基于預(yù)測模型的無功補(bǔ)償算法

摘 要：目前市場上的無功功率自動補(bǔ)償控制器在使用過程中會出現(xiàn)“投切震蕩”現(xiàn)象。通過研究如何預(yù)測補(bǔ)償后的功率因數(shù)，提出兩種新的無功補(bǔ)償算法，可以有效改善“投切震蕩”，提高功率因數(shù)。通過仿真測試與現(xiàn)行方案進(jìn)行比較，結(jié)果驗(yàn)證了新算法的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)；無功補(bǔ)償；并聯(lián)電容器；算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.138

1 引言

在交流電路中，電壓與電流之間的相位差（Φ）的余弦叫做功率因數(shù)，用符號cosΦ表示。在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個重要的技術(shù)參數(shù)，是衡量電氣設(shè)備效率高低的指標(biāo)。當(dāng)視在功率一定時，功率因數(shù)低，說明電路中的有功功率低、無功功率高。低功率因數(shù)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)、變壓器、UPS等設(shè)備工作效率降低，線路損耗增加，用電設(shè)備電壓下降。因此供電公司對用電單位的功率因數(shù)有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求（一般不得低于0.9）。

功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈、電爐等近似等效為純電阻功率因數(shù)約為1；電動機(jī)、空調(diào)、電腦等設(shè)備等效為電阻與電感串聯(lián)功率因數(shù)小于1；電容器等設(shè)備等效為純電容功率因數(shù)約為0。一般辦公與播出設(shè)備負(fù)載綜合功率因數(shù)約為0.8～0.85。

無功功率補(bǔ)償，可以提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)，提高變壓器、發(fā)電機(jī)、UPS等設(shè)備供電效率，降低線路的損耗，提高電壓質(zhì)量，改善供電環(huán)境。因此無功功率補(bǔ)償裝置在供電系統(tǒng)中有非常重要的作用，不可缺少。通過合理選擇補(bǔ)償裝置，可以最大限度地減少電網(wǎng)的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。

2 無功功率補(bǔ)償方法

供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置主要包括調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器、靜止無功補(bǔ)償器。其中并聯(lián)電容器具有以下特點(diǎn)：

并聯(lián)電容器本身有功功率損耗很小，約為其無功功率容量的0.5%以下。而其他補(bǔ)償裝置如調(diào)相機(jī)有功損耗為其輸出無功功率的1.5%-5%；并聯(lián)電容器單位容量的投資低于其他裝置；并聯(lián)電容器無旋轉(zhuǎn)部分，不需要專人維護(hù)管理，無噪聲；并聯(lián)電容器安裝簡單，可以做到自動投切；并聯(lián)電容器可分散安裝，可以安裝在靠近無功負(fù)荷的地方，這樣做減少了線路中的無功功率，從而減少了線路損耗，提高了電壓質(zhì)量。

因以上特點(diǎn)并聯(lián)電容無功補(bǔ)償裝置獲得了廣泛的應(yīng)用，目前湖北廣播電視臺各供電機(jī)房均使用該方式進(jìn)行無功補(bǔ)償。

并聯(lián)電容無功補(bǔ)償裝置主要由電容器組和控制器組成?？刂破髫?fù)責(zé)控制電容器組的投入和切除，其控制方式分為手動和自動。

手動控制方式是值班電工根據(jù)功率因數(shù)表的讀數(shù)憑經(jīng)驗(yàn)來人工投入和切除電容組；自動控制方式是無功功率自動補(bǔ)償控制器根據(jù)預(yù)設(shè)算法來自動的投入和切除電容組。

因自動控制方式具有無需人工干預(yù)和準(zhǔn)確追蹤功率因數(shù)變化的特點(diǎn)，獲得了廣泛應(yīng)用。目前湖北廣播電視臺各供電機(jī)房均采用自動方式進(jìn)行并聯(lián)電容器控制。

