基于自適應濾波的電力系統無功補償自動控制

摘 要：為控制電力系統無功功率輸出，提高其運行穩定性，本文引進自適應濾波技術，以某電力系統為例，研究無功功率自動控制方法；根據視在功率和有功功率，計算電力系統無功功率；使用適應濾波器，迭代更新其參數逼近期望的輸出信號，實現基于自適應濾波的系統無功補償；安裝在電網各節點的傳感器和監測設備能夠實時采集電網的電壓、電流和無功功率等關鍵參數，并設置分接頭調整量，進行TCK電壓自動控制。對比試驗結果證明，本文設計的控制方法應用效果良好，能夠對電力系統無功功率輸出進行補償與自動控制，保證電力系統運行的穩定性與可靠性。

關鍵詞：自適應濾波；TCK電壓；自動化；無功補償；電力系統

中圖分類號：TM 351 " " " 文獻標志碼：A

無功補償技術能夠對電網無功電流進行調節和控制，改進電網電壓質量。大量的無功功率會導致電網中的功率因數下降，影響電能的傳輸效率和電網的節能運行。因此，無功補償技術的應用對提高電網質量具有重要意義。

楊鑫[1]通過改進瞬時對稱分量法，將系統參數分解為正序、負序和零序網絡，從而實時獲取正序、負序和零序分量。根據控制策略，該方法會優先補償負序和零序電流，以緩解三相負載不對稱問題，當補償容量不足時盡可能補償無功電流。該方法雖然改進了瞬時對稱分量法，但是當高次諧波干擾或系統波動較大時，可能會影響分解結果的準確性。同時，當STATCOM的補償容量接近極限時，優先補償負序和零序電流可能會影響無功電流補償效果和系統的整體性能。肖佩等[2]在調相機控制系統中引入電壓和無功功率的雙閉環控制策略，以精確控制交流母線電壓和無功功率。當系統電壓超出預設范圍時，電壓閉環起主要作用，以保證電壓穩定。雙閉環控制策略雖然提高了控制的精確性，但是也增加了系統的復雜性，對控制參數的調整和優化提出了更高要求。

為解決現有方法的不足，本文將引進自適應濾波技術，以某電力系統為例，進行無功功率自動控制方法研究，旨在推動電網智能化的發展，滿足電網運行和管理需求。

1 電力系統無功功率計算

為滿足電力系統無功補償自動控制需求，設計方法前，應計算系統運行過程中無功功率輸出值[3]。當系統產生無功功率時，說明在交流電路中，電壓與電流間的相位差產生的功率并沒有直接轉化為機械能、熱能或光能，而是主要在電感和電容元件間進行交換。

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'對其進行計算。當大量無功功率Δs在電網中流動時，會導致電壓V波動、線路損耗增加以及設備過熱等問題[4]。其中視在功率S和有功功率S'的計算過程如公式（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；α表示相位差。

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

（2）

式中：Δs表示無功功率；ΔQ表示系統短路容量。

按照上述方式，完成電力系統無功功率的計算。

2 基于自適應濾波的系統無功補償

當電力系統中出現無功功率不足或過剩現象時，可能會導致電壓波動、線路損耗增加和設備效率降低等問題。為了優化電力系統，可以采用基于自適應濾波技術的系統無功補償方法[5]。自適應濾波技術是一種能夠根據輸入信號和期望輸出信號的變化自動調整濾波器參數的方法。在電力系統無功補償中，自適應濾波技術可用于實時監測系統的無功功率變化，并根據這些變化自動調整無功補償設備的輸出，以精確控制系統無功功率。最小均方算法可用于調整濾波器的系數，以使誤差信號的均方值最小化。更新權重的計算過程如公式（3）所示。

w（n+1）=w（n）+2μe（n）x（n） （3）

式中：w（n）表示第n次迭代的濾波器權重向量；μ表示學習率（步長）；e（n）表示第n次迭代的誤差信號（即期望信號與濾波器輸出之差）；x（n）表示第n次迭代的輸入信號向量。

在此基礎上，使用電力監測設備（例如功率分析儀、電壓電流測量儀等）實時監測電力系統中各節點的電壓V、電流I和無功功率Δs等參數[6]。將監測到的電壓V、電流信號I輸入自適應濾波器。自適應濾波器根據預先設定的算法和期望的輸出信號（即期望的無功功率值）自動調整濾波器參數，以產生相應的無功補償信號。無功補償信號量χ如公式（4）所示。

