動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償分級(jí)控制策略的研究

葉瑋

摘要：電力行業(yè)自改革開放發(fā)展至今已經(jīng)取得了非常不錯(cuò)的成就，使我國徹底擺脫之前用電供不應(yīng)求的尷尬局面。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，各種新型沖擊性負(fù)荷（如工業(yè)電弧爐、電力機(jī)車、軋鋼機(jī)等）以及新的敏感設(shè)備大量出現(xiàn)，傳統(tǒng)的單一性負(fù)載逐漸被復(fù)合電力負(fù)載替代。大量的感性負(fù)荷需要消耗電網(wǎng)無功，同時(shí)復(fù)合電力負(fù)載工作狀態(tài)具有實(shí)時(shí)變化的特點(diǎn)，要求無功補(bǔ)償系統(tǒng)跟蹤負(fù)載變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因素，對無功補(bǔ)償技術(shù)提出了新的要求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償;分級(jí)控制策略

引言

電力行業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)我國其它行業(yè)發(fā)展迅速，使我國快速進(jìn)入現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)發(fā)展階段。供電系統(tǒng)中的負(fù)載大部分都會(huì)以感性的形式呈現(xiàn)，例如用于空調(diào)和水泵的異步電動(dòng)機(jī)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整流器等。其中有大部分在使用的過程中對供電系統(tǒng)比較嚴(yán)格，必須在無功功率的情況下才能夠正常運(yùn)行工作，而且還需要根據(jù)使用機(jī)械的自身特性在決定。

1常用的無功補(bǔ)償方式

就地?zé)o功補(bǔ)償。采用電容器直接裝在用電設(shè)備附近，與電動(dòng)機(jī)的供電回路相并聯(lián)，常用于低壓電網(wǎng)。它使用晶閘管或者機(jī)械開關(guān)作為投切開關(guān)，通過就地電壓傳感器控制而自動(dòng)地投切電容器。運(yùn)行時(shí)電機(jī)所需無功由電容器就地供給，能量交換距離最短，可以最大限度降低線路的電流。在線路相同的條件下，線路損耗與電流的平方成正比，所以電容就地補(bǔ)償節(jié)電效果最好，投資也小。但是，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境相對較差，特別是冶金行業(yè)，金屬粉塵含量較高，維護(hù)保養(yǎng)等若不及時(shí)進(jìn)行，往往容易損壞。分散無功補(bǔ)償。常采用高壓電容器分組安裝在電網(wǎng)的10千伏/6千伏配電線路的桿架上、公用配電變壓器的低壓側(cè)、用戶各車間的配電母線上，達(dá)到提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電線路的電流，減少線損的目的。集中無功補(bǔ)償。采用變電站和高壓供電電力用戶降壓變電站母線上的高壓電容器組，也包括集中裝在電力用戶總配電高低母線上的電容器組。其優(yōu)點(diǎn)是有利于控制電壓水平，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切、利用率高，維護(hù)方便，能減少配電網(wǎng)、用戶變壓器及專供線路的無功負(fù)荷和電能損耗，但是不能減少電力用戶內(nèi)部各條配電線路上的無功負(fù)荷和電能損耗。選擇哪一種補(bǔ)償方式，還要依電網(wǎng)的狀況而定，首先對所補(bǔ)償?shù)木€路要有所了解，對于負(fù)荷較大且變化較快的工況，電焊機(jī)、電動(dòng)機(jī)的線路采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，節(jié)能效果明顯。對于負(fù)荷相對平穩(wěn)的線路應(yīng)采用靜態(tài)補(bǔ)償方式，也可使用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。一般電焊工作時(shí)間均在幾秒鐘以上，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)也在幾秒鐘以上，而動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)時(shí)間在幾十毫秒，按40毫秒考慮則從40毫秒到5秒鐘之內(nèi)是一個(gè)相對的穩(wěn)態(tài)過程，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置能完成這個(gè)過程。

2復(fù)合電力負(fù)載的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償分級(jí)控制策略

系統(tǒng)由控制模塊和執(zhí)行模塊組成，其中控制模塊的具體實(shí)現(xiàn)過程如下：（1）控制模塊對檢測到回路測量出電壓和電流信號(hào)分析計(jì)算，得到電壓電流的相位角?，并確定出電流相對于電壓的滯后或超前關(guān)系。假定滯后的功率因數(shù)為“+”，超前的功率因數(shù)為“-”，計(jì)算出功率因數(shù)的值cos?，取10次當(dāng)前采樣點(diǎn)的平均值作為當(dāng)前系統(tǒng)的功率因數(shù)λ;（2）給定功率因數(shù)λ0，為了防止系統(tǒng)震蕩，此處λ0為一范圍[λLλH]，為了方便描述，后面一律用λ0表示。對當(dāng)前系統(tǒng)功率因數(shù)λ進(jìn)行判定;（3）當(dāng)系統(tǒng)處于低功率因數(shù)階段且電流滯后于電壓，即系統(tǒng)功率因數(shù)0<λ<λ0，按第一級(jí)控制算法發(fā)出初步投切指令，經(jīng)過輸出控制電路到可調(diào)電容器組，進(jìn)行投入電容器組操作。（4）當(dāng)系統(tǒng)處于過補(bǔ)償階段，功率因數(shù)高于給定功率因數(shù)λ>λ0或系統(tǒng)功率因數(shù)λ<0時(shí)，即電流超前電壓為“-”。按第二級(jí)控制算法發(fā)出微調(diào)節(jié)控制指令，對感抗變換器進(jìn)行尋優(yōu)控制，從系統(tǒng)吸收無功功率，使功率因數(shù)達(dá)到正常范圍。

