低壓配電網(wǎng)無功補償及優(yōu)化研究

朱貴遼+程漢湘

摘要：為了滿足現(xiàn)階段低壓電網(wǎng)工作的需要，合理的無功補償對農(nóng)村電網(wǎng)的降損節(jié)能具有重要意義。為此，首先分析了農(nóng)網(wǎng)無功負荷的特點，接著闡述了進行無功優(yōu)化的前提和原則以及含有電力電子設(shè)備的無功補償裝置，此外，研究了農(nóng)網(wǎng)無功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型以及優(yōu)化計算方法，對無功配置的優(yōu)化，有利于提高功率因數(shù)、改善電壓質(zhì)量以及降低網(wǎng)損有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：無功負荷；數(shù)學(xué)模型；電壓質(zhì)量； 降低網(wǎng)損

中圖分類號：TM71 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（C）-0000-00

1引 言

隨著農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)容量的增加，對無功的需求也在相應(yīng)地增加。無功功率可以提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，降低電網(wǎng)的損耗，對電網(wǎng)的穩(wěn)定而可靠的運行起著重要的作用。電網(wǎng)無功優(yōu)化研究[1-2]的作用是合理預(yù)測未來無功需求而采取的一種補償方法，使得電網(wǎng)無功合理的分配，讓電網(wǎng)運行在最佳狀態(tài)。一般來說，對電網(wǎng)的無功優(yōu)化主要是安裝單個補償裝置或是組合裝置，比如STATCOM、UPFC以及SVG等等，但是這些裝置一般是由電力電子設(shè)備組成的，故而會產(chǎn)生一定的諧波，造成配電網(wǎng)的諧波污染從而影響系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行，鑒于此一般就需要加上一些濾波裝置，如電網(wǎng)常用的LC濾波、無源電力濾波器（PPF）以及有源電力濾波器（APF）等[3]。因此，討論農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)無功補償及優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實意義。

2無功功率負荷的特點及損耗分析

低壓配電網(wǎng)的無功負荷一般分為三種即：農(nóng)村用電設(shè)備、配電變壓器和輸配電線路。農(nóng)村用電設(shè)備中最常用的是異步電動機，而它需要一定的無功功率來維持正常穩(wěn)定的運行，此外，對于配電變壓器而言，一般它的容量也會很大，會根據(jù)季節(jié)而變動。配電變壓器消耗的無功一般是由不變的空載損耗以及可變的漏磁損耗而組成的。輸配電線路在正常運行時也會消耗一定的無功功率，一般與負荷大小有一定的關(guān)聯(lián)，但其所占百分比較小。

一般來說，電力系統(tǒng)無功負荷主要是由感應(yīng)電機所決定的，因為電網(wǎng)中存在很多的這類電機，故而電力系統(tǒng)無功功率負荷的特性曲線主要由感應(yīng)電機來決定的[4]。

變壓器的無功損耗QLT包括勵磁損耗ΔQ0和漏抗中的損耗ΔQT。

（1）

另外，電力系統(tǒng)在運行時輸電線路上也會消耗一定的無功功率，設(shè)輸電線路中阻抗為R+jX，首端電壓幅值為V1，潮流功率為P1+jQ1，不計線路對地電容的影響，則有串聯(lián)輸電線路無功損耗ΔQL如下式：

（2）

可以看出：串聯(lián)輸電線路的無功功率損耗ΔQL與線路電抗成正比，與線路電流成反比的。

3無功補償裝置和方法

3.1無功補償裝置

比較常用的一種無功補償裝置是晶閘管控制電抗器（TCR），它是一種并聯(lián)連接的晶閘管來對電感進行控制從而來控制有效電感值，以此通過對電感電流的控制而改變系統(tǒng)的潮流分布，從而來對配電網(wǎng)無功進行優(yōu)化。文獻[5]詳細地分析了TCR的原理和補償特性以及諧波抑制。而文獻[6]則利用TCR和FC的組合來進行無功補償及優(yōu)化，并且利用瞬時無功理論的算法對無功進行優(yōu)化從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