3 現(xiàn)行無功功率自動補(bǔ)償控制器算法及缺陷

無功功率自動補(bǔ)償控制器使用控制算法和采樣數(shù)據(jù)，決策電容器組投切，對無功功率自動補(bǔ)償裝置性能起決定性作用。

3.1 現(xiàn)行無功功率自動補(bǔ)償算法

目前市場上使用的低壓無功功率自動補(bǔ)償控制器一般采樣三相中一相的電流（如A相，通過電流互感器）與另外兩相之間電壓（如B相C相，低壓系統(tǒng)直接測量）之間的相位差。這個相位差減180°就是功率因數(shù)角Φ，計算其余弦值，得到當(dāng)前電網(wǎng)的實(shí)時功率因數(shù)。將此功率因數(shù)與設(shè)定的投入門限和切除門限比較，若小于投入門限，投入計時器遞增，切除計時器清零；若大于切除門限，切除計時器遞增，投入計時器清零；若在投切門限以內(nèi)，則將投入、切除計時器都清零。當(dāng)投入/切除計時器達(dá)到規(guī)定時限時，投入/切除則切除一組電容器，并將投入、切除計時器都清零。重復(fù)該過程。圖1為該算法流程圖。設(shè)：采樣周期為1s，投切延時為60s，投入門限0.95，切除門限-0.9。

3.2 現(xiàn)行無功功率自動補(bǔ)償算法缺陷

湖北廣播電視臺漢口供電機(jī)房無功補(bǔ)償裝置改造后，使用了自動無功補(bǔ)償器。運(yùn)行一段時間后，值班員報告每到深夜電容柜接觸器反復(fù)動作，狀態(tài)異?！，F(xiàn)場檢查設(shè)備工作正常，經(jīng)查看有關(guān)動作數(shù)據(jù)，判斷為出現(xiàn) “投切振蕩”現(xiàn)象。即為：初始狀態(tài)，功率因數(shù)達(dá)不到投入門限，因而投入電容器組；投入后，又因?yàn)檠a(bǔ)償過度，功率因數(shù)達(dá)到切除門限，于是馬上又切除，這樣設(shè)備在投入和切除過程中反復(fù)循環(huán)。

出現(xiàn)“投切震蕩”會大大增加設(shè)備動作次數(shù)，嚴(yán)重影響設(shè)備壽命。解決該問題，可以適當(dāng)增加投切門限，加大投切延遲，加大門檻電流等方法。但這樣設(shè)置會造成功率因數(shù)下降，與無功補(bǔ)償提高功率因數(shù)目的存在矛盾。

4 優(yōu)化投切算法

經(jīng)分析，造成“投切震蕩”的根本原因是現(xiàn)行算法無法預(yù)判投切電容器后的功率因數(shù)。新算法的核心是預(yù)判投切動作后的功率因數(shù)，并與動作前的功率因數(shù)進(jìn)行對比，若動作后功率因數(shù)有提升則延時動作。

4.1 計算預(yù)測算法

并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償關(guān)系如圖2所示。其中P—有功功率，S1—補(bǔ)償前視在功率，Φ1—補(bǔ)償前無功功率，Q2—補(bǔ)償后無功功率，Φ1—補(bǔ)償前的功率因數(shù)角，Φ2—補(bǔ)償后的功率因數(shù)角。

目前無功功率自動補(bǔ)償器可以測定Φ1，U，及經(jīng)過電流互感器變比的I。若已知互感器變比K及電容器容量QC，則：

可根據(jù)S1=KUI求出S1；

又 Q1=S1sinΦ1 ；

Q2=Q1-QC ；

；

；

整理可得：

即可通過已知參數(shù)、測量量求出補(bǔ)償后的功率因數(shù)。

具體算法描述如下：

計算當(dāng)前電網(wǎng)的實(shí)時功率因數(shù)。此功率因數(shù)與投入/切除一組電容后的功率因數(shù)比較，若投入后的功率因數(shù)增加，則投入計時器開始計時，切除計時器清零； 若切除后的功率因數(shù)增加，則切除計時器開始計時，切除計時器清零；若投入/切除電容功率因數(shù)都降低，則投入、切除計時器清零。當(dāng)投入/切除計時器到達(dá)規(guī)定時限時，投入/切除一組電容器并清除投入/切除計時器。重復(fù)該過程。圖3為該算法流程圖。設(shè)：采樣周期為1s，投切延時為60s。

