摘 要：針對無功補償測量方法測量精度低等問題，本文對無功補償?shù)臏y量和控制方法進(jìn)行研究。本文方法采用融合終端設(shè)備收集電網(wǎng)內(nèi)的信息，并采用基于傳統(tǒng)功率理論諧波方法對電網(wǎng)內(nèi)的電流進(jìn)行補償計算，得到需要補償?shù)臄?shù)據(jù)。根據(jù)得到的補償數(shù)據(jù)對電網(wǎng)采取無功控制策略。本文方法提升了無功補償?shù)臏y量精度，使其達(dá)到99.6%。本文方法將融合終端用于無功補償中，能夠?qū)崟r觀測電網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)變化，保證無功補償?shù)臏?zhǔn)確性和實時性，便于擴展和優(yōu)化，靈活性較高。

關(guān)鍵詞：融合終端；傳統(tǒng)功率理論諧波方法；無功補償計算；無功控制策略；電網(wǎng)數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP 242" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著智能化水平越來越高，無功補償技術(shù)逐漸在電網(wǎng)領(lǐng)域得到推廣，其優(yōu)化了供電環(huán)境，提升了電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[1]。因為傳統(tǒng)的無功補償技術(shù)測量精度較低，控制策略單一，不能滿足電力系統(tǒng)高效、智能的需求，所以采用將無功補償方法與融合終端設(shè)備相結(jié)合的方法，其可以精準(zhǔn)計算所需補償?shù)碾娏?，滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的需求，適用的場合較為廣泛。

李丹等[2]將量子粒子群算法和螢火蟲算法融合，架構(gòu)雙層配電網(wǎng)無功補償協(xié)調(diào)模型，完成無功補償協(xié)調(diào)控制。該方法融合2種算法，其計算復(fù)雜性較大，如果參數(shù)調(diào)整出現(xiàn)問題，那么會影響無功補償?shù)木取?/p>

趙龍等[3]利用X光探傷設(shè)備檢測配電站，并在無功補償設(shè)備中安裝備用設(shè)備，對電網(wǎng)進(jìn)行無功補償和控制。該方法缺少實時調(diào)整能力，不能適應(yīng)電網(wǎng)的實時變化。

為了解決以上問題，本文提出基于融合終端的無功補償測量與控制方法。采用融合終端設(shè)備采集配電信息，使用傳統(tǒng)功率諧波理論方法計算需要補償?shù)碾娏?，再利用基于電壓源換流器控制方法對無功功率完成電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)無功功率的控制。經(jīng)過試驗，驗證了本文方法的可行性。

1 融合終端信息采集

采用融合終端設(shè)備對配電站中的信息進(jìn)行采集，獲得配電站內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)，為后續(xù)無功補償測量和控制提供基礎(chǔ)[4-5]。融合終端是一種固定移動融合內(nèi)衍生的用戶終端，集多種通信方式和多種功能于一體，一般用于辦公和智能家居等場合，能夠收集數(shù)據(jù)。使用融合終端內(nèi)的計量芯片和處理器對電網(wǎng)內(nèi)的信息進(jìn)行收集，具體過程如下。1）利用精密互感器將融合終端中的計量芯片與電網(wǎng)進(jìn)行連接，測量電網(wǎng)內(nèi)的三相電壓和電流等參數(shù)。2）利用總線將融合終端中的處理器與計量芯片進(jìn)行連接，接收計量芯片中的測量數(shù)據(jù)，使用處理器處理電網(wǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，生成配變監(jiān)測數(shù)據(jù)。3）融合終端包括就地通信接口和無線通信接口，使用無線局域網(wǎng)將處理器處理的數(shù)據(jù)傳輸至相應(yīng)的監(jiān)控平臺或者設(shè)備中。根據(jù)上述步驟采集融合終端的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，獲得電網(wǎng)中電壓和電流等參數(shù)信息。

2 無功補償和控制

2.1 基于傳統(tǒng)功率諧波理論的無功補償

根據(jù)上述過程收集并獲得電網(wǎng)內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。采用傳統(tǒng)功率諧波理論方法對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到需要補償?shù)碾娏鱗6-7]。

