低壓配電網(wǎng)無功功率補償?shù)淖詣涌刂品椒?/h1>
2022-02-08 13:43:53王翰陽
技術(shù)與市場 2022年1期
王翰陽
(華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院， 河南 鄭州 450000 )
0 引言
無功負(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)成為一個十分普遍的問題。分布式發(fā)電在配電網(wǎng)中可以帶來許多優(yōu)勢，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)無功功率不足和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較差等復(fù)雜問題。靜態(tài)無功補償器(SVC)等不同類型的柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)裝置被廣泛應(yīng)用于補償無功功率。為了提高無功控制優(yōu)化精度以及響應(yīng)速度，衍生了基于智能算法、內(nèi)點法、梯度法、線性規(guī)劃法等算法系統(tǒng)，提高了無功功率控制與補償?shù)木珳?zhǔn)性和即時性。通過這些技術(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，考慮建立一個能夠連續(xù)監(jiān)測各個電源潮流的裝置來監(jiān)測電網(wǎng)、變壓器和用戶負(fù)荷，并在實際條件下，通過對三戶住宅實際無功功率補償?shù)墓芾?，利用實時數(shù)據(jù)，使用算法模型來管理無功功率，并進(jìn)行適時、適量的無功功率補償。
1 數(shù)學(xué)模型的建立
在變電站中，有多種負(fù)載類型，這就需要針對用戶的用電時間和負(fù)載類型做出不同的響應(yīng)。如果能夠確定每個單位的需求并將其信息提供給系統(tǒng)，則系統(tǒng)將通過數(shù)學(xué)算法來分析此種無功功率和電壓場景下所需的無功補償。無論是有功負(fù)荷還是無功負(fù)荷，基本上每個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，人們在下班回家后使用微波爐、空調(diào)、洗衣機(jī)等大型用電器的時間段基本一致，即一個用戶的電力負(fù)荷達(dá)到峰值時，其他用戶也會達(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。這就需要得到每個用戶的需求來確定無功補償?shù)拇笮?。如一個配電變電站有一些公共線和節(jié)點，其中一些房屋直接連接到這個系統(tǒng)中。不同類型的負(fù)載通過每個房屋的總線和節(jié)點與系統(tǒng)連接。感性負(fù)載和容性負(fù)載可通過線路總阻抗來計算，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)系來確定。那么總用電負(fù)荷可定義為每個電力用戶的用電負(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算出輸電線路上的總負(fù)荷。因此，考慮到這一點，每個用戶的總視在功率可定義為該用戶有功功率和無功功率的矢量和。如果該配電網(wǎng)絡(luò)有b條母線和i個節(jié)點，則總有功和無功功率可表示為該條母線單個節(jié)點中流入流出功率的代數(shù)和，由于一共有i個節(jié)點，將各個支路的各個支點功率相加即為總的視在功率。
在采用自動無功補償裝置(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提供的無功功率取決于系統(tǒng)的電壓和電流。通過前面計算出的有功功率和無功功率的矢量和一起來共同表示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供電的無功功率可能不能得到完全的補償。在這里加入了一個反饋機(jī)制，當(dāng)系統(tǒng)快速變化，ARPCD補償?shù)臒o功小于系統(tǒng)總無功需求時，通過計算需求量和補償量之差給出系統(tǒng)剩余無功功率，并補發(fā)無功，直至供需達(dá)到平衡。
2 無功功率的管理和控制機(jī)制
利用仿真軟件設(shè)計了一個考慮24 h負(fù)荷變化的計量數(shù)據(jù)無功計算模型。這是一個閉環(huán)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通過上述方程進(jìn)行監(jiān)控和匯總。在Simulink模型中，根據(jù)實際用電情況，負(fù)載被設(shè)計成具有連續(xù)變化特性的相量測量單元。該模型考慮了以小區(qū)為單位的用戶真實數(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)對有功需求響應(yīng)的無功補償。即從用戶家中，利用傳感器測量住宅母線的電流和電壓，然后相乘計算瞬時潮流，通過計算出的實時潮流來確定無功補償?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，也要得到無功部分，只有這樣才能得到損耗功率。功率的無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)對配電線路、用戶和集線器的無功數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為ARPCD的進(jìn)一步應(yīng)用提供依據(jù)，其中，其總阻抗通過阻抗繼電器傳遞到配電網(wǎng)當(dāng)中，通過電路最基本的KCL以及KCL方程得到線路基本參數(shù)，再通過上述算法的計算以及控制系統(tǒng)的判別來進(jìn)行無功補償。
還需要測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)無功功率。將電網(wǎng)中存在的無功功率與系統(tǒng)中期望的無功功率進(jìn)行比較，直至“=0”。然后ARPCD將功率聚集到配電網(wǎng)，測量系統(tǒng)所需的無功功率的大小，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 實驗的觀察和分析
通過使用Matlab在Simulink中建模，以考慮一天的功率需求。在仿真過程中有如下考慮：3個住宅通過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種無功功率，分別是容性無功和感性無功，容性無功可理解為超前無功，而感性無功可理解為滯后無功。模擬模型以一天24 h為基礎(chǔ)，橫坐標(biāo)均為時間，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ARPCD和有ARPCD時的耗電量以及電壓波動情況以及功率因數(shù)的大小。
