肖艷紅,歐家祥,黃 宇,李航峰,呂 飛

（1．貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002；2．貴州黔馳信息股份有限公司，貴州 貴陽 550002）

1 引言

通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)的無功功率約為有功功率的1．3倍。不同于無功功率的輸送，在輸送過程中會產(chǎn)生較大的功率損耗，降低功率的同時(shí)，還會產(chǎn)生較大的電壓降，使配電網(wǎng)無法正常運(yùn)行[1-2]。增加無功功率可以提高系統(tǒng)的視在功率，增加系統(tǒng)的電流。考慮到配電網(wǎng)中無功功率的負(fù)面影響，增加配電網(wǎng)的無功功率會產(chǎn)生一系列的負(fù)面影響，如降低系統(tǒng)的功率因數(shù)，造成較大的功率損耗，使原動(dòng)機(jī)的效率相對較低等，針對無功補(bǔ)償提出了方案。

配電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)闹匾院蛯?shí)際問題的解決已成為業(yè)界共識，各種無功補(bǔ)償裝置被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種基于瞬時(shí)無功控制的功率平衡優(yōu)化算法及裝置．選擇瞬時(shí)對稱分量法作為控制策略來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償不平衡電流中的負(fù)序，零序電流，通過搭建仿真和實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證控制策略的正確性，最后選取地區(qū)典型臺區(qū)掛網(wǎng)運(yùn)行。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了無功補(bǔ)償裝置功率部分的電路設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了電能的定量輸送。在分析電網(wǎng)電壓和暫態(tài)負(fù)載電流瞬時(shí)值的基礎(chǔ)上，提出了一種補(bǔ)償控制算法。

然而，在配電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行過程中，難以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)無功補(bǔ)償與自身運(yùn)行功率的協(xié)調(diào)控制。因此，在傳統(tǒng)功率控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出并優(yōu)化了配電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置的功率控制技術(shù)。

2 配電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置功率控制技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 配電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置的分析

配電網(wǎng)中無功補(bǔ)償裝置包括固定飽和電容器、同步調(diào)和機(jī)、飽和電抗器、機(jī)械投切電容器、靜態(tài)無功補(bǔ)償器、靜態(tài)無功補(bǔ)償器等，其中靜態(tài)靜態(tài)無功補(bǔ)償器可分為晶閘管投切電容器、靜態(tài)電容-晶閘管控制電抗器、混合靜態(tài)無功補(bǔ)償器三種。其中同步調(diào)相機(jī)是只輸出無功功率的發(fā)電機(jī)，輸出的無功功率QCS與電壓U之間的關(guān)系為：

大多數(shù)設(shè)備安裝在負(fù)荷中心附近。晶體管電容器實(shí)際上是一種動(dòng)態(tài)吸收式感應(yīng)無功補(bǔ)償裝置，每個(gè)電容器由晶體管控制[5]。電容器在接通期間，向系統(tǒng)注入的無功功率為：

式中C為電容器的電容，ω為設(shè)備的運(yùn)行角速度。固定電容-晶閘管控制電抗器輸出的無功輸出為階梯式可調(diào)，起粗大無功調(diào)節(jié)作用，設(shè)備在無功調(diào)節(jié)中起細(xì)調(diào)作用。這種補(bǔ)償裝置從配電網(wǎng)中吸收的無功功率為：

由公式2和公式3可以得出組成的靜止無償補(bǔ)償器的無功功率為：

結(jié)合上述無功功率的計(jì)算與檢測原理，確定無功補(bǔ)償?shù)幕竟ぷ髂Ｊ揭约把a(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)[6]。以動(dòng)態(tài)固定電容-晶閘管控制電抗器裝置為例，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)固定電容-晶閘管控制電抗器結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置由主電路和控制系統(tǒng)組成。主電路包括多個(gè)機(jī)械開關(guān)和TCR 電路控制電容，電容器組向系統(tǒng)發(fā)送感應(yīng)無功功率，TCR 吸收無功功率[7-8]。以TMS320FDSP 和STM32FARM 微機(jī)系統(tǒng)為核心，采用采樣電路采集負(fù)載電流、電容器組側(cè)電流和電網(wǎng)側(cè)電壓，結(jié)合需要的補(bǔ)償量計(jì)算無功補(bǔ)償容量，并根據(jù)所提出的控制方案計(jì)算，對制動(dòng)器管片和電容器組進(jìn)行等效電納，根據(jù)電容器組的數(shù)量控制開關(guān)和制動(dòng)器管片的觸發(fā)角，達(dá)到控制目的。無功補(bǔ)償裝置的單相補(bǔ)償?shù)挠须娏髌胶夂头€(wěn)態(tài)下無功功率方程：

式中而QL為TCR 吸收的感性無功，與晶閘管觸發(fā)角角度相關(guān)[9]，QLoad和QC分別為電容器組提供的感性和負(fù)載吸收的感性無功功率。通過改變QL和投入的電容器組數(shù)將系統(tǒng)發(fā)出的無功功率控制小范圍內(nèi)。加入在某一時(shí)段，△Q為到達(dá)整定功率因數(shù)所需要的無功功率，TCR屬于消耗功率，無功缺額公式為：