將電源電壓進(jìn)行如下設(shè)置，如公式（1）所示。

（1）

式中：us為電源電壓；U為電壓有效值；ω、φ分別為角頻率和初相角；t為積分變量。

補償后的電源電流is如公式（2）所示。

（2）

式中：is為電源電流；Re為電阻。

補償?shù)碾娫措娏髋cRe有統(tǒng)計學(xué)意義，因此需要準(zhǔn)確計算電阻的值。由傳統(tǒng)功率理論可知，非線性負(fù)載損耗的有功功率PL的計算過程如公式（3）所示。

（3）

在電網(wǎng)中，包括諧波的非正弦周期電路中的有功功率與瞬時功率的平均值有統(tǒng)計學(xué)意義，因此PL在1個周期中的積分值如公式（4）所示。

（4）

式中：PS為積分值；T為周期。

在信號處理器中，根據(jù)上一個周期的電流和電壓積分測量PL。由能量守恒定律可知，電網(wǎng)提供的負(fù)載功率與有功功率相等，如公式（5）所示。

PL=PS" " " " " " " " " " " " " " " " " （5）

根據(jù)公式（3）和公式（5）獲得等效線性電阻負(fù)載值，如公式（6）所示。

（6）

利用得到的電阻負(fù)載值，將公式（4）和公式（6）代入公式（2）中，得到所預(yù)測的補償電源電流，如公式（7）所示。

（7）

需要補償?shù)碾娏鱥c如公式（8）所示。

ic=is-iL " " " " " " " " " " " " " " " " （8）

式中：iL為負(fù)載電流。

根據(jù)上述公式，可以將電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的電源電流補償為與電源電壓同頻率的正弦波，同時將有源電力濾波器與非線性負(fù)載組合為線性電阻負(fù)載，從而實現(xiàn)無功功率的補償，使功率因數(shù)達(dá)到1。

執(zhí)行上述步驟得到電網(wǎng)系統(tǒng)中需要補償?shù)臒o功功率，為無功功率控制奠定基礎(chǔ)。

2.2 無功補償控制

為了進(jìn)一步優(yōu)化無功功率的控制效果，不僅可以利用有源電力濾波技術(shù)進(jìn)行初步的無功補償外，還可以結(jié)合更先進(jìn)的控制方法來提升系統(tǒng)性能?；诖?，采用電壓源換流器控制技術(shù)對無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。該方法對逆變側(cè)電壓和整流側(cè)電流進(jìn)行精確控制來有效控制電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率[8-9]。

在此基礎(chǔ)上，換流站的無功容量Qf可以體現(xiàn)當(dāng)前狀態(tài)下的無功功率水平，Qd 為無功補償后的無功功率，使無功交換量 Qs和換流站保持在預(yù)期值 Qsref附近[10]。經(jīng)過這個過程，無功功率控制穩(wěn)定、可靠。

設(shè)電壓為0，電力系統(tǒng)中的整流站情況為Qd1=Qf1，整流站無功功率電壓Qd1ref如公式（9）所示。

（9）

式中：Ud01為理想狀態(tài)下空載直流電壓；Pdref為直流功率；Q2 f1為整流站的無功容量。

Ud2ref和Id1ref分別為逆變側(cè)直流電壓和整流側(cè)直流電流，如公式（10）、公式（11）所示。

（10）

式中：n為直流輸電系統(tǒng)運行級數(shù)。

Ud2ref=Ud1ref-Id1refRd " " " " " " " " " " " （11）

式中：Rd為直流回路電阻。

根據(jù)公式（10）、公式（11）可以得到電力系統(tǒng)中整流側(cè)直流和逆變側(cè)直流的電壓參考流程，如圖1所示。

整流側(cè)無功功率控制如圖2所示。雖然換流站無功控制方法對有功輸送的影響較小，但是該方法對控制目標(biāo)Qsref來說是開環(huán)控制，控制結(jié)果與預(yù)期值會產(chǎn)生偏差。為了縮短實際結(jié)果與預(yù)期值的偏差，在開環(huán)控制的基礎(chǔ)上引入反饋機制，利用反饋機制將無功交換量Qs和換流站輸入至無功優(yōu)化控制中，并與期望值進(jìn)行比較，利用比例積分調(diào)節(jié)器處理得到的偏差值，將處理后的偏差值修正至合理的范圍內(nèi)，防止修正過大，使無功補償控制不穩(wěn)定?？刂颇繕?biāo)Qsref可以根據(jù)運行情況自行設(shè)置。