在有功功率和無功功率都急劇波動的需求響應(yīng)的大環(huán)境下。3戶住宅在沒有配備ARPCD時無功功率消耗較高，對系統(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，各房屋無功潮流幾乎為零，說明系統(tǒng)以單位功率因數(shù)運行，電壓水平在理想運行的區(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，補償無功功率，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
本文所提出的方法通過算法模型解決了顯示功率實時狀態(tài)的問題，再通過數(shù)學(xué)模型的搭建、算法的實現(xiàn)以及全新的控制手段來利用ARPCD實現(xiàn)無功補償，達(dá)到提高系統(tǒng)功率因數(shù)，減少電壓波動的效果，提高了電能質(zhì)量。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)當(dāng)中，對于現(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，它將面臨一系列的電能質(zhì)量的問題，而通過觀察每個節(jié)點和總線配置可以很容易地識別這些問題，本文這一設(shè)計就是為了解決這樣一個問題。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者行為下建設(shè)配電變電站，這將有助于預(yù)測發(fā)電，傳輸和配電的預(yù)測設(shè)計，并將提高電網(wǎng)的運行能力。
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在本文中，考慮建立一個能夠連續(xù)監(jiān)測各個電源潮流的裝置來監(jiān)測電網(wǎng)、變壓器和用戶負(fù)荷，并在實際條件下，通過對三戶住宅實際無功功率補償?shù)墓芾?，利用實時數(shù)據(jù)，使用算法模型來管理無功功率，并進(jìn)行適時、適量的無功功率補償。
1 數(shù)學(xué)模型的建立
在變電站中，有多種負(fù)載類型，這就需要針對用戶的用電時間和負(fù)載類型做出不同的響應(yīng)。如果能夠確定每個單位的需求并將其信息提供給系統(tǒng)，則系統(tǒng)將通過數(shù)學(xué)算法來分析此種無功功率和電壓場景下所需的無功補償。無論是有功負(fù)荷還是無功負(fù)荷，基本上每個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，人們在下班回家后使用微波爐、空調(diào)、洗衣機(jī)等大型用電器的時間段基本一致，即一個用戶的電力負(fù)荷達(dá)到峰值時，其他用戶也會達(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。這就需要得到每個用戶的需求來確定無功補償?shù)拇笮?。如一個配電變電站有一些公共線和節(jié)點，其中一些房屋直接連接到這個系統(tǒng)中。不同類型的負(fù)載通過每個房屋的總線和節(jié)點與系統(tǒng)連接。感性負(fù)載和容性負(fù)載可通過線路總阻抗來計算，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)系來確定。那么總用電負(fù)荷可定義為每個電力用戶的用電負(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算出輸電線路上的總負(fù)荷。因此，考慮到這一點，每個用戶的總視在功率可定義為該用戶有功功率和無功功率的矢量和。如果該配電網(wǎng)絡(luò)有b條母線和i個節(jié)點，則總有功和無功功率可表示為該條母線單個節(jié)點中流入流出功率的代數(shù)和，由于一共有i個節(jié)點，將各個支路的各個支點功率相加即為總的視在功率。
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作為交流系統(tǒng)，它既要得到電壓電流的有功部分，也要得到無功部分，只有這樣才能得到損耗功率。功率的無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)對配電線路、用戶和集線器的無功數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為ARPCD的進(jìn)一步應(yīng)用提供依據(jù)，其中，其總阻抗通過阻抗繼電器傳遞到配電網(wǎng)當(dāng)中，通過電路最基本的KCL以及KCL方程得到線路基本參數(shù)，再通過上述算法的計算以及控制系統(tǒng)的判別來進(jìn)行無功補償。
還需要測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)無功功率。將電網(wǎng)中存在的無功功率與系統(tǒng)中期望的無功功率進(jìn)行比較，直至“=0”。然后ARPCD將功率聚集到配電網(wǎng)，測量系統(tǒng)所需的無功功率的大小，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 實驗的觀察和分析
通過使用Matlab在Simulink中建模，以考慮一天的功率需求。在仿真過程中有如下考慮：3個住宅通過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種無功功率，分別是容性無功和感性無功，容性無功可理解為超前無功，而感性無功可理解為滯后無功。模擬模型以一天24 h為基礎(chǔ)，橫坐標(biāo)均為時間，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ARPCD和有ARPCD時的耗電量以及電壓波動情況以及功率因數(shù)的大小。
在有功功率和無功功率都急劇波動的需求響應(yīng)的大環(huán)境下。3戶住宅在沒有配備ARPCD時無功功率消耗較高，對系統(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，各房屋無功潮流幾乎為零，說明系統(tǒng)以單位功率因數(shù)運行，電壓水平在理想運行的區(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，補償無功功率，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
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