基于自適應(yīng)濾波的電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償自動(dòng)控制

摘 要：為控制電力系統(tǒng)無功功率輸出，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性，本文引進(jìn)自適應(yīng)濾波技術(shù)，以某電力系統(tǒng)為例，研究無功功率自動(dòng)控制方法；根據(jù)視在功率和有功功率，計(jì)算電力系統(tǒng)無功功率；使用適應(yīng)濾波器，迭代更新其參數(shù)逼近期望的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)基于自適應(yīng)濾波的系統(tǒng)無功補(bǔ)償；安裝在電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)采集電網(wǎng)的電壓、電流和無功功率等關(guān)鍵參數(shù)，并設(shè)置分接頭調(diào)整量，進(jìn)行TCK電壓自動(dòng)控制。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的控制方法應(yīng)用效果良好，能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)無功功率輸出進(jìn)行補(bǔ)償與自動(dòng)控制，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)濾波；TCK電壓；自動(dòng)化；無功補(bǔ)償；電力系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM 351 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

無功補(bǔ)償技術(shù)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)無功電流進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，改進(jìn)電網(wǎng)電壓質(zhì)量。大量的無功功率會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中的功率因數(shù)下降，影響電能的傳輸效率和電網(wǎng)的節(jié)能運(yùn)行。因此，無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高電網(wǎng)質(zhì)量具有重要意義。

楊鑫[1]通過改進(jìn)瞬時(shí)對(duì)稱分量法，將系統(tǒng)參數(shù)分解為正序、負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)時(shí)獲取正序、負(fù)序和零序分量。根據(jù)控制策略，該方法會(huì)優(yōu)先補(bǔ)償負(fù)序和零序電流，以緩解三相負(fù)載不對(duì)稱問題，當(dāng)補(bǔ)償容量不足時(shí)盡可能補(bǔ)償無功電流。該方法雖然改進(jìn)了瞬時(shí)對(duì)稱分量法，但是當(dāng)高次諧波干擾或系統(tǒng)波動(dòng)較大時(shí)，可能會(huì)影響分解結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，當(dāng)STATCOM的補(bǔ)償容量接近極限時(shí)，優(yōu)先補(bǔ)償負(fù)序和零序電流可能會(huì)影響無功電流補(bǔ)償效果和系統(tǒng)的整體性能。肖佩等[2]在調(diào)相機(jī)控制系統(tǒng)中引入電壓和無功功率的雙閉環(huán)控制策略，以精確控制交流母線電壓和無功功率。當(dāng)系統(tǒng)電壓超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，電壓閉環(huán)起主要作用，以保證電壓穩(wěn)定。雙閉環(huán)控制策略雖然提高了控制的精確性，但是也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)控制參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化提出了更高要求。

為解決現(xiàn)有方法的不足，本文將引進(jìn)自適應(yīng)濾波技術(shù)，以某電力系統(tǒng)為例，進(jìn)行無功功率自動(dòng)控制方法研究，旨在推動(dòng)電網(wǎng)智能化的發(fā)展，滿足電網(wǎng)運(yùn)行和管理需求。

1 電力系統(tǒng)無功功率計(jì)算

為滿足電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償自動(dòng)控制需求，設(shè)計(jì)方法前，應(yīng)計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行過程中無功功率輸出值[3]。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生無功功率時(shí)，說明在交流電路中，電壓與電流間的相位差產(chǎn)生的功率并沒有直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能或光能，而是主要在電感和電容元件間進(jìn)行交換。

無功功率是無功交換的速率，可以利用視在功率S和有功功率S'對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)大量無功功率Δs在電網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電壓V波動(dòng)、線路損耗增加以及設(shè)備過熱等問題[4]。其中視在功率S和有功功率S'的計(jì)算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：S表示視在功率；V表示電壓；I表示電流；S'表示有功功率；c表示功率因數(shù)；α表示相位差。