靜止無功補償器（SVC），它由靜電電容器和電抗器兩者并聯(lián)而組成。SVC是目前應(yīng)用最廣泛的FACTS控制器之一，它能夠提高輸電線路傳輸能力、抑制系統(tǒng)振蕩進而提高穩(wěn)定性，降低損耗從而來改善電能質(zhì)量[7-8]。此外，靜止同步補償器（STATCOM）：是一種并聯(lián)的、能進行無功補償?shù)撵o止同步“發(fā)電機”。其容性和感性輸出電流可獨立于注入點的電壓而進行控制[9] STATCOM是采用電壓型變流器結(jié)構(gòu)，無功補償電路內(nèi)部的直流電壓都是通過內(nèi)部自給方式來保證的，能夠有效地實現(xiàn)電網(wǎng)的潮流分布，對系統(tǒng)無功進行優(yōu)化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2無功補償方法

3.2.1隨器補償

隨器補償是將補償電容器通過低壓熔斷器并聯(lián)在配電變壓器二次側(cè)，以補償配電變壓器的空載無功功率損耗。農(nóng)網(wǎng)配電變壓器一般會存在輕載現(xiàn)象，在負荷低谷時系統(tǒng)運行接近空載。配變在輕載或空載時的無功負荷主要體現(xiàn)在變壓器的空載無功損耗。這時采用隨器補償可以對配電變壓器的空載無功功率損耗進行補償，使無功就地平衡，使得配電變壓器更加穩(wěn)定的運行，而且可以降低無功網(wǎng)損。

3.2.2低壓集中補償

還有一種無功補償方式是在配電變壓器380V側(cè)進行有效的集中補償，通常采用微機來控制的低壓并聯(lián)電容器分為固定連接組以及可投切連接組。前者相當于隨器補償?shù)淖饔?，補償用戶自己的無功要求，后者用于補償無功峰荷。根據(jù)用戶的無功需求來適當?shù)脑黾訜o功補償裝置以此來提高變壓器用戶的功率因數(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)無功的就地平衡，對配電網(wǎng)和配變的降損有一定作用，同時對穩(wěn)定電壓有一定的意義。

3.2.3隨機補償

隨機補償是將異步電動機與補償電容器直接并聯(lián)來使用，通過控制保護裝置與電動機的同時投切。電容器的投切使用一般是由電動機容量來決定的，如果容量較小，則電容器可以和電動機直接并聯(lián)使用來補償無功；如果電動機容量較大，則通常不使用電容器來進行補償，直接利用電動機的就地補償器來補償無功。隨機補償方式接線簡單，而且便于用戶來維護和管理，電壓配電網(wǎng)的負荷波動主要是由于電動機的投入和切除而引起的，采用隨機補償可以從根本上減少或消除農(nóng)網(wǎng)無功負荷的波動，可以有效地減低輸電線路的損耗，穩(wěn)定電壓提高系統(tǒng)的可靠性。

4無功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

為了更好地對配電網(wǎng)無功進行補償和優(yōu)化，建立必要的無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是十分重要的，無功優(yōu)化要滿足集中補償與分散補償相結(jié)合，滿足經(jīng)濟性下要以分散補償為主，此外還要讓調(diào)壓與降損相結(jié)合，這兩者是以降損為主[10]。配電網(wǎng)無功補償及優(yōu)化往往是以發(fā)電機端、有載調(diào)壓變壓器的分接頭以及無功補償?shù)娜萘繛榭刂谱兞?，以負荷的?jié)點電壓幅值、發(fā)電機無功為狀態(tài)變量，通過對各變量進行控制調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)損耗達到最小值，同時也要滿足各狀態(tài)變量在給定范圍的最大和最小范圍以內(nèi)。對配電網(wǎng)無功優(yōu)化主要涉及電網(wǎng)無功優(yōu)化的目標函數(shù)、無功優(yōu)化的潮流約束以及基本的變量約束，下面針對中低壓網(wǎng)來對無功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型進行分析和研究。

可以確定電網(wǎng)無功優(yōu)化的目標函數(shù)的控制變量一般是以電網(wǎng)的有功損耗和補償設(shè)備的投資之和的最小值為分析目標。由此可以構(gòu)造如下的目標函數(shù)：

在配電網(wǎng)無功優(yōu)化中，變壓器分接頭的合理調(diào)節(jié)、無功補償容量的確定以及發(fā)電機端電壓的調(diào)節(jié)都必須滿足如下的潮流方程：