在圖2的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入反饋機制，增加控制環(huán)，更精確地控制無功功率，如圖3所示。

根據(jù)上述過程對電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)無功功率進(jìn)行控制。

3 試驗與分析

為了驗證基于融合終端的無功補償測量與控制方法的整體有效性，需要進(jìn)行測試。

3.1 試驗準(zhǔn)備

準(zhǔn)備相應(yīng)的控制器、測量儀表等設(shè)備，并對設(shè)備進(jìn)行全面檢查，確定設(shè)備滿足試驗需求，具有試驗所需的精度，保證試驗穩(wěn)定、可靠，試驗結(jié)果準(zhǔn)確。搭建融合終端實驗平臺，調(diào)試設(shè)備至需要的參數(shù)，見表1。

3.2 功率損耗測試

功率損耗測試的作用是衡量無功補償控制方法的效果，功率損耗越小，無功補償控制方法越穩(wěn)定，控制效果越好，可以滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的需求；功率損耗越大，無功補償控制方法的穩(wěn)定性越差，難以滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的需求。因此對本文方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法進(jìn)行功率損耗測試，測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，本文方法功率損耗較低，最高僅為30 W，穩(wěn)定性較好，可以控制電網(wǎng)內(nèi)無功功率，文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法功率損耗較高，穩(wěn)定性較差，不能較好地控制電網(wǎng)內(nèi)的無功功率，難以滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的需求。

3.3 無功補償控制偏差測試

對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行無功補償控制，補償控制的偏差越小，無功補償控制效果越好，補償控制的結(jié)果更準(zhǔn)確，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量可以有效改善功率因數(shù)，因此，對本文方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法的無功補償控制偏差進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，使用文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法對無功功率補償進(jìn)行控制，補償控制偏差較大，補償控制結(jié)果不準(zhǔn)確，降低了電網(wǎng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，不能有效優(yōu)化功率因子，難以滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的需求。因此，本文方法采用比例積分調(diào)節(jié)器并進(jìn)行限幅，與文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法相比，無功補償偏差值較小，能夠提高電網(wǎng)穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量，無功補償在50 var以下，有效優(yōu)化功率因子，符合電網(wǎng)系統(tǒng)的需求。

3.4 無功補償精度測試

無功補償精度測試的主要作用是檢驗無功功率補償?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性，如果補償測量值和實際值差異較大，那么證明補償測量結(jié)果不準(zhǔn)確；如果差異較小，那么證明補償測量結(jié)果準(zhǔn)確，可以對電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率進(jìn)行補償測量。筆者對本文方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法的無功補償精度進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表2。

由表2可知，使用文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法對電網(wǎng)進(jìn)行無功補償測量，測量結(jié)果與實際結(jié)果差距較大，不能準(zhǔn)確地對無功功率進(jìn)行補償測量，對后續(xù)無功功率控制影響較大，本文方法的無功補償測量精度較高，實際值達(dá)到99.6%，可以準(zhǔn)確對電網(wǎng)無功功率進(jìn)行補償測量。

綜上所述，本文方法在補償精度和功率損耗等方面都比文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法好，因此本文方法更符合實際需求，可以用于對電網(wǎng)的無功功率補償測量和控制中。

4 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無功補償和控制方法的使用頻率逐漸提高，出現(xiàn)的問題越來越多。由于電網(wǎng)系統(tǒng)無功補償和控制方法存在補償精度低和功率損耗大等問題，因此采用本文方法對電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，利用收集的數(shù)據(jù)對無功功率進(jìn)行補償。采用無功補償控制方法對無功功率進(jìn)行控制，試驗結(jié)果表明，本文方法實際值達(dá)到99.6%，可以對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行無功功率補償并控制，補償結(jié)果準(zhǔn)確。

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