低壓配電網無功功率補償的自動控制方法

王翰陽

(華北水利水電大學電力學院， 河南 鄭州 450000 )

0 引言

無功負荷的增加和分布式發電機組在低壓電網中的普遍應用已經成為一個十分普遍的問題。分布式發電在配電網中可以帶來許多優勢，但隨著分布式電源在配電網中的比例逐漸升高，現代電力系統面臨著輸電線路能耗大幅提高、低壓電網電壓振蕩、電力系統無功功率不足和經濟性指標較差等復雜問題。靜態無功補償器(SVC)等不同類型的柔性交流輸電系統(FACTS)裝置被廣泛應用于補償無功功率。為了提高無功控制優化精度以及響應速度，衍生了基于智能算法、內點法、梯度法、線性規劃法等算法系統，提高了無功功率控制與補償的精準性和即時性。通過這些技術，電網在改善功率因數、電壓調節、潮流控制等方面的效率得到了提高。

在本文中，考慮建立一個能夠連續監測各個電源潮流的裝置來監測電網、變壓器和用戶負荷，并在實際條件下，通過對三戶住宅實際無功功率補償的管理，利用實時數據，使用算法模型來管理無功功率，并進行適時、適量的無功功率補償。

1 數學模型的建立

在變電站中，有多種負載類型，這就需要針對用戶的用電時間和負載類型做出不同的響應。如果能夠確定每個單位的需求并將其信息提供給系統，則系統將通過數學算法來分析此種無功功率和電壓場景下所需的無功補償。無論是有功負荷還是無功負荷，基本上每個用戶的電力需求都有不同的響應。另一方面，用戶端的負荷需求隨時間而變化。在大多數情況下，家庭需求的反應彼此相差不大，例如在夏季的用電情境中，人們在下班回家后使用微波爐、空調、洗衣機等大型用電器的時間段基本一致，即一個用戶的電力負荷達到峰值時，其他用戶也會達到基本需求。但如果考慮家庭位于城市的住宅區，則工作日的電力需求與周末不同，而偏遠地區的需求響應在一周內幾乎每天都是相同的。這就需要得到每個用戶的需求來確定無功補償的大小。如一個配電變電站有一些公共線和節點，其中一些房屋直接連接到這個系統中。不同類型的負載通過每個房屋的總線和節點與系統連接。感性負載和容性負載可通過線路總阻抗來計算，同樣，阻感負載、阻容負載、阻容負載串聯或并聯均可由電路的串并聯關系來確定。那么總用電負荷可定義為每個電力用戶的用電負荷之和，其取決于在配電饋線下連接的用戶數量。通過了解線路上的用電用戶數量以及線路的基本參數如阻抗等，可以使用電力系統分析中的基本公式計算出輸電線路上的總負荷。因此，考慮到這一點，每個用戶的總視在功率可定義為該用戶有功功率和無功功率的矢量和。如果該配電網絡有b條母線和i個節點，則總有功和無功功率可表示為該條母線單個節點中流入流出功率的代數和，由于一共有i個節點，將各個支路的各個支點功率相加即為總的視在功率。

在采用自動無功補償裝置(ARPCD)的情況下，根據配電網絡的需求響應確定無功裝機容量。為了保持系統功率因數的持續恒定，ARPCD提供的無功功率取決于系統的電壓和電流。通過前面計算出的有功功率和無功功率的矢量和一起來共同表示ARPCD的狀態。但是，由于用戶需求響應的突然變化，配電網絡和ARPCD供電的無功功率可能不能得到完全的補償。在這里加入了一個反饋機制，當系統快速變化，ARPCD補償的無功小于系統總無功需求時，通過計算需求量和補償量之差給出系統剩余無功功率，并補發無功，直至供需達到平衡。