控制晶閘管觸發(fā)角使TCR 所產(chǎn)生的無功為QC-△q 可以使功率因數(shù)達(dá)到目標(biāo)值[10]。

2.2 確定無功功率控制標(biāo)準(zhǔn)參考值

根據(jù)無功功率的電壓情況，結(jié)合Q(U)方法得出其分段函數(shù)，將采集無功補(bǔ)償裝置的電壓情況帶到分段函數(shù)，得出相對的無功功率給定值。具體的計(jì)算過程如公式7所示。

上式中Qmax為補(bǔ)償裝置的無功輸出最大值，Ui為電壓標(biāo)幺值。

2.3 監(jiān)測無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行狀態(tài)

利用無功補(bǔ)償裝置對正常工況和非正常工況下的變工況運(yùn)行特性進(jìn)行匹配，根據(jù)挖掘出的不同功率因數(shù)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對不同運(yùn)行工況下的高斯混合模型進(jìn)行聚類分析，配電網(wǎng)作業(yè)特征包括連續(xù)增加、相位降低、變化規(guī)律等，設(shè)備運(yùn)行特征識別設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，包括正常、故障或未切除、局部故障、工作不穩(wěn)定、不適當(dāng)、補(bǔ)償過大、裝置容量不足等，由此形成相應(yīng)設(shè)備狀態(tài)庫的不同運(yùn)行特性。一般來講無功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行狀態(tài)如圖2所示。

圖2 無功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行類別

結(jié)合圖2，決定裝置能否正常狀態(tài)運(yùn)行。功率因數(shù)是衡量無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)。通過對低壓下功率因數(shù)識別方法的分析，研究了無功補(bǔ)償裝置的狀態(tài)識別問題。通過對各站的運(yùn)行數(shù)據(jù)、部分用戶側(cè)電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)和用戶低壓相關(guān)工單數(shù)據(jù)的分析，提取出功率因數(shù)和電壓的數(shù)據(jù)特征，并根據(jù)皮爾遜相關(guān)系數(shù)，找出高功率因數(shù)和電壓相關(guān)的臺區(qū)。其中皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計(jì)算方式如下：

式中E()為相關(guān)性測度函數(shù)，X 和Y 分別為度量的兩個(gè)變量，在此次計(jì)算過程中X和Y分別對應(yīng)的是功率因素和電壓值。采用梯度提升樹等基于電壓和功率因數(shù)特征的分類機(jī)器學(xué)習(xí)模型，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析方法對模型進(jìn)行了正確性和合理性驗(yàn)證。其中提升樹模型可以看作是決策樹的加法模型：

其中T()表示決策樹，M為樹的個(gè)數(shù)，Θ表示決策樹的參數(shù)。提升樹算法采用前向分部算法。首先確定f0(x)=0，第m步的模型是：

對決策樹的參數(shù)Θ的確定采用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化來確定：

為了驗(yàn)證模型的正確性，建立最終的功率因數(shù)和低壓辨識模型，在既有區(qū)域內(nèi)采集安裝終端數(shù)據(jù)的電站用戶，可以將實(shí)時(shí)監(jiān)測的無功補(bǔ)償裝置的相關(guān)參數(shù)代入上述公式中確定設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)和功率輸出。

2.4 安裝功率控制器

安裝功率控制器的基本硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 功率控制器結(jié)構(gòu)框圖

從圖3 中可以看出，該控制器包括過程控制、晶閘管觸發(fā)脈沖的形成與驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、顯示、通信等模塊。其中，信號采集電路主要實(shí)現(xiàn)三相電壓，將補(bǔ)償裝置的電流換作電壓信號，再經(jīng)過低通濾波器、抗混疊濾波器和隔離放大器的處理，最終轉(zhuǎn)換為適合A/D芯片允許輸入范圍的電壓。信號處理控制部分完成對采集信號的處理，最終得到TCR 支路的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電納，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的觸發(fā)控制角。晶閘管觸發(fā)器主要完成觸發(fā)脈沖信號的形成、驅(qū)動(dòng)放大、隔離、獲得晶閘管。將配電網(wǎng)無功補(bǔ)償功率和當(dāng)前運(yùn)行功率作為輸入項(xiàng)輸入到控制器中，通過控制器的運(yùn)行和功率調(diào)度得到最終控制裝置的功率。

2.5 計(jì)算功率控制量

分別計(jì)算無功補(bǔ)償裝置的瞬時(shí)功率和補(bǔ)償容量，將最終的補(bǔ)償結(jié)果與無功功率控制標(biāo)準(zhǔn)參考值作比較，從而計(jì)算功率的控制量。瞬時(shí)功率的計(jì)算公式為：

其中v和i分別為配電網(wǎng)的瞬時(shí)電壓矢量和側(cè)電流矢量，而p 和jq 分別為電壓和電流的標(biāo)量積和矢量積。cos φ1為補(bǔ)償前的平均功率因數(shù)，cos φ2為設(shè)補(bǔ)償后的功率因數(shù)，Pmax為全部用電設(shè)備的用電情況計(jì)算出總平均功率和，結(jié)合改善功率因數(shù)，則需要的補(bǔ)償容量為：