得到視在功率和有功功率的具體數(shù)值后，利用公式（2）計(jì)算電力系統(tǒng)的無功功率Δs。

（2）

式中：Δs表示無功功率；ΔQ表示系統(tǒng)短路容量。

按照上述方式，完成電力系統(tǒng)無功功率的計(jì)算。

2 基于自適應(yīng)濾波的系統(tǒng)無功補(bǔ)償

當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)無功功率不足或過?，F(xiàn)象時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電壓波動(dòng)、線路損耗增加和設(shè)備效率降低等問題。為了優(yōu)化電力系統(tǒng)，可以采用基于自適應(yīng)濾波技術(shù)的系統(tǒng)無功補(bǔ)償方法[5]。自適應(yīng)濾波技術(shù)是一種能夠根據(jù)輸入信號(hào)和期望輸出信號(hào)的變化自動(dòng)調(diào)整濾波器參數(shù)的方法。在電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償中，自適應(yīng)濾波技術(shù)可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無功功率變化，并根據(jù)這些變化自動(dòng)調(diào)整無功補(bǔ)償設(shè)備的輸出，以精確控制系統(tǒng)無功功率。最小均方算法可用于調(diào)整濾波器的系數(shù)，以使誤差信號(hào)的均方值最小化。更新權(quán)重的計(jì)算過程如公式（3）所示。

w（n+1）=w（n）+2μe（n）x（n） （3）

式中：w（n）表示第n次迭代的濾波器權(quán)重向量；μ表示學(xué)習(xí)率（步長(zhǎng)）；e（n）表示第n次迭代的誤差信號(hào)（即期望信號(hào)與濾波器輸出之差）；x（n）表示第n次迭代的輸入信號(hào)向量。

在此基礎(chǔ)上，使用電力監(jiān)測(cè)設(shè)備（例如功率分析儀、電壓電流測(cè)量?jī)x等）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓V、電流I和無功功率Δs等參數(shù)[6]。將監(jiān)測(cè)到的電壓V、電流信號(hào)I輸入自適應(yīng)濾波器。自適應(yīng)濾波器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的算法和期望的輸出信號(hào)（即期望的無功功率值）自動(dòng)調(diào)整濾波器參數(shù)，以產(chǎn)生相應(yīng)的無功補(bǔ)償信號(hào)。無功補(bǔ)償信號(hào)量χ如公式（4）所示。

（4）

式中：χ表示無功補(bǔ)償信號(hào)量；k表示更新次數(shù)；T表示節(jié)點(diǎn)收斂時(shí)間。

根據(jù)得到的無功補(bǔ)償值，控制無功補(bǔ)償設(shè)備（例如電容器組、電抗器等）的投入或切除，以精確控制系統(tǒng)無功功率。

3 TCK電壓自動(dòng)控制

為了使無功補(bǔ)償可以在應(yīng)用中發(fā)揮預(yù)期效果，需要在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行TCK電壓的自動(dòng)控制。該環(huán)節(jié)是電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制的重要組成部分，能夠利用先進(jìn)的通信、傳感、計(jì)算和控制技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控并自動(dòng)調(diào)整電網(wǎng)電壓水平[7]。還能基于預(yù)設(shè)的電壓控制策略，進(jìn)行精確計(jì)算和決策，自動(dòng)調(diào)整電網(wǎng)中可控?zé)o功電源的出力、無功補(bǔ)償設(shè)備的投切以及變壓器分接頭的位置，從而精確控制電網(wǎng)電壓[8]。

在該過程中，安裝在電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)采集電網(wǎng)的電壓、電流和無功功率等關(guān)鍵參數(shù)，這些數(shù)據(jù)由通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒肟刂茊卧猍9]。根據(jù)預(yù)設(shè)的電壓控制策略，對(duì)采集的電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。TCK電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠控制指令，并自動(dòng)調(diào)整電網(wǎng)中可控?zé)o功電源的出力、無功補(bǔ)償設(shè)備的投切以及變壓器分接頭的位置，進(jìn)行TCK電壓自動(dòng)控制。

4 對(duì)比試驗(yàn)

上文完成了基于自適應(yīng)濾波的電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償自動(dòng)控制方法設(shè)計(jì)，為檢驗(yàn)該方法的實(shí)際應(yīng)用效果，本文選擇某地區(qū)大型電力服務(wù)中心作為研究試點(diǎn)，分析其電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，相關(guān)內(nèi)容見表1。