式中，i=1，…，Nbus ；Qi為節(jié)點注入的無功功率；Ui、Uj分別為節(jié)點i，節(jié)點j的電壓；Gij、Bij以及θij分別為節(jié)點i和節(jié)點j之間連接支路的電導(dǎo)、電納和相角。

無功優(yōu)化問題中的變量可分為控制變量和狀態(tài)變量，控制變量和狀態(tài)變量約束都不能超過各自的上下限值。其中：分接頭可調(diào)變壓器的變比Ti、補償電容器的容量Cj以及發(fā)電機機端電壓Ugk為無功優(yōu)化的控制變量；輸電線路的節(jié)點電壓Ui和發(fā)電機的注入無功Qgk為優(yōu)化的狀態(tài)變量?？刂谱兞康牟坏仁郊s束為：

式中：Umax、Umin分別表示電網(wǎng)節(jié)點電壓的上下限；Qgkimn和 Qgkmax分別表示發(fā)電機無功出力的上下限；i、k分別在節(jié)點總數(shù)和發(fā)電機總數(shù)范圍以內(nèi)。

5人工智能算法在無功優(yōu)化中的應(yīng)用

近年來，隨著人工智能算法的不斷完善以及飛躍發(fā)展，許多算法已經(jīng)延伸到電力系統(tǒng)的各個領(lǐng)域，其中包括無功優(yōu)化，負荷預(yù)測等等。遺傳算法、模擬退火和Tabu搜索（簡稱TS）等“現(xiàn)代啟發(fā)式”全局搜索的尋優(yōu)技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，使得電力系統(tǒng)自動化研究領(lǐng)域更加的完善。

5.1 TS算法

簡單TS算法的基本思想在文獻[11-12]中已經(jīng)詳細論述了，給定一個當前解和一種鄰域范圍，然后在當前解的鄰域中選擇出若干候選解；若候選解對應(yīng)的目標值優(yōu)于“目前的最佳解”的狀態(tài)，就忽視其禁忌特性，用其替代當前解和“目前的最佳解”的狀態(tài)，并將相應(yīng)的搜索對象加到禁忌表中，同時也要修改禁忌表中各對象的任期；若不存在上述所說的候選解，則在候選解中選擇非禁忌最佳狀態(tài)為新的當前最佳解，無視的它影響，同時將相應(yīng)的對象加入到禁忌表里面，并修改禁忌表中各對象的任期；不斷重復(fù)上述迭代搜索的過程，一直到滿足停止準則為止。

5.2 改進粒子群算法

PSO 算法的優(yōu)勢是收斂速度很快， 但是容易出現(xiàn)搜索過程中的局部最優(yōu)問題。這是由于在尋優(yōu)的過程中，粒子群都以最優(yōu)粒子為跟蹤的目標，都向著同一方向進行不斷的搜索，這就會導(dǎo)致迭代后期粒子可能形成的趨同性，探索未知區(qū)域的能力就會減弱甚至失去，鑒于此需要對基本PSO 算法進行擴展和必要的修正。也要大量的文獻對其進行的必要的研究，其中文獻[13]通過引入自適應(yīng)慣性系數(shù)以及變異算子對粒子群算法進行了必要地改進，取得了一定的效果，從而更好地控制粒子進化方向和速度，改善算法的收斂性能。文獻[14]研究了改進PSO 算法，以確定電力系統(tǒng)無功優(yōu)化的最優(yōu)方案。

6 結(jié)束語

配電網(wǎng)無功優(yōu)化可減小損耗和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，對降低損耗、提高電壓質(zhì)量有著十分重要的意義。文中詳細論述了無功功率負荷的特點和對線路損耗的分析，給出了配電網(wǎng)無功補償?shù)某Ｓ醚b置和補償方法，其次，研究了無功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，最后論述了人工智能算法在電網(wǎng)無功補償中的使用和意義。電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化能夠很好的提高農(nóng)村配電網(wǎng)的供電可靠性和改善電能質(zhì)量，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對智能電網(wǎng)的發(fā)展和研究有著一定的參考意義。

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朱貴遼（1988-），男，河南濮陽人，漢族，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)綜合自動化；