該算法能夠準(zhǔn)確預(yù)判投入/切除電容后的功率因數(shù)，使投入電容組數(shù)精確跟蹤負(fù)載變化，消除“投切震蕩”，并使總功率因數(shù)達(dá)到最優(yōu)。

但該算法需要人工設(shè)置互感器變比及補(bǔ)償電容容量，若輸入?yún)?shù)錯誤則可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。

4.2 查表預(yù)測算法

計算預(yù)測法需人工設(shè)置互感器變比及補(bǔ)償電容容量，在實(shí)際工作中可能會帶來不便，如將現(xiàn)行算法與查表法結(jié)合起來，可以彌補(bǔ)現(xiàn)行方案的不足，且無需輸入多余參數(shù)即可工作。

算法基本思路：

構(gòu)造如表1所示表格，存儲投入/切除電容后功率因數(shù)的變化狀態(tài)。初始狀態(tài)該表為空表，投切電容使用現(xiàn)行方案，當(dāng)發(fā)生投切動作時，將投切前后的狀態(tài)存入表中。如果以后遇到“相同”情況，可以直接查表預(yù)判投切后的功率因數(shù)。為節(jié)約存儲空間功率因數(shù)取小數(shù)點(diǎn)后兩位有效數(shù)字。切除電容不單獨(dú)列表，而使用反向查表功能。

算法具體描述如下：

根據(jù)現(xiàn)功率因數(shù)、投入電容組數(shù)查表/反向查表。（1）若狀態(tài)在表中，現(xiàn)功率因數(shù)與投入/切除一組電容后的功率因數(shù)比較，若投入后的功率因數(shù)增加，則投入計時器開始遞增，切除計時器清零； 若切除后的功率因數(shù)增加，則切除計時器遞增，投入計時器清零。若投入/切除電容功率因數(shù)降低，投入、切除計時器清零。（2）若狀態(tài)不在表中則按現(xiàn)行方案進(jìn)行投切。當(dāng)投入切除計時器到達(dá)規(guī)定時限時，投入/切除一組電容器，投入/切除計時器清零，將投切前后的狀態(tài)存入表中。重復(fù)該過程。圖4為該算法流程圖。設(shè)：采樣周期為1s，投切延時為60s。

該算法能夠預(yù)判投入/切除電容后的功率因數(shù)，消除“投切震蕩”，并使總功率因數(shù)達(dá)到較高值。

5 仿真測試與結(jié)論

為了比較這三種算法的實(shí)際性能，進(jìn)行模擬仿真測試。測試軟件環(huán)境為windows7+codec blocks+TDM-GCC。

仿真測試參數(shù)設(shè)置如下：

投切延遲：60s；采樣間隔 ：1s；電容器組容量：15kVar；負(fù)載功率因數(shù)：0.85。

仿真場景模擬漢口供電機(jī)房315kVA變壓器一天負(fù)荷的變化情況，如下式：

其圖形如圖5所示：

本次仿真結(jié)果為電容器總投切次數(shù)（每投入或切除計1次），系統(tǒng)24小時總功率因數(shù)。

總功率因數(shù)，其中取1s。

仿真測試程序使用c語言完成，部分代碼實(shí)現(xiàn)投切算法邏輯關(guān)系，部分代碼生成仿真環(huán)境，監(jiān)視算法狀態(tài)，生成統(tǒng)計結(jié)果。

最終仿真結(jié)果如表2所示：

由表2可以看出新算法在投切次數(shù)上比現(xiàn)行方法有很大改進(jìn)，其中計算預(yù)測算法在投切次數(shù)及總功率因數(shù)上都有很好表現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：董文華（1975-），男，湖北孝感人，本科，工程師，動力部主管，主要研究方向：供電安全。