上式中的計(jì)算結(jié)果為無功補(bǔ)償設(shè)備向系統(tǒng)輸出的無功功率，β 為負(fù)載的月平均負(fù)載率，而φ1和φ2分別為無功補(bǔ)償前后的負(fù)載功率因數(shù)角。判斷當(dāng)前補(bǔ)償容量下的瞬時(shí)功率，并與實(shí)際的瞬時(shí)功率進(jìn)行比較，得出兩者之間的差值，將差值計(jì)算結(jié)果與確定的參考值作比較，若差值大于參考值則需要將功率向減少的方向控制，否則需要向反方向進(jìn)行功率控制。

2.6 實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償裝置功率控制

分別將控制量、無功補(bǔ)償裝置的當(dāng)前運(yùn)行功率值代入到控制器中，通過對配電網(wǎng)電流和電壓的控制，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)補(bǔ)償功率的控制。通過檢測電路實(shí)時(shí)檢測無功補(bǔ)償裝置的輸出功率，根據(jù)輸出功率相對于補(bǔ)償容量的差值以及配電網(wǎng)采取何種組合與系統(tǒng)并聯(lián)功率和波動(dòng)類型判斷超級電容。若補(bǔ)償容量與瞬時(shí)功率的差值小于設(shè)定闕值，則超級電容和驅(qū)動(dòng)裝置均不與直流母線接通。若差值大于設(shè)定闕值且為常規(guī)功率波動(dòng)時(shí)，接通蓄電池或同時(shí)接通超級電容和無功補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)裝置。

3 控制效果實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置功率控制技術(shù)的控制效果，設(shè)計(jì)控制效果測試實(shí)驗(yàn)。為了降低此次實(shí)驗(yàn)對實(shí)際配電網(wǎng)工作的影響，選擇配電網(wǎng)中的某一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分支作為實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行環(huán)境。實(shí)驗(yàn)選擇的配電網(wǎng)樣本運(yùn)行環(huán)境如圖4所示。

圖4 配電網(wǎng)樣本電路圖

配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)0，1，接入有載調(diào)壓變壓器，調(diào)壓范圍[0．95，1．05]，可調(diào)8 檔，調(diào)整步長為0．0125；節(jié)點(diǎn)30 接補(bǔ)償電容器組，調(diào)整步長為50kvar，調(diào)節(jié)范圍為0～300kvar。節(jié)點(diǎn)10接入靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置，無功補(bǔ)償間隔為0～500kvar。節(jié)點(diǎn)17 與蓄電池相連，蓄電池容量為1000kw h，充放電效率為95%，最大充放電功率為200kw，初始容量為500kw h。

在實(shí)際的無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行過程中，常會出現(xiàn)持續(xù)過補(bǔ)、階躍上升以及階躍下降的功率輸出情況，為了觀察功率控制技術(shù)在不同的裝置運(yùn)行情況下的控制效果，分別設(shè)置兩種不同的運(yùn)行環(huán)境，對應(yīng)的無功補(bǔ)償裝置的功率輸出曲線如圖5所示。

圖5 無功補(bǔ)償裝置功率變化曲線

為了形成實(shí)驗(yàn)對比，除了設(shè)計(jì)的功率控制技術(shù)外，還設(shè)置了傳統(tǒng)的文獻(xiàn)[3]技術(shù)以及文獻(xiàn)[4]技術(shù)作為此次實(shí)驗(yàn)的兩種對比技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，分別將三種技術(shù)應(yīng)用其中，設(shè)置無功補(bǔ)償裝置的控制目標(biāo)，對比在不同的控制技術(shù)下功率數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)之間的誤差，從而對比控制效果。經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與對比得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 控制效果測試結(jié)果

從表1 中可以看出，以控制目標(biāo)功率為基準(zhǔn)，文獻(xiàn)[3]技術(shù)和文獻(xiàn)[4]技術(shù)下得出配電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置的功率穩(wěn)定值的平均偏差分別為1．5W和0．82W，而所提技術(shù)下其功率穩(wěn)定值的平均控制偏差為0．18W。由此可見，綜合多次控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用設(shè)計(jì)的控制技術(shù)得出的功率運(yùn)行結(jié)果更加接近目標(biāo)值，因此設(shè)計(jì)的控制效果更優(yōu)。

4 結(jié)束語

對配電網(wǎng)絡(luò)中無功補(bǔ)償裝置的不斷研究，實(shí)現(xiàn)了從電能傳輸過程到電器消耗、再到有效利用的過程。采用無功補(bǔ)償裝置可以最大限度地提高配電網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)備的運(yùn)行效率，并能帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益。而通過無功補(bǔ)償裝置功率控制技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功率與裝置運(yùn)行功率的同時(shí)控制，并解決了傳統(tǒng)控制方法中存在的控制偏差問題，因此在實(shí)際的電力系統(tǒng)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。