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(bǔ)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(fù)荷的特點(diǎn)，接著闡述了進(jìn)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(bǔ)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(jì)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(fù)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(xiàn)標(biāo)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(yùn)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(bǔ)償方法，使得電網(wǎng)無功合理的分配，讓電網(wǎng)運(yùn)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(bǔ)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(yùn)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(bǔ)償及優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2無功功率負(fù)荷的特點(diǎn)及損耗分析

低壓配電網(wǎng)的無功負(fù)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(jī)，而它需要一定的無功功率來維持正常穩(wěn)定的運(yùn)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(yùn)行時也會消耗一定的無功功率，一般與負(fù)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(fù)荷主要是由感應(yīng)電機(jī)所決定的，因?yàn)殡娋W(wǎng)中存在很多的這類電機(jī)，故而電力系統(tǒng)無功功率負(fù)荷的特性曲線主要由感應(yīng)電機(jī)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(yùn)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(jì)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(bǔ)償裝置和方法

3.1無功補(bǔ)償裝置

比較常用的一種無功補(bǔ)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(jìn)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(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[5]詳細(xì)地分析了TCR的原理和補(bǔ)償特性以及諧波抑制。而文獻(xiàn)[6]則利用TCR和FC的組合來進(jìn)行無功補(bǔ)償及優(yōu)化，并且利用瞬時無功理論的算法對無功進(jìn)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(bǔ)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(jìn)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(bǔ)償器（STATCOM）：是一種并聯(lián)的、能進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)撵o止同步“發(fā)電機(jī)”。其容性和感性輸出電流可獨(dú)立于注入點(diǎn)的電壓而進(jìn)行控制[9] STATCOM是采用電壓型變流器結(jié)構(gòu)，無功補(bǔ)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(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的潮流分布，對系統(tǒng)無功進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2無功補(bǔ)償方法

3.2.1隨器補(bǔ)償

隨器補(bǔ)償是將補(bǔ)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(bǔ)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(fù)荷低谷時系統(tǒng)運(yùn)行接近空載。配變在輕載或空載時的無功負(fù)荷主要體現(xiàn)在變壓器的空載無功損耗。這時采用隨器補(bǔ)償可以對配電變壓器的空載無功功率損耗進(jìn)行補(bǔ)償，使無功就地平衡，使得配電變壓器更加穩(wěn)定的運(yùn)行，而且可以降低無功網(wǎng)損。

3.2.2低壓集中補(bǔ)償

還有一種無功補(bǔ)償方式是在配電變壓器380V側(cè)進(jìn)行有效的集中補(bǔ)償，通常采用微機(jī)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(dāng)于隨器補(bǔ)償?shù)淖饔?，補(bǔ)償用戶自己的無功要求，后者用于補(bǔ)償無功峰荷。根據(jù)用戶的無功需求來適當(dāng)?shù)脑黾訜o功補(bǔ)償裝置以此來提高變壓器用戶的功率因數(shù)，實(shí)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(jī)補(bǔ)償

隨機(jī)補(bǔ)償是將異步電動機(jī)與補(bǔ)償電容器直接并聯(lián)來使用，通過控制保護(hù)裝置與電動機(jī)的同時投切。電容器的投切使用一般是由電動機(jī)容量來決定的，如果容量較小，則電容器可以和電動機(jī)直接并聯(lián)使用來補(bǔ)償無功；如果電動機(jī)容量較大，則通常不使用電容器來進(jìn)行補(bǔ)償，直接利用電動機(jī)的就地補(bǔ)償器來補(bǔ)償無功。隨機(jī)補(bǔ)償方式接線簡單，而且便于用戶來維護(hù)和管理，電壓配電網(wǎng)的負(fù)荷波動主要是由于電動機(jī)的投入和切除而引起的，采用隨機(jī)補(bǔ)償可以從根本上減少或消除農(nóng)網(wǎng)無功負(fù)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(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，滿足經(jīng)濟(jì)性下要以分散補(bǔ)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(bǔ)償及優(yōu)化往往是以發(fā)電機(jī)端、有載調(diào)壓變壓器的分接頭以及無功補(bǔ)償?shù)娜萘繛榭刂谱兞?，以?fù)荷的節(jié)點(diǎn)電壓幅值、發(fā)電機(jī)無功為狀態(tài)變量，通過對各變量進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)損耗達(dá)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(biāo)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(jìn)行分析和研究。

可以確定電網(wǎng)無功優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)的控制變量一般是以電網(wǎng)的有功損耗和補(bǔ)償設(shè)備的投資之和的最小值為分析目標(biāo)。由此可以構(gòu)造如下的目標(biāo)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(bǔ)償容量的確定以及發(fā)電機(jī)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(diǎn)注入的無功功率；Ui、Uj分別為節(jié)點(diǎn)i，節(jié)點(diǎn)j的電壓；Gij、Bij以及θij分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)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(bǔ)償電容器的容量Cj以及發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓Ugk為無功優(yōu)化的控制變量；輸電線路的節(jié)點(diǎn)電壓Ui和發(fā)電機(jī)的注入無功Qgk為優(yōu)化的狀態(tài)變量。控制變量的不等式約束為：

式中：Umax、Umin分別表示電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的上下限；Qgkimn和 Qgkmax分別表示發(fā)電機(jī)無功出力的上下限；i、k分別在節(jié)點(diǎn)總數(shù)和發(fā)電機(jī)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(fù)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(xiàn)[11-12]中已經(jīng)詳細(xì)論述了，給定一個當(dāng)前解和一種鄰域范圍，然后在當(dāng)前解的鄰域中選擇出若干候選解；若候選解對應(yīng)的目標(biāo)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(dāng)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(dāng)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(zhǔn)則為止。

5.2 改進(jìn)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(biāo)，都向著同一方向進(jìn)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(jìn)行擴(kuò)展和必要的修正。也要大量的文獻(xiàn)對其進(jìn)行的必要的研究，其中文獻(xiàn)[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(jìn)行了必要地改進(jìn)，取得了一定的效果，從而更好地控制粒子進(jìn)化方向和速度，改善算法的收斂性能。文獻(xiàn)[14]研究了改進(jìn)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(xì)論述了無功功率負(fù)荷的特點(diǎn)和對線路損耗的分析，給出了配電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)某Ｓ醚b置和補(bǔ)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(bǔ)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?yàn)殡娏ο到y(tǒng)綜合自動化；