2 無功功率的管理和控制機制

利用仿真軟件設計了一個考慮24 h負荷變化的計量數據無功計算模型。這是一個閉環系統，數據通過上述方程進行監控和匯總。在Simulink模型中，根據實際用電情況，負載被設計成具有連續變化特性的相量測量單元。該模型考慮了以小區為單位的用戶真實數據。以前的輸配電系統是單向的，但現在已被雙向系統所取代。可以根據主動需求響應和發電量向電網供電。在這種情況下，只考慮電網對有功需求響應的無功補償。即從用戶家中，利用傳感器測量住宅母線的電流和電壓，然后相乘計算瞬時潮流，通過計算出的實時潮流來確定無功補償的大小。

作為交流系統，它既要得到電壓電流的有功部分，也要得到無功部分，只有這樣才能得到損耗功率。功率的無功部分從傳感器中得到并送至配電網。基于該算法的配電網對配電線路、用戶和集線器的無功數據進行采集，通過采集到的基礎數據，為ARPCD的進一步應用提供依據，其中，其總阻抗通過阻抗繼電器傳遞到配電網當中，通過電路最基本的KCL以及KCL方程得到線路基本參數，再通過上述算法的計算以及控制系統的判別來進行無功補償。

還需要測量電力用戶的用電量，并向配電網確認其負荷響應。然后根據該算法決定呼叫控制系統，再將之前的數據合并，以采取適當的步驟調節無功功率。將電網中存在的無功功率與系統中期望的無功功率進行比較，直至“=0”。然后ARPCD將功率聚集到配電網，測量系統所需的無功功率的大小，以改善電壓、功率因數等網絡參數。在這種情況下，由于用電需求的變化不頻繁，所以定義了每15 min間隔進行分析。

3 實驗的觀察和分析

通過使用Matlab在Simulink中建模，以考慮一天的功率需求。在仿真過程中有如下考慮：3個住宅通過配電饋線連接到電網的低壓網中，其中配電變壓器起降壓作用。帶控制系統的ARPCD與變壓器相連，被認為是反饋控制系統。此處將負載視為單相，在電力系統中，有2種無功功率，分別是容性無功和感性無功，容性無功可理解為超前無功，而感性無功可理解為滯后無功。模擬模型以一天24 h為基礎，橫坐標均為時間，縱坐標分別為功率、電壓以及功率因數。從仿真結果可以解讀到以下信息：3戶住宅在無ARPCD和有ARPCD時的耗電量以及電壓波動情況以及功率因數的大小。

在有功功率和無功功率都急劇波動的需求響應的大環境下。3戶住宅在沒有配備ARPCD時無功功率消耗較高，對系統影響顯著，系統的電壓水平降低、功率因數不在理想運行的區間之內。在3戶住宅中安裝了ARPCD之后，由于控制系統的介入，各房屋無功潮流幾乎為零，說明系統以單位功率因數運行，電壓水平在理想運行的區間之內。由于該配電網程感性，所以ARPCD向配電饋線提供容性功率，補償無功功率，以提高系統的電能質量、電壓調節和功率因數。

4 結語

本文所提出的方法通過算法模型解決了顯示功率實時狀態的問題，再通過數學模型的搭建、算法的實現以及全新的控制手段來利用ARPCD實現無功補償，達到提高系統功率因數，減少電壓波動的效果，提高了電能質量。在現代電力系統當中，對于現有配電網中的功率需求，只有連續不間斷的數據支撐，才能對網絡中的各種電氣量進行調控。眾所周知，當大量用戶連接到系統時，它將面臨一系列的電能質量的問題，而通過觀察每個節點和總線配置可以很容易地識別這些問題，本文這一設計就是為了解決這樣一個問題。在分布式電源遍接入電網的現代電力系統當中，考慮到配電網的所有節點和總線，可將光伏板，風力發電機和其他發電電源集成，使用該方法，在了解所有的電力消費者行為下建設配電變電站，這將有助于預測發電，傳輸和配電的預測設計，并將提高電網的運行能力。