該電力服務(wù)中心負(fù)責(zé)向周邊地區(qū)穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行電力供應(yīng)，擁有復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和多樣化的用電負(fù)荷。然而，根據(jù)該電力服務(wù)中心的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，目前無功功率的波動(dòng)幅度逐漸增加。特別是在高峰時(shí)段，無功功率的波動(dòng)范圍更大，導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定。盡管該電力服務(wù)中心已經(jīng)安裝了多套無功補(bǔ)償設(shè)備，但是設(shè)備的補(bǔ)償效率并不理想。部分設(shè)備老化、損壞或設(shè)計(jì)不合理，造成補(bǔ)償效果不佳，甚至產(chǎn)生額外的無功損耗?，F(xiàn)有的無功功率補(bǔ)償控制缺乏智能化和自適應(yīng)能力，導(dǎo)致在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化、用電負(fù)荷波動(dòng)等情況下，控制系統(tǒng)無法及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

為解決上述問題，在綜合商議后，決定應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行無功補(bǔ)償自動(dòng)控制。在該過程中，本文搭建了測(cè)試平臺(tái)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)在運(yùn)行中的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，見表2。

在該基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)中輸電線路元件及其參數(shù)，相關(guān)內(nèi)容見表3。

完成試驗(yàn)準(zhǔn)備工作后，利用公式（1）計(jì)算該電力系統(tǒng)的視在功率S和有功功率S'，利用公式（2）計(jì)算該電力系統(tǒng)的無功功率Δs，并分析該電力系統(tǒng)的無功功率輸出現(xiàn)狀，如圖1所示。

由圖1可以看出，當(dāng)無干預(yù)措施時(shí)，電力系統(tǒng)的無功功率Δs為負(fù)數(shù)，表明在交流電路中，電路具有容性特性，并且正在輸出無功功率，而不是從系統(tǒng)吸收無功功率，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電壓質(zhì)量產(chǎn)生影響。

本文引入文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]的方法對(duì)該電力系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償自動(dòng)控制，并與本文方法的控制結(jié)果進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)不同方法在0.25s時(shí)刻對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償?shù)男Ч?，如圖2～圖4所示。

由圖2可以看出，本文方法從0.25s開始補(bǔ)償，其后系統(tǒng)輸出的無功功率發(fā)生了變化，并在0.45s將無功功率輸出控制為0。由此可以證明，本文方法的應(yīng)用效果良好。

由圖3可以看出，應(yīng)用文獻(xiàn)[1]方法后，系統(tǒng)輸出的無功功率在0.45s后穩(wěn)定在一個(gè)具體數(shù)值，但是未能將無功功率輸出值控制為0，說明該方法的控制效果相對(duì)較差。

由圖4可以看出，應(yīng)用文獻(xiàn)[2]方法后，系統(tǒng)輸出的無功功率發(fā)生了變化，但是在試驗(yàn)結(jié)束后，輸出值未能穩(wěn)定在一個(gè)具體數(shù)值，說明該方法的控制效果也較差。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的基于自適應(yīng)濾波的控制方法應(yīng)用效果良好，該方法可以對(duì)電力系統(tǒng)無功功率輸出進(jìn)行補(bǔ)償與自動(dòng)控制，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。

5 結(jié)語

無功功率的產(chǎn)生與電力系統(tǒng)的非線性負(fù)荷、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等相關(guān)，從而影響電力系統(tǒng)的功率因數(shù)和能源利用效率。自適應(yīng)濾波技術(shù)可以根據(jù)電路中的噪聲和信號(hào)特性自適應(yīng)地選擇濾波器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，從而提高濾波器的濾波效果和信號(hào)質(zhì)量。在電力系統(tǒng)中，在電源、電感和電阻的阻抗等因素的影響下，濾波效果較差。因此，自適應(yīng)濾波技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高電力系統(tǒng)中的濾波效果具有重要意義。為落實(shí)該項(xiàng)工作，本文以某電力系統(tǒng)為例，通過電力系統(tǒng)無功功率計(jì)算、系統(tǒng)無功補(bǔ)償和TCK電壓自動(dòng)控制，進(jìn)行無功補(bǔ)償自動(dòng)控制方法的研究。旨在保障電力系統(tǒng)安全并使其穩(wěn)定運(yùn)行，以進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償，減少電網(wǎng)電壓波動(dòng)和不穩(wěn)定，并降低電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)。

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