單向的，但現(xiàn)在已被雙向系統(tǒng)所取代?？梢愿鶕?jù)主動(dòng)需求響應(yīng)和發(fā)電量向電網(wǎng)供電。在這種情況下，只考慮電網(wǎng)對(duì)有功需求響應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償。即從用戶家中，利用傳感器測(cè)量住宅母線的電流和電壓，然后相乘計(jì)算瞬時(shí)潮流，通過(guò)計(jì)算出的實(shí)時(shí)潮流來(lái)確定無(wú)功補(bǔ)償?shù)拇笮　?/p>

作為交流系統(tǒng)，它既要得到電壓電流的有功部分，也要得到無(wú)功部分，只有這樣才能得到損耗功率。功率的無(wú)功部分從傳感器中得到并送至配電網(wǎng)?；谠撍惴ǖ呐潆娋W(wǎng)對(duì)配電線路、用戶和集線器的無(wú)功數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為ARPCD的進(jìn)一步應(yīng)用提供依據(jù)，其中，其總阻抗通過(guò)阻抗繼電器傳遞到配電網(wǎng)當(dāng)中，通過(guò)電路最基本的KCL以及KCL方程得到線路基本參數(shù)，再通過(guò)上述算法的計(jì)算以及控制系統(tǒng)的判別來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

還需要測(cè)量電力用戶的用電量，并向配電網(wǎng)確認(rèn)其負(fù)荷響應(yīng)。然后根據(jù)該算法決定呼叫控制系統(tǒng)，再將之前的數(shù)據(jù)合并，以采取適當(dāng)?shù)牟襟E調(diào)節(jié)無(wú)功功率。將電網(wǎng)中存在的無(wú)功功率與系統(tǒng)中期望的無(wú)功功率進(jìn)行比較，直至“=0”。然后ARPCD將功率聚集到配電網(wǎng)，測(cè)量系統(tǒng)所需的無(wú)功功率的大小，以改善電壓、功率因數(shù)等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。在這種情況下，由于用電需求的變化不頻繁，所以定義了每15 min間隔進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)的觀察和分析

通過(guò)使用Matlab在Simulink中建模，以考慮一天的功率需求。在仿真過(guò)程中有如下考慮：3個(gè)住宅通過(guò)配電饋線連接到電網(wǎng)的低壓網(wǎng)中，其中配電變壓器起降壓作用。帶控制系統(tǒng)的ARPCD與變壓器相連，被認(rèn)為是反饋控制系統(tǒng)。此處將負(fù)載視為單相，在電力系統(tǒng)中，有2種無(wú)功功率，分別是容性無(wú)功和感性無(wú)功，容性無(wú)功可理解為超前無(wú)功，而感性無(wú)功可理解為滯后無(wú)功。模擬模型以一天24 h為基礎(chǔ)，橫坐標(biāo)均為時(shí)間，縱坐標(biāo)分別為功率、電壓以及功率因數(shù)。從仿真結(jié)果可以解讀到以下信息：3戶住宅在無(wú)ARPCD和有ARPCD時(shí)的耗電量以及電壓波動(dòng)情況以及功率因數(shù)的大小。

在有功功率和無(wú)功功率都急劇波動(dòng)的需求響應(yīng)的大環(huán)境下。3戶住宅在沒(méi)有配備ARPCD時(shí)無(wú)功功率消耗較高，對(duì)系統(tǒng)影響顯著，系統(tǒng)的電壓水平降低、功率因數(shù)不在理想運(yùn)行的區(qū)間之內(nèi)。在3戶住宅中安裝了ARPCD之后，由于控制系統(tǒng)的介入，各房屋無(wú)功潮流幾乎為零，說(shuō)明系統(tǒng)以單位功率因數(shù)運(yùn)行，電壓水平在理想運(yùn)行的區(qū)間之內(nèi)。由于該配電網(wǎng)程感性，所以ARPCD向配電饋線提供容性功率，補(bǔ)償無(wú)功功率，以提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量、電壓調(diào)節(jié)和功率因數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所提出的方法通過(guò)算法模型解決了顯示功率實(shí)時(shí)狀態(tài)的問(wèn)題，再通過(guò)數(shù)學(xué)模型的搭建、算法的實(shí)現(xiàn)以及全新的控制手段來(lái)利用ARPCD實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，達(dá)到提高系統(tǒng)功率因數(shù)，減少電壓波動(dòng)的效果，提高了電能質(zhì)量。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)于現(xiàn)有配電網(wǎng)中的功率需求，只有連續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)支撐，才能對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各種電氣量進(jìn)行調(diào)控。眾所周知，當(dāng)大量用戶連接到系統(tǒng)時(shí)，它將面臨一系列的電能質(zhì)量的問(wèn)題，而通過(guò)觀察每個(gè)節(jié)點(diǎn)和總線配置可以很容易地識(shí)別這些問(wèn)題，本文這一設(shè)計(jì)就是為了解決這樣一個(gè)問(wèn)題。在分布式電源遍接入電網(wǎng)的現(xiàn)代電力系統(tǒng)當(dāng)中，考慮到配電網(wǎng)的所有節(jié)點(diǎn)和總線，可將光伏板，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和其他發(fā)電電源集成，使用該方法，在了解所有的電力消費(fèi)者行為下建設(shè)配電變電站，這將有助于預(yù)測(cè)發(fā)電，傳輸和配電的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)，并將提高電網(wǎng)的運(yùn)行能力。