動態無功補償分級控制策略的研究

葉瑋

摘要：電力行業自改革開放發展至今已經取得了非常不錯的成就，使我國徹底擺脫之前用電供不應求的尷尬局面。隨著電力系統的發展，各種新型沖擊性負荷（如工業電弧爐、電力機車、軋鋼機等）以及新的敏感設備大量出現，傳統的單一性負載逐漸被復合電力負載替代。大量的感性負荷需要消耗電網無功，同時復合電力負載工作狀態具有實時變化的特點，要求無功補償系統跟蹤負載變化，動態調節電網功率因素，對無功補償技術提出了新的要求。

關鍵詞：動態無功補償;分級控制策略

引言

電力行業的發展帶動我國其它行業發展迅速，使我國快速進入現代化科學技術發展階段。供電系統中的負載大部分都會以感性的形式呈現，例如用于空調和水泵的異步電動機以及計算機系統整流器等。其中有大部分在使用的過程中對供電系統比較嚴格，必須在無功功率的情況下才能夠正常運行工作，而且還需要根據使用機械的自身特性在決定。

1常用的無功補償方式

就地無功補償。采用電容器直接裝在用電設備附近，與電動機的供電回路相并聯，常用于低壓電網。它使用晶閘管或者機械開關作為投切開關，通過就地電壓傳感器控制而自動地投切電容器。運行時電機所需無功由電容器就地供給，能量交換距離最短，可以最大限度降低線路的電流。在線路相同的條件下，線路損耗與電流的平方成正比，所以電容就地補償節電效果最好，投資也小。但是，工業現場環境相對較差，特別是冶金行業，金屬粉塵含量較高，維護保養等若不及時進行，往往容易損壞。分散無功補償。常采用高壓電容器分組安裝在電網的10千伏/6千伏配電線路的桿架上、公用配電變壓器的低壓側、用戶各車間的配電母線上，達到提高電網的功率因數，降低供電線路的電流，減少線損的目的。集中無功補償。采用變電站和高壓供電電力用戶降壓變電站母線上的高壓電容器組，也包括集中裝在電力用戶總配電高低母線上的電容器組。其優點是有利于控制電壓水平，且易于實現自動投切、利用率高，維護方便，能減少配電網、用戶變壓器及專供線路的無功負荷和電能損耗，但是不能減少電力用戶內部各條配電線路上的無功負荷和電能損耗。選擇哪一種補償方式，還要依電網的狀況而定，首先對所補償的線路要有所了解，對于負荷較大且變化較快的工況，電焊機、電動機的線路采用動態補償，節能效果明顯。對于負荷相對平穩的線路應采用靜態補償方式，也可使用動態補償裝置。一般電焊工作時間均在幾秒鐘以上，電動機啟動也在幾秒鐘以上，而動態補償的響應時間在幾十毫秒，按40毫秒考慮則從40毫秒到5秒鐘之內是一個相對的穩態過程，動態補償裝置能完成這個過程。

2復合電力負載的動態無功補償分級控制策略

系統由控制模塊和執行模塊組成，其中控制模塊的具體實現過程如下：（1）控制模塊對檢測到回路測量出電壓和電流信號分析計算，得到電壓電流的相位角?，并確定出電流相對于電壓的滯后或超前關系。假定滯后的功率因數為“+”，超前的功率因數為“-”，計算出功率因數的值cos?，取10次當前采樣點的平均值作為當前系統的功率因數λ;（2）給定功率因數λ0，為了防止系統震蕩，此處λ0為一范圍[λLλH]，為了方便描述，后面一律用λ0表示。對當前系統功率因數λ進行判定;（3）當系統處于低功率因數階段且電流滯后于電壓，即系統功率因數0<λ<λ0，按第一級控制算法發出初步投切指令，經過輸出控制電路到可調電容器組，進行投入電容器組操作。（4）當系統處于過補償階段，功率因數高于給定功率因數λ>λ0或系統功率因數λ<0時，即電流超前電壓為“-”。按第二級控制算法發出微調節控制指令，對感抗變換器進行尋優控制，從系統吸收無功功率，使功率因數達到正常范圍。

