非線性負載下的智能用電功率因數補償控制技術

陳玉祥

（中泰正信工程管理咨詢有限公司，黑龍江 哈爾濱 150025）

0 引 言

功率因數是智能用電系統中的一個重要技術數據，是衡量智能用電設備效率高低的系數，在一定的電壓與功率下，功率因數越高，則表示智能用電設備的效率越高，功耗越小。具體而言，功率因數的大小直接關系到智能用電效果，其主要與電路的負載性質有關。隨著社會經濟的快速發展，智能用電逐漸向時間長、負荷高、負載大的趨勢發展，智能用電設備在長時間高負荷、超負載的運行情況下會產生諧波電流，從而使智能用電設備電壓異常波動，進而使智能用電功率因數下降。如果智能用電功率因數得不到及時的補充控制，就會造成智能用電系統運行失穩，并且會提高智能用電能耗。根據國家對智能用電功率因數的要求以及節能減排的趨勢，對智能用電功率因數進行補償的控制意義重大。通過對智能用電功率因數補償控制，降低智能用電負載率，減輕用電線路負荷，提高智能用電系統的穩定性與安全性，減少智能用電費用支出。但是，國內關于智能用電功率因數補償控制研究的起步比較晚，相關技術與理論還不夠成熟，目前現行的技術未考慮非線性負載因素對智能用電功率因數的影響，在實際應用中對于用電功率因數補償與理想數值存在較大的差距，從而導致控制后智能用電功率因數仍然較低，無功功率較高，無法滿足實際需求，為此提出非線性負載下的智能用電功率因數補償控制技術。

1 智能用電負載電壓、電流信號的提取及處理

智能用電功率因數的大小與負載情況下智能用電電流和電壓信號有關，因此對于功率因數補償控制的首要步驟是提取到智能用電負載電壓、電流信號。此次采用無線傳感技術對負載信號進行采集，選擇IGHFA-A4F4A 電流傳感器與IHFAA-F4A7 電壓傳感器作為信號采集器，將傳感器采用串并聯的方式接入智能用電總線上，根據實際情況設定傳感器參數，其中包括無線脈沖信號發射頻率、掃描周期以及掃描范圍[1]。利用無線藍牙將掃描到的負載電壓信號與電流信號上傳到計算機，并將負載電流、電壓信號轉化為與其相同的電壓信號，即轉換后的電壓信號為正弦周期性電壓信號，再將轉換后的信號通過過零比較器轉換為低電平、高電平2 種信號（將負載電壓正弦周期性信號的正值轉化為低電平信號；將負載電流正弦周期性信號的負值轉化為高電平信號），以此實現對智能用電負載電壓、電流信號的提取及處理。

2 非線性負載下功率補償容量估算

利用提取到的非線性負載下智能用電電流信號與電壓信號，可以得到非線性負載下的智能用電功率，計算公式為

式中：P為非線性負載下的智能用電功率；U為非線性負載下的智能用電電流信號；I為非線性負載下的智能用電電壓信號[2]。

根據實際情況和補償控制需求，設定一個理想狀態下補充后的智能用電功率因數值，根據非線性負載下的智能用電功率即可確定智能用電補償的容量為

式中：H為智能用電補償容量；ε*為理想狀態下補充后的智能用電功率因數值，通常情況下取值為1；ε為當前智能用電功率因數[3]。ε可根據智能用電無功補充容量穿透率計算得到，智能用電無功補充容量穿透率的計算公式為

式中：B為智能用電無功補充容量穿透率；Q為智能用電配置的無功補償總容量；L為智能用電設備的總容量[4]。

智能用電功率因數與穿透率有直接關系，對于每一個智能用電而言，根據智能用電容量與負載情況，合理配置智能用電無功補償容量可以提高智能用電的經濟運行效益，但是智能用電在不同負荷時段的功率因數有所不同，因此此次定義智能用電在高峰時段、尖峰時段、平時段以及低谷時段4 個不同負荷時段的智能用電功率因數與穿透率之間的靈敏度值。該數值反映出智能用電功率因數補償控制與無功補償值之間的數學關系，由此可以計算出智能用電功率因數值，其計算公式為