（4）

式中：χ表示無功補償信號量；k表示更新次數；T表示節點收斂時間。

根據得到的無功補償值，控制無功補償設備（例如電容器組、電抗器等）的投入或切除，以精確控制系統無功功率。

3 TCK電壓自動控制

為了使無功補償可以在應用中發揮預期效果，需要在上述內容的基礎上進行TCK電壓的自動控制。該環節是電力系統自動化控制的重要組成部分，能夠利用先進的通信、傳感、計算和控制技術，實時監控并自動調整電網電壓水平[7]。還能基于預設的電壓控制策略，進行精確計算和決策，自動調整電網中可控無功電源的出力、無功補償設備的投切以及變壓器分接頭的位置，從而精確控制電網電壓[8]。

在該過程中，安裝在電網各節點的傳感器和監測設備能夠實時采集電網的電壓、電流和無功功率等關鍵參數，這些數據由通信網絡傳輸到中央控制單元[9]。根據預設的電壓控制策略，對采集的電網數據進行處理和分析。TCK電壓自動控制系統能夠控制指令，并自動調整電網中可控無功電源的出力、無功補償設備的投切以及變壓器分接頭的位置，進行TCK電壓自動控制。

4 對比試驗

上文完成了基于自適應濾波的電力系統無功補償自動控制方法設計，為檢驗該方法的實際應用效果，本文選擇某地區大型電力服務中心作為研究試點，分析其電力系統運營現狀，相關內容見表1。

該電力服務中心負責向周邊地區穩定、可靠地進行電力供應，擁有復雜的電網結構和多樣化的用電負荷。然而，根據該電力服務中心的監測數據顯示，目前無功功率的波動幅度逐漸增加。特別是在高峰時段，無功功率的波動范圍更大，導致電網不穩定。盡管該電力服務中心已經安裝了多套無功補償設備，但是設備的補償效率并不理想。部分設備老化、損壞或設計不合理，造成補償效果不佳，甚至產生額外的無功損耗。現有的無功功率補償控制缺乏智能化和自適應能力，導致在電網結構變化、用電負荷波動等情況下，控制系統無法及時進行調整。

為解決上述問題，在綜合商議后，決定應用本文設計的方法進行無功補償自動控制。在該過程中，本文搭建了測試平臺，設計了系統在運行中的相關技術參數，見表2。

在該基礎上設計電力系統中輸電線路元件及其參數，相關內容見表3。

完成試驗準備工作后，利用公式（1）計算該電力系統的視在功率S和有功功率S'，利用公式（2）計算該電力系統的無功功率Δs，并分析該電力系統的無功功率輸出現狀，如圖1所示。

由圖1可以看出，當無干預措施時，電力系統的無功功率Δs為負數，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，而不是從系統吸收無功功率，會對電網的穩定性和電壓質量產生影響。

本文引入文獻[1]、文獻[2]的方法對該電力系統進行無功補償自動控制，并與本文方法的控制結果進行比較，統計不同方法在0.25s時刻對系統進行無功功率補償的效果，如圖2～圖4所示。

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

由圖3可以看出，應用文獻[1]方法后，系統輸出的無功功率在0.45s后穩定在一個具體數值，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較差。

由圖4可以看出，應用文獻[2]方法后，系統輸出的無功功率發生了變化，但是在試驗結束后，輸出值未能穩定在一個具體數值，說明該方法的控制效果也較差。

綜合上述試驗結果可知，本文設計的基于自適應濾波的控制方法應用效果良好，該方法可以對電力系統無功功率輸出進行補償與自動控制，保證電力系統運行的穩定性與可靠性。

5 結語

無功功率的產生與電力系統的非線性負荷、感應電動機等相關，從而影響電力系統的功率因數和能源利用效率。自適應濾波技術可以根據電路中的噪聲和信號特性自適應地選擇濾波器的參數和結構，從而提高濾波器的濾波效果和信號質量。在電力系統中，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，自適應濾波技術的應用對提高電力系統中的濾波效果具有重要意義。為落實該項工作，本文以某電力系統為例，通過電力系統無功功率計算、系統無功補償和TCK電壓自動控制，進行無功補償自動控制方法的研究。旨在保障電力系統安全并使其穩定運行，以進行無功功率的補償，減少電網電壓波動和不穩定，并降低電網故障風險。

參考文獻

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