3無功補(bǔ)償發(fā)展趨勢

在應(yīng)用電容器開展無功補(bǔ)償?shù)墓ぷ鲗儆陟o態(tài)補(bǔ)償。在使用的過程中有固定的容抗，因此無功補(bǔ)償?shù)牧恳彩枪潭ǖ?，不能隨著供電系統(tǒng)中的感性負(fù)荷的變化而改變補(bǔ)償量，導(dǎo)致無功補(bǔ)償?shù)倪^程中不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。隨著我國電力系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展，需要對無功功率補(bǔ)償進(jìn)行創(chuàng)新與完善，盡可能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)淖畲笮Ч?。而且也是需要從多方面考慮，進(jìn)而需要研究的人員在設(shè)計(jì)時(shí)對電力系統(tǒng)的各方面進(jìn)行加強(qiáng)，促使電網(wǎng)中的電源以及負(fù)載擾動(dòng)都有明顯的提升，單一的固定補(bǔ)償不能滿足目前社會(huì)的發(fā)展。伴隨著我國電子技術(shù)發(fā)展的進(jìn)步，推進(jìn)供電系統(tǒng)的發(fā)展，當(dāng)電抗器和電容器受到晶閘管的實(shí)時(shí)投切時(shí)，進(jìn)而使電抗器受晶閘管的控制以及電容器受晶閘管的投切，依據(jù)電網(wǎng)中無功功率的狀況進(jìn)行無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，進(jìn)而時(shí)固定補(bǔ)償?shù)玫礁倪M(jìn)。

4復(fù)合電力負(fù)載的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制算法

合理的控制算法，能消除電容器組的往復(fù)投切振蕩現(xiàn)象及感抗變換器尋優(yōu)振蕩現(xiàn)象，同時(shí)能快速補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率。現(xiàn)對第二級(jí)控制算法（微調(diào)節(jié)）作如下說明。由于第二級(jí)控制感抗變換器要實(shí)現(xiàn)微調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率的作用，需要控制算法來滿足感抗變換器的無級(jí)調(diào)節(jié)，快速響應(yīng)的同時(shí)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。復(fù)合電力負(fù)載的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制方法的第二級(jí)控制算法由模糊控制算法來實(shí)現(xiàn)，模糊算法模塊由模糊化接口、模糊推理機(jī)、解模糊接口3部分組成。模糊化接口對電壓偏差Δu、無功功率偏差Δq、功率因數(shù)偏差Δcos?，在各自的論域范圍內(nèi)離散化為7檔，形成偏差量的模糊集（正大（PB），正中（PM），正?。≒S），零（0），負(fù)?。∟S），負(fù)中（NM），負(fù)大（NB）），按照13個(gè)等級(jí)（-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6），通過三角形狀隸屬函數(shù)曲線，得出偏差量模糊集中各個(gè)子集的隸屬度值;同理得出感抗變換器微調(diào)節(jié)的控制量ΔV在模糊集中各個(gè)子集的隸屬度值。模糊推理機(jī)根據(jù)無功補(bǔ)償控制規(guī)律和人工經(jīng)驗(yàn)推理出由描述性語言表示的推理規(guī)則，將每個(gè)規(guī)則表示為模糊關(guān)系，并結(jié)合上述隸屬度值，轉(zhuǎn)換成矩陣形式，分別構(gòu)成推理規(guī)則模糊關(guān)系矩陣A、B、C;通過模糊判決將3個(gè)輸入變量模糊集與A、B、C進(jìn)行模糊合成規(guī)則運(yùn)算，得出Δu、Δq、Δcos?的輸出模糊集ΔV?u、ΔV?q、ΔV??用控制表描述出它和3個(gè)輸入量模糊集的對應(yīng)關(guān)系，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，從這3個(gè)控制表中查出的控制量值乘以相應(yīng)的比例因子，即為電壓、無功功率、功率因數(shù)進(jìn)行模糊控制的實(shí)際輸出值ΔVu、ΔVq、ΔV?。解模糊接口將ΔVu、ΔVq、ΔV?進(jìn)行加權(quán)和，即K1ΔVu+K2ΔVq+K3ΔV?（加權(quán)因子K1、K2、K3由系統(tǒng)具體工況和模糊控制算法程序確定），得到一個(gè)決定第二級(jí)控制算法優(yōu)化微調(diào)節(jié)感抗變換器的吸收無功的控制量ΔV，模糊控制算法模塊根據(jù)ΔV來調(diào)節(jié)感抗變換器的感抗值，發(fā)出復(fù)合電力負(fù)載的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)诙?jí)控制指令，使系統(tǒng)功率因數(shù)提高到最理想狀態(tài)。

結(jié)語

實(shí)時(shí)跟蹤。智能傳感器和控制器對復(fù)合電力負(fù)載的無功功率及無功電流進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和提取;穩(wěn)定快速補(bǔ)償。通過兩級(jí)控制策略，優(yōu)化的控制算法使該負(fù)反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、快速性好、準(zhǔn)確性高。連續(xù)可調(diào)?？烧{(diào)電容器組和感抗變換器相互配合，既可以向電網(wǎng)發(fā)出無功也可以從電網(wǎng)吸收無功，滿足無功功率快速補(bǔ)償、連續(xù)調(diào)節(jié)的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]丁永忠，李娟，袁佑新，等.可變電抗器的研究[J].中國水運(yùn)，2008，8（3）：177-178.

[2]袁佑新，蔡珊珊，班泉聚，等.基于可變電抗的靜止無功補(bǔ)償器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究[J].武漢理工大學(xué)報(bào)，2009，31（12）：120-122.

[3]余威.基于模糊控制的TSC型電弧爐無功補(bǔ)償系統(tǒng)的研究[D].中南大學(xué)，2010.

[4]程瑩.低壓大電流整流器的諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)與應(yīng)用[D].湖南：湖南大學(xué)，2010.