分布電能治理型電力載波抄表系統控制研究

(許昌學院電氣信息工程學院，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，家用洗衣機、空調器、電冰箱、電風扇等感性負荷越來越多，造成家用無功功率的消耗越來越大。這樣在用電高峰期就會造成用戶端電壓過低，從而導致用電效率低下，使用電設備不能正常使用。長期市場調研表明，把無功補償與電能計量系統結合起來，構建一體化的分布式電能治理及計量系統具有一定的意義[1]。

本文在參考文獻[2]的基礎上，經過一定時間的理論研究與實踐總結，重點研究了低壓無功補償的控制策略和低壓電能計量系統的控制策略。

1 低壓無功補償控制策略

1.1 無功補償的意義

無功補償把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換[3]。這樣感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償，從而可以增加電網中有功功率的比例常數，減少發、供電設備的設計容量，減少投資，降低線損[4-5]。

1.2 無功補償原理

家用型無功補償不同于工業用無功補償。工業用無功補償可以不考慮補償裝置的體積大小，成本要求也不是很高；而家用無功補償裝置要求成本低、體積小。因此，本文提出了一種新型無功補償控制策略，以適應無功補償與智能抄表一體化的要求。無功補償主電路拓樸結構如圖1所示。

圖1 無功補償主電路拓撲結構

圖1中，L、N為入戶220 V電源，L1、R1為可變的家庭感性負載。感性負載在工作過程中需要消耗無功能量，不同大小的感性負載，消耗的無功能量大小不同。無功補償是在入戶電表計量處通過二極管D1～D4先將220 V交流電源整流濾波變為直流電源，然后通過MOSFET管Q1～Q4將直流電源逆變為頻率和電壓幅值均可變的交流電源，并施加在電容C2兩端。通過調節加在電容C2兩端的電壓就可改變電容產生無功的大小，從而達到改變系統中無功功率的效果。

1.3 無功補償控制策略

為了達到系統無功功率平衡，無功產生裝置需要自動跟蹤L1、R1大小的變化。假設系統電壓為U1∠0，系統頻率為f1，負載等效電阻為R1、等效電感為L1；加在補償電容C2兩端的電壓為U2∠α，兩端電壓頻率為f2，負載所需無功功率為Q1，則有：

(1)

式中:S1為系統視在功率;ω=2πf1。

負載所需無功功率Q1為：

(2)

為了保持系統無功功率平衡，電容C2也要產生無功功率，大小為Q1。因此可得：

(3)

(4)

式中：ω2=2πf2。

因此，在保持電容C2兩端電壓頻率一定時，當系統感性負載增大即系統無功功率增大時，只需要增大電容C2兩端的電壓即可。由于系統所需無功功率大小與電容C2兩端的端電壓平方成正比，因此可以通過調節固定電容C2兩端的電壓大小來補償系統變化的無功功率。

1.4 控制策略的實現

為了減小系統電壓波動或者感性負載在工作過程中的波動引起無功功率波動對控制系統的影響[6]，采用PI控制方式實現逆變電壓的快速控制。控制結構框圖如圖2所示。圖2中，Q1ref為無功參考值。無功補償的目的是使系統側的無功功率盡量穩定在參考值，或在參考值附近許可范圍內波動。

圖2 PI控制結構框圖

2 電能計量系統控制策略

在設計過程中，為了減小裝置體積和降低成本，應在滿足功能的前提條件下盡量少使用元器件。因此，電能計量和上傳及低壓無功補償共用一個CPU。

同時，電能計量系統采集家庭進線口的電壓電流，通過軟件計算電能大小。計量電路結構框圖如圖3所示。

圖3 計量電路結構框圖

電能計量電路較為簡單，電能計量的重點在于軟件的控制策略。當采集得到系統電壓、電流之后，根據系統精度要求確定每周波采集次數[7-10]。本文裝置要求精度在0.2級以上，每周波需要采集400個點，則可得每周波電壓電流采集數據為：u1，u2，…，un;i1,i2，…，in。由此可得到以下數據。

負載消耗視在功率為：

(5)

(6)

無功功率和有功電能的大小為：

W=PXt

(7)

(8)

3 試驗結果

根據以上理論分析，將1臺試制樣機加在1組近似家庭負荷的前端進行測試，同時接入1臺常規電能計量儀表，并核對試制樣機的精度。

負荷為1 kW空調1臺、1.9 kW空調1臺、0.6 kW洗衣機1臺、計算機2臺、照明節能日光燈4臺共計0.18 kW。測得的電能計量結果如表1所示。

表1 電能計量結果對比表

由表1可知，自制電能計量裝置精度完全可以滿足要求。在同一組負荷上測試無功補償功能，結果如表2所示。

表2 無功補償投入前后功率因數對比表

由表2可知，無功補償裝置對于提升功率因數效果非常明顯。因此，該無功補償裝置對于減少系統無功消耗、提升用戶端電壓意義重大。

4 結束語

本文根據現代家庭負荷的特點，以無功補償和電能計量一體化研究為目標，提出了一種電壓控制型無功補償控制策略和電能計量檢測方法。通過實際運行表明，該控制方法無功補償效果明顯，電能計量準確，并且裝置體積小巧，成本低，適合家庭用戶應用。

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