3無功補償發展趨勢

在應用電容器開展無功補償的工作屬于靜態補償。在使用的過程中有固定的容抗，因此無功補償的量也是固定的，不能隨著供電系統中的感性負荷的變化而改變補償量，導致無功補償的過程中不能實現動態補償。隨著我國電力系統的穩定發展，需要對無功功率補償進行創新與完善，盡可能實現動態補償的最大效果。而且也是需要從多方面考慮，進而需要研究的人員在設計時對電力系統的各方面進行加強，促使電網中的電源以及負載擾動都有明顯的提升，單一的固定補償不能滿足目前社會的發展。伴隨著我國電子技術發展的進步，推進供電系統的發展，當電抗器和電容器受到晶閘管的實時投切時，進而使電抗器受晶閘管的控制以及電容器受晶閘管的投切，依據電網中無功功率的狀況進行無功動態補償，進而時固定補償得到改進。

4復合電力負載的動態無功補償控制算法

合理的控制算法，能消除電容器組的往復投切振蕩現象及感抗變換器尋優振蕩現象，同時能快速補償系統無功功率。現對第二級控制算法（微調節）作如下說明。由于第二級控制感抗變換器要實現微調節系統無功功率的作用，需要控制算法來滿足感抗變換器的無級調節，快速響應的同時提高系統穩定性。復合電力負載的動態無功補償控制方法的第二級控制算法由模糊控制算法來實現，模糊算法模塊由模糊化接口、模糊推理機、解模糊接口3部分組成。模糊化接口對電壓偏差Δu、無功功率偏差Δq、功率因數偏差Δcos?，在各自的論域范圍內離散化為7檔，形成偏差量的模糊集（正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（0），負小（NS），負中（NM），負大（NB）），按照13個等級（-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6），通過三角形狀隸屬函數曲線，得出偏差量模糊集中各個子集的隸屬度值;同理得出感抗變換器微調節的控制量ΔV在模糊集中各個子集的隸屬度值。模糊推理機根據無功補償控制規律和人工經驗推理出由描述性語言表示的推理規則，將每個規則表示為模糊關系，并結合上述隸屬度值，轉換成矩陣形式，分別構成推理規則模糊關系矩陣A、B、C;通過模糊判決將3個輸入變量模糊集與A、B、C進行模糊合成規則運算，得出Δu、Δq、Δcos?的輸出模糊集ΔV?u、ΔV?q、ΔV??用控制表描述出它和3個輸入量模糊集的對應關系，并存儲在計算機內存中，從這3個控制表中查出的控制量值乘以相應的比例因子，即為電壓、無功功率、功率因數進行模糊控制的實際輸出值ΔVu、ΔVq、ΔV?。解模糊接口將ΔVu、ΔVq、ΔV?進行加權和，即K1ΔVu+K2ΔVq+K3ΔV?（加權因子K1、K2、K3由系統具體工況和模糊控制算法程序確定），得到一個決定第二級控制算法優化微調節感抗變換器的吸收無功的控制量ΔV，模糊控制算法模塊根據ΔV來調節感抗變換器的感抗值，發出復合電力負載的動態無功補償第二級控制指令，使系統功率因數提高到最理想狀態。

結語

實時跟蹤。智能傳感器和控制器對復合電力負載的無功功率及無功電流進行實時分析和提取;穩定快速補償。通過兩級控制策略，優化的控制算法使該負反饋控制系統穩定性強、快速性好、準確性高。連續可調。可調電容器組和感抗變換器相互配合，既可以向電網發出無功也可以從電網吸收無功，滿足無功功率快速補償、連續調節的目的。

參考文獻

[1]丁永忠，李娟，袁佑新，等.可變電抗器的研究[J].中國水運，2008，8（3）：177-178.

[2]袁佑新，蔡珊珊，班泉聚，等.基于可變電抗的靜止無功補償器拓撲結構研究[J].武漢理工大學報，2009，31（12）：120-122.

[3]余威.基于模糊控制的TSC型電弧爐無功補償系統的研究[D].中南大學，2010.

[4]程瑩.低壓大電流整流器的諧波治理和無功補償技術與應用[D].湖南：湖南大學，2010.