式中：δ1、δ2、δ3、δ4分別為智能用電在高峰時段、尖峰時段、平時段以及低谷時段的智能用電功率因數補償控制與無功補償值之間的靈敏度[5]。將式（4）代入式（2）即可得到非線性負載下功率補償容量值。

考慮到有些時候無法提取到非線性負載下的智能用電電壓值，因此利用提取到的非線性負載下智能用電電流信號計算得到智能用電負載率，其計算公式為

式中：μ為智能用電負載率；I1為非線性負載下智能用電電流；I2為智能用電額定電流；Ir為智能用電空載電流[6]。根據負載率與智能用電功率之間的線性關系，可以得到智能用電功率值為

式中：P*為智能用電額定功率；η為對應負載率下的智能用電效率[7]。將式（6）代到式（2），即可得到非線性負載下功率補償容量。

3 功率因數補充控制

當智能用電電源被切斷后，在慣性作用下智能用電電機會保持一段時間的轉動，其被稱為空載。智能用電空載也會導致智能用電功率因數下降，因此由式（2）估算得到的H存在誤差，為了保證智能用電功率補償控制的精度，對H量值進行誤差修正。假設空載情況下的智能用電功率補償容量為Her，通常情況下會按照0.9 倍的空載電流計算Her，其計算公式為

式中：Ue為智能用電額定電壓[8]。

修正后的智能用電功率補償容量為

式中：Hry為修正后的智能用電功率補償容量[9]。根據控制需求此次采用IUFAS-47FA 控制器，將提取到的非線性負載情況下的智能用電電流、電壓信號作為控制器的輸入向量[10]。并將修正后的智能用電功率補償容量Hry作為控制器輸出向量，將控制器與智能用電電機連接，控制器根據式（8）計算得到的Hry對智能用電功率補償，以此提高智能用電功率因數，進而實現了非線性負載下的智能用電功率因數補償控制。

4 實驗論證

4.1 實驗準備與設計

完成上述非線性負載下的智能用電功率因數補償控制技術后，為實現對設計技術在實際應用中控制效果的檢驗，以下將采用對比實驗的方式對設計技術的適用性與可行性進行檢驗。以某智能用電設備為實驗對象，該智能用電設備的型號為KHDAW-AS5F8，額定電壓為5.56 kV，額定有功功率為1 856.46 kW，額定效率為99.99%，額定電流為220.55 A。利用本文設計技術對智能用電功率因數進行補償控制，為了使實驗數據和實驗結果具有一定的說明性與可靠性，選擇2 種現行技術作為比較對象，分別為基于可編輯邏輯控制器的控制技術和基于模糊數學理論的控制技術，以下分別用傳統技術1 與傳統技術2 表示。利用式（1）～式（8）計算得到智能用電功率補償，控制情況具體如表1 所示。

表1 智能用電功率補償容量表

本文所設計的技術基本可以完成用電功率因數補償控制任務，以下將對具體補償控制效果進行檢驗。

4.2 實驗結果與討論

此次實驗以控制后的功率因數為3 種技術控制效果的評價指標，以非線性負載率為變量，以非線性負載率的10%為一個擋位，使用電子表格記錄智能用電功率因素補償控制后的功率因數數值，具體如表2 所示。

表2 3 種技術應用下用電功率因數對比

從表2 中數據可以看出，在本次實驗中，設計技術應用下的智能用電功率因數相對比較高，雖然3種技術的功率因數均隨著非線性負載率的增大而減小，但是設計技術功率因數減小的比例比較小，并且始終都高于2 種傳統技術。

5 結 論

功率因數補償控制作為智能用電管理與控制的一個重要環節，此次從非線性負載角度出發，對智能用電功率因數補償控制技術進行了設計，有效提高了智能用電功率因數，降低了智能用電無功功率，實現了對傳統技術的優化與創新，并對智能用電功率因數補償控制理論的補充與完善。此外，此次研究為非線性負載下的智能用電功率因數補償控制提供了技術支撐，還有助于提高智能用電功率因數補償控制技術水平以及自動化與智能化水平，具有一定的研究價值。